船舶焊接工藝-船舶材料與焊接第四章ppt

第四章電弧焊的基本理論

本章要點(diǎn):主要介紹與電弧焊有關(guān)的基礎(chǔ)理論，包括焊接電弧、焊絲熔化與過(guò)渡及焊接接頭的組織及力學(xué)性能，最后討論焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因和防止措施。第一節(jié)概述一、焊接的特征

1.焊接已成為最流行的連接技術(shù)國(guó)家大劇院鋼結(jié)構(gòu)金茂大廈罐壓力容器

2.焊接顯現(xiàn)了極高的技術(shù)含量和附加值三維激光焊接廣州豐田自動(dòng)化的機(jī)器人生產(chǎn)線

3.焊接已成為關(guān)鍵的制造技術(shù)上海盧浦大橋“中華和平號(hào)”17.5萬(wàn)噸散貨輪千噸級(jí)熱壁加氫反應(yīng)器世界最大的三峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪4.焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)不可分離的組成部分三峽永久船閘西氣東輸工程管道的焊接神舟飛船返回倉(cāng)全焊接的鋁合金結(jié)構(gòu)二、焊接的分類

焊接是通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并用，并且用或不用填充材料，借助于金屬原子的擴(kuò)散和結(jié)合，使分離的材料牢固的連接在一起的加工方法。

焊接的主要特點(diǎn)是：

（1）節(jié)省材料，減輕質(zhì)量；（2）簡(jiǎn)化復(fù)雜零件和大型零件的制造；（3）適應(yīng)性好；可實(shí)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)；（4）滿足特殊連接要求；可實(shí)現(xiàn)不同材料間的連接成型；（5）降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。

焊接方法的應(yīng)用：

（1）制造金屬結(jié)構(gòu)件；（2）制造機(jī)器零件和工具；（3）修復(fù)。

焊接的方法種類很多，按焊接過(guò)程特點(diǎn)可分為三大類：

(一）熔焊

把焊接局部連接處加熱至熔化狀態(tài)形成熔池，待其冷卻結(jié)晶后形成焊縫，將兩部分材料焊接成一個(gè)整體。因兩部分材料均被熔化，故稱熔焊。熔焊是金屬焊接中最主要的一種方法。

(二）壓焊

在焊接過(guò)程中需要對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱）的一類焊接方法，叫壓焊。

(三）釬焊

利用熔點(diǎn)比母材低的填充金屬（稱為釬料）熔化后，填入接頭間隙并與固態(tài)的母材通過(guò)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的一類焊接方法。表4－1船廠常用的焊接方法及應(yīng)用

第二節(jié)焊接電弧

電弧是所有電弧焊方法的能源，能有效而簡(jiǎn)便地把弧焊電源的電能轉(zhuǎn)換成焊接過(guò)程所需要的熱能和機(jī)械能。一、焊接電弧的產(chǎn)生

焊接電弧是由焊接電源提供的、具有一定電壓的兩極間或電極與焊件間，氣體介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。圖4－1焊接回路示意圖

二、焊接電弧的構(gòu)造

電弧的三個(gè)區(qū)

陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)（如圖4-2所示）。

焊接電弧的溫度oC和熱量分布

溫度oC熱量分布陽(yáng)極區(qū)：260043％弧柱區(qū)：6000～800021％陰極區(qū)：240036％圖4－2焊接電弧的構(gòu)造

三、焊接時(shí)的極性使用直流電源焊接時(shí)有正接、反接法兩種：

正接法：焊件接電焊機(jī)的正極（陽(yáng)極），焊條接負(fù)極（陰極）,因此，焊件溫度較高，能獲得較大熔深，適用于焊接厚板。

反接法：焊件接負(fù)極，焊條接正極，適合于焊接薄板，以防燒穿。

交流焊機(jī)、無(wú)正反接特點(diǎn)，溫度均為2500K。

圖4-3直流電焊機(jī)的不同的接法

a)正極b)反接交直流電焊機(jī)的比較

母材熔透深度比較

交流電焊機(jī)

直流正極性

直流反極性

四、焊接電弧的靜特性在電極材料，氣體介質(zhì)和電弧長(zhǎng)度一定時(shí)，電弧兩端的電壓與焊接電流之間的關(guān)系稱為電弧靜特性，或稱伏安特性。電弧靜特性曲線呈U形。如圖4－4曲線2所示。在一般情況下，電弧電壓Uh與弧長(zhǎng)l成正比變化，如圖4－5示，即電弧越長(zhǎng)電壓越高。

圖4－4普通電阻靜特性與電弧靜特性曲線1－普通電阻靜特性；2－電弧靜特性。圖4－5不同電弧長(zhǎng)度的電弧靜特性曲第三節(jié)電弧焊的熔滴過(guò)渡電弧焊時(shí)，焊條（或焊絲）末端在電弧高溫作用下加熱熔化形成的向熔池過(guò)渡的液態(tài)金屬滴叫熔滴。熔滴通過(guò)電弧空間向熔池轉(zhuǎn)移的過(guò)程叫熔滴過(guò)渡。顆粒過(guò)渡特點(diǎn)：焊接電流較小而電弧電壓較高時(shí)形成；因焊縫成形不好，通常不宜采用。噴射過(guò)渡特點(diǎn)：在氬或富氬保護(hù)氣體中，當(dāng)電流增大到某臨界值時(shí)，熔滴呈細(xì)小顆粒，并以噴射狀態(tài)快速通過(guò)電弧空間向熔池過(guò)渡；噴射過(guò)渡時(shí)其飛濺小，過(guò)程穩(wěn)定，熔深大，焊縫成形美觀。短路過(guò)渡特點(diǎn)：小電流焊接而低電弧電壓（即短弧焊時(shí)）時(shí)形成；短路過(guò)渡時(shí)電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫成形良好。廣泛用于薄板焊接和全位置焊接。第四節(jié)焊接接頭的組織及力學(xué)性能

（一）焊接接頭的組成焊接工件上溫度的變化各點(diǎn)處：常溫—較高溫度—常溫

固態(tài)

液態(tài)

固態(tài)在焊接過(guò)程中，母材因受熱的影響(但未熔化)而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域稱為熱影響區(qū)。熔焊焊縫和母材的交界線叫熔合線，熔合線兩側(cè)有一個(gè)很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)，叫熔合區(qū)，也叫半熔化區(qū)。因此，焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。

二、焊縫的組織和性能

(一)焊縫的組織和性能

焊縫組織是由熔池金屬結(jié)晶得到的柱狀的鑄造組織。焊接熔池的結(jié)晶首先從熔合區(qū)中處于半熔化狀態(tài)的晶粒表面開(kāi)始，晶粒沿著與散熱最快的方向的相反方向長(zhǎng)大，因受到相鄰的正在長(zhǎng)大的晶粒的阻礙，向兩側(cè)生長(zhǎng)受到限制，因此，焊縫中的晶體是方向指向熔池中心的柱狀晶體..

焊縫中的鑄態(tài)組織，晶粒粗大，組織不致密，但是，由于焊接熔池小，冷卻快，焊條藥皮、焊劑或焊絲在焊接過(guò)程中的冶金處理作用，使得焊縫的金屬的化學(xué)成分優(yōu)于母材，硫、磷含量較低，所以容易保證焊縫金屬的性能不低于母材，特別是強(qiáng)度容易達(dá)到。（二）焊縫形狀與焊接質(zhì)量的關(guān)系焊縫形狀是焊件熔化區(qū)橫截面的形狀，它可用焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h(yuǎn)三個(gè)參數(shù)來(lái)描述，如圖4－7所示。合理的焊縫形狀要求s、c和h之間有適當(dāng)?shù)谋壤?。生產(chǎn)中常用焊接成形系數(shù)（Ψ

＝c／s）和余高系數(shù)（＝c／h）來(lái)表征焊縫成形的特點(diǎn)。熔焊較適宜的成形系數(shù)為1～2。為了保證焊縫的強(qiáng)度，對(duì)一般焊縫允許有適當(dāng)?shù)挠喔?，通常?duì)接接頭允許h=0～3mm，對(duì)于重要角接構(gòu)件，也應(yīng)焊出余高后再打磨成凹形。

圖4－7焊縫的橫截面焊縫寬度焊縫余高焊縫的熔深焊接參數(shù)決定焊縫輸入的能量，是影響焊縫成形的主要工藝參數(shù)。焊接參數(shù)對(duì)焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h(yuǎn)的影響如圖4-8所示。焊接電流主要影響焊縫熔深s；電弧電壓主要影響焊縫熔寬c；焊接速度的快慢主要影響母材的熱入，提高焊速焊縫熔深s、焊縫熔寬c、余高h(yuǎn)均減少。圖4－8焊接參數(shù)對(duì)焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h(yuǎn)的影響a)焊接電流的影響；b)焊接電壓的影響；c)焊接速度的影響。三、熔合區(qū)的特征熔合區(qū)，又稱半熔化區(qū)，是焊縫與母材的交界區(qū)加熱溫度：1495～1538℃（固、液相線之間）組織：（未熔化但因過(guò)熱而長(zhǎng)大的）粗晶組織和（部分新結(jié)晶的）鑄態(tài)組織。特點(diǎn)：該區(qū)很窄，組織不均勻，強(qiáng)度下降，塑性很差，是產(chǎn)生裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。四、低碳鋼接頭的熱影響區(qū)

熱影響區(qū)：受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材因焊接熱作用發(fā)生組織或性能變化的區(qū)域。低碳鋼的熱影響區(qū)分為過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。

圖4－10低碳鋼焊接接頭的組織示意圖（1）過(guò)熱區(qū)：緊靠熔合區(qū)

加熱溫度：1100℃～1495℃（1100℃～固相線）

組織：粗大的過(guò)熱組織。

特點(diǎn)：寬度為1～3mm，塑性和韌性下降。焊接剛度大的結(jié)構(gòu)時(shí)，該區(qū)易產(chǎn)生裂紋。（2）正火區(qū)

：緊靠著過(guò)熱區(qū)

加熱溫度：850℃～1100℃（AC3至1100℃）

組織：均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織（近似于正火組織）

特點(diǎn)：寬度約1.2～4.0mm，力學(xué)性能優(yōu)于母材。（3）部分相變區(qū)

加熱溫度：AC1～AC3之間

組織：F+P（F粗、細(xì)不均）相變的F，變細(xì)??；未相變的F，變粗大特點(diǎn)：部分組織發(fā)生相變，晶粒不均勻，力學(xué)性能稍差

綜上所述，熔合區(qū)(1)和過(guò)熱區(qū)(2)是焊接接頭中的薄弱部分，對(duì)焊接質(zhì)量有嚴(yán)重影響，應(yīng)盡可能的減小之。焊接接頭焊縫熔合區(qū)過(guò)熱區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)

第五節(jié)焊接應(yīng)力與變形

本節(jié)主要討論產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的原因、預(yù)防和減小焊接應(yīng)力與變形的措施、以及消除焊接應(yīng)力與變形的方法。

一、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因

（一）焊接應(yīng)力與變形的概念

1．應(yīng)力與變形的基本概念

物體的變形：物體在受到外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變化，這種變化稱為物體的變形；物體的變形一般分為彈性變形和塑性變形兩種。

內(nèi)力：在物體受到外力作用發(fā)生變形的同時(shí)，在其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一種抵抗變形的力。

應(yīng)力：物體由于受到外力的作用，在單位截面積上出現(xiàn)的內(nèi)力就叫做應(yīng)力。

內(nèi)應(yīng)力的顯著特點(diǎn)是：在物體內(nèi)部，內(nèi)應(yīng)力是自成平衡的，形成一個(gè)平衡力系。

2．焊接應(yīng)力與變形的概念

焊接應(yīng)力：是焊接過(guò)程中及焊接過(guò)程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。按應(yīng)力作用時(shí)間的不同，焊接應(yīng)力可分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接瞬時(shí)應(yīng)力，是焊接過(guò)程中某一瞬時(shí)的焊接應(yīng)力，它隨時(shí)間而變化。焊件冷卻后，殘留于焊件內(nèi)的應(yīng)力，稱為焊接殘余應(yīng)力。

焊接變形：即由于焊接而引起的變形。焊接變形包括焊接過(guò)程中的變形和焊接殘余變形。焊后焊件不能消失的變形，稱為焊接殘余變形。我們所說(shuō)的焊接應(yīng)力及焊接變形，一般是指焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。（二）研究焊接應(yīng)力與變形時(shí)的幾個(gè)假定

焊接過(guò)程中，影響焊接應(yīng)力與變形的因素很多,為抓住主要矛盾,簡(jiǎn)化討論,常作如下幾個(gè)假定。

1．平截面假定

2．金屬性質(zhì)不變假定

3．屈服強(qiáng)度與溫度關(guān)系的假定

（三）焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因

1．焊件的不均勻受熱焊接過(guò)程中，焊縫被加熱處于液態(tài)，相鄰的金屬加熱到很高的溫度，然后再快速冷卻下來(lái)，各點(diǎn)處溫度不同，冷卻速度也不相同，在熱脹冷縮和塑性變形的影響下，必將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形或裂紋。圖4—13鋼板中心堆焊或?qū)訒r(shí)的應(yīng)力與變形（+）表示拉應(yīng)力（-）表示壓應(yīng)力

通過(guò)對(duì)鋼板中心堆焊或?qū)訒r(shí)的應(yīng)力與變形上述的分析可知：

1）焊接是一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程，焊后焊件必然有焊接應(yīng)力和焊接變形，即焊件的不均勻加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的主要原因。

2）通常，焊接過(guò)程中焊件的變形方向與焊后的變形方向相反。

3）焊接加熱時(shí)，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時(shí)，壓縮塑性變形區(qū)要收縮。如這種收縮能充分進(jìn)行，則焊接變形大，焊接應(yīng)力小；如這種收縮不能充分進(jìn)行，則焊接變形小而焊接應(yīng)力大。

4）焊接過(guò)程中及焊接過(guò)程結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布都是不均勻的。焊后焊縫及其附近區(qū)域的焊接應(yīng)力通常是拉應(yīng)力。

焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因:

1．焊件的不均勻受熱(前面以敘)2．焊縫金屬的收縮

焊縫金屬當(dāng)它冷卻由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，其體積要收縮；另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的收縮，也會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。

3．金屬組織的變化焊接過(guò)程中伴隨金相組織轉(zhuǎn)變（金屬各種組織比容的不同）所出現(xiàn)的體積變化將產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，冷卻以后，如果相變產(chǎn)物仍舊保留下來(lái)，那么在焊件中就產(chǎn)生了組織應(yīng)力和變形。４．焊件的剛性和拘束

焊件的剛性是指焊件抵抗變形的能力；有些焊件雖然自身的剛性小，但周圍用剛度大的物體給予加固，即增加了對(duì)焊件的拘束；焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應(yīng)力則越大；反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應(yīng)力則越小。

二、焊接應(yīng)力（一）焊接應(yīng)力的分類

1．按其產(chǎn)生的原因可分為：溫度應(yīng)力（也稱熱應(yīng)力）、殘余應(yīng)力、組織應(yīng)力；

2．按其作用的方向分為：縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力；

3．按其在空間作用的方向分為：?jiǎn)蜗驊?yīng)力、雙向應(yīng)力（平面應(yīng)力）和三向應(yīng)力（體積應(yīng)力）。（二）焊接應(yīng)力的分布對(duì)接焊縫的應(yīng)力分布（三）焊接應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響

1．焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的影響；

2．焊接應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響；

3．焊接應(yīng)力降低機(jī)械加工的精度；

4．焊接應(yīng)力降低受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性；

5．焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響。（四）減小焊接應(yīng)力的措施1．采用合理的焊接順序和方向2．留“裕度”法3．加熱“減應(yīng)區(qū)”法4．錘擊或輾壓焊縫

（五）消除焊接應(yīng)力的方法

1．焊后熱處理

2．機(jī)械拉伸法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，使焊接塑性變形區(qū)得到拉伸，以減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內(nèi)應(yīng)力降低。特別適用于一些焊接容器，它可以通過(guò)水壓試驗(yàn)起到機(jī)械拉伸的作用。

3．溫差拉伸法基本原理與機(jī)械拉伸法相同，是使焊縫區(qū)域受到拉伸塑性變形來(lái)抵消焊接時(shí)所產(chǎn)生的壓縮塑性變形。

4．振動(dòng)法從減少焊接應(yīng)力考慮，為什么圖中標(biāo)出的焊接順序合理，并說(shuō)明理由。三、焊接變形（一）焊接變形的種類（二）影響焊接變形的因素

1．金屬材料的熱物理性能；

2．施焊方法和焊接工藝參數(shù)；

3．焊縫的長(zhǎng)度及其截面積；

4．焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置；

5．結(jié)構(gòu)的剛性和幾何尺寸；

6．裝配和焊接程序。（三）防止與減小焊接變形的措施

1．船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面（1）船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮船體分段劃分的可能性，以便使船臺(tái)的焊接工作量減至最少。（2）分段中的焊縫應(yīng)保持對(duì)稱性，或者靠近結(jié)構(gòu)的中心線，以防止彎曲變形。對(duì)于厚度大于8mm的板，應(yīng)盡量采用X形坡口而不采用V型坡口。

（3）在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減少焊逢的截面尺寸，以減少收縮變形。（4）盡可能減少焊逢的數(shù)量。（5）在裝配焊接時(shí)，可采用簡(jiǎn)單裝配焊接胎夾具。a）不合理b）合理

對(duì)稱坡口

2．船舶建造工藝方面（1）嚴(yán)格對(duì)加工、裝配工序的要求（2）預(yù)留收縮余量（3）反變形法a試件b角變形量c反變形設(shè)備

a)沒(méi)有采用反變形法b)反變形法（4）剛性固定法（5）合理的焊接次序

船艏外板焊接順序

（四）焊接變形的矯正

1．機(jī)械矯正焊接變形