焊件质量分析

任务4　焊件质量分析

一、焊接应力与变形

焊接应力所引起的变形和开裂是影响焊接质量的主要原因之一。

1．焊接应力的产生原因

焊接过程为什么会产生很大的应力呢？现以平板对接为例来说明焊接应力的产生及导致变形开裂的过程。如图12－22所示，两块金属材料对焊时，由于电弧的热作用，焊缝区附近温度急剧升高，而较远处温度仍较低，这样，导致焊件各部分金属出现不均匀的热膨胀。如果焊缝区金属不受阻碍，热膨胀将能自由进行，如图12－22（a）所示。但实际上受到周围金属的阻碍，焊缝区金属不能自由地伸长，此时焊缝区金属受压应力，周围金属受拉应力。焊缝区金属本身处在热塑性状态，容易变形，当压应力大于其屈服强度时，就会产生压缩性的塑性变形，如图12－22（b）所示，此时金属的伸长并没有图12－22（a）那么长。焊件冷却时，焊缝区金属因在加热时产生了压缩塑性变形，冷却收缩后的长度在自然收缩的情况下为l′，但其收缩又受到周围金属的牵制，实际长度l″比l′长，比原长l短。l－l″即为变形量。此时，焊缝区金属受拉应力，周围金属受压应力，此即为焊件的残余应力，如图12－22（c）所示。当然，焊接过程中应力与变形的实际情况比我们上面分析的还要复杂。

综上所述可见，焊件不均匀的局部加热是产生焊接应力的根本原因，而当应力超过材料的屈服强度时就产生变形，当应力超过抗拉强度时就产生开裂。

图12－22　焊接应力与变形示意图

2．焊接变形的基本形式

焊接变形是多种多样的，最常见的有以下五种形式，如图12－23所示。

（1）收缩变形。焊件纵向和横向尺寸缩短，如图12－23（a）所示。

（2）角变形。V形坡口对接施焊时，由于焊缝横截面形状上下不对称，焊后收缩不均匀而引起角变形，如图12－23（b）所示。

（3）弯曲变形。T形梁焊接时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起弯曲变形，如图12－23（c）所示。

（4）扭曲变形。由于焊缝在焊件横截面上布置不对称或焊接工艺不合理产生的复杂变形，如图12－23（d）所示。

（5）波浪形变形。由于焊缝的纵向和横向收缩引起角变形，这些变形连贯起来就形成了波浪变形，这类变形多产生在薄板的焊接结构中，如图12－23（e）所示。

图12－23　常见焊接变形形式

3．预防和减小焊接变形的措施

为了预防和减小焊接变形，设计时应尽可能采用合理的结构形式，焊接时应采用必要的工艺措施。人们在生产实践中总结的如下几点措施是可行的。

（1）对易产生变形和裂纹的焊件，焊前应预热，焊后应缓冷。

（2）选用正确的焊接次序。如焊缝为对称性焊缝时，应按对称焊接顺序施焊。长焊缝应采用逆向分段焊接法，如图12－24、图12－25所示。

图12－24　对称性焊缝的焊接顺序

图12－25　长焊缝的几种焊接顺序

（3）利用反变形法抵消焊接变形，如图12－26所示。

图12－26　防止角变形的反变形措施

（4）将焊件固定，限制其变形，如图12－27所示。

图12－27　用固定法减小焊接变形

（5）在焊接过程中，趁热用小锤轻轻敲击，使应力松弛，减小变形。

（6）焊后及时进行去应力退火，可使应力消除80%～90%。

二、焊接接头的缺陷

合格焊接接头的要求如下：①焊缝有足够的熔深，合适的熔宽与堆高；②焊缝与母材表面过渡平滑，弧坑饱满；③力学性能及其他所要求的使用性能达到标准；④无裂纹，无未焊透，无烧穿，夹渣和气孔数量不超过允许值范围。

在焊接生产中，由于材料选择不当、焊前准备工件做得不好、焊接规范不合适、操作方法不正确等原因，会造成各种焊接缺陷。焊接接头主要缺陷及产生原因如表12－8所示。

焊接缺陷影响接头的性能，对于重要接头，上述缺陷一经发现必须修补，否则，可能产生严重的后果。在任何情况下，裂缝、未焊透、烧穿都是不允许的。

表12－8　焊接接头主要缺陷及产生原因

三、焊接接头质量检查方法

对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施。

（1）外观检验。用肉眼或低倍放大镜观察焊缝有无可见缺陷，如表面气孔、咬边、未焊透、裂缝等，并检查外形尺寸。

（2）焊缝内部检验。焊缝内部气孔、夹渣、裂纹和未焊透等缺陷对焊缝质量影响很大，尤其当焊接接头承受载荷或较大载荷的情况下，这种内部缺陷更需严格控制。常用的焊缝内部检验方法如表12－9所示。

（3）力学性能检验。根据设计要求和有关标准测试接头的力学性能，如强度、塑性、韧性等。

（4）密封性检验。要求密封和承受压力的容器、管道，应进行焊缝致密性检验。其检验方法有煤油试验、气压试验、水压试验等。

表12－9　几种焊缝内部检验方法的比较