談?wù)労附恿鸭y的產(chǎn)生原因和防止措施
, L9 a) E$ p2 a) e a% h5 P1 } }+ Z焊接是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中最重要的加工工藝之一,它已廣泛應(yīng)用于制造和修理各種結(jié)構(gòu)和設(shè)備。焊接作為一種降低成本、提高生產(chǎn)效率的有效新手段,用它不僅可以得到優(yōu)質(zhì)、可靠的工件,而且可以創(chuàng)制出原則上完全新穎的產(chǎn)品。大如航空航天和核動(dòng)力裝置,小至微電子以及超精器件,如果沒(méi)有焊接技術(shù),很難想像將會(huì)遇到多少困難,甚至無(wú)法制造出來(lái)。因此完全可以說(shuō),沒(méi)有焊接就沒(méi)有今天這樣的現(xiàn)代工業(yè),焊接為今天這樣的現(xiàn)代文明起到了它應(yīng)有的作用。
5 J+ Z, f c9 |5 Y% O5 I隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,在焊接結(jié)構(gòu)方面都趨向大型化,大容量和高參數(shù)的方向發(fā)展。有的還在低溫、深冷、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下工作。因此各種低合金高強(qiáng)鋼,中、高合金鋼,超高強(qiáng)鋼,以及各種合金材料應(yīng)用的日益廣泛。但是隨著這些鋼種和合金材料的應(yīng)用,在焊接生產(chǎn)上帶來(lái)了許多新的問(wèn)題,其中較為普遍而又十分嚴(yán)重的就是焊接裂紋。
/ p. o" I; n$ t" v8 v/ T焊接裂紋不僅給生產(chǎn)帶來(lái)了許多困難,而且可能帶來(lái)災(zāi)難性的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大多數(shù)是由裂紋而引起的脆性破壞。因此,裂紋是引起焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞事故的主要原因。焊接結(jié)構(gòu)中裂紋問(wèn)題危害甚大,已成為世界各國(guó)所關(guān)注的課題
9 N- C4 f) t; \常見(jiàn)的焊接裂紋根據(jù)生成時(shí)的溫度,可分成熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋等幾類(lèi)。焊接結(jié)構(gòu)中,焊接裂紋以冷裂紋最為常見(jiàn),其次為熱裂紋,本次論文將以這二者為重點(diǎn),簡(jiǎn)單說(shuō)明一下冷裂紋和熱裂紋。
7 o: h7 ~7 ~0 \- ?一、 首先我們來(lái)談一談焊接冷裂紋。- q+ J9 a2 F/ q6 B" v6 }3 [) b
焊接冷裂紋指焊接接頭冷卻到較低較低溫度時(shí)所產(chǎn)生的裂紋。冷裂紋包括:延遲裂紋、淬硬裂紋、低塑性脆化裂紋等,正常所說(shuō)的冷裂紋指的是延遲裂紋。* T: m" F& \, V
一般情況下,焊接低中合金高強(qiáng)鋼,高中碳鋼等易淬火鋼時(shí)容易產(chǎn)生冷裂紋。
0 n- y* j4 E0 N1 C0 N1冷裂紋產(chǎn)生的原因- W- j5 K# r' q% R2 S3 a( M/ Q
大量的生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究證明,鋼種的淬硬傾向、焊接接頭、含氫量及其分布,以及焊接接頭所承受的應(yīng)力狀態(tài)是產(chǎn)生焊接冷裂紋的三大主要因素。這三個(gè)因素在一定條件下是相互聯(lián)系和相互促進(jìn)的。
' q S' [( C7 y& Z# H5 F2 I( V(1)含氫量的影響% Y' D2 E4 S& ?9 C+ n9 b( o' n" _3 l7 t
鋼中含氫時(shí),塑性降低脆性增加,當(dāng)鋼中含氫量越多時(shí),塑性降低脆性增加,在電弧作用下,水分解為氫原子進(jìn)入熔池,隨著金屬的冷卻,氫的溶解量下降,氫逐漸析出,殘存在固態(tài)金屬中,形成氫分子,造成很大的內(nèi)應(yīng)力,容易產(chǎn)生裂紋。
" C4 c% o( q) f根據(jù)融合區(qū)氫濃度的聚集,預(yù)熱對(duì)冷裂紋敏感性有較大的影響,在不預(yù)熱的情況下熔合區(qū)的氫濃度在焊后4天達(dá)到最高值。而采用預(yù)熱后的氫的集聚時(shí)間和最高濃度值得到大幅度降低,有利于防治冷裂紋。類(lèi)似的焊后緊急加熱可加速H的擴(kuò)散,也是防治冷裂紋的有效措施之一。
3 B4 n. J2 a4 T* S- B8 @(2)淬硬作用
2 p4 b9 S' h1 F2 W# H 焊接裂紋傾向隨著淬硬傾向的增加而增加,其原因是淬硬鋼焊接接頭的淬火區(qū)組織脆硬塑性低劣,這樣的地區(qū)難承受焊接應(yīng)力應(yīng)變,易于導(dǎo)致耗能極少的脆性斷裂,從而使裂紋易于生成和擴(kuò)張。1 z8 C" A, {! ~& J G* o4 q9 m1 C
對(duì)組織情況以及裂紋傾向的評(píng)估可借助該鋼種的SH-CCT(溫度、時(shí)間和裂紋分布)圖,SH-CCT圖不僅可用于預(yù)測(cè)給定鋼種在某種規(guī)范或工藝條件下焊接是否出現(xiàn)冷裂紋,生產(chǎn)上另一重要用途是用來(lái)焊前制定該鋼種不生成冷裂紋的焊接工藝。如必須采用長(zhǎng)段多層焊接淬硬傾向較大的鋼種時(shí),經(jīng)常采用諸如焊前預(yù)熱、層間溫度控制、焊后緩冷、后熱等其他措施與之配合。 L h4 k9 V' q/ I/ x: _
(3)拘束應(yīng)力. `/ S7 [; y0 [- v5 I
構(gòu)件焊接時(shí),由于焊接區(qū)變形,受到周?chē)饘俚木惺a(chǎn)生應(yīng)力,稱(chēng)此應(yīng)力為拘束應(yīng)力,分為內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力包括熱應(yīng)力和相變應(yīng)力,外應(yīng)力包括剛度,拘束程度、接頭形式和坡口形式。
+ Y2 X1 C# r1 B1 ?! w- l 拘束應(yīng)力- \9 l% E* j( I
бw = mR8 J; M v9 ~1 \& p9 {
бw——拘束應(yīng)力 " Q3 H& l7 Y3 P& v; w. R5 A
m——比例系數(shù)。與金屬的熱物理性質(zhì)如膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)比熱容,以及接頭形式、坡口的角度等因素有關(guān)。+ b' ]- q9 }4 ?
R——拘束度& k% f8 \9 `! @* @; Y; [
2冷裂紋的防止措施
: @4 G, s! V9 x 防止冷裂紋生成原則上不外乎減少接頭的淬硬、含氫量和拘束,其防治措施也應(yīng)建基于此。
' r5 s) O1 E$ O9 _% W(1)母材和焊接材料的選擇; q2 R3 ^7 O: Z
a母材應(yīng)降低其淬硬性,所以來(lái)講,母材應(yīng)含C量低,雜質(zhì)小。2 @& ^) `. C' b# \0 D* l H
b焊接生產(chǎn)中,母材多半以給定,因而對(duì)焊材選用更加實(shí)際。! j' `" x6 \4 h( q
首先應(yīng)使焊材的含H量低,例如使用低氫型或超低氫型,焊前必須烘干,去除油銹。對(duì)于敏感于冷裂的接頭,焊接時(shí)盡量降低焊縫金屬的強(qiáng)度。例如在修復(fù)高強(qiáng)度構(gòu)件的少量缺陷時(shí)。采用J427焊條(E4315)常較采用強(qiáng)度級(jí)別更高的J507(E5015)、J557(E5515)焊條等效果優(yōu)越。厚板焊接時(shí),在最易啟裂根部焊道采用低匹配,按等強(qiáng)原則選擇焊接材料,是防止冷裂且能保證接頭強(qiáng)度的可取工藝。采用A焊材,焊接高淬硬性鋼材是防治冷裂紋的有效措施,在修復(fù)中高碳鋼或合金鋼構(gòu)件時(shí)應(yīng)用尤多。9 ~% a; ~; \6 n [& u5 L' N
(2)工藝措施
) Y: }1 ?; F$ |從防治冷裂紋觀點(diǎn),焊接熱循環(huán)首先應(yīng)謀求緩冷,如采用小的線能量+To(預(yù)熱),預(yù)熱固然可以有效的防治冷裂紋,但增加了構(gòu)件制作工序,同時(shí)惡化的勞動(dòng)條件,因此在生產(chǎn)中應(yīng)盡量降低預(yù)熱溫度。由于冷裂紋經(jīng)常具有延遲性。其另一有效防治措施是焊后緊急后熱,同樣焊后保溫也有助于防治冷裂紋的產(chǎn)生。8 b+ B: m7 @6 t: N1 h1 ~
(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)% \+ S( U8 e' N: S, |, m& [8 P
制定工藝,必須盡量降低焊接應(yīng)力,避免應(yīng)力集中。例如應(yīng)當(dāng)合理安排裝配焊接順序,使接頭在最小的拘束條件下施焊,必要時(shí)可以采取分區(qū)對(duì)稱(chēng)、分段、反向等焊法,以降低焊接應(yīng)力。同樣從焊接角度來(lái)看,焊接線能量不宜選擇過(guò)大,焊接熱量更不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間集中于局部地區(qū)。 |