第六章化工设备的焊接 第一节焊缝的化学成分及焊接接头的金相组织 焊接电弧 是电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象 一般情况下 电弧热量在阳极区产生的较多 约占总热量的43 阴极约36 弧柱约21 温度 用钢焊条焊钢材时阳极区 2600K阴极区 2400K电弧中心 6000 8000K使用直流电源焊接时有正接 反接两种 正接 正极接工件 工件温度可稍高一些 反接 负极接工件 工件温度可稍低一些 交流焊机 无正反接特点 温度均为2500K 焊机的空载电压就是焊接时引弧电压 一般为50 90V 电弧稳定燃烧时电压为电弧电压 电弧长度越大 电弧电压也越高 一般为16 35V 一 焊接区内的气体 一 气体的来源和产生来源 1 焊接材料2 气体介质3 焊丝和母材表面上的油锈等杂质 4 金属和熔渣的蒸发产生的气体成分 金属及熔渣蒸气 二 氮与金属作用 来源 主要是焊接区周围的空气 氮与金属作用有两种情况 1 不与氮发生作用的金属 即不能熔解氮又不形成氮化物 可用N作为保护气体 2 与氮发生作用的金属 即能溶解氮又能形成氮化物 这种情况下就要防止焊缝金属的氮化 二 氮对焊接质量的影响 1 时效脆化2 气孔3 有利一面 可作为合金元素加入钢中 一般指高合金钢 三 影响焊缝含氮量的因素及控制措施 1 机械保护 气一渣保护 渣保护 气体保护 抽真空 对于适渣型焊条 保护效果取决于药皮的数量及成分2 焊接工艺规范影响 3 焊丝成分的影响 增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量 三 氢对金属的作用 1 来源 焊条药皮 焊剂 焊丝药芯中水分 药皮中有机物为 焊件表面杂质 锈 油 空气中水分 3 H 的影响因素 与氢形成稳定氢化物的金属 不与氢形成稳定氢化物的金属 合金元素的影响 氢在铁中溶解度受合金元素影响 三 氢对焊接质量的影响 暂态现象 脆化 白点 经时效 热处理可消除永久现象 气孔 改变组织 显微斑点 冷裂纹 不可消除1 氢脆氢在室温附近 氢溶解在金属晶格中 引起钢的塑性严重下降现象2 白点肉眼可见 直径0 5 3mm中心处有气孔或小的夹渣 外围有塑性裂断的痕迹 象鱼眼似的也称 鱼眼 产生原因 白点是在塑性变形阶段产生的 诱捕理论 解释 焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙 好象 陷阱 一样 捕捉氢原子 并在其中结合成氢分子 在拉伸试验中 陷阱 中的氢分子被吸附 由于塑性变形新产生的微裂纹表面上 分解成原子氢 原子氢扩散到微裂纹金属晶格内 引起金属脆化 3 气孔4 组织变化和显微斑点焊缝金属A M时 由于氢在A有较大的溶解度 当含氢量高的焊缝自A化 温度冷却时 引起局部A过冷残余A增加 残余A M时 富氢的组织内产生大的内应力 造成显微裂纹5 产生冷裂纹 四 控制氢的措施 1 限制焊接材料的含氢量 药皮成分2 严格清理工件及焊丝 去锈 油污 吸附水分3 冶金处理4 调整焊接规范5 焊后脱氢处理 四 氧对金属的作用 一 氧在金属中的溶解1 以原子氧形式溶解2 以FeO形式溶解 二 金属被氧化的途径气相中氧化气体与金属相互作用1 自由氧对金属的氧化2 CO2对金属的氧化3 H2O气对金属的氧化4 混合气体对金属的氧化 三 氧对焊接质量的影响1 机械性能下降2 化学性能变差3 产生气孔CO合金元素烧损4 工艺性能变差 四 防止措施一防二脱 二 焊接熔渣 一 熔渣的作用 成分及分类1 熔渣的作用1 机械保护作用2 冶金处理作用3 改善工艺性能2 熔渣的成分和分类1 熔渣成分 大体由氧化物 氯化物 氟化物 硼酸盐类组成是多种化学组成的复杂体系 2 熔渣分为三类第一类氧化物型第二类盐 氧化物型第三类盐型 二 熔渣结构理论 液态熔渣的结构有两种理论 分子理论和离子理论分子理论可简明的定性为解释熔渣与金属之间的冶金反应 但不能解释一些重要现象 如导电性 电解等 三 熔渣的性质与其结构的关系 1 熔渣的碱度分子理论认为熔渣中的氧化物按其性质可分为三类1 酸性氧化物SiO2TiO2P2O52 碱性氧化物K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO3 中性氧化物Al2O3Fe2O3Cr2O3 熔渣的氧化性高温下覆盖在液态金属表面的熔渣 既有对液态金属的保护作用和促进化学冶金反应过程顺利进行的作用 也有因熔渣自身成分与性能特点 对液态金属污染的副作用 其中包括氧化性较强的熔渣对液态金属的氧化 氧化性较强的熔渣又称为活性熔渣 熔渣对液态金属的氧化形式可分为扩散氧化与置换氧化两种 焊缝金属中硫和磷的控制 一 焊缝中硫的危害及控制1 硫的危害2 控制硫的措施 1 限制焊接材料中含硫量 2 用冶金方法脱硫碱性焊条脱硫 CaO FeS CaS FeO MnO FeS MnS FeO 脱硫剂 碱性氧化物 锰脱硫 Mn Fes MnO Fe LgK 8220 T 1 86T K 有利于脱硫 MgO FeS MgS FeO 二 焊缝中磷的危害及控制 1 磷的危害2 控制磷的措施 1 限制焊接材料中含磷量 2 脱硫反应a FeO将磷氧化生成P2O5b 使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐2 Fe3P 5 FeO 3 CaO CaO 3 P2O3 11 Fe 2 Fe3P 5 FeO 4 CaO CaO 4 P2O3 11 Fe 三 焊缝成分的调整 一 目的 补尝 改善 特殊性能 二 方式 1 应用合金焊丝或带极2 应用药芯焊丝或药芯焊条3 应用合金药皮或粘结焊剂4 应用合金粉未 二 焊接接头的金相组织 1 焊接工件上温度的变化与分布各点处由常温 较高温度 常温固态液态固态温度变化如4 3图二 焊接接头组织与性能以低碳钢为例P132图4 4中 左图是焊件的横截面 右图是铁碳状态图的一部分 A 焊缝焊缝的结晶是从熔池底壁开始向中心成长 焊缝两侧工件方向冷却较快 故形成的柱状的铸态组织 由铁素体和少量的珠光体组成 熔池中部最后结晶 低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析物集中在焊缝中心 将影响焊缝的力学性能 由于电弧吹力和保护气体吹动 熔池底壁柱状晶体成长受到干扰 柱状晶体呈倾斜状 晶粒有所细化 由于焊接材料的渗合金作用 焊缝金属性能可能不低于母材金属的性能 B 焊接热影响区 熔合区 过热区 正火区 部分相变区等 熔合区处于液相线 固相线之间 所以也称半熔化区 因温度过高而成为过热粗晶 强度 塑性和韧性都下降 此处接头断面变化 易引起应力集中 此区很大程度上决定着焊接接头的性能 过热区被加热到Ac3以上100 200 C至固相线温度区间 奥氏体晶粒急剧长大 形成过热组织 故塑性 韧性降低 对易淬火钢 此区脆性更大 正火区被加热到Ac1到Ac3以上100 200 C区间 在此区温度范围内 加热时发生重结晶 转变为细小的奥氏体晶粒 冷却后为均匀而细小的铁素体和珠光体 其力学性能优于母材 部分相变区相当于加热到Ac1 Ac3温度区间 珠光体和部分铁素体发生重结晶 转变成细小奥氏体晶粒 部分铁素体不发生相变 但晶粒有长大趋势 冷却后晶粒大小不均 因而其力学性能比正火区稍差 焊接热影响区的大小和组织 性能变化的程度 决定于焊接方法 焊接参数 接头形式和焊后冷却速度等因素 增加焊接速度或减少焊接电流都能减少焊接热影响区 c 改善焊接热影响区组织和性能的方法焊接热影响区在电弧焊焊接接头中是不可避免的 用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时 热影响区较窄 危害性较小 焊后不进行热处理即可使用 但对重要的碳钢构件 合金钢构件 电渣焊焊接的构件为消除热影响区影响 一般采用焊后正火处理 对焊后不能进行热处理金属材料或构件 则只能在正确选择焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热影响区的范围 焊接接头的不完整性称焊接缺陷 主要有焊接裂纹 未焊透 夹渣 气孔和焊缝外观缺陷等 第二节常见焊接缺陷 二 焊接裂纹 1 热裂纹 热裂纹的特征热裂纹可发生在焊缝区或热影响区 热裂纹的微观特征是沿晶界开裂 所以又称晶间裂纹 因热裂纹在高温下形成 所以有氧化色彩 热裂纹产生的原因 晶间存在液态薄膜 接头中存在拉应力 热裂纹的防止 限制钢材和焊条 焊剂的低熔点杂质 如硫和磷含量 Fe和FeS易形成低熔点共晶 其熔点为988 很容易产生热裂纹 缩小结晶温度范围 改善焊缝组织 细化焊缝晶粒 提高塑性减少偏析 减少焊接应力的工艺措施 如采用小线能量 焊前预热 合理的焊缝布置等 2 冷裂纹 冷裂纹的形态和特征焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹 冷裂纹的特征是无分支 通常为穿晶型 冷裂纹无氧化色彩 最常见的冷裂纹是延迟裂纹 即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹 延迟裂纹的产生原因 焊接接头 焊缝和热影响区及熔合区 的淬火倾向严重 产生淬火组织 导致接头性能脆化 焊接接头含氢量较高 并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子 造成非常大的局部压力 使接头脆化 存在较大的拉应力 因氢的扩散需要时间 所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现 由于是氢所诱发的 也叫氢致裂纹 防止延迟裂纹的措施 选用碱性焊条或焊剂 减少焊缝金属中氢的含量 提高焊缝金属塑性 焊条焊剂要烘干 焊缝坡口及附近母材要去油水 除锈 减少氢的来源 工件焊前预热 焊后缓冷 可降低焊后冷却速度 避免产生淬硬组织 并可减少焊接残余应力 采取减小焊接应力的工艺措施 如对称焊 小线能量的多层多道焊等 焊后立即进行去氢 后热 处理 加热到250 保温2 6h 使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面 焊后进行清除应力的退火处理 三 气孔 焊缝气孔有三种 氢气孔高温时 氢在液体中的溶解度很大 大量的氢溶入焊缝熔池中 而焊缝熔池在热源离开后快速冷却 氢的溶解度急速下降 析出氢气 产生氢气孔 一氧化碳气孔当熔池氧化严重时 熔池存在较多的FeO 在熔池温度下降时 将发生如下反应 FeO C Fe CO 此时 若熔池已开始结晶 则CO将来不及逸出 便产生CO气孔 熔池氧化愈严重 含碳量愈高 越易产生CO气孔 氮气孔熔池保护不好时 空气中的氮溶入熔池而产生 防止气孔的方法 焊条 焊剂要烘干 焊丝和焊缝坡口及其两侧的母材要清除锈 油和水 焊接时采用短弧焊 采用碱性焊条 CO2焊时 采用药芯焊丝 采用低碳材料都可减少和防止气孔的产生 第三节焊接应力与变形 焊接过程中 焊缝被加热处于液态 相邻的金属加热到很高的温度 然后再快速冷却下来 各点处温度不同 冷却速度也不相同 在热胀冷缩和塑性变形的影响下 必将产生内应力 变形或裂纹 焊缝是靠一个移动的点热源加热 然后逐次冷却下来形成的 因此应力的形成 大小和分布状况较复杂 假定整条焊缝同时形成 则应力分布如图4 5焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能 承载能力大为降低 对于接触腐蚀性介质的焊件 应力腐蚀现象加剧 减少使用期限 对于承受重载的重要构件 压力容器等 焊接应力的防止和消除 选择塑性好的材料 避免焊缝密集交叉 焊缝过长 截面过大 合理的焊接次序 图4 6a为正确 焊前预热 可减小温差 减少焊接应力较为有效 采用小能量焊接方法 或焊后立即捶击 需较彻底地消除焊接应力时 焊后去应力退火 采用水压试验或振动法消除焊接应力 焊接变形 由焊接应力引起 变形种类 图4 7收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形焊件产生变形主要由焊接应力引起的 预防焊接应力的措施对防止焊接变形有时是有效的 当对焊件的变形有较高的限定时 结构设计中应采用 对称结构或大刚度结构 焊缝对称分布结构 施焊中 采用反变形措施或刚性夹持方法 刚性夹持不适于淬硬性较大的钢结构和铸铁件 焊接应力过大的严重后果是焊件 工件 产生裂纹 危害极大 对重要工件焊后应探伤 焊接裂纹与 焊接材料的成分 如硫 磷含量高 有关 和焊缝金属的结晶特点 结晶区间要小 有关 含氢量的多少有关 所以焊接中应 合理选材 采取措施减少应力 选用合理的焊接工艺 焊接参数 如 采用碱性焊条 小能量焊接 预热 合理的焊接次序等 第四节焊接工艺规程 1 焊接性的概念 金属材料的焊接性是指被焊金属在采用一定的焊接方法 焊接材料 工艺参数及结构形式条件下获得优质焊接接头的难易程度 焊接性不是一成不变的 同一种金属材料 采用不同的焊接方法 焊接材料及焊接工