過程設備焊接培訓課件(PPT 40頁)

3焊接接頭
焊接接頭由焊接區和部分母材組成
焊接區—焊縫金屬、熔合區和熱影響區
3.1焊接接頭的組織與性能
3.1.1焊縫金屬
由熔化的母材和填充材料組成，其特點：
(1)存在鑄造缺陷
冶金過程與鑄造相似，因此它也存在一般鑄
件中常產生的氣孔、夾渣、偏析和晶粒粗大等缺
陷。
(2)存在有害氣體元素O、N、H
O—以FeO及其他氧化物夾渣存在於晶界,
使韌性塑性↓
來源：焊接材料、空氣
N—以Fe16O2及其他氮化物存在於晶界，
使韌性塑性↓↓，強度硬度↑，以N2存在時可形
成氣孔。
來源：空氣
H—高溫時熔入，常溫時來不及析出，以
過飽和狀態（H原子）存在與晶格間隙內，可以
自由擴散，故稱為擴散H。
危害：在晶格間隙彙集→H2→氣孔；引起冷
裂紋
來源：空氣、保護氣體、焊接材料
工件表麵油汙、鐵鏽等
(3)存在夾雜物
熔池因冶金反應生成氧化物和硫化物等顆粒,
來不及浮出而殘存於焊縫內部,主要是Si02,呈彌
散狀態分布，對焊縫的危害大。
(4)存在雜質元素S和P
S主要以FeS和MnS形式存在於晶界,促生熱裂
紋，並使韌性↓
來源:焊接材料
P主要以Fe2P和Fe3P形式存在，磷也是熱裂
紋的促生元素，而且還使韌性(特別是低溫韌性)
下降。
來源:焊接材料和母材.
3.1.2熔合區
(1)熔合區的構成
a.半熔化區
靠近熱影響區一側
產生原因:
電弧吹力和熔滴過渡使坡口熔化不均勻
母材晶粒取向不同造成的熔化不均勻
母材各點熔質分布不均勻
b.未熔合區(不完全熔合區)靠近焊縫一側
是富集母材成分的焊縫區
熔池邊緣的溫度低，使對流和擴散過程進行
困難，導致母材與填充金屬不能很好熔合.
母材與填充金屬成分差異↑，未熔合區↑如
果填充金屬成分與母材成分完全相同，未熔合區
會消失。
(2)熔合區的特點
a.化學成分和組織都極不均勻
b.兩高一低的特點
殘餘應力和硬度↑，而韌性↓
3.1.3熱影響區(HAZ)　　
熔合區外側受焊接熱循環的作用而發生組織
和性能變化的母材部分.材料不同,其組織性能亦
有區別.
(1)低碳鋼與低強度合金鋼(不易淬火鋼)
熱影響通常有四個區域(如圖3-3所示)。
a.粗晶粒區（過熱區）
1500～1100℃晶粒粗大的過熱組織,塑性和
韌性↓,硬度↑,為接頭中的最差部位.
b.細晶粒區(正火區)
1100～900℃相當於正火熱處理,晶粒細小,
強度、塑性、韌性↑
c.粗細晶粒區（不完全正火區)
900～750℃在Ac3～Ac1之間部分發生相變,
但F不發生轉變,高溫下其晶粒↑,冷卻時形成細珠
光體和鐵素體，晶粒大小極不均勻，力學性能↓,
強度↓。
d.回火區（未發生組織變化區）
750～400℃相當回火熱處理,強度稍有下降,
塑性↑，力學性能略有改善.
(2)易淬火鋼
a.淬火區
Ac3以上,馬氏體組織,硬且垂脆,易裂.
b.部分淬火區（不完全淬火區）
Ac3～Ac1溫度區間,鐵素體+馬氏體組織,塑性
韌性↓，強度↓
c.回火區處於Ac1溫度以下,韌性↑,強度、
硬度↓
(3)無相變鋼
如奧氏體不鏽鋼,僅有過熱區
(4)焊接熱影響區的範圍
影響區範圍常以加熱到相變溫度的區域來定
熱影響區的大小受多種因素影響，焊接方法、焊
件板厚、線能量及不同的施焊條件，都會使熱影響區尺寸發生變化。表3—1列出了不同焊接方
法焊接低碳鋼時熱影響區的平均尺寸.
3.2焊接接頭的裂紋
3.2.1熱裂紋
(1)熱裂紋產生的原因
在熔池金屬結晶過程中，低熔點共晶體被排
擠在晶界形成“晶間薄膜”，成為一個薄弱地
帶，在拉應力作用下，裂開而形成熱裂紋.
(2)熱裂紋的類型
a.結晶裂紋
在結晶過程中，在固相線附近由於凝固金屬
收縮時殘餘液相不足，致使沿晶界開裂.
主要發生在碳鋼、低合金鋼合和奧氏體鋼的
焊縫中。
b.高溫液化裂紋
熱影響區由於含有低熔點共晶物被重新熔化,
在收縮應力的作用下，沿奧氏體晶間發生開裂。
主要發生在含有Ni、Cr的高強度鋼、奧氏體
鋼、不鏽鋼的粗晶區內。
(3)熱裂紋的影響因素與控製
a.化學成分
S,P易形成低熔點共晶物,造成偏析,危
害隨C↑而↑
C易使S、P發生偏析形成的低熔點共晶
物聚集於晶界；降低硫在鐵中的溶解度，而促成
硫與鐵化合生成FeS，使熱裂紋的傾向↑
Ni易於與硫形成低熔點共晶，促成熱
裂紋的產生
Si當矽量大於0．4％時，容易形成低
熔點的矽酸鹽夾雜，增加了形成熱裂紋的傾向
Mn能改善硫化物的分布形態，使之由
FeS變成球狀硫化物，從而使抗熱裂性↑
b.焊縫係數Ψ↓，焊縫過窄，不利雜質上浮
反之抗裂性↑
c.堿性焊條和焊劑脫S、P性好抗熱裂能力↑
d.通過預熱減小焊接的冷卻速度，以減小焊
接應力
e.采用收弧板，避免弧坑裂紋在工件上發生
3.2.2冷裂紋
(1)特征與危害
a.產生的溫度和時間
-75～300℃，100℃時最常見
焊後立即出現，或經過一段時間出現(延
遲性，危害↑)
b.產生部位
熱影響區
熱影響區與焊縫交界的熔合線上
焊道下裂紋方向與熔合線平行或垂直
焊道趾裂紋焊縫與母材的交界處
根部裂紋常起源於焊縫根部的最大應力
處,發生在熱影響區或在焊縫金屬內趾
c.冷裂紋走向
宏觀沿焊縫縱向或垂直方向
微觀穿晶型、晶間型或穿晶與晶間混
合型
(2)影響因素與控製方法
a.淬硬組織(馬氏體M)
C↑,合金元素↑,→M↑
冷卻速度↑,M↑
線能量↓,冷卻速度↑;焊速↑,冷卻速度↑,
→M↑
預熱,使冷卻速度↓,→M↓
b.擴散氫
氫是引起高強鋼焊接時形成冷裂紋的重要因素
之一，並且使之具有延遲的特征
冷卻速度↓,高溫停留時間↑,H↓
緩冷:焊前預熱,焊後保溫
多層焊,後層對前層加熱
減少H來源
對焊接材料進行烘幹、除水處理
清理坡口汙物
采用直流焊機
消除熔池中的H
選用低H焊條
焊後消H處理
(3)焊接應力
焊接應力↑，冷裂紋傾向↑
減小剛性,不強行施焊
及時消除應力熱處理,使殘餘應力↓,H逸
出
3.2.3再熱裂紋
某些低合金高強度鋼，在進行消除應力熱處
理或在較高溫度下使用時，熱影響區的粗晶部位
產生的裂紋
(1)特征
焊後重新在某較高溫度時產生
發生在粗晶區中(1200～1350℃以上的區
域)
宏觀走向為晶間型,有曲折和分叉
3.2.4層狀撕裂
常產生在T形接頭和角接接頭上，而且多見
於厚板焊件
(1)特點和產生的原因
係低溫開裂且均產生於熱影響區內
橫斷麵呈階梯形，而且與鋼板表麵平行
產生原因鋼板中存在硫化物、氧化物
等非金屬夾雜物，鋼板軋製時夾雜物→成片狀,
分布在與表麵平行的各層中，其變形能力↓↓斷
麵收縮率↓,在焊接應力作用下，夾雜物處首先
開裂並擴展→在各層之間相繼發生，連成一體→
造成層狀撕裂的階梯性。
(2)危害
產生後不能修複
(3)影響因素與控製
嚴格控製鋼材的含硫量
進行低強度堆焊(隔離焊),增加接頭的應
變能力
對塑性差的材料,應變能力↓,采取預熱
采用合理的焊縫結構
3.3焊接接頭的應力
焊接接頭的三種應力:殘餘應力、應力集
中、載荷應力
3.3.1焊接殘餘應力
(1)產生的原因
焊接過程中，隨著焊接區溫度的變化可以
產生三種內應力,即
熱應力
焊件受熱不均勻引起的應力,又稱為溫度應力
溫度應力>σs時→塑性變形,冷卻過程中，
彈性狀態部分的收縮受到塑性變形部分的阻礙,→
新內應力。溫度↓後，內應力保留於接頭中，稱
為焊接殘餘應力
組織應力
金屬組織引起的應力。如馬氏體組織↑，應
力↑
構件拘束應力
因構件熱變形受到約束而產生
殘餘應力大小、分布十分複雜，與諸多因素
有關，實際中多用實測法確定。
(2)焊接殘餘應力的分布
應力狀態
中、厚板(20mm以下)為平麵應力
σx—縱向殘餘應力
σy—橫向殘餘應力
厚板
σz—厚度方向殘餘應力
作用範圍
焊縫兩側200～300mm以內
在焊縫及其附近σx、σy多為拉應力
σx引起橫向裂紋
σy引起縱向裂紋,沿焊縫長度方向
σz引起層狀撕裂
a.厚板中的殘餘應力
δ=240mm的電渣焊,三向均為拉應力

厚板多層單麵對接電弧焊
在厚度上的內應力σx、σy在表麵為拉應力
σz可能為壓應力，亦有可能為拉應力
σy在根部↑↑,>>σs,因每焊一層都使焊接
接頭產生一次角變形,引起一次塑性變形
多次塑性變形的積累→硬化→σb→開裂
b.接管角焊縫中的殘餘應力
切向應力σt(σx)在焊縫及其附近區是拉應
力，遠離焊縫是壓應力
徑向應力σr(σy)都是拉應力
接管直徑越小,壁厚越大,則剛度↑,約束↑,
σt(σx)↑,→裂紋
(3)焊接殘餘應力的危害
a.對靜強度的影響
塑性材料
對靜強度無影響,不影響結構的總體承裁
能力
脆性材料
殘餘應力→σs,不發生局部屈服變形,隨著
外力↑,應力峰值↑,→σb→開裂
b.增加結構脆斷的傾向
高強度金屬材料，均有一定的斷裂韌性k1c
K1∝σ
焊接殘餘應力的存在，將使σ↑，故K1↑
當K1>K1c時，構件就將發生脆性斷。
c.增加應力腐蝕破裂傾向
腐蝕環境+拉應力→應力腐蝕開裂的條件
殘餘應力+工作應力疊加→使局部應力↑→
應力腐蝕開裂
對於在應力腐蝕環境下使用的壓力容器設備,
焊後必須進行消除應力熱處理
d.對加工精度和尺寸穩定的影響
若零件存在殘餘應力→切削等機械加工，則
先加工好的部分，將因後加工部分的殘餘應力釋
放使尺寸發生偏差。
為保證加工精度,應先消除焊接殘餘應力，然
後再進行機械加工。
(4)殘餘應力的消除與控製
a.盡量使焊縫自由收縮,減少約束
b.對焊縫進行錘擊
c.焊後消除殘餘應力
整體高溫回火(或稱為消除應力退火)
局部高溫回火
水壓試驗法
(5)焊接殘餘應力的測試方法簡介
a.應力釋放法
切片法盲孔法小孔法*
小孔法
在應力場中鑽一直徑為D＝2～3mm，深為0.8
～1.0mm的盲孔，使應力平衡破壞，孔周圍的應力
釋放.測得鑽孔前後孔附近的應變變化，可以用彈
性力學來推算出小孔處的應力。
b.物理標定法
X射線法磁粉法*超聲波法光幹涉法
3.3.2焊接接頭中的應力集中
在載荷的作用下，產生的局部應力峰值
(1)產生原因
結構的不連續所致
a.接頭形式
對接的應力集中最小
搭接的應力集中最大
十字接頭應力集中介於其間
b.焊縫外形
餘高
c.焊接工藝缺陷
夾渣、氣孔、咬邊和未焊透和裂紋
(2)應力集中的大小
以應力集中係數KT表示。其值為截麵處最大
應力值與其平均應力值之比
其大小和分布與接頭類型,焊接方法,受力方
向等有關
接頭的基本形式
對接接頭→對接焊縫
搭接接頭→角接焊縫
丁(十)字接頭→角接焊縫
角接接頭→角接焊縫
(3)危害
類似殘餘應力
3.3.2焊接接頭中的工作應力
載荷平均應力+應力集中+殘餘應力
(1)對接接頭

焊縫餘高產生了構造上的不連續性，在焊縫
與母材的過渡處引起應力集中.
餘高削平後,不產生應力集中,故重要設備有
時要求削平焊縫餘高
(2)丁(十)字接頭

未開坡口由於整個厚度沒有焊透，所以焊縫
根部和趾部應力集中↑
開坡口並焊透的丁字形接頭應力集中↓↓可
見保證焊透是降低T形接頭應力集中的重要措施
丁字形接頭應盡量避免在其板厚方向承受高
拉應力，以防產生層狀撕裂。
(3)搭接接頭
搭接接頭應力集中比對接接頭的情況複雜
其中角焊縫的根部A點和焊趾B點都有較大
的應力集中。減小其夾角θ和增大熔深焊透根
部，均可降低應力集中係數。
小結:
受載時,接頭中存在應力集中,其工作應力
分布不均勻
對接接頭應力集中係數最小,應優先選用
開坡口全焊透可有效減小應力集中係數

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