過程設(shè)備焊接培訓(xùn)課件

3焊接接頭

焊接接頭由焊接區(qū)和部分母材組成焊接區(qū)—焊縫金屬、熔合區(qū)和熱影響區(qū)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：2022/12/30?3焊接接頭2022/12/29?1

(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(chǎn)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于晶界,使韌性塑性↓來源：焊接材料、空氣

■N—以Fe16O2及其他氮化物存在于晶界，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2022/12/30?(1)存在鑄造缺陷2022/12/29?2過飽和狀態(tài)（H原子）存在與晶格間隙內(nèi)，可以自由擴散，故稱為擴散H。危害：在晶格間隙匯集→H2→氣孔；引起冷裂紋來源：空氣、保護氣體、焊接材料工件表面油污、鐵銹等

(3)存在夾雜物熔池因冶金反應(yīng)生成氧化物和硫化物等顆粒,來不及浮出而殘存于焊縫內(nèi)部,主要是Si02,呈彌散狀態(tài)分布，對焊縫的危害大。(4)存在雜質(zhì)元素S和PS主要以FeS和MnS形式存在于晶界,促生熱裂2022/12/30?過飽和狀態(tài)（H原子）存在與晶格間隙內(nèi)，可以2022/12/23紋，并使韌性↓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(qū)(1)熔合區(qū)的構(gòu)成

a.半熔化區(qū)靠近熱影響區(qū)一側(cè)產(chǎn)生原因:■電弧吹力和熔滴過渡使坡口熔化不均勻2022/12/30?紋，并使韌性↓2022/12/29?4

■母材晶粒取向不同造成的熔化不均勻■母材各點熔質(zhì)分布不均勻2022/12/30?■母材晶粒取向不同造成的熔化不均勻2022/12/5

b.未熔合區(qū)(不完全熔合區(qū))靠近焊縫一側(cè)是富集母材成分的焊縫區(qū)

產(chǎn)生原因:熔池邊緣的溫度低，使對流和擴散過程進行困難，導(dǎo)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(qū)↑如果填充金屬成分與母材成分完全相同，未熔合區(qū)會消失。(2)熔合區(qū)的特點a.化學(xué)成分和組織都極不均勻b.兩高一低的特點殘余應(yīng)力和硬度↑，而韌性↓2022/12/30?b.未熔合區(qū)(不完全熔合區(qū))靠近焊縫一側(cè)2022/63.1.3熱影響區(qū)(HAZ)

2022/12/30?3.1.3熱影響區(qū)(HAZ)2022/12/29?7

熔合區(qū)外側(cè)受焊接熱循環(huán)的作用而發(fā)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(qū)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(qū)域(如圖3-3所示)。a.粗晶粒區(qū)（過熱區(qū)）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(qū)(正火區(qū))1100～900℃相當于正火熱處理,晶粒細小,強度、塑性、韌性↑c.粗細晶粒區(qū)（不完全正火區(qū))

2022/12/30?熔合區(qū)外側(cè)受焊接熱循環(huán)的作用而發(fā)生組織2022/128

900～750℃在Ac3～Ac1之間部分發(fā)生相變,但F不發(fā)生轉(zhuǎn)變,高溫下其晶?！?冷卻時形成細珠光體和鐵素體，晶粒大小極不均勻，力學(xué)性能↓,強度↓。d.回火區(qū)（未發(fā)生組織變化區(qū)）

750～400℃相當回火熱處理,強度稍有下降,塑性↑，力學(xué)性能略有改善.(2)易淬火鋼

a.淬火區(qū)

Ac3以上,馬氏體組織,硬且垂脆,易裂.b.部分淬火區(qū)（不完全淬火區(qū)）

Ac3～Ac1溫度區(qū)間,鐵素體+馬氏體組織,塑性2022/12/30?900～750℃在Ac3～Ac1之間部分發(fā)生相變,9韌性↓，強度↓c.回火區(qū)處于Ac1溫度以下,韌性↑,強度、硬度↓

(3)無相變鋼如奧氏體不銹鋼,僅有過熱區(qū)(4)焊接熱影響區(qū)的范圍影響區(qū)范圍常以加熱到相變溫度的區(qū)域來定熱影響區(qū)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(qū)尺寸發(fā)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(qū)的平均尺寸.2022/12/30?韌性↓，強度↓2022/12/29?103.2焊接接頭的裂紋3.2.1熱裂紋(1)熱裂紋產(chǎn)生的原因在熔池金屬結(jié)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(yīng)力作用下，裂開而形成熱裂紋.(2)熱裂紋的類型a.結(jié)晶裂紋在結(jié)晶過程中，在固相線附近由于凝固金屬收縮時殘余液相不足，致使沿晶界開裂.主要發(fā)生在碳鋼、低合金鋼合和奧氏體鋼的焊縫中。2022/12/30?3.2焊接接頭的裂紋2022/12/29?11

b.高溫液化裂紋熱影響區(qū)由于含有低熔點共晶物被重新熔化,在收縮應(yīng)力的作用下，沿奧氏體晶間發(fā)生開裂。主要發(fā)生在含有Ni、Cr的高強度鋼、奧氏體鋼、不銹鋼的粗晶區(qū)內(nèi)。

(3)熱裂紋的影響因素與控制a.化學(xué)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(fā)生偏析形成的低熔點共晶物聚集于晶界；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↑

2022/12/30?b.高溫液化裂紋2022/12/29?12

■Ni易于與硫形成低熔點共晶，促成熱裂紋的產(chǎn)生

■Si當硅量大于0．4％時，容易形成低熔點的硅酸鹽夾雜，增加了形成熱裂紋的傾向

■Mn能改善硫化物的分布形態(tài)，使之由FeS變成球狀硫化物，從而使抗熱裂性↑b.焊縫系數(shù)Ψ↓，焊縫過窄，不利雜質(zhì)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(yù)熱減小焊接的冷卻速度，以減小焊接應(yīng)力

e.采用收弧板，避免弧坑裂紋在工件上發(fā)生2022/12/30?■Ni易于與硫形成低熔點共晶，促成熱2022133.2.2冷裂紋

(1)特征與危害

a.產(chǎn)生的溫度和時間

■-75～300℃，100℃時最常見

■焊后立即出現(xiàn)，或經(jīng)過一段時間出現(xiàn)(延遲性，危害↑)b.產(chǎn)生部位熱影響區(qū)熱影響區(qū)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■根部裂紋常起源于焊縫根部的最大應(yīng)力處,發(fā)生在熱影響區(qū)或在焊縫金屬內(nèi)趾2022/12/30?3.2.2冷裂紋2022/12/29?14

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)影響因素與控制方法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(yù)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2022/12/30?c.冷裂紋走向2022/12/29?15之一，并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(yù)熱,焊后保溫

■多層焊,后層對前層加熱減少H來源■對焊接材料進行烘干、除水處理■清理坡口污物■采用直流焊機消除熔池中的H■選用低H焊條■焊后消H處理

(3)焊接應(yīng)力2022/12/30?之一，并且使之具有延遲的特征2022/12/29?16

焊接應(yīng)力↑，冷裂紋傾向↑■減小剛性,不強行施焊■及時消除應(yīng)力熱處理,使殘余應(yīng)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(yīng)力熱處理或在較高溫度下使用時，熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生的裂紋(1)特征

■焊后重新在某較高溫度時產(chǎn)生

■發(fā)生在粗晶區(qū)中(1200～1350℃以上的區(qū)域)

■宏觀走向為晶間型,有曲折和分叉2022/12/30?焊接應(yīng)力↑，冷裂紋傾向↑2022/12/29?17

(2)主要影響因素

a.合金元素■C、

Cr、Mn、V、Nb、Ti等↑，再熱裂紋↑其影響可用下列兩式估算當△G’≥2敏感，＜1.5時則不敏感當PRS≤0時，不敏感

b.焊接殘余應(yīng)力2022/12/30?(2)主要影響因素2022/12/29?18

焊接殘余應(yīng)力↑，再熱裂紋↑

(3)再熱裂紋的控制

a.采用再熱裂紋敏感性低的鋼

b.盡可能消除焊縫應(yīng)力集中點，如凹坑、咬邊、末焊透等缺陷c.采用低強度焊條，使殘余應(yīng)力的釋放大部分由焊縫金屬承擔(dān)d.避開或減少在敏感溫度范圍內(nèi)的停留時間e.提高預(yù)熱溫度或采用后熱處理預(yù)熱溫度200～450℃2022/12/30?焊接殘余應(yīng)力↑，再熱裂紋↑2022/12/2193.2.4層狀撕裂

常產(chǎn)生在T形接頭和角接接頭上，而且多見于厚板焊件2022/12/30?3.2.4層狀撕裂2022/12/29?20

(1)特點和產(chǎn)生的原因■系低溫開裂且均產(chǎn)生于熱影響區(qū)內(nèi)■橫斷面呈階梯形，而且與鋼板表面平行■產(chǎn)生原因鋼板中存在硫化物、氧化物等非金屬夾雜物，鋼板軋制時夾雜物→成片狀,分布在與表面平行的各層中，其變形能力↓↓斷面收縮率↓,在焊接應(yīng)力作用下，夾雜物處首先開裂并擴展→在各層之間相繼發(fā)生，連成一體→造成層狀撕裂的階梯性。

(2)危害產(chǎn)生后不能修復(fù)

(3)影響因素與控制

2022/12/30?(1)特點和產(chǎn)生的原因2022/12/29?21

■嚴格控制鋼材的含硫量■進行低強度堆焊(隔離焊),增加接頭的應(yīng)變能力■對塑性差的材料,應(yīng)變能力↓,采取預(yù)熱■采用合理的焊縫結(jié)構(gòu)3.3焊接接頭的應(yīng)力

焊接接頭的三種應(yīng)力:殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中、載荷應(yīng)力3.3.1焊接殘余應(yīng)力

(1)產(chǎn)生的原因焊接過程中，隨著焊接區(qū)溫度的變化可以產(chǎn)生三種內(nèi)應(yīng)力,即2022/12/30?■嚴格控制鋼材的含硫量2022/12/29?22

■熱應(yīng)力焊件受熱不均勻引起的應(yīng)力,又稱為溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力>σs時→塑性變形,

冷卻過程中，彈性狀態(tài)部分的收縮受到塑性變形部分的阻礙,→新內(nèi)應(yīng)力。溫度↓后，內(nèi)應(yīng)力保留于接頭中，稱為焊接殘余應(yīng)力■組織應(yīng)力金屬組織引起的應(yīng)力。如馬氏體組織↑，應(yīng)力↑■構(gòu)件拘束應(yīng)力因構(gòu)件熱變形受到約束而產(chǎn)生殘余應(yīng)力大小、分布十分復(fù)雜，與諸多因素有關(guān)，實際中多用實測法確定。2022/12/30?■熱應(yīng)力2022/12/29?23

(2)焊接殘余應(yīng)力的分布

應(yīng)力狀態(tài)

■中、厚板(20mm以下)為平面應(yīng)力

σx—縱向殘余應(yīng)力

σy—橫向殘余應(yīng)力■厚板

σx—縱向殘余應(yīng)力

σy—橫向殘余應(yīng)力

σz—厚度方向殘余應(yīng)力作用范圍焊縫兩側(cè)200～300mm以內(nèi)在焊縫及其附近σx、σy多為拉應(yīng)力2022/12/30?(2)焊接殘余應(yīng)力的分布2022/12/29?24

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.厚板中的殘余應(yīng)力δ=240mm的電渣焊,三向均為拉應(yīng)力

2022/12/30?σx引起橫向裂紋2022/12/25

厚板多層單面對接電弧焊在厚度上的內(nèi)應(yīng)力σx、σy在表面為拉應(yīng)力σz可能為壓應(yīng)力，亦有可能為拉應(yīng)力σy在根部↑↑,>>σs,因每焊一層都使焊接接頭產(chǎn)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.接管角焊縫中的殘余應(yīng)力2022/12/30?厚板多層單面對接電弧焊2022/12/2262022/12/30?2022/12/29?27

切向應(yīng)力σt(σx)在焊縫及其附近區(qū)是拉應(yīng)力，遠離焊縫是壓應(yīng)力徑向應(yīng)力σr(σy)都是拉應(yīng)力接管直徑越小,壁厚越大,則剛度↑,約束↑,σt(σx)↑,→裂紋

(3)焊接殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)的總體承裁能力

■脆性材料殘余應(yīng)力→σs,不發(fā)生局部屈服變形,隨著外力↑,應(yīng)力峰值↑,→σb→開裂2022/12/30?切向應(yīng)力σt(σx)在焊縫及其附近區(qū)是拉應(yīng)2028

b.增加結(jié)構(gòu)脆斷的傾向高強度金屬材料，均有一定的斷裂韌性k1c

K1∝σ焊接殘余應(yīng)力的存在，將使σ↑，故K1↑當K1>K1c時，構(gòu)件就將發(fā)生脆性斷。

c.增加應(yīng)力腐蝕破裂傾向腐蝕環(huán)境+拉應(yīng)力→應(yīng)力腐蝕開裂的條件殘余應(yīng)力+工作應(yīng)力疊加→使局部應(yīng)力↑→應(yīng)力腐蝕開裂對于在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下使用的壓力容器設(shè)備,焊后必須進行消除應(yīng)力熱處理

d.對加工精度和尺寸穩(wěn)定的影響2022/12/30?b.增加結(jié)構(gòu)脆斷的傾向2022/12/29?29

若零件存在殘余應(yīng)力→切削等機械加工，則先加工好的部分，將因后加工部分的殘余應(yīng)力釋放使尺寸發(fā)生偏差。

為保證加工精度,應(yīng)先消除焊接殘余應(yīng)力，然后再進行機械加工。

(4)殘余應(yīng)力的消除與控制

a.盡量使焊縫自由收縮,減少約束

b.對焊縫進行錘擊

c.焊后消除殘余應(yīng)力■整體高溫回火(或稱為消除應(yīng)力退火)■局部高溫回火2022/12/30?若零件存在殘余應(yīng)力→切削等機械加工，則202230

■水壓試驗法

(5)焊接殘余應(yīng)力的測試方法簡介a.應(yīng)力釋放法切片法盲孔法小孔法*

■小孔法在應(yīng)力場中鉆一直徑為D＝2～3mm，深為0.8～1.0mm的盲孔，使應(yīng)力平衡破壞，孔周圍的應(yīng)力釋放.測得鉆孔前后孔附近的應(yīng)變變化，可以用彈性力學(xué)來推算出小孔處的應(yīng)力。

b.物理標定法X射線法磁粉法*超聲波法光干涉法2022/12/30?■水壓試驗法2022/12/29?312022/12/30?2022/12/29?323.3.2焊接接頭中的應(yīng)力集中

在載荷的作用下，產(chǎn)生的局部應(yīng)力峰值

(1)產(chǎn)生原因結(jié)構(gòu)的不連續(xù)所致

a.

接頭形式

對接的應(yīng)力集中最小

搭接的應(yīng)力集中最大十字接頭應(yīng)力集中介于其間

b.焊縫外形

余高

c.焊接工藝缺陷夾渣、氣孔、咬邊和未焊透和裂紋2022/12/30?3.3.2焊接接頭中的應(yīng)力集中2022/12/29?33

(2)應(yīng)力集中的大小以應(yīng)力集中系數(shù)KT表示。其值為截面處最大應(yīng)力值與其平均應(yīng)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(guān)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)危害類似殘余應(yīng)力2022/12/30?(2)應(yīng)力集中的大小2022/12/29?342022/12/30?2022/12/29?353.3.2焊接接頭中的工作應(yīng)力

載荷平均應(yīng)力+應(yīng)力集中+殘余應(yīng)力

(1)對接接頭

2022/12/30?3.3.2焊接接頭中的工作應(yīng)力2022/12/29?36

焊縫余高產(chǎn)生了構(gòu)造上的不連續(xù)性，在焊縫與母材的過渡處引起應(yīng)力集中.余高削平后,不產(chǎn)生應(yīng)力集中,故重要設(shè)備有時要求削平焊縫余高

(2)丁(十)字接頭2022/12/30?焊縫余高產(chǎn)生了構(gòu)造上的不連續(xù)性，在焊縫2037

未開坡口由于整個厚度沒有焊透，所以焊縫根部和趾部應(yīng)力集中↑

開坡口并焊透的丁字形接頭應(yīng)力集中↓↓可見保證焊透是降低T形接頭應(yīng)力集中的重要措施丁字形接頭應(yīng)盡量避免在其板厚方向承受高拉應(yīng)力，以防產(chǎn)生層狀撕裂。2022/12/30?2022/12/29?38

(3)搭接接頭搭接接頭應(yīng)力集中比對接接頭的情況復(fù)雜其中角焊縫的根部A點和焊趾B點都有較大的應(yīng)力集中。減小其夾角θ和增大熔深焊透根部，均可降低應(yīng)力集中系數(shù)。

2022/12/30?(3)搭接接頭2022/12/29?39

小結(jié):■受載時,接頭中存在應(yīng)力集中,其工作應(yīng)力分布不均勻■對接接頭應(yīng)力集中系數(shù)最小,應(yīng)優(yōu)先選用■開坡口全焊透可有效減小應(yīng)力集中系數(shù)

2022/12/30?小結(jié):2022/12/29?40每一次的加油，每一次的努力都是為了下一次更好的自己。12月-2212月-22Friday,December30,2022天生我材必有用，千金散盡還復(fù)來。01:41:3101:41:3101:4112/30/20221:41:31AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。12月-2201:41:3101:41Dec-2230-Dec-22得道多助失道寡助，掌控人心方位上。01:41:3101:41:3101:41Friday,December30,2022安全在于心細，事故出在麻痹。12月-2212月-2201:41:3101:41:31December30,2022加強自身建設(shè)，增強個人的休養(yǎng)。2022年12月30日1:41上午12月-2212月-22擴展市場，開發(fā)未來，實現(xiàn)現(xiàn)在。30十二月20221:41:31上午01:41:3112月-22做專業(yè)的企業(yè)，做專業(yè)的事情，讓自己專業(yè)起來。十二月221:41上午12月-2201:41December30,2022時間是人類發(fā)展的空間。2022/12/301:41:3101:41:3130December2022科學(xué)，你是國力的靈魂；同時又是社會發(fā)展的標志。1:41:31上午1:41上午01:41:3112月-22每天都是美好的一天，新的一天開啟。12月-2212月-2201:4101:41:3101:41:31Dec-22人生不是自發(fā)的自我發(fā)展，而是一長串機緣。事件和決定，這些機緣、事件和決定在它們實現(xiàn)的當時是取決于我們的意志的。2022/12/301:41:31Friday,December30,2022感情上的親密，發(fā)展友誼；錢財上的親密，破壞友誼。12月-222022/12/301:41:3112月-22謝謝大家！每一次的加油，每一次的努力都是為了下一次更好的自己。12月-413焊接接頭

焊接接頭由焊接區(qū)和部分母材組成焊接區(qū)—焊縫金屬、熔合區(qū)和熱影響區(qū)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：2022/12/30?3焊接接頭2022/12/29?42

(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(chǎn)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于晶界,使韌性塑性↓來源：焊接材料、空氣

■N—以Fe16O2及其他氮化物存在于晶界，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2022/12/30?(1)存在鑄造缺陷2022/12/29?43過飽和狀態(tài)（H原子）存在與晶格間隙內(nèi)，可以自由擴散，故稱為擴散H。危害：在晶格間隙匯集→H2→氣孔；引起冷裂紋來源：空氣、保護氣體、焊接材料工件表面油污、鐵銹等

(3)存在夾雜物熔池因冶金反應(yīng)生成氧化物和硫化物等顆粒,來不及浮出而殘存于焊縫內(nèi)部,主要是Si02,呈彌散狀態(tài)分布，對焊縫的危害大。(4)存在雜質(zhì)元素S和PS主要以FeS和MnS形式存在于晶界,促生熱裂2022/12/30?過飽和狀態(tài)（H原子）存在與晶格間隙內(nèi)，可以2022/12/244紋，并使韌性↓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(qū)(1)熔合區(qū)的構(gòu)成

a.半熔化區(qū)靠近熱影響區(qū)一側(cè)產(chǎn)生原因:■電弧吹力和熔滴過渡使坡口熔化不均勻2022/12/30?紋，并使韌性↓2022/12/29?45

■母材晶粒取向不同造成的熔化不均勻■母材各點熔質(zhì)分布不均勻2022/12/30?■母材晶粒取向不同造成的熔化不均勻2022/12/46

b.未熔合區(qū)(不完全熔合區(qū))靠近焊縫一側(cè)是富集母材成分的焊縫區(qū)

產(chǎn)生原因:熔池邊緣的溫度低，使對流和擴散過程進行困難，導(dǎo)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(qū)↑如果填充金屬成分與母材成分完全相同，未熔合區(qū)會消失。(2)熔合區(qū)的特點a.化學(xué)成分和組織都極不均勻b.兩高一低的特點殘余應(yīng)力和硬度↑，而韌性↓2022/12/30?b.未熔合區(qū)(不完全熔合區(qū))靠近焊縫一側(cè)2022/473.1.3熱影響區(qū)(HAZ)

2022/12/30?3.1.3熱影響區(qū)(HAZ)2022/12/29?48

熔合區(qū)外側(cè)受焊接熱循環(huán)的作用而發(fā)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(qū)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(qū)域(如圖3-3所示)。a.粗晶粒區(qū)（過熱區(qū)）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(qū)(正火區(qū))1100～900℃相當于正火熱處理,晶粒細小,強度、塑性、韌性↑c.粗細晶粒區(qū)（不完全正火區(qū))

2022/12/30?熔合區(qū)外側(cè)受焊接熱循環(huán)的作用而發(fā)生組織2022/1249

900～750℃在Ac3～Ac1之間部分發(fā)生相變,但F不發(fā)生轉(zhuǎn)變,高溫下其晶?！?冷卻時形成細珠光體和鐵素體，晶粒大小極不均勻，力學(xué)性能↓,強度↓。d.回火區(qū)（未發(fā)生組織變化區(qū)）

750～400℃相當回火熱處理,強度稍有下降,塑性↑，力學(xué)性能略有改善.(2)易淬火鋼

a.淬火區(qū)

Ac3以上,馬氏體組織,硬且垂脆,易裂.b.部分淬火區(qū)（不完全淬火區(qū)）

Ac3～Ac1溫度區(qū)間,鐵素體+馬氏體組織,塑性2022/12/30?900～750℃在Ac3～Ac1之間部分發(fā)生相變,50韌性↓，強度↓c.回火區(qū)處于Ac1溫度以下,韌性↑,強度、硬度↓

(3)無相變鋼如奧氏體不銹鋼,僅有過熱區(qū)(4)焊接熱影響區(qū)的范圍影響區(qū)范圍常以加熱到相變溫度的區(qū)域來定熱影響區(qū)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(qū)尺寸發(fā)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(qū)的平均尺寸.2022/12/30?韌性↓，強度↓2022/12/29?513.2焊接接頭的裂紋3.2.1熱裂紋(1)熱裂紋產(chǎn)生的原因在熔池金屬結(jié)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(yīng)力作用下，裂開而形成熱裂紋.(2)熱裂紋的類型a.結(jié)晶裂紋在結(jié)晶過程中，在固相線附近由于凝固金屬收縮時殘余液相不足，致使沿晶界開裂.主要發(fā)生在碳鋼、低合金鋼合和奧氏體鋼的焊縫中。2022/12/30?3.2焊接接頭的裂紋2022/12/29?52

b.高溫液化裂紋熱影響區(qū)由于含有低熔點共晶物被重新熔化,在收縮應(yīng)力的作用下，沿奧氏體晶間發(fā)生開裂。主要發(fā)生在含有Ni、Cr的高強度鋼、奧氏體鋼、不銹鋼的粗晶區(qū)內(nèi)。

(3)熱裂紋的影響因素與控制a.化學(xué)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(fā)生偏析形成的低熔點共晶物聚集于晶界；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↑

2022/12/30?b.高溫液化裂紋2022/12/29?53

■Ni易于與硫形成低熔點共晶，促成熱裂紋的產(chǎn)生

■Si當硅量大于0．4％時，容易形成低熔點的硅酸鹽夾雜，增加了形成熱裂紋的傾向

■Mn能改善硫化物的分布形態(tài)，使之由FeS變成球狀硫化物，從而使抗熱裂性↑b.焊縫系數(shù)Ψ↓，焊縫過窄，不利雜質(zhì)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(yù)熱減小焊接的冷卻速度，以減小焊接應(yīng)力

e.采用收弧板，避免弧坑裂紋在工件上發(fā)生2022/12/30?■Ni易于與硫形成低熔點共晶，促成熱2022543.2.2冷裂紋

(1)特征與危害

a.產(chǎn)生的溫度和時間

■-75～300℃，100℃時最常見

■焊后立即出現(xiàn)，或經(jīng)過一段時間出現(xiàn)(延遲性，危害↑)b.產(chǎn)生部位熱影響區(qū)熱影響區(qū)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■根部裂紋常起源于焊縫根部的最大應(yīng)力處,發(fā)生在熱影響區(qū)或在焊縫金屬內(nèi)趾2022/12/30?3.2.2冷裂紋2022/12/29?55

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)影響因素與控制方法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(yù)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2022/12/30?c.冷裂紋走向2022/12/29?56之一，并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(yù)熱,焊后保溫

■多層焊,后層對前層加熱減少H來源■對焊接材料進行烘干、除水處理■清理坡口污物■采用直流焊機消除熔池中的H■選用低H焊條■焊后消H處理

(3)焊接應(yīng)力2022/12/30?之一，并且使之具有延遲的特征2022/12/29?57

焊接應(yīng)力↑，冷裂紋傾向↑■減小剛性,不強行施焊■及時消除應(yīng)力熱處理,使殘余應(yīng)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(yīng)力熱處理或在較高溫度下使用時，熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生的裂紋(1)特征

■焊后重新在某較高溫度時產(chǎn)生

■發(fā)生在粗晶區(qū)中(1200～1350℃以上的區(qū)域)

■宏觀走向為晶間型,有曲折和分叉2022/12/30?焊接應(yīng)力↑，冷裂紋傾向↑2022/12/29?58

(2)主要影響因素

a.合金元素■C、

Cr、Mn、V、Nb、Ti等↑，再熱裂紋↑其影響可用下列兩式估算當△G’≥2敏感，＜1.5時則不敏感當PRS≤0時，不敏感

b.焊接殘余應(yīng)力2022/12/30?(2)主要影響因素2022/12/29?59

焊接殘余應(yīng)力↑，再熱裂紋↑

(3)再熱裂紋的控制

a.采用再熱裂紋敏感性低的鋼

b.盡可能消除焊縫應(yīng)力集中點，如凹坑、咬邊、末焊透等缺陷c.采用低強度焊條，使殘余應(yīng)力的釋放大部分由焊縫金屬承擔(dān)d.避開或減少在敏感溫度范圍內(nèi)的停留時間e.提高預(yù)熱溫度或采用后熱處理預(yù)熱溫度200～450℃2022/12/30?焊接殘余應(yīng)力↑，再熱裂紋↑2022/12/2603.2.4層狀撕裂

常產(chǎn)生在T形接頭和角接接頭上，而且多見于厚板焊件2022/12/30?3.2.4層狀撕裂2022/12/29?61

(1)特點和產(chǎn)生的原因■系低溫開裂且均產(chǎn)生于熱影響區(qū)內(nèi)■橫斷面呈階梯形，而且與鋼板表面平行■產(chǎn)生原因鋼板中存在硫化物、氧化物等非金屬夾雜物，鋼板軋制時夾雜物→成片狀,分布在與表面平行的各層中，其變形能力↓↓斷面收縮率↓,在焊接應(yīng)力作用下，夾雜物處首先開裂并擴展→在各層之間相繼發(fā)生，連成一體→造成層狀撕裂的階梯性。

(2)危害產(chǎn)生后不能修復(fù)

(3)影響因素與控制

2022/12/30?(1)特點和產(chǎn)生的原因2022/12/29?62

■嚴格控制鋼材的含硫量■進行低強度堆焊(隔離焊),增加接頭的應(yīng)變能力■對塑性差的材料,應(yīng)變能力↓,采取預(yù)熱■采用合理的焊縫結(jié)構(gòu)3.3焊接接頭的應(yīng)力

焊接接頭的三種應(yīng)力:殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中、載荷應(yīng)力3.3.1焊接殘余應(yīng)力

(1)產(chǎn)生的原因焊接過程中，隨著焊接區(qū)溫度的變化可以產(chǎn)生三種內(nèi)應(yīng)力,即2022/12/30?■嚴格控制鋼材的含硫量2022/12/29?63

■熱應(yīng)力焊件受熱不均勻引起的應(yīng)力,又稱為溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力>σs時→塑性變形,

冷卻過程中，彈性狀態(tài)部分的收縮受到塑性變形部分的阻礙,→新內(nèi)應(yīng)力。溫度↓后，內(nèi)應(yīng)力保留于接頭中，稱為焊接殘余應(yīng)力■組織應(yīng)力金屬組織引起的應(yīng)力。如馬氏體組織↑，應(yīng)力↑■構(gòu)件拘束應(yīng)力因構(gòu)件熱變形受到約束而產(chǎn)生殘余應(yīng)力大小、分布十分復(fù)雜，與諸多因素有關(guān)，實際中多用實測法確定。2022/12/30?■熱應(yīng)力2022/12/29?64

(2)焊接殘余應(yīng)力的分布

應(yīng)力狀態(tài)

■中、厚板(20mm以下)為平面應(yīng)力

σx—縱向殘余應(yīng)力

σy—橫向殘余應(yīng)力■厚板

σx—縱向殘余應(yīng)力

σy—橫向殘余應(yīng)力

σz—厚度方向殘余應(yīng)力作用范圍焊縫兩側(cè)200～300mm以內(nèi)在焊縫及其附近σx、σy多為拉應(yīng)力2022/12/30?(2)焊接殘余應(yīng)力的分布2022/12/29?65

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.厚板中的殘余應(yīng)力δ=240mm的電渣焊,三向均為拉應(yīng)力

2022/12/30?σx引起橫向裂紋2022/12/66

厚板多層單面對接電弧焊在厚度上的內(nèi)應(yīng)力σx、σy在表面為拉應(yīng)力σz可能為壓應(yīng)力，亦有可能為拉應(yīng)力σy在根部↑↑,>>σs,因每焊一層都使焊接接頭產(chǎn)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.接管角焊縫中的殘余應(yīng)力2022/12/30?厚板多層單面對接電弧焊2022/12/2672022/12/30?2022/12/29?68

切向應(yīng)力σt(σx)在焊縫及其附近區(qū)是拉應(yīng)力，遠離焊縫是壓應(yīng)力徑向應(yīng)力σr(σy)都是拉應(yīng)力接管直徑越小,壁厚越大,則剛度↑,約束↑,σt(σx)↑,→裂紋

(3)焊接殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)的總體承裁能力

■脆性材料殘余應(yīng)力→σs,不發(fā)生局部屈服變形,隨著外力↑,應(yīng)力峰值↑,→σb→開裂2022/12/30?切向應(yīng)力σt(σx)在焊縫及其附近區(qū)是拉應(yīng)2069

b.增加結(jié)構(gòu)脆斷的傾向高強度金屬材料，均有一定的斷裂韌性k1c

K1∝σ焊接殘余應(yīng)力的存在，將使σ↑，故K1↑當K1>K1c時，構(gòu)件就將發(fā)生脆性斷。

c.增加應(yīng)力腐蝕破裂傾向腐蝕環(huán)境+拉應(yīng)力→應(yīng)力腐蝕開裂的條件殘余應(yīng)力+工作應(yīng)力疊加→使局部應(yīng)力↑→應(yīng)力腐蝕開裂對于在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下使用的壓力容器設(shè)備,焊后必須進行消除應(yīng)力熱處理

d.對加工精度和尺寸穩(wěn)定的影響2022/12/30?b.增加結(jié)構(gòu)脆斷的傾向2022/12/29?70

若零件存在殘余應(yīng)力→切削等機械加工，則先加工好的部分，將因后加工部分的殘余應(yīng)力釋放使尺寸發(fā)生偏差。

為保證加工精度,應(yīng)先消除焊接殘余應(yīng)力，然后再進行機械加工。

(4)殘余應(yīng)力的消除與控制

a.盡量使焊縫自由收縮,減少約束

b.對焊縫進行錘擊

c.焊后消除殘余應(yīng)力■整體高溫回火(或稱為消除應(yīng)力退火)■局部高溫回火2022/12/30?若零件存在殘余應(yīng)力→切削等機械加工，則202271

■水壓試驗法

(5)焊接殘余應(yīng)力的測試方法簡介a.應(yīng)力釋放法切片法盲孔法小孔法*

■小孔法在應(yīng)力場中鉆一直徑為D＝2～3mm，深為0.8～1.0mm的盲孔，使應(yīng)力平衡破壞，孔周圍的應(yīng)力釋放.測得鉆孔前后孔附近的應(yīng)變變化，可以用彈性力學(xué)來推算出小孔處的應(yīng)力。

b.物理標定法X射線法磁粉法*超聲波法光干涉法2022/12/30?■水壓試驗法2022/12/29?722022/12/30?2022/12/29?733.3.2焊接接頭中的應(yīng)力集中

在載荷的作用下，產(chǎn)生的局部應(yīng)力峰值

(1)產(chǎn)生原因結(jié)構(gòu)的不連續(xù)所致

a.

接頭形式

對接的應(yīng)力集中最小

搭接的應(yīng)力集中最大十字接頭應(yīng)力集中介于其間