焊接工艺及焊接缺陷基础教育

品质改变世界1焊接工艺基础知识路机研究院工艺所2007年6月26日品质改变世界2一、焊接基本概念焊接工艺基础知识焊接：是通过加热或加压或两者并用，用（或不用）填充材料将同种（或异种）金属材料实现原子之间结合的加工方法。促进原子或分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加热，或两者并用。两件可为同种或异种材料（金属和非金属）。品质改变世界3二、焊接方法分类焊接工艺基础知识根据在焊接过程中金属材料所处的状态，焊接方法分熔焊、压焊和钎焊等三大类。熔焊：将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。常见的有电弧焊、气焊、电渣焊、埋弧焊及各种气体保护焊、激光焊等。其中又分为熔化极和非熔化极：熔化极有焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊（MAG）、氩弧焊（MIG）、气保焊；非熔化极有钨极氩弧焊（TIG）、等离子弧焊等。品质改变世界4焊接工艺基础知识压焊：在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法，称为压焊。加热压焊有电阻焊、气压焊、高频焊、锻焊、接触焊、摩擦焊等；不加热压焊有的方法有冷压焊、超声波焊、爆炸焊等。钎焊：是硬钎焊和软钎焊的总称，是采用比母材熔点低的金属作填充材料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔点的温度，利用液态钎料湿润母材，并填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。硬钎焊：采用硬钎料，钎料熔点在450℃以上；软钎焊：采用软钎料，钎料熔点在450℃以下。常见的钎焊方法有烙铁钎焊和火焰钎焊。主要特点是母材不熔化。品质改变世界5焊接工艺基础知识热作用局部性：与热处理不同，属于不均匀加热。瞬时间性：热源以一定速度（300mm/min左、右）移动，加热速度快，可达到1500℃/S，短时间内可将大量热量从加热源传递到焊接工件上，而母材迅速将热量导出而冷却降温。焊接加热过程对焊缝质量的影响：影响熔池金属的理化反应，造成不完全偏析，形成气孔、夹杂等缺陷。由于热传导过程，使焊缝区域金属产生淬硬、脆化、软化等。由于不均匀加热及冷却，产生不均匀应力状态和变形，导致裂纹。三、焊接过程特点及影响品质改变世界6焊接工艺基础知识焊缝熔池的一次结晶：在焊接过程中，当焊接热源离开后金属有液体转变成固体的过程为一次结晶；特点为：熔池体积小，冷却速度快，电弧焊时熔池体积为30cm3，质量约为200g；冷速大约为100℃/S，当含C量高、合金元素较多的钢材将较易产生淬硬组织（马氏体），产生结晶裂纹。熔池液态金属处于过热状态，温度为1770±100℃，超过金属熔点，合金元素烧损严重。熔池在运动过程状态下结晶，熔池与热源作同速移动，熔池前半部处于熔化，后半部处于结晶状态，熔池在运动下结晶。品质改变世界7焊接工艺基础知识偏析：合金钢中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。在一次结晶过程中，冷速快，已凝固金属中的化学成分来不及扩散，造成分布不均匀，从而产生偏析。偏析分为显微偏析、区域偏析、层状偏析等三种。二次结晶：当高温焊缝冷却到室温时，需要经过一系列的组织相变过程称为二次结晶。焊接过程中，熔滴过渡形态有粗滴过渡、短路过渡和喷射过渡。品质改变世界8焊接工艺基础知识目的：对焊接区域进行保护的目的是防止空气侵入熔滴和熔池，以减少焊缝金属中的H、N、O等含量。保护一般分为三种：气体保护：Ar、CO2等（目前公司主要采用富氩气体保护，成分为80%Ar+20%CO2)；渣保护：埋弧焊（采用焊剂HJ431、HJ330等）；气—渣联合保护：焊条电弧焊（焊接材料采用电焊条）。四、焊接过程中的保护原理及方法：品质改变世界9焊接工艺基础知识焊接方法表示法焊接方法的英文缩写：电弧焊——AWCO2气体保护焊——CO2W埋弧自动焊——SAW钨极氩弧焊——GTAW电阻焊——RW（其中：电阻点焊——RSW；电阻缝焊——RSEW）焊接方法数字表示法：无气体保护的电弧焊——11（其中：手工电弧焊——111）埋弧焊——12（其中：丝极埋弧自动焊——121）熔化极气体保护电弧焊——13（其中：CO2气体保护焊——135）非熔化极气体保护焊——14（其中：钨极氩弧焊——141）电阻焊——2（其中：电阻点焊——21；电阻缝焊——22；电阻对焊——25）气焊——3五、几种常用焊接方法的表示法品质改变世界10焊接工艺基础知识概念：金属材料的焊接性能是指材料对焊接加工的适应性；即指金属用一定的焊接方法和工艺要求下能否获得优良的接头的性能和该接头能否在使用条件下可靠地运行。使用焊接性：焊接接头或整个结构满足产品技术要求条件规定的使用性能和要求。焊接性不仅与材料本身的固有性能有关，同时也与许多焊接工艺条件有关。通过焊接试验来评定的主要标准，是产生裂纹的可能性和裂纹的多少，以及有无气孔的产生。六、常用金属材料的焊接性能品质改变世界11焊接工艺基础知识金属材料的焊接性能与金属材料的化学成分有很大关系，如：碳钢的焊接性能就比合金钢好；合金元素含量低的材料比合金元素含量高的焊接性能好；含碳量低的碳钢的焊接性能比含碳量高的好。一般用碳当量的大小来衡量:碳当量（CE）＜0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，可焊性优良，焊接时不必预热。碳当量（CE）=0.4%~0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热，控制线能量等工艺措施。碳当量（CE）＞0.6%时，淬硬倾向强，可焊性不好。品质改变世界12焊接工艺基础知识影响材料焊接性的主要因素：材料因素：物理性能：熔点、热导率、热容量等，如Cu、Al等热导率大，结晶快，易产生气孔等；化学性能：对氢、氮的敏感程度（主要影响元素C、S、P、O、N、H）；工艺因素：焊接方法、工艺参数、焊接顺序、预热、后热、焊后热处理等。结构因素：焊接结构和接头的设计形式（如形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置及截面形状）。使用条件：结构的工作温度、负载情况和工作介质等，如低温工作要求抗脆性断裂；交变载荷要求焊缝抗疲劳性能。品质改变世界13焊接工艺基础知识金属材料分类：按含碳量分：低碳钢、中碳钢、高碳钢按品质分：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢碳素钢的焊接性：碳素钢的焊接性随含C量的增加而变差，因为含C量较高的钢焊接时温度快速冷却下来容易被淬硬，而被淬硬的焊缝和热影响区因为塑性下降，在焊接应力作用下易产生裂纹。品质改变世界14焊接工艺基础知识碳素钢的焊接性能及工艺要求：中碳钢：淬硬倾向较大，热影响区产生低塑性的马氏体，焊接性能较差，35、45、55、ZG270-510、ZG310-570等，•中碳钢的焊接方法及工艺要求：预热和控制层间温度，一般在150℃左、右。尽量保证焊缝浅熔深焊接：采用小电流、小直径焊条或焊丝。焊接完成后进行热处理：消除应力处理580-650℃、后热150-200℃保温1.5-2小时。锤击焊缝法，消除焊接应力。品质改变世界15焊接工艺基础知识高碳钢：在焊接过程中会产生又脆又硬的高碳马氏体，容易形成裂纹，难以焊接。一般不用这类钢材制作焊接结构件。•焊接方法及工艺要求：先退火处理后再焊接操作。预热：预热温度及层间温度控制在350℃左、右。采用小电流、较低的焊接速度焊接。焊后保温缓冷。品质改变世界16焊接工艺基础知识概念：用焊接方法把金属材料连接起来的接头叫焊接接头。接头形式：对接接头：有Ⅰ形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口、单边U形坡口、双面U形坡口。T形接头：有I形坡口、单边V形、K形以及双U形坡口四种形式。角接接头：有I形坡口、单边V形坡口、V形坡口及K形坡口四种形式。搭接接头：分为I形坡口、圆孔内塞焊及长孔内角焊三种形式。卷边接头七、接头设计和形式品质改变世界17焊接工艺基础知识接头的设计和选择原则：根据产品的结构形状、尺寸、材质、技术要求等。根据采用的焊接方法及接头的基本特性。根据承载荷的性质、大小（如拉伸、压缩、弯曲、冲击等）。根据工作环境要求。根据变形与控制及施焊的难易程度。根据接头的焊前准备和焊接费用等。坡口的选择原则：保证焊件的焊接质量、焊缝能焊透。坡口容易加工（如U型坡口比V型坡口加工困难，费用高）。尽可能减少金属填充量。减少焊接变形。保证焊接可达性（如不能两面焊接的可选用单面V型或U型坡口）不同位置的焊接操作要求：（平焊、立焊、横焊、仰焊等四种操作方法）。品质改变世界18焊接工艺基础知识产生原理：在焊接过程中，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，因此焊缝和焊缝附近的金属温度很高，其余大部分金属不受热。受热金属的膨胀。而周围金属不受热，金属不膨胀，相当于钢性固定。于是，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，产生了压缩塑性变形。而焊完冷却后，焊缝和焊缝附近的金属，因收缩而变短，但又受到周围未受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。八、焊接应力与变形品质改变世界19焊接工艺基础知识应力分为：按产生原因分为：热应力：由于温差引起（温差应力），产生热裂纹。相变应力：由于局部金属发生组织相变。塑变应力：金属局部发生拉伸或压缩产生塑性变形后引起的内应力。按产生和存在时间分：焊接瞬时应力：和热应力无本质区别，热应力也是瞬时应力（暂时应力）残余应力：焊接完成冷却后残留在焊缝中的应力，其对结构的强度、防腐蚀性能和尺寸稳定均有影响。焊接变形：在焊接过程中产生的变形叫焊接变形。焊接变形的种类：纵向和横向的收缩变形、弯曲变形、扭曲变形、角变形和波浪变形等。品质改变世界20焊接工艺基础知识焊接残余应力的控制：焊接残余应力是可以通过结构设计和焊接工艺措施等进行调节和控制的，如降低残余应力产生的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力等。设计措施：尽量减少结构上的焊缝数量和尺寸：多一条焊缝就多一处内应力源，过大的焊缝尺寸，焊接时受热区域就大。避免焊缝过分集中，焊缝中间应保持足够的空间。在压力容器设计中要求较严格。采用刚性较小的接头形式。品质改变世界21焊接工艺基础知识工艺措施：采用合理的焊接顺序。降低焊缝拘束度。锤击焊缝：使焊缝金属延展，抵消一些焊缝区域的收缩，降低内应力，在焊缝强度高，塑性较差的材料中，一般在温度较高时锤击为好（温度区间为800-500℃）。加热减应区：加热那些阻碍焊接区域自由收缩的部位，使与焊接区域同时膨胀和收缩，减少焊接应力。品质改变世界22焊接工艺基础知识消除焊接残余应力的方法：整体高温回火（消除应力退火）：碳钢及低合金钢为580-680℃，时间一般不小于30min,也不必超过3小时。局部高温回火：只对焊缝及附近的局部区域加热。机械拉伸法。温差法。振动法。爆炸法。品质改变世界23焊接工艺基础知识预防和减少焊接变形的措施设计措施：合理选择结构的截面形状和尺寸。合理选择焊缝尺寸和形式：在保证焊缝强度、满足焊接工艺条件下，尽可能采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证强度相同的条件下，采用开坡口角焊缝可减少变形。在薄板结构中如果没有密封性等要求，则可用点焊或塞焊来代替长缝的熔化焊。尽可能减少不必要的焊缝：尽可能采用各种型材、冲压件和锻件。合理地安排焊缝位置：尽可能使焊缝布置对称于结构截面的中性轴，或者靠近中性轴。品质改变世界24焊接工艺基础知识工艺措施：反变形法：是焊接生产中常用的工艺措施。刚性固定法：在装配时可以用夹具、专用胎具、压铁、临时工艺支撑杆等来对构件进行刚性固定。合理地选择焊接方法和焊接规范：选用能量比较集中的焊接热源，可减少焊接塑性变形区，有效防止焊接变形。如：CO2气体保护焊，电流密度大，能量集中，线能量比较小，不仅生产效率高，而且构件的焊接变形比手工电弧焊小。选择合理的组装、焊接顺序：这是焊接结构生产中防止或减少变形十分重要的工艺措施。合理的装配焊接顺序不仅能减少构件的焊接变形，而且还能降低结构的焊接应力。在对焊接结构进行装配焊接时，有的需要整体装配后再进行焊接，而有的结构需分小总成装配焊接后再总装焊接。要根据具体的情况正确选择合理的