卓越工程师二-4. 焊接质量控制和管理-焊接缺陷及质量控制1.ppt

1、卓越工程师材料加工过程质量控制与管理第四章 焊接缺陷及控制,徐济进 Email: xujijin_ Tel: 1376454920 / 34202640,1、什么是焊接缺陷？,焊接过程中在焊接接头中产生的不符合标准要求的缺陷 焊接缺陷是不可避免的 焊接缺陷影响焊接接头质量，影响焊接结构的安全使用 为了满足焊接结构的使用要求，把缺陷限制在一定范围之内，使其对焊接结构的运行不产生危害,2、常见的焊接缺陷,3、常见缺陷及防止措施,3.1 热裂纹 在固相线附近的高温区（焊缝和热影响区）形成的裂纹，主要发生在晶界处 由于裂纹形成温度较高，在与空气接触的开口部位表面有强烈的氧化特征，呈蓝色或天蓝色 热裂纹

2、可分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹,结晶裂纹：在一次结晶过程中，在液相和固相并存的高温区，焊缝金属沿一次结晶晶界开裂的裂纹。,3.1 热裂纹,液化裂纹：焊接过程中，在焊接热循环作用下，存在于母材近缝区金属或多层焊缝的层间金属晶界的低熔点共晶物局部被重新熔化开裂的裂纹。,3.1 热裂纹,高温失塑裂纹（DDC） 在焊接热影响区或多层焊的前一焊道上，因焊接热循环的作用致使 塑性陡降，在拉应力下沿二次结晶晶界形成的热裂 纹。其裂纹敏感温度区域略低于再结晶温度。多数发生 在奥氏体合金的焊缝近缝区金属中。,3.1 热裂纹,Load,Strain concentration,void,3.1 热裂纹,热

3、裂纹防止措施 严格控制焊缝金属中C、S、P、Si含量； 采用低氢型焊接材料； 焊前预热，减小焊后冷却速度； 控制焊缝形状（宽、深比B/T1）； 合理的焊接参数，适当减少焊接热输入，必要时采用多层焊； 在焊缝中加入Mo、W、Ti等细化晶粒的合金元素； 改善坡口形式，减少拘束度和应力,3.1 热裂纹,3.2 冷裂纹,焊接接头在焊后冷却到较低温度下（200C左右）所产生的焊接裂纹； 冷裂纹是由焊接应力、淬硬组织、扩散氢三个因素共同作用下形成的； 表面光亮，无氧化特征； 主要发生在低合金钢、中合金钢、高碳钢的焊接热影响区，个别情况下也出现在焊缝金属中； 冷裂纹可分为氢致裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化撕

4、裂,3.2 冷裂纹,3.2 冷裂纹,冷裂纹防止措施： 采用低氢型焊接材料，并进行严格烘干； 焊前预热、降低冷却速度； 选用合适的焊接工艺参数； 清理焊接区域水分、油污、铁锈； 采用后热，使其缓冷，降低焊接接头特别是热影响区中扩散氢含量； 进行焊后热处理； 改进接头设计降低拘束应力。,3.2 冷裂纹,3.3 再热裂纹,工件焊后再次被加热（如焊后热处理、多道焊）到一定的温度而产生的裂纹； 常出现在粗晶区，并沿粗大奥氏体晶粒边界扩展； 发生在含Cr、Mo、V的低合金钢，含Nb的奥氏体不锈钢以及Ni基耐热合金中； 断口有被氧化的颜色。,3.3 再热裂纹,再热裂纹防止措施： 提高预热温度和采用焊后热处理

5、，减小焊接应力和过热区硬化； 选用高塑性低强度匹配的焊接材料； 改进接头设计，尽量不采用高拘束度的焊接接头； 消除一切可能引起应力集中的表面缺陷，修磨焊缝呈圆滑过渡； 正确选择焊后热处理温度。,3.3 再热裂纹,定义：焊接时沿着钢板轧制方向平行于表面呈阶梯状“平台”开裂的冷裂纹,3.4 层状撕裂,3.5 气孔,焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴； 气孔有时单个出现，有时以成堆的形式聚集在局部区域,3.5 气孔,气孔防止措施： 烘干焊条或焊剂 清理工件焊接区域 调整焊剂化学成分改变熔渣粘度 焊剂覆盖充分 优化焊接工艺参数,3.5 气孔,3.6 夹渣和夹钨,夹渣 焊后残留在

6、焊缝中的熔渣； 主要发生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过度的部位 夹钨 在进行钨极氩弧焊时，钨极不慎与熔池接触，使钨的颗粒进入焊缝金属中而造成,3.6 夹渣,夹渣防止措施： 调整焊接方式，严格控制焊条角度和焊丝位置，改善焊道成形； 选择脱渣性好的焊剂，每层应认真清除焊渣； 调整焊接参数：减慢焊接速度，增加焊接电流； 适当加大焊接坡口角度。,3.6 夹渣,3.7 其它焊接缺陷,4.1 残余应力产生原因 焊接过程的局部加热，导致构件温度分布不均，从而造成各处的膨胀和收缩变形差别较大； 由于接头形式的不同，使得焊接熔池内熔化金属的散热条件有所差别，使得熔化金属凝固时产生的收缩量不同 焊接热循环作用下

7、的组织相变； 焊前加工工艺的影响，如焊前构件经历冷冲压等工艺而具有较高的内应力。,4 焊接残余应力,4 焊接残余应力,4.2 焊接热循环,棒C,4 焊接残余应力,4.3 三根棒模型,研究焊接残余应力的基本假定 金属在焊接过程中，其热物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，做以下假定： 平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后保持平面 金属性质不变的假定：假设金属的热物理性能在焊接过程中不随温度变化 焊接温度场假定：假设焊接温度场不随时间改变 金属屈服强度假定,低碳钢屈服强度与温度的关系,屈服 强度 （MPa）,温度,600,500,实际曲线,简化曲线,屈服温度,一般约束状态,

8、（1）低温加热（0 0）,棒s 棒c,总应变,棒s应力应变 棒c应力应变,三根棒力平衡,棒s应力 棒c应力,（2）中温加热（0 0）,一般约束状态,加热阶段,冷却阶段 BC,棒s 棒c,棒s 棒c,棒s 棒c,三根棒力平衡,冷却阶段 CD,棒s 棒c,三根棒力平衡,棒s 棒c,（3）高温加热（0 0）,加热阶段,冷却阶段 PQ,冷却阶段 QR,冷却阶段 RG,一般约束状态,棒s 棒c,4.4 残余应力对焊接结构的影响 降低结构承载强度： 对塑性材料影响不明显，但三轴拉应力时有不利影响； 对脆性材料有不利影响。 影响结构尺寸稳定性 由于残余应力的不稳定性造成构件的尺寸不稳定。 降低抗应力腐蚀性能

9、： 应力腐蚀是拉应力与腐蚀介质共同作用下产生的裂纹,4 焊接残余应力,4.5 残余应力评估技术 试验测试技术 数值模拟技术热弹塑性有限元法,4 焊接残余应力,4.6 预防和控制残余应力 设计原则 1、尽量减小焊缝截面尺寸，在保证强度的前提下尽量减少填充金属的数量； 2、将焊缝尽量布置在最大工作应力区之外；,4 焊接残余应力,板材内部平行表面的非金属夹层 多道焊接造成的热应变脆化 垂直与板平面的应力（残余应力） 层状撕裂，焊道下裂纹,3、尽量防止焊缝密集、交叉；,4、采取局部降低刚度的方法，如开应力释放槽；,5、采用合理的接头形式，尽量避免采用搭接接头；,对接,角接,（a） Axial resi

10、dual stresses （b） Hoop residual stresses,4.6 预防和控制残余应力 工艺措施 1、合理地选择装配焊接顺序：尽量使焊缝在刚度较小的情况下焊接，尽量先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；先焊工作时受力大的焊缝； 2、用局部加热法减小应力：采用局部加热的方法使焊接处在焊前产生一个与焊后收缩方向相反的变形； 3、锤击：锤击可以使焊缝得到延展，从而降低峰值拉应力； 4、振动焊接,4 焊接残余应力,焊后消应力措施 1、整体热处理或局部热处理； 2、表面冲击（喷丸、超声冲击）； 3、振动时效； 4、机械应力释放法； 5、温差拉伸法,4 焊接残余应力,5、焊接变形,5.1 焊接变形分类 纵向收缩变形：构件沿焊缝方向发生的变形 横向收缩变形：构件在垂直于焊缝方向上发生的变形,纵向变形结果,横向变形结果,弯曲变形：构件焊后整体发生的弯曲,焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形,焊缝的横向收缩引起的弯曲变形,扭曲变形:由于工艺不当所造成焊后构件发生的螺旋形变形,角变形：温度沿板厚方向分布不均或