wwei-材料成形技术(焊接

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1、Jiangsu Polytechnic University,材料成形技术基础,Fundamental of Materials Forming,材料科学与工程系,第十章 熔焊工艺,一、金属的连接方法,二、焊接 焊接技术是指通过物理或化学的手段，使两个相分离的物体 （同种材料或异种材料）产生原子（分子）间的结合而连接 成一体的连接方法。,三、焊接的分类（材料发生结合时的物理状态） 1、熔焊（液相） 电弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子焊等。 2、压焊（固相） 电阻焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊等。 3、钎焊与封焊（固相+液相） 软钎焊、硬钎焊、封焊及粘接等。,四、焊接的特点 1、可将大而复杂的

2、结构分解为小而简单的坯料拼焊。 2、可实现不同材料间的连接成形，优化设计，节省贵 重金属材料。 3、可实现特殊结构的生产。 4、与铆接相比，焊件的质量小。 5、焊件不可拆分，易产生残余应力，引起应力集中。 故应特别注意对焊件质量的检验。,广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、 石油化工、航空航天、原子能、电力、电子技术及 建筑等部门。,第一节 熔焊原理及过程,一、熔焊的本质及特点,（1）熔焊的本质是小熔池熔炼与冷凝，是一个金属熔 化与结晶的过程，图10-2。,（2）熔池存在的时间短，温度高；冶金过程进行的不 充分，氧化严重；热影响区大。 （3）冷却速度快，结晶后焊缝易生成粗大的柱状晶。

3、,二、熔焊的三要素,1、热源：能量集中，温度高，保证金属快速熔化。 主要有： （1）电弧： 两电极之间的强烈而持久的气体放电现象。通过气体 放电使电能转变为热能用于加热金属焊件。 （2）其它热源： 等离子弧、电渣热、电子束、激光束等（P172）。,2、熔池的保护 （1）目的： 隔绝空气，保护熔池不被氧化； 进行脱氧、脱硫、脱磷等和向熔池中过渡合金元素； 改善焊缝成形性等工艺性能。,（2）主要方法 渣保护： 用焊剂熔化后形成熔渣覆盖在液态熔池的上面对液 态金属起保护作用，图10-8。 渣保护的材料：焊剂和电渣,焊剂分熔炼型和非熔炼型两类。 其中熔炼型焊剂主要为Si2O、MnO、MgO和CaF2等

4、组成的 硅酸盐，根据其化学组成可分为无锰、低锰、中锰和高 锰型，表10-2。,气体保护 利用惰性气体（或相当于惰性的气体）和低氧化性的气体 保护熔池金属。主要采用的气体有氩气和氦气等惰性气体和 二氧化碳气体。 a、氩气：氩气是一种无色无味的惰性气体，它既不与金 属起化学作用，也不溶于金属。因此，用氩气作为保护气体 时，可以避免焊缝金中各合金元素的氧化损失，及由此带来 的各种焊接缺陷，使焊接冶金反应变得简单和容易控制。 导热系数小，高温时不发生分解(单原子气体)，电弧热 量损失少。 氩气对电弧的稳定性最好。,b、二氧化碳气体保护 CO2气体，常温下很稳定，高温下易分解（CO+O2），具有氧化性。

5、但来源广，成本低。还可利用其具有的氧化性部分烧损焊缝金属中的碳保证焊缝的塑性、防止出现裂纹。,渣-气联合保护 利用焊条的药皮熔化后产生的气体和熔渣或二氧化碳加药芯焊条产生的气体和熔渣进行保护，图10-10。 焊条药皮主要有造渣剂、造气剂、稳弧剂、脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等成分组成。 根据其化学特性可分为酸性药皮和碱性药皮两类。 酸性药皮的焊接工艺性好，但抗裂性差，一般用于不太重要的构件；而碱性药皮的焊接工艺性较差，一般要用直流电源，但因其中含有CaF2，具有脱硫等能力，焊缝的抗裂性较好，性能较高，主要用于重要的构件中。,3、焊缝填充金属 填充金属：焊接时人为加入到焊缝中的金属，与母材金属同时熔化

6、、发生冶金反应、凝固后形成焊缝金属。 填充金属主要通过焊条中的焊芯或焊丝的方法加 入到熔池金属中。 一般焊芯或焊丝的成分与被焊金属的种类一致，如焊接碳素结构钢时用普通的结构钢焊丝，其主要成分为H08、H08A、H08MnA等；焊接合金钢时用相应的合金钢焊丝；焊接不锈钢用不锈钢焊丝，如表10-5、6。,第二节 焊接接头的组织与性能,一、焊接热循环 1、焊接热循环： 在焊接加热和冷却过程中，焊缝附近某点温度随时间变 化的过程称为焊接热循环，图10-11 。 因各点的焊接热循环的特征不同，焊接后相应的组织和 性能亦不相同。 2、焊接热影响区： 受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材发生组织或性能 的变化

7、的区域。图10-12。 焊接接头：焊缝区、熔合区、热影响区。,二、焊缝的组织和性能 1.宏观组织特征：柱状晶、晶粒粗、成分偏析、不致密。 2、一次结晶、二次结晶 3、宏观偏析分布与焊缝的形成系数B/H有关。图10-12。 成形系数B/H越小，形成中心线偏析，易产生热裂纹。 焊缝的强度等于或略低于母材，保证焊缝的塑性和韧性 -焊缝设计的等强度原则。,三、热影响区与熔合区的组织与性能 对于低碳钢等不易淬火钢，焊接热影响区一般可分为 熔合区、过热区、正火区、部分相变区等区域； 对于易淬火钢其热影响区一般分为淬火区和部分淬火区。,1)熔合区 是焊缝与热影响区的过渡区，组织不均匀、晶粒粗大、 强度下降。

8、 2)过热区 生成过热组织、晶粒粗大，使材料的塑性、韧性下降。 3)正火区 金属组织发生重结晶，组织细化，金属的力学性能良 好。 4)部分相变区 部分组织发生相变，产生晶粒大小不一，力学性能不 均匀。,四、影响焊接接头性能的因素 1、焊丝与焊剂 2、焊接方法 3、焊接工艺参数：焊接电流、电压、焊接速度和焊接 线能量。 4、熔合比：母材在焊缝中所占面积的分数。 5、焊后热处理,第三节 焊接变形与焊接应力,一、焊接应力与变形产生的原因(图10-15) 焊接加热不均匀温度场不均匀膨胀内应力 （高温区受压，低温区受拉）高温区产生部分塑性变形 冷却后尺寸小于加热前焊接变形（残余变形）。 冷却时产生内应力

9、（高温区受拉，低温区受压） 此时已难以产生塑性变形，而使应力残留在构件中 焊接应力。 当焊件所受拘束很大时，一般不产生残余变形，只产生 残余应力；而当拘束较小时，既产生残余变形，也产生残余 应力。,二、焊接变形与应力的危害 1、尺寸发生变化,组装困难； 2、形状发生变化,产生附加应力降低承载能力； 3、增加矫正成本,降低接头塑性； 4、诱发应力腐蚀裂纹,造成脆断； 5、使用中构件尺寸不稳定。,三、焊件变形的种类 尺寸收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪形变形等。,四、防止焊接应力与变形的措施 1、焊接应力的防止和消除 （1）焊缝不要有密集和交叉截面，长度应尽可能短， 以减小焊接局部加热，

10、减小焊接应力。 如尽量采用型材、冲压件、铸件。 （2）合理的焊接顺序，尽可能使焊缝自由收缩。 （3）采用小线能量、多层焊，也可减小焊接应力。 （4）焊前预热，焊后缓冷。 （5）当焊缝在高温塑性状态时锤击焊缝以降低应力； （6）焊后去应力退火可消除残余应力。 （7）振动法。,2、焊接变形的防止和消除,(a)设计措施 （1）尽量减少焊缝数量、尺寸，避免交叉截面。 （2）合理安排焊缝位置。 对称或接近构件截面的中性轴，减少弯曲变形。,(b)工艺措施 （1）采用反变形法。,(2)刚性固定法,(3)合理选用焊接方法和焊接规范：采用高能量密度的热源， 如等离子焊等。 (4)合理的焊接顺序:如对称焊、分段退

11、焊、多层焊等。,（5）焊前预热、焊后缓冷、锤击焊缝等。,(c)焊接变形的矫正 （1）机械矫正法 用机械加压或锤击的冷变形方法，产生塑性变形来 矫正焊接变形。 （2）火焰矫正法。 利用火焰局部加热后的冷却收缩，来抵消该部分已产 生的伸长变形。加热部位必须正确。 火焰加热矫正的加热温度一般为600800。,第四节 焊接缺陷,一、焊接裂纹 危害最大、灾难性脆性破坏事故。 例如：英国于1965年对132台压力容器所发生的灾难性 事故的统计表明，因裂纹而引起的突然爆裂有118台， 占总数的89.3%。,1、热裂纹 （1）主要特征：焊缝在高温产生的裂纹，主要有结晶 裂纹（焊缝结晶过程中形成）、高温液化裂纹

12、（在热影响 区，由于晶间低熔点杂质发生熔化而形成）等。其特征为 沿晶开裂，裂纹表面有氧化色彩。,（2）产生原因 产生热裂纹的原因有二，一是凝固后期晶间的液态薄膜 的存在，二是接头中的拉应力。当接头中的拉应力超过了液 态薄膜的强度时，即使液态薄膜拉裂而产生。,（3）热裂纹的防止 限制母材和其它焊接材料中低熔点杂质的含量。 适当提高焊缝形成系数，防止中心偏析。 调整焊缝化学成分，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒 减小偏析。 减小焊接应力的工艺措施都可以减小焊接热裂纹的 倾向。 施焊时填满弧坑以减小应力。,2、冷裂纹 其危害比焊接热裂纹更严重，因为有时不是在焊后立即 出现，而是要经过相当长的时间，甚至在使

13、用过程中才出现 ，又叫延迟裂纹。 （1）形态和特征：在较低温度下的裂纹。在焊缝及热 影响区都可出现。穿晶型，表面无氧化。 主要有焊道下裂纹、焊趾裂纹和焊根裂纹等。,（2）产生原因： 脆化组织；含氢量；较大拉应力。,（3）防止措施 选用碱性焊条或焊剂，降低氢含量。 焊前清理，烘干焊接材料。 焊前预热，焊后缓冷。 采用减小焊接应力的工艺措施。 焊后立即进行去氢处理。 焊后进行清除应力的退火处理。,二、气孔 此外还有夹渣、未焊透,第五节 焊接检验（自学）,第六节 熔焊方法及工艺,一、手弧焊 1、手弧焊原理 焊条和工件分别接两电极，通过气体放电产生的电弧 热来熔化母材和焊条形成熔池，药皮熔化后形成熔渣

14、并放 出气体，在气、渣的联合保护下，有效地排除了周围空气 的有害影响，通过高温下熔渣与熔池液态金属之间的冶金 反应，得到优质焊缝。,2、手弧焊工艺 （1）直流手弧焊：直流电源，有正、反两种接法。 正接：工件正极，焊条负极。 正极温度高，适用厚板焊接； 反接：工件负极，焊条正极。 可实现薄板，快速焊,酸性焊条的焊接。 （2）交流手弧焊：交流电源，两极温度相等。 主要用于酸性焊条的焊接。,3、焊条的型号和牌号 （1）国际通用标准：E 。E-Electrode； 后面第一、二位数字表示最小抗拉强度(10MPa) 第三为数字表示焊接位置（0或1全位置、2-平 焊、4立焊）、第三、四为数字表示焊接电流种

15、 类和药皮类型（03钛钙型药皮、交流或直流； 15-低氢型药皮，直流反接；16低氢钾型药皮 、交流或直流）。例：E4303、E5015。 （2）我国行业标准：根据用途分为10大类： 结构钢焊条(J)、 钼及铬钼耐热钢焊条(R)、 铬不锈钢焊条(G)、 铬镍不锈钢焊条(A)、 堆焊焊条(D)、 低温钢焊条(w)、 铸铁焊条(Z)、 镍及镍合金焊条(Ni)、 铜及铜合金焊条(T)、铝及铝合金焊条(L),表示为：J、A、Z等，其中第一、 二为数字表示最小抗拉强度(10MPa) 、第三为数字 表示药皮类型（15为酸性药皮、67为碱性药皮）。 （3）焊条的酸碱性： 焊条药皮熔化后形成熔渣的酸碱性。药皮中

16、含有多 量酸性氧化物的焊条为酸性焊条.药皮中含有多量碱性氧 化物的焊条为碱性焊条。 酸性：不含氟化钙，脱硫、磷能力差，机械性能差，但工 艺性能好，主要用于焊接不重要的构件； 碱性：含有氟化钙，脱硫、磷能力好，抗裂性好、强度高， 但焊接工艺性差并且需用直流电源。 主要用于焊接重要构件。,4、手弧焊的特点： 灵活性强、适用范围广，可进行所有位置的焊接； 但生产率低，金属利用率低，劳动条件差。 主要用于单件、小批量生产。,二、埋弧焊 是电弧深埋在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。 1、埋弧焊的原理及特点： 图10-33。以焊丝和焊剂代替焊条，焊丝作为一电 极，在焊剂下引燃电弧燃烧进行焊接。 其主要特点有（1）热效率高、可连续焊接，易于实现自动化；（2）焊缝质量好；（3）劳动条件好。 主要适用于焊接平直长焊缝和大型环形焊缝。 2、埋弧焊工艺 （1）焊前准备：焊接区的清理、开坡口（不开坡口、 单面坡口和双面坡口、直边坡口和曲