《機械理論知識回憶錄》:焊前焊後處理工作

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——正達教育榮譽出品

由於低碳鋼是焊接性最好的鋼種,所以各種焊接方法都在低碳鋼焊接中得到應用。如手工電弧焊、埋弧焊、二氧化碳氣體保護焊、電渣焊、氣焊、電阻焊、氬弧焊、釺焊等。其中常用的是手工電弧焊、二氧化碳氣體保護焊、氬弧焊、埋弧焊等。

1、焊前準備

1)焊條烘乾

焊前對焊接接頭烘乾的目的是去除受潮焊條中的水分,減少熔池和焊縫中的氫,以防止產生氣孔和冷裂紋。

2)焊前清理

焊前對接頭坡口及附近(約20mm內)的表面的油、鏽、漆和水分等進行清除。特別是用鹼性焊條時,清理要求嚴格徹底,否則極易產生氣孔和延遲裂紋。酸性焊條則對鏽不是很敏感,若鏽的較輕,而且對焊縫質量要求不高時,可以不清除。

2、焊接工藝參數

1焊接材料的選用

採用手工電弧焊焊接低碳鋼時大多使用E43XX系列的焊條,它的熔敷金屬抗拉強度不小於420N/mm2(43kgf/ mm2),在力學性能與母材恰好相匹配。當焊接重要的或裂紋敏感性比較大的結構時,常採用低氫型的鹼性焊條,如E4316、E4315、E5015、E5016等,因為這類焊條具有較好的抗裂性能和力學性能,其韌性和抗時效性也很好。但這類焊條的工藝性比較差,對油、鏽、水分很敏感,焊前需要在350~400℃下烘乾1~2h,並需對接頭坡口作徹底清理。所以對於一般的焊接結構使用酸性焊條即可,如E4301、E4303、E4313、E4320等,這些焊條的缺點是氣體、雜質較高,焊縫金屬的塑性、韌性及抗裂性不及鹼性焊條,但一般都能滿足使用要求。

低碳鋼焊條選用

並且,對於同一個強度等級的低碳鋼,由於產品結構的差別,所選用的焊條也不同。例如,隨著板厚增加,接頭的冷卻速度加快,促使焊縫金屬硬化,接頭內殘餘應力增大,就需要選用抗裂性能好的焊條,如低氫型焊條;厚板為了焊透,就必須開坡口,使焊縫的填充金屬增加,為了提高生產率,可以選用鐵粉焊條。

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不同板厚的低碳鋼所選用的焊條

同樣板厚的對接接頭與T形接頭的散熱條件各不相同,後者的角焊縫冷卻速度快,需考慮抗裂問題,隨著焊腳尺寸的增加,填充金屬量以平方數增加。列出了不同焊腳尺寸所選用的焊條。

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另外焊條直徑的大小對焊接質量和生產效率影響也很大。一般情況在保證焊接質量的前提下,儘可能選用大直徑焊條以提高生產率。從焊接質量來選焊條,則需考慮:焊件的厚度、接頭形式、焊接位置、焊道層次和允許的線能量等因素。

焊條直徑的選擇

帶坡口多層焊接頭,第一層焊縫應選用小直徑的焊條,這樣在接頭部位容易操作,有利於控制熔透和焊波形狀,第二層以後的焊道可選用大直徑的焊條來加大熔深和提高熔敷效率。

在橫焊、立焊和仰焊時,由於重力作用,熔化金屬從接頭流出,應選用小直徑焊條,因為小的焊接熔池便於控制。在"船形"位置上焊接角焊縫時,焊條直徑不能大於角焊縫尺寸。

焊接電流

焊接電流是手工電弧焊的主要參數,它直接影響焊接質量和生產效率。總的原則是保證焊接質量的前提下,儘量用較大的焊接電流以提高生產效率。確定焊接電流大小是主要是根據焊條直徑和焊接位置來確定。一般低碳鋼焊接是根據焊條直徑來確定焊接電流。

I=k.d

式中 I——焊接電流(A);

d——焊條直徑(mm);

K——經驗係數,可按表來確定:

不同直徑的經驗係數

根據上面經驗公式計算出的焊接電流,只是大概的參考數值,在實際使用時還應根據具體情況而定。例如板厚較大時,或T形接頭、搭接接頭時,施焊溫度低時,均因導熱快,焊接電流必成大些;立焊、橫焊、仰焊時,為防止熔化金屬從熔池中流淌,須減小熔池面積以便控制焊縫成形,須採用較小的焊接電流,一般比平焊位置小10%~20%。焊接不鏽鋼時為了減少焊條發紅,焊接電流應小一些。下表是某大型集裝箱船艙口圍裝手工電弧焊焊接的工藝參數。

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手工電弧焊時,酸性焊條用交流電焊接;低氫鉀型焊條可用交流電焊接也可用直流電反接焊接,酸性焊條用直流電源時,厚板應採用直流正接法,此時焊件溫度高,焊縫熔深大,焊薄板時採用直流反接為好。當使用低氫鈉焊條時,必須使用直流反接法焊接。

中厚板焊接時為保證焊透,需要對母材開坡口,焊接時採用多層焊或多層多道焊,這樣有利於提高焊接接頭的塑性和韌性。在進行多層多道焊焊時,前一層焊道對後一層焊道起預熱作用,而後一層焊道對前一層焊道起熱處理作用,能細化晶粒,提高焊縫金屬的塑性和韌性。每層的焊道厚度不應大於4~5mm,如果每層的焊縫太厚,會使焊縫金屬組織晶粒變粗,力學性能降低。

焊後殘餘應力的消除方法

消除焊接殘餘應力的方法有:熱處理、錘擊、振動法和預載法等。

(1)熱處理消除法

焊後熱處理是一種消除焊接殘餘應力常用的方法。工程上我們主要用退火處理,退火溫度越高、保溫時間越長,消除焊接殘餘應力的效果就越好。但是溫度過高,使工件表面氧化比較嚴重,組織可能發生轉變,影響工件的使用性能,存在弊端。蠕變應力鬆弛理論為熱處理消除焊接殘餘應力提供了另一條思路,工件在較低溫度時會發生蠕變,材料內部的殘餘應力會因應力鬆弛而得到釋放,只要保溫時間足夠長,理論上殘餘應力可完全消除。在低溫消除焊接殘餘應力時,材料的組織和性能變化甚微,幾乎不影響材料的使用性能,而且低溫處理材料表面的氧化和脫碳也比較小,這就可以在材料的力學性能和組織基本不變的情況下達到降低材料焊接殘餘應力的目的。

(2)錘擊消除法

焊後採用帶小圓頭面的手錘錘擊焊縫及近縫區,使焊縫及近縫區的金屬得到延展變形,用來補償或抵消焊接時所產生的壓縮塑性變形,使焊接殘餘應力降低。

錘擊時要掌握好打擊力量,保持均勻、適度,避免因打擊力量過大造成加工硬化或將焊縫錘裂。另外,焊後要及時錘擊,除打底層不宜採用錘擊外,其餘焊完每一層或每一道都要進行錘擊。錘擊鑄鐵時要避開石墨膨脹溫度。

(3)振動消除法

振動消除法是利用由偏心輪和變速馬達組成的激振器,使焊接結構發生共振所產生的循環應力來降低內應力的。

如截面為30mm×50mm一側堆焊的試件,經過σmax=128N/mm2和σmin=5.6N/mm2多次應力循環後,殘餘應力的變化情況。當變載荷達到一定數值,經過多次循環加載後,焊接結構中的殘餘應力逐漸降低。

這種方法所用的設備簡單,處理成本低,時間比較短,沒有高溫回火給金屬表面造成的氧化問題,目前在施工中廣泛使用。

(4)預載消除法

殘餘應力也可採用機械拉伸法(預載法)來消除或調整,例如對壓力容器可以採用水壓試驗,也可以在焊縫兩側局部加熱到200℃,造成一個溫度場,使焊縫區得到拉伸,以減小和消除焊接殘餘應力。焊接殘餘應力的消除和調整應採取合理的焊接順序,先進的焊接工藝,焊接時適當降低焊件的剛度,並在焊件的適當部位局部加熱,使焊縫能比較自由地收縮,在焊接的每一個環節都減小殘餘應力,大大提高材料的使用壽命和性能,在工程施工上具有重要的意義。

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