焊接研究的基本方向和内容ppt课件

焊接研究的基本方向和内容简介 辽宁石油化工大学机械工程学院蒋应田 一 研究方向 从焊接系统的组成和任务来看 焊接的研究方向主要有四大方面 即焊接设备 焊接方法与工艺 焊接材料 焊接结构与生产等 焊接设备主要是实现焊接过程的装备 焊接过程是一个实现金属之间或金属与非金属连接的一个工艺过程 根据实现连接的基本思路是需要连接件的组成两个界面达到分子间的联系 要完成这一过程 基本的实现方法是通过加热或加压或者两者并举 为此 焊接方法分为熔化焊接 压力焊接 钎焊接三大焊接方法 相应地需要合适的设备来实现这一过程 二 焊接方法简介 2 1电弧焊 以电弧燃烧加热熔化工件的焊接方法 在形成接头时 可以采用填充金属或不填充金属 所用的电极是在焊接过程中熔化的焊丝时 叫做熔化极电弧焊 反之叫不熔化极 包括焊条电弧焊 埋弧焊 钨极气体保护焊 等离子弧焊 熔化极气体保护焊等 2 2电阻焊 以电阻热为能源的一类焊接方法 包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊 2 3高能束焊 包括电子束焊和激光焊 两种焊接方法的特点是焊缝熔深大 熔宽小 焊缝金属纯度高 电子束焊接有高真空 低真空和非真空三种 激光焊不需要再真空室内进行 2 4钎焊 钎焊的能源可以是化学反应热 也可以是间接热源 它是利用熔点比较低的金属或合金做钎料 经过加热使钎料熔化 靠毛细管作用将钎料吸入到接头接触面的间隙内 润湿被焊金属表面 使液相与固相之间互相扩散而形成钎焊接头 因此 钎焊是一种固相兼液相的焊接方法 2 5其它焊接方法 这些焊接方法属于不同程度的专门化的焊接方法 其使用范围较窄 主要包括以电阻热为能源的电渣焊 高频焊 以化学能为焊接能源的气焊 气压焊 爆炸焊 以机械能为焊接能源的摩擦焊 冷压焊 超声波焊 扩散焊 2 6焊接方法的选择 要求 能保证焊接产品的质量优良可靠 生产效率高 生产费用低 能获得较好的经济效益 考虑因素有 产品特点 包括产品结构类型 工件厚度 接头形式和焊接位置 母材性能等生产条件 包括技术水平 设备 消耗材料等 2 7焊接设备 焊接设备主要作用是为焊接过程提供适合的焊接能源 并满足焊接过程的要求 其次是为实现机械化 自动化焊接过程提供的一系列装备 根据焊接方法的不同 提供焊接能源的焊接电源各有所不同 以弧焊电源为例它要求焊接过程中能为电弧提供稳定的大电流 小电压的电弧过程 2 8焊接装备 从近几年展会上出现的焊接装备发展趋势看 自动化程度高的埋弧焊 CO2焊接 窄间隙气电立焊 窄间隙埋弧焊 全位置焊机以及焊接机器人 数字控制的全自动焊接设备正在越来越多地占据焊接设备的市场 三 焊接材料及焊接理论 焊接过程是一个复杂的钢铁冶炼过程 在焊接过程中进行着物理 化学以及物理化学反应 包括焊接区液态金属在高温条件下与焊气氛 焊接熔渣之间的化学冶金反应过程 以及液态金属冷却后的凝固过程与焊缝固态相变过程 这些过程决定了焊缝金属的化学成分 组织与性能 并且对焊接工艺性能和是否产生焊接缺陷也有着重要影响 是制约焊缝和焊接接头质量的关键 具体的涉及的内容有 3 1焊接区金属的保护 防止空气中氮气的进入焊缝 防止焊缝金属的氧化 尽可能使焊缝中存在少得氢 保护的措施 一般采用焊接区惰性气体或二氧化碳保护气体隔离空气 或者采用熔渣进行保护 或者气渣联合进行保护 3 2 焊接区域内的气体和熔渣参与液态金属冶金反应 焊接区内的气体主要有 一氧化碳 二氧化碳 氢气 水蒸气 氮气等 他们来自焊接材料 保护气体 少量的空气以及焊材表面和母材坡口附着的吸附水 油 锈和氧化铁皮等 3 3 焊接冶金处理 通过熔渣与液态金属间的物理化学反应对其进行冶金处理 去除有害杂质如脱氮 去氢 脱硫和脱磷等 3 4 焊缝金属的合金化 将所需合金元素由焊接材料通过焊接冶金过程过渡到焊缝金属中 渗合金的目的首先是补偿焊接过程中由于蒸发 氧化造成的损失达到所需的焊缝金属成分 组织和性能 其次是为消除焊接缺陷 第三为获得具有特殊成分和性能的堆焊金属和获得良好的一种金属焊缝等 3 5焊接熔池的凝固及焊缝相变组织 焊接熔池凝固过程与铸造凝固有很大的差别 具有三个特点 熔池体积小 凝固速度快 熔池金属的温度梯度远高于铸造 熔池是在运动中结晶 结晶前沿随热源同步移动 熔池中的液态金属在各种力的作用下存在激烈的搅拌和对流运动 因此结晶有三个特点 外延结晶 熔池凝固是从熔池边缘开始的 焊缝金属呈柱状晶形式由半熔化的母材晶粒相熔池生长而成 且与母材晶粒有相同取向 择优成长 前提是最优结晶取向和温度梯度最大方向 熔池金属结晶线速度是变化的越到焊缝中心 结晶速度越快 焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均线速度也有影响 速度越快 容易形成 定向晶 在这种情况下 低熔点杂质易偏析于焊缝中心部位而形成最弱的接合面甚至纵向裂纹 3 6焊缝金属的二次结晶 焊接熔池凝固以后 随着连续冷却过程的进行 大多数焊缝金属将发生固态相变 其相变产生的显微组织决定于焊缝金属的化学成分和冷却条件 主要是铁素体加上少量珠光体 铁素体首先沿原奥氏体边界析出 其晶粒十分粗大 随着冷却速度的增大 焊缝中珠光体含量增多 组织越细 焊缝硬度越高 低碳钢焊缝金属的组织 常见的显微组织如下 铁素体 先共析铁素体 侧板条铁素体 针状铁素体 细晶铁素体 珠光体 层状珠光体 粒状珠光体 又称托氏体 及细珠光体 又称索氏体 贝氏体 上贝氏体 下贝氏体 马氏体 板条马氏体 片状马氏体 低合金钢焊缝 改善焊缝金属显微组织的途径 1 优化合金成分 对于低碳 低合金钢焊缝金属 最有害的杂质元素是 S P N O和H 必须加以限制 强度级别越高的焊缝 对这些杂质的限制应越严 通过合金元素来提高焊缝韧性的主要原则 A 促使高熔点第二相质点的析出 通过钉扎作用阻止奥氏体晶粒长大 B 降低奥氏体分解温度 减少边界铁素体的形成C 在奥氏体内形成铁素体成核核心 促使奥氏体在500 550 温度区间内分解得到针状铁素体 防止在奥氏体边界形成侧板条铁素体 也要防止M A组元 富碳 孪晶 奥氏体和残余奥氏体 的形成 D 防止或减少低温产物马氏体 上贝氏体的形成 2焊接工艺的影响 控制焊接热输入 热输入影响焊接熔合比 熔池过热程度 冷却速度等从而影响柱状晶的尺寸以及焊缝金属的二次组织转变 采用多层焊接 采用小截面焊道的多道 多层焊会显著改善焊缝金属的韧性 焊后热处理 焊后热处可以消除残余应力 改善焊缝和整个焊接接头的组织 增加其韧性 3 7 焊接热影响区及其性能变化 焊接热影响区主要是由于焊接过程的加热特点所造成的 两个特点是 升温速度快 冷却速度快 热场分布极不均匀 近靠焊缝的高温区内接近于熔点 远离焊缝的低温区接近于室温 而且峰值温度越高的部位 加热速度越快 冷却速度越大 因此说 焊接热影响的母材经受了一次特殊的热处理 形成了一个组织和性能极不均匀的区域 使一些部位的组织和性能变得很差 成为接头的最薄弱环节 对焊接质量起着控制作用 被焊金属与合金系统的特点焊前母材的原始状态焊接工艺方法和工艺参数 影响焊接热影响区组织和性能的因素 母材金属的固态相变特点 固态无相变材料的焊接热影响区组织和性能变化特点 这类材料的焊接要注意热影响的过热问题 因为 在冷却过程中没有相变存在 只会引起晶粒粗大问题 因此要避免在同一部位进行重复焊接 对于这类金属还有一个问题就是再结晶区 这和母材焊前的原始状态以及金属的晶格类型有关 固态有相变材料的热影响区组织和性能变化的特点 有同素异构转变的纯金属和单相合金 这类金属典型热影响区可分为过热区 I 重结晶区 II 和再结晶区 III 部分 有同素异构转变的多相合金情况 这类合金焊接热影响区的变化比较复杂 在固态下除了同素异构转变外 还有成分变化和第二相析出 即共析转变和Fe3C的析出 从铁碳合金相图可知 其类似于同素异构转变得单相合金情况 因此 热影响区可以划分为 过热区 重结晶区 不完全重结晶区和再结晶区等四个区域 亚共析钢的转变 钢材的焊接热影响区组织变化与钢材的淬火倾向的关系 这主要取决于他的化学成分 随着含碳量和合金含量的增加 它的淬火倾向也增大 为此 一般分为不易淬火和易淬火两种基本类型进行讨论 不易淬火钢 热影响区组织为 过热区 又称粗晶区 温度为1100 1490 对于低碳钢容易为魏氏组织 重结晶区 又称正火区或细晶区 温度为900 1100 组织为均匀细小的铁素体和珠光体 不完全重结晶区 部分相变区 加热温度在AC1 AC3之间 低碳钢750 900 组织为未经重结晶的粗大铁素体之间分布有经重结晶后的细小铁素体和粒状珠光体的群体 再结晶区 这个区域晶粒只发生了外形的变化 并没有内部晶体机构的变化 易淬火钢 热影响区组织为 淬火区 包括过热淬火区和重结晶淬火区 组织为粗大的马氏体和细小的马氏体 不完全淬火区 高碳马氏体 铁素体混合组织 回火区 与母材组织的原始状态有关 对于调质钢 当回火温度高于调质热处理的回火温度时 将引起材料强度的下降 8 焊接缺欠 焊接接头中的不连续性 不均匀性以及其他不健全性等的欠缺 统称为焊接缺欠 焊接缺欠的存在是焊接接头的质量下降 性能变差 不同焊接产品对焊接缺欠有不同的容限标准 焊接缺欠的分类 按国标GB T6417 2005将焊接缺欠分为 裂纹 裂纹是焊接接头中最为严重的缺欠 其危害性极大 是多次焊接结构和容器突然破坏造成灾难事故的原因之一 因此也是防止的重点 焊接裂纹分为 焊接裂纹按产生的本质分为五大类 五大类裂纹的形成时期 分布部位及特征如下 2 气孔 气孔是焊接生产中经常遇到的一种缺欠 在碳钢 高合金钢和有色金属的焊缝中 都有出现气孔的可能 焊缝中的气孔不仅削弱焊缝的有效工作截面积 同时也会带来应力集中 从而降低焊缝金属的强度和韧性 对于动载强度和疲劳强度更为不利 个别情况下 还会发展为裂纹 气孔的分类 气孔通常根据其产生的气体有 氢气孔 氮气孔 这两种气孔是因为气体在液 固态金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出所形成的气孔 氢气孔多出现在焊缝的表面上 气孔的断面形状如同螺钉状 在焊缝的表面上呈喇叭口形 气孔的四周有光滑的内壁 如图所示 这是由于气孔是在液态金属和枝晶界面上浓聚析出 随枝晶生长而逐渐形成气孔的 但有时 也会出现在焊缝的内部 如焊条受潮 使焊缝中的含氢量过高 或在焊接铝镁合金时 由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低 析出气体 在凝固时来不及上浮而残留在焊缝内部 气孔的产生过程是由三个阶段 气泡的生核 长大 逸出 对于焊缝金属中是否有气泡的生成 取决于气泡逸出的速度与熔池的结晶速度 对于已经成核长大的气泡 当熔池结晶速度较小时 气泡可以有充分的时间脱离现成表面 浮出液态金属表面 逸出熔池 就可以得到无气孔的焊缝 如果结晶速度较大时 气泡就有可能来不及逸出而形成气孔 影响因素 1冶金因素的影响 主要是熔渣的氧化性和药皮 焊剂 成分以及铁锈及水分三个方面 2工艺因素 也是三个方面即 焊接工艺参数 电流种类和极性 工艺操作方面 防治措施 1消除气体来源 主要指工件表面处理 焊接材料的防潮和烘干 加强保护 2正确选用焊接材料 这里指焊条和焊剂以及保护气体的正确选择 3控制焊接工艺条件 创造熔池中气体逸出的有利条件和限制电弧外围气体向熔池金属中的溶入 3 夹杂和偏析 焊接冶金过程中产生的氧化物 硫化物与氮化物等在熔池快速凝固条件下残留在焊缝金属中形成夹杂物 夹杂物的存在不仅降低焊缝金属的塑性 增大低温脆性 降低韧性和疲劳强度 还会增加热裂纹倾向 因此 在焊接生产中必须限制夹杂物的数量 大小和形状 常见夹杂物有以下三种 1 氧化物夹杂 主要成分是SiO2 MnO TiO2 CaO和AI2O3等 一般多以复合硅酸盐形式存在 主要降低焊缝韧性 防止措施 正确选择焊条 药芯焊丝 焊剂的渣系 以便在焊接过程中脱氧 脱硫 其次是选用较大的焊接热输入 仔细清理层间焊渣 摆动焊条 以便熔渣浮出 降低电弧电压 以防止空气中氮的侵入 4 未熔合和未焊透 未熔合是指熔化焊时 焊道与母材之间或焊道与焊道之间 未完全熔化结合的部分 点焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分 具体部位见下图 未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透的现象 产生部位见下图 危害 削弱焊缝截面积 降低接头的承载能力 原因 焊接规范选择不当 如电流过小 电弧过短或过长或碳化焰和氧化焰 焊接速度过快 金属来不及熔化 电弧偏弧或焊条角度不合适 坡口角度与间隙太小 使熔深减少 造成未焊透 坡口制备不良 如坡口凹凸不平 潮湿 熔渣 锈 氧化皮 油漆和各种污垢未清除 致使未熔合 层间及根部清渣不良 造成的未熔合和未焊透 形状和尺寸不良 对于熔化焊 主要有 咬边 组对不良 错边 角度偏差 变形等 其他缺欠 包括 飞溅 回火色 9 金属焊接性及其试验方法 金属焊接性指金属材料在限定的施工条件下 焊接成按规定设计要求的构件 并满足预定服役要求的能力 即材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性 根据具体的内容 可分为工艺焊接性和使用焊接性 工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下能否获得优质 无缺陷的焊接接头的能力 根据焊接加热与冷却和冶金反应的特点 又分为 热焊接性 和 冶金焊接性 热焊接性 是指焊接热过程 对焊接热影响区组织性能及其产生缺陷的影响程度 冶金焊接性 是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度 包括合金元素的氧化 还原 蒸发 氢 氧 氮的溶解 对于气孔 夹杂 裂纹等缺陷的敏感性 这些影响焊缝金属化学成分和组织性能 影响焊接性的因素主要有四个方面 材料 设计 工艺和服役条件等材料因素主要有 钢的化学成分 冶炼轧制状态 热处理条件 组织状态和力学性能 设计因素主要有 焊接结构和接头的形式 接口断面的过渡 焊缝的位置 以及某些部位焊缝的集中程度造成多向应力的状态 焊接性试验也是围绕上述两个方面展开 即评定工艺性试验和使用焊接性试验 10 焊接材料 焊接材料作为焊接过程的填充材料 对于焊缝的形成和质量起到决定意义 根据焊接方法的不同 主要有以下几大类 焊条 焊丝 焊剂 对于焊条电弧焊 焊条的作用有两个 填充材料 导通电流 根据需要焊接材料的不同 焊条有多种类型 碳钢焊条GB T5117 1995低合金钢焊条 结构钢焊条 低温钢焊条 耐热钢焊条 GB T5118 1995铸铁焊条GB T10044 1988不锈钢焊条GB T983 1995铝焊条GB T3669 2001铜焊条GB T3670 1995镍及镍合金焊条GB T13814 1992堆焊焊条GB T984 2001特细碳钢焊条JB T6964 焊条的组成 焊芯和药皮 焊芯的作用是填充金属和导电 药皮的作用有 1确保电弧的稳定燃烧 使焊接过程正常进行 2保护电弧和熔池 防止熔滴和熔池金属与空气接触而氧化或氮化 3进行冶金反应 通过向焊缝金属渗入合金元素 脱氧与除去硫 磷 控制焊缝金属的化学成分 4焊接时药皮形成喇叭状套筒 形成电弧吹力 保证熔滴顺利过渡 有利完成焊接过程 焊条药皮的组成 各种矿物粉末 铁合金粉末 有机物和化工制品 其作用有 稳弧剂 造渣剂 造气剂 合金剂 脱氧剂 稀渣剂和粘接剂 焊条药皮的分类 按熔渣的碱度分类 酸性焊条和碱性焊条熔渣以酸性氧化物为主的焊条为酸性焊条 熔渣以碱性氧化物和氟化钙为主的焊条为碱性焊条 在碳钢和低合金钢焊条中 低氢型焊条 包括低氢钠型 低氢钾型和铁粉低氢型 是碱性焊条 其他涂料类型的焊条均属酸性焊条 低合金钢焊条 根据GB T5118 1995规定 与碳钢编号相同 只是在四位数字后添加了后缀字母和附加化学成分记号 后缀字母为熔敷金属的化学成分分类代号 具体代号有 A1 C1 C1L C2 C2L C3 D1 D2 D3 G M M1 W等 其中有L者为含碳量较低 不锈钢焊条编制方法 GB T983 1995规定1 字母E表示焊条2 第一或第二数字表示熔敷金属含碳量 具体为 00表示不大于0 04 0表示不大于0 10 1表示不大于0 15 2表示不大于0 20 3表示不大于0 45 3 熔敷金属含铬量4 熔敷金属含镍量5 其他合金元素量6 药皮类型和电流种类 埋弧焊材料 埋弧焊接所用材料主要是焊丝和焊剂 焊丝的作用和焊条的焊芯一样 只是通过焊接送丝机构连续送进焊接区 焊丝的品种随所焊金属种类的增加而增加 目前已有碳素结构钢 合金结构钢 高合金钢和各种有色金属焊丝以及堆焊用的特殊合金等多种焊丝 焊剂的作用如同焊条药皮 但是其成分与焊条药皮有所不同 主要是两者的制造过程所决定的 焊剂分类 1按制造方法分类 熔炼焊剂 陶质焊剂 烧结焊剂2按焊剂用途分为 碳素钢焊剂 合金钢焊剂 和有色金属焊剂3按焊剂颗粒结构分为 玻璃状焊剂 浮石状焊剂 结晶状焊剂4按焊剂化学成分分为 无锰 低锰 中锰 高锰 低硅 中硅 高硅 低氟 中氟 高氟焊剂 焊剂型号编制方法 GB T5293 1999 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂 具体表示方法如下 焊剂牌号 四 焊接结构及生产 焊接结构的研究内容主要有 焊接残余应力和焊接变形 焊接接头设计与强度计算 焊接结构疲劳与断裂 焊接接头的力学性能 典型焊接结构的设计 焊接结构的生产与组织管理等 焊接残余应力和变形 焊接应力和变形是一对孪生弟兄 是随着焊接过程的局部不均匀加热产生的 焊接残余应力的存在导致焊接接头产生裂纹 变形 降低焊接接头的疲劳强度 加速焊接接头产生脆性断裂等不利因素 对于中厚板结构的焊接接头 焊接残余应力的存在是两向的 而对于大厚板的结构 将存在更为不利的三向残余应力状态 焊接残余应力根据其分布方向可分为横向残余应力和纵向残余应力 焊接变形 不仅会影响生产工艺流程的正常进行 而且降低结构承载能力 影响结构的尺寸精度与外形 焊后校正残余变形的工序 费工 耗资 不但延误生产周期 生产成本上升 还会引起产品质量不稳定等诸多不良后果 焊接变形的形式主要有 收缩变形 角变形 挠曲变形 波浪变形 扭曲变形等 影响残余应力和焊接变形的各因素之间的关系如图 焊接接头设计与结构的强度计算 焊接接头与其他连接方法相比 具有很多突出的优点 但同时又具有一些突出问题需要关注 优点 1承载的多向性 特别是焊透的熔焊接头 能很好地承受各向载荷 2结构的多样性 能很好地适应不同形状 不同材料结构的要求 材料的利用率高 接头所占空间小 3连接的可靠性 现代焊接和检验技术水平可保证获得高质量 高可靠的焊接接头 4加工的经济性 施工难度低 可实现自动化 检查维护简单 修理容易 制造成本相对较低 几乎不产生废品 突出问题有 1几何上的不连续性 外形尺寸突变 可能存在各种焊接缺陷 从而引起应力集中 减小承载面积 形成断裂源 2力学性能上的不均匀性 可能存在脆化区 软化区 各种劣质区 3焊接变形与残余应力的存在 焊接区存在角变形区 错边等焊接变形和接近材料屈服应力水平的参与应力 接头形式 根据构造形式 焊接接头可以分为 对接接头 T型接头 十字接头 搭接接头 盖板接头 套管接头 塞焊 槽焊 接头 角接接头 卷边接头和端接接头等十种类型 其中最基本的有五种 对接接头 T型接头 搭接接头 角接接头 端接接头 焊接结构设计的基本要求 1实用性 2可靠性 3工艺性 4经济性基本原则 合理选择和利用材料 主要包括三个方面 所选用的金属材料必须同时满足使用性能和加工性能的要求 有特殊性能要求部位 可以采用特种金属 其余采用一般能满足一般要求的廉价金属 尽可能选用轧制的标准型材和异型材 力求提高材料的利用率 合理设计结构形式主要包括 独立设计具有焊