船舶焊接工艺-船舶材料与焊接第四章ppt

第四章电弧焊的基本理论

本章要点:主要介绍与电弧焊有关的基础理论，包括焊接电弧、焊丝熔化与过渡及焊接接头的组织及力学性能，最后讨论焊接应力与变形产生的原因和防止措施。第一节概述一、焊接的特征

1.焊接已成为最流行的连接技术国家大剧院钢结构金茂大厦罐压力容器

2.焊接显现了极高的技术含量和附加值三维激光焊接广州丰田自动化的机器人生产线

3.焊接已成为关键的制造技术上海卢浦大桥“中华和平号”17.5万吨散货轮千吨级热壁加氢反应器世界最大的三峡水轮机转轮4.焊接已成为现代工业不可分离的组成部分三峡永久船闸西气东输工程管道的焊接神舟飞船返回仓全焊接的铝合金结构二、焊接的分类

焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，借助于金属原子的扩散和结合，使分离的材料牢固的连接在一起的加工方法。

焊接的主要特点是：

（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。

焊接方法的应用：

（1）制造金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。

焊接的方法种类很多，按焊接过程特点可分为三大类：

(一）熔焊

把焊接局部连接处加热至熔化状态形成熔池，待其冷却结晶后形成焊缝，将两部分材料焊接成一个整体。因两部分材料均被熔化，故称熔焊。熔焊是金属焊接中最主要的一种方法。

(二）压焊

在焊接过程中需要对焊件施加压力（加热或不加热）的一类焊接方法，叫压焊。

(三）钎焊

利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料）熔化后，填入接头间隙并与固态的母材通过扩散实现连接的一类焊接方法。表4－1船厂常用的焊接方法及应用

第二节焊接电弧

电弧是所有电弧焊方法的能源，能有效而简便地把弧焊电源的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。一、焊接电弧的产生

焊接电弧是由焊接电源提供的、具有一定电压的两极间或电极与焊件间，气体介质产生强烈而持久的放电现象。图4－1焊接回路示意图

二、焊接电弧的构造

电弧的三个区

阴极区、阳极区和弧柱区（如图4-2所示）。

焊接电弧的温度ºC和热量分布

温度ºC热量分布阳极区：260043％弧柱区：6000～800021％阴极区：240036％图4－2焊接电弧的构造

三、焊接时的极性使用直流电源焊接时有正接、反接法两种：

正接法：焊件接电焊机的正极（阳极），焊条接负极（阴极）,因此，焊件温度较高，能获得较大熔深，适用于焊接厚板。

反接法：焊件接负极，焊条接正极，适合于焊接薄板，以防烧穿。

交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。

图4-3直流电焊机的不同的接法

a)正极b)反接交直流电焊机的比較

母材熔透深度比較

交流电焊机

直流正极性

直流反极性

四、焊接电弧的静特性在电极材料，气体介质和电弧长度一定时，电弧两端的电压与焊接电流之间的关系称为电弧静特性，或称伏安特性。电弧静特性曲线呈U形。如图4－4曲线2所示。在一般情况下，电弧电压Uh与弧长l成正比变化，如图4－5示，即电弧越长电压越高。

图4－4普通电阻静特性与电弧静特性曲线1－普通电阻静特性；2－电弧静特性。图4－5不同电弧长度的电弧静特性曲第三节电弧焊的熔滴过渡电弧焊时，焊条（或焊丝）末端在电弧高温作用下加热熔化形成的向熔池过渡的液态金属滴叫熔滴。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程叫熔滴过渡。颗粒过渡特点：焊接电流较小而电弧电压较高时形成；因焊缝成形不好，通常不宜采用。喷射过渡特点：在氩或富氩保护气体中，当电流增大到某临界值时，熔滴呈细小颗粒，并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡；喷射过渡时其飞溅小，过程稳定，熔深大，焊缝成形美观。短路过渡特点：小电流焊接而低电弧电压（即短弧焊时）时形成；短路过渡时电弧稳定，飞溅小，焊缝成形良好。广泛用于薄板焊接和全位置焊接。第四节焊接接头的组织及力学性能

（一）焊接接头的组成焊接工件上温度的变化各点处：常温—较高温度—常温

固态

液态

固态在焊接过程中，母材因受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，也叫半熔化区。因此，焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。

二、焊缝的组织和性能

(一)焊缝的组织和性能

焊缝组织是由熔池金属结晶得到的柱状的铸造组织。焊接熔池的结晶首先从熔合区中处于半熔化状态的晶粒表面开始，晶粒沿着与散热最快的方向的相反方向长大，因受到相邻的正在长大的晶粒的阻碍，向两侧生长受到限制，因此，焊缝中的晶体是方向指向熔池中心的柱状晶体..

焊缝中的铸态组织，晶粒粗大，组织不致密，但是，由于焊接熔池小，冷却快，焊条药皮、焊剂或焊丝在焊接过程中的冶金处理作用，使得焊缝的金属的化学成分优于母材，硫、磷含量较低，所以容易保证焊缝金属的性能不低于母材，特别是强度容易达到。（二）焊缝形状与焊接质量的关系焊缝形状是焊件熔化区横截面的形状，它可用焊缝熔深s、焊缝熔宽c和余高h三个参数来描述，如图4－7所示。合理的焊缝形状要求s、c和h之间有适当的比例。生产中常用焊接成形系数（Ψ

＝c／s）和余高系数（＝c／h）来表征焊缝成形的特点。熔焊较适宜的成形系数为1～2。为了保证焊缝的强度，对一般焊缝允许有适当的余高，通常对接接头允许h=0～3mm，对于重要角接构件，也应焊出余高后再打磨成凹形。

图4－7焊缝的横截面焊缝宽度焊缝余高焊缝的熔深焊接参数决定焊缝输入的能量，是影响焊缝成形的主要工艺参数。焊接参数对焊缝熔深s、焊缝熔宽c和余高h的影响如图4-8所示。焊接电流主要影响焊缝熔深s；电弧电压主要影响焊缝熔宽c；焊接速度的快慢主要影响母材的热入，提高焊速焊缝熔深s、焊缝熔宽c、余高h均减少。图4－8焊接参数对焊缝熔深s、焊缝熔宽c和余高h的影响a)焊接电流的影响；b)焊接电压的影响；c)焊接速度的影响。三、熔合区的特征熔合区，又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区加热温度：1495～1538℃（固、液相线之间）组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新结晶的）铸态组织。特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是产生裂纹及局部脆断的发源地。四、低碳钢接头的热影响区

热影响区：受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。低碳钢的热影响区分为过热区、正火区和部分相变区。

图4－10低碳钢焊接接头的组织示意图（1）过热区：紧靠熔合区

加热温度：1100℃～1495℃（1100℃～固相线）

组织：粗大的过热组织。

特点：宽度为1～3mm，塑性和韧性下降。焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。（2）正火区

：紧靠着过热区

加热温度：850℃～1100℃（AC3至1100℃）

组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）

特点：宽度约1.2～4.0mm，力学性能优于母材。（3）部分相变区

加热温度：AC1～AC3之间

组织：F+P（F粗、细不均）相变的F，变细小；未相变的F，变粗大特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能稍差

综上所述，熔合区(1)和过热区(2)是焊接接头中的薄弱部分，对焊接质量有严重影响，应尽可能的减小之。焊接接头焊缝熔合区过热区正火区部分相变区

第五节焊接应力与变形

本节主要讨论产生焊接应力与变形的原因、预防和减小焊接应力与变形的措施、以及消除焊接应力与变形的方法。

一、焊接应力与变形产生的原因

（一）焊接应力与变形的概念

1．应力与变形的基本概念

物体的变形：物体在受到外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸会发生变化，这种变化称为物体的变形；物体的变形一般分为弹性变形和塑性变形两种。

内力：在物体受到外力作用发生变形的同时，在其内部会出现一种抵抗变形的力。

应力：物体由于受到外力的作用，在单位截面积上出现的内力就叫做应力。

内应力的显著特点是：在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。

2．焊接应力与变形的概念

焊接应力：是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。按应力作用时间的不同，焊接应力可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬时应力，是焊接过程中某一瞬时的焊接应力，它随时间而变化。焊件冷却后，残留于焊件内的应力，称为焊接残余应力。

焊接变形：即由于焊接而引起的变形。焊接变形包括焊接过程中的变形和焊接残余变形。焊后焊件不能消失的变形，称为焊接残余变形。我们所说的焊接应力及焊接变形，一般是指焊接残余应力和焊接残余变形。（二）研究焊接应力与变形时的几个假定

焊接过程中，影响焊接应力与变形的因素很多,为抓住主要矛盾,简化讨论,常作如下几个假定。

1．平截面假定

2．金属性质不变假定

3．屈服强度与温度关系的假定

（三）焊接应力与变形产生的原因

1．焊件的不均匀受热焊接过程中，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。图4—13钢板中心堆焊或对接时的应力与变形（+）表示拉应力（-）表示压应力

通过对钢板中心堆焊或对接时的应力与变形上述的分析可知：

1）焊接是一个不均匀的加热过程，焊后焊件必然有焊接应力和焊接变形，即焊件的不均匀加热是产生焊接应力与变形的主要原因。

2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后的变形方向相反。

3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时，压缩塑性变形区要收缩。如这种收缩能充分进行，则焊接变形大，焊接应力小；如这种收缩不能充分进行，则焊接变形小而焊接应力大。

4）焊接过程中及焊接过程结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。焊后焊缝及其附近区域的焊接应力通常是拉应力。

焊接应力与变形产生的原因:

1．焊件的不均匀受热(前面以叙)2．焊缝金属的收缩

焊缝金属当它冷却由液态转变为固态时，其体积要收缩；另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，也会产生焊接应力与变形。

3．金属组织的变化焊接过程中伴随金相组织转变（金属各种组织比容的不同）所出现的体积变化将产生新的内应力，冷却以后，如果相变产物仍旧保留下来，那么在焊件中就产生了组织应力和变形。４．焊件的刚性和拘束

焊件的刚性是指焊件抵抗变形的能力；有些焊件虽然自身的刚性小，但周围用刚度大的物体给予加固，即增加了对焊件的拘束；焊件的刚度和拘束越大，焊接变形就越小、焊接应力则越大；反之，焊件的刚度和拘束越小，焊接变形就越大，焊接应力则越小。

二、焊接应力（一）焊接应力的分类

1．按其产生的原因可分为：温度应力（也称热应力）、残余应力、组织应力；

2．按其作用的方向分为：纵向应力、横向应力；

3．按其在空间作用的方向分为：单向应力、双向应力（平面应力）和三向应力（体积应力）。（二）焊接应力的分布对接焊缝的应力分布（三）焊接应力对焊接结构的影响

1．焊接应力对构件强度的影响；

2．焊接应力对结构疲劳强度的影响；

3．焊接应力降低机械加工的精度；

4．焊接应力降低受压构件的稳定性；

5．焊接应力对构件应力腐蚀开裂的影响。（四）减小焊接应力的措施1．采用合理的焊接顺序和方向2．留“裕度”法3．加热“减应区”法4．锤击或辗压焊缝

（五）消除焊接应力的方法

1．焊后热处理

2．机械拉伸法对焊接结构进行加载，使焊接塑性变形区得到拉伸，以减小由焊接引起的局部压缩塑性变形量，使内应力降低。特别适用于一些焊接容器，它可以通过水压试验起到机械拉伸的作用。

3．温差拉伸法基本原理与机械拉伸法相同，是使焊缝区域受到拉伸塑性变形来抵消焊接时所产生的压缩塑性变形。

4．振动法从减少焊接应力考虑，为什么图中标出的焊接顺序合理，并说明理由。三、焊接变形（一）焊接变形的种类（二）影响焊接变形的因素

1．金属材料的热物理性能；

2．施焊方法和焊接工艺参数；

3．焊缝的长度及其截面积；

4．焊缝在结构中的位置；

5．结构的刚性和几何尺寸；

6．装配和焊接程序。（三）防止与减小焊接变形的措施

1．船体结构的设计方面（1）船体结构设计时应考虑船体分段划分的可能性，以便使船台的焊接工作量减至最少。（2）分段中的焊缝应保持对称性，或者靠近结构的中心线，以防止弯曲变形。对于厚度大于8mm的板，应尽量采用X形坡口而不采用V型坡口。

（3）在保证结构强度的前提下，减少焊逢的截面尺寸，以减少收缩变形。（4）尽可能减少焊逢的数量。（5）在装配焊接时，可采用简单装配焊接胎夹具。a）不合理b）合理

对称坡口

2．船舶建造工艺方面（1）严格对加工、装配工序的要求（2）预留收缩余量（3）反变形法a试件b角变形量c反变形设备

a)没有采用反变形法b)反变形法（4）刚性固定法（5）合理的焊接次序

船艏外板焊接顺序

（四）焊接变形的矫正

1．机械矫正焊接变形