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1、第三章 焊接,一、 什么是焊接? 焊接实质是用加热、加压或同时加热加压并用或不用填加材料使焊件达到原子或离子结合的一种加工方法。被焊接的可以是非金属，如塑料，用钎焊还可以把金属与非金属连接起来。二、 焊接特点及应用1特点 1) 省工省料(与铆接比)可省料1220%。 2) 能化大为小，拼小为大。 大型结构，复杂零件，用焊接组合结构，焊接可将铸件，锻件连接起来，简化铸锻工艺和设备。 3) 可以制造双金属结构，节省贵重金属。 车刀， 钻头 硬质合金刀片+金刚石膜 4) 生产率高 便于实现机械化，自动化。2 应用 桥梁 大容器 水压机 飞机 汽车 轮船 电子组件。,三 焊接分类(按焊接过程特点)1
2、熔化焊： 局部加热 将焊接接头加热熔化，并形成共同熔池，冷却结晶形成牢固接头，将两工件焊接成整体。2 压力焊： 利用加压力(或同时加热)的方法，使两工件结合面紧密接触在一起，并产生一定的塑性变形或熔化，使他们的原子组成新的结晶，将两工件焊接起来。3 钎焊： 加热时，工件金属不熔化，熔点低的钎料被熔化，后填在工件之间与固态的被焊接金属互相扩散，钎料凝固后，将两工件焊接在一起。,3.1熔化焊基础,3.1.1 熔化焊分类一、焊条焊接法(Shielded Metal Arc Welding -SMAW)1 焊接过程 电弧及焊接区受到焊条药皮(约剂)分解产生的气体及熔渣的保护，使其与大气相隔离。焊条芯受
3、到电弧的加热而熔化，形成溶滴过渡到熔池，与母材熔化金属共同形成焊缝金属。2 特点： 优点：设备简单。接头形式, 焊缝形状, 焊接位置、长度灵活。 缺点：有弧光，劳动条件差，质量不稳，生产率低。,3 应用：单件小批，碳钢，低合金钢，不锈钢，铸铁焊补。适宜板厚3-20。4 药皮的组成与作用,二、钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding -GTAW)钨极氩弧焊：在氩气或氦气等惰性气体保护下，在钨极与母材间引燃电弧进行焊接的方法,也称为TIG (Tungsten Inert Gas)焊。,特点：惰性气体(Inert Gas)保护，能用于铝、镁等非铁合金及各种金属的焊接，能够实现高质
4、量的焊接。生产效率(焊接速度或焊接深度)低。可使用焊丝(但不作为电极)向熔池中填加熔敷金属。TIG焊通过调整续加焊丝的送进速度，能够单独控制熔敷金属量。,三、等离子弧焊接(Plasma Arc welding -PAW)等离子弧焊接法是以TIG焊方法为基础，是利用喷嘴对气体保护的钨极电弧进行拘束，形成更高密度的能量源。依据电弧放电的形态，可以把等离子弧分为两种：转移弧方式: 把母材作为阳极的等离子电弧方式非转移弧方式: 把喷嘴作为阳极的等离子焰流方式。金属的焊接，通常采用图示的等离子电弧方式。,四、气体保护金属极焊接法(GMA -Gas Metal Arc焊接法)使用氩气等惰性气体时，称作MI
5、G (Metal Inert Gas)焊接。使用二CO2气体作为保护气时，称作CO2电弧焊。用氩气与CO2等混合气体作为保护气时称混合气体保护电弧焊。有时也把CO2电弧焊和混合气体保护电弧焊统称作MAG (Metal Active Gas)焊接。所以GMA焊接是MIG焊、CO2焊、MAG焊的统称，在我国通常称作气体保护熔化极电弧焊。,一般利用直流恒压特性电源，铝合金焊接也可以采用直流恒流特性电源，电极接为正极。 MAG焊用于结构钢、低合金钢焊接。在细径焊丝中通以大电流，并采用高速度焊接，是高生产率焊接法。该方法在桥梁、建筑、汽车的焊接中得到很好的应用，并且最适合于机器人化焊接生产。,五、埋弧焊
6、方法(Submerged Arc Welding- SAW焊接法)焊接前在焊接线上堆积颗粒状焊剂，以自动方式向焊剂中送进裸焊丝，在焊剂覆盖状态下引燃电弧进行熔化焊接。埋弧焊的特点: 焊剂是分散的，只用于平焊及横焊位置焊接。电弧被焊剂覆盖着，电弧光受到焊剂的遮挡，烟尘及飞溅较少。焊接以自动焊方式进行，能够利用大电流进行焊接。,使用粗径焊丝，焊接电流可以使用到2000A，具有极高的生产率。埋弧焊作为高生产率的自动焊接方法，广泛应用于造船、桥梁、大型建筑、压力容器等的焊接中。,焊条和局部被焊接金属在电弧高温作用下的再熔炼过程高于一般冶金温度，可以看成是一个冶金过程。1焊接电弧和熔池温度高：造成金属氧
7、化烧损，电弧区气体分解，增大气体活泼性，氧化、氮化（Fe4N、Fe2N）易形成气孔、夹渣等缺陷，降低焊缝的塑性、韧性。水分解成H，熔入熔池，形成“氢脆”2熔池体积小：冷速快，各种化学反应不平衡， 使化学成分不均，气体熔渣不易浮出。形成气孔，夹渣。3熔池金属不断更新：电弧移动，不断有新的熔渣和金属也进入熔池，使焊接冶金过程更复杂。要得到一个合格的焊缝也不是一件容易的事。采取措施：1 保护焊区（药皮，焊药，保护气体等）2 添加合金元素，保护化学成分稳定。（在手工电弧焊中这些保护措施主要靠电焊条实现）,3.1.2 焊接冶金过程特点,1）焊芯：作用：电极、导电、填金属、添加合金元素。焊芯牌号：H08A
8、（E） H-焊 08-平均0.08%C，A-优质 E-高级优质。H08Mn2Si 0.08%C 2%Mn 1%Si 2）药皮：作用；稳弧、保护焊区、添加合金元素。分类： 9种类型16、8交、直流，7、9 直流3）焊条分类结构焊条 不锈钢焊条 堆焊焊条 铸铁焊条 低温钢焊条 耐热钢 镍及镍合金 铜及铜合金 铝及铝合金 特殊用途钢4）牌号 符号+数1+数2 符号-焊条大类 数1-小类 数2-药皮如J422 结构钢焊条，焊缝抗拉强度不低于420Mpa，2型药皮，交直流,3.1.3 焊条特点,1 焊接工件上温度的变化与分布1）距焊缝中心不同，受热最高温度不同。2）各点到达最高温度的时间不同。3）各点均
9、经过冷-热-冷，相当于受到一次不同规范的热处理。因此，必然有相应的组织和性能的变化。2 接头组织与性能的变化 以低碳钢为例 焊缝金属（1）熔化温度在1500以上。（2）形成柱状晶，约与池壁垂直（铸造）药皮渗合金，焊缝中硅，锰合金元素可能高于母材，且药皮保护。焊缝性能一般不低于母材（尤其强度）熔合区 焊缝与母材交界区，局部熔化（半熔化区）组织：铸造组织+受热长大的粗晶。晶粒大小不均，化学成分不均（尤其异种金属），接头中性能最差。,3.1.4 焊接接头的组织与性能,过热区：温度远高于相变温度，晶粒急剧长大。过热组织。性能：塑性韧性 对于易淬硬钢材，危害更大。接头中性能较差正火区：发生重结晶，晶粒细
10、化，正火组织；性能：机械能高部分相变区：组织：部分相变（F、P）晶粒不均（部分F和P重结晶成为较细晶粒，未转变的F长大）性能：稍差热影响区熔合区与HAZ过热区对焊接质量影响最大，应尽量减少其宽度。热影响区大小和组织变化程度决定于焊接方法、焊接规范、接头形式、焊后冷却等因素，在保证焊接质量的前提下，增加焊接速度，减少焊接电流，减少热影响区尺寸。,3. 2 焊接应力与变形3.2.1 内应力及变形基本概念,一、内应力的特点 内应力是指在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力，在物体内部构成平衡的力系。 其主要特点是内应力在弹性体内构成一个平衡力系，即内力和内力矩的总和都为零。,按产生原因分类 有热应力
11、、相变应力和塑变应力。(1)温度应力（热应力）:(2)相变应力(3)塑变应力是指金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起内应力。二、工作应力工作应力是指外力施加给构件的，工作应力的产生与消失与外力有关。当构件有外力时，构件内部即存在工作应力。,三、应力产生机理1. 温度产生内应力 温度差异所引起应力(热应力) 如图。在一个既无外力又无内应力封闭的金属框架，若只对框架中心杆件加热，而两侧杆件保持原始温度，如果无两侧杆件，中心杆件随加热温度的升高而伸长，但由于受到两侧杆件和封闭框架的限制，不能自由伸长，此时中心杆件受压而产生压应力，两侧杆件受到中心杆件的反作用受拉而产生拉应力，压应力和拉应力是在没有外
12、力作用下产生的，压应力和拉应力在框架中互相平衡，构成了内应力。,2. 残余应力 如果加热时产生的内应力大于材料的弹性极限，中间杆件会产生压缩塑性变形，当温度恢复到原始温度，若杆件能自由收缩，中间杆件的长度必然要比原来的短，这个差值就是中心杆件的压缩塑性变形量，若杆件不能自由收缩，中间杆件就会产生内应力，这种内应力是温度均匀后产生在物体中的，故称残余应力。,例1 杆件加热时应力与变形当三个板条处于自由状态，对B板条加热，B独立伸长，板A、C未受热，所以长度无变化。由于三板连在一起，B板条加热伸长，A、C板条阻碍其伸长所以受拉；同时板条B受板条A、C的限制，不能自由伸长而产生压应力。冷却时,第一种
13、，当加热温度不足以使板件产生塑性变形，冷却后板件无应力，也无残余变形。第二种当加热温度较高，中间板条既产生弹性变形，也产生塑性变形，中间板条应力，两侧板条产生应力1/2，冷却时因中间板条产生塑性变形率P，若许可自由收缩，中间板条应缩短P ，两侧板条因无塑性变形，缩回原长。但三个板条是连在一起的，中间板条不能自由缩短，而是带动两侧板条同时缩短e的长度。最后中间板条产生拉应力，两侧板条产生压应力，整个板条产生缩短变形。,例2 板条正中加热(不均匀)时的应力设板条由若干个互不相连窄板条组成，加热平衡时，温度场在板条上呈抛物线，板条上每个截面上的温度曲线分布都不均匀，此时如果把板条分成若干个小板条，使
14、每个小板条自由伸长，其规律为中间伸出最长，像阶梯一样，与温度场分布规律一样见图(b)。实际上板条是整体，不可能单独自由伸长，而是按平截面假设保持平面，产生压应力，两侧产生拉应力，如图(c)所示。,板条正中加热 T-温度场；-板厚，L-板长；B-板宽,冷却时，若板条是互不相连的小窄条，冷却后板条中心区端面将出现凹陷，由于板条是一个整体，中心部位收缩时受到两侧金属的限制，端面只能保持整体缩短，按平截面缩短，如图(d)的x轴线下方虚线所示。最后板条中间部位出现残余拉应力，板条两侧出现残余压应力，整个平板缩短Le长度(残余变形)。加热时的温度越高，金属产生的塑性变形量越大，残余应力也越大。,例3 板条
15、一侧非对称加热时的应力与变形如图中的电阻丝移置板条的一侧加热，假设该板条由若干个互不相连的窄板条组成，加热平衡时，就会出现放置电阻丝端伸出最长，而另一端尺寸几乎不变。实际上板条是整体，电阻丝加热部位不可能单独伸长，而是按平截面假设伸长时保持平面，按内应力构成平衡力系判断，加热时两侧受压，中间受拉，受压的面积等于受拉的面积。平板产生伸长并向左发生弯曲变形见图(b)。冷却时，如果加热温度不能使一侧板条发生压缩塑性变形，冷却后板条不缩短、无变形；如果加热温度较高，板条一侧除产生了弹性变形外，也产生了塑性变形，冷却后，两侧受拉，中间受压并产生缩短并向右的弯曲变形见图(c)。,板条一侧非对称加热,自由变形率 外观变形率 内部变形率,四、变形 在外力或温度等因素的作用下，引起金属物体形状和尺寸发生变化。变形有弹性变形、塑性变形、自由变形和非自由变形(包括外观变形和内部变形)。当外力去除或温度均匀化后变形消失，恢复到原状，这种变形称弹性变形，不能恢复原状变形称塑性变形；如果金属杆件因受热发生相变，引起形状和尺寸变化时，未受到外界任何阻碍而自由的进行，这种变形称自由变形，受到外界阻碍的称非自由变形。,对于绝对刚性约束，外观变形率e=o。也就是； =-T，=-TE对于低碳钢 E=2108 kgf/cm2， =1210-6 -1,
