焊接结构基础技术培训教程

1一、焊接基本概念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压，或两者并用。两件可为同种或异种材料（金属和非金属）。2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、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、软化等组织。由于不均匀加热及冷却，产生不均匀应力和变形，形成裂纹。二、焊接过程的特点及影响HAZ组织与性能5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在一定的工艺要求下能否获得优良接头的性能和该接头能否在使用条件下可靠地运行的性能。焊接性不仅与材料本身的固有性能有关，而且与焊接材料、焊接方法与工艺、环境条件、焊接工艺参数等有关。工艺焊接性：是指金属或材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。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。常规的力学性能(强度、塑性、韧性等)或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。常用金属材料的焊接性能6金属材料的焊接性能与金属材料的化学成分有很大关系；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。国际焊接学会5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIW焊接性与碳当量的关系常见焊接缺陷原因分析及对策气孔未熔合未焊透夹渣焊缝咬边焊接热裂纹焊接冷裂纹层状撕裂主要内容焊接接头的一般设计原则；焊接应力与变形；焊接结构强度：焊接结构的静载强度；焊接结构的脆性断裂；焊接结构的疲劳破坏。三、焊接结构联系焊缝——焊缝与被焊工件并联的接头，焊缝传递很小的载荷，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效工作焊缝——焊缝与被焊工件串联的接头，焊缝传递被焊工件所承受的全部载荷，焊缝一旦断裂，结构会立即失效双重性焊缝焊接接头一般设计原则（a）对接接头；受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。1).对接接头结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。特点：2、焊接接头分类（b）角接接头；（c）搭接接头结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重2)．角接头和T型接头结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T型接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝。特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。3)．搭接接头结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。特点：4)．塞焊焊接坡口——为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。坡口选择因素——①尽量减少填充金属量；②保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；③便于施焊，改善劳动条件；④减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。Ⅰ形V型单边V形U形J形基本坡口形状组合形状坡口形状3、坡口形式GB/T985《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝破口基本形式与尺寸》坡口的基本形式特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。J型U型单边V型V型I型L≧3（δ-δ1）以对接Y形坡口为例：坡口角度α：35～60°，α太大增加加工余量、焊接成本和变形；钝边高度p：需要熔透时一般为1～3mm；根部间隙b：保证钝边熔透，一般2～4mm，过大容易形成虚焊；坡口深度H：根据需要的焊缝厚度来设定。bpαH4、角焊缝设计原则角焊缝的焊脚尺寸K的设计a.根据有效截面大小选择焊脚尺寸。焊脚尺寸K与焊缝有效截面大小a的关系如下图：KKaKha等边角焊缝：a=0.707K非等边角焊缝：hKKha22随着h/k比率的增加，焊缝承受横向应力的能力相应增加，直到比率为2.75为止。焊脚高度K一般为3-20mmb.焊脚尺寸K与板厚δ：如图双面等边角焊缝：若δ1＜δ2，则a1+a2≥δ1δ1δ2K2K1a2a1板二板一c.美国钢结构学会AISC-1.17.6规定：厚度小于1/4寸（6.35mm）的材料，沿端边起最大K可以与材料厚度相等；厚度等于或大于1/4寸的材料，沿端边起最大垂直K比材料厚度要小1/16寸（1.6mm），在图纸上特别规定要求焊缝获得全厚度焊缝高的除外。4、焊缝设计原则d.美国焊接学会结构的焊接规程(D1.1-72)a.I形破口对接焊缝（包括I形带垫板对接焊缝）见图。其焊缝宽度c=b+2a及余高h值应符合表1的规定4、对接焊缝设计原则b.非I形破口对接焊缝见图。其焊缝宽度c=g+2a及余高h值应符合表1的规定《GB10854钢结构焊缝外形尺寸》4、对接焊缝设计原则b.非I形破口对接焊缝见图。其焊缝宽度c=g+2a及余高h值应符合表1的规定焊接应力与变形焊接应力焊接变形500600σsT/℃屈服强度随温度变化示意图0200400600800100012001400-0.0050.0000.0050.0100.0150.020热应变ε/%温度T/℃L原始加热冷却后原始加热冷却后△L△L1L自由状态刚性装夹温度变化21热膨胀或收缩热应力（自身拘束）机械阻碍应力（外部拘束）固态相变（伴随比容变化）受阻受阻相变应力焊接应力的形成宏观应力微观应力22加热过程冷却过程1.对结构静载强度影响焊接产生的残余应力与外部载荷联合作用下，应力相互叠加塑性很好的材料，叠加应力峰值达到屈服点后，产生塑性变形，释放了峰值处的应力，应力不再增大；参与内应力对结构件承载力影响不大。塑性较差的材料，当外力与内应力叠加超过屈服点，没有足够的塑性变形释放应力，超过抗拉强度σb时，可能发生局部断裂。注意缺口效应——缺口尖端出现三向拉应力，导致材料变脆。焊接残余应力对焊接件结构的影响分析图σsσσBbp原始承载截面:F1=B×δ残余应力存在,bp区金属已经屈服。使有效承载截面变为:F2=(B－bp)×δ显然:F2F1即，承载截面下降！＜＋2.对结构加工尺寸精度的影响加工切削了部分材料，内应力平衡破坏，应力重新分布，结构件变形。3.对压杆稳定性的影响实质：降低构件的有效承载截面！使其抗弯能力不足。4.应力腐蚀的影响实质：拉应力使裂纹表面的钝化膜破坏。焊接残余应力对焊接件结构的影响压杆稳定性的降低分析(参考图例)＋－－＋σsxx残余应力的存在,使截面惯性矩IX大大下降!相当于有效承载截面大大削弱(收缩为蓝区)屈服区承载区残余外载叠加－－＋－设计原则（影响远大于工艺解决）1.尽量减少焊缝截面，保证强度前提下减少填充金属数量；（超大焊缝≠超强强度）2.焊缝尽量布置在最大工作应力之外，防止残余应力与外加载荷应力叠加；3.尽量防止焊缝密集、交叉；4.采用局部降低刚度的方法；5.采用合理的焊接接头形式。预防与消除焊接残余应力的措施工艺措施1.合理的装配焊接顺序；2.能量密度集中的焊接方法；3.线能量小的工艺参数；4.降低焊缝拘束度，补偿焊缝收缩量；5.局部加热，在构建相应部位形成可补偿焊缝收缩变形；6.预拉伸补偿焊缝收缩；7.锤击多层焊缝中间层。预防与消除焊接残余应力的措施整体热处理（参考：JB/T6046碳钢、低合金钢焊接构件焊后热处理方法）1.去应力退火处理；碳钢及低合金钢580-680℃；保温时间每毫米厚度1-2min，但不低于30min，厚板不高于3h。2.对于高强钢材料，焊后调质处理回火，可取代消除残余应力的回火。对部分钢材存在问题再热裂纹，强度级别较高的铬钼钢；母材性能降低，（中低温回火的易淬火钢材）局部热处理振动时效法构件发生共振是振幅较大，振动引起的应力与残余应力叠加达到屈服点，应力释放，峰值应力降低。GB/T25712-2010《振动时效工艺参数选择及效果评定方法》焊后消除残余应力的方法焊接残余应力的测定测定方法非破坏性测试方法（物理法）X射线衍射超声波法磁性法局部破坏性方法（机械法）裁条法小孔法盲孔法套孔法逐层铣削法焊接残余变形★1.认清焊接残余变形的实际危害；2.理解焊接残余变形的影响因素；3.掌握焊接残余变形的控制措施；4.学会焊接残余变形的矫正方法。1.焊接残余变形的危害1）工艺性能：影响结构成型（形状和尺寸）精度，降低零部件的互换性。致使装配难度提高，必要时需调修；否则，会影响装配质量；2）使用性能：降低构件的承载能力，甚至引起事故；波浪变形—容易诱发构件受压失稳；角变形及错边—产生附加弯矩，导致应力集中；3）外观质量：波浪变形、角变形、扭曲变形、弯曲变形、焊接错边，均影响产品的外观质量，应按照相关规范加以控制；4）经济成本：矫正变形需投入设备、耗费工时、浪费能源；有甚者，以至无法矫正而报废；损失就更大！2.焊接残余变形的影响因素1）材料热物理特性—线胀系数、导热系数等；2）结构刚性—整体刚性，局部刚性，附加拘束等；3）焊接填充量—涉及接头、坡口形式及角度；4）焊缝分布及数量—影响焊缝收缩力大小；5）装焊顺序—装配、焊接次序及施焊方向；6）焊接热输入—线能量—焊接方法及规范；7）工艺操作技巧—如：对称焊、多层、多道焊，分段退焊，锤击焊道，短弧焊，减少摆动等。8）电弧对中及冷却—影响焊接错边及变形量；9）间隙与点固—装配间隙大小，点固焊道数量、点固长度、位置等；影响焊接错边及变形量；10）焊接区应力状态—涉及工件支撑、初始应力等；3.焊接残余变形的预防及控制措施设计措施1）接头局部：选择填充量小的焊缝尺寸及坡口形式；例如：厚板V型坡口可用X破口取代，更厚的用U型坡口。保证质量前提下，尽量减小焊缝尺寸。参考：《GB/T985.1-2008气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》3.焊接残余变形的预防及控制措施设计措施3）结构总体：减少焊缝数量（降低累积效应）；例如：尽量采用冲压－焊接结构，铸－焊结构。对于次要焊缝，可将连续焊改为断续焊。4）选用轧制型材、锻件、铸件和钣金成型件构成最佳焊接结构5）因焊缝横向收缩比纵向显著，应尽可能将焊缝布置在平行于要求焊缝变形最小的方向6）尽量设计焊缝分布对称的结构；7）分部件焊接，使部件总装后的焊接工作量最小，减少总装时的变形。工艺措施**1）合理的组焊顺序*（最灵活的控制措施之一）2）合理的焊接顺序*（最灵活的控制措施之一）3）刚性固定法*4）合理选择焊接方法和焊接参数*5）反变形法*6）热平衡法1）合理组焊顺序（1）对称结构：先装配再焊接，使结构件刚性增大；（2）非对称结构：先焊接焊缝少的一侧，使达到反变形的效果。123456123456a)b)15432321（1）接头局部方面：调整焊道次序；多层多道焊接；先焊接的焊缝影响大。2）合理焊接顺序2)结构件整体:a.分段退焊法b.分中分段退焊c.跳焊法d.交替焊法e.分中对称焊法钻桅长焊缝焊接顺序示意图2）合理焊接顺序3)合理选择焊接方向:2）合理焊接顺序焊前对焊件加刚性约束，强制焊件在焊接时不能自由变形。基本原理：力图使焊缝区在冷却过程产生较大的拉伸塑性变形，以抵偿加热过程产生的热压缩塑性变形。优势：该方法减少变形有效，可控性强，适用面广；适用于形状复杂，尺寸不大，又成批生产的焊件。对一些形状大，数量不多焊件，可在易发生变形部位拉筋缺点：有些大件不易固定，且撤出固