第五章 焊接缺欠及控制

1、12液液態(tài)態(tài)金金屬屬體積體積收縮收縮變形變形熱裂紋熱裂紋冷裂紋冷裂紋氣體元素氣體元素雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素化合物化合物夾渣夾渣氣泡氣泡氣孔氣孔過(guò)飽和析出過(guò)飽和析出降溫凝固降溫凝固受受拘拘束束應(yīng)力應(yīng)力滯留滯留成分偏析成分偏析非平衡凝固非平衡凝固低熔點(diǎn)共晶低熔點(diǎn)共晶345焊縫金屬非平衡凝固導(dǎo)致焊焊縫金屬非平衡凝固導(dǎo)致焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性，縫金屬的化學(xué)成分不均勻性，即出現(xiàn)所謂的偏析現(xiàn)象即出現(xiàn)所謂的偏析現(xiàn)象 偏析主要是由于偏析主要是由于合金合金在凝固在凝固過(guò)程中溶質(zhì)再分配和擴(kuò)散不充過(guò)程中溶質(zhì)再分配和擴(kuò)散不充分引起的分引起的 偏析對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能、偏析對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能、抗裂性能及耐腐蝕性能等有程

2、抗裂性能及耐腐蝕性能等有程度不同的損害度不同的損害宏觀偏析、顯微偏析、熔合區(qū)偏析宏觀偏析、顯微偏析、熔合區(qū)偏析6K0 1C0K0C0/K0TC*SC*LC0C， %T*78快速焊時(shí)焊縫的區(qū)域偏析快速焊時(shí)焊縫的區(qū)域偏析電弧位置電弧位置對(duì)于對(duì)于窄而深窄而深的焊縫（如圖的焊縫（如圖a），各），各柱狀晶的交界在焊縫中心，這時(shí)極柱狀晶的交界在焊縫中心，這時(shí)極易形成熱裂紋。易形成熱裂紋。對(duì)于對(duì)于寬而淺寬而淺的焊縫（如圖的焊縫（如圖 b），雜），雜質(zhì)聚集在焊縫的上部，這種焊縫質(zhì)聚集在焊縫的上部，這種焊縫具有較強(qiáng)的抗熱裂紋能力。具有較強(qiáng)的抗熱裂紋能力。因此，可利用這一特點(diǎn)來(lái)降低焊縫因此，可利用這一特點(diǎn)來(lái)降低焊

3、縫產(chǎn)生熱裂紋的可能。如同樣厚度鋼產(chǎn)生熱裂紋的可能。如同樣厚度鋼板，用多層多道焊比一次深熔焊產(chǎn)板，用多層多道焊比一次深熔焊產(chǎn)生熱裂紋的傾向小得多。生熱裂紋的傾向小得多。9焊縫的層狀偏析焊縫的層狀偏析a) a) 焊條電弧焊焊條電弧焊 b) b) 電子束焊電子束焊層狀偏析層狀偏析a）b）層狀偏析對(duì)焊縫質(zhì)量的影響：層狀偏析對(duì)焊縫質(zhì)量的影響：u層狀偏析會(huì)使焊縫金屬力學(xué)性能不層狀偏析會(huì)使焊縫金屬力學(xué)性能不均勻，抗腐蝕性能不一致，均勻，抗腐蝕性能不一致，u有時(shí)還會(huì)沿層狀線產(chǎn)生裂紋或氣孔有時(shí)還會(huì)沿層狀線產(chǎn)生裂紋或氣孔等缺陷。等缺陷。u右圖所示是由于層狀偏析所造成的右圖所示是由于層狀偏析所造成的氣孔。氣孔。10

4、層狀偏析特征：層狀偏析特征：每一結(jié)晶層大致分為三個(gè)特征區(qū)每一結(jié)晶層大致分為三個(gè)特征區(qū)初始區(qū)是溶質(zhì)富集區(qū)初始區(qū)是溶質(zhì)富集區(qū)，溶質(zhì)濃度高于平，溶質(zhì)濃度高于平均濃度。在浸蝕后，呈現(xiàn)出最暗黑色。均濃度。在浸蝕后，呈現(xiàn)出最暗黑色。中間區(qū)為平均濃度區(qū)中間區(qū)為平均濃度區(qū)。在此區(qū)中溶質(zhì)成。在此區(qū)中溶質(zhì)成分比較均勻，這一區(qū)較寬，浸蝕后顏色分比較均勻，這一區(qū)較寬，浸蝕后顏色較暗。較暗。結(jié)尾區(qū)為溶質(zhì)貧化區(qū)結(jié)尾區(qū)為溶質(zhì)貧化區(qū)，在此區(qū)中溶質(zhì)濃，在此區(qū)中溶質(zhì)濃度低于平均濃度，浸蝕后呈現(xiàn)淺淡顏色。度低于平均濃度，浸蝕后呈現(xiàn)淺淡顏色。結(jié)尾區(qū)也較寬且與下一結(jié)晶層的初始區(qū)結(jié)尾區(qū)也較寬且與下一結(jié)晶層的初始區(qū)相銜接相銜接111213

5、式中：式中：A熔合區(qū)的寬度（熔合區(qū)的寬度（mm）G溫度梯度溫度梯度(/mm)TL被焊金屬的液相線被焊金屬的液相線()TS被焊金屬的固相線被焊金屬的固相線()GTTTTSLYTSLA一般電弧焊條件下：一般電弧焊條件下：碳鋼、低合金鋼的熔合區(qū)的寬度約為碳鋼、低合金鋼的熔合區(qū)的寬度約為0.1330.50mm；奧氏體鋼的熔合區(qū)寬度約為奧氏體鋼的熔合區(qū)寬度約為0.060.12mm。14用放射性同位素S35測(cè)定的熔合區(qū)硫的分布 15低碳鋼與奧氏體焊縫(Cr23Ni13)熔合區(qū)元素的分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù)E=23.94kJ/cm)161718氫氣孔的特征19202122KTrCen32422102 .1610n單位

6、時(shí)間形成氣泡核的數(shù)目：?jiǎn)挝粫r(shí)間形成氣泡核的數(shù)目：正常條件下純金屬的正常條件下純金屬的n值非常?。褐捣浅Ｐ。簶O純液態(tài)金屬中形成氣泡核的可能性極小極純液態(tài)金屬中形成氣泡核的可能性極小23在焊接熔池中有現(xiàn)成表面存在的條件下在焊接熔池中有現(xiàn)成表面存在的條件下形成氣泡核所需能量：形成氣泡核所需能量： cos11FFalnpFVPPE在焊接熔池中存在大量的現(xiàn)成表面，如分布不均勻的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，在焊接熔池中存在大量的現(xiàn)成表面，如分布不均勻的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，熔渣與液態(tài)金屬的接觸表面，特別是熔池成長(zhǎng)的樹(shù)枝狀晶粒，使氣泡核熔渣與液態(tài)金屬的接觸表面，特別是熔池成長(zhǎng)的樹(shù)枝狀晶粒，使氣泡核的生成比較容易。的生成比較容易。由式可知

7、：由式可知：p氣泡依附在現(xiàn)成表面時(shí)，由于降低氣泡依附在現(xiàn)成表面時(shí)，由于降低和和提高了提高了Fa/F的比值，故使能量的比值，故使能量Ep減少減少p樹(shù)枝狀晶相鄰的凹陷處和母材金屬尚未樹(shù)枝狀晶相鄰的凹陷處和母材金屬尚未熔化晶粒的界面熔化晶粒的界面Fa/F的比值最大，因此，的比值最大，因此，在這些部位最易產(chǎn)生氣泡在這些部位最易產(chǎn)生氣泡p角越大，形成氣泡核所需的能量越小角越大，形成氣泡核所需的能量越小24rPPPPPacaOG2251.1.22.cosgg26212()29grv氣孔的形成示意圖氣孔的形成示意圖a)a)小結(jié)晶速度小結(jié)晶速度 b)b)大結(jié)晶速度大結(jié)晶速度27L L型氣孔型氣孔是焊縫金屬是焊

8、縫金屬為液態(tài)時(shí)因氣體溶解度為液態(tài)時(shí)因氣體溶解度變化而生成的氣孔。變化而生成的氣孔。S S型氣孔型氣孔是焊縫金屬是焊縫金屬臨近熔點(diǎn)因氣體富集而臨近熔點(diǎn)因氣體富集而引起的氣孔。引起的氣孔。28堿性焊條對(duì)堿性焊條對(duì)CO氣孔與氫氣孔都更為敏感。氣孔與氫氣孔都更為敏感。因此，在堿性焊條焊接時(shí)，需要更嚴(yán)格地控制氣體的來(lái)源。因此，在堿性焊條焊接時(shí)，需要更嚴(yán)格地控制氣體的來(lái)源。29303132333414MnMoVN鋼采用鋼采用E5016焊條焊接焊條焊接焊縫中硅酸鹽夾雜物引起的裂紋焊縫中硅酸鹽夾雜物引起的裂紋3536鋼中鋼中MnS夾雜物引起的裂紋源及擴(kuò)張過(guò)程夾雜物引起的裂紋源及擴(kuò)張過(guò)程a)原始狀態(tài)原始狀態(tài) b

9、)受力后產(chǎn)生裂紋受力后產(chǎn)生裂紋 c)d)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展裂紋繼續(xù)擴(kuò)展373839焊接過(guò)程中，由于焊接熱循環(huán)的特焊接過(guò)程中，由于焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)，焊件受到不均勻的加熱，同時(shí)由于冶點(diǎn)，焊件受到不均勻的加熱，同時(shí)由于冶金作用，材料理化方面的作用，這樣在焊金作用，材料理化方面的作用，這樣在焊件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和變形。件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形直接影響著結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形直接影響著結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能。制造質(zhì)量和使用性能。因此掌握焊接應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)知因此掌握焊接應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)知識(shí)，防止和控制焊接應(yīng)力和變形，是保證識(shí)，防止和控制焊接應(yīng)力和變形，是保證焊接質(zhì)量的重要內(nèi)容。焊接質(zhì)量的重要內(nèi)容。40

10、基本概念基本概念411、自由狀態(tài)的桿件、自由狀態(tài)的桿件a a）若桿件加熱膨脹時(shí)受到的壓縮變形為彈性）若桿件加熱膨脹時(shí)受到的壓縮變形為彈性變形，冷卻后無(wú)殘余應(yīng)力和殘余變形變形，冷卻后無(wú)殘余應(yīng)力和殘余變形b b）若桿件加熱膨脹時(shí)受到的壓縮變形）若桿件加熱膨脹時(shí)受到的壓縮變形有塑性有塑性變形變形，冷卻后桿件，冷卻后桿件縮短縮短（即（即收縮殘余變形收縮殘余變形），），但不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力但不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力若桿件加熱膨脹時(shí)受到的壓縮變形若桿件加熱膨脹時(shí)受到的壓縮變形有塑性變形有塑性變形，冷卻后桿件內(nèi)就會(huì)出，冷卻后桿件內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，即現(xiàn)拉伸應(yīng)力，即拉伸殘余應(yīng)力拉伸殘余應(yīng)力加熱和冷卻過(guò)程中能自由伸縮，加

11、熱和冷卻過(guò)程中能自由伸縮，最終將不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力和變形。最終將不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力和變形。2、不能自由膨脹的桿件、不能自由膨脹的桿件3、兩端完全固定的桿件、兩端完全固定的桿件424344內(nèi)應(yīng)力的分類內(nèi)應(yīng)力的分類q熱應(yīng)力熱應(yīng)力不均勻加熱冷卻過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。不均勻加熱冷卻過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 q相變應(yīng)力相變應(yīng)力固態(tài)相變金屬因各區(qū)域發(fā)生相變的類型不同、時(shí)間不同或程固態(tài)相變金屬因各區(qū)域發(fā)生相變的類型不同、時(shí)間不同或程度不同，由于不同相組織的比容不同而導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。度不同，由于不同相組織的比容不同而導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。q拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力 焊件在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生收縮時(shí)，若受到外界阻礙，將產(chǎn)生焊件在冷卻過(guò)程中產(chǎn)

12、生收縮時(shí)，若受到外界阻礙，將產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為焊接拘束應(yīng)力。應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為焊接拘束應(yīng)力。q瞬時(shí)應(yīng)力瞬時(shí)應(yīng)力在一定的溫度及剛性條件下，某一瞬時(shí)存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)在一定的溫度及剛性條件下，某一瞬時(shí)存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力稱為瞬時(shí)應(yīng)力，又稱動(dòng)態(tài)應(yīng)力。力稱為瞬時(shí)應(yīng)力，又稱動(dòng)態(tài)應(yīng)力。q殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力如果溫度應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，使局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變?nèi)绻麥囟葢?yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，使局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)后，就產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，殘存于物體中，形，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)后，就產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，殘存于物體中，稱為殘余應(yīng)力。稱為殘余應(yīng)力。q 縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力 方向平行于焊縫軸線

13、的應(yīng)力方向平行于焊縫軸線的應(yīng)力q 橫向應(yīng)力橫向應(yīng)力 方向垂直于焊縫軸線的應(yīng)力方向垂直于焊縫軸線的應(yīng)力45熱膨脹熱膨脹或收縮或收縮熱應(yīng)力熱應(yīng)力（自身拘束）（自身拘束）機(jī)械阻機(jī)械阻礙應(yīng)力礙應(yīng)力（外部拘束）（外部拘束） 固態(tài)相變固態(tài)相變（伴隨比容變化）（伴隨比容變化）受阻受阻受阻受阻相變應(yīng)力相變應(yīng)力46金屬框架加熱過(guò)程中的應(yīng)力金屬框架加熱過(guò)程中的應(yīng)力加熱溫度不高時(shí)：加熱溫度不高時(shí)：應(yīng)力值始終低于材料的屈應(yīng)力值始終低于材料的屈服極限，則框架內(nèi)不會(huì)產(chǎn)服極限，則框架內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力隨之度均勻化后，熱應(yīng)力隨之消失。消失。 如果加熱產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)如果加熱產(chǎn)

14、生的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，則中心桿材料的屈服極限，則中心桿件將產(chǎn)生壓縮塑性變形；當(dāng)件將產(chǎn)生壓縮塑性變形；當(dāng)框架溫度下降時(shí)，若中心桿框架溫度下降時(shí)，若中心桿件能自由收縮，則其長(zhǎng)度理件能自由收縮，則其長(zhǎng)度理應(yīng)比原來(lái)短，其縮短量就是應(yīng)比原來(lái)短，其縮短量就是壓縮塑性變形量。壓縮塑性變形量。但實(shí)際上，框架兩側(cè)的桿件但實(shí)際上，框架兩側(cè)的桿件阻礙著中心桿件的收縮，從阻礙著中心桿件的收縮，從而使中心桿件受到拉應(yīng)力的而使中心桿件受到拉應(yīng)力的作用，而兩側(cè)桿件受到壓應(yīng)作用，而兩側(cè)桿件受到壓應(yīng)力的作用。這樣在冷卻后的力的作用。這樣在冷卻后的框架中就形成了與加熱過(guò)程框架中就形成了與加熱過(guò)程相反的相反的殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力

15、場(chǎng)。場(chǎng)。金屬框架冷卻后的殘余應(yīng)力金屬框架冷卻后的殘余應(yīng)力 47焊縫縱向焊縫縱向焊縫橫向焊縫橫向加熱過(guò)程中的焊接縱向應(yīng)力加熱過(guò)程中的焊接縱向應(yīng)力焊后殘余應(yīng)力焊后殘余應(yīng)力焊縫及焊縫及HAZ受拉受拉4849加熱加熱過(guò)程過(guò)程冷卻冷卻過(guò)程過(guò)程5051如圖應(yīng)先焊受力最大的翼板對(duì)如圖應(yīng)先焊受力最大的翼板對(duì)接焊縫接焊縫1 1，隨后焊腹板對(duì)接焊，隨后焊腹板對(duì)接焊縫縫2 2，最后再焊角焊縫，最后再焊角焊縫3 3。加熱減應(yīng)區(qū)收縮和焊縫收縮方加熱減應(yīng)區(qū)收縮和焊縫收縮方向相同，保證殘余應(yīng)力減小。向相同，保證殘余應(yīng)力減小。5253在焊縫兩側(cè)各用一個(gè)適當(dāng)寬度的焊矩火焰進(jìn)行加熱，然后在加熱過(guò)后用帶有排子孔的水管?chē)婎^冷卻加熱部

16、位。這樣就形成在焊縫的兩側(cè)溫度高，焊縫區(qū)溫度低的溫度場(chǎng)，兩側(cè)金屬受熱膨脹對(duì)溫度較低的焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，從而消除一部分殘余應(yīng)力。機(jī)械拉伸法機(jī)械拉伸法5455變形形式變形形式示意圖示意圖產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因整整體體變變形形收縮變形收縮變形由焊接后焊縫的縱向（沿焊縫長(zhǎng)度方向）由焊接后焊縫的縱向（沿焊縫長(zhǎng)度方向）和橫向（沿焊縫寬度方向）收縮引起和橫向（沿焊縫寬度方向）收縮引起 撓曲變形撓曲變形T T形梁焊接時(shí)，焊縫布置不對(duì)稱，由焊縫形梁焊接時(shí)，焊縫布置不對(duì)稱，由焊縫縱向收縮引起縱向收縮引起 扭曲變形扭曲變形工字梁焊接時(shí)，由于焊接順序和焊接方向工字梁焊接時(shí)，由于焊接順序和焊接方向不合理引起結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)扭曲不合理

17、引起結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)扭曲局局部部變變形形角變形角變形由于焊縫橫截面形狀上下不對(duì)稱，焊縫橫由于焊縫橫截面形狀上下不對(duì)稱，焊縫橫向收縮不均引起向收縮不均引起波浪變形波浪變形薄板焊接時(shí)，焊接應(yīng)力使薄板局部失穩(wěn)而薄板焊接時(shí)，焊接應(yīng)力使薄板局部失穩(wěn)而引起引起 常見(jiàn)焊接變形的基本形式常見(jiàn)焊接變形的基本形式 5657撓曲變形撓曲變形扭曲變形扭曲變形58焊接梁的彎曲變形焊接梁的彎曲變形T型梁的角變形型梁的角變形5960箱形梁的焊縫布置箱形梁的焊縫布置a)b)c)焊縫盡可能對(duì)稱于中性軸，盡量使焊縫產(chǎn)生的彎焊縫盡可能對(duì)稱于中性軸，盡量使焊縫產(chǎn)生的彎曲變形抵消；或者使焊縫盡量靠近中性軸曲變形抵消；或者使焊縫盡量靠近中性軸61箱形梁的不同接頭形式箱形梁的不同接頭形式a)b)c)在保證結(jié)構(gòu)承載的條件下，應(yīng)采用較小的焊縫尺寸在保證結(jié)構(gòu)承載的條件下，應(yīng)采用較小的焊縫尺寸62盡量采用型鋼和沖壓件組成焊接結(jié)構(gòu)盡量采用型鋼和沖壓件組成焊接結(jié)構(gòu)636465防止非對(duì)稱截面彎曲變形的焊接 方案方案1 1：采用相同的規(guī)范進(jìn)行焊接，采用相同的規(guī)范進(jìn)行焊接，焊縫焊縫1 1、2 2造成的彎曲變形將大于造成的彎曲變形將大于焊縫焊縫3 3、4 4。由于兩者不能抵消，焊后將出現(xiàn)由于兩者不能抵消，焊后將出現(xiàn)下彎。下彎。方案方案2 2：將焊縫將焊縫1 1、2 2適當(dāng)分層焊，每層采適當(dāng)分層焊，每層采用小