石油大學(xué)金屬焊接復(fù)習(xí)資料

焊接冶金機電工程學(xué)院材料系幾個概念：

母材金屬；填充金屬；熔敷金屬；焊縫；熔合比熔化焊時，伴隨著金屬熔化、凝固、固態(tài)相變以及形成接頭等過程，焊接區(qū)內(nèi)的熔化的金屬、熔渣與氣體三者間所進行的一系列化學(xué)反應(yīng)過程以及金屬的結(jié)晶相變過程焊接化學(xué)冶金焊接物理冶金焊接冶金2.1焊接化學(xué)冶金

的任務(wù)與特點一、定義焊接化學(xué)冶金熔焊過程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程，主要研究在各種焊接工藝條件下，冶金反應(yīng)和焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律?；瘜W(xué)冶金任務(wù)二、任務(wù)防止或減少有害雜質(zhì)侵入減少合金元素?zé)龘p對熔化金屬進行冶金處理三、特點分區(qū)連續(xù)進行熔滴反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)水分的蒸發(fā)物質(zhì)的分解合金的氧化有機物分解礦物的分解氣體高度分解氮氫激烈溶解增氧與滲合金金屬的蒸發(fā)去氫反應(yīng)溫度高攪拌強烈

反應(yīng)時間極短冶金反應(yīng)劇烈反應(yīng)物接觸面積大平均溫度低比表面積小溫度分布極不均勻反應(yīng)時間稍長攪拌不太激烈2.2焊縫金屬中

的氣體雜質(zhì)氣體焊接材料氫氣氣體來源氣體成分氣體介質(zhì)油污、鐵銹等金屬和熔渣蒸汽氮氣氧氣金屬和熔渣蒸汽CO2、CO、H2O氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施一、氫氣氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施主要內(nèi)容焊材中的水分藥皮中的有機物油污、鐵銹等電弧周圍空氣中的水分氫的來源氫的溶解存在形式擴散氫殘余氫總氫量氫脆氫氣孔冷裂紋氫的影響永久現(xiàn)象機理鋼在室溫下塑性嚴重下降焊縫拉伸或彎曲試件斷面上出現(xiàn)的光亮圓形斑點拉伸

位錯運動、堆積

空腔

H擴散

聚集空腔

H+H→H2

壓力

變脆氫的誘捕理論氫白點暫態(tài)限防脫控制措施限制來源工藝措施冶金措施脫氫處理電壓電流電源種類及極性焊速提高氣相氧化性加微量稀土元素氟化物除氫二、氮氣氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施主要內(nèi)容氮的來源焊接周圍的空氣氮在金屬中的存在形式氮原子NO氮離子氮的溶解氮的影響機械性能氮氣孔時效脆化限防控制措施限制來源工藝措施冶金措施采用短弧焊增大焊接電流采用直流反接增加碳含量加與氮親和力大的合金元素三、氧氣氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施主要內(nèi)容CO2O2H2O氧的來源藥皮中的碳酸鹽弧氣周圍的空氣藥皮中的高價氧化物藥皮中含水物質(zhì)及鐵銹保護氣或空氣中的水分弧氣中的氧化性氣體氧的溶解及存在形式原子氧FeO總氧量降低焊縫的力學(xué)性能增加焊縫的冷脆與熱脆敏感性降低焊縫導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、耐蝕性等使合金元素?zé)龘p，造成飛濺和氣孔氧的影響控制措施限制氧的來源工藝措施冶金措施－脫氧劑二、硫、磷的作用與控制硫的影響存在形式硫的危害控制措施MnSFeS低熔共晶降低韌性限制來源冶金脫硫元素脫硫稀土脫硫熔渣脫硫磷的影響存在形式磷的危害控制措施Fe3PFe2P低熔共晶冷脆性↑限制來源冶金脫磷2.4焊縫金屬化學(xué)

成分的控制

成分控制氧化與還原硫、磷的作用和控制焊縫金屬的合金化一、氧化與還原氧化途徑氧化性氣體活性熔渣焊件表面氧化物CO2O2H2O置換氧化擴散氧化L=(FeO)/[FeO]擴散定律脫氧親和力先期脫氧脫氧措施-脫氧劑脫氧方式脫氧產(chǎn)物焊縫成分、性能工藝性能擴散脫氧沉淀脫氧成本脫氧方式沉淀脫氧擴散脫氧先期脫氧藥皮反應(yīng)區(qū)固態(tài)藥皮中的脫氧劑與藥皮組成物分解的O2和CO2之間的反應(yīng)脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關(guān)系部位過程特點先期脫氧擴散脫氧沉淀脫氧擴散脫氧液態(tài)金屬與熔渣界面部位特點以分配定律為理論基礎(chǔ)不會因脫氧而造成夾雜不是脫氧主要途徑部位過程特點置換脫氧熔滴和熔池內(nèi)溶于液態(tài)金屬中的脫氧劑和[FeO]反應(yīng)，把鐵還原，且要求脫氧產(chǎn)物浮入渣中碳脫氧錳脫氧硅脫氧硅錳聯(lián)合脫氧最主要的脫氧方式二、硫、磷的作用與控制二、硫、磷的作用與控制硫的影響存在形式硫的危害控制措施MnSFeS低熔共晶降低韌性限制來源冶金脫硫元素脫硫稀土脫硫熔渣脫硫磷的影響存在形式磷的危害控制措施Fe3PFe2P低熔共晶冷脆性↑限制來源冶金脫磷三、焊縫金屬的合金化目的方式把需要的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬中的過程補償損失消失缺陷改善組織提高性能獲特殊性能合金焊絲藥芯焊絲合金藥皮合金粉末燒結(jié)焊劑置換脫氧合金過渡系數(shù)定義2.5焊縫中的

氣孔與夾雜

一、作用機械保護作用冶金處理作用改善工藝性能二、組成三、堿度B1大于1時為堿性渣，小于1時為酸性渣，等于1時為中性渣

B1大于1.5時為堿性渣，小于1.0時為酸性渣，1～1.5時為中性渣

四、其他性質(zhì)熔渣的粘度表面張力密度線膨脹系數(shù)熔化性一、焊縫中的氣孔致密性溶解度突降氣孔的危害氣孔的類型減小有效截面積應(yīng)力集中塑韌性下降不溶于金屬的氣體疲勞強度下降氫、氮CO、H2O等多出現(xiàn)在焊縫表面溶解度突降形貌產(chǎn)生原因斷面如螺釘表面呈喇叭口形內(nèi)壁光滑內(nèi)部—小圓球狀氫氣孔`溶解度突降產(chǎn)生原因多出現(xiàn)在焊縫表面形貌和蜂窩相似多數(shù)成堆出現(xiàn)氮氣孔產(chǎn)生原因形貌冶金反應(yīng)產(chǎn)生CO出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部沿結(jié)晶方向分布形狀像蟲子CO2氣孔二、焊縫中的夾雜夾雜物分類控制措施存在形式危害氧化物硅酸鹽形式片狀連續(xù)分布，熱裂紋Fe4N氮化物硫化物MnS、FeS塑、韌性急劇下降低熔共晶，熱裂紋正確選擇焊條、焊劑的渣系選用合適的焊接規(guī)范，并擺動焊條多層焊時注意清渣，盡量采用短弧焊2.6焊接接頭的

組織與性能

焊接接頭焊接部位的總稱。焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-HAZ；4-母材一、焊接熔池凝固的特殊性

特殊性熔池體積小、冷卻速度快熔池中的金屬處于過熱狀態(tài)熔池是在運動狀態(tài)下結(jié)晶二、焊接熔池凝固的特點

特點聯(lián)生結(jié)晶擇優(yōu)生長偏向晶與定向晶三、焊縫的凝固偏析

凝固偏析枝晶偏析區(qū)域偏析層間偏析改善措施工藝措施冶金措施提高冷卻速度采用多層焊振動結(jié)晶加入變質(zhì)劑加入能夠細化晶粒的元素四、改善凝固組織的措施

低碳鋼二次組織改善措施控制冷卻速度采用多層焊焊后熱處理五、焊縫金屬的固態(tài)相變F+PW低合金鋼二次組織改善措施錘擊焊縫表面采用多層焊焊后熱處理BMF：塊、板、針、條P跟蹤回火六、焊接熱循環(huán)

1、定義在焊接熱源作用下，焊件上某點溫度隨時間的變化過程。溫度場2、焊接熱循環(huán)的特征參數(shù)峰值溫度Tp冷卻速度t8/5冷卻速度t8/3高溫停留時間加熱速度影響因素接頭的尺寸與形狀焊件尺寸焊道長度E＝36UI／VT0多層多道焊3、影響焊接熱循環(huán)的因素七、HAZ的組織與性能

1、HAZ固態(tài)相變特點相變特點加熱速度快高溫停留時間短自然條件下連續(xù)冷卻加熱溫度高局部加熱2、HAZ的組織與性能不易淬火鋼易淬火鋼易淬火鋼焊前熱處理狀態(tài)對熱影響區(qū)硬度的影響

焊接方法機電工程學(xué)院材料系

手工焊條電弧焊埋弧自動焊鎢極氬弧焊熔化極氬弧焊二氧化碳氣保焊主要內(nèi)容主要掌握要點特點優(yōu)點缺點適用范圍熱源特點保護方法焊接材料3.1

手工焊條電弧焊電弧藥皮焊芯一、特征熱源保護方式填充金屬二、焊條18881889－90189019001907發(fā)展俄羅斯人H.г.Cлавянов發(fā)明金屬極電弧焊美國人C.L.Coffin首次用光焊絲作電極進行了電弧焊接C.L.Coffin提出了在氧化介質(zhì)中進行焊接的概念英國人Strohmyer發(fā)明了薄皮涂料焊條瑞典人O.Kjellberg

完善了厚藥皮焊條于6月29日獲得專利（瑞典專利號27152）1926瑞典人奧斯卡.克杰爾貝格建立ESAB公司OK焊條廠(世界第一個)

1904美國A.O.Smith公司率先介紹了在電弧焊接用金屬電極外使用擠壓方式涂上起保護作用的固體藥皮（即手工電弧焊焊條）的制作方法電極填充金屬焊芯藥皮添加合金元素1.組成作用焊芯藥皮機械保護作用冶金處理作用改善工藝性能二、焊條2.焊條型號及牌號

部標(biāo)型號（按化學(xué)成分分類）牌號（按用途分類）國家標(biāo)準號名稱代號類別名稱代號字母漢字GB5117-1985碳鋼焊條E一結(jié)構(gòu)鋼焊條J結(jié)GB5118-1985低合金鋼焊條E一結(jié)構(gòu)鋼焊條J結(jié)二鉬和鉻鉬耐熱鋼焊條R熱三低溫鋼焊條W溫GB983-1985不銹鋼焊條E四不銹鋼焊條G鉻A奧GB984-1985堆焊焊條ED五堆焊焊條D堆GB10044-1988鑄鐵焊條EZ六鑄鐵焊條Z鑄七鎳及鎳合金焊條Ni鎳GB3670-1983銅及銅合金焊條條Tcu八銅及銅合金焊條T銅GB3669-1983鋁及鋁合金焊條TAL九鋁及鋁合金焊條L鋁十特殊用途焊條TS特表示焊條適用于全位置焊接熔敷金屬抗拉強度的最小值為43Kfg/mm2表示焊條Electrode藥皮類型為低氫鈉型，可采用直流反接適用的焊接位置熔敷金屬抗拉強度的最低保證值Kfg/mm2焊條Electrode焊條型號藥皮類型及電流種類E××

×

×E43

1

5熔敷金屬抗拉強度的最小值為50Kfg/mm2結(jié)構(gòu)鋼焊條藥皮類型為低氫鈉型，可采用直流反接焊條牌號J50

7

三、優(yōu)、缺點操作靈活設(shè)備簡單手工焊條電弧焊應(yīng)用范圍廣缺點焊接質(zhì)量不穩(wěn)定生產(chǎn)效率低勞動條件差優(yōu)點3.2埋弧自動焊19301935發(fā)展前蘇聯(lián)的羅比諾夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊美國的LindeAirProducts公司完善了埋弧焊技術(shù)電弧焊劑焊絲一、特征熱源保護方式填充金屬二、焊劑1.作用機械保護作用冶金處理作用改善工藝性能2.分類不能加脫氧劑熔煉焊劑

燒結(jié)焊劑

不能加合金劑抗氣孔能力弱可以，脫氧充分可以，合金化強抗氣孔能力強對焊接參數(shù)不敏感吸濕性小抗氣孔能力弱對焊接參數(shù)敏感吸濕性大生產(chǎn)成本低、效率高表示拉伸試樣和沖擊試樣的狀態(tài)表示焊縫金屬沖擊值不小于3.5kg.f.m/cm3時的最低試驗溫度焊絲牌號表示焊縫金屬拉伸力學(xué)性能表示埋弧焊用焊劑焊劑型號HJ×1

×2

×3-H×××三、熔渣1.作用機械保護作用冶金處理作用改善工藝性能2.組成???????íì?íì?t?yü???íì氟化物冶金反應(yīng)造渣作用、、中性氧化物：、、堿性氧化物：、、酸性氧化物：氧化物鹽類熔渣323232OCrOFeOAlCaOONaOKOBTiOSiO2232222.分類合金元素符號及其含量其他元素A:優(yōu)質(zhì)S、P≤0.03％E:高級優(yōu)質(zhì)表示含碳量表示實心焊絲實芯焊絲牌

號H××

×……×生產(chǎn)率高，飛濺少，焊縫成形美觀方便調(diào)節(jié)合金成分缺點：煙塵量高易于實現(xiàn)自動化有渣的保護和冶金作用

藥芯焊絲的特點四、焊絲1.作用電極填充金屬添加合金元素2.分類合金元素符號及其含量其他元素A:優(yōu)質(zhì)S、P≤0.03％E:高級優(yōu)質(zhì)表示含碳量表示實心焊絲實芯焊絲牌

號H××

×……×生產(chǎn)率高，飛濺少，焊縫成形美觀方便調(diào)節(jié)合金成分缺點：煙塵量高易于實現(xiàn)自動化有渣的保護和冶金作用

藥芯焊絲的特點五、優(yōu)、缺點生產(chǎn)效率高節(jié)省金屬和電能埋弧自動焊有風(fēng)時的保護效果好焊接質(zhì)量好勞動條件好優(yōu)點主要適用于水平位置焊接只適于長焊縫的焊接不適合薄板焊接難以焊接鋁、鈦等金屬容易焊偏埋弧自動焊缺點六、焊接電弧自動調(diào)節(jié)原理1.外界干擾焊件不平裝配不良定位焊點弧長波動電網(wǎng)電壓波動外特性變化2.調(diào)節(jié)原理電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)電弧電壓反饋自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等速送絲Vf＝Vm變速送絲陡降外特性1.焊前準備七、焊接工藝特點接頭形式坡口加工焊前清理裝配2.埋弧焊工藝?單面焊雙面成形懸空焊?平板雙面對焊焊劑墊法臨時工藝墊板法手弧焊封底法3.焊接參數(shù)對焊縫成形的影響?焊接電壓?焊接電流ForehandVerticalBackhand?焊絲傾角?焊絲直徑?極性?焊絲干伸長八、窄間隙埋弧焊1.發(fā)展2.優(yōu)點3.缺點3.3鎢極氬弧焊鎢極氬弧氬氣焊絲一、特征熱源保護方式填充金屬二、鎢極氬弧特點1.分類交流鎢極氬弧直流鎢極氬弧正接反接2.直流鎢極氬弧特點鎢極產(chǎn)熱少許用焊接電流大一般采用產(chǎn)熱量大熔深大生產(chǎn)率高電子發(fā)射能力強電弧穩(wěn)定

正接鎢極產(chǎn)熱大易過熱許用焊接電流小“陰極破碎”作用(Al、Mg)產(chǎn)熱小熔池窄寬生產(chǎn)率低電子發(fā)射困難穩(wěn)定性差

反接電弧燃燒穩(wěn)定3.交流鎢極氬弧特點UtItU0UII直鎢極焊件-+鎢極焊件-+鎢極焊件+-鎢極焊件+-問題直流分量電流過零點的引弧和穩(wěn)弧問題解決措施串入反極性電池串入隔直電容高頻振蕩器穩(wěn)弧高壓脈沖引弧串入反極性電池三、電極1.電極材料的要求耐高溫電流容量大引弧和穩(wěn)弧性好2.端部形狀氬弧燃燒穩(wěn)定焊接質(zhì)量高適合薄板焊接熔池金屬冶金反應(yīng)簡單適合打底焊四、優(yōu)、缺點鎢極氬弧焊缺點優(yōu)點鎢極承載電流能力差熔深淺，生產(chǎn)率低生產(chǎn)成本高3.4熔化極氬弧焊熔化極氬弧氬氣焊絲一、特征熱源保護方式填充金屬二、熔滴過渡1、定義在電弧熱作用下，焊絲或焊條端部的熔化金屬形成熔滴，受到各種力的作用，從焊絲端部脫離并過渡到熔池的全過程。2、影響熔滴過渡的力重力表面張力電磁力等離子流力斑點壓力3、熔滴過渡的形式射流過渡過渡形式滴狀過渡短路過渡短路過渡U較小形成條件I較小形成原因焊接特點過渡頻率高電弧穩(wěn)定飛濺少熔深淺成形美觀有效熱小熔池面積小溫度低不易燒穿適合薄件形成原因射流過渡焊接特點形成條件U較高I較大直流反接Ar或富Ar熔滴很小過渡頻率高電弧穩(wěn)定飛濺少焊縫成形好軸向性好適合全位置焊適合厚大件形成原因滴狀過渡U較高I較小形成條件焊接特點過渡頻率低電弧不穩(wěn)熔深淺焊縫成形差只適合平焊4、MIG(MAG)的熔滴過渡特點中、厚板的水平對接和角接陰極破碎能力強，廣泛用于焊鋁及其合金短路過渡亞射流過渡射流過渡電弧穩(wěn)定飛濺小成形美觀保護效果好亞射流過渡形成條件形成原因焊接特點I較大U較低（略高于短路時的電壓）先縮頸后短路電弧穩(wěn)定飛濺小成形美觀保護效果好勞動生產(chǎn)率高，成本低于TIG直流反接有良好陰極破碎作用幾乎可焊所有金屬冶金過程簡單尤其適合Al、Cu及其合金三、優(yōu)、缺點熔化極氬弧焊特點對油污、鐵銹等較為敏感3.5CO2氣體保護焊電弧CO2焊絲一、特征熱源保護方式填充金屬適用范圍廣抗銹能力強生產(chǎn)效率高，節(jié)省能源二、優(yōu)、缺點CO2

氣保焊優(yōu)點焊接變形小焊接成本低缺點焊縫成形差電弧氣氛氧化性強飛濺大三、需克服的問題氣孔問題CO氣孔H2氣孔產(chǎn)生原因主要產(chǎn)生原因一般無產(chǎn)生原因電弧沖擊N2氣孔氧化問題合金元素氧化脫氧措施Si、Mn聯(lián)合脫氧三、需克服的問題減小措施正確選擇工藝參數(shù)采用混合氣（+Ar）串聯(lián)電抗、電阻增大電源變壓器阻抗采用直流反接利用電源控制電弧和熔滴飛濺問題氣體膨脹電弧沖擊力產(chǎn)生原因四、熔滴過渡形式短路過渡電流電壓較小焊絲直徑0.6-1.4mm焊接速度適當(dāng)氣體流量適當(dāng)干伸長適當(dāng)電源極性一般：直流反接堆焊：直流正接較大1.6-3mm40-60m/h比短路高中厚板水平位置焊適用場合干伸長適當(dāng)電流電壓焊絲直徑焊接速度氣體流量潛弧射滴過渡五、焊接設(shè)備焊接方法的選擇

合理選擇焊接方法，應(yīng)考慮的因素：１．材料的焊接性，低碳鋼可采用各種焊接方法。２．焊件的結(jié)構(gòu)特點；如焊縫的長短、形狀，焊件厚度等。３．生產(chǎn)批量：批量小：用設(shè)備投資少的方法，如焊條電弧焊等；批量大：用高效焊接方法，如埋弧焊等。４．經(jīng)濟性，優(yōu)先選用普通焊接方法。如電弧焊、電阻焊等。焊接應(yīng)力與變形機電工程學(xué)院材料系幾個概念：內(nèi)應(yīng)力殘余應(yīng)力溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）組織應(yīng)力焊接瞬時應(yīng)力和瞬時變形焊接殘余應(yīng)力和殘余變形自由變形率、外觀變形率和內(nèi)部變形率自由變形率外觀變形率內(nèi)部變形率

金屬桿件的變形

4.1

焊接應(yīng)力和變

形產(chǎn)生的原因一、平板中心加熱時的縱向應(yīng)力和變形平面假設(shè)原理當(dāng)構(gòu)件受縱向力或彎矩作用而變形時，在構(gòu)件中的平截面始終保持是平面+

-

+

塑性變形+

-

-

二、平板對接焊時的縱向應(yīng)力與變形1、縱向應(yīng)力與變形的產(chǎn)生02004006008001000℃

s50403020100鈦合金低碳鋼鋁合金T<500℃T>600℃500℃~600℃T,εT,εe600500T,εT+

-

+

-

塑性區(qū)彈性區(qū)+

-

+

-

+

-

-

0

S0

S影響因素2、影響縱向變形的因素構(gòu)件的長度構(gòu)件的截面積塑性區(qū)的大小三、平板對接焊時的橫向應(yīng)力與變形1、橫向變形（收縮）（1）產(chǎn)生原因有間隙無間隙（2）影響因素影響因素單道焊多道焊E坡口形式焊焊縫截面積2、橫向應(yīng)力（1）縱向收縮引起+

-

-

ε++

-

+-

-

（2）焊接不同時性引起-

+++-

-

四、厚板的殘余應(yīng)力4.2焊接殘余變形一、殘余變形的分類1、縱向與橫向收縮變形

2、波浪變形與角變形

角變形

波浪變形角變形引起的波浪變形

3、彎曲變形

4、錯邊變形

5、扭曲變形

二、殘余變形的預(yù)防措施1結(jié)構(gòu)設(shè)計方面盡量減少不必要的焊縫選擇合理的焊縫尺寸和形式合理布置焊縫－盡量對稱布置提高結(jié)構(gòu)剛性2工藝方面加收縮余量反變形法合理選擇焊接方法和線能量強迫冷卻法選擇合理的焊接順序選用合理的裝配焊接順序剛性固定法錘擊焊縫三、矯正焊接變形的方法矯正方法機械矯正火焰矯正外力法碾壓點狀加熱線狀加熱三角形加熱三角形加熱

2工藝方面加收縮余量反變形法合理選擇焊接方法和線能量強迫冷卻法選擇合理的焊接順序選用合理的裝配焊接順序剛性固定法錘擊焊縫三、矯正焊接變形的方法矯正方法機械矯正火焰矯正外力法碾壓點狀加熱線狀加熱三角形加熱三角形加熱

4.3焊接殘余應(yīng)力一、相變應(yīng)力取決于金屬的塑變溫度二、殘余應(yīng)力的危害性危害靜載強度焊接裂紋外載作用下平板中應(yīng)力的變化a）塑性好的材料；b）脆性材料二、平板對接焊時的縱向應(yīng)力與變形1、縱向應(yīng)力與變形的產(chǎn)生三、減小殘余應(yīng)力的措施1結(jié)構(gòu)設(shè)計方面焊縫盡量不要交叉、密集開緩和槽避免將焊縫安排在受力最大處或應(yīng)力集中處2工藝方面T0采用合理的焊接順序和焊接方向采用反變形法增加焊縫的自由度加熱“減應(yīng)區(qū)”錘擊焊縫1.必須消除應(yīng)力的情況25mm以上的厚焊件壁厚超限的大型受壓容器可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的結(jié)構(gòu)四、消除殘余應(yīng)力的措施要求尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)σS>490MPa的普通低合金鋼低溫工作的結(jié)構(gòu)2.消除殘余應(yīng)力的方法整體高溫回火（去應(yīng)力退火）機械拉伸溫度拉伸局部高溫回火四、焊接應(yīng)力與變形的關(guān)系焊接變形和應(yīng)力總是同時存在的在一定條件下，焊接變形和焊接應(yīng)力可以互相轉(zhuǎn)化焊接裂紋機電工程學(xué)院材料系5.1

焊接熱裂紋焊接熱裂紋－結(jié)晶裂紋

1.

產(chǎn)生溫度2.斷口特征3.分布特征4.材料5.產(chǎn)生部位一、特征

液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的根本原因

拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件二、形成機理－液態(tài)薄膜理論三、各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向四、產(chǎn)生條件五、影響結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的因素脆性溫度區(qū)間大小脆性溫度區(qū)（TB）內(nèi)金屬的塑性TB內(nèi)隨溫度降低變形的增長率六、防止結(jié)晶裂紋的措施1、冶金因素方面嚴格控制母材和焊接材料中的C、S、P含量改善焊縫一次組織細化晶粒雙相組織2、工藝因素方面－改善應(yīng)力狀態(tài)焊接工藝及規(guī)范接頭型式采用合理的焊接順序限制母材雜質(zhì)進入焊縫5.2

焊接冷裂紋產(chǎn)生溫度斷口仍有金屬光澤裂紋的走向產(chǎn)生的鋼種和部位產(chǎn)生時間冷裂紋的一般特征焊接冷裂紋的分類延遲裂紋具有延遲現(xiàn)象決定因素淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋氫致延遲裂紋決定因素鋼種的淬硬傾向擴散氫的含量及分布焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)一、鋼種的淬硬傾向1.原因易形成脆硬組織組織中形成的晶格缺陷多2.影響因素化學(xué)成分冷卻條件

3.評定用HAZ的Hmax二、氫的作用1.氫在金屬中的溶解和擴散αγδ

04812162024120092064036080-200奧氏體鋼鐵素體鋼溫度／℃擴散速度×10-5［ml/(cm2?s)］2.氫在致裂過程中動態(tài)行為高強鋼熱影響區(qū)延遲裂紋的形成過程TAFTAMF+PMA3.氫致裂紋具有延遲性的原因三向應(yīng)力區(qū)HHHHHHHH2新三向應(yīng)力區(qū)HHHHHHHH2裂紋尖端三、接頭的拘束應(yīng)力1.應(yīng)力的存在形式

熱應(yīng)力—局部加熱、冷卻相變應(yīng)力結(jié)構(gòu)自身的拘束應(yīng)力（1）拘束度R=Eh/l（2）接頭坡口型式拘束應(yīng)力增加：正Y型、X型、斜Y型、K型、半V型2.接頭拘束應(yīng)力的影響因素鋼種淬硬之后，受氫的誘發(fā)，促使脆化，在拘束應(yīng)力作用下形成裂紋四、冷裂形成機理五、冷裂判據(jù)臨界拘束應(yīng)力σcrσcr反映了產(chǎn)生延遲裂紋各個因素共同作用的結(jié)果σcr值越大抗裂能力越好σcr

>σS

——安全的測定：插銷試驗總原則避免出現(xiàn)脆硬組織減少焊縫金屬中的氫含量減少接頭的拘束應(yīng)力六、防治措施（1）嚴格控制氫含量焊材焊接方法（2）增韌選用塑性好的焊材加入某些合金元素（3）改進母材化學(xué)成分，提高抗裂性能降碳加微量合金元素1.冶金措施（1）預(yù)熱+小的線能量E大，粗晶脆化E小，淬硬組織（2）焊后熱處理脫氫處理：350℃×1h2.工藝措施5.3

再熱裂紋熱裂紋產(chǎn)生部位：近縫區(qū)的粗晶區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋具有敏感的溫度范圍有較大的內(nèi)應(yīng)力存在及應(yīng)力集中部位易產(chǎn)生再熱裂紋易產(chǎn)生在具有沉淀強化作用的鋼材中一、再熱裂紋的特征只發(fā)生于含沉淀強化元素的材料受熱前，存在較大的殘余應(yīng)力，并有不同程度的應(yīng)力集中e>ec二、產(chǎn)生條件晶界雜質(zhì)析集弱化說晶內(nèi)沉淀強化說三、產(chǎn)生機理預(yù)熱及后熱控制焊接線能量低強焊縫應(yīng)用消除應(yīng)力集中源

四、控制措施5.4

層狀撕裂產(chǎn)生的部位和形狀宏觀形狀微觀形狀產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中與母材強度無關(guān)，主要與鋼中的夾雜量及分布形態(tài)有關(guān)一般發(fā)生在受Z向力大的丁字接頭、角接頭層狀撕裂屬于低溫開裂

一、特征二、形成機理焊后20min焊后120min焊接Z向應(yīng)力非金屬夾雜物的層狀構(gòu)造母材性能氫的作用三、影響因素控制夾雜物設(shè)計和施工工藝上的措施改變接頭形式、降低焊接應(yīng)力；應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫等應(yīng)盡量避免承載焊縫預(yù)熱及后熱加軟焊道四、防制措施焊接裂紋機電工程學(xué)院材料系5.5

應(yīng)力腐蝕裂紋形貌外觀橫斷面斷口材質(zhì)與介質(zhì)的匹配殘余應(yīng)力的作用一、特征應(yīng)力腐蝕裂紋的形成條件三要素：材質(zhì)、腐蝕介質(zhì)和臨界拉應(yīng)力應(yīng)力腐蝕裂紋的形成機理機械破裂應(yīng)力腐蝕開裂機理二、形成機理結(jié)構(gòu)設(shè)計

合理選材

避免高應(yīng)力區(qū)施工制造合理選擇焊材合理制定裝焊工藝消除應(yīng)力處理生產(chǎn)管理防蝕處理定期檢查、及時補修三、防制措施常見材料的焊接機電工程學(xué)院材料系6.1焊接性的概念

缺陷

降低了某些必要的性能一、焊接性的定義金屬是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性二、評價標(biāo)準焊縫及HAZ產(chǎn)生裂紋的敏感性如何焊縫及HAZ產(chǎn)生氣孔的敏感性如何焊接熱循環(huán)對HAZ組織結(jié)構(gòu)的影響焊接接頭滿足規(guī)定性能的可能性

——使用焊接性工藝焊接性

定義某種材料在一定焊接條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)致密、無缺陷焊接接頭的能力影響工藝焊接性的因素★材料因素★設(shè)計因素★工藝因素★使用因素三、工藝焊接性3.工藝焊接性的分類熱焊接性在焊接過程條件下，對HAZ組織性能及產(chǎn)生缺陷的影響程度評定被焊金屬對熱的敏感性，主要與被焊材質(zhì)及焊接工藝條件有關(guān)冶金焊接性冶金反應(yīng)對焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度影響焊縫金屬化學(xué)成分和性能的主要方面四、使用焊接性定義指焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種使用性能的程度★力學(xué)性能★低溫韌性★抗脆性斷裂性能★高溫蠕變★疲勞性能★持久強度★抗腐蝕性能★……6.2金屬的

焊接性試驗

1、目的評定金屬材料的焊接性研制開發(fā)新型的焊接材料擬定產(chǎn)品的焊接工藝2、內(nèi)容焊縫和HAZ抗熱裂的能力焊縫和HAZ抗冷裂的能力焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變的能力接頭的使用性能3、分類模擬類方法實焊類方法理論計算類方法4、選擇原則針對性可靠性經(jīng)濟性一、小鐵研試驗1、目的評定打底焊縫以及HAZ的冷裂傾向防止冷裂紋的臨界預(yù)熱溫度評價指標(biāo)：裂紋率≤20%，實際構(gòu)件不發(fā)生2、優(yōu)缺點優(yōu)點:不需要專用設(shè)備在施工現(xiàn)場可以應(yīng)用缺點:要進行大量的解剖檢查

二、插銷試驗1、目的主要用來考核材料的氫致延遲裂紋敏感性也可用來考核再熱裂紋和層狀撕裂等的敏感性1—試板；2—支點；3—加壓；4—油缸；5—插銷試樣；6—加載夾頭7—加載棒；8—應(yīng)變片；9—載荷；10—支柱；11—導(dǎo)線插銷試樣形狀、尺寸實例2、優(yōu)缺點插銷試驗的優(yōu)點節(jié)省材料（試棒?。嵫h(huán)接近實際焊接熱循環(huán)通過調(diào)整基體板板厚來調(diào)整焊接熱循環(huán)方便、靈活、實用插銷試驗的缺點需要專用設(shè)備不適合現(xiàn)場用一種模擬方法試驗結(jié)果σ－斷裂時間tF及σcr的關(guān)系找出σcr＝σs的施工條件可調(diào)節(jié)的工藝因素[H]D冷卻速度T0、TP填充金屬材料3、特點目的主要測定焊縫的熱裂敏感性也可測定HAZ的冷裂敏感性三、剛性固定對接裂紋試驗四、HAZ最高硬度試驗間接判斷母材的淬硬傾向和冷裂敏感性五、碳當(dāng)量方法目的：評價低合金鋼冷裂紋敏感性

國際焊接協(xié)會推薦Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15美國焊接學(xué)會（AWS）推薦Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)日本工業(yè)標(biāo)準JIS和西歐標(biāo)準WES推薦Ceq=C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14Ceq越小，焊接性越好球罐炸裂失效分析時間：79年12月18日14時許地點：吉林煤氣公司液化氣廠一臺直徑9.2m、容積400m3的球罐突然爆裂，由裂縫噴出的液化石油氣，遇明火爆炸燃燒，引起附近三個400m3球罐和一個50m3臥式儲罐以及25m外倉庫中的5000個民用液化氣瓶先后爆炸起火。大火燃燒19h，共燒掉液化氣超過700t，燒毀機動車15輛以及罐區(qū)全部建筑，死亡33人，受傷53人?，F(xiàn)場調(diào)查和背景調(diào)查102＃罐材質(zhì)：15MnV,15MnVR內(nèi)徑：9.2m設(shè)計壓力：1.57MPa，經(jīng)常處較低容量壁厚：h=25mm坡口：X型液化石油氣：丙烷、丁烷、雜質(zhì)(NH3、CO、H2S)環(huán)境溫度：低斷口長度：13米，沿罐環(huán)焊縫B板一側(cè)HAZ擴展5米。主裂紋源位置：斷口上的人字紋表明，裂紋源位于B4板HAZ。裂紋走向示意圖分析項目外觀檢查焊縫無損探傷母材成分HAZ硬度和金相組織檢查分析球罐焊接時的預(yù)熱溫度插銷裂紋試驗斜Y坡口對接裂紋試驗環(huán)境影響分析（應(yīng)力腐蝕）外觀檢查根據(jù)斷口特征和斷裂力學(xué)的估算，該球罐的破裂是屬于低應(yīng)力的脆性斷裂，主斷裂源在上環(huán)焊縫的內(nèi)壁焊趾上，長約65mm。經(jīng)宏觀及無損檢驗，上、下環(huán)焊縫焊接質(zhì)量很差，焊縫表面及內(nèi)部存在很多咬邊、錯邊、裂紋、熔合不良、夾渣及氣孔等缺陷。事故發(fā)生前在上下環(huán)焊縫內(nèi)壁焊趾的一些部位已存在縱向裂紋，這些裂紋與焊接缺陷（如咬邊）有關(guān)。球罐投入使用后，從未進行檢驗，制造、安裝中的先天性缺陷未及時發(fā)現(xiàn)和消除，使裂紋擴展，當(dāng)球罐內(nèi)壓力稍有波動便造成低應(yīng)力脆性斷裂。母材成分鋼號CMnSipSV15MnV≤0.181.20～1.600.20～0.60≤0.030≤0.0300.04～0.1215MnVR≤0.181.20～1.600.20～0.55≤0.030≤0.0200.04～0.12HAZ最高硬度試驗預(yù)熱溫度T0/℃2580180200硬度/HV320297250225實際接頭:HV＝297~345實際預(yù)熱溫度<80℃

斜Y坡口對接裂紋試驗預(yù)熱溫度80℃不滿足要求

插銷裂紋試驗預(yù)熱溫度80℃不滿足要求

常見材料的焊接機電工程學(xué)院材料系6.3熱軋鋼及

正火鋼的焊接

合金結(jié)構(gòu)鋼的分類

按成份低合金鋼：合金元素總量<5%，單一元素≯2%；中合金鋼：合金元素總量5-10%，單一元素≯2-5%；高合金鋼：合金元素總量>10%，單一元素≮5%按用途強度用鋼：合金化的目的是為了提高鋼的強度并保證其具有一定的塑性和韌性特殊用鋼：合金化的目的是使鋼具有某些特殊性能強度用鋼熱軋及正火鋼（非熱處理強化鋼）低碳調(diào)質(zhì)鋼

中碳調(diào)質(zhì)鋼

微合金化控軋鋼

Ｚ向鋼（正火鋼）一、熱軋鋼及正火鋼1、熱軋鋼強化機理：固溶強化屈服強度：294～392MPa級合金系：C-Mn或Mn-Si系主合金化元素：Mn、Mn-Si輔合金化元素：V、Nb，達到細化晶粒和沉淀強化的作用使用狀態(tài)：熱軋狀態(tài)典型鋼種：16Mn組織：細晶鐵素體+珠光體2、正火鋼強化機理：固溶強化＋沉淀強化或細晶強化屈服強度：為343～490MPa合金系：C-Mn或Mn-Si(V、Nb、Ti、Mo)系主合金化元素：Mn、Mn-Si輔合金化元素：V、Nb、Ti、Mo（碳化物、氮化物元素）熱處理狀態(tài)：正火典型鋼種：15MnVN二、焊接性分析鋼名CMnSiSPVQ345（16Mn）0.12~0.201.20~1.600.20~0.60≤0.05≤0.05Q420（15MnVN）0.12~0.201.30~1.700.20~0.50≤0.05≤0.050.16~0.25Ceq=C＋Mn/6＋(Cr+Mo+V)/5＋(Ni+Cu)/15(%)

裂紋問題

接頭的脆化問題1、對熱裂紋的敏感性C↓Mn↑，Mn/S合格，抗熱裂性能↑材料成分不合格或嚴重偏析→局部C、S↑→Mn/S↓→熱裂紋↑冶金措施工藝措施2、對冷裂紋的敏感性熱軋鋼正火鋼3、再熱裂紋的敏感性熱軋鋼對再熱裂紋不敏感正火鋼中有一些含有強碳化物形成元素，但對再熱裂紋不敏感正火+回火鋼，如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性4、層狀撕裂有可能板厚小于16mm時不容易發(fā)生Z向收縮率＞20％，可以避免防止措施5、焊接接頭的脆化（1）過熱區(qū)的脆化奧氏體嚴重長大難熔質(zhì)點的溶入形成高碳馬氏體熱軋鋼－正火鋼含V、Nb的正火鋼－過熱區(qū)沉淀相固溶，奧氏體晶粒顯著長大，產(chǎn)生不利的組織轉(zhuǎn)變；含鈦正火鋼－過熱區(qū)的TiN、TiC都向奧氏體內(nèi)溶入，來不及析出而停留在鐵素體中，導(dǎo)致硬、脆（2）熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象：熔合區(qū)及200-400℃區(qū)發(fā)生脆化原因：碳、氮原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘扎作用鋼種：固溶氮含量較高的低碳鋼和強度級別不高的低合金鋼消除措施：加入足夠量的氮化物形成元素焊后消除應(yīng)力退火1、焊接材料的選擇選擇相應(yīng)強度級別的焊接材料考慮熔合比和冷卻速度的影響必須考慮焊后熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響滿足焊縫對特殊性能的要求三、焊接工藝特點2、焊接工藝參數(shù)的確定（1）焊接線能量對熱軋鋼[C]↓→E↓，[C]↑→E↑正火鋼強度級別較低：線能量↓強度級別更高、碳、合金元素較高：線能量↑；線能量↓＋預(yù)熱（2）預(yù)熱防止裂紋和適當(dāng)改善焊接接頭性能（3）焊后熱處理C(碳)

Si(硅)P(磷)S(硫)Cr(鉻)Ni(鎳)Al(鋁)Mn(錳)V(釩)Nb(鈮)Ti(鈦)≤0.20≤0.55≤0.035≤0.035≤0.70≤0.70≤0.151.00~1.700.02~0.200.015~0.060

0.02~0.20Q460化學(xué)成分Ceq=0.40%~0.47%

管線鋼的焊接CSiMnPSCrMoNiAl0.0550.20021.39710.00170.00190.03180.31840.26360.0173CuNbTiVPbSnAsBiCa0.23730.06790.01510.0400.00090.00380.00390.00940.0015SbBZnNFePcmCeq<0.00100.0006<0.0015<0.000596.790.200.49某鋼廠生產(chǎn)的X80管線鋼的化學(xué)成分（wt%）典型的X100管線鋼的化學(xué)成分典型的X100管線鋼的力學(xué)性能

冷裂紋

脆化

HAZ軟化防止：E、T0、窄間隙、加合金元素（Nb、V、Ti）焊接性分析長輸管線的焊接1、坡口加工管壁不等厚坡口的加工2、組對及定位焊3、預(yù)熱4、焊接5、焊后熱處理6、檢驗焊縫：外觀檢查（寬度、余高、缺陷等）射線、超聲波探傷6.5低碳調(diào)質(zhì)

鋼的焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼碳含量：在0.09-0.23%，大部分0.16-0.18%強化機理：相變強化（調(diào)質(zhì)處理〕屈服強度：為490MPa～1000MPa合金系：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系主合金化元素：Mn、Ni、Cr、Mo輔合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu熱處理狀態(tài)：淬火＋回火，低碳馬氏體或下貝氏體，綜合機械性能好典型鋼種：14MnMoVN、HT60~HT80、HY80～HY130

過熱區(qū)脆化

HAZ軟化裂紋？一、焊接性分析CSiMnPSMoVN0.140.301.410.0120.0250.470.130.01514MnMoVN1.過熱區(qū)脆化母材的強度越高，軟化越顯著調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低，軟化區(qū)越寬焊接熱