2024年2月14日发(作者：)
焊工理论培训讲座
主讲内容：焊接接头性能、焊接应力和变形
第一课 焊接接头特点
一、焊接结构
焊接接头：焊缝（OA）、熔合区（AB）、和热影响区（BC）三个部份。
见图
焊缝：母材和焊材；热影响区：母材，金相和力学性能发生变化；熔合区：焊缝向热影响区过渡部份。
二、焊缝金属的性能
性能决定与：1）焊缝熔合比、2）冶金反应、3）冷却结晶的金相组织
1、 焊接熔池的一次结晶：溶池金属冷却-----液态金属------固态。
（1）特点：1）溶池体积小，冷却速度大，容易产生硬化组织和结晶裂纹。
2）合金元素烧损严重。过渡溶滴温度达2300度，溶池平均温度1770±100度。钢的熔点在1535度左右。
3）温差大，中心和边缘存在大温差。边缘冷却速度大，促使柱状晶发展。
以上见图示。
（2）一次结晶的过程：液态—金属原子形成晶核----晶核长大---柱状晶形成----长大结晶结束。
（3）焊缝中偏析：合金元素不均匀
1）显微偏析：晶粒内部和晶粒之间化学成份不均匀。
2）区域偏析：熔池中心杂质比边缘或其他部位多。
3）层状偏析：焊缝横断面上的分层组织，各层化学成份不均匀现象。
（4）焊缝中的气体和夹质物对焊缝性能的影响
1）气体：氮气N2、氢气H2、氧气O2。
N2：有害气体。提高金属强度、降低塑性和韧性；易使焊缝产生气孔。来源：空气。防犯：加强对焊接区域的保护，隔离空气与液态金属接触。
H2：有害气体。使钢硬度升高，塑性和韧性严重下降。易使焊缝产生气孔和冷裂纹。来源：水分，污物等。
防犯：选用合适的焊条药皮；采用直流反接。
O2：有害气体。使钢强度，塑性和韧性明显下降。可使焊缝中产生气孔。会使焊缝中金属烧损。来源：药皮、焊剂、水分等。防犯：脱氧处理。
2）夹质物：（氧化物、硫化物等）
1）氧化物：SiO2、MnO、TiO2、Al2O3等：影起热裂纹。
2）硫化物：MnS、FeS等。对钢的性能影响最大，是形成热裂纹的主要原因之一。
防止措施：焊材要选择合适的；合适的工艺参数；操作要适当。
2、焊接金属的二次结晶：从固态高温冷却到室温经过一系列相变。
特点：组织由奥氏体变为铁素体和珠光体（碳钢）；不锈钢组织可转化为奥氏体或马氏体。
冷却速度越快，珠光体含量越高，铁素体越少，晶粒越细。强度硬度提高，塑性、韧性下降。
三、熔合区和热影响区
1、焊接热循环的概念
（1）焊接热循环：焊件上某点温度随时间变化的过程。焊接是一个均匀加热的过程---组织和性能的不均匀性。
（2）焊接热循环主要参数：最高加热温度；过热时间：在1100度以上的停留时间。停留时间长晶粒长大，韧性下降。
（3）冷却速度：快易产生马氏体组织，塑性、韧性差、易产生焊接裂纹。
（4）影响焊接热循环的因素：
1）焊接线能量：焊接电流、电弧电压、焊接速度。线能量增加，加热到1100度以上的停留时间加长，在650度的冷却速度减慢。高强度低合金钢、低温钢应严格控制线能量。
线能量和预热温度对焊接热循环的影响见下表
线能量（J/MM） 预热温度℃ 1100℃以上留时间（S） 650℃是的冷却速度（℃/S）
备 注
2000
3840
2000
3840
27
27
260
260
5
16．5
5
17
14
4．4
4．4
1．4
可以看出，线能量增加，1100度以上停留时间加长；予热温度加大不影响1100度以上停留时间，但冷却速度降低。
2）预热和层间温度
预热：降低冷却速度。适用于具有淬硬现象的钢材的焊接。
层间温度：降低冷却速度。温度稍高于预热温度。
主要作用：降低冷却速度，减少钢材的淬硬现象，促使氢的吸出，有利于防止延迟裂纹。
3）其它因素：板厚、接头型式、材料的导热性。板厚增大，冷却速度增大；角焊缝比对接焊缝冷却速度大。
2、熔合区：晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，是焊接接头中的薄弱环节，是焊接接头产生裂纹或局部脆性破坏的发源地。
3、焊接热影响区的组织及性能
（1）低碳钢
过热区：1100~1490℃，过热组织，晶粒粗大。冲击韧性差。
正火区：800~1100℃，为正火组织，晶粒得到细化，综合力学性能最好。
部份相变区：750~900℃，晶粒大小不均匀，力学性能不均匀。
再结晶区：450~750℃，该区组织不发生变化，塑性有所改善。
蓝脆区：200~500℃，塑性急剧下降，发生脆化现象。
（2）低合金结构钢
对不易淬火的低合金结构钢（16Mn等）：有三个区，过热区、正火区、部份相变区。
对易于淬火的低合金结构钢：会出现马氏体组织—硬度高，脆性大，容易开裂。
综上所述：钢在焊接热循环的作用下，热影响区的组织分布是不均匀的，熔合区和过热区有严重的晶粒长大现象，是整个焊接接头的薄弱地带。
证明了：焊接接头的质量不仅仅决定于焊缝区，同时还决定于熔合区和热影响区。
四、影响焊接接头的因素及质量控制
影响因素：焊接材料选择、焊接工艺方法、熔合比、线能量和工艺参数、操作方法和焊后热处理。
1、焊接材料选择：
低碳钢、低合金结构钢：按母材力学性能选用焊条；质量控制：降低C、S、O；选用碱性焊条去氢；填加Mn、Si脱氧；填加细化晶粒的元素，如V、Ti|、Nb和AL。
耐热钢、不锈钢：选与母材金属化学成分大致相同的焊条
2、焊接工艺方法：
气焊：熔池保护差，合金烧损较大，气体含量和杂质元素较高，焊缝金属的性能较差。
因其加热速度较慢，易产生过热和过烧组织，致使焊缝性能恶化。
手弧焊、埋弧焊：气渣联合保护较好，焊缝金属的性能较好。因埋弧焊电弧功率比手弧焊大得多，故结晶 组织也大，故焊缝金属的冲击韧性比手弧焊差。
氩弧焊：合金元素基本没有烧损，杂质含量极少，结晶组织较细，焊缝性能最好。
3、熔合比：被熔化的母材在焊道金属中所占的百分比。
母材与焊材成分相近，对焊缝和熔合区的性能没有影响；不同时则该区组织较为复杂。
4、线能量及工艺参数
（1）对焊缝组织和性能的影响。一般应打用较小的线能量。
对于奥氏体不锈钢，应尽量减少焊缝在400~850度的停留时间，以防止奥氏体晶界贫铬。
（2）对过热区的影响
越大，高温停留时间越长，过热区越宽，过热现象越严重，晶粒越粗大，而塑性和韧性下降也越严重。故应尽量采用较小的线能量。
焊接易淬火钢时，常采用焊前预热、控制层间温度和焊后缓冷等工艺措施。降低冷却速度，防止产生淬硬组织，从而改善该区的性能，防止冷裂纹。
5、操作方法：单道焊法、多道焊法。
第二课 焊接应力和变形
第一节 焊接应力和变形产生的原因
一、焊接应力和变形的概念
应力：当物体受到外力作用时，其截面积上承受的内力称为应力。
应力分为：拉应力、压应力、切应力。特点是：物体外部形状不发生改变。
变形：由于外力或应力的作用，物体外部形状发生的改变。
变形分为：弹性变形和塑性变形。
焊接残余变形是一种不能恢复的塑性变形。
二、焊接应力和变形产生的原因
局部不均匀加热和冷却，是焊接产生变形的主要原因；次要原因还有：焊接接头晶粒组织发生改变引起体积变化，也会在金属内部产生焊接应力，可能引起焊接变形。
（其余以图示说明）
自由伸缩一般在焊缝内部不产生内应力，但变形一定很大；刚性固定使接头不变形，便内部应力一定很大。内应力和变形不可能同时增大和减小。二者为反比例关系。
第二节 焊接应力及其控制
危害性：对构件的变形、脆性断裂、疲劳性能和尺寸稳定性、以及使用寿命都有很大影响。
一、焊接应力的分类
按时间分：瞬时应力和焊接残余应力；按位置分：线应力、平面应力、体积应力；按应力和焊缝的相对位置分：纵向和横向应力；按应力形成原因：热应力、拘束应力、组织应力和氢致应力。
二、影响焊接应力的因素
1）坡口形式和尺寸；2）焊接材料的性能3）结构刚性和外部的拘束3）所选用焊接方法4）焊接条件（是否预热，层间温度等）焊接线能量、焊接操作方法等。
三、减小焊接应力的措施
1、设计措施：1）减少焊缝数量；2）对称布置焊缝，避免十字交叉焊缝和连续焊缝。
出图：
2、工艺措施
1）选用合理的焊接顺序和方向：应使焊缝能够自由的收缩。先焊结构中收缩量比较大的焊缝。有时也可按受力大小来确定焊接顺序。
2）预热：小件整体预热；大件局部预热。
预热的作用：一是降低焊接热影响区的温度梯度，减小温度应力的峰值；二是降低和控制焊接接头的冷却速度；三是有利于氢的扩散。一句话，预热可降低焊接结构的残余应力。
3）采用较小的线能量：减小不均匀加热的宽度。
4）锤击法：焊后热态下锤击，使焊缝得到延伸，从而减小焊接残余应力。
5）减少氢的措施及消氢处理：尽量选取用低氢形碱性焊接材料；焊材应作烘干处理；坡口表面焊接前应去水、油、锈和其它杂质。有的构件必要是还要作消氢处理。
四、清除焊接残余应力的方法
1、是否要作消除残余应力处理，发生以下情况之一的焊接件，应考虑作消除应力处理
1）要求承受低温右动载有发生脆断危险的结构。2）厚度超过一定限度，3）要进行精密机械加工的结构。
4）有可能产生应力腐蚀破坏的结构。
2、消除焊后残余应力的方法：热处理和机械法
热处理：整体和局部消除应力退火法和中间消除应力退火法。
机械法：温差拉伸法、低温处理法、爆炸法等。
常用的方法：整体消除应力退火法、局部消除应力退火法和机械拉伸法
（1）整体消除应力退火法：焊件放入炉内缓慢加热到一定温度，然后保温一定时间，空冷或随炉冷却。
效果最好，80~90%的残余应力得到消除。一低碳钢或低合金结构钢的退火温度为600~650度。
（2）中间消除应力退火：对于在厚度，刚性较大的焊件，可以在中间加一次消除应力退火处理。
（3）机械拉伸：因焊件在焊后产生的应力多为残余压缩应力，所以拉伸可以使残余应力变小。比如锅炉压力容器的水试，就是一次消除残余压缩应力的较好的过程，通过对壳体试压，对材料进行了一次拉伸，消除了部份残余应力。
（5）低温处理法：用一定宽度的多焰焊炬在压缩残余应力区连续加热，并随之喷水冷却，喷水管和焊炬以同一速度运动，这样就使原压缩应力与加热后冷却产生的拉应力互相抵消一部份，从而产生新的应力平衡，大大地减少了残余应力。
第三节 焊接变形及其控制
一、焊接变形分类：纵向缩短和横向缩短、角变形、弯曲弯形、扭曲变形和波浪变形等
1、纵向缩短和横向缩短
1）纵向缩短：焊件在焊后沿长度方向上的缩短。特点是：焊缝长度越长，熔敷金属截面积越大，纵向缩短也变大；垂直焊缝的横截面积增加（温度冷却速度变慢是其收缩减少的原因），则收缩量减少。
2）横向缩短：垂直于焊缝方向的发生的收缩。特点是：焊接线能量越大，板厚越厚，则收缩量越大。
2、角变形：是一种沿板材厚度方向不均匀收缩而引起的回转变形。特点：与焊缝截面形状和坡口形式及焊接方法有关。多层焊比单层焊变形大，焊接层次越多，变形越大。
对接、堆焊、搭焊、丁字接头等易产生上述变形。
3、弯曲变形：因焊缝布置不对称或焊件焊件断面形状不对称，焊缝收缩引起的变形。
常出现在管道、梁、柱等焊接件。见图
4、扭曲变形：焊缝纵向和横向的不规则收缩而引起的。
5、波浪变形：主要是在焊缝纵向和横向产生的压应力造成的。常见于薄板变形。
二、影响焊接变形的因素：焊缝位置、结构刚性、装配次序、焊接工艺参数的选择
焊接变形的不利影响：降低装配质量；增加制造成本；降低焊接头的性能。
1、焊缝位置：焊缝布置不对称或焊缝重心与焊件重心不重合时，易影起弯曲变形。
2、结构刚性：焊件刚性越大，变形越小，反之亦然。
3、装配焊接次序：边装配边焊接时应注意焊接次序。
4、焊接工艺参数的选择：选择合理的线能量、坡口尺寸、角度和形式。
V形坡口的变形比U形和X形变形大。
三、控制焊接变形的措施
1、设计措施
1）选用合理的焊缝尺寸：焊缝尺寸增加，变形加大；尺寸过小会降低接头承载能力，并使冷却速度加快，会造成一系列焊接缺陷。因此在满足承载能力的情况下，应尽量选技小尺寸的焊接接头。
2）尽可能的减少焊缝数量：适当选择板的厚度，可减少肋板的数量，从而可以减少焊缝和焊后变形校正量。
3）合量安排焊缝位置：焊缝对称于构件中心的中心轴，或使焊缝接近中心轴，可减少弯曲变形；焊缝不要密集，避免交叉焊缝。焊接压力容器时，规定对接焊缝之间最小距离不小于100mm。
2、工艺措施：予留收缩余量；选择合理的装配焊接顺序。
1）合理的装配顺序2）合理的焊接顺序3）反变形法4）刚性固定法5）散热法：强迫冷却的方法使焊缝区散热。适用于薄板工件。
6）锤击法：热态锤击，使其长宽方向延伸，产生塑性变形从而减少焊缝的收缩量。
7）采用高能量焊接方法：如氩弧焊、等离子弧焊、等，能量集中热影响区小，变形也小。
四、焊后焊接残余变形矫正方法：焊接变形超过设计要求时应予矫正
1、冷矫正法（机械矫正法）：锤击、压、拉、弯、气压等 2、火焰矫正法：通过对工件局部进行火焰加热来矫正。
机理是：利用金属加热和冷却后的新变形来抵消已发生的变形。加热方法有：点状加热、线状加热、三角形加热和水火加热
图示
