1、目录摘要 .1关键词 .11 焊接接头及焊接接头的形式 .22 焊接接头常见的缺陷 .32.1 外部缺陷 .32.2 内部缺陷 .43 焊接头的应力集中 .63.1 应力集中的概念 .63.2 在焊接接头中产生应力集中的原因 .63.3 焊接接头的工作应力分布和工作性 .74 焊接接头组织与对性能的不均匀性 .84.1 焊缝的组织与性能及应力分析 .84.1.1 焊缝的组织与性能 .94.1.2 焊接应力分析与焊接变形 .94.2 焊缝的化学成分的不均匀性 .105 焊接残余应力及分布 .125.1 焊接残余应力 .125.1.1 纵向应力 .135.1.2 横向应力 .146 提高焊接结构质
2、量的措施 .156.1 消 除 构 件 焊 接 残 余 应 力 .156.1.1 常 用 的 消 除 残 余 应 力 的 方 法 .156.2 改善焊缝金属的组织与性能 .17结论 .17参考文献 .19致谢 .19西安技师学院机械工程系第 1 页 共 20 页焊接结构中薄弱环节的分析摘要随着焊接技术的不断发展，焊接工艺的不断改善，焊接电源的不断更新，焊接质量也在不断的得到提高，但是焊接接头却是焊接结构中不可忽视的环节，因为焊接接头存在着应力集中与不均匀性，还往往产生的一些焊接缺陷，存在着较高的焊接残余应力从而导致焊接接头成为焊接结构中的薄弱环节，本文介绍了焊接接头的概念及接头形式和特点,主要
3、从焊接缺陷、焊接接头的组织与性能的不均匀性、焊缝化学成分的不均匀性以及焊接残余应力及分布分析焊接结构中的薄弱环节并且针对这些问题提出了焊接接头质量的改进措施，最后得出一重要结论；焊接接头是焊接结构中的薄弱环节，因此分析焊接结构中焊接接头存在的这些问题对提高焊接结构的使用可靠性具有十分重要的意义。关键词焊接接头 焊接缺陷 应力集中 不均匀性 焊接残余应力 薄弱环节 质量措施。西安技师学院机械工程系第 2 页 共 20 页1 焊接接头及焊接接头的形式焊接接头是在焊件需要连接的部位用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头。它由焊缝、母材、熔合区、热影响区四部分组成如下图。焊接接头型式在手工电弧焊中，由于
4、焊件厚度，结构形状以及对质量要求的不同、其接头型式也不相根据国家标准 GB 9 85 一 8 0 规定，焊接接头的型式主要可分为四种，即对接接头、角接接头、搭接接头、T 形接头）如图 111 所示。图 111 焊接接头的基本类型 a） 对接接头 b）角接接头 c）搭接接头 d）T 形接头1对接接头 两焊件端面相对平行的接头称为对接接头，如图 111a 所示。这种接头能承受较大的载荷，是焊接结构中最常用的接头。2角接接头 两焊件端面间构成大于 30，小于 135夹角的接头称为角接接头，如图 111b 所示。角接接头多用于箱形构件，其焊缝的承载能力不高，所以一般用于不重要的焊接结构中。西安技师学院
5、机械工程系第 3 页 共 20 页3搭接接头 两焊件重叠放置或两焊件表面之间的夹角不大于 30构成的端部接头称为搭接接头，如图 111C 所示。搭接接头的应力分布不均匀，接头的承载能力低，在结构设计中应尽量避免采用塔接接头。4T 形接头 一焊件端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头称为T 形接头，如图 111d 所示。 2 焊接接头常见的缺陷 2.1 外部缺陷1.焊缝成型差现象焊缝尺寸不合格，焊缝波纹粗劣，焊缝不均匀、不整齐，焊缝与母材不圆滑过渡，焊接接头差，焊缝高低不平。原因分析焊缝成型差的原因有：焊件坡口角度不当或装配间隙不均匀；焊口清理不干净；焊接电流过大或过小；焊接中运条（枪）速度
6、过快或过慢；焊条（枪）摆动幅度过大或过小；焊条（枪）施焊角度选择不当等。4.咬边现象焊缝与母材熔合不好，出现沟槽，深度大于 0.5，总长度大于焊缝长度的10或大于验收标准要求的长度。危害它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。原因分析焊接线能量大，电弧过长，焊条（枪）角度不当，焊条（丝）送进速度不合适等都是造成咬边的原因。5.弧坑现象焊接收弧过程中形成表面凹陷，并常伴随着缩孔、裂纹等缺陷。原因分析焊接收弧中熔池不饱满就进行收弧，停止焊接，焊工对收弧情况估计不足，停弧时间掌握不准。6.表面气孔西安技师学院机械工程系第 4 页 共 20 页现象焊接过程中，熔池中
7、的气体未完全逸出熔池（一部分逸出） ，而熔池已经凝固，在焊缝表面形成孔洞。原因分析焊接过程中由于防风措施不严格，熔池混入气体；焊接材料没有经过烘培或烘培不符合要求，焊丝清理不干净，在焊接过程中自身产生气体进入熔池；熔池温度低，凝固时间短；焊件清理不干净，杂质在焊接高温时产生气体进入熔池；电弧过长，氩弧焊时保护气体流量过大或过小，保护效果不好等。7.表面夹渣现象在焊接过程中，主要是在层与层间出现外部看到的夹渣。原因分析多层多道焊接时，层间药皮清理不干净；焊接线能量小，焊接速度快；焊接操作手法不当；前一层焊缝表面不平或焊件表面不符合要求。8焊瘤焊瘤是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所
8、形成的金属堆积。危害易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未焊透等缺陷。2.2 内部缺陷1.气孔现象在焊缝中出现的单个、条状或群体气孔，是焊缝内部最常见的缺陷。原因分析根本原因是焊接过程中，焊接本身产生的气体或外部气体进入熔池，在熔池凝固前没有来得及逸出熔池而残留在焊缝中。危害它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。西安技师学院机械工程系第 5 页 共 20 页2.夹渣现象焊接过程中杂质夹杂在熔池中，熔池凝固后形成的焊缝中的夹杂物。原因分析焊件清理不干净、多层多道焊层间杂质清理不干净、焊接过程中药皮脱落在熔池中等；电弧过长、焊接角度不对、焊层过厚、焊接线能量小
9、、焊速快等，导致熔池中熔化的杂质未浮出而熔池凝固。危害因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。3.未熔合现象未熔合主要时根部未熔合、层间未熔合两种。根部未熔合主要是打底过程中焊缝金属与母材金属以及焊接接头未熔合；层间未熔合主要是多层多道焊接过程中层与层间的焊缝金属未熔合。原因分析造成未熔合的主要原因是焊接线能量小，焊接速度快或操作手法不恰当。危害它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。4未焊透焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。危害它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。5
10、.内部裂纹现象在焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区出现的内部开裂缺陷。原因分析产生裂纹的原因因为不同钢种、焊接方法、焊接环境、预热要求、焊接接头中杂质的含量、装配及焊接应力的大小等而不同，但产生裂纹的根本原因有两点：产生裂纹的内部诱因和必须的应力。特点：它具有尖锐的裂端和大的长宽比。危害西安技师学院机械工程系第 6 页 共 20 页裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。根据裂纹的形成条件、时间和温度的不同，焊接裂纹一般可分为：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、应力腐蚀裂纹、层状撕裂。3 焊接头的应力集中3.1 应力集中的概念所谓应力集中，是指接头局部区域的最大应力（max）
11、较平均应力（av）高的现象。应力集中的大小常以应力集中系数 KT表示：K T=maxav3.2 在焊接接头中产生应力集中的原因1） 焊缝中有工艺缺陷。焊缝中经常产生的缺陷，如气孔、夹杂、裂纹和未焊透等，都会在其周围引起应力集中，其中尤以裂纹和未焊透引起的应力集中最严重。2） 焊缝外形不合理。如对焊接缝的余高过大，角焊缝为凸出形等,在焊趾处都会形成较大的应力集中。 3） 焊接接头设计不合理。如接头截面的突变、加盖板的对接接头等，均会造成严重的应力集中。焊缝布置不合理，如只有单侧焊缝的 T 形接头 ，也会引起应力集中。4） 焊缝的余高和施焊过程中可能造成的接头错边、角变形等都会引起应力集中。如下图
12、西安技师学院机械工程系第 7 页 共 20 页3.3 焊接接头的工作应力分布和工作性1. 对接接头 焊接生产中对接接头的焊缝略高于母材金属板面。由于余高造成了构建表面不平滑，在焊缝与母材的过度处引起应力集中，如图 A 所示。在焊缝余高向母材金属过渡的焊趾处，应力集中系数 KT为 1.6，在焊缝背面与母材金属的过渡处，应力集中系数 KT为 1.5。K T的大小与余高 h 和焊缝向母材金属过渡的半径 r 有关，如图 a、b 所示。减小 r 和增大 h,均使 KT增加。当余高 h 为零，K T等于 1，应力集中消失。如果余高太大，虽然使焊缝截面增厚但却使应力集中程度也增加，因此在生产中应适当控制余高
13、，不应以增加余高的方法来增加焊缝的承载能力。余高不得超过国标 1-3mm。由余高带来的应力集中，对动载结构的疲劳强度是是十分不利的，所以此时要求它越小越好，国家标准规定：在承载受动载情况下，余高趋于零。因此对重要的动载结构。可削平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力集中，以提高接头的疲劳强度。图 A 接接头的应力分布西安技师学院机械工程系第 8 页 共 20 页余高和过渡半径与应力集中系数的关系2. T 形（十字接头）由于 T 形（十字）接头向母材金属过渡集聚，造成应力分布极不均匀，在角焊缝的根部和过渡处，产生很大的应力集中，见下图。图 a 是未开坡口 T 形（十字）接头中正面焊缝的应力分布情况
14、。由于整个厚度没有焊透，焊缝根部应力集中很大。在焊趾截面 B-B 上应力分布也不均匀，B 点的应力集中系数 KT值随角焊缝的形状而改变，应力集中随 角减小而较小，也随焊脚尺寸增大而减小。图 b 是开坡口并焊透的 T 形（十字）接头，这种接头使应力集中大大降低。因此保证焊透是降低 T 形（十字）接头应力集中的重要措施之一。因此在重要的焊接结构中 T 形（十字）接头必须开坡口保证焊透。T 形（十字）接头应力分布西安技师学院机械工程系第 9 页 共 20 页4.1 焊缝的组织与性能及应力分析4.1.1 焊缝的组织与性能焊缝区：是由熔池内的液态金属凝固而成的。它属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱
15、状晶。硫、磷等低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的强度一般不低于母材。 热影响区：材料因受热的影响而发生金相组织和力学性能变化的区域，称为热影响区。它包括：1)、熔合区：是焊缝与热影响区的过渡区，组织不均匀、晶粒粗大、强度下降。2)、过热区：生成过热组织、晶粒粗大，使材料的塑性、韧性下降。3)、正火区：金属组织发生重结晶，组织细化，金属的力学性能良好。4)、部分相变区：部分组织发生相变，产生晶粒大小不一，力学性能不均匀。热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范和接头 形式等因素。在热源热
16、量集中、焊接速度快时，热影响区就小。4.1.2 焊接应力分析与焊接变形焊接变形因焊件的不同而表现为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等多种型式。原因分析造成焊接变形的原因有：装配-焊接顺序不合理、焊接方法选用不当、焊接参数不合理等焊接对接焊缝区不均匀的加热和冷却是产生焊接应力和变形的根本原因。现以平板对接为例分析焊前与焊后的应力状况。焊接时，焊缝区被加热到很高的温度，离焊缝越远，温度越低。根据金属热胀冷缩的规律，如果各部分的金属能自由膨胀而不受周围金属的阻碍，则焊缝区将产生最大的纵向伸长量，但平板是一个整体，不可能自由膨胀，平板端面只能均衡地伸长L。于是焊缝区的高温金属就会被压缩而产生一定量的压缩塑性变形，同时存在一部分压缩弹性变形，即存在部分压应力。远离焊缝区的两侧金属则受到拉应力，而使构件应力处于平衡。
