过程设备焊接焊接接头教学PPT.ppt

1 过程设备焊接 第三章焊接接头 2 第三章焊接接头 焊接断裂破坏事故统计表明 绝大多数事故是由焊接接头引发的 因此焊接接头质量是确保焊接结构可靠性的关键 焊接接头由焊接区和部分母材组成 其中对结构可靠性起决定作用的是焊接区 焊接区包括焊缝金属 熔合区和热影响区3部分 如图3 1所示 通常工程中所关注和研究的焊接接头 实际是针对焊接区进行的 因为在焊接过程或使用中 焊接区要发生许多有别于母材的变化 除组织和性能变化外 还存在焊接缺陷 焊接残余应力和应力集中等不利因素 3 3 1焊接接头的组织与性能3 1 1焊缝金属焊缝金属具有如下特点 1 存在铸造缺陷焊接的冶金过程与铸造相似 因此它也存在一般铸件中常产生的气孔 夹渣 偏析和晶粒粗大等缺陷 其晶体总是垂直于焊缝金属边缘向焊缝中心成长 最终形成粗大的柱状晶 具有很强的方向性 利于杂质偏析和热裂纹的形成 由于晶粒粗大 故其塑性和韧性一般较母材差 第三章焊接接头 4 2 焊缝中的夹杂焊缝中的夹杂主要是指熔池冶金反应中生成的氧化物和硫化物等颗粒 由于结晶过程凝固较快 来不及浮出而残存于焊缝内部 低碳钢中的夹杂物一般为硅酸盐 主要是sio2 呈弥散状态分布 对焊缝的危害较大 3 焊缝中的偏析熔池的结晶过程是一种不平衡过程 由于冷却速度快 焊缝金属中的元素来不及扩散而造成化学成分分布不均匀 这种溶质元素偏离其平均浓度的不均匀分布称为偏析 焊缝中的偏析既表现在晶内与晶界 又表现在焊缝边缘与焊缝中心以及每层焊波之间 焊缝中的偏析主要有显微偏析 区域偏析和层状偏析等 第三章焊接接头 5 第三章焊接接头 4 焊缝中的杂质元素硫和磷硫主要以fes和mns形式存在于焊缝中 硫会以熔点为985 的fe fes和熔点为940 的feo fes低熔共晶物 呈片状或链状析集于晶界 从而促生热裂纹 并使韧性下降 还可与ni形成ni ni3s2共晶物 其熔点仅645 危害更大 磷在焊缝中主要以fe2p和fe3p形式存在 且可以生成熔点为1050 的fe fe3p和熔点为880 的ni ni3p低熔点共晶物 故磷也是热裂纹的促生元素 而且还使韧性特别是低温韧性下降 焊缝中的硫 磷主要来自焊接材料和母材 碱性焊条的脱硫效果优于酸性焊条 6 第三章焊接接头 5 焊缝金属的力学性能焊缝金属是由焊接材料与部分母材经过熔化冷凝形成的铸造组织 它是从母材开始垂直于等温线方向 最大温度梯度的方向 结晶长大的 单层焊的组织是典型的柱状结晶 在多层焊时 对前一道焊缝要重新加热 其加热超过900 的部分 消除了柱状结晶 并使晶粒细化 故焊缝金属的力学性能较单层焊好 焊缝金屑的性能还与焊接方法及其焊接工艺参数有关 主要影响如下 用较低的线能量进行单层焊时 由于冷却速度快 则使焊缝金属变硬 强度上升 7 第三章焊接接头 增加焊接热输入 提高层间预热温度 由于冷却速度的降低 致使高强钢焊缝金属材料的强度和韧性有明显下降 因此 在高强钢焊接时 应确定一个最低的冷却速度 以控制焊接热输入和层间预热温度的上限 但为防止焊接裂纹的产生 应有较高的层间预热温度 需注意协调 一般情况下 用等强度焊接材料焊接的焊缝金属强度往往大于母材强度 特别是低强度钢焊缝金属的屈服强度明显高于母材 但延伸率和韧性却低于母材 还使韧性特别是低温韧性下降 8 第三章焊接接头 3 1 2熔合区 1 熔合区的构成熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区域 是一个熔化不均匀的区域 熔合区如图3 2所示 9 第三章焊接接头 半熔化区是指紧邻热影响区侧固液共存的部位 它的产生 一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口熔化不均匀 二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不均匀 再就是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔点和实际熔点的差异所 可见 坡口熔化过程的复杂性是导致出现半熔化区的主要原因 未混合区 不完全混合区 是焊缝中紧邻焊缝边界的部位 它主要由焊接时熔化再凝固的母材所组成 而未与熔化的填充金属完全相混合 因此实际就是富集母材成分的焊缝区 它的形成是由于熔池边缘的温度较低 使对流和扩散过程进行困难 从面导致母材与填充金属不能很好混合 母材与填充金属成分差异越大 未混合区越明显 如果填充金属成分与母材成分完全相同 未混合区会消失 10 第三章焊接接头 2 熔合区的特点温度处于固相线和液相线之间 这个区域的金属处于局部熔化状态 因此 晶粒十分粗大 化学成分和组织都极不均匀 此区靠近母材一侧的金属组织属于过热组织 塑性很差 对于低碳钢 固相线和液相线之间的温度区间很小 在各种熔化焊条件下 这段区域很窄 金相观察实际上很难区分出来 但对焊接接头的强度 塑性却有很大影响 由于化学成分和物理化学性能不同 故该区焊接残余应力也大 熔合区具有两高一低的特点 即残余应力和硬度高 而韧性低 在熔合线附近部位往往具有焊接接头最低的韧性和最高的硬度 因此 熔合区还常常是脆性断裂和焊接裂纹的发源地 是焊接接头的最薄弱区 11 第三章焊接接头 3 1 3热影响区受到焊接热循环的作用而发生组织和性能变化的母材部分 称为焊接热影响区 实际上 热影响区各部位是在焊接过程中通常用于焊接的结构钢 从热处理的特性来看 可分为两大类 一类是在一般焊接条件下淬火倾向较小的钢 例如低碳钢和含合金元素较少的普通低合钢 称为 不易淬火钢 另一类是含合金元素较多或含碳量较高 淬火倾向较大的钢 称为 易淬火钢 这两类钢的焊接热影响区组织不同 而许多不锈钢的热影响区组织与这两类钢也不同 12 温度变化如4 3图 13 第三章焊接接头 1 不易淬火钢热影响区的组织与性能20r q235 16mnr等强度和碳当量较低的钢 在通常焊接条件下热影响区通常有四个区域 如图3 3所示 过热区 粗晶粒区 过热区的温度范围是处在固相线以下至1100 左右 当加热到1100 以上时 奥氏体晶粒即开始剧烈长大 尤其在1300 以上 晶粒十分粗大 冷却后即获得晶粒粗大的过热组织 晶粒度都在l 2级左右 在气焊和电渣焊的 14 第三章焊接接头 情况下 甚至会得到 魏氏组织 魏氏组织是一种过热组织 其特点为铁素体沿晶界分布 并呈针状插入珠光体内 使钢的塑性和韧性都大大降低 通常降低20 一30 因此 焊接刚度较大的结构时 常在过热区发生裂纹 过热区晶粒的长大 与在此高温区停留时间的长短有关 停留时间越长 晶粒越粗大 不同的焊接方法和焊接规范 产生的过热区大小也不同 见表3 1 埋弧自动焊的过热区比手工电弧焊小 焊接速度越快 过热区越小 电渣焊焊接速度缓慢 过热区较宽 晶粒长大常成为影响电渣焊质量的主要问题 过热区的力学性能还随焊后的冷却速度而变化 冷却速度越大 过热区强度 硬度越高 塑性越低 15 第三章焊接接头 正火区又称细晶区或相变重结晶区 对于低碳钢该区约为900 1100 加热到该温度区域时 铁素体和珠光体全部变成奥氏体 由于晶粒来不及长大 故冷却后得到均匀 细小的铁素体和珠光体 相当于正火热处理 该区强度高 塑性 韧性也好 一般认为是焊接接头中综合机械性能最好的区域 部分相变区在ac1 ac3之间 又称不完全重结晶区 加热时母材中的珠光体和部分铁素体转变成细小的奥氏体 但有部分铁素体不发生转变 在高温下其晶粒变得粗大 冷却后 细小的奥氏体转变成细珠光体和铁素体 加上未转变而晶粒变粗大的铁素体 该区晶粒大小极不均匀 所以力学性能不好 强度有所下降 16 第三章焊接接头 再结晶区只有焊前经冷塑性变形加工而发生加工硬化的焊件才存在 焊接时破碎的晶粒加热到400 ac1之间发生再结晶 晶粒复原 强度稍有下降 塑性回升 性能略有改善 总的来说该区域的力学性能变化不大 除上述四个区域外 对于低碳钢 低合金高强度钢或低温钢 当钢中含氮较高时 在200 600 以250 为最敏感 范围内产生热应变 导致材料的韧性和塑性显著下降 这种现象称为热应变脆化 但热应变脆化主要是钢材问题 而非焊接操作问题 17 第三章焊接接头 2 易淬火钢热影响区的组织与性能易淬火钢包括碳钢 35 40 45 50钢 低碳调质高强钢 c 0 25 中碳调质高强钢 c 为0 25 0 45 耐热钢和低温钢 在焊接后易产生淬火马氏体组织 这类钢的热影响区可分为3部分 淬火区处于ac3以上的高温区 由于焊后自然冷却较快 容易产生马氏体 在近缝的过热区是粗大的马氏体 特别脆 而在相当于正火温度范围内则为细小马氏体 也可能产生贝氏体或屈氏体的混合组织区 淬火组织硬度高 塑性 韧性低 再加上组织不均匀 故易产生冷裂纹 18 19 第三章焊接接头 部分淬火区或称不完全淬火区 处于ac1 ac3温度区间 加热时珠光体变成奥氏体 而铁素体几乎没有变化 冷却下来时 奥氏体转变成高碳马氏体 最后形成块状铁素体 高碳马氏或某些其他组织的混合体 该区的组织不均 塑性 韧性差 强度也有所下降 回火区处于ac1温度以下 对原始状态为退火态的易淬火钢不存在此区 若原始态为淬火态 此区焊后相当于经受了回火处理 会得到不同类型的回火组织 其韧性较焊前有所提高 若原始态为调质态 则高于原回火温度处发生软化 强度 硬度有所下降 韧性有所上升 而低于原回火温度处则组织和性能不变 20 第三章焊接接头 3 热影响区的硬度 韧性分布与脆化 硬度分布为了方便起见 常用钢材硬度来判断热影响区性能的变化 一般情况下 凡是硬度高的区域强度也高 但塑性 韧性下降 据此 测定钢材焊接热影响区的硬度分布 可以间接估计热影响区的强度 塑性和裂纹倾向等 硬度的变化实质上也反映了金相组织的变化 因为不同的组织有不同的硬度 焊接热影响区各区段被加热的最高温度和冷却时间是不一致的 因此 硬度也不相同 图是相当于16mn单道焊时热影响区的硬度分布 21 第三章焊接接头 由图中可看出 在热影响区的熔合线附近硬度最高 离熔合线远的地方 硬度将会接近母材的硬度 这也说明在熔合线附近的金属塑性最差 是焊接接头的薄弱地带 因此 目前许多国家采用熔合线附近的最高硬度值 被称为焊接热影响区的最高硬度 用hmax 表示 作为某些钢种的重要参考数据 用它来估计热影响区的性能和抗裂性 钢材的强度级别越高 钢中含碳量及合金元素越多 焊后的淬硬能力也越强 热影响区的最高硬度也越大 不同强度等级钢的热影响区硬度比较 如图3 5所示 22 第三章焊接接头 韧性分布接头韧性是一个重要的力学性能指标 图3 6为热影响区韧性分布示意图 在热影响区内 韧性的分布是不均匀的 其大小取决于该区受到的热循环 有两个区域的韧性值非常低 一个是最高加热温度1100 以上的粗晶区到熔合线部分 另一个是稍离焊接区的所谓脆化区 脆化区的位置及范围主要与母材组织 成分和焊接线能量有关 低碳钢的脆化区常在ac1以下的200 600 之间 高强度钢的脆化区常在靠近ac1 ac3的相变点之间 23 第三章焊接接头 在热影响区的粗晶粒区内 其韧性的大小取决于该区在热循环后产生的组织 对于含碳量较高的不易淬火钢 在高温下晶粒长大 甚至形成粗大低韧性的魏氏组织 而对合金元素较多的易淬火钢 则产生的是脆硬的孪晶马氏体组织 对低碳钢和低碳调质低合金钢 增加过热区的冷却速度可改善该区冲击韧性 这是由于获得条状的低碳马氏体的结果 对含碳高的高强钢 加大冷却速度则反会使韧性降低促进脆化 24 第三章焊接接头 脆化区a 粗晶脆化熔合区附近因过热引起的粗晶区 由于处在焊缝与母材的过渡地带 具有明显的物理和化学的不均匀性 并且在焊趾处常产生咬边或缺口而造成应力集中 由于冶金和应力因素叠加在一起 使此区成为脆化的主要部位 从冶金因素来看 对不易淬火钢引起的粗晶脆化主要是因为晶粒长大 甚至形成粗大的魏氏组织 而对于易淬火钢 主要是由于产生硬脆的马氏体 25 第三章焊接接头 对于过程设备中用得较多的低碳钢及低碳低合金钢 选择较小的焊接线能量以增加过热区的冷却速度 防止晶粒长大 能减小过热区的脆化趋势 至于含碳量或含合金元素较高的钢材 如18mnmonb等 会由于线能量的减小 而使淬硬倾向增加 造成过热区的冲击韧性下降 并易出现冷裂纹 所以需采用较大的线能量 但线能量过大将引起金属过热 因此 为防止热影响区脆化 以及避免产生冷裂缝 需根据不同材料 选择适当的工艺参数 26 第三章焊接接头 b ac1以下脆化低碳钢加热到ac1以下时 显微组织并没有什么变化 所以有时不把这个区域列为热影响区 但从性能上看 在400 600 区域内将产生时效脆化现象 时效脆化可以是淬火时效或应变时效 淬火时效是当低碳钢中铁素体内溶解了较多的碳 氮 氧时 在焊接急冷条件下造成的不稳定的过饱和状态 以后随时间的加长 将从过饱和固溶体中析出超显微的碳 氮亚稳定化合物 因此产生了脆化现象 应变时效是由于焊接或制造过程中 因各种应力使钢材产生局部塑性变形 经一定时间后所产生的时效现象 一般应变时效多产生在距焊接接头熔合线10mm左右的母材处 温度约在600 400 范围 表现出对缺口的敏感性很强 韧性很低 近年来已成为焊接结构生产的重要问题之一 27 第三章焊接接头 4 不锈钢热影响区的组织与性能不锈钢分为奥氏体型 铁索体型和马氏体型3种 马氏体不锈钢的hza和易淬火钢的情况一样 而奥氏体与铁索体钢均为单相组织 在加热和冷却中不发生相变 故其热影响区与前述易淬火钢和不易淬火钢显著不同 奥氏体和铁素体不锈钢的热影响区可分为过热区 相脆化区 敏化区和475 脆性区 但 相脆化区 敏化区和475 脆性区都只在一定的焊接热循环条件下才会出现 只要焊接时焊工操作控制得当 这些都可以避免 而过热区同样存在晶粒粗大 塑性 韧性低的问题 但其程度与碳钢有差别 28 第三章焊接接头 5 焊接热影响区的范围从焊接热影响区的定义出发 凡焊缝两侧受到焊接热源的影响 发生组织性能变化的区域均属热影响区 这可能会涉及离熔合线较远 加热温度较低 300 500 的部位 那里也可能产生脆化现象和层状撕裂 但一般影响区范围常以加热到相变温度的区域来确定 焊接热影响区的大小受到许多方面因素的影响 不同的焊接方法 焊件板厚 线能量及不同的施焊条件 都会使热影响区尺寸发生变化 29 第三章焊接接头 表3 1列出了不同焊接方法焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸 显然 电渣焊和氧 乙炔气焊的热影响区最大 电子束焊为最小 埋弧自动焊由于焊速较高 焊接线能量不大 它的热影响区比同样条件下焊接的手工电弧焊还小 30 第三章焊接接头 3 2焊接接头的裂纹从裂纹的本质来看 焊接裂纹大致可以分为四类 热裂纹 冷裂纹 再热裂纹和层状撕裂 3 2 1焊接热裂纹热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷 从一般常用的低碳钢 低合金钢到奥氏体不锈钢 铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能 1 热裂纹产生的部位热裂纹大都在焊缝金属内是沿着树枝状结晶的交界处产生和发展 且呈晶间断裂 最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂 有时也分布在两个树枝状晶体之间或焊缝表面及弧坑上 31 第三章焊接接头 2 热裂纹产生的原因焊接过程是一个局部的不均匀的加热和冷却过程 熔池在结晶过程中必然会受到焊接拉应力的作用 因此 焊接熔池在结晶过程中就具备了产生裂纹的力学条件 从熔池的结晶过程理论可知 先结晶的金属比较纯 后结晶的金属杂质较多 而且这些杂质往往会形成一些熔点较低的共晶物 低熔点共晶体 如含硫量较高的熔池 常会形成熔点仅为988 的fe fes低熔点共晶体 在熔池金属结晶过程中 低熔点共晶常被排挤在晶界形成一种所谓 晶间薄膜 结果在晶界形成一个薄弱地带 在拉应力作用下 就会裂开而形成热裂纹 32 第三章焊接接头 3 热裂纹的分类热裂纹是在高温下产生的 而且都是沿奥氏体晶界开裂 常见的热裂纹有下列3种类型 结晶裂纹焊缝金属在结晶过程中 在同相线附近由于凝固金属收缩时残余液相不足 致使沿晶界开裂 故称结晶裂纹 这种裂纹在显微镜下观察时 可以发现具有晶间破坏的特征 多数情况下在裂纹断口上发现有氧化色彩 说明裂纹是在高温下产生的 结晶裂纹主要出现在含杂质较多的碳钢焊缝和单相奥氏体钢 镍基合金以及某些铝及铝合金的焊缝中 33 第三章焊接接头 高温液化裂纹在焊接热循环峰值温度作用下 焊接接头的热影响区和多层焊缝的层间金属中 由于含有低熔点共晶物而被重新熔化 在收缩应力的作用下 沿奥氏体晶间发生开裂 称为高温液化裂纹 这类裂纹是在高温下产生的 并且是沿奥氏体晶界断裂 因此也是属于热裂纹的一种形态 高温液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强度钢 奥氏体钢以及某些镍基合金的热影响区或多层焊层间的焊缝金属中 当母材及焊丝中的s p si c的量偏高时高温液化裂纹的倾向将显著增加 34 第三章焊接接头 多边化裂纹焊接时 焊缝或热影响区在固相线温度以下的高温区间 由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的偏析 在一定的温度和应力作用下 由于晶格缺陷的移动和聚集 便形成了二次边界 即所谓 多边化边界 这个边界上堆积了大量晶格缺陷和组织疏松 高温时的强度和塑性都很低 此时受到少许的拉伸变形 就会沿着多边化的边界开裂 即形成多边化裂纹 又称高温低塑性裂纹 这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝或热影响区 35 第三章焊接接头 4 热裂纹的影响因素化学成分和焊缝的一次结晶组织的形态 方向 大小以及焊接应力等 都是热裂纹的影响因素 但化学成分是影响热裂纹倾向的最主要的因素 其中s p c si mn等的影响最为突出 硫和磷由于硫和磷在钢中易于形成低熔点共晶和造成偏析 所以在各类钢中 都是强烈促使形成热裂纹的有害元素 并且其有害作用随着含碳量的增加而加剧 碳碳是钢中促使形成热裂纹的主要元素之一 首先 碳极易促使s p发生偏析 使形成的低熔点共晶物聚集于晶界 其次 碳会降低硫在铁中的溶解度 而促成硫与铁化合生成fes 因而形成的fe fes低熔点共晶量随之增多 两者均促使钢中形成热裂纹的倾向增大 36 第三章焊接接头 镍镍在低合金钢中易于与硫形成低熔点共晶 ni ni3s2共晶物的熔点仅645 因此会促成热裂纹的产生 硅当钢中含硅量小于0 4 时 有利于消除热裂纹 当硅量大于0 4 时 容易形成低熔点的硅酸盐夹杂 从而增加了形成热裂纹的倾向 锰锰具有脱硫作用 能置换fes而形成mns 并且锰能改善硫化物的分布形态 使之由fes的薄膜状变成球状硫化物 从而提高了焊缝的抗热裂性 为了防止硫引起的结晶裂纹 随含碳量的增加 则mn与s的比值也应随之增加 c 0 1 时 mn s 22 c 0 11 0 125 时 mn s 30 c 0 126 0 155 时 mn s 59 37 第三章焊接接头 当含碳置超过包晶点 c 0 16 时 磷对产生结晶裂纹的作用就超过了硫 相应地mn与s的比值就失去了意义 因此必须严格控制焊缝中的含磷量 钛 锆和稀土元素钛 锆和镧 铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物 例如 tis的熔点约为2000 2100 zrs的熔点为2100 ces的熔点为2450 它们比锰的效果还要好 对消除结晶裂纹有良好作用 5 预防热裂纹的措施 冶金措施a 控制焊缝中有害杂质的含量及破坏性作用焊接低碳钢 低合金钢时 最有害的元素是s p 为了消除它们的有害作用 除限制被焊金属中s p c的含量外 还应限制焊接材料中s p的含量 同时通过焊接材料过渡mn ti zr等合金元素 克服s的不良作用 提高焊缝的抗热裂纹能力 38 第三章焊接接头 b 改善熔池金属的一次结晶细化晶粒可以提高焊缝金属的抗裂性 广泛采用的方法是向焊缝加入细化晶粒的元素 即进行变质处理 当焊接铬镍不锈钢时 为了提高抗裂性和抗腐蚀性 希望得到 双相组织的焊缝 也是改善一次结晶的重要方面 工艺措施a 预热预热是防止生成热裂纹的有效措施 其作用主要是通过减小焊接熔池的冷却速度来减小焊接应力 b 控制焊缝形状窄而深的焊缝 杂质将集中在柱晶对接的部位 这种焊缝抵抗应变的能力特别弱 在较小的拉应力作用下 就有可能造成焊缝中间的裂纹 而宽而浅的焊缝柱晶往上生长 杂质大部分被推向表面 拉伸应变集中的现象就明显减弱 焊缝的抗裂性大为提高 39 第三章焊接接头 c 采用碱性焊条和焊剂碱性焊条和焊剂的熔渣具有较强的脱硫 脱磷能力 因此具有较强的抗热裂能力 d 采用收弧板在焊接将要终了时 应逐渐断弧 并填满弧坑 必要时可采用收弧板 将弧坑移出工件外 可以避免弧坑裂纹在工件上发生 40 第三章焊接接头 3 2 2焊接冷裂纹 1 冷裂纹的一般特征 产生的温度和时间冷裂纹是在焊接后较低的温度下产生的 对于易淬硬的高强钢来讲 冷裂纹一般是在焊后冷却过程中马氏体转变点附近或200 200 以下的温度区间发生的 冷裂纹可以在焊后立即出现 也有的要经过一段时间才出现 对于这些不是在焊后立即出现的冷裂纹 称为延迟裂纹 是冷裂纹中一种比较普遍的形态 由于延迟裂纹不是在焊后立即可以发现的 需要延迟一段时间 甚至在使用过程中才会发现 因此 其危害性比其他形态的裂纹更为严重 41 第三章焊接接头 产生的部位冷裂纹多发生在热影响区或热影响区与焊缝交界的熔合线上 但在多层焊时也可能产生在焊缝上 根据冷裂纹产生的部位 通常将冷裂纹分为3种 如图3 7所示 a 焊道下裂纹这种裂纹常发生在淬硬倾向较大 含氢量较高的热影响区 一般情况下 裂纹的方向与熔合线平行 但有时也垂直于熔合线 42 第三章焊接接头 b 焊趾裂纹这种裂纹起源于焊缝于母材的交界处 并有明显的应力集中点 裂纹的方向经常与焊缝纵向平行 一般由焊趾的表面开始 向母材深处延伸 c 根部裂纹这种裂纹比较常见 主要发生在使用含氢量较高的焊条和预热温度不足或不预热的情况下 这种裂纹也常起源于焊缝根部的最大应力处 根部裂纹可能发生在焊接热影响区 也可能发生在焊缝金属内 43 第三章焊接接头 冷裂纹走向宏观上冷裂纹既有沿焊缝纵向的 也有沿垂直方向的 其微观走向有穿晶型 晶间型 也有穿晶与晶间混合型 2 冷裂纹的影响因素生产实践和研究证明 冷裂纹的生成主要受钢的淬硬倾向 焊接接头中的扩散氢含量与拘束应力的影响 钢的淬硬倾向焊接时 钢的淬硬倾向越大 越容易产生冷裂纹 因为 钢的淬硬倾向越大 就意味着得到更多的马氏体组织 马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体 是一种脆硬组织 在一定的应变条件下 马氏体由于变形能力低而容易发生脆性断裂 形成裂纹 焊接接头的淬硬倾向主要取决于钢的化学成分 焊接工艺 结构板厚及冷却条件等 扩散氢氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素之一 并且使之具有延迟的特征 通常氢引起的延迟裂纹称为 氢致裂纹 其形成过程如下 44 第三章焊接接头 焊缝金属二次结晶时要发生相变 此时 不仅氢的溶解度会发生急剧的变化 同时扩散能力也会有很大不同 氢在奥氏体中溶解度大 扩散速度小 而在铁素体中则相反 当焊缝金属由奥氏体向铁索体转变时 氢的溶解度会突然降低 但扩散速度却突然增加 焊缝首先在较高的温度就发生奥氏体分解为铁素体 珠光体的相变 而此时热影响区的金属仍是尚未开始转变的奥氏体 于是氢就很快地从焊缝金属扩散至近缝热影响区尚未转变的奥氏体中 而氢在奥氏体中的扩散速度较小 因此在熔合区附近就形成了富氢带 当含碳较高的热影响区发生奥氏体向马氏体转变时 氢便以过饱和状态残存于马氏体中 如果此区存在微观缺陷 如显微杂质和微孔等 氢便在这些缺陷处发生聚集 并由原子状态转变为分子状态 形成较大压力 从而使冷裂纹形成 氢由溶解 扩散 聚集 产生应力以致开裂需要一定的时间 故冷裂纹具有延迟性 45 第三章焊接接头 热影响区中氢的浓度足够高时 能使热影响区的马氏体进一步脆化 此时易形成焊道下裂纹 氢的浓度稍低时 仅在有应力集中的部位出现裂纹 容易形成焊趾裂纹和焊根裂纹 焊接接头的拘束应力焊接时焊接接头产生的拘束应力越大 冷裂纹倾向就越大 而拘束应力则与构件结构形式 焊缝位置 施焊方向与顺序以及焊件的刚度有关 通常 板越厚 刚度越大 拘束应力也越大 故厚件产生裂纹的倾向大于薄件 3 预防冷裂纹的措施 采用优质的低氢高韧焊接材料其脱氢性好 利于防止冷裂 直流电源较交流脱氢好 而直流反接又比直流正接好 严格控制氢的来源焊前烘干焊条和焊剂 仔细清除焊件焊接区的污染物 如油 水 锈等 通过焊接材料向焊缝添加合金元素细化焊缝晶粒组织 提高焊缝金属的塑性 有利于防止冷裂纹的产生 46 第三章焊接接头 焊前预热可降低冷却速度 防止淬硬组织生成 是防止冷裂纹的有效措施 后热或焊后缓冷采取焊后继续加热 减缓焊后冷却速度 使扩散氢能充分从焊接区内逸出 对于防止延迟裂纹有明显的效果 适当加大焊接线能量焊接线能量越大 则焊接接头的冷却时间越长 因而热影响区可以减轻或避免淬火 同时也有利于氢的逸出 从而降低冷裂纹倾向 但焊接线能量的调整很有限 线能量太大时 在热影响区内可能产生过热组织 使晶粒粗大 反而会降低焊接接头的抗裂性能 焊后热处理即焊后消除应力热处理 一方面能消除焊接应力 也能进一步脱氢 对防止延迟裂纹效果好 同时也能降低接头区的硬度 改善塑性和韧性 为防止延迟裂纹产生 应注意焊后及时进行热处理 47 第三章焊接接头 3 2 3再热裂纹对于某些低合金高强度钢焊件 这种裂纹是在构件焊后重新加热的过程中产生的 故称为 再热裂纹 1 再热裂纹的特征 再热裂纹总是在焊后重新经受一定的较高温度时产生 且主要产生于某些低合金钢 再热裂纹一般发生在焊接接头热影响区的熔合线附近的粗晶区中 即焊接时被加热至1200 1350 以上的区域 再热裂纹的起始点一般是接头表面的焊趾部位等应力集中处 裂纹在粗晶区中发展 至焊缝金属或热影响区的细晶区停止 再热裂纹沿热影响区的原始奥氏体晶界扩展 宏观走向有明显的曲折和分叉 有的甚至沿奥氏体晶粒整周断裂 微观走向为晶间断裂 48 第三章焊接接头 2 再热裂纹的主要影响因素 合金元素钢中的合金元素对再热裂纹的敏感性起决定作用 尤其是cr mo v nb ti等元素 均会增加钢的再热裂纹敏感性 其影响可用下列两式估算当 g 2时 再热裂纹很敏感 g 1 5时则不敏感 当prs 0时 再热裂纹不敏感 以上两式适用钢成分为c0 10 0 25 cr 1 5 cu 1 0 mo 0 2 v nb ti 0 15 由此可见 cr mo钢 cr mo v钢和mn mo nb钢均属再热裂纹敏感钢种 49 第三章焊接接头 焊接残余应力再热裂纹往往发生于高的焊接残余应力部位 焊接接头中的咬边 根部未焊透 焊趾等处 都是焊接残余应力集中的部位 是再热裂纹的多发区 从焊缝表面来看 再热裂纹多发生在焊趾部位 一方面此处属热影响区的过热区 另一方面此处也属于高焊接残余应力部位 3 防止再热裂纹的措施最好是采用再热裂纹敏感性低的钢 若采用再热裂纹敏感倾向大的钢 主要应从焊接工艺方面考虑 适当采用低强度焊条 这样所得焊缝金属强度低于母材 其塑性变形能力好 可使残余应力的释放大部分由焊缝金属承担 研究证明 若适当采用低强度焊条 再热裂纹可减小到最低程度 若用强度较高的焊条 则一定会开裂 若仅在焊缝表层用低强度焊条盖面 亦可获得良好效果 50 第三章焊接接头 尽可能消除焊缝应力集中点 如弧坑 咬边 未焊透等缺陷 尽量避开或减少在敏感温度范围内的停留时间 再热裂纹有一个敏感温度范围 如cr mo等低合金钢 其敏感温度为580 650 在此温度范围内 应快速升温或避免保温 若掌握适当 可不发生再热裂纹 提高预热温度或采用后热处理提高预热温度能更有效地降低焊接接头过热区的硬度和残余应力 是防止再热裂纹的有效措施之一 如能在焊后立即进行适当后热也可得到良好效果 一般来说 为防再热裂纹的预热温度 应比防冷裂纹高100 以上 51 第三章焊接接头 3 2 4层状撕裂经常产生在t形接头和角接接头上 且多见厚板焊件 1 层状撕裂的特点和原因层状撕裂系低温开裂且均产生于热影响区内 但它与热影响区的氢致裂纹不同 层状撕裂的横断面略呈阶梯形 而且与钢板表面平行 层状撕裂可能发生在邻近熔合线处 也可发生在离熔合线稍远的地方 如图3 8所示 产生层状撕裂的原因是在轧制钢板中存在硫化物 氧化物和硅酸盐等非金属夹杂物 其中尤以硫化物的作用为主 与含氢量也有一定的关系 52 第三章焊接接头 钢中夹杂物的存在 会影响氢从钢中的析出 这些氢在随后焊接应力的作用下 可能重新聚集 导致或加速层状撕裂的发展 所以 层状撕裂和焊接区的含氢量也有一定的关系 2 防止层状撕裂的措施 严格控制钢材的含硫量 使用时选择硫化物及硅酸盐夹杂少 板厚度方向延伸率好的钢材 含s 0 01 的厚板即有可能产生层状撕裂 故对厚板更应减少s含量 在与焊缝相连接的钢材表面 预先堆焊几层低强度焊缝金属 是防止层状撕裂的常用措施之一 堆焊层一般在3 5层左右 堆焊后最好先进行消除应力退火 这样效果更好 低强度堆焊可增加接头的应变能力 减小接头在钢板厚度方向的拉应力 对防止层状撕裂效果显著 53 第三章焊接接头 3 3焊接接头的应力3 3 1焊接残余应力焊接结构的特点之一是具有较大的焊接应力与变形 焊接中 随着焊接区温度的变化可以产生3种内应力 即温度应力 组织应力和构件自身受到约束时的拘束应力 若温度应力较小 低于材料的屈服极限时 则焊后可以消失 当大于屈服极限时 焊接接头局部区域就产生塑性变形 在冷却过程中 处于弹性状态部分的收缩将受到塑性变形部分的阻碍 因而使焊接区产生新的内应力 保留于接头中 称为焊接残余应力 1 焊接残余应力的分布在厚度不大 15 20mm 的常规焊接结构中 残余应力基本上是双轴的 厚度方向上的应力很小 只有在大厚度的焊接结构中 厚度方向的应力才比较大 沿焊缝方向称为纵向应力 x 垂直于焊缝方向的称为横向应力 y厚度方向的应力 z 54 第三章焊接接头 远离焊缝端部断面处的残余应力分布 纵向应力 x在低碳钢结构中 焊缝及其附近区域的纵向应力是拉应力 而在距焊缝稍远处则变为压应力 如图3 9所示为圆筒环焊缝的纵向残余应力分布 此处要注意的是 圆筒环焊缝与同样板厚的平板焊缝上的残余应力大小并不完全相同 这是因为约束条件有差别 55 第三章焊接接头 分析结果表明 由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩小 焊缝在长度上的收缩比平板上的焊缝具有更大的自由度 因此纵向应力比平板小 应力值的大小 取决于圆筒的半径r 壁厚 以及塑性变形区的宽度bp 后者与焊接线能量和材质有关 横向应力 y垂直于焊缝的横向应力 y的分布情况比较复杂 其大小和方向与施焊顺序和焊接方法等因素有关 一般情况下 y均为拉应力 且焊缝中心处有最大值 随着与焊缝距离的增大 其值很快下降 56 第三章焊接接头 封闭焊缝中的残余应力在大的壳体上进行局部挖补镶块焊接以及板壳结构上焊接接管都属于这种情况 由于是封闭焊缝 拘束度大 常产生大的焊接残余应力 图3 10为挖补圆盘镶块焊接后的残余应力分布 切向应力 t x 在焊缝附近为拉应力 最高可达屈服限 镶块外离焊缝较远处切向为压应力 而径向应力 r y 在此均为拉应力 57 第三章焊接接头 在外径1m及厚度12mm的钢板上 焊补一直径为450mm的镶块 内应力如图3 11所示 最大切向应力 t已接近300mpa 板壳上焊接接管的焊后残余应力与此相似 接管与壳体间的圆周焊缝的切向应力 t x 在焊缝及其附近区是拉应力 远离焊缝是逐渐缩小的压应力 焊缝径向内应力 r y 都是拉应力 如图3 12 接管刚性较镶块小 其残余应力比镶块的小 过程设备中 有时发现垂直于接管圆周角焊缝并向壳体扩展的裂纹 严重时 甚至引发设备断裂 显然这与沿该焊缝切线方向具有最大纵向焊接残余拉应力有关 58 第三章焊接接头 厚板中的残余应力厚板焊接结构中存在着纵向应力 x 横向应力 y 厚度方向的应力 z 试验研究结果表明 这三个方向的内应力在厚度上的分布极不均匀 其分布规律 对于不同焊接工艺有较大差别 例如在厚度为240mm的低碳钢电渣焊缝中 内应力分布如图3 13 从图中可以看出 z是拉应力 在厚度中心部位 其数值可达180n mm2 其数值向表面逐渐下降到零 x y的数值亦以厚度中心为最大 向两表面逐渐降低 在表面 y为压应力 59 第三章焊接接头 与电渣焊相反 在低碳钢多层焊接时 在厚度上的内应力 x y的分布 表面为较高的拉应力 x的数值较小 有可能为压应力 亦有可能为拉应力 图3 14为80mm厚 v形坡口对接接头多层焊在厚度上的内应力分布情况 60 第三章焊接接头 值得注意的是横向应力 y的分布 在对接焊缝的根部 y的数值极高 大大超过材料的屈服极限 s 造成这个现象的原因是多层焊时 每焊一层都使焊接接头产生一次角变形 在根部引起一次拉伸塑性变形 多次塑性变形的积累 使这部分金属产生应变硬化 应力不断上升 在严重的情况下 甚至可达金属的强度极限 b 导致焊缝根部开裂 如果焊接接头的角变形受到阻碍 则有可能在根部产生压应力 61 第三章焊接接头 2 焊接残余应力的作用范围与大小焊接残余应力是局部的内应力 其作用范围在焊缝两侧200 300mm以内 残余应力大小不但与焊接方法和板厚大小等有关 也与材料种类有关 对于低碳钢其 x可达屈服极限 s 但钛材焊缝中的纵向应力较低 一般仅为 0 5 0 8 s 铝材焊缝中的 x亦较低 仅为 0 6 0 8 s 造成这种情况的原因 对钛来说 则与它的膨胀系数和弹性模数较低有关 两者的乘积 e仅为低碳钢的l 3左右 对铝来说 可能是由于它的导热系数较高的原因 使热场的等温线接近于正圆形 与沿焊缝同时加热的模型相差悬殊 因而平截面变形假设与实际出入较大 在焊接过程中材料受热膨胀 实际上受到的限制比平截面假设时要小 因此压缩塑性变形降低 残余应力因而降低 62 第三章焊接接头 3 焊接残余应力的危害构件承受拉力载荷时 焊接残余应力将与载荷应力相叠加 因此将对焊件造成许多危害 对静强度的影响焊接残余应力对静强的影响有两种情况 对于塑性材料 残余应力不影响结构的总体承载能力 即对静强没有影响 但脆性材料有影响 会使承载能力下降 引起脆性断裂 焊接残余应力是一种局部应力 当材料的塑性好时 残余应力的峰值达屈服限时 会发生局部屈服使应力重新分配趋于自平衡 而不再继续上升 故对整体承载能力无影响 但脆性材料就不同了 当残余应力峰值达屈服限时 不会发生局部屈服变形 随着外力的增加 构件中不能产生应力均匀化平衡 应力峰值会不断增加 直到达材料强度限 b导致局部开裂或使结构整体断裂 例如低温环境和材料中存在各种缺陷或加载速度的变化等 均可增大脆化倾向 63 第三章焊接接头 增加结构脆断的倾向低应力脆性断裂事先很难察觉 对承压过程设备的危害很大 根据断裂力学的研究 对于高强度金属材料 每一具体材料有一定的断裂韧性kic 受拉力构件的应力强度因子kic与名义应力成正比 但焊接残余应力的存在 将加大焊缝区的名义应力 增大应力强度因子ki之值 当ki大于材料的kic时 构件就将发生脆性断裂 64 第三章焊接接头 增加应力腐蚀破裂倾向过程设备多在腐蚀环境下使用 一定的腐蚀环境和拉应力的同时作用 是应力腐蚀开裂的条件 焊接残余应力与工作应力叠加 使局部应力显著上升 促进应力腐蚀开裂的发生 而应力腐蚀裂纹大多均产生于焊接接头区 足见残余应力对应力腐蚀开裂的影响是不容忽视的 为此 gb150中规定 对于在应力腐蚀环境下使用的压力容器设备 焊后必须进行消除应力热处理 65 第三章焊接接头 对加工精度和尺寸稳定的不利影响若零件存在焊接残余应力就进行切削等机械加工 则先加工好的部分 会因后加工部分的残余应力释放使尺寸发生偏差 因此 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接残余应力 然后再进行机械加工 另一个问题就是焊接应力是否长期稳定 即焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度 这一点对精度要求高的构件十分重要 长期存放实验证明 许多结构钢中的焊接应力是不稳定的 它随着时间不断地变化 不同材料中的残余应力不稳定程度有较大差异 q235低碳钢在室温20 下存放 其残余应力24000n cm2 经过两个月降低2 5 如果原始应力较小 则降低的百分比相应减少 但随着存放温度的上升 应力降低的百分比将 66 第三章焊接接头 迅速增加 例如在100 下存放 应力降低为2o 下存放降低的5倍 这种应力不稳定性的根源是q235的蠕变和应力松弛 0crmnsi 25crmnsi 12cr5mo 20crmnsini等高强度合金结构钢在焊后产生残余奥氏体 这种奥氏体在室温存放过程中不断转化为马氏体 内应力因马氏体的膨胀而降低 其降低百分比远远超过低碳钢 由于上述合金钢和中碳钢焊后产生不稳定组织 因此残余应力不稳定 构件的尺寸也不稳定 故为了保证构件的尺寸的高精度 焊后必须进行热处理 低碳钢焊后虽具有比较稳定的组织 尺寸稳定性相对来说比较好 但长期存放中因蠕变和应力松弛 尺寸仍然有少量变化 因此对精度要求高的构件仍应先做消除应力处理 然后再进行机械加工 例如浮头式换热器中的管箱和小浮头盖 为保证隔板端部等密封面尺寸的稳定不变形 均要求进行消除应力热处理后进行机加工 67 第三章焊接接头 4 焊后消除残余应力的必要性与方法焊接残余应力可由结构设计和焊接工艺两方面进行控制 但这些措施只能减小 且程度有限 一般达不到消除其有害影响的程度 行之有效的方法还是焊后进行消除应力的热处理 有关设备结构是否有必要进行焊后热处理 主要由设备材料种类与板厚和操作条件等因素来决定 对此 gbl50等有关专业标准或规范中均有明确的规定 设计 制造中均应遵照执行 68 第三章焊接接头 焊后消除残余应力的方法主要有以下几种 整体高温回火 或称为消除应力退火 将焊接结构整体放人加热炉中 缓慢加热至acl以下一定温度缓冷 这种方法消除焊接残余应力的效果最好 一般可将80 90 以上的残余应力消除掉 故在生产中应用最广 但需要大型热处理加热炉 用x射线法和电阻应变片法测量的16mn钢 在经625 退火前后的焊接残余应力 如图3 15所示 69 第三章焊接接头 局部高温回火只对焊缝及其附近局部区域进行加热 然后缓慢冷却 这样并不能完全消除应力 但可以降低残余应力的峰值 使应力分布比较平缓 起到部分消除应力的作用 局部高温回火多用于比较简单的拘束度较小的焊接接头 如长圆筒形容器 管道接头等 爆炸法这是近年来研究的节能先进方法 此法是在设备内放置一定量的炸药 依靠爆炸产生的气压使焊缝区产生一定的屈服 从而残余应力被释放 液压法此法与爆炸法原理类似 也是利用一定的过载压力促使应力释放 限于具体操作不易掌握 其实际应用也有限 70 第三章焊接接头 5 焊接残余应力的测试方法简介残余应力实测方法很多 按其对结构是否破坏来分 有全破坏法 半破坏法和无损法 按其测试原理来分 可分为机械测定法和物理测定法 机械测定法机械测定法是将具有残余应力的部分 用一定的方法进行局部分离或分割 从而使残余应力被局部释放 测定这时的变形 然后应用弹性力学的方法求出残余应力 这种方法大多要破坏或半破坏构件 也称应力释放法 是以测量宏观残余应力为对象的 其中全破坏应力释放法包括切条法 车削法和刨削法 而半破坏法中有小孔 盲孔 释放法和套孔释放法 小孔法是较为常用的方法 71 第三章焊接接头 小孔法是在应力场中钻一直径为d 2 3mm 深为0 8 lomm的盲孔 使应力平衡受到破坏 则孔周围的应力将重新调整 若测得钻孔前后孔附近的应变变化 就可以用弹性力学来推算出小孔处的应力 步骤如下 首先在距孔中心一定距离处粘贴几个应变片 使应变片间保持一定角度 并标定应变片的应变 然后钻孔和测出各应变值 图3 16为3个应变片 间隔为45 其残余应力可由下式推断 72 第三章焊接接头 a b c 分别为应变片a b c的应变量 测定量常取小孔与应变片的距离为r 2r 或r r1十r2 2 1 5 2 l l为应变片基长 小孔法测量的精确性取决于应变片粘贴位置的准确性 常数标定的精确性和钻孔的对中程度 孔径越小对相对位置的准确性要求越高 73 第三章焊接接头 物理标定法物理标定法是采用x射线 磁性 超声波 光干涉等物理方法 来测定构件焊后的残余应力 通常都不会对构件造成损害 也称无损测定法 它既能测宏观残余应力 又能测微观残余应力 a x射线衍射法这是利用晶体的x射线衍射现象来测定残余应力的方法 晶体在应力作用下 原子的距离会发生变化 其变化与应力成正比 如果能直接测得晶格尺寸 则可不破坏物体 直接测出残余应力的数值 当x射线以角 入射到晶面上时 如图3 17所示 如 能满足下列公式 则x射线在反射角方向上将因干涉而加强 74 第三章焊接接头 式中 d为晶面之间的距离 为x射线的波长 n为任意正整数 根据这一原理可以求出d值 用x射线以不同角度人射物体表面 则可测出不同方向的d值 从而求得表面上的残余应力 其最大的优点是它的非破坏性 但缺点是 只能测表面应力 对被测表面要求较高 为避免由局部塑性变形所引起的干扰 需用电解抛光去除表层 测试所用设备比较昂贵 b 电磁测量法用磁性法测定应力 是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应 随磁场强度的增加而伸长或缩短 铁磁物体在磁化方向会伸长 而垂直磁化方向会缩短 当有残余应力存在时 沿拉伸 75 第三章焊接接头 方向易磁化 与无应力状况下相比 各向的导磁率发生变化 磁性法就是通过测得某一小范围内各个方向的导磁率变化 来反映该区的应力变化 此法仪器轻巧 简单 价廉 测试方便 迅速 属无损测试 可测得较深部位应力 但只能测铁磁材料 探头大 测试区大 测得的是