工程材料及热加工基础 第十一章 焊接

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1、工程材料及热加工基础第十一章 焊接11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础本章本章重点：重点：焊接过程基础理论、金属的可焊性，各种焊接工艺的特点、应用，常用金属材料焊接方法的选择。11.3 11.3 常用金属材料的焊接常用金属材料的焊接11.2 11.2 常用的焊接方法常用的焊接方法 11.5 11.5 焊接新技术焊接新技术11.411.4焊接结构工艺性焊接结构工艺性n熔化焊 气焊、电弧焊、电渣焊等；n压力焊 电阻焊、冷压焊；n钎焊 软钎焊、硬钎焊。焊接 通过加热或加压，使焊件达到原子结合的一种加工方法。焊接的种类：概概 述述焊接的特点与应用 重量轻，节约金属,与铆接相比，可节 省

2、金属l0%20%，与铸件相比可节省 30%50%。另外，采用焊接方法可 制造双金属结构，节省大量的贵重金 属及合金。 简化大型或复杂结构的制造，如万吨 水压机的立柱的制造、大型锅炉的制 造、汽车车身的制造等。优点：概概 述述焊接的特点与应用 焊接接头力学性能高，能耐高温高压 、能耐低温，具有良好的密封性、导 电性、耐腐蚀性、耐磨性。 适应性广 易于实现机械化和自动化优点：概概 述述焊接的特点与应用l结构不可拆卸l焊接接头的组织、性能不均匀l产生残余应力和变形l易产生焊接缺陷（气孔、裂纹、夹渣）缺点：概概 述述应用：l金属结构件自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆等；l机器部件轴

3、、齿轮、刀具等。概概 述述11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础焊接冶金过程和电焊条焊接冶金过程和电焊条 焊接接头的组织和性能焊接接头的组织和性能 焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接电弧与弧焊机焊接电弧与弧焊机焊接缺陷和质量检验焊接缺陷和质量检验电弧是两电极之间持久而强烈的气体放电现象，其宏观表现是发出强光，释放大量热量。电弧焊是利用电弧作为热源使分离的焊件金属局 部加热熔化，形成熔池，凝固后焊件彼此焊合在 一起的焊接方法。 11.1.1 11.1.1 焊接电弧焊接电弧11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础1.电弧的引燃两电极接触 短路而产生高温 金属熔化 金

4、属蒸气两电极间距离(24mm) 阴极金属表面发射大量电子阳极表面金属在电场、高温作用下发生电离弧柱区，高速运动的电子与原子、分子间相互碰撞产生大 量热量并导致原子分子的电离。同时部分离子与电子间还会复 合成原子或分子，并放出光。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础阴极区为电子发射区；阳极区为正离子区，并接受电子；弧柱区为气体电离区。电弧的温度阴极区 2100 ，弧柱 57007700 ，阳极区 2300 气体电离 电极发射电子电弧区热量阳极占43%,阴极区占36%, 弧柱区占21%。正接法: 工件接正 极, 焊条接负极11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础2.电弧

5、各区域电压低、电流大、温度高、能量密度大。电压低、电流大、温度高、能量密度大。当电极材料都为钢时，阳极温度为2600K，阴极温度为2400K，弧柱温度为60008000K。正因为两极温度不同，可以利用不同的接法来调整对工件的加热。当焊接厚板或要求熔深较大时，工件接正极，焊条接负极正接法。反之采用反接法。电弧放电的特点11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础0 30 60 90 120 150 180 210I / A6050403020100U / V普通 电阻5mm 电弧2mm 电弧 非线性； 与电离程度有关； 与电弧长度有关。

6、3.焊接电弧的静特性11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础4. 焊接电源 空载电压(5090V)； 限制短路电流； 保证电弧稳定。 交流 酸性焊条 直流 碱性焊条 交直流 多种类焊条种类:11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础11.1.2 焊接冶金过程11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础1.1.焊接的冶金过程焊接的冶金过程电弧焊时，工件和焊条受到高温电弧作用而电弧焊时，工件和焊条受到高温电弧作用而熔化形成熔池，熔池中的液体金属与周围的熔熔化形成熔池，熔池中的液体金属与周围的熔渣及空气接触，产生复杂、激烈的化学反应称渣及空气接触，产生复杂、激烈的化学反

7、应称为冶金过程。焊缝的形成，实质是一次金属的为冶金过程。焊缝的形成，实质是一次金属的再熔炼过程。再熔炼过程。11.1.2 焊接冶金过程O2 2O 发生氧化反应，焊缝性能降低； N2 2N 高温熔入液态金属，冷却后形成气孔; H2O 2H+O 形成气孔，产生氢脆。空气中的O2、N2、H2O在电弧的作用下：11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础2 .焊接冶金特点11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础(1)(1)熔池温度高，金属强烈的烧损和蒸发。同时熔池温度高，金属强烈的烧损和蒸发。同时 周围又被冷金属包围，常使焊件产生应力、变周围又被冷金属包围，常使焊件产生应力、变形和

8、开裂。形和开裂。(2)(2)金属的熔池体积很小（约金属的熔池体积很小（约23cm23cm3 3）周围是冷）周围是冷金属，所以熔池处于液态的时间很短（金属，所以熔池处于液态的时间很短（10s10s左左右）右）, ,各种冶金反应进行的不充分。化学成分不各种冶金反应进行的不充分。化学成分不均匀，且气体和杂质来不及浮出，易产生气孔均匀，且气体和杂质来不及浮出，易产生气孔夹杂等缺陷。夹杂等缺陷。11.1.2 焊接冶金过程保证焊缝质量措施：减少有害元素进入熔池消除已进入熔池的有害元素，降低焊缝中氧 、硫、磷的含量，增加金属元素。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础11.1.3 焊接接头的组

9、织和性能1焊缝区（熔化区） 2熔合区（半熔化区） 3热影响区 4母材1 1、低碳钢焊接接头的组成：、低碳钢焊接接头的组成：低碳钢焊接接 头的组织11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础 焊缝的组织和性能铸态组织，性能可以达到要求。熔化焊时，焊缝处于铸态组织，性能可以达到要求。熔化焊时，焊缝处于熔化状态，然后凝固结晶，是一个铸造组织。为粗大的熔化状态，然后凝固结晶，是一个铸造组织。为粗大的柱状晶，成分不均匀、焊缝中心区容易偏析低熔点的含柱状晶，成分不均匀、焊缝中心区容易偏析低熔点的含硫磷的夹杂。虽然焊缝金属为粗大的柱状晶，成分偏析硫磷的夹杂。虽然焊缝金属为粗大的柱状晶，成分偏析，组织

10、不致密，但如果焊接过程中严格控制化学成分，组织不致密，但如果焊接过程中严格控制化学成分，减少碳、硫、磷等杂质的含量和通过渗入有益的合金元减少碳、硫、磷等杂质的含量和通过渗入有益的合金元素素( (如锰、硅如锰、硅) )可使焊缝金属的力学性能不低于母材金属可使焊缝金属的力学性能不低于母材金属。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础 熔合区的组织和性能成分不均匀，组织粗大，机械性能很低。加热温度成分不均匀，组织粗大，机械性能很低。加热温度介于液、固两相线之间，加热时金属处于半熔化状态介于液、固两相线之间，加热时金属处于半熔化状态。其成分不均匀，组织粗大，塑性、韧性极差，是焊。其成分不均

11、匀，组织粗大，塑性、韧性极差，是焊接接头中性能最差的区域。因此尽管熔合区很窄接接头中性能最差的区域。因此尽管熔合区很窄( (仅仅0.1-1mm)0.1-1mm)，但仍在很大程度上决定着焊接接头的性能，但仍在很大程度上决定着焊接接头的性能，是接头裂纹和脆性破坏的发源地。，是接头裂纹和脆性破坏的发源地。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础n过热区（1100 至固相线）：组织粗大，机械性能很低。过热区金属的塑、韧性很低，尤其是冲击韧性较低，是热影响区中性能最差的区域。 热影响区的组织和性能11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础n正火区（Ac31100）：晶粒细小，机械性

12、能高。正火区是焊接热影响区内相当于受到正火热处理的那一部分区域。低碳钢此温度下，母材金属中形成细小的奥氏体组织，冷却后获得细小面均匀的铁素体加珠光体组织。因此正火区的力学性能高于未经正火处理的母材。 热影响区的组织和性能11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础n部分相变区（Ac1Ac3）：晶粒不均匀，机械性能低。该区仅部分组织发生相变，冷却后晶粒大小不均匀，力学性能比母材要差。 热影响区的组织和性能11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础熔合区、过热区是焊接接头中性能最差的薄弱的部位，对焊接接头组织和性能的不利影响最显著，往往是焊接结构破坏的发源地，易产生裂纹和局部脆性

13、破坏。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础2、影响焊接接头性能的因素n焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）直接影响焊缝的成分和性能。n焊接工艺（焊接电流、电压、速度）在保证焊接质量的前提下，采用小电流 、快速焊，可减少热影响区的宽度。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础2、影响焊接接头性能的因素n焊接方法（热源不同、保护效果不同）11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础0.81.22、影响焊接接头性能的因素n焊后热处理（正火后细化晶粒）碳素钢和低合金钢焊后进行正火处理， 可细化接头各区域组织，改善焊接接头 力学性能。11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工

14、程理论基础11.1.4 焊接变形和焊接应力 造成焊件的尺寸、形状变化； 矫正变形会使性能降低，成本增加； 焊接应力会降低承载能力； 引起焊接裂纹； 应力衰减会产生变形。1 1、焊接变形和残余应力的不利影响、焊接变形和残余应力的不利影响11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础2、焊接变形和残余应力产生原因在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热和冷却，会产生焊接应力和变形。下图为平 板对接焊缝的应力和变形过程示意图.11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础3、焊接变形的基本形式11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础3、焊接变形的基本形式11.1 11.1 焊

15、接工程理论基础焊接工程理论基础n焊前预热及焊后热处理；n选择合理的焊接顺序；n锤击焊缝法；n反变形法；n刚性固定法；n采用机械矫正和火焰矫正。 4 4、减少焊接应力与变形的工艺措施减少焊接应力与变形的工艺措施11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础n焊前预热及焊后热处理：是减小焊接应力最有效的措施。焊前将焊件预热到400以下，然后进行焊接。预热的目的是减小焊缝区金属与周围金属的温差，使各部分膨胀与收缩量较均匀，从而减小焊接应力，同时还能使焊接变形减小。4 4、减少焊接应力与变形的工艺措施减少焊接应力与变形的工艺措施11.1 11.1 焊接工程理论基础焊接工程理论基础n焊前预热及焊后热处理：焊后热处理采用去应力退火工艺，可以消除大部分焊接应力，主要通过金属高温时强度下降和蠕变现象松弛焊接应力。一般通过去应力退火可消除焊接应力的80%90%。4 4、减少焊接应力与变形的工艺措施减少焊接应力与变形的工艺措