文档介绍：3 焊接接头
3 焊接接头
焊接接头断裂破坏事故统计表明,绝大多数事故是由焊接接头引发的,因此焊接接头质量是确保焊接结构可靠性的关键。焊接接头由焊接区和部分母材组成,其中对结构可靠性起决定作用的是焊接区。焊接区包括焊缝金属、熔合区和热影响区三部分,如图3-1所示。通
常工程中所关注和研究的焊接接
头,实际是针对焊接区进行的。
因为在焊接过程或使用中,焊接
区要发生许多有别于母材的变
化。除组织和性能变化外,还存
图3—1。熔化焊焊接接头的组成
a) 对接接头断面图 b)搭接接头断面图
2。熔合线 3。热影响区 4。母材在焊接缺陷,焊接残余应力和应力集中等不利因素。如上所述,以下重点讨论焊缝金属、熔合区和热影响区的组织与性能。
焊接接头的组织与性能
焊缝金属
焊缝金属由熔化的母材和填充材料组成。焊接时,焊缝金属由高温液态冷却至常温固态,要经过从液相转为固相的一次结晶过程和在固相焊缝金属中进行的同素异构转变的二次结晶过程,从而使焊缝金属具有如下特
点:
⑴存在铸造缺陷
焊接的冶金过程相似于铸造,因此它也存在一般铸件中常产生的气孔、夹渣、偏析和晶粒粗大等缺陷。其晶体总是垂直于焊缝金属边缘向焊缝中心成长,最终形成粗大的柱状晶,具有很强的方向性,利于杂质偏析和热裂纹的形成。由于晶粒粗大,故其塑性和韧性一般较母材差。
⑵焊缝中的夹杂
首先明确,此处的夹杂不是焊接中的熔渣,因为熔渣比重轻,易于浮于表面。焊缝中的夹杂主要是指熔池冶金反应中生成的氧化物和硫化物等颗粒,由于结晶过程凝固较快,来不及浮出而残存于焊缝内部的夹杂物。低碳钢中的夹杂物一般为硅酸盐,主要是SiO2,呈弥散状态分布,对焊缝的危害较大。
⑶焊缝中的偏析
熔池的结晶过程是一种不平衡过程,由于冷却速度快,焊缝金属中的元素来不及扩散而造成化学成分分布不均匀,这种溶质元素偏离其平均浓度的不均匀分布称为偏析。焊缝中的偏析既表现在晶内与晶界,又表现在焊缝边缘与焊缝中心以及每层焊波之间。根据焊接过程的特点,焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析等。
显微偏析是指晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀。一般情况下,合金元素含量愈高,就愈出现显微偏析。
区域偏析是指焊缝中心部位的杂质较其它部位的高。通常窄而深的焊缝区域偏析较宽而浅的焊缝区域偏析严重。区域偏析不但影响性能,而且
易产生热裂纹。
层状偏析是指柱状结晶方向上杂质浓度的差别。这种偏析会使焊缝性能不均或诱发裂纹。
⑷焊缝中的杂质元素硫和磷
硫主要以FeS和MnS形式存在于焊缝中,硫会以熔点为985℃的Fe+FeS和熔点为940℃的FeO+FeS
低熔共晶物,呈片状或链状析集于晶界,从而促生热裂纹,并使韧性下降;还可 1
与Ni形成Ni+NiS共晶物,其熔点仅645℃,危害更大。
焊缝中的S主要来自焊接材料。为此,对焊接材料中的硫均有严格限制。碱性条的脱硫效果优于酸性焊条。
磷在焊缝中主要以Fe2P和Fe3P形式存在,且可以生成熔点为1050℃的Fe+Fe3P和熔点为880℃的Ni+Ni3P低熔点共晶物。故磷也是热裂纹的促生元素,而且还使韧性,特别是低温韧性下降。
磷也是主要来自焊接材料和母材。目前,焊缝中的磷主要通过限制原材料的量进行限制。⑸焊缝金属的力学性能
焊缝金属是由焊接材料与部分母材经过熔化冷凝形成的铸造组织,它是从母材开始垂直于等温线方向(最大温度梯度的方向)结晶长大的。单层焊的组织是典型的柱状结晶。在多层焊时,对前一道焊缝要重新加热,其加热超过900℃的部分,消除了柱状结晶,并使晶粒细化,故焊缝金属的力学性能较单层焊焊的好。
焊缝金属的性能还与焊接方法及其焊接工艺参数有关,主要影响如下:
①用较低的线能量进行单层焊时,由于冷却速度大,则使焊缝金属变硬,强度上升。②增加焊接热输入,提高层间预热温度,由于冷却速度的降低,致使高强钢焊缝金属强度和韧性有明显下降。因此在高强钢焊接时,应确定一个最低的冷却速度,以控制焊接热输入和层间预热温度的上限,但为防止焊接裂纹的产生,应有较高的层间预热温度,需注意协调。
一般情况下,用现有焊接材料焊接的焊缝金属强度等于或大于母材强度,特别是低强度钢焊缝金属的屈服强度明显高于母材,但延伸率却低于母材。还使韧性,特别是低温韧性下降。
⑴熔合区的构成
熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区域。通常所说的焊缝边界或熔合线,并不是一条圆滑曲线而是呈不规则的锯齿形,甚至有“曲折”现象。这种参差不齐的焊缝轮廓线表明这是一个熔化不均匀的区域。
熔合区由熔合线两侧的半熔化区与未混合区两部分所组成,如图3-2