第4章-焊接缺陷[119頁]課件

1、第4章焊接缺陷1一、焊接工程缺陷和缺欠的定義和區(qū)分缺欠-焊件上典型構(gòu)造上出現(xiàn)的一種不連續(xù)性或“缺欠”，諸如材料或焊件在力學(xué)特性、冶金特性或物理特性上的不均勻性。缺陷-種或多種不連續(xù)性或缺欠，按其特性或累加效果，使得零件或產(chǎn)品不能符合所提出的最低合用要求，稱之為“缺陷”。缺欠指不完美，不必處理可以被接受；而缺陷指不完美(缺欠)累積程度超過“合用性要求”,不被接受,必須經(jīng)處理符合要求。合用性一般指標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或技術(shù)文件，還有合同等要求。21 焊接缺陷的危害1.1引起應(yīng)力集中。其中尤以裂紋和未焊透最為嚴(yán)重。1.2縮短使用壽命。1.3造成脆斷，危及安全。32缺陷的分類2.1狹義的分類IIW-SST-11

2、57-90對(duì)缺欠的定義分類如圖4.1。42.2廣義的分類從表觀上分類：成形缺欠、接合缺欠、性能缺欠，如圖4.2。5(2)從主要成因上分類，見圖4.3。6二、各種缺陷產(chǎn)生的原因和防止措施1 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷的分類 GB/T6417.1-2005金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明將焊接缺欠分為六大類。第一類缺欠：焊接裂紋第二類缺陷：孔穴，主要有氣孔和縮孔。第三類缺陷：固體夾雜，主要有夾渣、氧化物夾雜和金屬夾雜。第四類缺陷：未熔合和未焊透第五類缺陷：形狀缺欠第六類缺陷：其它缺欠7裂紋分類基本特征敏感的溫度區(qū)間被焊材料位置裂紋走向熱裂紋結(jié)晶裂紋在結(jié)晶后期，由于低熔共晶形成的液態(tài)薄膜削弱了晶粒間的聯(lián)結(jié)，在拉

3、伸應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。在固相線溫度以上稍高的溫度（固液狀態(tài)）雜質(zhì)較多的碳鋼、低中合金鋼，奧氏體鋼、鎳基合金及鋁焊縫上沿奧氏體晶界多邊化裂紋已凝固的結(jié)晶前沿，在高溫和應(yīng)力的作用下，晶格缺陷發(fā)生移動(dòng)和聚集，形成二次邊界，它在高溫處于低塑性狀態(tài)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋在固相線溫度以下再結(jié)晶溫度純金屬及單相奧氏體合金焊縫上，少量在熱影響區(qū)沿奧氏體晶界液化裂紋在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，在熱影響區(qū)和多層焊的層間發(fā)生重熔，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋在固相線溫度以下稍低溫度含S、P、C較多的鎳鉻高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼、鎳基合金熱影響區(qū)及多層焊的層間沿晶界開裂再熱裂紋厚板焊接結(jié)構(gòu)消除應(yīng)力處理過程中，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)

4、存在不同程度的應(yīng)力集中時(shí)，由于應(yīng)力松馳所產(chǎn)生附加變形大于該部位的蠕變塑性，則發(fā)生再熱裂紋600700回火處理含有沉淀強(qiáng)化元素的高強(qiáng)鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼、鎳基合金等熱影響區(qū)的粗晶區(qū)沿晶界開裂冷裂紋延遲裂紋在淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力的共同作用下而產(chǎn)生的具有延遲特征的裂紋在Ms點(diǎn)以下中、高碳鋼，低、中合金鋼、鈦合金等熱影響區(qū)，少量在焊縫沿晶或穿晶淬硬脆化裂紋主要是由于淬硬組織，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋Ms附近含碳的NiCrMo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼熱影響區(qū)，少量在焊縫沿晶或穿晶低塑性裂紋在較低溫度下，由于被焊材料的收縮應(yīng)變，超過了材料本身的塑性儲(chǔ)備而產(chǎn)生的裂紋在400以下鑄鐵、堆焊硬質(zhì)合金熱影響

5、區(qū)及焊縫沿晶或穿晶層狀撕裂主要是由于鋼板的內(nèi)部存在有分層的夾雜物（沿軋制方向），在焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使在熱影響區(qū)或稍遠(yuǎn)的地方，產(chǎn)生“臺(tái)階”式層狀開裂約400以下含有雜質(zhì)的低合金高強(qiáng)鋼厚板結(jié)構(gòu)熱影響區(qū)也附近穿晶或沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋某些焊接結(jié)構(gòu)（如容器和管道等），在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的延遲開裂任何工作溫度碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁合金等焊縫和熱影響區(qū)沿晶或穿晶2 裂紋產(chǎn)生的原因和防止措施82.1 延遲裂紋2.1.1 延遲裂紋的危害2.1.2 延遲裂紋的影響因素（1）淬硬組織組織對(duì)延遲裂紋的敏感性如下:F、PB下M低B上BG(粒貝)M-A組元M高奧氏體對(duì)延遲裂紋不敏感，即

6、奧氏體組織不出現(xiàn)延遲裂紋。產(chǎn)生淬硬組織的影響因素主要是：被焊材料(碳當(dāng)量)、焊接材料和冷卻速度(工藝條件:預(yù)熱、線能量等)9(2)擴(kuò)散氫A：氫的來源 焊接材料中的水份、焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等B：金屬組織對(duì)擴(kuò)散氫的影響 解釋了不同金屬組織對(duì)延遲裂紋的敏感性問題！金屬組織表現(xiàn)出對(duì)延遲裂紋不同的敏感性，除了不同組織具有不同的塑韌性(KIC和臨界COD值)外，擴(kuò)散氫在不同組織中的溶解度和擴(kuò)散速度的影響非常關(guān)鍵。擴(kuò)散氫溶解度大的組織(如A-奧氏體)，對(duì)延遲裂紋不敏感；由于擴(kuò)散氫的擴(kuò)散、聚集和誘發(fā)裂紋才會(huì)有延遲現(xiàn)象，因此，擴(kuò)散速度慢的組織延遲裂紋也不敏感(如A-奧氏體)。氫在不同金屬組織中的

7、溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不同，因此氫在不同金屬中的行為也有很大差別，如圖4.4和表4-2。10圖4.4 氫在鐵中的溶解度（a）和不同組織中的擴(kuò)散速度（b）表4-2氫在不同組織中的擴(kuò)散系數(shù)（C=0.54%）411C：氫在致裂過程中的動(dòng)態(tài)行為 解釋了延遲裂紋出現(xiàn)的位置問題!氫在焊接過程中溶入焊縫，使焊縫金屬氫含量增加；焊縫未結(jié)晶前，超過金屬液體溶解度的氫則形成氣泡，若氣泡在結(jié)晶前沒有逸出焊縫表面則形成氣孔；溶解于結(jié)晶后的焊縫金屬中的氫，一部分逸出金屬表面，一部分留在焊縫金屬中，如果氫含量高可能造成氫脆。焊縫接頭從焊縫金屬完成結(jié)晶冷卻到室溫階段，能自由移動(dòng)的擴(kuò)散氫從焊縫金屬向熱影響區(qū)擴(kuò)散還是不能向熱影響區(qū)擴(kuò)

8、散而留在焊縫中，是在熱影響區(qū)還是焊縫出現(xiàn)延遲裂紋的關(guān)鍵。12圖4.5 高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)（HAZ）延遲裂紋的形成機(jī)理13圖4.5演示了擴(kuò)散氫的擴(kuò)散行為。(1)焊縫金屬完成結(jié)晶時(shí)，焊縫和近縫區(qū)(AC3以上區(qū)域)均為奧氏體組織，它溶解氫的能力強(qiáng)；(2)當(dāng)接頭冷卻過程中 ，焊縫金屬先于熱影響發(fā)生奧氏體向低溫組織(F、P、B、M)的轉(zhuǎn)變時(shí)，延遲裂紋產(chǎn)生于熱影響區(qū)；(3)當(dāng)接頭冷卻過程中 ，焊縫金屬后于熱影響發(fā)生奧氏體向低溫組織(F、P、B、M)的轉(zhuǎn)變時(shí)，延遲裂紋產(chǎn)生于焊縫上。 當(dāng)被焊材料為低碳鋼和低合金鋼時(shí)，按照焊接材料選擇的一般原則，焊接材料熔敷金屬C含量低于母材，則焊縫金屬先于發(fā)生奧氏體低溫組織的轉(zhuǎn)變

9、。 當(dāng)被焊材料為鈦合金等高合金鋼時(shí)，焊接材料熔敷金屬合金含量會(huì)與母材基本相當(dāng)，則焊縫金屬后于發(fā)生奧氏體低溫組織的轉(zhuǎn)變。14裂縫頂端三向應(yīng)力區(qū)HHHHHHH擴(kuò)散氫裂紋擴(kuò)展H2HHHHHHH新的三向應(yīng)力區(qū)D:延遲裂紋開裂機(jī)理 應(yīng)力擴(kuò)散理論：解釋了擴(kuò)散氫引起的裂紋為何有延遲現(xiàn)象！1516氫的應(yīng)力擴(kuò)散理論 金屬內(nèi)部的缺陷（包括微孔、微夾雜和晶格缺陷等）提供了潛在裂源，在應(yīng)力的作用下，這些微觀缺陷的前沿形成了三向應(yīng)力區(qū)，誘使氫向該處擴(kuò)散并聚集。當(dāng)氫的濃度達(dá)到一定程度時(shí)，一方面產(chǎn)生較大的應(yīng)力，另一方向阻礙位錯(cuò)移動(dòng)而使該處變脆，當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步加大時(shí)，促使缺陷擴(kuò)展而形成裂紋，見上圖。 由此可見，氫誘發(fā)的裂紋，從

10、潛伏、萌生、擴(kuò)展，以至開裂是具有延遲特征的。因此，可以說延遲裂紋是由許多個(gè)單個(gè)的微裂斷續(xù)合并而形成的宏觀裂紋。 延遲時(shí)間與組織淬硬程度、應(yīng)力大小和擴(kuò)散氫含量有關(guān)，另外也與溫度有關(guān)，見圖4.6。 判斷延遲裂紋產(chǎn)生的延遲時(shí)間（潛伏期）是非常重要的！ 短，采取措施延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在服役或使用壽命內(nèi)不產(chǎn)生裂紋！ 常用措施：預(yù)熱、后熱、焊后消除應(yīng)力處理。17圖4.6 HT80鋼焊道下裂紋的溫度區(qū)間和潛伏期（焊條D4301、4mm、I=160A、V=100mm/min、H=22ml/100g）不裂 微裂 裂（3）應(yīng)力a、熱應(yīng)力結(jié)構(gòu)剛度、材料熱膨脹系數(shù)、工藝條件熱應(yīng)力b、組織應(yīng)力固態(tài)相變（AF、P、B、M）整體應(yīng)力

11、水平下降，見圖4.7c、附加應(yīng)力外加拘束、焊縫布置、施焊順序、裝配不良（強(qiáng)制裝配）和預(yù)熱（溫度和范圍不正確）附加應(yīng)力 焊接接頭焊后產(chǎn)生以上幾種應(yīng)力，幾種應(yīng)力的疊加是最終接頭的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力延遲裂紋傾向182.1.3延遲裂紋控制措施（1）冶金措施A：低碳、微量多元化化合金、控軋控冷技術(shù)提高材料塑韌性 B：選用低氫焊接材料、低氫焊接方法降低擴(kuò)散氫 C：控制氫的來源，如烘干焊材和清理工件 降低擴(kuò)散氫D：填充材料合金優(yōu)化提高焊縫金屬塑韌性E：采用奧氏體組織焊條不預(yù)熱、不焊后消除應(yīng)力處理 （注意：高溫使用的結(jié)構(gòu)慎用）19（2）工藝措施A：線能量線能量小淬硬組織線能量大晶粒粗大、接頭應(yīng)力大B：預(yù)熱溫度預(yù)熱

12、溫度低淬硬組織預(yù)熱溫度高晶粒粗大、成本高、焊接工況差C：焊接材料采用低強(qiáng)匹配的焊縫，對(duì)防止冷裂紋有效。D：焊后后熱后熱消氫、降低應(yīng)力、改善組織E：多層焊的影響多層焊優(yōu)于單層焊，后續(xù)焊道對(duì)前面焊道有回火作用，且焊后接頭應(yīng)力小。F：焊后消除應(yīng)力處理202.2熱裂紋2.2.1結(jié)晶裂紋（1）裂紋位置焊縫上。焊縫中心的縱向裂紋和焊縫枝晶間的裂紋，見圖4.8。圖4.8 結(jié)晶裂紋出現(xiàn)的位置和走向（2）裂紋產(chǎn)生的時(shí)間和溫度結(jié)晶末期，固液兩相時(shí)，即TS溫度左右；焊后立即出現(xiàn)。21（3）結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因內(nèi)因：低熔共晶，常見低熔共晶及溫度見表4-4外因：應(yīng)力 表4-4常見的鐵二元和鎳二元共晶成分和共晶溫度22合金

13、系共晶成份共晶溫度鐵二元共晶Fe-SFe,FeS988Fe-PFe,Fe3PFe3P,FeP10501260Fe-SiFe3Si,FeSi1200Fe-SnFe,FeSn(Fe2Sn2,FeSn)1120Fe-TiFe,TiFe21340鎳二元共晶Ni-SNi,Ni3Si2645Ni-PNi,Ni3PNi3P,Ni2P8801100Ni-BNi,Ni2BNi3B2,NiB1140990Ni-AlNi,Ni3Al1385Ni-ZrZr,Zr2Ni961Ni-MgNi,Ni2Mg109523（4）結(jié)晶裂紋的影響因素A：化學(xué)成分S、P S、P增加結(jié)晶溫度區(qū)間，脆性溫度區(qū)間TB、裂紋； S、P產(chǎn)生低溫

14、共晶，使結(jié)晶過程中極易形成液態(tài)薄膜，因而顯著增大裂紋傾向； P、S引起成分偏析 P、S偏析系數(shù)K越大，偏析的程度越嚴(yán)重。偏析可能在鋼的局部地方形成低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)生裂紋。鋼中各元素偏析系數(shù)K見表4-5。表4-5 鋼中各元素偏析系數(shù)K C C的影響是間接影響。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，它影響是先析出相是相還是相、相的數(shù)量。 當(dāng)C0.1%時(shí)，由液體析出的初生相僅是相。 C0.1%而0.16%時(shí)，首先析出相，隨著相的繼續(xù)凝固，當(dāng)達(dá)到1493時(shí)，殘存液相與初生相相發(fā)生包晶反應(yīng)形成相，即+L，全部結(jié)晶完了時(shí)是雙相組織+。 當(dāng)C0.16%而0.51%時(shí)，包晶反應(yīng)完了的相組織全部為相。 當(dāng)C0.51%時(shí)，初生相為相

15、，凝固后仍為相。24圖4.9 Fe-C相圖包晶反應(yīng)區(qū)示意圖初生相是相還是相影響結(jié)晶裂紋傾向的原因： S、P在相中的溶解度比在相低很多（見表4-6），如果初生相或結(jié)晶終了前是相，被析出的S、P就會(huì)富集在晶界，從而增加結(jié)晶裂紋傾向；即使初生相是相，隨著碳含量增加，但相的量會(huì)隨碳含量減少，溶解S、P的能力下降，結(jié)晶裂紋傾向也會(huì)增加。表4-6 S、P在、相中的溶解度25Cr、Ni鉻鎳奧氏體不銹鋼，Cr、Ni含量是影響先析出相和凝固模式 虛線合金，從凝固開始到凝固結(jié)束都是生成相組織，在繼續(xù)冷卻時(shí)，由于發(fā)生相變，相數(shù)量越來越少，在平衡狀態(tài)下，直至為零，其室溫組織為單相奧氏體。由于冷卻過程是在不平衡狀態(tài)進(jìn)行

16、，室溫時(shí)的組織有可能含有5%10%的相。這種凝固模式用F表示。 虛線合金初生相為相，但隨著溫度降低，越過AB面后又依次發(fā)生包晶反應(yīng)和共晶反應(yīng)，即L+L+，這種凝固模式用FA表示。 虛線合金初生相為相，越過AC面后依次發(fā)生包晶反應(yīng)和共晶反應(yīng)，即L+L+。這種凝固模式用AF表示。 虛線合金初生相為相，直到凝固結(jié)束也不發(fā)生變化，這種凝固模式用A表示。26圖4.10 70%Fe-Cr-Ni偽二元相圖AF與FA凝固模式的分界線具有重要意義，由圖4.10可知，這個(gè)分界線應(yīng)通過A點(diǎn)。根據(jù)舍夫勒（schaeffler）圖Creq、Nieq的計(jì)算，這個(gè)分界線大體上為Creq/Nieq1.5。 27如將這一分界線

17、標(biāo)在schaeffler圖上，則可將防止熱裂紋所需室溫相數(shù)量與凝固模式AF/FA界線聯(lián)系起來，見圖4.11。 可變拘束試驗(yàn)表明： 在S含量相同情況下，Creq/Nieq增加，裂紋總長(zhǎng)度減少，焊縫從AF模式轉(zhuǎn)變?yōu)镕A模式，裂紋總長(zhǎng)度發(fā)生突變，并隨著Creq/Nieq增加而減少。在Creq/Nieq相同情況下，焊縫中S含量增加，裂紋總長(zhǎng)度增加。28圖4.11 標(biāo)有AF/FA分界的舍夫勒?qǐng)DMn 焊縫金屬中Mn可以發(fā)生以下反應(yīng)：Mn+FeSMnS+Fe。FeS共晶溫度988、呈片狀分布于晶界，嚴(yán)重割裂了晶粒之間的聯(lián)系，因此，在應(yīng)力作用下易發(fā)生開裂；而Mn脫硫后的產(chǎn)物MnS共晶溫度1613、呈塊狀分布，

18、一方面溫度高不是低熔共晶，結(jié)晶時(shí)不會(huì)最后結(jié)晶分布于晶界；另一方面塊狀分而比片狀分布對(duì)晶粒的割裂作用不強(qiáng)。 焊縫金屬中含碳量不同，則防止結(jié)晶裂紋所需要的Mn含量不同，如下所示： C0.1%時(shí)，Mn/S22 C=0.110.125%時(shí)，Mn/S30 C=0.1260.155%時(shí)，Mn/S59Si 硅是相形成元素，利于消除結(jié)晶裂紋，相中S、P溶解度大緣故。Si0.4%，易形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜使結(jié)晶裂紋傾向增加。Ti、Zr和Re Ti、Zr和Re對(duì)硫的親合力大，形成高熔點(diǎn)的硫化物而不再是低熔共晶；同時(shí)硫化物以彌散、球狀分布，因此對(duì)防止結(jié)晶裂紋有良好的作用。一方面彌散、球狀分布對(duì)晶粒割裂作用小，另一方

19、面在低碳鋼和低合金鋼中，它促進(jìn)生成針狀鐵素體（AF），組織塑韌性提高。 例如：強(qiáng)度為600MPa焊條研究中，有兩個(gè)方案焊條的熔敷金屬成分如表4-7，它們的拉伸試樣斷口SEM掃描圖見圖4.12，焊縫組織見圖4.13。從中可以看出，當(dāng)焊縫金屬中含有稀土元素時(shí)，斷口為塑性斷口而不含稀土為脆性斷口；含有稀土元素時(shí)，硫化物彌散分布而不含稀土?xí)r，硫化物偏析度較大。31表4-7 600MPa焊條熔敷金屬成分（%）焊縫成分CSPMnSiCrNiReA00.100.0370.0170.940.540.200.87-A10.090.0150.0141.250.440.190.831.0A0：(a)、(b)、(c)

20、 A1：(d)、(e)、(f) 圖4.12 焊縫沖擊斷口SEM形貌圖4.13 焊縫金屬金相組織A0（a） A1（b）Ni Ni在低合金鋼中易于與S、P形成低熔共晶（Ni+Ni3S2熔點(diǎn)為645、Ni+Ni3P熔點(diǎn)為880），由于熔點(diǎn)低所以Ni會(huì)大大增加結(jié)晶裂紋傾向。O 焊縫金屬中O或FeO可以降低S的有害作用，氧、硫、鐵能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜狀變成球狀，因此減小了對(duì)晶粒的割裂作用，對(duì)防止結(jié)晶裂紋有利。B：凝固結(jié)晶組織形態(tài) 晶粒的大小、形態(tài)和方向，以及析出的初生相等對(duì)抗裂性有很大的影響。晶粒越粗大，柱狀晶的方向性越強(qiáng)結(jié)晶裂紋的傾向大Ti、Mo、Nb、V、Al和Re：

21、破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性 打亂柱狀晶的方向。 對(duì)于18-8型奧氏體不銹鋼，希望得到雙相組織，因焊縫中有少量相可以細(xì)化晶粒，打亂奧氏粗大體柱狀晶方向性，同時(shí)，還具有比相溶解更多S、P的有利作用，因此可以提高焊縫的抗裂能力，如圖4.14所示。34a）單相奧氏體 b）圖4.14 相以奧氏體基體上的分布實(shí)例：A312與A302、A307性能比較 A312與A307相比，工藝性更好，抗裂性更好；與A302相比工藝性相當(dāng)，但抗裂性更好。 A312熔敷金屬含有23%的Mo，是Mo是化元素，會(huì)促進(jìn)生成相，而相可以打亂奧氏體柱狀晶方向且溶解S、P的能力更強(qiáng)；同時(shí)，Mo是細(xì)化晶粒的元素，晶粒細(xì)化。（5）控制措施A：控

22、制低熔共晶的量、熔點(diǎn)和形態(tài)控制S、P等雜質(zhì)元素的含量控制低熔共晶量小線能量降低熔池體積減少低熔共晶量Mn、Ca、Ti、Zr、Re脫硫產(chǎn)物熔點(diǎn)高、分布狀態(tài)改善B：控制先析出相及結(jié)晶終了相低碳鋼、低合金鋼：控制碳含量、Mn/S鉻鎳奧氏體不銹鋼：控制Creq/Nieq比。 Creq/Nieq1.5FA模式結(jié)晶裂紋傾向小 Creq/Nieq1.5AF模式結(jié)晶裂紋傾向大C：焊接工藝a）采用小線能量b）預(yù)熱c）道間溫度d）熔合比e）焊縫成形系數(shù)f）焊接速度圖4.15 焊接速度對(duì)晶粒生長(zhǎng)方向的影響 圖4.16 大焊速時(shí)焊縫的縱向裂紋g）接頭型式h）焊接順序i）錘擊焊縫37 圖4.17 接頭型式對(duì)裂紋傾向的影

23、響2.2.2液化裂紋（1）產(chǎn)生的機(jī)理近縫區(qū)晶界上的低熔共晶液化+應(yīng)力液化裂紋（2）產(chǎn)生的位置母材熱影響區(qū)粗晶區(qū)，或多道焊前道焊縫的熱影響區(qū)粗晶區(qū)見圖4.18。圖4.18 液化裂紋出現(xiàn)的位置 圖4.19 熔合線凹陷處液化裂紋示意圖3）影響因素A：化學(xué)成分主要是母材中S、P含量B：工藝因素a）線能量線能量大，近縫區(qū)晶粒粗大液化裂紋傾向大b）焊縫形狀工藝規(guī)范不合理，造成如圖4.19的焊縫形狀，增大裂紋傾向（4）防止措施A：控制母材中S、P等雜質(zhì)含量B：焊接工藝 采用線能量集中的焊接方法 采用小線能量 采用合理的焊接工藝規(guī)范402.2.3多邊化裂紋（1）產(chǎn)生的機(jī)理高溫+應(yīng)力位錯(cuò)移動(dòng)位錯(cuò)壁塑性降低多邊化

24、裂紋（2）產(chǎn)生的位置單相奧氏體或純金屬焊縫金屬（3）影響因素A：合金元素 Mo、W、Ti、Ta可有效阻止多邊化過程多邊化裂紋降低 高溫相增大抗多邊化的能力多邊化裂紋降低B：應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力增大多邊化裂紋增加C：溫度 焊縫金屬溫度增高液化裂紋傾向大2.3再熱裂紋2.3.1再熱裂紋的特征（1）再熱裂紋產(chǎn)生部位 近縫區(qū)的粗晶區(qū)，見圖4.20。（2）有大量的內(nèi)應(yīng)力存在，及應(yīng)力集中 應(yīng)力集中系數(shù)越大，產(chǎn)生再熱裂紋所需要的臨界應(yīng)力cr越小，如圖4.21。（3）敏感的溫度范圍 沉淀強(qiáng)化鋼：500700。 奧氏體不銹鋼、高溫合金：700900。4）含有沉淀強(qiáng)化元素圖4.20 再熱裂紋產(chǎn)生的位置和斷裂形式（沿晶開

25、裂）圖4.21 應(yīng)力集中系數(shù)K與臨界應(yīng)力cr的關(guān)系（0.5Mo鋼）2.3.2再熱裂的機(jī)理（1）晶界雜質(zhì)析集弱化作用 A：晶界析集P、S、Sb、Sn、As B：硼化物沿晶析集 雜質(zhì)元素對(duì)臨界塑性變形量的影響見圖4.22、4.23所示，從圖可以看出，隨著雜質(zhì)元素含量增加，ec和臨界COD值都是下降的44圖4.22 雜質(zhì)元素對(duì)ec的影響 圖4.23 P對(duì)臨界COD值的影響（HT80 600）（2）晶內(nèi)二次沉淀強(qiáng)化理論 A：具有沉淀強(qiáng)化的元素（如Cr、Mo、V、Ti、Nb、W等元素）B：在一次焊接熱循環(huán)作用下因受熱而固溶（高于1100）；C：焊后冷卻速度快，合金元素以過飽和形式溶入鐵素體、珠光體等組織

26、中，一般出現(xiàn)在位錯(cuò)、空位、缺陷等處。D：焊后再次加熱時(shí)（500700），由晶內(nèi)析出這些碳、氮化合物及沉淀相，從而晶內(nèi)強(qiáng)化，此時(shí)應(yīng)力松弛產(chǎn)生變形就集中于晶界，當(dāng)晶界塑性不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。為定量評(píng)價(jià)某些低合金鋼再熱裂紋傾向，經(jīng)大量試驗(yàn)，建立了以下幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式： G=Cr+3.3Mo+8.1V-2 當(dāng)G0易裂 G1=Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2 當(dāng)G12易裂； G10.7281010圖4.45 T型接頭角變形（4）彎曲變形1）由縱向收縮引起的彎曲變形A：?jiǎn)蔚篮缚p產(chǎn)生的撓度在鋼制構(gòu)件中，當(dāng)焊縫在構(gòu)件中心位置不對(duì)稱時(shí)，單道焊縫引起的撓度如下：式中： e焊縫軸線到焊件中性軸之間的距離（c

27、m） L焊縫長(zhǎng)度（cm） FH焊縫截面積（cm2） I焊件截面慣性距（cm4） K1系數(shù)，由表4-12查得式中：qv焊接線能量（J/cm）；e、L、I同（13）式B：多層焊角焊縫產(chǎn)生的撓度C： 雙面角焊縫產(chǎn)生的撓度2）由橫向收縮引起的彎曲變形 當(dāng)橫向焊縫在結(jié)構(gòu)上分布不對(duì)稱時(shí)，則橫向收縮也能引起結(jié)構(gòu)的撓曲變形。例如，在鋼梁的上部或下部焊接了許多短筋板，筋板和蓋板之間或筋板和腹板之間的焊縫可能在梁的重心的上側(cè)或下側(cè)，在焊縫不對(duì)稱時(shí)，或焊接順序不合理時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生上撓或下?lián)蠌澢冃巍＃?）波浪變形對(duì)平板而言，當(dāng)薄板的寬度很寬，而板厚很薄時(shí)，也很容易產(chǎn)生失穩(wěn)，其失穩(wěn)的臨界應(yīng)力cr可用下式表示： 式中：板

28、厚 B板寬 K與板的支承情況有關(guān)的系數(shù)由此式說明，板厚與板寬比值越小，臨界應(yīng)力越小，平板也就越容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)臨界應(yīng)力為：式中：E鋼板的彈性模量N/mm2 壁厚mm D圓筒直徑mm由（18）式看出，增加壁厚或降低圓筒直徑或內(nèi)部增加支撐都可以提高臨界應(yīng)力以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。94（6）錯(cuò)邊變形在焊接過程中，對(duì)接邊的加熱熱量不平衡是造成焊接錯(cuò)邊變形的主要原因之一。例如，當(dāng)焊接熱源偏離中心，一邊熱輸入量大，另一邊熱輸入量??；當(dāng)異種鋼焊接時(shí)，一邊導(dǎo)熱快，另一邊導(dǎo)熱慢，兩邊熱量不平衡引起焊接溫度場(chǎng)不對(duì)稱；異種鋼焊接時(shí)，一邊材料線膨脹系數(shù)大，另一邊小。以下這些因素使兩邊的熱膨脹量不一

29、致，造成焊接錯(cuò)邊變形。當(dāng)封頭與筒身環(huán)焊縫焊接時(shí)，由于封頭剛度較大，筒身剛度小于封頭，所以環(huán)焊縫兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱徑向位移，因筒身一側(cè)位移量大于封頭一側(cè)，從而產(chǎn)生焊接錯(cuò)邊變形。（7）扭曲變形目前，這類變形研究得比較少，產(chǎn)生這種變形的原因是與焊接角焊縫所造成的角變形沿長(zhǎng)度方向上分布不均勻性有關(guān)。在焊接工字梁四條角焊縫時(shí)，如果在定位焊后不采用適當(dāng)工裝夾具，按圖4.43的焊接方向和順序會(huì)容易引起扭曲變形，這是由于角焊縫變形沿著焊縫長(zhǎng)度上逐漸增大，使構(gòu)件扭轉(zhuǎn)。如把兩條相鄰的焊縫同時(shí)向同一 圖4.46 扭曲變形方向焊接，可以克服這種變形。2 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的因素2.1焊接位置的影響2.2 結(jié)構(gòu)剛性的影響

30、2.3 裝配和焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形的影響 圖4.47中的工字梁，當(dāng)整體裝配好后先焊接焊縫和，然后焊接和，焊后工字梁就會(huì)產(chǎn)生上拱的彎曲變形。當(dāng)先焊接焊縫、，再焊接、會(huì)引起旁彎變形。如果按、的順序或按、的順序進(jìn)行焊接，焊后彎曲變形將會(huì)減小。圖4.47 工字梁的焊接順序 例如：對(duì)于大面積平板拼接，焊接順序原則是：先橫后縱，由里向外。這就是說，先焊接所有的橫向焊縫，后焊接縱向焊縫，并且要求應(yīng)從中間向兩邊焊接，即焊接方向指向自由端。圖4.48中1、2、3、4表示焊接順序。97圖4.48 大面積平板拼接的焊接順序2.4 焊縫長(zhǎng)度和坡口形式的影響 2.5 焊接線能量的影響3 控制焊接變形的措施3.1 設(shè)計(jì)措施

31、（1） 選用合理的焊縫尺寸（2）盡可能地減少焊縫數(shù)量（3）合理安排焊縫位置3.2 工藝措施（1）合理地選擇焊接方法（2）選擇合理的裝配焊接順序 例如：圖4.49為加蓋板的箱形梁的裝配焊接順序，由于焊縫不對(duì)稱，焊后往往會(huì)產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃?。解決這種下?lián)蠌澢冃蔚姆椒ㄊ莾擅腹?duì)稱地先焊接只有兩條焊縫的一側(cè)（先焊接焊縫1、2），焊后就造成了箱形梁上拱變形，由于這兩條焊縫焊后增加了的剛性，當(dāng)焊接另一側(cè)焊縫時(shí)（先焊接焊縫3、4，再焊接焊縫5、6），此時(shí)所引起的變形方向與對(duì)側(cè)焊縫1、2引起的變形方向相反，從而基本上防止了箱形梁的下?lián)献冃巍D4.49 帶蓋板箱形梁的焊接順序焊接順序的選擇原則是：當(dāng)結(jié)構(gòu)具有對(duì)

32、稱布置的焊縫時(shí)，應(yīng)盡量采用對(duì)稱焊接當(dāng)結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱布置的焊縫時(shí)，應(yīng)先焊焊縫熔敷金屬量少的一側(cè)選擇合理焊接方向 對(duì)焊件上的長(zhǎng)焊縫，采用圖4.50a)所示的直道焊焊接變形最大；如圖4.50b)所示從中間向兩端施焊變形有所減少，采用逐段跳焊法也可以減少變形，見圖4.50C）；從中間向兩端逐步退焊法變形最小，見圖4.50d)；對(duì)于工字梁等焊接結(jié)構(gòu)，具有互相平行的長(zhǎng)焊縫，施焊時(shí)，應(yīng)采用同方向焊接，可以有效地控制扭曲變形，見圖4.50e)。圖4.50 焊接方向?qū)ψ冃蔚挠绊懀?）預(yù)留收縮余量（5）反變形法 為了防止對(duì)接接頭產(chǎn)生的角變形，如圖4.51a)所示，可以預(yù)先將對(duì)接處墊高，形成反角變形。 為了防止工字

33、梁的翼板焊后產(chǎn)生角變形，可以將翼板預(yù)先反向壓彎見圖4.51b)?；蛘咴诤附訒r(shí)加外力使之向反方向變形，見圖4.51C），但需要注意的是這種方法在加力處消除變形的效果較好，遠(yuǎn)離加力處則較差，易使翼板邊緣呈波浪變形。 在薄板結(jié)構(gòu)上，有時(shí)需在殼體上焊接支承座之類的零件，焊后殼體往往會(huì)產(chǎn)生塌陷，見圖4.51d)。為防止這種塌陷，可以在焊前將支承座周圍的殼壁向外頂出，然后再進(jìn)行焊接，見圖4.51e)。（6）剛性固定法 在焊接薄板時(shí)，在焊縫兩側(cè)用夾具緊壓固定，可以防止波浪變形。固定的位置應(yīng)該盡量接近焊縫，壓力必須均勻。總壓力可按下式估算： P2Ls(19)式中：P總壓力 板厚 L板長(zhǎng) s鋼板的屈服極限100

34、例題：控制300MW、600MW鍋筒焊接變形的措施4.1 筒節(jié)縱縫收縮量控制（1）采用反變形法控制瓦片尺寸圖4.52 鍋筒筒節(jié)縱縫坡口型式圖4.53 瓦片配對(duì)尺寸示意圖對(duì)常規(guī)埋弧自動(dòng)焊，如圖4.53所示，推薦經(jīng)驗(yàn)公式如下：式中： 瓦片開口內(nèi)徑，如圖11中1和2mm Dn設(shè)計(jì)規(guī)定的筒節(jié)內(nèi)徑mm h1、h2瓦片內(nèi)徑高度mm當(dāng)采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊時(shí)，推薦經(jīng)驗(yàn)公式為103（2）控制縱縫焊接順序 在焊接內(nèi)側(cè)縱縫時(shí)，采用多層多道焊，最好第一條縱縫先焊接兩層約6mm，筒節(jié)轉(zhuǎn)180焊接第二條縱縫直至內(nèi)側(cè)焊縫焊滿，再轉(zhuǎn)動(dòng)180將第一條內(nèi)側(cè)縱縫焊滿。 焊接外縱縫時(shí)，采用分道焊，對(duì)于常規(guī)埋弧自動(dòng)焊，打底層為單道，以

35、后每層由24條焊道組成，蓋面層為6條焊道。對(duì)于窄間隙埋弧自動(dòng)焊，打底層為單道，以后每層為2道，蓋面層為34道。第一條焊縫先焊至約40mm厚，筒節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)180，焊接第2條焊縫至約70mm厚，再轉(zhuǎn)動(dòng)筒節(jié)180，焊滿第1條縱縫，再焊完第2條縱縫。縱縫焊接順序示意圖見圖4.54。圖4.54 縱縫焊接示意圖（3）減小坡口角度 從焊接變形考慮，縱縫應(yīng)采用雙U型坡口更合理，角變形和彎曲變形均很小，內(nèi)徑收縮量也大為減少，但缺點(diǎn)是在預(yù)熱150200條件下，在筒體內(nèi)部操作工作量很大，焊工勞動(dòng)條件很差，鑒于這一點(diǎn)，不易采用。因此，采用常規(guī)埋弧自動(dòng)焊時(shí)，坡口尺寸如圖4.52a)所示。由于外側(cè)坡口角度為8，并且填充金屬量

36、很大，故坡口角變形也較大，如將坡口角度由8減至6，可使填充金屬量減少12.5%，這有利于減少角變形，減少內(nèi)徑收縮量。（4）采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊 采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊，坡口尺寸如圖4.52b)所示，坡口角度為2，熔敷金屬填充量為常規(guī)埋弧自動(dòng)焊的64%，大大減少角變形和內(nèi)徑收縮量。而且焊接線能量約為常規(guī)埋弧自動(dòng)焊的80%，更有利于減少焊接變形量。4.2 鍋筒撓度控制（1）利用反變形法控制鍋筒撓度 當(dāng)鍋筒縱、環(huán)縫焊好后，裝焊下降管和管接頭之前，先測(cè)量鍋筒撓度，應(yīng)將下降管位置布置在鍋筒上撓度位置，以起反變形作用。（2）控制焊接順序 根據(jù)焊接順序的選擇原則，當(dāng)結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱布置的焊縫時(shí)，應(yīng)先焊焊縫熔敷金

37、屬量少的一側(cè)。鍋筒上雖有100200個(gè)管接頭，但分布區(qū)域廣，大部分都在鍋筒上部，也有一部分在下部，從焊縫熔敷金屬量來看，上部管接頭填充金屬量比下降管少得多。因此，從控制焊接變形的角度考慮，應(yīng)先焊上部管接頭，盡量做到分散、對(duì)稱焊接。 下降管數(shù)量一般為46只，如圖4.55所示，每次應(yīng)隔1只焊1只。采用焊條電弧焊時(shí)，如圖4.56所示每個(gè)下降管均由2名焊工同時(shí)施焊，并采用分段退焊，減少焊接 變形。106圖4.55 下降管交錯(cuò)施焊示意圖 圖4.56 單個(gè)下降管焊接次序5焊接變形的矯正方法5.1 機(jī)械矯正法圖4.57 手工矯正薄板波浪變形5.2火焰加熱矯正法（1） 加熱方式加熱方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三

38、角形加熱三種。圖4.58 點(diǎn)狀加熱法 圖4.59 線狀加熱法圖4.60 角變形矯正109圖4.61 T型梁彎曲變形矯正（2）加熱溫度和速度及加熱火焰 加熱溫度一般在500800之間，低于500效果不大，高于800會(huì)影響金屬組織。加熱火焰、加熱速度與變形量有關(guān)，正常情況下，用微氧化焰。當(dāng)矯正變形量大或要求加熱深度大于5mm時(shí)，一般用中性焰大火慢烤；矯正變形量小或要求加熱深度小于5mm時(shí)，一般用氧化焰，小火快烤。（3）加熱范圍 加熱位置應(yīng)該是焊件變形突出部位，不能是凹陷部位，否則變形將越矯越嚴(yán)重。加熱長(zhǎng)度不超過焊件全長(zhǎng)的70%，寬度一般為板厚的0.52倍，深度為板厚的3050%。6 焊接變形的理論

39、計(jì)算6.1單V對(duì)接焊縫橫向收縮近似值及公式，見圖4.62： y = 1.01e0.0464x y收縮近似值 e2.718282 x板厚6.2雙V對(duì)接焊縫橫向收縮近似值及公式，見圖4.63： y = 0.908e0.0467x6.3單面坡口角焊縫橫向收縮近似值及公式，見圖4.64： y =-0.00005X2-0.0085X+0.90536.4無坡口單面角焊縫橫向收縮近似值及公式，見圖4.65： y =-0.0017X2+0.023X+0.84336.5 雙面間斷角焊縫橫向收縮近似值及公式，見圖4.66： y =0.001X2-0.0359X+0.50776.6單面坡口十字角焊縫橫向收縮近似值及公式，見圖4.67： y =1.2864e0.0418x四、焊接殘余應(yīng)力1 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響（1）對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響（2）對(duì)結(jié)構(gòu)加工尺寸精度的影響（3）對(duì)壓桿穩(wěn)定性影響（4