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文檔簡介
1、卓越工程師材料加工過程質(zhì)量控制與管理第四章 焊接缺陷及控制,徐濟(jì)進(jìn) Email: xujijin_ Tel: 1376454920 / 34202640,1、什么是焊接缺陷?,焊接過程中在焊接接頭中產(chǎn)生的不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷 焊接缺陷是不可避免的 焊接缺陷影響焊接接頭質(zhì)量,影響焊接結(jié)構(gòu)的安全使用 為了滿足焊接結(jié)構(gòu)的使用要求,把缺陷限制在一定范圍之內(nèi),使其對焊接結(jié)構(gòu)的運(yùn)行不產(chǎn)生危害,2、常見的焊接缺陷,3、常見缺陷及防止措施,3.1 熱裂紋 在固相線附近的高溫區(qū)(焊縫和熱影響區(qū))形成的裂紋,主要發(fā)生在晶界處 由于裂紋形成溫度較高,在與空氣接觸的開口部位表面有強(qiáng)烈的氧化特征,呈藍(lán)色或天藍(lán)色 熱裂紋
2、可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋,結(jié)晶裂紋:在一次結(jié)晶過程中,在液相和固相并存的高溫區(qū),焊縫金屬沿一次結(jié)晶晶界開裂的裂紋。,3.1 熱裂紋,液化裂紋:焊接過程中,在焊接熱循環(huán)作用下,存在于母材近縫區(qū)金屬或多層焊縫的層間金屬晶界的低熔點(diǎn)共晶物局部被重新熔化開裂的裂紋。,3.1 熱裂紋,高溫失塑裂紋(DDC) 在焊接熱影響區(qū)或多層焊的前一焊道上,因焊接熱循環(huán)的作用致使 塑性陡降,在拉應(yīng)力下沿二次結(jié)晶晶界形成的熱裂 紋。其裂紋敏感溫度區(qū)域略低于再結(jié)晶溫度。多數(shù)發(fā)生 在奧氏體合金的焊縫近縫區(qū)金屬中。,3.1 熱裂紋,Load,Strain concentration,void,3.1 熱裂紋,熱
3、裂紋防止措施 嚴(yán)格控制焊縫金屬中C、S、P、Si含量; 采用低氫型焊接材料; 焊前預(yù)熱,減小焊后冷卻速度; 控制焊縫形狀(寬、深比B/T1); 合理的焊接參數(shù),適當(dāng)減少焊接熱輸入,必要時采用多層焊; 在焊縫中加入Mo、W、Ti等細(xì)化晶粒的合金元素; 改善坡口形式,減少拘束度和應(yīng)力,3.1 熱裂紋,3.2 冷裂紋,焊接接頭在焊后冷卻到較低溫度下(200C左右)所產(chǎn)生的焊接裂紋; 冷裂紋是由焊接應(yīng)力、淬硬組織、擴(kuò)散氫三個因素共同作用下形成的; 表面光亮,無氧化特征; 主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼、高碳鋼的焊接熱影響區(qū),個別情況下也出現(xiàn)在焊縫金屬中; 冷裂紋可分為氫致裂紋、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化撕
4、裂,3.2 冷裂紋,3.2 冷裂紋,冷裂紋防止措施: 采用低氫型焊接材料,并進(jìn)行嚴(yán)格烘干; 焊前預(yù)熱、降低冷卻速度; 選用合適的焊接工藝參數(shù); 清理焊接區(qū)域水分、油污、鐵銹; 采用后熱,使其緩冷,降低焊接接頭特別是熱影響區(qū)中擴(kuò)散氫含量; 進(jìn)行焊后熱處理; 改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)降低拘束應(yīng)力。,3.2 冷裂紋,3.3 再熱裂紋,工件焊后再次被加熱(如焊后熱處理、多道焊)到一定的溫度而產(chǎn)生的裂紋; 常出現(xiàn)在粗晶區(qū),并沿粗大奧氏體晶粒邊界擴(kuò)展; 發(fā)生在含Cr、Mo、V的低合金鋼,含Nb的奧氏體不銹鋼以及Ni基耐熱合金中; 斷口有被氧化的顏色。,3.3 再熱裂紋,再熱裂紋防止措施: 提高預(yù)熱溫度和采用焊后熱處理
5、,減小焊接應(yīng)力和過熱區(qū)硬化; 選用高塑性低強(qiáng)度匹配的焊接材料; 改進(jìn)接頭設(shè)計(jì),盡量不采用高拘束度的焊接接頭; 消除一切可能引起應(yīng)力集中的表面缺陷,修磨焊縫呈圓滑過渡; 正確選擇焊后熱處理溫度。,3.3 再熱裂紋,定義:焊接時沿著鋼板軋制方向平行于表面呈階梯狀“平臺”開裂的冷裂紋,3.4 層狀撕裂,3.5 氣孔,焊接時,熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而殘留下來所形成的空穴; 氣孔有時單個出現(xiàn),有時以成堆的形式聚集在局部區(qū)域,3.5 氣孔,氣孔防止措施: 烘干焊條或焊劑 清理工件焊接區(qū)域 調(diào)整焊劑化學(xué)成分改變?nèi)墼扯?焊劑覆蓋充分 優(yōu)化焊接工藝參數(shù),3.5 氣孔,3.6 夾渣和夾鎢,夾渣 焊后殘留在
6、焊縫中的熔渣; 主要發(fā)生在坡口邊緣和每層焊道之間非圓滑過度的部位 夾鎢 在進(jìn)行鎢極氬弧焊時,鎢極不慎與熔池接觸,使鎢的顆粒進(jìn)入焊縫金屬中而造成,3.6 夾渣,夾渣防止措施: 調(diào)整焊接方式,嚴(yán)格控制焊條角度和焊絲位置,改善焊道成形; 選擇脫渣性好的焊劑,每層應(yīng)認(rèn)真清除焊渣; 調(diào)整焊接參數(shù):減慢焊接速度,增加焊接電流; 適當(dāng)加大焊接坡口角度。,3.6 夾渣,3.7 其它焊接缺陷,4.1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因 焊接過程的局部加熱,導(dǎo)致構(gòu)件溫度分布不均,從而造成各處的膨脹和收縮變形差別較大; 由于接頭形式的不同,使得焊接熔池內(nèi)熔化金屬的散熱條件有所差別,使得熔化金屬凝固時產(chǎn)生的收縮量不同 焊接熱循環(huán)作用下
7、的組織相變; 焊前加工工藝的影響,如焊前構(gòu)件經(jīng)歷冷沖壓等工藝而具有較高的內(nèi)應(yīng)力。,4 焊接殘余應(yīng)力,4 焊接殘余應(yīng)力,4.2 焊接熱循環(huán),棒C,4 焊接殘余應(yīng)力,4.3 三根棒模型,研究焊接殘余應(yīng)力的基本假定 金屬在焊接過程中,其熱物理性能和力學(xué)性能都會發(fā)生復(fù)雜的變化,為了分析問題方便,做以下假定: 平截面假定:假定構(gòu)件在焊前所取的截面,焊后保持平面 金屬性質(zhì)不變的假定:假設(shè)金屬的熱物理性能在焊接過程中不隨溫度變化 焊接溫度場假定:假設(shè)焊接溫度場不隨時間改變 金屬屈服強(qiáng)度假定,低碳鋼屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系,屈服 強(qiáng)度 (MPa),溫度,600,500,實(shí)際曲線,簡化曲線,屈服溫度,一般約束狀態(tài),
8、(1)低溫加熱(0 0),棒s 棒c,總應(yīng)變,棒s應(yīng)力應(yīng)變 棒c應(yīng)力應(yīng)變,三根棒力平衡,棒s應(yīng)力 棒c應(yīng)力,(2)中溫加熱(0 0),一般約束狀態(tài),加熱階段,冷卻階段 BC,棒s 棒c,棒s 棒c,棒s 棒c,三根棒力平衡,冷卻階段 CD,棒s 棒c,三根棒力平衡,棒s 棒c,(3)高溫加熱(0 0),加熱階段,冷卻階段 PQ,冷卻階段 QR,冷卻階段 RG,一般約束狀態(tài),棒s 棒c,4.4 殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響 降低結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度: 對塑性材料影響不明顯,但三軸拉應(yīng)力時有不利影響; 對脆性材料有不利影響。 影響結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性 由于殘余應(yīng)力的不穩(wěn)定性造成構(gòu)件的尺寸不穩(wěn)定。 降低抗應(yīng)力腐蝕性能
9、: 應(yīng)力腐蝕是拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的裂紋,4 焊接殘余應(yīng)力,4.5 殘余應(yīng)力評估技術(shù) 試驗(yàn)測試技術(shù) 數(shù)值模擬技術(shù)熱彈塑性有限元法,4 焊接殘余應(yīng)力,4.6 預(yù)防和控制殘余應(yīng)力 設(shè)計(jì)原則 1、盡量減小焊縫截面尺寸,在保證強(qiáng)度的前提下盡量減少填充金屬的數(shù)量; 2、將焊縫盡量布置在最大工作應(yīng)力區(qū)之外;,4 焊接殘余應(yīng)力,板材內(nèi)部平行表面的非金屬夾層 多道焊接造成的熱應(yīng)變脆化 垂直與板平面的應(yīng)力(殘余應(yīng)力) 層狀撕裂,焊道下裂紋,3、盡量防止焊縫密集、交叉;,4、采取局部降低剛度的方法,如開應(yīng)力釋放槽;,5、采用合理的接頭形式,盡量避免采用搭接接頭;,對接,角接,(a) Axial resi
10、dual stresses (b) Hoop residual stresses,4.6 預(yù)防和控制殘余應(yīng)力 工藝措施 1、合理地選擇裝配焊接順序:盡量使焊縫在剛度較小的情況下焊接,盡量先焊收縮量大的焊縫,后焊收縮量小的焊縫;先焊工作時受力大的焊縫; 2、用局部加熱法減小應(yīng)力:采用局部加熱的方法使焊接處在焊前產(chǎn)生一個與焊后收縮方向相反的變形; 3、錘擊:錘擊可以使焊縫得到延展,從而降低峰值拉應(yīng)力; 4、振動焊接,4 焊接殘余應(yīng)力,焊后消應(yīng)力措施 1、整體熱處理或局部熱處理; 2、表面沖擊(噴丸、超聲沖擊); 3、振動時效; 4、機(jī)械應(yīng)力釋放法; 5、溫差拉伸法,4 焊接殘余應(yīng)力,5、焊接變形,5.1 焊接變形分類 縱向收縮變形:構(gòu)件沿焊縫方向發(fā)生的變形 橫向收縮變形:構(gòu)件在垂直于焊縫方向上發(fā)生的變形,縱向變形結(jié)果,橫向變形結(jié)果,彎曲變形:構(gòu)件焊后整體發(fā)生的彎曲,焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形,焊縫的橫向收縮引起的彎曲變形,扭曲變形:由于工藝不當(dāng)所造成焊后構(gòu)件發(fā)生的螺旋形變形,角變形:溫度沿板厚方向分布不均或
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