过程设备焊接培训课件(PPT 40页)

3焊接接头
焊接接头由焊接区和部分母材组成
焊接区—焊缝金属、熔合区和热影响区
3.1焊接接头的组织与性能
3.1.1焊缝金属
由熔化的母材和填充材料组成，其特点：
(1)存在铸造缺陷
冶金过程与铸造相似，因此它也存在一般铸
件中常产生的气孔、夹渣、偏析和晶粒粗大等缺
陷。
(2)存在有害气体元素O、N、H
O—以FeO及其他氧化物夹渣存在于晶界,
使韧性塑性↓
来源：焊接材料、空气
N—以Fe16O2及其他氮化物存在于晶界，
使韧性塑性↓↓，强度硬度↑，以N2存在时可形
成气孔。
来源：空气
H—高温时熔入，常温时来不及析出，以
过饱和状态（H原子）存在与晶格间隙内，可以
自由扩散，故称为扩散H。
危害：在晶格间隙汇集→H2→气孔；引起冷
裂纹
来源：空气、保护气体、焊接材料
工件表面油污、铁锈等
(3)存在夹杂物
熔池因冶金反应生成氧化物和硫化物等颗粒,
来不及浮出而残存于焊缝内部,主要是Si02,呈弥
散状态分布，对焊缝的危害大。
(4)存在杂质元素S和P
S主要以FeS和MnS形式存在于晶界,促生热裂
纹，并使韧性↓
来源:焊接材料
P主要以Fe2P和Fe3P形式存在，磷也是热裂
纹的促生元素，而且还使韧性(特别是低温韧性)
下降。
来源:焊接材料和母材.
3.1.2熔合区
(1)熔合区的构成
a.半熔化区
靠近热影响区一侧
产生原因:
电弧吹力和熔滴过渡使坡口熔化不均匀
母材晶粒取向不同造成的熔化不均匀
母材各点熔质分布不均匀
b.未熔合区(不完全熔合区)靠近焊缝一侧
是富集母材成分的焊缝区
熔池边缘的温度低，使对流和扩散过程进行
困难，导致母材与填充金属不能很好熔合.
母材与填充金属成分差异↑，未熔合区↑如
果填充金属成分与母材成分完全相同，未熔合区
会消失。
(2)熔合区的特点
a.化学成分和组织都极不均匀
b.两高一低的特点
残余应力和硬度↑，而韧性↓
3.1.3热影响区(HAZ)　　
熔合区外侧受焊接热循环的作用而发生组织
和性能变化的母材部分.材料不同,其组织性能亦
有区别.
(1)低碳钢与低强度合金钢(不易淬火钢)
热影响通常有四个区域(如图3-3所示)。
a.粗晶粒区（过热区）
1500～1100℃晶粒粗大的过热组织,塑性和
韧性↓,硬度↑,为接头中的最差部位.
b.细晶粒区(正火区)
1100～900℃相当于正火热处理,晶粒细小,
强度、塑性、韧性↑
c.粗细晶粒区（不完全正火区)
900～750℃在Ac3～Ac1之间部分发生相变,
但F不发生转变,高温下其晶粒↑,冷却时形成细珠
光体和铁素体，晶粒大小极不均匀，力学性能↓,
强度↓。
d.回火区（未发生组织变化区）
750～400℃相当回火热处理,强度稍有下降,
塑性↑，力学性能略有改善.
(2)易淬火钢
a.淬火区
Ac3以上,马氏体组织,硬且垂脆,易裂.
b.部分淬火区（不完全淬火区）
Ac3～Ac1温度区间,铁素体+马氏体组织,塑性
韧性↓，强度↓
c.回火区处于Ac1温度以下,韧性↑,强度、
硬度↓
(3)无相变钢
如奥氏体不锈钢,仅有过热区
(4)焊接热影响区的范围
影响区范围常以加热到相变温度的区域来定
热影响区的大小受多种因素影响，焊接方法、焊
件板厚、线能量及不同的施焊条件，都会使热影响区尺寸发生变化。表3—1列出了不同焊接方
法焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸.
3.2焊接接头的裂纹
3.2.1热裂纹
(1)热裂纹产生的原因
在熔池金属结晶过程中，低熔点共晶体被排
挤在晶界形成“晶间薄膜”，成为一个薄弱地
带，在拉应力作用下，裂开而形成热裂纹.
(2)热裂纹的类型
a.结晶裂纹
在结晶过程中，在固相线附近由于凝固金属
收缩时残余液相不足，致使沿晶界开裂.
主要发生在碳钢、低合金钢合和奥氏体钢的
焊缝中。
b.高温液化裂纹
热影响区由于含有低熔点共晶物被重新熔化,
在收缩应力的作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。
主要发生在含有Ni、Cr的高强度钢、奥氏体
钢、不锈钢的粗晶区内。
(3)热裂纹的影响因素与控制
a.化学成分
S,P易形成低熔点共晶物,造成偏析,危
害随C↑而↑
C易使S、P发生偏析形成的低熔点共晶
物聚集于晶界；降低硫在铁中的溶解度，而促成
硫与铁化合生成FeS，使热裂纹的倾向↑
Ni易于与硫形成低熔点共晶，促成热
裂纹的产生
Si当硅量大于0．4％时，容易形成低
熔点的硅酸盐夹杂，增加了形成热裂纹的倾向
Mn能改善硫化物的分布形态，使之由
FeS变成球状硫化物，从而使抗热裂性↑
b.焊缝系数Ψ↓，焊缝过窄，不利杂质上浮
反之抗裂性↑
c.碱性焊条和焊剂脱S、P性好抗热裂能力↑
d.通过预热减小焊接的冷却速度，以减小焊
接应力
e.采用收弧板，避免弧坑裂纹在工件上发生
3.2.2冷裂纹
(1)特征与危害
a.产生的温度和时间
-75～300℃，100℃时最常见
焊后立即出现，或经过一段时间出现(延
迟性，危害↑)
b.产生部位
热影响区
热影响区与焊缝交界的熔合线上
焊道下裂纹方向与熔合线平行或垂直
焊道趾裂纹焊缝与母材的交界处
根部裂纹常起源于焊缝根部的最大应力
处,发生在热影响区或在焊缝金属内趾
c.冷裂纹走向
宏观沿焊缝纵向或垂直方向
微观穿晶型、晶间型或穿晶与晶间混
合型
(2)影响因素与控制方法
a.淬硬组织(马氏体M)
C↑,合金元素↑,→M↑
冷却速度↑,M↑
线能量↓,冷却速度↑;焊速↑,冷却速度↑,
→M↑
预热,使冷却速度↓,→M↓
b.扩散氢
氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素
之一，并且使之具有延迟的特征
冷却速度↓,高温停留时间↑,H↓
缓冷:焊前预热,焊后保温
多层焊,后层对前层加热
减少H来源
对焊接材料进行烘干、除水处理
清理坡口污物
采用直流焊机
消除熔池中的H
选用低H焊条
焊后消H处理
(3)焊接应力
焊接应力↑，冷裂纹倾向↑
减小刚性,不强行施焊
及时消除应力热处理,使残余应力↓,H逸
出
3.2.3再热裂纹
某些低合金高强度钢，在进行消除应力热处
理或在较高温度下使用时，热影响区的粗晶部位
产生的裂纹
(1)特征
焊后重新在某较高温度时产生
发生在粗晶区中(1200～1350℃以上的区
域)
宏观走向为晶间型,有曲折和分叉
3.2.4层状撕裂
常产生在T形接头和角接接头上，而且多见
于厚板焊件
(1)特点和产生的原因
系低温开裂且均产生于热影响区内
横断面呈阶梯形，而且与钢板表面平行
产生原因钢板中存在硫化物、氧化物
等非金属夹杂物，钢板轧制时夹杂物→成片状,
分布在与表面平行的各层中，其变形能力↓↓断
面收缩率↓,在焊接应力作用下，夹杂物处首先
开裂并扩展→在各层之间相继发生，连成一体→
造成层状撕裂的阶梯性。
(2)危害
产生后不能修复
(3)影响因素与控制
严格控制钢材的含硫量
进行低强度堆焊(隔离焊),增加接头的应
变能力
对塑性差的材料,应变能力↓,采取预热
采用合理的焊缝结构
3.3焊接接头的应力
焊接接头的三种应力:残余应力、应力集
中、载荷应力
3.3.1焊接残余应力
(1)产生的原因
焊接过程中，随着焊接区温度的变化可以
产生三种内应力,即
热应力
焊件受热不均匀引起的应力,又称为温度应力
温度应力>σs时→塑性变形,冷却过程中，
弹性状态部分的收缩受到塑性变形部分的阻碍,→
新内应力。温度↓后，内应力保留于接头中，称
为焊接残余应力
组织应力
金属组织引起的应力。如马氏体组织↑，应
力↑
构件拘束应力
因构件热变形受到约束而产生
残余应力大小、分布十分复杂，与诸多因素
有关，实际中多用实测法确定。
(2)焊接残余应力的分布
应力状态
中、厚板(20mm以下)为平面应力
σx—纵向残余应力
σy—横向残余应力
厚板
σz—厚度方向残余应力
作用范围
焊缝两侧200～300mm以内
在焊缝及其附近σx、σy多为拉应力
σx引起横向裂纹
σy引起纵向裂纹,沿焊缝长度方向
σz引起层状撕裂
a.厚板中的残余应力
δ=240mm的电渣焊,三向均为拉应力

厚板多层单面对接电弧焊
在厚度上的内应力σx、σy在表面为拉应力
σz可能为压应力，亦有可能为拉应力
σy在根部↑↑,>>σs,因每焊一层都使焊接
接头产生一次角变形,引起一次塑性变形
多次塑性变形的积累→硬化→σb→开裂
b.接管角焊缝中的残余应力
切向应力σt(σx)在焊缝及其附近区是拉应
力，远离焊缝是压应力
径向应力σr(σy)都是拉应力
接管直径越小,壁厚越大,则刚度↑,约束↑,
σt(σx)↑,→裂纹
(3)焊接残余应力的危害
a.对静强度的影响
塑性材料
对静强度无影响,不影响结构的总体承裁
能力
脆性材料
残余应力→σs,不发生局部屈服变形,随着
外力↑,应力峰值↑,→σb→开裂
b.增加结构脆断的倾向
高强度金属材料，均有一定的断裂韧性k1c
K1∝σ
焊接残余应力的存在，将使σ↑，故K1↑
当K1>K1c时，构件就将发生脆性断。
c.增加应力腐蚀破裂倾向
腐蚀环境+拉应力→应力腐蚀开裂的条件
残余应力+工作应力叠加→使局部应力↑→
应力腐蚀开裂
对于在应力腐蚀环境下使用的压力容器设备,
焊后必须进行消除应力热处理
d.对加工精度和尺寸稳定的影响
若零件存在残余应力→切削等机械加工，则
先加工好的部分，将因后加工部分的残余应力释
放使尺寸发生偏差。
为保证加工精度,应先消除焊接残余应力，然
后再进行机械加工。
(4)残余应力的消除与控制
a.尽量使焊缝自由收缩,减少约束
b.对焊缝进行锤击
c.焊后消除残余应力
整体高温回火(或称为消除应力退火)
局部高温回火
水压试验法
(5)焊接残余应力的测试方法简介
a.应力释放法
切片法盲孔法小孔法*
小孔法
在应力场中钻一直径为D＝2～3mm，深为0.8
～1.0mm的盲孔，使应力平衡破坏，孔周围的应力
释放.测得钻孔前后孔附近的应变变化，可以用弹
性力学来推算出小孔处的应力。
b.物理标定法
X射线法磁粉法*超声波法光干涉法
3.3.2焊接接头中的应力集中
在载荷的作用下，产生的局部应力峰值
(1)产生原因
结构的不连续所致
a.接头形式
对接的应力集中最小
搭接的应力集中最大
十字接头应力集中介于其间
b.焊缝外形
余高
c.焊接工艺缺陷
夹渣、气孔、咬边和未焊透和裂纹
(2)应力集中的大小
以应力集中系数KT表示。其值为截面处最大
应力值与其平均应力值之比
其大小和分布与接头类型,焊接方法,受力方
向等有关
接头的基本形式
对接接头→对接焊缝
搭接接头→角接焊缝
丁(十)字接头→角接焊缝
角接接头→角接焊缝
(3)危害
类似残余应力
3.3.2焊接接头中的工作应力
载荷平均应力+应力集中+残余应力
(1)对接接头

焊缝余高产生了构造上的不连续性，在焊缝
与母材的过渡处引起应力集中.
余高削平后,不产生应力集中,故重要设备有
时要求削平焊缝余高
(2)丁(十)字接头

未开坡口由于整个厚度没有焊透，所以焊缝
根部和趾部应力集中↑
开坡口并焊透的丁字形接头应力集中↓↓可
见保证焊透是降低T形接头应力集中的重要措施
丁字形接头应尽量避免在其板厚方向承受高
拉应力，以防产生层状撕裂。
(3)搭接接头
搭接接头应力集中比对接接头的情况复杂
其中角焊缝的根部A点和焊趾B点都有较大
的应力集中。减小其夹角θ和增大熔深焊透根
部，均可降低应力集中系数。
小结:
受载时,接头中存在应力集中,其工作应力
分布不均匀
对接接头应力集中系数最小,应优先选用
开坡口全焊透可有效减小应力集中系数

..............................