焊接工艺学(劳动版)课件：焊接变形和焊接应力

焊接基础知识SEI◆承压类特种设备常用焊接方法

焊接接头◆焊接缺陷◆焊接应力与变形◆承压类特种设备常用钢材的焊接科技开发研究中心焊接应力与变形产生的原因：焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自

由膨胀和收缩。焊接时，焊件各部分冷热不均，受热部位产生拉应力，未受热部位则产生压应力。当应力达到一定程度，焊件出现焊接变形和焊接应力(b)

横向应力对焊焊缝的应力分布科技开发研究中心边缘焊的变形变形。(a)

纵向应力(b)

焊

后焊接变形和焊接应力压应力一压应力焊缝冷却时导致焊接应力压应力拉应力焊莲焊强焊接应力：焊接时局部加热和冷却不均引起的平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图焊缝加热时热应力理论上的伸长

拉应力实际伸长理注的能报拉应力+

组织应力科技开发研究中心实际上的缩短b)

角

变a)尺寸收缩a)

扭曲变形c)

弯曲变形焊接变形和焊接应力焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。c)

翘曲变形科技开发研究中心焊接变形与应力的危害工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困

难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发

应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊

接变形和应力是十分必要的。科技开发研究中心焊接变形和焊接应力>焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。>采用小能量，多层焊，也可减少焊缝应力。焊接应力的防止>采取合理的装配和焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力。而图b因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。科技开发研究中心b)焊接应力大a)焊接应力小I21

fⅢ>

热处理法：

焊后进行消除应力的退火可消除残余应力。>

机械法：

当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸

长，也能减少焊接残余应力。>

振动法：

低频振动消应力焊接应力的消除科技开发研究中心焊接变形的防止及消除√采用反变形方法焊缝对称布置a)

对称焊缝b)对称坡口科技开发研究中心焊后焊前1:*焊接变形的防止及消除a)√采用多层多道焊，能减少焊接变形c)√采用对称焊和分段倒退焊科技开发研究中心b)变形较小a)变形最大c)

变形最小b)√

采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这

样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接

变形。焊接变形的防止及消除科技开发研究中心a)刚性固定b)定位焊焊接变形的防止及消除

严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常

只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。科技开发研究中心焊接变形的防止及消除火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，

一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。科技开发研究中心◆承压类特种设备常用焊接方法

焊接接头◆焊接应力与变形◆承压类特种设备常用钢材的焊接科技开发研究中心一、钢材的焊接性二、碳素钢的焊接三、

低合金钢的焊接四、

不锈钢的焊接承压类特种设备常用钢材的焊接科技开发研究中心焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构

形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即其对焊

接加工的适应性。焊接性一般包括两个方面：◆工艺焊接性：主要指在给定的焊接工艺条件下，形成完

好焊接接头的能力，特别是接头对产生裂纹的敏感性，也称抗裂性；◆使用焊接性：在给定的焊接工艺条件下，焊接接头在使

用条件下安全运行的能力，包括焊接接头的力学性能和其

它特殊性能(如耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等)。焊接性是金属的工艺性能在焊接过程中的反映，了

解及评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接

方法、制定焊接工艺的重要依据。科技开发研究中心钢材的焊接性(二)钢的焊接性评定方法钢是焊接结构中最常用的金属材料，因而评定钢的焊接性显得尤为重要。由于钢的裂纹倾向与其化学成分有密切关

系，因此，可以根据钢的化学成分评定其焊接性的好坏。通常将影响最大的碳作为基础元素，把其它合金元素的质量分数对焊接性的影响折合成碳的相当质量分数，碳的质量分数和其它合金元素的相当质量分数之和称为碳当量，它是评定钢的焊接性的一个参考指标。钢材的焊接性科技开发研究中心碳当量(CarbonEquivalent)公式国际焊接学会日本焊接学会英国BS2462科技开发研究中心碳当量越高，裂纹倾向越大，钢的焊接性越差。

一般认为：

◆Ceq<0.4%时，钢的淬硬和冷裂倾向不大，焊接性良好◆Ceq=0.4%～0.6%

时，钢的淬硬和冷裂倾向逐渐增加，焊接性较差，焊接时需要采取一定的预热、缓冷等工艺措施，以防止产生裂纹；◆Ceq>0.6%

时，钢的淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，

一般不用于生产焊接结构。碳当量公式仅用于对材料焊接性的粗略估算，在实际生产中，应通过直接试验(焊接性试验)

,模拟实际情况下的结构、应力状况和施焊条件，在试件上焊接，观察试件的开裂情况，并配合必要的接头使用性能试验进行评定(焊接工艺评定)。钢材的焊接性科技开发研究中心Q235、10、15、20等低碳钢是应用最广泛的焊接结构材

料，由于其含碳量低于0.25%,塑性很好，淬硬倾向小，不易产

生裂纹，所以焊接性最好。焊接时，任何焊接方法和最普通的

焊接工艺即可获得优质的焊接接头。但由于施焊条件、结构形

式不同，焊接时还需注意以下问题：◆(1)在低温环境下焊接厚度大、刚性大的结构时，应该进行

预热，否则容易产生裂纹。◆(2)重要结构焊后要进行去应力退火以消除焊接应力。低碳钢对焊接方法几乎没有限制，应用最多的是手工电

弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊和电阻焊。采用电弧焊时，焊

接材料的选择参见表。二、碳素钢的焊接科技开发研究中心焊接方法焊接材料应用情况手工电弧焊J421、J422、J423等一般结构J426、J427、J506、J507等承受动载荷、结构

复杂或厚板重要结

构埋弧焊H08配HJ430、H08A配HJ431一般结构H08MnA配HJ431重要结构CO,气体保

护焊H08Mn2SiA一般结构二、碳素钢的焊接低碳钢焊接材料的选择科技开发研究中心含碳量在0.25%～0.60%之间的中碳钢，有一定的淬硬倾向，

焊接接头容易产生低塑性的淬硬组织和冷裂纹，焊接性较差。中碳钢的焊接结构多为锻件和铸钢件，或进行补焊。◆焊接方法：手工电弧焊。◆焊条选用：抗裂性好的低氢型焊条(如J426、J427、J506、J507等),焊缝有等强度要求时，选择相当强度级别的焊条。

对于补焊或不要求等强度的接头，可选择强度级别低、塑性好的焊条，以防止裂纹的产生。◆焊接时，应采取焊前预热、焊后缓冷等措施以减小淬硬倾向，

减小焊接应力。接头处开坡口进行多层焊，采用细焊条小电流，

可以减少母材金属的熔入量，降低裂纹倾向。中碳钢的焊接科技开发研究中心高碳钢的含碳量大于0.60%,其焊接特点与中碳

钢基本相同，但淬硬和裂纹倾向更大，焊接性更差。

一般这类钢不用于制造焊接结构，大多是用手工电弧焊或气焊来补焊修理一些损坏件。焊接时，应注意焊前预热和焊后缓冷。高碳钢的焊接科技开发研究中心低合金钢焊接经常出现的问题(1)热裂纹

热裂纹指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。其原因在于低合金钢的焊接过程中铜、硼、氮等元素成为形成裂纹的敏感元素。(2)冷裂纹

焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说在Ms温度以下)时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹常发生在高强度钢的厚板结构中。其原因是接头的刚度大，造成的局部应力大，或在冷却过程中氢析出后聚集造成局部应力超过了钢的强度极限。(3)

白点在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形斑点称为白点。其产生原因是焊接过程中吸收了过量的氢，故又称氢白点。低合金钢焊接主要根据不同钢号的屈服点等级选择焊接材料，应遵守等强度(某些钢号应考虑成分相同或相近)原则。对于厚度大、

刚度大的构件或在低温下焊接时应考虑使用低氢型焊条，焊前进行预热等，严格按照焊接工艺规范施焊。科技开发研究中心低合金钢的焊接低合金结构钢按其屈服强度可以分为九级：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。◆强度级别≤400MPa的低合金结构钢，

Ceq<0.4%,

焊接性良好，其焊接工艺和焊接材料的选择与低碳钢基本相同，

一般

不需采取特殊的工艺措施。只有焊件较厚、结构刚度较大和

环境温度较低时，才进行焊前预热，以免产生裂纹。◆强度级别≥450MPa的低合金结构钢，

Ceq>0.4%,

存在淬硬

和冷裂问题，其焊接性与中碳钢相当，焊接时需要采取一些

工艺措施，如焊前预热(预热温度150℃左右)可以降低冷

却速度，避免出现淬硬组织；适当调节焊接工艺参数，可以

控制热影响区的冷却速度，保证焊接接头获得优良性能；焊

后热处理能消除残余应力，避免冷裂。科技开发研究中心低合金结构钢的焊接低合金结构钢含碳量较低，对硫、磷控制较严，

手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊均可用

于此类钢的焊接，以手工电弧焊和埋弧焊较常用；选择焊接材料时，通常从等强度原则出发，为了提高抗裂性，尽量选用碱性焊条和碱性焊剂，对

于不要求焊缝和母材等强度的焊件，亦可选择强度

级别略低的焊接材料，以提高塑性，避免冷裂。低合金结构钢的焊接科技开发研究中心不锈钢中都含有不少于12%的铬，还含有镍、锰、

钼等合金元素，以保证其耐热性和耐腐蚀性。按组织状态，不锈钢可分为奥氏体不锈钢、铁素

体不锈钢和马氏体不锈钢等，其中以奥氏体不锈钢的焊接性最好，广泛用于石油、化工、动力、航空、医药、仪表等部门的焊接结构中，常见牌号有：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、OCr18Ni9等。不锈钢的焊接科技开发研究中心(一)奥氏体不锈钢的焊接性◆奥氏体不锈钢焊接件容易在焊接接头处发生晶间腐

蚀

，其原因是焊接时，在450～850℃温度范围停留一定时间的接头部位，在晶界处析出高铬碳化物(Cr23C6),引起晶粒表层含铬量降低，形成贫铬区，

在腐蚀介质的作用下，晶粒表层的贫铬区受到腐蚀而形成晶间腐蚀。这时被腐蚀的焊接接头表面无明显变化，受力时则会沿晶界断裂，几乎完全失去强度。◆为防止和减少焊接接头处的晶间腐蚀，应严格控制

焊缝金属的含碳量，采用超低碳的焊接材料和母材。

采用含有能优先与碳形成稳定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止贫铬现象的产生。不锈钢的焊接科技开发研究中心奥氏体不锈钢焊接的另一个问题是热裂纹。◆产生的主要原因是焊缝中的树枝晶方向性强，有利于S、P

等元素的低熔点共晶产物的形成和聚集。

另外，此类钢的导热系数小(约为低碳钢的1/3),线胀系数大(比低碳钢大50%),所以焊接应力也大。◆防止的办法是选用含碳量很低的母材和焊接材料，

采用含适量Mo、Si等铁素体形成元素的焊接材料，使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织，减少偏析。不锈钢的焊接科技开发研究中心(二)奥氏体不锈钢的焊接工艺一般熔焊方法均能用于奥氏体不锈钢的焊接，目前生产上

常用的方法是手工电弧焊、氩弧焊和埋弧焊。在焊接工艺

上，主要应注意