材料成形原理与工艺第11章连接成形.pptx

材料成形原理与工艺之连接成形篇 周铁涛吴国清 连接成形缺陷的产生及防止措施 第11章 焊接缺陷分类及特征焊接变形焊后热处理焊接检验 内容 3 常见焊接缺陷 4 焊缝的形状缺陷 现象 外观质量粗糙 鱼鳞波高低 宽窄发生突变 焊缝与母材非圆滑过渡 原因 操作不当 返修造成 危害 应力集中 削弱承载能力 5 焊缝尺寸不合格 现象 焊缝尺寸不符合施工图样或技术要求 原因 施工者操作不当危害 尺寸小了 承载截面小 尺寸大了 削弱了某些承受动载荷结构的疲劳强度 6 咬边 原因 1 焊接参数选择不对 U I太大 焊速太慢 2 电弧拉得太长 熔化的金属不能及时填补熔化的缺口 3 焊条角度不正确 危害 母材金属的工作截面减小 咬边处应力集中 7 未熔透 现象 焊缝的熔透深度小于板厚 原因 坡口角度小 间隙小 钝边太大 电流小 速度快 来不及熔化 焊条偏离焊道中心 危害 工作面积减小 尖角易产生应力集中 引起裂纹 8 未熔合 危害 因为间隙很小 可视为片状缺欠 类似于裂纹 易造成应力集中 是危险性较大的缺欠 现象 熔焊时焊道与母材之间或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分 原因 电流小 速度快 热量不足 坡口或焊道有氧化皮 熔渣等 一部分热量损失在熔化杂物上 剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属 焊条或焊丝的摆动角度偏离正常位置 熔化金属流动而覆盖到电弧作用较弱的未熔化部分 容易产生未熔合 9 弧坑 危害 减少焊缝的截面积 弧坑处反应不充分容易产生偏析或杂质集聚 因此在弧坑处往往有气孔 灰渣 裂纹等 现象 由于收弧和断弧不当在焊道末端形成的低洼部分 原因 焊丝或者焊条停留时间短 填充金属不够 10 烧穿 现象 焊接过程中熔化金属自坡口背面流出形成穿孔 危害 表面质量差 烧穿的下面常有气孔 夹渣 凹坑等缺欠 原因 焊接电流过大 对焊件加热过甚 坡口对接间隙太大 焊接速度慢 电弧停留时间长等 11 现象 熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上形成的金属瘤 焊瘤 危害 表面是焊瘤下面往往是未熔合 未焊透 焊缝几何尺寸变化 应力集中 管内焊瘤减小管中介质的流通界面计 原因 焊接参数选择不当 坡口清理不干净 电弧热损失在氧化皮上 使母材未熔化 12 现象 焊后残留在焊缝中的熔渣或非金属杂质 易产生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过渡的部位 焊道形状突变 存在深沟的部位也易产生夹渣 夹渣与夹杂物 原因 熔池温度低 电流小 液态金属黏度大 焊接速度大 凝固时熔渣来不及浮出 运条不当 熔渣和铁水分不清 坡口形状不规则 坡口太窄 不利于熔渣上浮 多层焊时熔渣清理不干净 危害 较气孔严重 因其几何形状不规则尖角 棱角对机体有割裂作用 应力集中是裂纹的起源 13 1 加强焊工基本技能的培训 控制铁水与熔渣分离 2 按焊接工艺数据单要求 控制焊接电流 3 加强焊接过程的层道清理 4 使用合适规格的焊条 5 焊接接地线应该在工件中合理接地 控制电弧偏吹 防止措施 14 现象 焊后残留在焊缝中的气体形成的孔穴 气体来源 外界空气 水分 油污杂质 气孔 原因 电弧保护不好 弧太长 焊条或焊剂受潮 气体保护介质不纯 坡口清理不干净 危害 从表面上看是减少了焊缝的工作截面 更危险的是和其他缺欠叠加造成贯穿性缺欠 破坏焊缝的致密性 连续气孔则是结构破坏的原因之一 15 1 按国家标准要求 加强施工环境控制 现场建立合理的施工清洁区 2 按焊接施工方案要求进行坡口清理 严格控制坡口两侧的清洁度 3 加强焊工基本技能的培训 控制焊接电弧的合适长度 4 严禁管内有穿堂风 采取端部封堵等措施 5 加强现场通风条件 控制空气潮湿度小于等于90 6 采用低氢型焊条 7 控制氩气纯度大于等于99 99 8 选择设备性能稳定的电焊机且标定合格 9 按工艺评定要求 控制氩气流量 避免出现紊流 防止措施 16 焊接裂纹 weldingcrack weldcrack 定义 在焊接应力及其他致脆因素共同作用下 焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙 危害性 焊接结构产生裂纹轻者需要返修 浪费人力 物力 时间 重者造成焊接结构报废 无法修补 更严重者造成事故 人身伤亡 如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时 断裂成两段而沉没 在压力容器破坏事故中 有很多都是由于焊接裂纹造成 焊接裂纹 17 焊缝中纵向裂纹 焊缝上横向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区横向裂纹 火口 弧坑 裂纹 焊道下裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊趾裂纹 热影响区焊缝贯穿裂纹 焊缝根部裂纹 各种不同类型的裂纹 18 19 1 按裂纹分布的走向分 纵向裂纹 横向裂纹纵向裂纹星形 弧形裂纹 20 2 按裂纹发生部位分 焊缝金属中裂纹热影响区中裂纹焊缝热影响区贯穿裂纹 21 3 按产生本质分类 热裂纹 高温裂纹 再热裂纹 消除应力处理裂纹 冷裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹 22 产生 高温下产生 特征 宏观看 沿焊缝的轴向成纵向分布 连续或继续 也可看到缝横向裂纹 裂口均有较明显的氧化色彩 表面无光泽 微观看 沿晶粒边界 包括亚晶界 分布 属于沿晶断裂性质 1 热裂纹 结晶裂纹液化裂纹多边化裂纹 23 部位 结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展 有时焊缝内部两个树枝状晶体之间 原因 在焊缝金属凝固结晶的后期 低熔点共晶物被排挤在晶界 形成一种所谓的 液态薄膜 在焊接拉应力作用下 就可能在这薄弱地带开裂 产生结晶裂纹 结晶裂纹 在凝固的过程 结晶过程中产生 24 25 防止措施 冶金方面 控制焊缝中有害杂质的含量 限制S P C含量S P 0 03 0 04 焊丝C 0 12 低碳钢 焊接高合金钢 焊丝超低碳焊丝 改善焊缝的一次结晶细化晶粒 加入Mo V Ti Nb Zr Al 工艺方面 减少拉应力 适当减小线能量 q v 接头型式合理 妥善安排焊接次序焊次序 26 近缝区液化裂纹 部位 通常产生在母材的热影响区的粗晶区 也可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属于晶间开裂性质 裂纹断口呈典型的晶间开裂特征 原因 近缝区晶界处存在低熔点杂质 近缝区存在晶间液膜 低熔点共晶体 27 28 防止措施 1 控制S P等杂质含量如采用电渣精炼的方法 去除合金中的杂质 2 焊接工艺上 采用小线能量 避免近缝区晶粒粗化 29 多边化裂纹 部位 发生在焊缝中 常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属 裂纹走向以任意方向贯穿树枝状结晶 常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近 多边化裂纹总是迟于再结晶 裂纹多发生在重复受热金属中 多层焊 断口呈现出高温低塑性断裂 形成条件 多边化现象 焊缝金属中存在很多高密度的位错在高温和应力的共同作用下 位错极易运动 在不同平面上运动的刃型位错遇到障碍时可能发生攀移 由原来的水平组合变成后来的垂直组合 即形成 位错壁 就是多边化现象 30 2 再热裂纹 消除应力处理裂纹 定义 焊后再加热 消除应力退火 高温工作时500 600 过程中产生裂纹称再热裂纹 31 再热裂纹 1 产生部位 近缝区的粗晶区 止裂于细晶区 沿晶间开裂 裂纹大部分晶间断裂 沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展 2 敏感的温度范围 一般在500 700 低于500或高于700 再加热不易出现再热裂纹 3 有大量的内应力存在及应力集中 在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹 4 易产生在具有沉淀强化作用的钢材中 晶界滑动 微裂 扩展 裂纹 32 再热裂纹 33 防止措施 1 预热及后热预热裂200 450 后热可降低预热温度2 线能量的作用E适当增加 减少过热区硬度 裂纹减小3 低强焊缝应用减少近缝区塑变的集中程度 有利于降低再热裂纹产生倾向4 降低残余应力和避免应力集中 34 3 冷裂纹 coldcrack 定义 焊接接头冷却到较低温度下 对于钢来说在Ms温度以下 时产生的焊接裂纹 延迟裂纹 特点不在焊后立即出现 有一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 淬火裂纹 淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹 与氢含量关系不大 低塑性脆化裂纹 在比较低的温度下 由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹 35 1 容易出现冷裂纹的钢种冷裂纹常产生在中 高碳钢 低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中 这与钢种的淬硬倾向有关 淬硬倾向越大的钢种 冷裂纹倾向越大 2 形成冷裂纹的温度冷裂纹是在材料的马氏体转变点 Ms 以下 3 冷裂纹的延迟特征冷裂纹可以在焊后立即出现 也有时要经过一段时间 几小时 几天甚至更长 才出现 且随时间延长逐渐增多并扩展 4 冷裂纹的开裂形式冷裂纹多出现在焊接热影响区 有时也出现在焊缝 冷裂纹的断裂与热裂纹不同 它是既有沿晶 又有穿晶开裂的复杂断口 冷裂纹的特征 36 延迟裂纹 37 防止措施 1 冶金措施 低碳微量多合金 H 选用低氢焊接材料 低氢焊接方法如CO2焊 控制氢的来源 烘干焊条 处理焊件焊丝 加入某些合金元素 提高塑性 采用奥氏体组织的焊条焊接某些淬硬倾向较大的低合金高强钢 避免冷裂纹 38 选择合适的焊接线能量q V冷 t100 减少裂但有晶粒粗大现象 预热冷却速度 H 外逸 后热 H 消氢处理350 保温1 2小时 使氢外逸 对于需要较高预热温度的中碳钢 高碳钢及中碳调质高强钢 如果由于形状复杂或需要在结构内部施焊等因素要避免高温预热时 采用后热并配合低温的预热特别见效 防止措施 2 工艺措施 39 防止焊缝分布密集 消除应力集中部位如缺口 坡口形状对称 适当的预热 后热 缓冷 防止措施 3 拘束应力 40 热裂纹与冷裂纹的基本特点 41 4 层状撕裂 LamellarTear 由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物 特别是硫化物夹杂物 和焊接时产生的垂直轧制方向的应力 使热影响区附近地方产生呈 台阶 状的层状断裂并有穿晶发展 42 接头形式 大型厚壁结构的T型接头 十字接头和角接头焊接时会沿板的厚度方向出现较大的拉伸应力 常称为Z向应力 这是产生层状撕裂的应力源 层状撕裂的产生与夹杂物的层状分布状态有关 层状撕裂与冷裂纹不同 它的产生与钢的强度级别无关 主要与钢中的夹杂物的数量及层状分布形态有关层状撕裂的形态 层状撕裂的典型形态为阶梯状 它是由基本平行于轧制方向的平台裂纹和大体垂直于平台的剪切壁 ShearWalls 直壁裂纹 所组成 层状撕裂的特征 43 防止措施 1 选择母材1 精炼钢2 控制夹杂物 冶炼降低杂质 脱S加Ti Zr或稀土元素 促使夹杂物破碎 球化 2 设计和工艺措施1 改变接头形式 降低焊接应力2 应尽量避免单侧焊缝等 3 应尽量避免承载焊缝4 预热及后热5 加软焊道 44 接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂 通过开坡口来减轻钢板Z向受承受的应力和应变 45 5 应力腐蚀裂纹 StressCorrosionCracking 定义 金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象 称应力腐蚀裂纹 应力腐蚀裂纹已成为工业中特点是石油工业中最突出的问题 日本1965 1975十年间化工设备破坏事故统计有50 属于应力腐蚀开裂 应力腐蚀裂纹造成危害极大 三个条件 合金 介质 拉应力 46 应力腐蚀的预防措施 1 合理选材母材 选材必须有足够的实验数据 不能只看材料牌号 不能单纯考虑强度级别 因同一强度等级 合金系统不同 抗应力腐蚀开裂的倾向很大 2 避免高应力区 3 合理选择焊材 了解产品结构的的工作条件 熟悉介质的腐蚀特性 及合金元素的特性 则确定焊缝成分从而确定焊接材料 因此必须根据具体腐蚀介质 调整焊缝的合金系统 以便提高耐应力腐蚀开裂的能力 47 焊接裂纹的综合分析和判断 宏观分析及判断被焊材质和焊接材料的化学成分根据施工中的焊接工艺产品结构的运行工况条件微观分析及判断热裂纹冷裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹 48 断口分析及判断 49 50 热裂纹断口形貌 51 冷裂纹断口形貌 52 再热裂纹断口形貌 53 层状撕裂断口形貌 54 应力腐蚀裂纹断口形貌 55 焊接变形 56 一焊接残余应力与焊接残余变形 1焊接应力变形的形成机制1 基本概念内应力 无外力作用时 存在于物体内部自相平衡的应力 焊接应力就属于内应力的一种 2 焊接应力变形演变过程 从高温冷却到常温 焊接应力变形不仅大小发生变化 而且性质发生变化 一般为 焊缝处残余应力为拉应力 并产生收缩变形 57 静载强度加工精度刚度尺寸稳定性 残余应力的影响 58 焊接残余变形分类及产生原因 纵向收缩变形横向收缩变形 59 弯曲变形 60 角变形 61 波浪变形 62 扭转变形 63 外形美观结构尺寸精确性结构的承载能力 焊接变形的不利影响 64 1调节及控制方法设计合理的焊接接头先进的焊接方法合理的焊接顺序和方向反变形法减应力加热法锤击法 二 减少及消除残余应力的措施 65 2焊后消除残余应力的方法整体高温回火局部高温回火振动法机械拉伸法温差拉伸法 66 1预防及控制措施 焊缝数量 焊缝尺寸 增大结构刚度 焊缝布置等 先进工艺 合理规范 刚性固定法 三 预防和消除残余变形措施 67 合理的焊接顺序 反变形法 68 2矫正方法 机械矫正法 外力 火焰矫正法 加热 69 焊后热处理 70 焊后热处理 postweldheattreatment 为减小或消除因冷 热加工引起的残余应力 以防止焊接裂纹 应力腐蚀及受载后合成应力的升高 为恢复材料的延塑性 韧性 减小冷作硬化所引起的硬度 屈服强度的提高和应变时效 以及为改善焊接接头组织和材料的力学性能等而在焊接后进行加热 保温和冷却的操作工艺 71 焊后热处理的目的 消氢消除焊接应力改善焊缝组织和综合性能 72 消氢处理 定义 在焊接完成以后 焊缝尚未冷却至100 以下时 进行的低温热处理 规范 一般规范为加热到200 350 保温2 6小时 作用 加快焊缝及热影响区中氢的逸出 对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著 73 消应力处理 原因 在焊接过程中 由于加热和冷却的不均匀性 以及构件本身产生拘束或外加拘束 在焊接工作结束后 在构件中总会产生焊接应力 后果 焊接应力在构件中的存在 会降低焊接接头区的实际承载能力 产生塑性变形 严重时 还会导致构件的破坏 目的 消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下 其屈服强度下降 来达到松弛焊接应力的目的 74 常用的方法 一是整体高温回火 即把焊件整体放入加热炉内 缓慢加热到一定温度 然后保温一段时间 最后在空气中或炉内冷却 用这种方法可以消除80 90 的焊接应力 另一种方法是局部高温回火 即