钢结构基础知识系列讲座钢结构基础知识系列讲座( (二二) )钢桥及钢结构熔焊的一些基本理论钢桥及钢结构熔焊的一些基本理论主讲人主讲人 彭月燊（教授级高工）彭月燊（教授级高工）2010.42010.4 目目 录录前前 言言 （一）焊接的方法及选择（一）焊接的方法及选择（二）焊接材料选用的原则（二）焊接材料选用的原则（三）焊接热过程（三）焊接热过程（四）低合金钢熔焊焊接接头（四）低合金钢熔焊焊接接头（五）层状撕裂（五）层状撕裂 前前 言言大跨度铁路钢桥的焊接从九江长江大桥开始大跨度铁路钢桥的焊接从九江长江大桥开始 的十多年来快速发展，上世纪的十多年来快速发展，上世纪8080年代，整体节年代，整体节 点在大跨度钢桥的采用，标志着钢桥的焊接大量点在大跨度钢桥的采用，标志着钢桥的焊接大量 的应用。近年来，钢桥的工地焊接也开始出现，的应用。近年来，钢桥的工地焊接也开始出现， 个别公路钢桥采用了全焊结构。个别公路钢桥采用了全焊结构。对于钢结构设计和制造人员，迫切需要更多对于钢结构设计和制造人员，迫切需要更多 的了解和掌握焊接结构的设计和焊接工艺方面的的了解和掌握焊接结构的设计和焊接工艺方面的 基础知识，与焊接专业的技术人员一道把钢桥的基础知识，与焊接专业的技术人员一道把钢桥的 焊接技术不断推向前进焊接技术不断推向前进本讲的内容是针对长期从事钢结构制造的非本讲的内容是针对长期从事钢结构制造的非 焊接专业人员而设定的，在具有一定焊接知识的焊接专业人员而设定的，在具有一定焊接知识的 基础上，对某些基础理论方面作专题的阐述，以基础上，对某些基础理论方面作专题的阐述，以 达到提高的目的。达到提高的目的。主讲人是非焊接专业人员，但有机会较多的主讲人是非焊接专业人员，但有机会较多的 接触到焊接这门领域，所讲述的内容认为是一位接触到焊接这门领域，所讲述的内容认为是一位 成熟的钢结构设计和制造技术人员应该掌握的基成熟的钢结构设计和制造技术人员应该掌握的基 础知识础知识 。（一）（一）焊接的方法及选择焊接的方法及选择1. 焊接方法的分类及钢结构常用焊接方法。1.1 焊接方法的分类根据母材是否熔化将焊接方法分为熔化焊、 压力焊、钎焊三大类。熔化焊 利用一定的热源，使构件的被连接部 位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的 方法。如：电弧焊、气焊、电渣焊、激光焊等属这类 。压力焊 利用摩擦、扩散和加压等物理作用克服 两个连接表面的不平度，除去氧化膜及其它污 染物，使两个连接表面上的原子相互接近到晶 格距离，从而在固态条件下实现连接的方法。如冷压焊、电阻对焊、摩擦焊、超声波焊 、爆炸焊等属这类。 钎焊 采用熔点比母材低的材料作钎料，将焊件 和钎料加热至高于钎料熔点但低于母材熔点的温 度，利用毛细作用使液态钎料充满接头间隙，熔 化钎料润湿母材表面，冷却后结晶形成冶金结合 的方法。如火焰钎焊、感应钎焊等属这类 。1.2 钢桥及钢结构常用的焊接方法电弧焊（1） 电弧焊可分为：熔化极电弧焊本讲讲述的焊接方法手工电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊（ GMAW）、CO2焊、螺柱焊。这是钢结构用得 最多的焊接方法。非熔化极电弧焊有：钨极氩弧焊（GTAW）、等离子弧焊、氢原 子焊（2）常用焊接方法的比较 手工电弧焊优点：应用灵活、方便、适用性最强、设备 简单缺点：生产率低、劳动强度大、对焊工技术 水平的依赖性强、对焊工健康影响大。 埋弧自动焊优点：熔敷速度及熔透能力大，焊接生产率 高，焊接质量稳定，劳动条件好，对焊工技术水 平依赖小。缺点：一般情况下只能进行平焊和船形焊。 熔化极气体保护焊常用的熔化极气保焊有CO2焊，惰性气体焊（ MIG）、活性气保焊(MAG)CO2气保焊是利用活性气体CO2作保护的一种 电弧焊，它使焊接区与空气隔离，防止氮气对熔 化金属的有害作用，是一种生产率高，成本低的 焊接方法惰性气保焊常用氩气做保护气体，它比空气 重25%，既不与金属化学反应，又不溶于液体金 属的焊接方法。焊接生产率高2 .焊接方法的选择不同焊接方法对接头类型、焊接位置的适应 能力是不同的。如手工电弧焊对各种接头和焊接位置均能适 应；埋弧焊对各类接头能适应，但不能用于立焊 、仰焊；CO2气保焊熔滴采用短路过渡适合于各种接头 和各种焊位。焊接方法对焊缝外观质量也有很大区别，埋 弧自动焊、氩弧焊有较好的焊缝外观。手工焊成 型较差。根据设计条件和接头类型，工厂合理选择焊 接方法，并满足接头力学性能的要求。这是焊接 工艺评定的基本要求。（二） 焊接材料选用的原则1.等强原则焊缝金属的实际强度值不低于所焊母标标准值 的下限值。在钢桥结构中，采用等强原则选择焊接材料， 用屈服强度和抗拉强度同时考核 。2.等韧性原则要求焊接接头，具有不低于母材的韧性。母材强度等级越高，焊接接头产生脆性断裂 的危险越大。缺口冲击功不能真实反映韧性水平和正确评 定钢材和焊缝金属的韧性，但是一种比较简单 的试验方式。钢桥焊接接头一般要求与基材等韧。3.焊接方法对焊材冶金特点的影响（对低合金钢焊接 ） 手工电弧焊 优先选用碱性焊条，脱氧，脱硫 比较完全，合金元素的过渡系数较高，焊缝金属 含氢量较低，抗裂性和力学性能，尤其是低温冲 击韧性高。 埋弧焊 应特别注意焊丝与焊剂的选配。按现行国家标准生产的低合金钢焊丝，一部分是 硅含量相当低的沸腾钢焊丝。如H08MnA、H10Mn2等。 这些焊丝应与高锰、高硅焊剂相配，否则不易保证焊 缝的致密性。使用高锰、高硅焊剂通过熔渣与金属间冶金反应 使焊缝金属增硅，并达到足够程度脱氧。但过量的硅 使焊缝金属的塑韧性下降。实验证明，焊缝金属的Mn/Si含量对韧性起 着决定性的作用，如图曲线，Mn/Si比越高，韧 性越好。对低合金高强钢埋 弧焊，选用Si含量约为 0.1%，且合金成分相当 的低合金钢焊丝，并选 配中性或碱性焊剂可获 得有良好性能的致密性 焊缝。当对焊缝金属韧性要求较高时，可用H10Mn2 高锰焊丝配中锰中硅焊剂。当焊接强度较高级别的低合金钢，选用合金 成分与母材相当的焊丝，配中性或碱性焊剂，以 减少焊丝中合金元素的烧损。当焊接对冷裂、氢致裂倾向高的低合金钢， 选用高碱度低氢或超低氢型焊剂如SJ101。并配硅 含量适中的焊丝。当焊接厚板深坡口多层多道焊时，选用高碱 度烧结焊剂。脱碴性优良。 气体保护焊为获得致密的焊缝金属，焊丝中应含有足够 的Si、Mn等起还原作用的合金元素。因此气保焊 的焊丝通常是高锰高硅焊丝。CO2气保焊时，CO2是一种氧化性较强的气体 ，在高温下与金属元素发生反应而形成金属氧化 物，为防止钢中铁大量氧化，固此要加入Si、Mn 等脱氧元素。在富氩混合气体下焊接，焊丝的硅、锰含量 可略低于纯CO2气保焊焊丝。在惰性气保焊时，焊接熔池中不发生任何氧化和 还原反应，填充焊丝和电弧作用于母材只产生重熔 过程，可使用硅、锰含量较低的合金焊丝。同时不 能采用沸腾钢焊丝，否则焊丝在重熔过程中，其残 留的气体会析出形成气孔。4. 低合金钢焊接材料的分类 按焊接材料外型分类药皮焊条，实芯焊丝，药芯焊丝，焊剂，钨 极和保护气体 按适用的焊接方法分焊条电弧焊用焊条，埋弧焊用焊丝和焊剂， 溶化极气保焊用实芯.药芯焊丝和相配的保护气体 等等。这是常用分类方法。 按焊丝的化学成分或溶敷金属的合金系列分 低合金钢的焊接材料可分为：C-Mn, C-Mn-Mo, C-Mn-Ni-Mo, C-Cr-Mo, C-Mn-Si等系 列。 还可按结构钢用途分类 5. 焊接材料的型号和牌号型号-在国家标准中，焊接材料的主体结构表示 方法，如焊条由“E”和四位数组成，分别代表熔敷 金属抗拉强度、焊位、类型。气保焊丝用“ER” 开头等。 牌号-商品代号，通常由厂家自己命名，原机械工业部也曾统一过牌号分类的方法， 选用时应将型号和牌号加以对照。（三） 焊接热过程1.焊接温度场研究对象是焊件上一定范围内各点的温度分 布情况1.1 焊接温度场概念焊接时，焊件上各点的温度不同，并随时间 变化。焊接过程中某一瞬间焊接接头上各点的温度 分布状态称为焊接温度场。焊接温度场可用列表法，公式法和图像法表 示。下图是一块焊接钢板某一瞬时温度场示意图 。它是用等温线或等温面绘制的图像。近似椭圆 形的不同温度线绝对不会相交，这是等温线（面 ）的重要性质。1.2 影响焊接温度场的因素（1）热源的特性 采用不同的焊接方法，由于热源 性质不同，温度场分布也不同。 （2）焊接参数 在焊接参数中，热源功率和焊接 速度影响最大。 （3）母材的热物理性能 如比热容、热导率、体 积热容、热扩散率、表面传热系数等，不同材料这 些热物理系数不同 （4）工件的形态 三向导热、两向导热、单向导热 2.焊接热循环焊接热循环表示焊件上某一点的温度与时间 的关系。它对接头的组织与性能均有明显的影响 。而且决定了该点的加热速度、保温时间和冷却 速度。用焊接热循环曲 线表示在焊接热源 作用下，焊件上某 一点的温度随时间 变化的情况，用温 度（T）-时间（t ）表示2.1 焊接热循环参数（1）加热速度VH 影响的因素有焊接方法、焊接 参数，被焊金属的成分及几何尺寸等。（2）加热的最高温度Tmax 最高温度不同、冷却 速度就不同，就会得到不同的金相组织从而具有不 同的力学性能 （3）在相变温度 以上停留的时间= +（4）冷却速度Vc（或冷却时间）这是决定热影响区组织性 能最重要参数之一，是研究热过程的主要内容。对低碳钢和低合金钢，由800冷却到500所需时间 （t8/5）决定了冷却后获得的组织，它直接影响焊接接头的 力学性能。焊接热循环的研究对了解应力变形、接头组织、提高 焊接质量都是十分重要的。2.2 焊接热循环的控制及其应用影响焊接热循环的因素主要有：焊接热输入（线能量），预热温度，焊接方法 ，焊接尺寸，接头形式，焊道长度等。在产品一定时，可以通过某些工艺措施来调整 焊接热循环，从而达到改善接头组织与性能的目的 。（1）焊接方法 不同焊接方法的热源特性不同。当 焊接线能量相同时，如所用电流与焊速匹配 不同，热循环也不同。（2）线能量与预热温度线能量越大，最高加热温度越高，在高温以 上停留时间加长，冷却速度越慢。预热(温度)的目的也是降低冷却速度。控制层间温度可降低冷却速度，促使扩散氢 的逸出。（3）接头形状 接头形式不同，导热存在差异。 如同样板厚的V型坡口。对接接头与角接头相比 ，后者的冷却速度大得多。（4）焊件尺寸 在热输入不变，改变焊件宽度和 厚度对t8/5会产生一定影响。（5）焊道长度 在接头形式与焊接条件相同时， 焊道越短，其冷却速度越快。因此点固焊焊道 不宜太短，否则易产生冷裂纹。3. 各种参数对焊接接头的影响3.1 焊接热输入（用线能量来表征）（1）线能量（E）的数学表达式为E=36UI/(J/cm)式中-热效率系数埋弧焊=1;焊条电弧焊=0.9, 气保焊=0.85U-电弧电压（V）I-焊接电流（A） -焊接速度（m/h）36-单位换算系数（2）控制线能量E的目的 防止焊接冷裂-确定E的下限值，实质是确定 临界冷却时间，即是控制t8/5。另一个冷却时间是影响扩散氢折出的，自电弧通 过到冷却至100的时间t100。 防止接头脆化晶粒粗大-确定E的上限值。为保证焊接接头综合性能E应在其上，下限值之 间。 高的热输入降低了焊接热影响区的冷却速 度，即延长了该区t8/5冷却时间，导致接头韧性 和强度下降。右图表示 焊接热输入量 对某种低合金 钢接头性能的 影响。 大量试验结果表明，对于ReL 755MPa的调 质高强度钢为保证接头的力学性能，焊接热输入 必须限制在17kJ/cm以下。对于ReL小于700MPa的 调质高强度钢最高容许焊接热输入应符合下表的 规定。（3）焊接加热过程对晶粒长大的影响焊接条件下，奥氏体