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1、 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。主要用于金属材料及金属结构的连接，亦用于塑料及 其它非金属材料的连接。在机械制造、建筑、车辆、石油化工、原子能、航空 航天等部门广泛运用。第十章 熔焊工艺因此焊接技术主要围绕着克服焊接中两类困难而展开 ：第一为距离的困难，除钎焊以外任何一种焊接技术， 都设法使分离的被焊材料达到分子间距离，使其产生强大 的分子间结合力。 第二是克服被焊件表面污染和氧化层的困难，表面污 染和氧化层阻碍了被焊材料达到分子间距离从而产生分子 间结合力，而焊接技术的一个重要任务就是设法消除表面 污染和氧
2、化层，使材料顺利达到分子间距离。围绕着克服 这两类困难，派生出许多焊接方法。根据焊接过程的特点 ，可以把常用的焊接方法归纳如下：常用焊接方法6熔化焊压力焊钎 焊气焊电弧焊电渣焊 电子束焊 激光焊焊条电弧焊 气体保护焊 埋弧焊氩弧焊 CO2气体保护焊电阻焊摩擦焊 扩散焊 高频焊点焊 缝焊 对焊烙铁钎焊 火焰钎焊 炉中钎焊 特点： （1）焊接结构重量轻，节省金属材料。例如：与金属铆 接相比，可节省金属10%-20%以上。 （2）焊接接头具有良好的力学性能，能耐高温、高压， 具有良好的密封性、导电性、耐腐蚀性、耐磨性。 （3）可以将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊 ，简化大型或形状复杂结构零件
3、的制造工艺。例如：大型 压力机机身的制造。 （4）加工装配工序简单，生产周期短；易于实现机械化 和自动化。 （5）可实现不同材料间的连接成形，优化设计，节省贵 重金属。 （6）焊接接头不可拆卸，更换零部件不方便；焊接接头 的组织和性能往往要变坏；焊接时容易产生残余应力和焊 接变形；焊缝易出现裂纹，夹渣、气孔等缺陷，从而导致 焊接件承载能力降低甚至脆断。另外对某些材料的焊接存 在一定的困难。10.1 熔焊原理及过程一、熔焊的本质及特 点： 熔化焊的本质是小熔 池熔炼与铸造，是金 属熔化与结晶的过程 。 熔池存在时间短，温 度高；冶金过程进行 不充分，氧化严重； 热影响区大。 冷却速度快，结晶后
4、易生成粗大的柱状晶二、熔化焊的三要素1. 热源 热源的能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小 热影响区。满足要求的热源有：（1）电弧热 利用气体介质中放电过程所产生的热能作为 焊接热源，是目前应用最为广泛的一种焊接热源，如焊条电弧焊 、埋弧自动焊等。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，释放大量的热量。电极可以是金属丝、碳棒、焊条 等。电弧的结构如图10-4所示， 其中阴极区为电子发射区；阳极 区为接收电子形成正离子区；弧 柱区是气体电离区。电弧产生的过程是：当 两电极接触时，因短路产生 高温，使接触的金属很快熔 化并产生金属蒸气。当两电 极间距离迅速达到2
5、-4mm时， 阴极表面金属在电场、高温 等作用下发射大量电子；阳极表面的金属在电场、高温作用下发生电离；在弧柱区，高速 运动的电子与原子、分子之间相互碰撞并产生大量的热量并导致 原子、分子的电离。同时部分离子与电子之间还会复合成原子或 分子，并放出光。气体放电不同于金属导 电，其电压和电流的关系不 遵循欧姆定律，而呈现几段 曲线（见图10-3）。阴极区： 电子发射的形式： 热发射：金属表面受热的作用，内部的自由电子的热运动加 剧，当自由电子的动能大于逸出功时，电子飞出金属表面加入 电弧，参与电弧的导电过程。 热发射（对电极有冷却作用） 热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点高的钨或碳做阴极 时
6、，电极可以被加热到比较高的温度，通过热发射可以提供足 够多的电子。 电场发射：当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内部 的电子会受到电场力的作用，如果电场力足够大，电子飞出金 属表面，这种现象称为电场发射。 冷阴极主要是这种发射电子的机理 光发射：金属表面受光能照射，使内部的自由电子冲破表面约 束而产生的电子发射称为光发射。 粒子碰撞发射：焊接电弧中正离子撞击阴极表面，将其动能传 给阴极内部的电子，使其逸出金属表面的发射过程称为碰撞发 射。阳极区 热电离型：当电流密度较大时，阳极温度很高，阳极材料发生 蒸发，中性粒子被热电离形成一个电子和一个离子。 碰撞电离型：当电流较小时，阳极区的热电离不
7、足，阳极前由 于电子数大于正离子数，形成阳极压降，电子在阳极压降的作 用下被加速，碰撞中性粒子产生碰撞电离。 阳极区接受由弧柱来的电子流和向弧柱提供正离子流。受电子 的碰撞，阳极获得较高的能量，从而温度升高。 中性的气体原子和分子受到电场的作用将产生激励或电离。电 子从阴极奔向阳极，与弧柱中的气体粒子产生强烈的碰撞而将 大量的热量释放给弧柱区，所以弧柱具有很高的温度。 例：钢芯焊条作电极时，弧柱区60008000K，阳极区2600K左右 ，阴极区2400K左右。 弧柱区（2）等离子弧 与自由电弧相比，等离子弧 是被压缩的电弧，其弧区的 能量密度集中（105 106 W/cm2），温度高（240
8、00 50000K），挺直度好（见图 10-15）。 利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻焊和电 渣焊。 当特制的电渣由一些金属盐和氧化物组成时，熔融过程中会形成 大量的离子，如果接通电源，正负离子将产生定向移动而导电并 释放热量（见图10-6），使渣池的温度达到20002200K。 采用这种热源所实现的焊接方法，便于实现机械化和自动化，可 获得较高的生产率。 (3)电阻热 (4)化学热 利用可燃气体（氧、乙 炔等）或铝、镁热剂燃 烧时所产生的热量作为 焊接热源，如气焊等。 (5)高频热源 对于有磁性的被焊金属，利用高频感应所产生的二次电流作为热 源，在局部集中加热，实质上也属电
9、阻热。由于这种加热方式热 量高度集中，故可以实现很高的焊接速度，如高频焊管等。 由机械摩擦而产生的热能 作为焊接热源，如摩擦焊 (6)摩擦热 在真空中，利用高压高速 运动的电子猛烈轰击金属 局部表面，使这种动能转 化为热能作为焊接热源， 如电子束焊。 (7)电子束电子束的穿透能力强，可一次焊接厚度200mm钢板 (8)激光束 通过受激辐射而使放射增强的单色光子流，即激光，它经过聚 焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源。 激光单波长和单色性，方向性强，能量密度高（105 1013 W/ cm2），金属瞬间可熔化或气化。但穿透能力差，熔池浅，只能 用来焊接微小件和薄壁件。 每种热源都有其本身 的
10、特点，目前在生产 上均有不同程度的应 用。与此同时，还在 大力开发新的焊接热 源。2. 熔池的保护 熔池金属在高温下与空气作用会产生诸多不良反应，形成了 气孔、夹杂等缺陷，影响焊缝质量。熔池的保护是采用熔渣、惰 性气体、真空等保护措施，将熔池与大气隔离，防止熔池氧化， 并可脱氧、脱硫、脱磷，以改善其性能。(1) 熔渣保护为了使熔渣与空气隔绝，可在熔池上覆盖一层熔渣，以防 止金属氧化、吸气和向熔池过渡合金元素，改善焊缝性能；稳 定电弧，减少散热，提高生产率（如图10-8 所示） 。焊剂：焊剂应保证热源的稳定，硫、磷的含量低，熔点和 粘度合适，脱渣性好，不析出有害气体，不吸湿。熔炼焊剂：主要起保护
11、作用。非熔炼焊剂（烧结焊剂和粘结焊剂）：除了保护作用外，还起 到渗合金、脱氧、去硫等作用。根据其中硅、锰、氟的含量可分为表10-2所示的几种类型，用 “焊剂”的拼音首写字母“H”和“J”表示。用于保护熔池的气体应是在高 温下不分解的惰性气体（如氩气） 或低氧化性的、不溶于液态金属的 气体（如CO2），也可以用混合气体 。保护气体还应能稳定热源，密度 比空气大，以便排开空气，在熔池 上方形成气罩。电渣除应有焊剂的基本性能外，还应有合适的电导率、高的蒸发 温度。SiO2含量越高，电导率越低；钙和其它元素的氟化物和钛的 氧化物使渣的电导率增大，粘度减小。（2）气体保护CO2气体 CO2为无色无味气体
12、，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定， 但在高温下易分解。 CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊 接熔池和电弧方面，效果良好。 但CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为CO和O2：CO2 CO + O2 所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。氩气 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生 化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其 纯度可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否 则就会影响焊缝质量。图10-
13、10 渣-气联合保护利用渣气联合保护可获得良好的 熔池保护效果，其具体起保护作用 的有焊条的药皮和二氧化碳加药芯（3）渣-气联合保护酸性药皮与碱性药皮两者的性质 酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差。 碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高。 碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以提高焊缝金属 的抗裂性。 药皮中含有造气剂和造渣剂，涂 敷在焊条外。还含有稳弧剂、合金 剂、脱氧剂、脱硫剂和去氢剂，也 含有粘结剂和增塑剂。 药皮的原料有矿石、铁合金、有机物和化工产品四类。按比例配成 二氧化碳加药芯 药芯是空心金属筒中心包裹有与药皮成分相同的粉剂，可实现 渣-气联合保护。优点有： 由于
14、药芯成分改变了纯CO2电弧气氛的物理、化学性质，因而飞 溅少，飞溅颗粒细，容易清除。熔池表面覆盖有熔渣，焊缝成 形类似手弧焊，比单一CO2气体保护时的形状更美观。 与单一的药皮保护相比，CO2加药芯保护下电弧的热效率高，熔 深大，因而生产率高，填充金属少。 调整药芯的成分可焊接不同的钢材，抗气孔能力比单一CO2气体 保护强。 碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和 CO气孔。 碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（HF等），因而应 注意通风。3. 焊缝填充金属 常用的填充金属焊条钢芯及焊丝为：碳素钢丝、合金钢丝、和不 锈钢丝，其牌号、材料及焊接结构材料如表10-5、10-6所
15、示。 其中：H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表碳的质量分数的 万分之几；A为高级优质钢；E代表特级优质钢。 即焊芯与焊丝。保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并 达到力学性能和其它性能的要求。 当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能填满焊缝，这时，必须外加焊 丝补充。填充金属一方面保证填满焊缝，另一方面可向焊缝过渡 有益的合金元素，如锰、硅、钼等，以弥补金属的烧损，并且调 整焊缝金属的化学成分，满足性能要求。 对于低合金焊件，为了提高焊缝的性能，使焊缝与母材强度相等 ，仅靠焊剂、药皮过渡合金元素是不够的，必须用合金焊丝和焊 芯（填充金属）过渡合金元素。10.2 焊接接头的组织与性能1.焊接的热循
16、环在焊接加热和冷却的过程中，焊缝及其附近的母材上某点的 温度随时间变化的过程叫做焊接热循环。在焊接过程中，焊缝区金属经历了熔化、结晶过程；焊缝附 近的金属则在固态下经历了由常温加热到较高温度，然后冷却到 室温。焊缝周围的各点金属与焊缝中心的距离不同，因此焊接过程 中各点被加热的最高温度不同，而且由于热传导需要一定的时间 ，所以各点达到最高温度的时间也不同，各点冷却速度也不同。 焊接过程结束以后，熔池凝固形成焊缝，同时焊缝附近的一部 分金属由于受到较高温度的作用，组织和性能与原材料相比会 发生变化。焊缝附近组织、性能发生变化的区域称为焊接热影 响区，焊缝与热影响区之间的过渡区域称为熔合区。 焊接接头：由焊缝、熔合区和热影响区组成。焊接时焊件横截面上各点的温 度变化情况如图10-11所示。由于焊接接头区在不同的 加热、冷却作
