k424镍基合金

　　C O 2 焊接

理论部分（3）

　　8.焊接应力和变形知识

　　一、焊接应力和变形产生的原因；焊接应力和变形的形式

　　三、减少焊接残余应力的常用工艺措施和消除残余应力的方法

　　1、减少焊接残余应力常用工艺措施

　　㈠、采用合理的焊接顺序和方向

　　⑴、先焊收缩量较大的焊缝，使焊缝能较长的自由地收缩，以最大限度地减少焊接应力。

　　⑵、先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。

　　⑶、先焊工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。

　　㈡、降低局部刚性 焊接封闭焊缝或刚性较大的焊缝时，采用反变形法来降低结构的局部刚性。

　　㈢、锤击焊缝法 利用锤击焊缝来减小焊接应力的一种有效的方法。当焊缝金属冷却时，由于焊缝的收缩而产生的应力，锤击焊缝区可减少1/2-1/4。锤击时温度应维持在100℃-150℃之间或在400℃以上，避免在200℃-300℃之间进行，此时金属处于兰脆阶段，锤击焊缝易断裂。多层焊时除第一层和最后一层外每层焊缝都要锤击。第一层不锤击是为了避免根部裂纹，最后一层是为了防止锤击而引起的冷作硬化。

　　㈣、预热法 焊接温差越大，残余应力也越大。焊前预热可降低温差和减慢冷却速度，可以减少焊接应力。

　　㈤、加热减应区法 在焊接或焊补刚性很大的焊件时，选择焊件的适当部位，进行加热使之伸长，再进行焊接。这样的焊接残余应力可大大的减小。接个部位叫做减应区。减应区是阻碍焊接区自由收缩的部位，加热了该部位，使它与焊接区近于均匀的冷却和收缩，减小内应力。

　　2、消除残余应力的方法

　　㈠、整体高温回火（消除应力退火） 这个方法是整体将焊接结构加热到一定温度，保持一段时间，再冷却。同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力就消除的越彻底。通过整体高温回火可以将80%-90%的残余应力消除。

　　㈡、局部高温回火 只对焊缝及附近的局部区域进行加热以消除应力。消除压力的效果不如整体回火。

　　㈡、 弯曲试验 弯曲试验也叫冷弯试验，是测定焊接接头弯曲时塑性的一种试验方法，也是检验表面质量的一个方法。同时还可以反映出焊接接头各区域的塑性差别；考核焊合区的熔合质量和暴露焊接缺陷。弯曲试验分正弯、背弯和侧弯三种。

　　㈢、硬度试验 硬度试验测定焊接接头各部分（焊缝金属、焊件及热影响区等）的硬度。间接判断材料的焊接性；了解区域偏析和近焊缝区的淬硬倾向。常见硬度为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。

　　㈣、冲击试验 冲击韧性试验是测定焊缝金属或焊件热影响区在受冲击荷载时抵抗折断的能力（韧性），以及脆性转变温度。其缺口形式有U形和V形两种。

　　㈤、疲劳试验 是测定焊接接头或焊缝金属在对称交变载荷作用下的持久强度。试样断裂后，断口有无气孔、裂纹、夹渣或其它缺陷。

　　㈥、压扁试验 是测定管子焊接接头的塑性。

　　2、焊接接头的金相检验

　　是检验焊缝、热影响区、母材的金相组织和内部缺陷。分为宏观检验和微观检验两种。

　　①宏观检验 是在焊接试板上截取试样，经过刨削、打磨、抛光、浸蚀和吹干，用肉眼或低倍放大镜观察，检验焊缝的金属结构、未焊透、夹渣、气孔、裂纹、偏析等

　　②微观检验 是将试样的金属磨片放在显微镜下观察检验金属的显微组织和缺陷。必要时可以把金相组织通过照相制成金相相片。

　　3、焊缝金属的化学分析

　　是检验焊缝金属的化学成分。通常用直径6mm的钻头从焊缝中或堆焊层上钻取50g-60g。碳钢焊缝分析的元素有碳、锰、硅、硫、磷；合金钢或不锈钢有时需分析铬、钼、钒、铁、镍、铝、铜等；必要时还要分析氢、氧、氮的含量。

　　4、腐蚀实验 是确定在给定条件下金属抵抗腐蚀的性能，估计使用寿命，分析引起腐蚀的原因，找出防止或延缓腐蚀的方法。接头的腐蚀试验一般用于不锈钢焊件。焊缝接头的腐蚀破坏可分为：晶粒间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、大气腐蚀和高温腐蚀试验等。

　　5、焊接性实验

　　评定母材焊接性的试验叫焊接性实验。如焊接裂纹、接头力学性能和接头腐蚀试验等。焊件裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，用的最多的是焊接裂纹试验。

　　通过焊接性试验用最小的代价达到以下三个目的：

　　①选择适用作母材的焊接材料；②确定合适的焊接工艺参数，包括焊接电流、焊接速度以及预热温度、层间温度、层间保温、焊后缓冷及热处理方面的要求；③研发和发展新型材料。

　　二、焊接接头非破坏性检验的方法

　　非破坏性检验又称无损检验，在不破坏被检查材料或成品的性能、完整性的条件下进行检测缺陷的方法。

　　1、外观检查

　　外观检查是用肉眼或不超过30倍放大镜对焊件进行检查，判断焊接接头外表面的质量。它能测定 焊缝的外形尺寸和鉴定焊缝有无外气孔、咬边、焊瘤、裂纹等表面缺陷，是一种最简单而不可缺少的检查手段。

　　2、密封性检验

　　检查有无漏水、漏气和漏油等现象的试验。

　　㈠、气密性试验 检查时，在容器内部通一定压力的压缩空气（低压），在焊缝表面涂刷肥皂液观察是否出现肥皂泡，不出现为合格。

　　㈡、煤油渗透检验 对于低压薄壁容器可采用煤油渗透来检验焊缝的密封性。检查时在焊缝一面涂上白垩粉水溶液，待干燥后在另一面涂上煤油，焊缝有穿透性缺陷时，干燥的白垩粉面会形成明显的油斑或带条。

　　3、耐压检验

　　将水、油或气等充入容器内徐徐加压，检查其泄露、耐压、破坏等的试验叫耐压检验。耐压检验可以检查受压元件中焊接接头穿透性缺陷和结构的强度，并附有降低焊接应力的作用。

　　㈠、水压试验 密封式容器水压试验是用水泵把容器内水压提高到技术文件规定的工作压力的1.25-1.5倍，在此时间持续一段时间（一般为20min），再把压力降到工作压力此时检验人员用1Kg-1.5Kg左右的圆头小锤轻轻敲打，无渗水现象认为产品合格。试验时要注意：升压前要排尽容器内的空气，试验水温碳钢构件不低于5℃，其他合金钢结构件不低于15℃。

　　㈡、气压试验 气压试验用于检查贮存气体的压力容器和输送气体的导管，不用于强度试验。气压试验一般都在水压试验之后进行。

　　检查时将压缩空气通入容器或导管内，用肥皂水检查焊缝是否漏气，对于小容器可将其沉入水中检查是否漏气。

　　4、渗透探伤 渗透探伤是利用带有荧光染料或红色染料的渗透剂的渗透作用，显示缺陷痕迹的无损检验法。

　　㈠、荧光法 用于探测某些非铁磁性材料表面和近表面缺陷的一种探伤方法，适用于小型零件 。其原理是利用渗透矿物油的氧化镁粉，在紫外线的照射下，能发出黄绿色荧光的特性，使缺陷线路出来。

　　㈡、着色法 原理与荧光检验相似，不同的是着色检验是用着色剂来取代荧光粉而显示缺陷。适合于大型非磁铁性材料的表面缺陷。灵敏度较荧光检验高。

　　2、磁粉探伤 其原理是，将被检的铁磁工件放在较强的磁场中，磁力线通过工件时，形成封闭的磁力线。由于磁铁性材料的导磁能力很强，如果工件表面或近表面有裂纹、夹渣等缺陷存在时，将阻碍磁力线的通过，磁力线不但会在工件内部产生弯曲，而且会有一部分磁力线绕过缺陷而暴露在空气中，产生磁漏现象，这个漏磁场能吸引磁铁粉，把磁铁粉集成与缺陷形状和长度相近似的迹象，其中，磁力线若垂直于裂纹时，显示最清楚。

　　按磁粉分类，磁粉探伤有干法和湿法两种。

　　磁粉探伤最适合于薄壁工件，导管。它能很好的发现表面裂纹，一定深度和一定大小的未焊透，但难以发现气孔、夹渣和隐藏较深处的缺陷。

　　经磁粉探伤过的工件有剩磁存在，必须采取磁措施。

　　6、超声波检测 金属探伤的超声波频率在20000HZ以上。超声波传播到两介质的分界面上时，能被反射回来。超声波探伤就利用这一性质来检查焊缝中的缺陷。

　　超声波在介质中的传播速度恒定不变，据此可进行缺陷的定位，同时在金属中可以传播很远（达10m）,故可探测大厚度工件。对检查裂纹等平面型缺陷灵敏度很高。

　　超声波检验灵活方便，成本低、效率高，对人体无害，但判断缺陷类型和定位的准确性较差。如能与射线探伤配合使用（先超声波后射线透视核实），检验效果更好。

　　6、射线探伤 X射线和γ射线能不同程度的透过金属材料，对照相胶片产生感光作用。利用这种性能，当射线通过被检测的焊缝时，因焊缝内的缺陷对射线的吸收能力不同，使射线落在胶片上的强度不一样，胶片感光程度不一样，这样就能准确、可靠、非破坏性的显示缺陷形状。位置和大小。

　　X射线透照时间短，速度快。被检测厚度小于30mm时，显示缺陷灵敏度高，但设备复杂，费用高，穿透能力比γ射线小。

　　γ射线能透照300mm厚的钢板，透照时不能要电源，方便野外工作，环缝时可一次曝光，但透照时间长，不宜小于50mm构件的透视。

　　高频焊管

　　环缝埋弧焊

　　四、焊接接头的理化试验方法

　　1、焊接接头的金相实验法

　　晶相检查的主要内容是：检查焊缝的中心、过热区或淬火区的金相组织；检查焊缝金属枝状偏析、层状偏析和区域偏析；不同组织特征区域的组织结构；一类接头熔合线两侧组织和性能的变化；不锈钢焊缝中铁素体的含量。

　　㈠、宏观金相试验

　　⑴、宏观检验 管件金相试样应沿试件的长度方向切取，管接头试样应沿试件纵向切取并通过试件中心线。试样应包括焊缝金属、热影响区和母材金属。

　　试样磨光浸蚀后用肉眼或低倍放大镜检查。以管板为试件应符合下列要求：

　　①没有裂纹和未熔合；

　　②骑坐试管板试件未焊透的深度不大于15%δ（氩弧焊打底的试件不允许未焊透）；插入式管板试件在接头根部熔深不小于0.5mm；

　　③气孔或夹渣的最大尺寸不超过1.5mm；且大于0.5mm小于1.5mm的数量不多于1个，当只有小于或等于0.5mm的气孔或夹渣时其数量不多于3个。

　　⑵、断口检验 焊缝的断口检查方法简单、迅速、易行，不需要特殊仪器、设备，所以生产中和安装现场都广泛的采用。检查时为保证焊缝纵剖面处断开，可先在焊缝表面沿焊波方向加工一断面形状为300的V形沟槽，槽深约为焊缝厚度的1/3，然后用拉刀机或锤子将试样折断。在折断面上用肉眼或5-10倍放大镜观察焊缝金属的内部缺陷，如气孔、夹渣、未焊透和裂纹等。还可判断断口是韧性破坏还是脆性破坏。折断时切忌反复弯折韧性断口，因为断裂前产生的塑性变形将歪曲缺陷的真实情况，当断口位于母材时检验无效要重新取样试验。

　　⑶钻孔检验 对焊缝进行局部钻孔，可检验焊缝内部的气孔、裂纹、夹渣等缺陷。在不便用其他方法检验的产品部位才用钻孔检验，它只能在不得已的情况下偶然使用。

　　㈡、微观金相检验 微观试样可从宏观试样上取。合格标准如下：

　　⑴、淬火硬化 焊缝金属和热影响区内不得有淬硬性马氏体组织。

　　⑵、显微裂纹或过烧 焊缝金属和热影响区内不得有裂纹和过烧组织。

　　③水压试验时 应缓慢升压，使筒体应力趋于均匀。否则易使焊缝等处形成不均，造成形状连续，而导致局部应力迅速增大，对容器的强度造成不利影响。

　　④水压试验时，应安装两只合格的压力表，其量程应是试验应力的1.3-3倍。

　　㈡、气压试验 用压缩空气作为介质的检验叫气压试验。

　　气压试验的压力为：低压容器 Pr=1.20P 中压容器 Pr=1.15P

　　式中Pr—气压试验时的试验压力，MPa； P—容器的工作应力，PMa。

　　气压检验时，要注意以下几点：

　　⑴、受检容器主要焊缝检验前需要经100%射线探伤，检查场地四周要有可靠的安全措施。

　　⑵、试验时，应先缓慢升压至规定试验应力的10%，保持10min然后对所有焊缝进行初步检查。合格后继续升压到规定试验压力的50%，其后按每级为规定试验压力10%的级差逐渐升压到试验压力保持10min-30min，然后再降到设计压力至少保持30min，同时进行检查。

　　⑶气压试验所用气体应为干燥洁净的空气、氮气或其它惰性气体，气体温度不低于15℃。

　　气压试验具有较大的危险性，除设计图纸规定要用气压试验代替水压试验外不得采用气压试验。进行气压试验前要全面复查有关技术文件，要有可靠的安全措施，并经制造安装单位技术负责人和安全部门检查、批准后方可进行。

　　高压容器和超高容器严禁采用气压试验。

　　2、焊接容器的气压试验

　　㈠充气检查 在受到压力容器内部充以一定压力气体，外部根据部位涂上肥皂水，如有气泡出现，说明该处致密性不好，有泄露。

　　㈡沉水检查 将受压元件沉入水中，内部充以压缩空气，检查水中有无气泡产生，如有气泡出现，说明该处致密性不好，有泄露。

　　㈢氨气检查 在受压元件内部充入混有1%氨气的压缩空气，将在5%硝酸汞水溶液中浸过的纸条或绷带贴在焊缝外部（也可贴浸过酚酞试剂的白纸条），如有泄露在纸条或绷带的相应位置会呈现黑色斑点（用酚酞时为红色斑点），这种方法比较准确，效率高，适用于环境温度较低的情况下检查焊缝的致密性。

　　3、密封性试验

　　检查有无漏水、漏气和渗油、漏油等现象的试验，检验方法是煤油试验。方法是：在焊缝一侧涂石灰水，干燥后再与焊缝一侧涂煤油当焊缝有穿透性缺陷时，煤油即渗过去，在石灰粉上出现油斑或带条。

11、异种金属焊接知识

　　一、异种金属焊接的特点

　　1、概述

　　随着现代工业的发展对零部件的性能提出了更高的要求。任何一种金属材料都不可能全面满足使用要求或者即使某种金属比较理想也往往十分稀贵，不能在工程实际中应用。现代焊接技术的发展已经可将不同性能的材料焊接成复合零部件，既能满足各种性能要求又可以节约各种贵重材料降低成本。因此采用焊接方法制造复合零件受的人们广泛的重视。从材料角度看，异种金属焊接主要包括三种情况：异种钢焊接；异种有色金属焊接；钢与有色金属焊接。从接头形式角度来看也有三种：两种不同金属母材的接头；母材金属相同而采用不同的焊缝金属的接头；复合金属板的接头。

　　2、异种金属焊接的特点

　　异种金属之间性能的差别可能很大，焊接异种金属要比焊接同种金属困难的多。对于两种不同金属进行焊接时，将会遇到下述的困难：当两种被焊金属的熔化温度相差很大时其中一种金属已处于熔化状态而另一种金属还处于固态下；当两种金属的导热性能和比热容不同时，会改变焊接时的温度分布，从而改变焊缝的结晶条件；当被焊金属的电磁性能相差很大时，焊缝形成不良；当两种金属的线膨胀系数相差很大时，在焊接过程中产生很大的热应力，且这种热应力无法消除；有许多异种金属组合，如铝与其它金属焊接时会产生熔化温度很高的氧化膜而熔合困难，因为这里不可能采用溶剂；焊接过程中因金相组织变化或产生新的组织而使接头性能不能满足要求等。

　　⑵、电弧焊 铸铁与低碳钢电弧焊时，可用碳钢焊条或铸铁焊条。

　　用碳钢焊条时，可现在铸铁件坡口上用镍基焊条堆焊4mm~5mm隔离层，冷却后再进行装配点焊。焊接时，每焊30mm~40mm后，用锤击焊缝，以消除应力。当焊缝冷却到70 ℃~80 ℃时再继续焊接。对要求不高的焊件可用结422焊条，但易产生热裂纹。若用结506（结507）焊接，可以减少焊缝的热裂倾向。用碳钢焊条焊接，可以得到碳钢组织的焊缝金属，只是在堆焊层有白口组织。

　　当用铸铁焊条时焊接时，可用钢芯石墨型焊条铸208、钢芯铸铁焊条铸100等。用铸208焊条焊接时，焊缝金属是碳钢组织，应在铸铁件上先堆焊一层，然后再与碳钢件点固焊接。焊条焊接时，焊缝金属是碳钢组织，应在铸铁件上先堆焊一层，然后再与碳钢件点固焊接。

　　⑶、钎焊 铸铁与低碳钢钎焊时，用氧——乙炔火焰加热，用黄铜丝作钎料。

　　钎焊的有点是焊件本身不熔化；熔合区不会产生白口组织，接头能达到铸铁的强度，并具有良好的切削加工性能。焊接时热应力小，不易产生裂纹。

　　钎焊的缺点是黄铜丝价格高及铜渗入母材晶界处造成脆性。

　　钎焊的钎剂可用硼砂或硼砂加硼酸的混合物。焊钳坡口要清理赶紧，用氧化焰可以提高钎焊强度及减少锌的政法。为了减少焊接时造成的应力，焊接长焊缝时宜分段施焊。每段以80mm为宜，第一段填满后待温度下降到300 ℃以下时，再焊第二段。

　　四、钢与有色金属的焊接

　　1、钢与铜及铜合金的焊接方法

　　钢和铜在高温时的晶格类型、晶格常熟、原子半径都很接近，这个当然对焊接游离，但熔点、导热系数、膨胀系数等差异较大，给焊接造成一定困难。

　　㈠、焊接性

　　⑴、焊缝热裂纹 一是由于钢和铜的线膨胀系数和热导率相差较大，因此焊接时在街头中产生很大的应力，导致焊缝产生裂纹；二是由于铜及其合金焊接时热裂倾向大，与钢焊接时，随着焊缝中含铜量的增加，产生热裂纹的倾向也加大。随着铁含量的增加，焊缝的抗热裂性能提高。当铁含量为10%~43%时，焊缝抗热裂性能最高，进一步提高含铁量时，抗热裂性能却迅速下降。

　　3、钢与镍及其合金的焊接

　　镍及其镍合金的强度、塑性、耐热性及耐蚀性优良，抗应力腐蚀更佳，广泛用于石油、化工及核能工程。镍与铁的物理及化学性能差别不大，有利于焊接，但容易产生气孔及热裂纹等焊接缺陷。

　　㈠、钢与镍及其合金的焊接性 焊缝在高温下镍与氧形成NiO，冷却时镍与氢、碳发生反应，镍被还原。生成水蒸气和一氧化碳。在结晶时这些气体容易形成气孔。焊缝金属含镍量多而融入的钢较少时因含碳量减少，气孔倾向变小。锰、钛、铝等元素具有脱氧作用，焊缝金属含铬、锰能提高气体在固态金属中的溶解度，也有利于防止气孔产生。所以镍与不锈钢焊接比镍与碳钢焊接更不容易产生气孔。

　　镍与硫、磷及NiO都形成低熔点共晶，焊缝组织为粗大树枝状结晶，在焊接应力的作用下容易产生热裂纹。锰、铬、钼、铝、钛、铌、镁等，能够细化晶粒并打乱枝晶方向，防止热裂纹。锰、镁能够脱硫，这些也都能防止热裂纹的产生，铝、钛能脱氧，当金属焊缝中ωNi低于30%时，在快速冷却下会产生马氏体组织，塑性、韧性严重降低，因而铁镍焊缝中ωNi 应控制在30%以上。

　　㈡、钢与镍及其合金的焊接工艺 钢与镍及镍基合金焊接时可以采用熔焊和压力焊方法，诸如焊条电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊、点焊、缝焊、爆炸焊等。为保证接头性能良好，只有正确的选用焊接方法、焊接材料及焊接参数，才能保证接头的质量。

　　好的工艺措施对保证钢与镍及镍基合金的焊接接头质量有重要影响。坡口表面和焊缝材料必须清理干净，防止将有害杂质带入焊缝。电弧焊时，纯镍一侧热影响区的组织粗大和碳钢一侧的魏氏组织对接头性能不利，故应采用低的焊接参数，防止过热，降低热裂纹倾向。表2-19及2-20分别列出了手工钨极氩弧焊和机械化钨极氩弧焊的焊接参数。