第1-4章 焊接工艺规程

西安交通大学能源与动力工程学院第1篇第4章焊接工艺规程设计4.1焊接符号与标注4.2焊接接头及坡口型式4.3焊接应力与变形4.4焊接工艺要素和规范4.5焊接工艺评定4.6焊接裂纹与控制4.7锅炉压力容器用钢焊接4.8焊接结构工艺性西安交通大学能源与动力工程学院工艺规程基本概念规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件称为工艺规程。工艺规程是指导生产组织生产、管理生产的主要工艺文件，是加工、检验验收、生产调度与安排的主要依据。工艺规程也是生产、组织和管理工作的基本依据，因为在生产管理中，产品投产前原材料及毛坯的供应，通用工艺装备的准备，机床负荷的调整，专用工艺装备的设计和制造，作业计划的编排，劳动力的组织以及生产成本的核算等都是以工艺规程作为基本依据的。西安交通大学能源与动力工程学院4.1焊缝符号及标注焊接图是供焊接加工时所用的图样。除了将焊接件的结构表达清楚以外，还必须把焊接的有关内容表示清楚，如焊接接头型式、焊缝型式、焊缝尺寸、焊接方法等。要看懂焊接机械设备图纸，就必须了解焊缝的符号及其标注方法。焊缝代号是工程语言的一种，它可以统一焊接结构图纸上的符号。我国的焊缝符号是由国家标准GB324—88规定的。焊缝符号由以下内容组成：1.常用焊接方法的代号可用简明的字母符号来代表各种常用的焊接方法，具体内容见表4-1西安交通大学能源与动力工程学院1.西安交通大学能源与动力工程学院4.1焊缝符号及标注2.基本符号焊缝符号由基本符号与指引线组成，必要时还要加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。基本符号是表示焊缝横截面形状的符号，它采用近似于焊缝横截面形状符号表示，表4-2。3.辅助符号及补充符号辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，不需要确切地说明焊缝的表面形状时，可不用。补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征面用的符号，它们的表示方法见表4-3。4.焊缝的尺寸符号在设计或生产需注明焊缝尺寸时，用焊缝尺寸符号表示，见表4-4。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院4.1焊缝符号及标注5.指引线(1)指引线由带箭头的箭头线和两条基准线(一条为细实线，一条为虚线)两部分组成。(2)虚线可画在细实线的上侧或下侧，基准线一般与标题栏的长边相平行，必要时，也可与标题栏的长边相垂直。箭头线用细实线绘制，箭头指向有关焊缝处，必要时允许箭头线折弯一次。当需要说明焊接方法时，可在基准线末端增加尾部符号。西安交通大学能源与动力工程学院4.1焊缝符号及标注5.指引线(3)箭头线与焊缝位置的关系箭头线相对焊缝的位置一般没有特殊要求，箭头线可以标在有焊缝一侧，也可以标注在没有焊缝一侧，如图所示。西安交通大学能源与动力工程学院4.1焊缝符号及标注5.指引线(4)基本符号相对基准线的位置为了在图样上能确切地表示焊缝位置，标准中规定了基本符号相对基准线的位置。①如果焊缝接头在箭头侧，则将基本符号标在基准线的细实线一侧，如图a所示。②如果焊缝接头不在箭头侧，则将基本符号标在基准线的虚线一侧，如图b所示。③标注对称焊缝及双面焊缝时，可不画虚线，如图c所示。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院4.1焊缝符号及标注6.常用焊缝的尺寸标注法(1)焊缝横截面上的尺寸，标在基本符号的左侧。(2)焊缝长度方向的尺寸，标在基本符号的右侧(3)坡口角度α、坡口面角度β、根部间隙b标在基本符号的上侧或下侧。(4)相同焊缝数量及焊接方法代号标在尾部。(5)当需要标注的尺寸数据较多，又不易分辨时，可在数据前面增加相应的尺寸符号。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院焊缝的标注示例西安交通大学能源与动力工程学院焊缝的标注示例(续)西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式常见的焊接接头有对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头等四种，如图所示。焊接接头的选择：主要根据焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度要求及施工条件等来选择。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院焊缝的规定画法工件经焊接后所形成的接缝称为焊缝。如需在图样中简易地绘制焊缝时，可用视图、剖视图或断面图表示，也可用轴测图示意地表示。焊缝的规定画法，如图所示。西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式1.对接接头对接接头容易焊透，受力情况好，应力分布均匀，连接强度高，焊接接头质量容易保证。受力均匀，在静载和动载作用下都具有很高的强度，且外形平整美观，是应用最多的接头形式。但对焊前准备和装配要求较高。通常使焊缝略高于母材板面，这加厚层造成了构件表面的不平滑，在焊缝与平材的过渡处引起应力集中。大型和要求较高的锅筒、压力容器上的对接焊缝一般要求打磨平整或喷九后出厂。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式1.对接接头(1)按照焊件厚度及坡口准备的不同，对接接头可分为不开坡口、单边V形、V形坡口、U形坡口、单边U形、K形坡口、X形坡口、U形V形混合坡口和双U形坡口等(见图)。西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式1.对接接头一般情况，手工电弧焊焊接6mm以下焊件和自动焊焊接14mm以下焊件时，可不开坡口。钢板超过上述厚度时，电弧不能熔透钢板，应考虑开坡口，开坡口可使热源伸入根部，保证焊透，且可降低热规范，减小热影响区和减少焊件的变形。钝边和间隙的尺寸若能很好配合，不仅可保证焊透，而且也可避免烧穿、未焊透等缺陷。坡口型式选择，主要根据被焊工件厚度、焊后应力变形大小、坡口加工的难易程度、焊条的消耗量以及焊接工艺等各方面的因素来考虑。西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式1.对接接头(2)在不同厚度钢板对接时，由于接头处断面有突然变化，会造成应力集中，如焊缝两边钢板中心线不一致，受力时将产生附加弯矩，这些都将影响接头强度。双面或者单面削薄(图)。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式2.T形接头根据工件厚度不同，将两块钢板互成直角连接在一起的焊缝接头称为T形接头。接头可分为不开坡口、单边V形坡口、双边V形坡口以及K形坡口，根据厚薄不同可用单面或双面焊。锅炉压力容器插入式管接头、人孔圈和筒体的焊接属于此类。广泛采用在空间类焊件上，具有较高的强度，如船体结构中约70％的焊缝采用了T形接头。西安交通大学能源与动力工程学院未开坡口T形接头开坡口T形接头西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式2.T形接头对不开坡口的T形接头，应尽量避免采用单面角焊缝，因为，该种接头的根部有很深的缺口，且此种焊缝不能承受反方向的力矩。西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式3.角接接头根据工件厚度不同，将两块钢板互成直角沿边沿连接在一起的焊缝接头称为角接接头。通常只起连接作用，只能用来传递工作载荷。西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式3.角接接头图示为不允许的角接焊缝结构。这些角焊缝应力分布不均，在焊缝根部有较大应力集中，在压力容器的受压件上是禁止采用的。西安交通大学能源与动力工程学院4.2焊接接头及坡口型式4.搭接接头焊前准备简便，但受力时产生附加弯曲应力，降低了接头强度。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形结构焊接时总是要产生焊接变形和应力。在焊接过程中，焊件中产生的随时间而变化的变形和内应力分别称为瞬时变形和焊接瞬时应力。焊后温度冷却至室温时留存于焊件中的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。4.3.1焊接应力和变形产生的原因焊接对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。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.1焊接应力和变形产生的原因焊接时，焊件进行局部加热，根据金属热胀冷缩的特性，产生abcde的变形。但钢板是一个整体，这种伸长不能自由地实现，钢板端而只能比较均衡地伸长Δι。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.1焊接应力和变形产生的原因冷却时，由于焊缝附近金属在焊接过程中已发生了不可恢复的压缩塑性变形，它同样受到两侧金属的约束。为保持整体的一致性，而均衡地收缩了Δι‘，且焊缝区要产生一定量的弹性拉伸，两侧金属产生一定量的弹性压缩。于是在焊缝区及其附近的金属中就存在拉应力，在两侧金属中则存在压应力。构件中的应力处于平衡状态。由此可知，平板对接焊后比焊前缩短了Δι’，同时焊缝区产生了拉应力，远离焊缝的两侧金属受压应力。即室温下保留下来焊接应力与变形—焊接残余应力和残余变形。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.2焊接残余应力的分布、影响和消除焊接应力可分为热应力、拘束应力、相变应力和焊接残余应力，焊接残余应力往往数值很大，在厚度较大的焊接结构中，焊接残余应力一般可达到材料的屈服极限。1.焊接应力的分类(1)纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力;(2)横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力;(3)厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。西安交通大学能源与动力工程学院4.3.2焊接残余应力的分布、影响和消除2.焊接残余应力的分布(1)焊缝纵向应力σx沿着焊缝纵向的应力称为纵向应力σx；把垂直于焊缝纵向的应力称为横向应力σy。焊缝及其附近的压缩塑性变形区内σx的为拉应力，其值一般可达材料的屈服强度。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.2焊接残余应力的分布、影响和消除2.焊接残余应力的分布(2)焊缝横向应力图为一定长度平板焊缝中横向应力σy的分布。焊缝及其附近的压缩塑性变形区内σy为拉应力，两端为压应力，离开焊缝中心越远，σy迅速衰减。厚板焊接结构中除了纵向应力和横向应力外，还存在沿厚度方向的应力。这三个方向内应力在厚度方向分布极不均匀。厚板电渣焊时焊缝中心出现三轴向拉应力，随板厚的增加而增加，但在表面为压应力。西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.2焊接残余应力的分布、影响和消除3.焊接残余应力的影响(1)对结构强度与受压件稳定性的影响在构件承受拉伸载荷时，焊接残余内应力将与载荷应力相叠加，从而影响构件的强度。(2)对构件脆性断裂的影响增大了构件的名义应力，加上焊接接头区材料韧性的下降和焊接缺陷的产生，都会促使构件在外载不大的情况下发生低应力脆断。(3)对疲劳强度的影响：焊缝区的残余拉应力能提高结构平均拉应力值，使疲劳寿命降低。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.2焊接残余应力的分布、影响和消除3.焊接残余应力的影响(4)对焊件加工精度和尺寸稳定的影响(5)对裂纹扩展的影响评定焊接区裂纹状态时，必须考虑焊接残余应力。在计算裂纹扩展驱动力——应力强度因子KI时，残余应力σr用拉应力的当量值σ3来考虑残余应力对裂纹扩展的贡献，即：σ3=αrσr其中αr和裂纹的类型(穿透裂纹、埋藏裂纹、表面裂纹)及裂纹方向(和熔合线平行的裂纹、和熔合线垂直的裂纹、角焊缝裂纹)有关。西安交通大学能源与动力工程学院4.减少和消除焊接残余应力的措施与方法从设计和焊接工艺两方面减少焊接残余应力(1)设计上减少焊接应力的核心是正确布置焊缝，从而避免应力叠加，降低应力峰值。①尽量减少焊缝数量，减少焊缝尺寸和长度。②焊缝应避免过分集中(图)，有足够距离，要尽可能避免交叉，以免出现三向复杂应力。③焊缝不要布置在高应力区及断面突变的地方，以避免应力集中。④采用刚性较小接头表式。翻边替插入管。西安交通大学能源与动力工程学院4.3焊接应力和变形4.3.2焊接残余应力的分布、影响和消除4.减少和消除焊接残余应力的措施与方法(2)工艺上减小焊接应力的方法①采用合理的焊接顺序和方向。让