(培训5)典型结构缺陷、质量控制方法、缺陷返修

《蓝领杯》高级焊工培训焊接质量控制教学内容：1、典型结构焊接缺陷2、缺陷返修3、质量控制方法教学目的：通过学习使员掌握焊接缺陷的常见种类及成因，并能对焊件进行检验，掌握焊接过程中质量控制的方法与技术。教学要求：焊接质量控制要结合生产中的案例进行讲解。教学建议：图片教学和案例教学。典型容器和结构的缺陷一、压力容器缺陷二、梁、柱缺陷一、压力容器缺陷对于锅炉、压力容器等承压设备壳体，其焊接接头质量的好坏，将直接影响结构的可靠性。而焊接缺陷的类型与数量则是焊接质量评定的基本指标。焊接检验的目的在于防止和发现焊接缺陷，并对其作出适当处理，以确保设备的使用安全。焊缝外部形状和尺寸的缺陷，主要有错边、角变形、咬边、未焊满及焊缝余高过大等。焊缝外部的形状与尺寸，虽和焊缝内部质量没有必然的联系，但却会造成相当大的应力集中，成为诱发破坏事故的主要原因之一。焊接缺陷类型常见的焊接缺陷有咬边、凹陷、焊瘤、气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等。通常按缺陷在焊缝中的位置不同，分为外部缺陷和内部缺陷两大类。外部缺陷有表面裂纹、表面气孔、咬边、凹陷、满溢、焊瘤、孤坑等，这些缺陷主要与焊接工艺和操作技术水平有关。还有些是外观形状和尺寸不合要求的外部缺陷，如错边、角变形和余高过高等。内部缺陷常见的有各种裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹渣和夹钨等。焊接缺陷的危害焊接缺陷对设备的影响，主要是在缺陷周围产生应力集中，严重时使原缺陷不断扩展，直至破裂。同时，焊接缺陷对疲劳强度、脆性断裂以及抗应力腐蚀开裂都有重大的影响。由于各类缺陷的形态不同，所产生的应力集中程度也不同，因而对结构的危害程度也各不一样。气孔焊缝中的气孔一般呈单个球状或群状，因此气孔周围应力集中并不严重，其应力集中系数一般不大于2.5。若焊缝中出现成串或密集气孔时，由于气孔的截面比较大，因此，成串气孔要比单个气孔危险得多。在多层高压容器焊接中，由于层板间有油、锈等杂物，在坡口面堆焊时易产生气孔在环焊缝焊接时，在X光底片上，环焊缝的半熔合区产生带尾巴的气孔，形状似蝌蚪。夹渣的危害与其形状和尺寸有关。当夹渣呈连续的细条状且排列方向垂直于受力方向时，是比较危险的。裂纹、未熔合和未焊透比气孔和夹渣的危害都大，它们不仅降低了结构的有效承载截面积，而且更重要的是产生应力集中，有诱发脆性断裂的可能。尤其是裂纹，在其尖端存在着缺口效应，容易出现三向应力状态，会导致裂纹的失稳和扩展，以致造成整个结构的断裂，所以裂纹是焊接结构中最危险的缺陷。在锅炉和压力容器中，不允许存在任何裂纹和未熔合。未焊透，系指基体金属和焊缝金属之间未被电弧熔化而留下空隙的一种焊接缺陷，常发生在单面焊根部和双面焊中部。这等于在焊缝上存在一个缺口，因此，未焊透往往是导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。国内外都曾出现过因未焊透而引起容器破坏的事例。例如，某国一根外径为120mm，壁厚为14mm的高压油管，因为在单面对接焊缝中有3～5mm未焊透，结果在该处产生疲劳裂纹并贯穿到外壁，高压油呈雾状喷出，造成爆炸并发生火灾。又如国内一台多层式高压容器，封头和筒体连接环缝的根部有未焊透，因而在水压试验中发生脆断，造成封头掉头事故。所以，在压力容器中，全焊透结构不允许存在未焊透缺陷。咬边是指焊缝与基体金属之间出现的凹陷，它将造成应力集中。试验研究结果表明，咬边严重时其应力集中系数往往超过3，对脆性断裂、疲劳寿命和抗应力腐蚀能力均会带来不良后果。未焊满系指焊缝坡口未被熔注金属填满，因而使焊缝的高度低于基体金属。焊缝余高过大是指焊缝上熔液金属超出基体金属表面的高度，超过了标准允许的范围。未焊满和余高过大，均属形状不连续区，因而会造成应力集中，妨碍无损探伤的操作，严重时易在该处诱发缺陷。错边是指对接焊缝的两个接头不平齐而产生的位错，角变形是指对接焊缝两边虽已对平，但两块板的中心线不在同一直线上，即在焊缝处有折角。角变形主要由焊接变形产生，而错边是由于卷板和焊前装配错误造成的。这两种缺陷，主要是在焊缝局部区域会因结构不连续而产生附加弯曲应力。1968年4月，日本千叶发生的球形容器脆性破坏事故，其主要原因就是由于焊缝外部形状和尺寸造成的缺陷。该球形容器容积为1000m3，内径12.5m，顶板厚27mm，底板厚28mm。在现场装配焊接时，把顶板上一块厚27mm的月牙板，错用在底极板上，因顶极板比底极板小20mm，焊缝对不上，不得不另嵌进钢板再进行焊接，焊缝两侧错边约3mm，角变形约6°～7°。结果在水压试验时，整个球体突然破裂，裂缝全长约1000mm，并有一块230×70mm的碎片飞出。事后查明，裂缝是从错边及角变形处开始的，因而认为这是脆断的主要原因。二、梁、柱缺陷焊接中，同样会产生内部或外部缺陷除此之外，就是焊接变形关键的问题：防止焊接变形减小和预防变形的措施1.焊接结构的合理设计(1)选择合理的焊缝形状和尺寸•(2)减少焊缝的数量•(3)对称布置焊缝2.工艺措施(1)选择合理的装配焊接顺序•(2)反变形法•(3)刚性固定法•(4)合理地选择焊接方法和焊接参数•(5)热平衡法•(6)散热法二、控制焊接残余变形的措施1.焊接结构的合理设计合理的结构设计能有效地减小焊接残余变形，主要可以从以下几个方面考虑。(1)选择合理的焊缝形状和尺寸在保证结构具有足够承载能力的前提下，应采用尽量小的焊缝尺寸。尤其是角焊缝尺寸，对于结构中仅起联系作用或受力不大的角焊缝，应按板厚选取工艺上可能的最小焊缝尺寸；对于受力较大的T形或十字接头，在保证强度相同的条件下，采用开坡口的焊缝比不开坡口的角焊缝可减少焊缝金属，对减小角变形有利，如图1-14所示。坡口形式不同，角变形量不同.(2)减少焊缝的数量只要允许，多采用型材、冲压件；(3)对称布置焊缝.合理安排焊缝位置梁、柱等焊接构件常因焊缝偏心配置而产生弯曲变形。合理的设计应尽量把焊缝安排在结构截面的中性轴上或靠近中性轴，力求在中性轴两侧的变形大小相等方向相反，起到相互抵消作用。如图1-16所示箱形结构，图1-16a中焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大，图1-16b的焊缝安排合理。2.工艺措施合理的制订工艺也能有效地减小焊接残余变形，主要可以从以下几个方面考虑。(1)选择合理的装配焊接顺序1)大型而复杂的焊接结构，只要条件允许，应分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。这种“化整为零，集零为整”的装配焊接方案的优点是，部件的尺寸和刚度小，可利用小型胎夹具控制变形，并有利于焊件的翻转与变位。更重要的是，可以把影响总体结构变形的因素分散到各个部件中，以减小或消除其不利影响。应当注意的是，所划分的部件应易于控制焊接变形，部件总装时焊接量少，同时也便于控制总变形。2)正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图1-22a所示的桥式起重机的主梁结构。梁的大部分焊缝处于箱形梁的上半部分，其横向收缩会引起梁下挠的弯曲变形，而梁制造技术中要求该箱形主梁具有一定的上拱度，为了解决这一矛盾，除了将左右腹板预制上拱度外，还应选择最佳的装配焊接顺序，使下挠的弯曲变形最小。根据该梁的结构特点，一般先将上盖板与两腹板装成п形梁(图1-22b)，最后装下盖板，组成封闭的箱形梁。п形梁的装配焊接顺序是影响主梁上拱度的关键，应先将各长、短肋板与上盖板装配，焊A焊缝，然后同时装配两块腹板，焊B和C焊缝。这时产生的下挠弯曲变形最小。因为使п形梁产生下挠弯曲变形的主要原因是A焊缝的收缩，A焊缝离п形梁截面中性轴越近，引起的弯曲变形越小。该方案中，在装配腹板之前焊A焊缝，结构中性轴最低，因为焊缝A距梁的截面中性轴最近，引起的下挠变形就小。因此，该方案是最佳的装配焊接顺序，也是目前类似结构在实际生产中广泛采用的一种方案。3)对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。如图1-23a所示压力机的压型上模，截面中性轴以上的焊缝多于中性轴以下的焊缝，若装配焊接顺序不合理，最终将产生下挠的弯曲变形。解决的办法是先由两人对称地焊接1和1′焊缝(图1-23b)，此时将产生较大的上拱弯曲变形ｆ1并增加了结构的刚性，再按图1-23c的位置焊接焊缝2和2′，产生下挠弯曲变形ｆ2，最后按图1-23d的位置焊接3和3′，产生下挠弯曲变形ｆ3，这样ｆ1近似等于ｆ2与ｆ3之和，并且方向相反，弯曲变形基本相互抵消。4)焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。如图1-24所示的圆筒体对接焊缝，应由2名焊工对称地施焊。5)长焊缝(1m以上)焊接时，可采用图1-25所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形。(分中分段退焊法、交替焊法、跳焊法、分中对称焊法)(2)反变形法反变形法是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形(反变形量与焊接形量相等)，使之达到抵消焊接变形的目的。此法很有效，但必须准确地估计焊后可能产生的变形方向和大小，并根据焊件的结构特点和生产条件灵活地运用。反变形法主要应用于控制角变形和弯曲变形，如图1-17所示是几种不同焊接方法和不同焊接结构运用反变形法防止变形的示例。(3)刚性固定法采用适当办法来增加焊件的刚度或拘束度，可以达到减小其变形的目的。常用的刚性固定法有以下几种：薄板焊接时，可将其用定位焊固定在刚性平台上，并且用压铁压住焊缝附近，如图1-18所示，待焊缝全部焊完冷却后，再铲除定位焊缝，这样可避免薄板焊接时产生波浪变形。T形梁焊接时容易产生角变形和弯曲变形，可以将两根T形梁组合在一起，如图1-19所示，使焊缝对称于结构截面的中心轴，同时大大地增加了结构的刚性，并配合反变形法(图中采用垫铁)，采用合理的焊接顺序，对防止弯曲变形和角变形有利。对接拼板时，可以利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。如图1-20所示为利用夹紧器将焊件固定，以增加焊件的拘束，防止构件产生角变形和弯曲变形的应用实例。单件生产中采用专用夹具在经济上不合理。因此，可在容易发生变形的部位焊上一些临时支撑或拉杆，增加局部的刚度，能有效地减小焊接变形。图1-21所示是防护罩焊接时用临时支撑来增加拘束的应用实例。(4)合理地选择焊接方法和焊接参数各种焊接方法的热输入不相同，因而产生的变形也不一样。能量集中和热输入较低的焊接方法，可有效地降低焊接变形。用CO2气体保护焊焊接中厚钢板的变形比用气焊和焊条电弧焊小得多，更薄的板可以采用脉冲钨极氩弧焊、激光焊等方法焊接。电子束焊的焊缝很窄，变形极小，一般经精加工的工件，焊后仍具有较高的精度。如图1-26所示的不对称截面梁，因焊缝1、2离结构截面中性轴的距离s大于焊缝3、4到中性轴的距离s′，所以焊后会产生下挠的弯曲变形。如果在焊接1、2焊缝时，采用多层焊，每层选择较小的热输入；焊接3、4焊缝时，采用单层焊，选择较大的热输入，这样焊接焊缝1、2时所产生的下挠变形与焊接焊缝3、4时所产生的上拱变形基本相互抵消，焊后基本平直。(5)热平衡法对于某些焊缝不对称布置的结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊接同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减小或防止焊件的弯曲变形。如图1-27所示，采用热平衡法对边梁箱形结构的焊接变形进行控制。(6)散热法散热法就是利用各种办法将施焊处的热量迅速散走，减小焊缝及其附近的受热区，同时还使受热区的受热程度大大降低，达到减小焊接变形的目的。图1-28a所示是水浸法散热示意图，图1-28b是喷水法散热，图1-28c是采用纯铜板中钻孔通水的散热垫法散热。2.缺陷返修返修及修补程序外观检查不合格提出返修通知单返修工艺缺陷定位无损检测合格质量检验焊接缺陷清除及清理A.返修前的准备1.返修人员为了保证压力容器、压力管道、锅炉等焊接产品质量，进行返修的焊工必须按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》进行考试，并取得合格证，才能在有效期内，在合格的材料、位置、焊接方法等范围内，按照焊接工艺指导书从事焊接返修工作，因为外观质量的好坏，在很大程度上反应了焊工的操作技能水平。2.制定返