过程设备焊接3-1

3焊接接头

焊接接头由焊接区和部分母材组成焊接区—焊缝金属、熔合区和热影响区3.1焊接接头的组织与性能3.1.1焊缝金属

由熔化的母材和填充材料组成，其特点：2023/1/31

(1)存在铸造缺陷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。

(2)存在有害气体元素O、N、H■O—以FeO及其他氧化物夹渣存在于晶界,使韧性塑性↓来源：焊接材料、空气

■N—以Fe16O2及其他氮化物存在于晶界，使韧性塑性↓↓，强度硬度↑，以N2存在时可形成气孔。来源：空气■H—高温时熔入，常温时来不及析出，以2023/1/31过饱和状态（H原子）存在与晶格间隙内，可以自由扩散，故称为扩散H。危害：在晶格间隙汇集→H2→气孔；引起冷裂纹来源：空气、保护气体、焊接材料工件表面油污、铁锈等

(3)存在夹杂物熔池因冶金反应生成氧化物和硫化物等颗粒,来不及浮出而残存于焊缝内部,主要是Si02,呈弥散状态分布，对焊缝的危害大。(4)存在杂质元素S和PS主要以FeS和MnS形式存在于晶界,促生热裂2023/1/31纹，并使韧性↓来源:焊接材料P主要以Fe2P和Fe3P形式存在，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。来源:焊接材料和母材.3.1.2熔合区(1)熔合区的构成

a.半熔化区靠近热影响区一侧产生原因:■电弧吹力和熔滴过渡使坡口熔化不均匀2023/1/31

■母材晶粒取向不同造成的熔化不均匀■母材各点熔质分布不均匀2023/1/31

b.未熔合区(不完全熔合区)靠近焊缝一侧是富集母材成分的焊缝区

产生原因:熔池边缘的温度低，使对流和扩散过程进行困难，导致母材与填充金属不能很好熔合.母材与填充金属成分差异↑，未熔合区↑如果填充金属成分与母材成分完全相同，未熔合区会消失。(2)熔合区的特点a.化学成分和组织都极不均匀b.两高一低的特点残余应力和硬度↑，而韧性↓2023/1/313.1.3热影响区(HAZ)

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熔合区外侧受焊接热循环的作用而发生组织和性能变化的母材部分.材料不同,其组织性能亦有区别.(1)低碳钢与低强度合金钢(不易淬火钢)热影响通常有四个区域(如图3-3所示)。a.粗晶粒区（过热区）1500～1100℃晶粒粗大的过热组织,塑性和韧性↓,硬度↑,为接头中的最差部位.b.细晶粒区(正火区)1100～900℃相当于正火热处理,晶粒细小,强度、塑性、韧性↑c.粗细晶粒区（不完全正火区)

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900～750℃在Ac3～Ac1之间部分发生相变,但F不发生转变,高温下其晶粒↑,冷却时形成细珠光体和铁素体，晶粒大小极不均匀，力学性能↓,强度↓。d.回火区（未发生组织变化区）

750～400℃相当回火热处理,强度稍有下降,塑性↑，力学性能略有改善.(2)易淬火钢

a.淬火区

Ac3以上,马氏体组织,硬且垂脆,易裂.b.部分淬火区（不完全淬火区）

Ac3～Ac1温度区间,铁素体+马氏体组织,塑性2023/1/31韧性↓，强度↓c.回火区处于Ac1温度以下,韧性↑,强度、硬度↓

(3)无相变钢如奥氏体不锈钢,仅有过热区(4)焊接热影响区的范围影响区范围常以加热到相变温度的区域来定热影响区的大小受多种因素影响，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。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.2023/1/313.2焊接接头的裂纹3.2.1热裂纹(1)热裂纹产生的原因在熔池金属结晶过程中，低熔点共晶体被排挤在晶界形成“晶间薄膜”，成为一个薄弱地带，在拉应力作用下，裂开而形成热裂纹.(2)热裂纹的类型a.结晶裂纹在结晶过程中，在固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.主要发生在碳钢、低合金钢合和奥氏体钢的焊缝中。2023/1/31

b.高温液化裂纹热影响区由于含有低熔点共晶物被重新熔化,在收缩应力的作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。主要发生在含有Ni、Cr的高强度钢、奥氏体钢、不锈钢的粗晶区内。

(3)热裂纹的影响因素与控制a.化学成分■S,P易形成低熔点共晶物,造成偏析,危害随C↑而↑■C易使S、P发生偏析形成的低熔点共晶物聚集于晶界；降低硫在铁中的溶解度，而促成硫与铁化合生成FeS，使热裂纹的倾向↑

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■Ni易于与硫形成低熔点共晶，促成热裂纹的产生

■Si当硅量大于0．4％时，容易形成低熔点的硅酸盐夹杂，增加了形成热裂纹的倾向

■Mn能改善硫化物的分布形态，使之由FeS变成球状硫化物，从而使抗热裂性↑b.焊缝系数Ψ↓，焊缝过窄，不利杂质上浮反之抗裂性↑c.碱性焊条和焊剂脱S、P性好抗热裂能力↑d.通过预热减小焊接的冷却速度，以减小焊接应力

e.采用收弧板，避免弧坑裂纹在工件上发生2023/1/313.2.2冷裂纹

(1)特征与危害

a.产生的温度和时间

■-75～300℃，100℃时最常见

■焊后立即出现，或经过一段时间出现(延迟性，危害↑)b.产生部位热影响区热影响区与焊缝交界的熔合线上

■焊道下裂纹方向与熔合线平行或垂直

■焊道趾裂纹焊缝与母材的交界处■根部裂纹常起源于焊缝根部的最大应力处,发生在热影响区或在焊缝金属内趾2023/1/31

c.冷裂纹走向■宏观沿焊缝纵向或垂直方向■微观穿晶型、晶间型或穿晶与晶间混合型

(2)影响因素与控制方法a.淬硬组织(马氏体M)■C↑,合金元素↑,→M↑■冷却速度↑,M↑

线能量↓,冷却速度↑;焊速↑,冷却速度↑,→M↑

预热,使冷却速度↓,→M↓b.扩散氢氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素2023/1/31之一，并且使之具有延迟的特征冷却速度↓,高温停留时间↑,H↓■缓冷:焊前预热,焊后保温

■多层焊,后层对前层加热减少H来源■对焊接材料进行烘干、除水处理■清理坡口污物■采用直流焊机消除熔池中的H■选用低H焊条■焊后消H处理

(3)焊接应力2023/1/31

焊接应力↑，冷裂纹倾向↑■减小刚性,不强行施焊■及时消除应力热处理,使残余应力↓,H逸出3.2.3再热裂纹

某些低合金高强度钢，在进行消除应力热处理或在较高温度下使用时，热影响区的粗晶部位产生的裂纹(1)特征

■焊后重新在某较高温度时产生

■发生在粗晶区中(1200～1350℃以上的区域)

■宏观走向为晶间型,有曲折和分叉2023/1/31

(2)主要影响因素

a.合金元素■C、

Cr、Mn、V、Nb、Ti等↑，再热裂纹↑其影响可用下列两式估算当△G’≥2敏感，＜1.5时则不敏感当PRS≤0时，不敏感

b.焊接残余应力2023/1/31

焊接残余应力↑，再热裂纹↑

(3)再热裂纹的控制

a.采用再热裂纹敏感性低的钢

b.尽可能消除焊缝应力集中点，如凹坑、咬边、末焊透等缺陷c.采用低强度焊条，使残余应力的释放大部分由焊缝金属承担d.避开或减少在敏感温度范围内的停留时间e.提高预热温度或采用后热处理预热温度200～450℃2023/1/313.2.4层状撕裂

常产生在T形接头和角接接头上，而且多见于厚板焊件2023/1/31

(1)特点和产生的原因■系低温开裂且均产生于热影响区内■横断面呈阶梯形，而且与钢板表面平行■产生原因钢板中存在硫化物、氧化物等非金属夹杂物，钢板轧制时夹杂物→成片状,分布在与表面平行的各层中，其变形能力↓↓断面收缩率↓,在焊接应力作用下，夹杂物处首先开裂并扩展→在各层之间相继发生，连成一体→造成层状撕裂的阶梯性。

(2)危害产生后不能修复

(3)影响因素与控制

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■严格控制钢材的含硫量■进行低强度堆焊(隔离焊),增加接头的应变能力■对塑性差的材料,应变能力↓,采取预热■采用合理的焊缝结构3.3焊接接头的应力

焊接接头的三种应力:残余应力、应力集中、载荷应力3.3.1焊接残余应力

(1)产生的原因焊接过程中，随着焊接区温度的变化可以产生三种内应力,即2023/1/31

■热应力焊件受热不均匀引起的应力,又称为温度应力温度应力>σs时→塑性变形,

冷却过程中，弹性状态部分的收缩受到塑性变形部分的阻碍,→新内应力。温度↓后，内应力保留于接头中，称为焊接残余应力■组织应力金属组织引起的应力。如马氏体组织↑，应力↑■构件拘束应力因构件热变形受到约束而产生残余应力大小、分布十分复杂，与诸多因素有关，实际中多用实测法确定。2023/1/31

(2)焊接残余应力的分布

应力状态

■中、厚板(20mm以下)为平面应力

σx—纵向残余应力

σy—横向残余应力■厚板

σx—纵向残余应力

σy—横向残余应力

σz—厚度方向残余应力作用范围焊缝两侧200～300mm以内在焊缝及其附近σx、σy多为拉应力2023/1/31

σx引起横向裂纹σy

引起纵向裂纹,沿焊缝长度方向σz引起层状撕裂

a.厚板中的残余应力δ=240mm的电渣焊,三向均为拉应力

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厚板多层单面对接电弧焊在厚度上的内应力σx、σy在表面为拉应力σz可能为压应力，亦有可能为拉应力σy在根部↑↑,>>σs,因每焊一层都使焊接接头产生一次角变形,引起一次塑性变形多次塑性变形的积累→硬化→σb→开裂

b.接管角焊缝中的残余应力2023/1/312023/1/31

切向应力σt(σx)在焊缝及其附近区是拉应力，远离焊缝是压应力径向应力σr(σy)都是拉应力接管直径越小,壁厚越大,则刚度↑,约束↑,σt(σx)↑,→裂纹

(3)焊接残余应力的危害

a.对静强度的影响

■塑性材料

对静强度无影响,不影响结构的总体承裁能力

■脆性材料残余应力→σs,不发生局部屈服变形,随着外力↑,应力峰值↑,→σb→开裂2023/1/31

b.增加结构脆断的倾向高强度金属材料，均有一定的断裂韧性k1c

K1∝σ焊接残余应力的存在，将使σ↑，故K1↑当K1>K1c时，构件就将发生脆性断。

c.增加应力腐蚀破裂倾向腐蚀环境+拉应力→应力腐蚀开裂的条件残余应力+工作应力叠加→使局部应力↑→应力腐蚀开裂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

d.对加工精度和尺寸稳定的影响2023/1/31

若零件存在残余应力→切削等机械加工，则先加工好的部分，将因后加工部分的残余应力释放使尺寸发生偏差。

为保证加工精度,应先消除焊接残余应力，然后再进行机械加工。

(4)残余应力的消除与控制

a.尽量使焊缝自由收缩,减少约束

b.对焊缝进行锤击

c.焊后消除残余应力■整体高温回火(或称为消除应力退火)■局部高温回火2023/1/31

■水压试验法

(5)焊接残余应力的测试方法简介a.应力释放法切片法盲孔法小孔法*

■小孔法在应力场中钻一直径为D＝2～3mm，深为0.8～1.0mm的盲孔，使应力平衡破坏，孔周围的应力释放.测得钻孔前后孔附近的应变变化，可以用弹性力学来推算出小孔处的应力。

b.物理标定法X射线法磁粉法*超声波法光干涉法2023/1/312023/1/313.3.2焊接接头中的应力集中

在载荷的作用下，产生的局部应力峰值

(1)产生原因结构的不连续所致

a.

接头形式

对接的应力集中最小

搭接的应力集中最大十字接头应力集中介于其间

b.焊缝外形

余高

c.焊接工艺缺陷夹渣、气孔、咬边和未焊透和裂纹2023/1/31

(2)应力集中的大小