金属工艺学课件
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压力容器
结构名称: 结构名称:中压容器 材料:16MnR(原材料尺寸为1200 5000mm) 1200× 材料:16MnR(原材料尺寸为1200×5000mm) 件厚:筒身12mm 封头14mm 人孔圈20mm 管接头7mm 12mm; 14mm; 20mm; 件厚:筒身12mm;封头14mm;人孔圈20mm;管接头7mm
4.6 焊接件结构设计
4.6.1 焊件材料的选择 4.6.2 焊接方法的选择 4.6.3 焊接接头工艺设计 4.6.4 典型焊件的工艺设计
4.6.1 焊接材料的选择
焊接材料的选择原则: 焊接材料的选择原则:
尽量选用可焊性好的材料: 尽量选用可焊性好的材料: w(C)<0.25%的低碳钢或w(CE)<0.4%的低合金钢. w(C)<0.25%的低碳钢或w(CE)<0.4%的低合金钢. 的低碳钢或w(CE) 的低合金钢 因这类钢淬硬倾向小,塑性高,焊接工艺简单. 因这类钢淬硬倾向小,塑性高,焊接工艺简单. 尽量选用镇静钢.镇静钢含气量低,特别是含H2和 尽量选用镇静钢.镇静钢含气量低,特别是含H2和 H2 O2量低 可防止气孔和裂纹等缺陷. 量低, O2量低,可防止气孔和裂纹等缺陷. 异种金属焊接时焊缝应与低强度金属等强度, 异种金属焊接时焊缝应与低强度金属等强度, 而工艺应按高强度金属设计. 而工艺应按高强度金属设计. 尽量采用工字钢,槽钢,角钢和钢管等型材, 尽量采用工字钢,槽钢,角钢和钢管等型材, 以简化工艺过程. 以简化工艺过程.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
生产不锈钢, 生产不锈钢,铝合金和铜合金结构
1.板厚小于3mm, 应选用脉冲钨极和钨极氩弧焊. 板厚小于3mm, 应选用脉冲钨极和钨极氩弧焊. 板厚在3 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝 焊缝为长直焊缝或环焊缝, 2.板厚在3～10 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝,应选用熔化极氩 弧或等离子弧自动焊. 弧或等离子弧自动焊.
氮,氢的溶解度变化
氮气孔 熔池保护不好时, 熔池保护不好时,空气中的氮溶入熔池 而产生. 而产生.
防止气孔的方法: 防止气孔的方法:
焊条,焊剂要烘干,焊丝和焊缝坡口及 焊条,焊剂要烘干, 其两侧的母材要清除锈,油和水. 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. 焊接时采用短弧焊,采用碱性焊条.CO2 焊时,采用药芯焊丝. 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.
冷裂纹动画仿真
延迟裂纹的产生原因: 延迟裂纹的产生原因: 焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区) 焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严 产生淬火组织,导致接头性能脆化. 重,产生淬火组织,导致接头性能脆化. 焊接接头含氢量较高, 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. 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, 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. 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. 发的,也叫氢致裂纹.
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. 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 纹的特征是无分支,通常为穿晶型. 化色彩. 化色彩. 最常见的冷裂纹是延迟裂纹 延迟裂纹, 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. 一段时间才发生的裂纹.
生产大批量钢结构
无密封要求应选用电阻点焊, 1.板厚小于3 mm,无密封要求应选用电阻点焊,有密封要求应 板厚小于3 mm,无密封要求应选用电阻点焊 选用缝焊. 选用缝焊. 板厚在3 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝 应选用CO2 焊缝为长直焊缝或环焊缝, CO2自动 2.板厚在3～10 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝,应选用CO2自动 焊. 板厚大于10 mm,焊缝为长直焊缝和环焊缝隙, 3.板厚大于10 mm,焊缝为长直焊缝和环焊缝隙,应选用埋弧 焊或电渣焊. 焊或电渣焊.
4.6.2 焊接方法的选择
生产单件钢结构件
mm,强度较低 且焊缝较短应选用手弧焊. 强度较低, 1.板厚在3～10 mm,强度较低,且焊缝较短应选用手弧焊. 板厚在3 板厚在10 mm以上 焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊. 以上, 2.板厚在10 mm以上,焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊. 板厚小于3 mm,焊缝较短应选用CO2 CO2焊 3.板厚小于3 mm,焊缝较短应选用CO2焊.
4.6.3 焊接接头工艺的设计
焊缝的布置
1.焊缝应尽可能分散,如 焊缝应尽可能分散, 右图.以便减小焊接热影响 右图. 防止粗大组织的出现. 区,防止粗大组织的出现. 2.焊缝的位置应尽可能对 称分布,如右图, 称分布,如右图,以抵消 焊接变形. 焊接变形.
3.焊缝应尽可能避开最大应 力和应力集中的位置, 力和应力集中的位置,如右 图.以防止焊接应力与外加 应力相互叠加, 应力相互叠加,造成过大的 应力和开裂. 应力和开裂.
防止延迟裂纹的措施: 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, 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. 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; 焊条焊剂要烘干,焊缝坡口及附近母材要去油水;除 减少氢的来源. 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, 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. 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, 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. 的多层多道焊等. 焊后立即进行去氢(后热)处理,加热到250℃ 250℃, 焊后立即进行去氢(后热)处理,加热到250℃,保温 6h,使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面. 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. 焊后进行清除应力的退火处理.
4.焊缝应尽量避开机械加 工表面,如右图, 工表面,如右图,以防止 破坏已加工面. 破坏已加工面.
5.应便于焊接操作,如下图.焊缝位置应使 应便于焊接操作,如下图. 焊条易到位,焊剂易保持,电极易安放. 焊条易到位,焊剂易保持,电极易安放.
接头型式的选择与设计
接头型式应根据结构形状,强度要求,工件厚度, 接头型式应根据结构形状,强度要求,工件厚度, 焊后变形大小,焊条消耗量, 焊后变形大小,焊条消耗量,坡口加工难易程度等各 个方面因素综合考虑决定. 个方面因素综合考虑决定.
生产数量: 生产数量:小批生产 工艺设计要点: 工艺设计要点: 筒身用钢板冷卷,按实际尺寸, 筒身用钢板冷卷,按实际尺寸,可分为 三节,为避免焊缝密集, 三节,为避免焊缝密集,筒身纵焊缝可相互 错开180 180° 封头应采用热压成型, 错开180°,封头应采用热压成型,与筒身 连接处应有30 mm～50mm的直段 的直段, 连接处应有30 mm～50mm的直段,使焊缝躲 开转角应力集中位置. 开转角应力集中位置. 根据各条焊缝的不同情况, 根据各条焊缝的不同情况,可选用不同 的焊接方法,接头型式,焊接材料与工艺. 的焊接方法,接头型式,焊接材料与工艺.
焊接过程模拟
�
4.5 焊接缺陷与检验
焊接接头的不完整性称焊接缺陷. 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, 焊接裂纹,未焊透,夹渣,气孔和焊缝外观缺 陷等. 陷等.
4.5.1 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, 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, 晶间裂纹.因热裂纹在高温下形成,所以有氧化 色彩. 色彩.
4.5.2 气孔 焊缝气孔有三种: 焊缝气孔有三种:
氢气孔 高温时,氢在液体中的溶解度很大, 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, 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, 速冷却,氢的溶解度急速下降,析出氢气,产生 氢气孔. 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 FeO, 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: 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, CO将来不及逸 此时,若熔池已开始结晶,则CO将来不及逸 便产生CO气孔.熔池氧化愈严重, CO气孔 出,便产生CO气孔.熔池氧化愈严重,含碳量愈 越易产生CO气孔. CO气孔 高,越易产生CO气孔.
热裂纹动画仿真
热裂纹产生的原因: 热裂纹产生的原因: 晶间存在液态薄膜. 晶间存在液态薄膜. 接头中存在拉应力. 接头中存在拉应力. 热裂纹的防止: 热裂纹的防止: 限制钢材和焊条,焊剂的低熔点杂质, 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 易形成低熔点共晶, 磷含量.Fe和FeS易形成低熔点共晶,其熔点 988℃,很容易产生热裂纹. 为988℃,很容易产生热裂纹. 缩小结晶温度范围,改善焊缝组织, 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. 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, 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. 焊前预热,合理的焊缝布置等.
1.熔焊接头设计 2.压焊接头设计
(1)点焊接头设计 点焊接头设计包括焊点直径d0,焊点数n等 (2)摩擦焊的接头型式 摩擦焊接头的型式, 摩擦焊接头的型式,不仅根据产品的设计要求 来确定,同时也要考虑到摩擦焊接工艺的特点. 来确定,同时也要考虑到摩擦焊接工艺的特点.
4.6.3 典型焊件的工艺设计
结构名称: 结构名称:中压容器 材料:16MnR(原材料尺寸为1200 5000mm) 1200× 材料:16MnR(原材料尺寸为1200×5000mm) 件厚:筒身12mm 封头14mm 人孔圈20mm 管接头7mm 12mm; 14mm; 20mm; 件厚:筒身12mm;封头14mm;人孔圈20mm;管接头7mm
4.6 焊接件结构设计
4.6.1 焊件材料的选择 4.6.2 焊接方法的选择 4.6.3 焊接接头工艺设计 4.6.4 典型焊件的工艺设计
4.6.1 焊接材料的选择
焊接材料的选择原则: 焊接材料的选择原则:
尽量选用可焊性好的材料: 尽量选用可焊性好的材料: w(C)<0.25%的低碳钢或w(CE)<0.4%的低合金钢. w(C)<0.25%的低碳钢或w(CE)<0.4%的低合金钢. 的低碳钢或w(CE) 的低合金钢 因这类钢淬硬倾向小,塑性高,焊接工艺简单. 因这类钢淬硬倾向小,塑性高,焊接工艺简单. 尽量选用镇静钢.镇静钢含气量低,特别是含H2和 尽量选用镇静钢.镇静钢含气量低,特别是含H2和 H2 O2量低 可防止气孔和裂纹等缺陷. 量低, O2量低,可防止气孔和裂纹等缺陷. 异种金属焊接时焊缝应与低强度金属等强度, 异种金属焊接时焊缝应与低强度金属等强度, 而工艺应按高强度金属设计. 而工艺应按高强度金属设计. 尽量采用工字钢,槽钢,角钢和钢管等型材, 尽量采用工字钢,槽钢,角钢和钢管等型材, 以简化工艺过程. 以简化工艺过程.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
生产不锈钢, 生产不锈钢,铝合金和铜合金结构
1.板厚小于3mm, 应选用脉冲钨极和钨极氩弧焊. 板厚小于3mm, 应选用脉冲钨极和钨极氩弧焊. 板厚在3 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝 焊缝为长直焊缝或环焊缝, 2.板厚在3～10 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝,应选用熔化极氩 弧或等离子弧自动焊. 弧或等离子弧自动焊.
氮,氢的溶解度变化
氮气孔 熔池保护不好时, 熔池保护不好时,空气中的氮溶入熔池 而产生. 而产生.
防止气孔的方法: 防止气孔的方法:
焊条,焊剂要烘干,焊丝和焊缝坡口及 焊条,焊剂要烘干, 其两侧的母材要清除锈,油和水. 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. 焊接时采用短弧焊,采用碱性焊条.CO2 焊时,采用药芯焊丝. 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.
冷裂纹动画仿真
延迟裂纹的产生原因: 延迟裂纹的产生原因: 焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区) 焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严 产生淬火组织,导致接头性能脆化. 重,产生淬火组织,导致接头性能脆化. 焊接接头含氢量较高, 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. 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, 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. 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. 发的,也叫氢致裂纹.
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. 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 纹的特征是无分支,通常为穿晶型. 化色彩. 化色彩. 最常见的冷裂纹是延迟裂纹 延迟裂纹, 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. 一段时间才发生的裂纹.
生产大批量钢结构
无密封要求应选用电阻点焊, 1.板厚小于3 mm,无密封要求应选用电阻点焊,有密封要求应 板厚小于3 mm,无密封要求应选用电阻点焊 选用缝焊. 选用缝焊. 板厚在3 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝 应选用CO2 焊缝为长直焊缝或环焊缝, CO2自动 2.板厚在3～10 mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝,应选用CO2自动 焊. 板厚大于10 mm,焊缝为长直焊缝和环焊缝隙, 3.板厚大于10 mm,焊缝为长直焊缝和环焊缝隙,应选用埋弧 焊或电渣焊. 焊或电渣焊.
4.6.2 焊接方法的选择
生产单件钢结构件
mm,强度较低 且焊缝较短应选用手弧焊. 强度较低, 1.板厚在3～10 mm,强度较低,且焊缝较短应选用手弧焊. 板厚在3 板厚在10 mm以上 焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊. 以上, 2.板厚在10 mm以上,焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊. 板厚小于3 mm,焊缝较短应选用CO2 CO2焊 3.板厚小于3 mm,焊缝较短应选用CO2焊.
4.6.3 焊接接头工艺的设计
焊缝的布置
1.焊缝应尽可能分散,如 焊缝应尽可能分散, 右图.以便减小焊接热影响 右图. 防止粗大组织的出现. 区,防止粗大组织的出现. 2.焊缝的位置应尽可能对 称分布,如右图, 称分布,如右图,以抵消 焊接变形. 焊接变形.
3.焊缝应尽可能避开最大应 力和应力集中的位置, 力和应力集中的位置,如右 图.以防止焊接应力与外加 应力相互叠加, 应力相互叠加,造成过大的 应力和开裂. 应力和开裂.
防止延迟裂纹的措施: 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, 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. 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; 焊条焊剂要烘干,焊缝坡口及附近母材要去油水;除 减少氢的来源. 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, 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. 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, 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. 的多层多道焊等. 焊后立即进行去氢(后热)处理,加热到250℃ 250℃, 焊后立即进行去氢(后热)处理,加热到250℃,保温 6h,使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面. 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. 焊后进行清除应力的退火处理.
4.焊缝应尽量避开机械加 工表面,如右图, 工表面,如右图,以防止 破坏已加工面. 破坏已加工面.
5.应便于焊接操作,如下图.焊缝位置应使 应便于焊接操作,如下图. 焊条易到位,焊剂易保持,电极易安放. 焊条易到位,焊剂易保持,电极易安放.
接头型式的选择与设计
接头型式应根据结构形状,强度要求,工件厚度, 接头型式应根据结构形状,强度要求,工件厚度, 焊后变形大小,焊条消耗量, 焊后变形大小,焊条消耗量,坡口加工难易程度等各 个方面因素综合考虑决定. 个方面因素综合考虑决定.
生产数量: 生产数量:小批生产 工艺设计要点: 工艺设计要点: 筒身用钢板冷卷,按实际尺寸, 筒身用钢板冷卷,按实际尺寸,可分为 三节,为避免焊缝密集, 三节,为避免焊缝密集,筒身纵焊缝可相互 错开180 180° 封头应采用热压成型, 错开180°,封头应采用热压成型,与筒身 连接处应有30 mm～50mm的直段 的直段, 连接处应有30 mm～50mm的直段,使焊缝躲 开转角应力集中位置. 开转角应力集中位置. 根据各条焊缝的不同情况, 根据各条焊缝的不同情况,可选用不同 的焊接方法,接头型式,焊接材料与工艺. 的焊接方法,接头型式,焊接材料与工艺.
焊接过程模拟
�
4.5 焊接缺陷与检验
焊接接头的不完整性称焊接缺陷. 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, 焊接裂纹,未焊透,夹渣,气孔和焊缝外观缺 陷等. 陷等.
4.5.1 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, 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, 晶间裂纹.因热裂纹在高温下形成,所以有氧化 色彩. 色彩.
4.5.2 气孔 焊缝气孔有三种: 焊缝气孔有三种:
氢气孔 高温时,氢在液体中的溶解度很大, 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, 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, 速冷却,氢的溶解度急速下降,析出氢气,产生 氢气孔. 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 FeO, 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: 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, CO将来不及逸 此时,若熔池已开始结晶,则CO将来不及逸 便产生CO气孔.熔池氧化愈严重, CO气孔 出,便产生CO气孔.熔池氧化愈严重,含碳量愈 越易产生CO气孔. CO气孔 高,越易产生CO气孔.
热裂纹动画仿真
热裂纹产生的原因: 热裂纹产生的原因: 晶间存在液态薄膜. 晶间存在液态薄膜. 接头中存在拉应力. 接头中存在拉应力. 热裂纹的防止: 热裂纹的防止: 限制钢材和焊条,焊剂的低熔点杂质, 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 易形成低熔点共晶, 磷含量.Fe和FeS易形成低熔点共晶,其熔点 988℃,很容易产生热裂纹. 为988℃,很容易产生热裂纹. 缩小结晶温度范围,改善焊缝组织, 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. 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, 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. 焊前预热,合理的焊缝布置等.
1.熔焊接头设计 2.压焊接头设计
(1)点焊接头设计 点焊接头设计包括焊点直径d0,焊点数n等 (2)摩擦焊的接头型式 摩擦焊接头的型式, 摩擦焊接头的型式,不仅根据产品的设计要求 来确定,同时也要考虑到摩擦焊接工艺的特点. 来确定,同时也要考虑到摩擦焊接工艺的特点.
4.6.3 典型焊件的工艺设计