第4章 焊接 第一节焊接成形基础 第二节焊接方法 ©第三节焊接结构工艺设计 ○第四节焊接技术新发展 返回
第4章 焊接 第一节 焊接成形基础 第二节 焊接方法 第三节 焊接结构工艺设计 第四节 焊接技术新发展 返回
焊接是利用加热或加压（或者加热和加压），使分 离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子 间的结合的连接方法。在机械制造、建筑、车辆、石油 化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。 焊接的特点： 优点： 1)连接性能好，密封性好，承压能力高； 2)省料，重量轻，成本低： 3)加工装配工序简单，生产周期短； 4)易于实现机械化和自动化
焊接是利用加热或加压（或者加热和加压），使分 离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子 间的结合的连接方法。在机械制造、建筑、车辆、石油 化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。 焊接的特点： 优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短； 4）易于实现机械化和自动化
缺点： 1)焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便； 2)焊接接头的组织和性能往往要变坏； 3)要产生焊接残余应力和焊接变形； 4)会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。 焊接方法可分为： 1)熔化焊：利用局部加热的方法，把工件的焊接处加热 到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝，将 两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。 2)压力焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。 3)钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接 头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方 法。 上页
缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）焊接接头的组织和性能往往要变坏； 3）要产生焊接残余应力和焊接变形； 4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。 焊接方法可分为： 1）熔化焊：利用局部加热的方法，把工件的焊接处加热 到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝，将 两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。 2）压力焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。 3）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接 头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方 法
第一节焊接成形基础 一、熔焊的冶金过程 熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔 化状态，形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体 金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶 金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为气焊、电弧 焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等，以下 以电弧焊为例来分析。 〔一)焊接电孤 1、焊接电弧的产生 焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又 稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接
第一节 焊接成形基础 一、熔焊的冶金过程 （一）焊接电弧 熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔 化状态，形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体 金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶 金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为气焊 、电弧 焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等，以下 以电弧焊为例来分析。 1、焊接电弧的产生 焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又 稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接
触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化 甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发 射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、 负离子和电 子构成电弧。 2、焊接电弧的结构 阴极 eoe 电弧由阴极区、阳极区和弧柱 区三部分组成，如图4-1所示。 ⊙⊙， 由®电 1)阴极区：电子发射区，热量约 ⊙⊙ 占36%，平均温度2400K; ⊙⊕⊕ 2)阳极区：受电子轰击区域，热 阳极 量约占43%，平均温度2600K; 3)弧柱区：阴、阳两极间区域， 图4-1电弧的结构示意图 几乎等于电弧长度，热量21%，弧 柱中心温度可达6000-8000K
触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化 甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发 射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电 子构成电弧。 2、焊接电弧的结构 电弧由阴极区、阳极区和弧柱 区三部分组成，如图4-1所示。 1）阴极区：电子发射区，热量约 占36%，平均温度2400K； 2）阳极区：受电子轰击区域，热 量约占43%，平均温度2600K； 3）弧柱区：阴、阳两极间区域， 几乎等于电弧长度，热量21%，弧 柱中心温度可达6000-8000K。 图4-1 电弧的结构示意图
(二)焊接冶金过程 焊接的冶金过程如图4-2所示， 母材、焊条受电弧高温作用熔化 气体 液态熔渣 焊条芯 形成金属熔池，将进行熔化、氧 焊条药皮 化、还原、造渣、精炼及合金化 固态渣壳 等物理、化学过程。 金属与氧的作用对焊接质量 影响最大，氧与多种金属发生氧 化反应： 工件焊缝熔池金属熔滴 Fe+0->FeO 图4-2焊条电弧焊过程 王王王王王王 Mn+O>MnO Si+20→SiO, 2Cr+3O→Cr,O3 2Al+3O→>Al,O
（二）焊接冶金过程 焊接的冶金过程如图4-2所示, 母材、焊条受电弧高温作用熔化 形成金属熔池，将进行熔化、氧 化、还原、造渣、精炼及合金化 等物理、化学过程。 金属与氧的作用对焊接质量 影响最大，氧与多种金属发生氧 化反应： 图4-2 焊条电弧焊过程 Fe O FeO MnO MnO Si 2O SiO2 2Cr 3O Cr2 O3 2Al 3O Al2 O3
能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁)，冷凝 时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图3-3所 示；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态 金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。 氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺 陷处造成氢脆。 其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却 结晶时，氯溶解度下降，如图3-4所示；析出的氯在焊缝 工王王王王王 中形成气孔，部分还以针状氮化物(FeN)形式析出；焊 缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性 剧烈下降
能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝 时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图3-3所 示；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态 金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。 氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺 陷处造成氢脆。 其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却 结晶时，氮溶解度下降，如图3-4所示；析出的氮在焊缝 中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe4 N）形式析出；焊 缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性 剧烈下降
焊缝的治金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点： 1)金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充 分 2)熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度 快，易产生应力和变形，甚至开裂。 为保证焊缝质量，可从两方面采取措施： 1)减少有害元素进入熔池。主要采用机械保护，如焊条 药皮、埋弧焊焊剂、和气体保护焊的保护气体(C02,氩气) 等)。 2)清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条 药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去疏、渗合金等
焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点： 1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充 分； 2）熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度 快，易产生应力和变形，甚至开裂。 为保证焊缝质量，可从两方面采取措施： 1）减少有害元素进入熔池。主要采用机械保护，如焊条 药皮、埋弧焊焊剂、和气体保护焊的保护气体（CO2 ,氩气） 等）。 2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条 药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等
(三)焊接热循环 焊接热循环：在焊接加热和 T,℃ 冷却过程中，焊接接头上某点的 温度随时间变化的过程如图4-5所 13 示。不同点，其热循环不同，即 24 Tar 最高加热温度、加热速度和冷却 1100 速度均不同。对焊接质量起重要 800 影响的参数有：最高加热温度、 在过热温度1100℃以上停留时间 和冷却速度等。其特点是加热和 冷却速度都很快。对易淬火钢， t,S 焊后发生空冷淬火，对其他材料， 易产生焊接变形、应力及裂纹。 图4-5焊接热循环曲线
（三）焊接热循环 焊接热循环：在焊接加热和 冷却过程中，焊接接头上某点的 温度随时间变化的过程如图4-5所 示。不同点，其热循环不同，即 最高加热温度、加热速度和冷却 速度均不同。对焊接质量起重要 影响的参数有：最高加热温度、 在过热温度11000C以上停留时间 和冷却速度等。其特点是加热和 冷却速度都很快。对易淬火钢， 焊后发生空冷淬火，对其他材料， 易产生焊接变形、应力及裂纹。 图4-5焊接热循环曲线
熔合区 (四)焊接接头组织和性能 T/℃ 1500 以低碳钢为例，说 1300 明焊接过程造成金属组 过热区 -1100 织和性能的变化。如图 正火以 900 4-6所示，受焊接热循环 部分相变区 700 的影响，焊缝附近的母 再结晶区 500 材组织或性能发生变化 的区域，叫焊接热影响 区，熔化焊焊缝和母材 0.772.11/% 的交界线叫熔合线，熔 合线两侧有一个很窄的 焊缝与热影响区的过渡 塑性 区，叫熔合区。焊接接 熔合区 距离 头由焊缝区、熔合区和 焊缝 热影响区 母材 热影响区组成。 图4-6低碳钢焊接接头的组织变化
以低碳钢为例，说 明焊接过程造成金属组 织和性能的变化。如图 4-6所示，受焊接热循环 的影响，焊缝附近的母 材组织或性能发生变化 的区域，叫焊接热影响 区，熔化焊焊缝和母材 的交界线叫熔合线，熔 合线两侧有一个很窄的 焊缝与热影响区的过渡 区，叫熔合区。焊接接 头由焊缝区、熔合区和 热影响区组成。 图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化 (四）焊接接头组织和性能