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焊接结构学 绪论,焊接技术在工业部门中应用的历史并不长，但其发展却非常迅速。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆、压力容器等几乎全部取代了铆接。此外，在机械制造业中，以往由整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，目前，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的45%。,绪论 焊接结构的特点,与铆接、螺栓连接的结构相比较，或者与铸造锻造的结构相比较，焊接结构有下列特点（优点）：1、焊接接头强度高 铆接、螺栓连接的结构，要在母材上钻孔，削弱了工作截面，强度下降约20%焊接；接头强度可达到与母材等强度甚至高于母材强度。,2、焊接结构设计灵活性大，主要表现在：焊接结构的几何形状不受限制：如铆、铸、锻等方法无法制造空心结构，焊接则可以；结构的壁厚不受限制：两被连接构件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；结构的外形尺寸不受限制：对大型结构可分段制成部件，现场组焊、锻、铸、工艺则不允许；可利用标准或非标准型材组焊接成所需要结构，段结构重量减轻。焊缝减少；可与其它工艺方法联合使用：铸焊 锻焊 栓焊 冲压焊接等联合的金属结构；可实现异种材料的连接：同一结构的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物尽其用。,3、焊接接头密封性好 气密性，水密性均优于其它方法，特别是在高温，高压容器上，只有焊接接头才是最理想的连接形式。4、焊前准备工作简单 由于近年来数控精密气割设备的发展，对于各种厚度或形式状复杂的待焊接，不必预划线就能直接从板料上切割出来，一般不用再机械加工就可投入装配焊接。,绪论 焊接结构的特点,5、易于结构的变更和改型 铸造铸型（木型）锻造开模具 周期长、成本高 焊接、则快速、简便、投资少6、适用于制作大型或重型、结构简单而且是单件小批量生产的产品结构 结构 大 简单 批量小 焊接占优势 结构 小 复杂 批量大 铸锻占优势7、成品率高 一旦出现缺陷，可以修复、很少产生废品。,绪论 焊接结构的特点,焊接结构所存在的问题（缺点）：1、存在较大的焊接应力和变形 焊接（局部加热）内应力变形工艺缺欠承载能力（刚度、强度、稳定性）下降尺寸精度，尺寸稳定性下降校形增加工作量增加成本,绪论 焊接结构的特点,焊接结构所存在的问题（缺点）：2、对应力集中敏感 焊接结构具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次序等都会影响到应力分布，对应力集中敏感，而应力集中是疲劳，脆断等破坏的起源，因此在焊接结构设计时要妥善处理。,绪论 焊接结构的特点,焊接结构所存在的问题（缺点）：3、焊接接头的性能不均匀 焊接金属是由母材料和填充金属在焊接热作用下熔合而成的铸造组织，靠近焊接金属的母材（近缝区）受焊接热的影响，组织和性能发生变化（谓之热影响区），因此，焊接接头在成分，组织和性能上都是一个不均匀体，其不均匀程度远远超过了铸、锻件，这种不均匀性对结构的力学行为，特别是断裂行为有重要影响。,绪论 焊接结构的特点,焊接结构设计,一、焊接接头形式,对接接头,角接接头及 T字形接头,搭接接头,焊接接头形式,焊接坡口为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。,二、坡口形式,1 焊接结构材料的选择,焊接结构材料的选择原则：1.满足使用要求，选易焊材；2.高强度结构钢，尽量优先选；3.重要结构应选用：镇静钢；4.异种钢材互焊时偏弱者跟措施；5.多用锻、压、型材，减少焊缝。,2 焊接接头的工艺设计,一、焊缝布置的一般原则：1.避开应力最大处；2.焊缝远离加工面；3.对称布置变形小；4.焊缝布置求分散；5.便于操作想周到；6.尽量平焊效率高。,二、接头形式的选择与设计 1.接头形式 2.坡口形式 3.接头过渡形式 4.其他焊接方法的接头与坡口形式,一、压力容器简介,压力容器示意图,压力容器实物图,压力容器生产工艺流程框图,图4 压力容器焊接接头分类,易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。,四、压力容器焊接结构设计的基本原则,1尽量采用对接接头,角焊缝，改用对接焊缝图5（a）改为（b）和（c）。减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。,举例：,图5 容器接管的角接和对接,（a）,（b）,（c）,2尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷,选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。,指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。,未熔透,改进,图6 板厚不等时的对接接头,图7 不带补强圈的插入式接管焊接结构,(a),(b),(c),（a）图：单面焊接结构，适用于内径小于600mm、盛装无 腐蚀性介质的接管与壳体之间的焊接，接管厚度应小 于6mm；（b）图：最常用的插入式接管焊接结构之一，为全熔透结 构。适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在 425mm、接管厚度大于等于0.5倍壳体厚度的情况；（c）图：在（b）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用 于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工况。,（1）不带补强圈的插入式接管焊接结构,中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或其它焊接缺陷。,图（b）：承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器，保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。,（2）带补强圈的接管焊接结构,要求：,尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。但只能采用塔接和角接，难于保证全熔透，也无法进行无损检测，因而焊接质量不易保证。,坡口：,大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接工作量,图（a）：一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器,图8 带补强圈的插入式接管焊接结构,（a）,（b）,图9 安放式接管与壳体的焊接结构,（a）,（b）,（c）,（a）,（b）,属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。（a）图：适用于球形封头或椭圆形封头中心部位的接管与 封头的连接，且封头厚度n 50mm。,（4）嵌入式接管的焊接结构,图10 嵌入式接管与封头的焊接结构,图11 凸缘与壳体的角接焊接结构,（b）,（a）,（c）,环与壳体应紧贴,内径侧应允许进行内部填角焊,（5）凸缘与壳体的焊接结构,1）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与壳体，如 图11 所示。2）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器凸缘与壳 体，如图12。,图12 凸缘与壳体的对接焊接结构,K6mm(a),K6mm(b),(c),(d),1.封头生产工序,（1）下料,（2）拉深,（3）消除应力退火,（4）切边,（5）缩口,（1）下料,2.筒体节生产工序,（2）加工坡口,（3）卷圆,（5）焊接双面纵焊缝,（4）装配及定位焊,筒体节纵焊实物图,（6）去引弧板和引出板并清理,（7）筒体节校圆,（8）筒体节开接管孔,（9）封头与筒体节及筒体节之间的装配和定位焊,压力容器装配和定位焊实物图,3.接管和法兰生产工序图,（1）出口接管切割成形,（2）人孔接管板材卷圆成形,（3）法兰毛坯下料,（4）法兰切削成形,（5）人孔接管和法兰装配与焊接,4.总装配和焊接生产工序,（1）环焊缝对接缩口接头与衬板接头,（2）焊环焊缝,（3）压力容器接管装配与焊接,（4）压力容器消除应力退火,5.检验,（1）力学性能试验,（2）金相试验,（3）化学分析,（4）外观检查,（5）超声波检验,超声波检验示意图,（6）射线探伤,X射线探伤示意图,（7）气密性试验,气密性试验示意图,（8）水压试验,水压试验示意图,焊接材料,一、手工电弧焊用焊接材料电焊条：内部钢芯和外侧药皮1、钢芯主要作用导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。要求焊芯尽量减少有害元素的含量，限制S、P，有些焊条要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。,2、药皮,又称为涂料，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。采用氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。,药皮中各种组分作用：,1）稳弧剂：凡易电离的物质均能稳弧。用碱金属及碱土金属化合物，碳酸钾、碳酸钠、大理石等。2）造渣剂：形成溶渣，覆盖熔化金属表面，保护熔池及改善焊缝成形 3）脱氧剂：降低含氧量，提高机械性能。主要脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁。4）造气剂：高温下分解出气体，保护电弧及熔池，防止空气中氧和氮侵入,药皮中各种组分作用：,5）合金剂：补偿合金元素的烧损及向焊缝过渡合金元素，以保证焊缝的化学成分及性能等。6）增塑润滑剂：增加药皮粉料在焊条压涂过程的塑性、滑性及流动性，以提高焊条的压涂质量，减小偏心度。7）粘接剂：使药皮粉料在压涂过程中有一定粘性，与焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的强度。,3、电焊条的分类,（1）按用途分,（2）按熔渣的碱度分类,酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条焊接工艺性好，成形整洁,去渣容易，不易产生气孔和夹渣。但药皮氧化性强使合金元素烧损大,机械性能（冲击韧性）比较低。酸性焊条一般均可用交直流电源。典型的酸性焊条是J422。,碱性焊条焊接的焊缝机械性能良好，特别是冲击韧性比较高，主要用于重要结构的焊接。氟化物粉尘有害，应加强现场的通风排气，以改善劳动条件。典型的碱性焊条有J507。,（3）按焊条药皮主要成分分类,当药皮中含有30以上的二氧化钛及20以下的钙、镁的碳酸盐时，就称为钛钙型。,4、电焊条牌号与型号,(1)焊条牌号是焊条产品的具体命名。根据主要用途及性能特点命名。每种产品只有一个牌号，但多种牌号可同时对应于一种型号。焊条牌号通常以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。,结构钢焊条牌号,J422，中“J”表示结构钢焊条,按用途分第一、二位数字“42”表示焊缝金属的抗拉强度等级（用MPa值的1/10表示），末位数字“2”表示药皮类型及焊接电源的种类,奥氏体铬镍不锈钢焊条牌号,A132中“A”表示奥氏体不锈钢焊条；第一、第二位数字表示焊缝金属主要化学成分组成末位数字表示药皮类型和焊接电源种类,（2）焊条型号,是以焊条国家标准为依据、反映焊条主要特性的一种表示方法。焊条型号根据焊缝金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类划分。,碳钢焊条型号,E4315中“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa值的1/10；第三位数字表示焊条焊接位置，“0”及“1”表示用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。,常用焊条,a.E4303、E5003焊条钛钙型。主要用于较重要的碳钢结构。b.E4315、E5015 焊条 低氢钠型，主要用于重要的低碳钢结构及低合金钢结构，也被用于焊接高硫钢和涂漆钢c.E4316、E5016型焊条低氢钾型，电弧稳定，主要用于重要的低碳钢结构与低合金钢结构。,低合金钢焊条型号,如E5018A1，后缀字母为熔敷金属的化学成分分类代号,不锈钢焊条型号,E30815，字母E表示焊条，“E”后面数字表示熔敷金属化学成分分类代号，短划“-”后面的两位数字表示焊条药皮类型、焊接位置及焊接电流种类,二、埋弧焊用焊丝和焊剂,焊丝牌号与优质碳素钢钢号的表示方法类似，前面加上“H”。强度钢用焊丝牌号如H08、H08A、H10Mn2。若牌号最后带有A字，表示为S、P含量较少的优质焊丝。,国产焊剂依据化学成分分类，在牌号前面加HJ，如HJ431。第一位数字表示氧化锰的平均含量，如“”表示含MnO30；第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“”表示高硅低氟型（SiO230%,CaF210%）；末位数字表示同类焊剂的不同序号。,（GB5293-85）规定焊剂型号：HJ401H08A的焊剂，用H08A焊丝按本标准，抗拉强度为412550MPa，屈服强度不小于330MPa，伸长率不小于22，在0时冲击值不小于34.3J/cm2。,三、焊条、焊丝及焊剂的选用,焊缝机械性能与基体金属一致；其次，在化学成分方面接近基体还应根据焊接位置及板厚确定药皮类型。,焊接缺陷与焊接质量检验,一、焊接缺陷1、焊接变形应力超过屈服极限产生焊接变形；超过强度极限会出现裂缝。,2、焊缝的外部缺陷,（1）焊缝增强过高坡口的角度开得太小或焊接电流过小应力集中，为提高疲劳寿命，要求将焊缝的增强高铲平。,（2）焊缝过凹,焊缝工作截面减小使接头处强度降低。（3）焊缝咬边,在工件上沿焊缝边缘形成凹陷。减少工作截面，并造成严重应力集中。,（4）焊瘤,对静载强度无影响引起应力集中，使动载强度降低。（5）烧穿,部分熔化金属从焊缝反面漏出，甚至烧穿成洞，使接头强度下降。,3、焊缝内部缺陷,（1）未焊透应力集中严重，降低强度，开裂根源。（2）夹渣 减少工作截面，造成应力集中，降低焊缝强度和冲击韧性。（3）气孔 减少有效工作截面，降低机械强度。（4）裂纹 热裂纹和冷裂纹,热裂纹是由液态到固态结晶中产生焊缝中存在低熔点物质（FeS），受到较大的焊接应力，容易在晶粒之间引起破裂。焊件及焊条内含S、Cu等杂质多时，容易产生热裂纹。热裂纹有沿晶界分布的特征。,冷裂纹是冷却过程中产生，由于热影响区或焊缝内形成了淬火组织，在高应力作用下，引起晶粒内部的破裂，焊接含碳量较高或合金元素较多的易淬火钢材时，最易产生冷裂纹。焊缝中熔入过多的氢，也会引起冷裂纹。还有再热裂纹等裂纹是最危险的一种缺陷，一般不允许存在，一经发现须铲去重焊。,