焊接工藝學(勞動版)課件：焊接變形和焊接應力

焊接基礎知識SEI◆承壓類特種設備常用焊接方法

焊接接頭◆焊接缺陷◆焊接應力與變形◆承壓類特種設備常用鋼材的焊接科技開發(fā)研究中心焊接應力與變形產生的原因：焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自

由膨脹和收縮。焊接時，焊件各部分冷熱不均，受熱部位產生拉應力，未受熱部位則產生壓應力。當應力達到一定程度，焊件出現(xiàn)焊接變形和焊接應力(b)

橫向應力對焊焊縫的應力分布科技開發(fā)研究中心邊緣焊的變形變形。(a)

縱向應力(b)

焊

后焊接變形和焊接應力壓應力一壓應力焊縫冷卻時導致焊接應力壓應力拉應力焊蓮焊強焊接應力：焊接時局部加熱和冷卻不均引起的平板焊接過程中的應力與變形形成原理示意圖焊縫加熱時熱應力理論上的伸長

拉應力實際伸長理注的能報拉應力+

組織應力科技開發(fā)研究中心實際上的縮短b)

角

變a)尺寸收縮a)

扭曲變形c)

彎曲變形焊接變形和焊接應力焊件焊后的變形形式主要有：尺寸收縮、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等。c)

翹曲變形科技開發(fā)研究中心焊接變形與應力的危害工件焊接后產生變形和應力對結構的制造和使用會產生不利影響。產生焊接變形，可能使焊接結構尺寸不合要求，組裝困

難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質量。焊接殘余應力會增加工件工作時的內應力，降低承載能力；還會引起裂紋，甚至造成脆斷，應力的存在會誘發(fā)

應力腐蝕裂紋。殘余應力是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下會衰減而產生一定的變形，使構件尺寸不穩(wěn)定，所以減少和防止焊

接變形和應力是十分必要的。科技開發(fā)研究中心焊接變形和焊接應力>焊前預熱可以減少工件溫差，也能減少殘余應力。>采用小能量，多層焊，也可減少焊縫應力。焊接應力的防止>采取合理的裝配和焊接順序，使焊縫能夠自由地收縮，以減少應力。而圖b因先焊焊縫1導致對焊縫2的拘束度增加，而增大殘余應力?？萍奸_發(fā)研究中心b)焊接應力大a)焊接應力小I21

fⅢ>

熱處理法：

焊后進行消除應力的退火可消除殘余應力。>

機械法：

當焊縫還處在較高溫度時，錘擊焊縫使金屬伸

長，也能減少焊接殘余應力。>

振動法：

低頻振動消應力焊接應力的消除科技開發(fā)研究中心焊接變形的防止及消除√采用反變形方法焊縫對稱布置a)

對稱焊縫b)對稱坡口科技開發(fā)研究中心焊后焊前1:*焊接變形的防止及消除a)√采用多層多道焊，能減少焊接變形c)√采用對稱焊和分段倒退焊科技開發(fā)研究中心b)變形較小a)變形最大c)

變形最小b)√

采用焊前剛性固定組裝焊接，限制產生焊接變形，但這

樣會產生較大的焊接應力。采用定位焊組裝也可防止焊接

變形。焊接變形的防止及消除科技開發(fā)研究中心a)剛性固定b)定位焊焊接變形的防止及消除

嚴重的焊接變形應消除，常采用機械矯正法，通常

只適于塑性好的低碳鋼和普通低合金鋼?？萍奸_發(fā)研究中心焊接變形的防止及消除火焰矯正法是利用火焰加熱的熱變形方法，

一般也僅適用于塑性好，且無淬硬傾向的材料?？萍奸_發(fā)研究中心◆承壓類特種設備常用焊接方法

焊接接頭◆焊接應力與變形◆承壓類特種設備常用鋼材的焊接科技開發(fā)研究中心一、鋼材的焊接性二、碳素鋼的焊接三、

低合金鋼的焊接四、

不銹鋼的焊接承壓類特種設備常用鋼材的焊接科技開發(fā)研究中心焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結構

形式的條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度，即其對焊

接加工的適應性。焊接性一般包括兩個方面：◆工藝焊接性：主要指在給定的焊接工藝條件下，形成完

好焊接接頭的能力，特別是接頭對產生裂紋的敏感性，也稱抗裂性；◆使用焊接性：在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭在使

用條件下安全運行的能力，包括焊接接頭的力學性能和其

它特殊性能(如耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等)。焊接性是金屬的工藝性能在焊接過程中的反映，了

解及評價金屬材料的焊接性，是焊接結構設計、確定焊接

方法、制定焊接工藝的重要依據(jù)?？萍奸_發(fā)研究中心鋼材的焊接性(二)鋼的焊接性評定方法鋼是焊接結構中最常用的金屬材料，因而評定鋼的焊接性顯得尤為重要。由于鋼的裂紋傾向與其化學成分有密切關

系，因此，可以根據(jù)鋼的化學成分評定其焊接性的好壞。通常將影響最大的碳作為基礎元素，把其它合金元素的質量分數(shù)對焊接性的影響折合成碳的相當質量分數(shù)，碳的質量分數(shù)和其它合金元素的相當質量分數(shù)之和稱為碳當量，它是評定鋼的焊接性的一個參考指標。鋼材的焊接性科技開發(fā)研究中心碳當量(CarbonEquivalent)公式國際焊接學會日本焊接學會英國BS2462科技開發(fā)研究中心碳當量越高，裂紋傾向越大，鋼的焊接性越差。

一般認為：

◆Ceq<0.4%時，鋼的淬硬和冷裂傾向不大，焊接性良好◆Ceq=0.4%～0.6%

時，鋼的淬硬和冷裂傾向逐漸增加，焊接性較差，焊接時需要采取一定的預熱、緩冷等工藝措施，以防止產生裂紋；◆Ceq>0.6%

時，鋼的淬硬和冷裂傾向嚴重，焊接性很差，

一般不用于生產焊接結構。碳當量公式僅用于對材料焊接性的粗略估算，在實際生產中，應通過直接試驗(焊接性試驗)

,模擬實際情況下的結構、應力狀況和施焊條件，在試件上焊接，觀察試件的開裂情況，并配合必要的接頭使用性能試驗進行評定(焊接工藝評定)。鋼材的焊接性科技開發(fā)研究中心Q235、10、15、20等低碳鋼是應用最廣泛的焊接結構材

料，由于其含碳量低于0.25%,塑性很好，淬硬傾向小，不易產

生裂紋，所以焊接性最好。焊接時，任何焊接方法和最普通的

焊接工藝即可獲得優(yōu)質的焊接接頭。但由于施焊條件、結構形

式不同，焊接時還需注意以下問題：◆(1)在低溫環(huán)境下焊接厚度大、剛性大的結構時，應該進行

預熱，否則容易產生裂紋?！?2)重要結構焊后要進行去應力退火以消除焊接應力。低碳鋼對焊接方法幾乎沒有限制，應用最多的是手工電

弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊和電阻焊。采用電弧焊時，焊

接材料的選擇參見表。二、碳素鋼的焊接科技開發(fā)研究中心焊接方法焊接材料應用情況手工電弧焊J421、J422、J423等一般結構J426、J427、J506、J507等承受動載荷、結構

復雜或厚板重要結

構埋弧焊H08配HJ430、H08A配HJ431一般結構H08MnA配HJ431重要結構CO,氣體保

護焊H08Mn2SiA一般結構二、碳素鋼的焊接低碳鋼焊接材料的選擇科技開發(fā)研究中心含碳量在0.25%～0.60%之間的中碳鋼，有一定的淬硬傾向，

焊接接頭容易產生低塑性的淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。中碳鋼的焊接結構多為鍛件和鑄鋼件，或進行補焊?！艉附臃椒ǎ菏止る娀『??！艉笚l選用：抗裂性好的低氫型焊條(如J426、J427、J506、J507等),焊縫有等強度要求時，選擇相當強度級別的焊條。

對于補焊或不要求等強度的接頭，可選擇強度級別低、塑性好的焊條，以防止裂紋的產生?！艉附訒r，應采取焊前預熱、焊后緩冷等措施以減小淬硬傾向，

減小焊接應力。接頭處開坡口進行多層焊，采用細焊條小電流，

可以減少母材金屬的熔入量，降低裂紋傾向。中碳鋼的焊接科技開發(fā)研究中心高碳鋼的含碳量大于0.60%,其焊接特點與中碳

鋼基本相同，但淬硬和裂紋傾向更大，焊接性更差。

一般這類鋼不用于制造焊接結構，大多是用手工電弧焊或氣焊來補焊修理一些損壞件。焊接時，應注意焊前預熱和焊后緩冷。高碳鋼的焊接科技開發(fā)研究中心低合金鋼焊接經常出現(xiàn)的問題(1)熱裂紋

熱裂紋指焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產生的焊接裂紋。其原因在于低合金鋼的焊接過程中銅、硼、氮等元素成為形成裂紋的敏感元素。(2)冷裂紋

焊接接頭冷卻到較低溫度下(對于鋼來說在Ms溫度以下)時產生的焊接裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋常發(fā)生在高強度鋼的厚板結構中。其原因是接頭的剛度大，造成的局部應力大，或在冷卻過程中氫析出后聚集造成局部應力超過了鋼的強度極限。(3)

白點在焊縫金屬拉斷面上，出現(xiàn)的如魚目狀的一種白色圓形斑點稱為白點。其產生原因是焊接過程中吸收了過量的氫，故又稱氫白點。低合金鋼焊接主要根據(jù)不同鋼號的屈服點等級選擇焊接材料，應遵守等強度(某些鋼號應考慮成分相同或相近)原則。對于厚度大、

剛度大的構件或在低溫下焊接時應考慮使用低氫型焊條，焊前進行預熱等，嚴格按照焊接工藝規(guī)范施焊?？萍奸_發(fā)研究中心低合金鋼的焊接低合金結構鋼按其屈服強度可以分為九級：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。◆強度級別≤400MPa的低合金結構鋼，

Ceq<0.4%,

焊接性良好，其焊接工藝和焊接材料的選擇與低碳鋼基本相同，

一般

不需采取特殊的工藝措施。只有焊件較厚、結構剛度較大和

環(huán)境溫度較低時，才進行焊前預熱，以免產生裂紋?！魪姸燃墑e≥450MPa的低合金結構鋼，

Ceq>0.4%,

存在淬硬

和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當，焊接時需要采取一些

工藝措施，如焊前預熱(預熱溫度150℃左右)可以降低冷

卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織；適當調節(jié)焊接工藝參數(shù)，可以

控制熱影響區(qū)的冷卻速度，保證焊接接頭獲得優(yōu)良性能；焊

后熱處理能消除殘余應力，避免冷裂。科技開發(fā)研究中心低合金結構鋼的焊接低合金結構鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴，

手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電渣焊均可用

于此類鋼的焊接，以手工電弧焊和埋弧焊較常用；選擇焊接材料時，通常從等強度原則出發(fā)，為了提高抗裂性，盡量選用堿性焊條和堿性焊劑，對

于不要求焊縫和母材等強度的焊件，亦可選擇強度

級別略低的焊接材料，以提高塑性，避免冷裂。低合金結構鋼的焊接科技開發(fā)研究中心不銹鋼中都含有不少于12%的鉻，還含有鎳、錳、

鉬等合金元素，以保證其耐熱性和耐腐蝕性。按組織狀態(tài)，不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、鐵素

體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等，其中以奧氏體不銹鋼的焊接性最好，廣泛用于石油、化工、動力、航空、醫(yī)藥、儀表等部門的焊接結構中，常見牌號有：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、OCr18Ni9等。不銹鋼的焊接科技開發(fā)研究中心(一)奧氏體不銹鋼的焊接性◆奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐

蝕

，其原因是焊接時，在450～850℃溫度范圍停留一定時間的接頭部位，在晶界處析出高鉻碳化物(Cr23C6),引起晶粒表層含鉻量降低，形成貧鉻區(qū)，

在腐蝕介質的作用下，晶粒表層的貧鉻區(qū)受到腐蝕而形成晶間腐蝕。這時被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時則會沿晶界斷裂，幾乎完全失去強度?！魹榉乐购蜏p少焊接接頭處的晶間腐蝕，應嚴格控制

焊縫金屬的含碳量，采用超低碳的焊接材料和母材。

采用含有能優(yōu)先與碳形成穩(wěn)定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止貧鉻現(xiàn)象的產生。不銹鋼的焊接科技開發(fā)研究中心奧氏體不銹鋼焊接的另一個問題是熱裂紋?！舢a生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強，有利于S、P

等元素的低熔點共晶產物的形成和聚集。

另外，此類鋼的導熱系數(shù)小(約為低碳鋼的1/3),線脹系數(shù)大(比低碳鋼大50%),所以焊接應力也大?！舴乐沟霓k法是選用含碳量很低的母材和焊接材料，

采用含適量Mo、Si等鐵素體形成元素的焊接材料，使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，減少偏析。不銹鋼的焊接科技開發(fā)研究中心(二)奧氏體不銹鋼的焊接工藝一般熔焊方法均能用于奧氏體不銹鋼的焊接，目前生產上

常用的方法是手工電弧焊、氬弧焊和埋弧焊。在焊接工藝

上，主要應注意