金属材料及工艺课件 第18章.ppt

第18章 熔化焊焊接成形理论基础绪焊接：通过加热或加压，或两者并用，并且用或者不用填充材料，使工件产生原子结合的一种成形方法焊接的特点： a 减轻结构质量，节约大量金属材料 b 生产率高、生产周期短，劳动强度低 c 可以保证高的气密性，提高产品质量 d 可以制造双金属结构 e 便于实现机械化、自动化 f 焊后产生应力和变形，热影响区力学性能差 种类：熔化焊 fusion welding固态焊 solid-state welding又称为压力焊钎 焊：包括硬钎焊brazing、软钎焊soldering应用：制造金属工程结构，如锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆、桥梁、飞机、火箭、起重机、海洋结构、冶金设备等也可制造机器零部件和工具，如重型机械、冶金、锻压机械的机架、锻模、刀具等在一些主要工业国家，每年生产的焊接结构约占钢产量的45% 历史n公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）n19世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、金属弧、电阻热）n 20世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条n1921年，第一艘全焊远洋船；n30年代，大规模制造焊接结构；n60年代，焊接结构空前普及；n中国： 上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；三峡水电站船闸闸门；三峡工程水轮机转子；九江长江大桥、芜湖长江大桥等。

18.1 熔化焊焊接冶金过程1.焊接熔池的冶金特点熔化焊接接头的形成：焊接热过程+焊接化学冶金+焊接物理冶金焊接热过程特点：热作用集中性(局部熔化)、热作用的瞬时性(热源移动)焊接化学冶金过程：熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学冶金反应焊接物理冶金过程：焊接组织不同于铸造组织焊接熔池的特征n体积小、冷速大冶金过程不完全n过热温度高元素烧损大、气体含量高n动态下凝固强烈的对流、搅拌n界面导热条件好温度梯度大利于柱状晶2.对熔池的保护和冶金处理为了保证焊缝金属的质量，降低焊缝中各种有害杂质的含量熔焊时必须从以下两方面采取措施：对焊接区采取机械保护，防止空气污染熔化金属，如采用焊条药皮、焊剂或保护气体等，使焊接区的熔化金属被熔渣或气体保护，与空气隔绝对熔池进行冶金处理，清除已经进入熔池中的有害杂质，增加合金元素，以保证和调整焊缝金属的化学成分通过在焊条药皮或焊剂中加入铁合金等，对熔化金属进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金等温度变化：焊接接头经历了升降温热循环，焊缝经历了一次冶金过程，附近区域经历了不同规范的热处理hanjieguocheng.swf18.2 焊接接头的组织与性能温度分布：焊接接头上不同位置的点所经历的热循环是不同的，最高加热温度不同，加热速度和冷却速度也不同。

焊接工件上温度的变化与组织1.焊缝区的组织和性能（以低碳钢为例）焊缝区：柱状铸态组织，由铁素体和少量珠光体组成，杂质偏析在焊缝中心区2.热影响区的组织和性能熔合区（半熔化区）：熔化部分结晶成铸态组织，未熔部分过热粗晶，导致力学性能下降另外，该区断面积变化，易产生应力集中所以决定了焊接接头的性能过热区：AC3以上（100200）固相线加热时奥氏体晶粒粗大，形成过热组织，魏氏组织，塑性、韧性降低正火区：AC3AC3+（100200）发生重结晶，组织为细小、均匀的铁素体+珠光体，性能优于母材部分相变区：加热温度AC1AC3，P转变为奥氏体，F部分转变，晶粒不均匀，力学性能稍差52动画18 焊接接头及热影响区3.影响热影响区的因素焊接方法、工艺参数、接头形式、焊后冷速改善焊接热影响区组织和性能的方法焊后正火选择合适的焊接材料、方法和工艺 18.3 焊接应力与变形不利影响变形变形：尺寸不合要求、装配质量、间隙不一致，降低塑性、产生附加应力、增加矫正成本应力应力：降低承载能力、引起裂纹、促进应力腐蚀 1.应力与变形的产生原因原因： 局部加热局部（焊缝及附近区）膨胀受阻 焊件刚性小，则变形量大，应力小。

焊件刚性大，则变形量小，应力大 应力的大致分布 a 平板对接焊缝 b 钢板边缘焊缝 c 圆筒环焊缝 d 焊缝交叉处的应力叠加 焊接变形的基本形式 a 收缩变形：纵、横向尺寸减小 b 角变形：V形坡口，焊缝截面不对称，向焊缝侧弯曲 c 弯曲变形：焊缝位置与焊件中心轴不对称 d 扭曲变形：焊缝在构件横截面上布置不对称或焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭曲变形 e 波浪变形：薄板尺寸失稳2.减少焊接应力的工艺措施 a 避免焊缝密集交叉、过厚、过长 b 选择合理的焊接次序，尽量保证收缩自由 c 预热缓冷法350-400 d 小能量焊接、锤击 e 焊后退火处理600-650，保温，缓冷3.防止和减少焊接变形的工艺措施 a 结构对称、刚性好 b 反变形法通过试验或计算 c 加裕量法 d 刚性夹持法（见gangxingguding） e 选择合理的焊接次序矫正焊接变形的方法 a 机械矫正法：辊床、压力机、矫直机、千斤顶、锤击 b 火焰加热矫正法：利用局部加热，主要用于低碳钢和部分普通低合金钢11动画27 加热拉应力三角区矫正动画 机械矫正2618.4 焊接接头的缺陷1.焊缝表面形状尺寸不符合要求缺陷原因焊件坡口角度不当, 钝边、及装配间隙不均，焊件边缘切割不齐。

焊接电流过大或过小运条速度和角度不当、不正确的摇动和移动不均匀危害焊缝的增强高过高会引起应力集中，易产生裂纹尺寸过小的焊缝，有效工作截面减少，焊接接头强度降低错边和变形过大，有可能使传力扭曲及产生应力集中，造成强度下降防止措施改善形状和尺寸不足，尤其是角焊缝更要经常注意焊条与母材的角度,以保证焊缝成形均匀一致选择合理的坡口角度（45为宜）和均匀的装配间隙（2mm为宜）提高焊工的操作技术水平，根据装配间隙变化，随时调整焊速及焊条角度保持正确的运条角度匀速运条2.焊接裂纹产生：焊接应力和致脆因子共同作用热裂纹热裂纹是焊缝和热影响区的金属在结晶过程中产生的，其产生的原因主要是焊缝中存在着FeS等低熔点物质，焊缝结晶时，形成液态间层，晶粒间联系被削弱，当焊缝受到较大的焊接拉应力时，即在晶粒之间引起破裂焊接热裂纹（结晶裂纹）的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度（层间温度、热输入量） d.焊缝的形状（成形系数） e.拘束度热裂纹的特征热裂纹可发生在焊缝区或热影响区,沿焊缝长度方向分布热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹因热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩焊后立即可见。

(1)(1)结晶裂纹结晶裂纹 (2)(2)高温液化裂纹高温液化裂纹 (3)(3)多边化裂纹多边化裂纹防止措施选用适宜的焊接材料，严格控制有害杂质碳、硫、磷的含量Fe和FeS易形成低熔点共晶，其熔点为988，很容易产生热裂纹严格控制焊缝截面形状，避免突高，扁平圆弧过渡缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性减少偏析确定合理焊接工艺参数，减缓焊缝的冷却速度，以减小焊接应力如采用小线能量，焊前预热，合理的焊缝布置等冷裂纹的产生和防止材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，其中主要的一种：延迟裂纹（delayed cracking）或称之为氢致裂纹裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有淬硬M相变材料其它FCC金属材料如Al、Ni、Cu、奥氏体钢一般没有产生部位：多数在HAZ粗晶区；也有少量在多层焊焊缝的中上部；易在焊趾和焊根焊道下发生时间：具有延迟特性，焊后数分钟至数日后出现发生温度：TMs； (1) (1)延迟裂纹延迟裂纹 (2)(2)淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹(3)(3)低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹1冷裂纹产生原因焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。

焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化；磷含量过高同样产生冷裂纹存在较大的拉应力因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹防止冷裂纹的措施选用碱性焊条或焊剂，减少焊缝金属中氢的含量，提高焊缝金属塑性焊条焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去油、水工件焊前预热，焊后缓冷，可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力采取减小焊接应力的工艺措施，如对称焊，小线能量的多层多道焊等，焊后进行清除应力的退火处理焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250，保温26h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面再热裂纹再热裂纹是指焊后对焊接接头再次加热（焊后热处理或高温服役）时所产生的开裂现象再热裂纹的特征是沿晶开裂；形成条件： a.存在残余应力； b.存在粗大的晶粒组织； c.化学成分中有沉淀强化的元素，易导致晶界弱化；焊接再热裂纹的影响因素 a.化学成分的影响； b.杂质的影响； c.拘束应力的影响； d.焊接工艺的影响； e.焊接热处理工艺的影响；焊接再热裂纹的控制措施a)正确选择对再热裂纹不敏感的材料；b)控制焊接工艺；采用低强焊缝、控制适宜的线能量、采用回火焊道、调整施焊方式减少焊接应力；c)焊缝热处理工艺；采用低温后热处理、分段后热处理、提高加热速度、完全正火处理；d)改进焊接接头、减少拘束应力和防止应力集中；层状撕裂层状撕裂的特征焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹称为层状撕裂。

层状撕裂经常发生在厚板的T形接头和角接接头中层状撕裂的原因轧制钢板中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等低熔点非金属夹杂物垂直于厚度方向的焊接应力作用防止措施严格控制钢材的含硫量预热和使用低氢焊条,采用强度级别较低的焊接材料在与焊缝相连接的钢板表面堆焊几层低强度焊缝金属作为过渡层，以避免夹杂物处于高温区3.气孔定义焊接时熔池中的气体在金属凝固时未能逸出而形成的空穴气孔分类焊缝气孔有三种：氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔氢气孔： 高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔57一氧化碳气孔当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应： FeO+C = Fe+CO 此时，若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出，便产生CO气孔熔池氧化愈严重，含碳量愈高，越易产生CO气孔 氮气孔：熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生气孔产生的一般原因和预防措施焊接部位不洁净容易产生气孔因此，焊接部位要求在焊接前清除油污、铁锈等脏物；使用低氢焊条焊接时更严焊条和焊剂一定要严格按照规定的温度进行烘焙和保温要求采取适宜的焊接规范，不要采用过大的焊接电流。

注意控制母材及焊材的化学成分焊接速度过快，焊接时操作不当，电弧拉得过长，使得有较多气体溶入金属溶液内使用低氢焊条往往容易在焊缝接头处出现表面和内部气孔，一定要采取短焊弧气体保护焊时应调节气体流量至适当值4.咬边 5.在母材与焊缝熔合线附近因为熔化过强会造成熔敷金属与母材金属的过渡区形成凹陷（沿焊趾的母材部位产生的沟槽和凹陷），沿焊缝边缘低于母材表面的凹槽状缺陷可分为外咬边和内咬边咬边不仅减少了焊接接头的有效工作截面，而且在咬边处造成严重的应力集中，咬边缺陷多见于横、立、仰焊产生的一般原因焊接电流过大、电压过高、电弧过长且偏吹运条角度不当、手法不稳及焊速不合适防止措施严格按焊接工艺规程要求，选择合适的焊接电流和焊接速度，电弧不应过长，选用正确的焊条角度和运条方法角焊缝更应随时注意控制焊条角度和电弧长度加强焊工基本技能培训；加强焊接标准和评定缺陷标准的学习，正确判断咬边的深度和长度，加强焊工的自检工5.未焊透：定义：焊接时焊接接头底层未完全熔透的现象未焊透缺陷有时为表面缺陷（单面焊缝），有时为内部缺陷(双面焊缝)未焊透主要影响和削弱截面积引起应力集中，消弱焊接连接的强度可达60%-80%没有熔透的缺陷在施工中经常有发生，重要结构均不允许存在未焊透。

未焊透产生的一般原因。