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1、第八章 焊接成形,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。 焊接运用介绍,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，要更换修理不便 ； 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
2、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，将两部分金属连接称为一个整体。,2）压力焊：用加热和外加压力的作用克服两个构件表面的不平度，通过塑性变形挤走表面氧化膜及其他污染物，使两个构件表面的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现连接的方法。 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,（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
3、。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 电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图8-1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
4、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8-1 电弧结构,（二）焊接冶金过程,焊接的冶金过程如图8-2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8-2 焊条电弧焊过程,图8-2 焊条电弧焊过程,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8-3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
5、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8-4所示；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe4N）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
6、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8-5所示。不同点，其热循环是不同，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，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8-5 焊接热循环曲线,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8-6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，
7、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8-6 低碳钢焊接接头的组织变化,(四）焊接接头组织和性能,1、焊缝区 焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图8-7所示；结晶过程中将在最,图8-7 焊缝的柱状树枝晶,后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学
8、性能不低于母材。,2、熔合区：化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，性能是焊接接头中最差的。,3、热影响区 ：热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图8-6所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。,图8-6 低碳钢焊接接头的组织变化,1）过热区：最高加热温度1100以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中机械性能最差的部位。 2）正火区：最高加热温度从Ac3至1100的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，机械性能较好。 3）部分相变区：最高加热温度从A
9、c1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。,低碳钢焊接接头的组织、性能变化如图8-8所示，熔合区和过热区性能最差，热影响区越小越好，其影响因素有焊接方法、焊接规范、接头形式等。 4、影响焊接接头性能的因素 焊接接头的力学性能决定于它的化学成分和组织。具体有：,1）焊接材料，焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分； 2）焊接方法，一方面影响组织粗细，另一方面影响有害杂质含量；,图8-8 低碳钢焊接接头的性能分布,3）焊接工艺，焊接时，为保证焊接质量而选定的物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫焊接工艺参数；线能量:指熔化焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能
10、量。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。 4）焊后热处理：如正火，能细化接头组织，改善性能。 5）接头形式，工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。,二、金属的焊接性能,1、金属焊接性的概念： 焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。包括工艺焊接性，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；使用焊接性，焊接接头对使用要求的适应性，包括焊接接头的力学及其他特殊性能。 焊接性能随焊接方法、焊接材料和焊接工艺而变，不同条件下焊接性能
11、有很大差别。如钛的手工电弧焊接性极差，但氩弧焊则好。,2、金属焊接性的间接评价方法 碳当量法：在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。其计算公式如下：,碳当量越高，焊接性越差。一般当CE0.6%时，冷裂倾向严重，焊接性差，需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。 值得注意的是钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响；故应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。,三、焊接应力和变形,1、焊接应力与变形产生的原因 焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。图8-9是低
12、碳钢平板对接焊时产生应力和变形的示意图。 平板焊接时，要产生热胀冷缩；加热时，如自由膨胀则如a）中虚线所示，但由于受到阻碍，产生同样伸长；故高温处产生压应力，低温处产生拉应力；两者平衡。冷却后，由于冷却速度不同，高温处冷却慢，收缩大，同样最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力。,一般情况下，焊件塑性好，结构刚度小时，焊件收缩容易，焊件变形大，焊接应力小；反之焊接变形小，焊接应力大。焊接变形的基本形式如表8-1所示。,2、焊接应力与变形的危害 焊接应力：1）增加结构工作时的应力，降低承载能力；2）引起焊接裂纹，甚至脆断；3）促使产生应力腐蚀裂纹。4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定
13、。 焊接变形：1）使工件形状尺寸不合要求；2）影响组装质量；3）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性；4）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载能力。,3、焊接应力和变形的防止 焊接应力的防止及消除措施 1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小； 2）采取合理的焊接顺序，使焊缝较自由的收缩；如图8-10所示； 3）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力； 4）采用小线能量焊接，多层焊，减少残余应力； 5）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力； 6）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。,焊接变形的防止和消除措施 1）结构设计要避免焊缝密集交叉
14、，焊缝截面和长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施； 2）焊前组装时，采用反变形法 ，如图8-11，8-12，8-13所示； 3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力，如图8-14所示； 4）采用合理的焊接规范； 5）选用合理的焊接顺序，如图8-10的对称焊，图8-15的分段退焊。 6）采用机械或火焰矫正发来减少变形。如图8-16，8-17所示。,四、焊接缺陷 由于焊接产生的焊接接头不完好的现象叫焊接缺陷，主要有焊接裂纹，未焊透，未熔合、夹渣，气孔，咬边，焊瘤等。 1、焊接缺陷的危害 1）产生应力集中，增加焊接结构工作时的应力，降低承载能力； 2）引起裂纹，缩短使用寿命； 3）造成
15、脆断。 2、焊接裂纹：一是热裂纹，指在固相线附近的高温产生的裂纹；二是冷裂纹，对钢指在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹。,1）热裂纹：经常发生在焊缝区，在结晶过程中产生的叫结晶裂纹；在热影响区的过热区，晶间低熔点杂质发生熔化，产生液化裂纹。其特征都是沿晶间开裂，有氧化色。 产生原因有：a)晶间存在液态间层即硫磷低熔点共晶，焊缝结晶时，低熔点杂质偏析；b)存在焊接拉应力，将晶界液态间层拉裂。 防止措施：a）限制钢材和焊条、焊剂的低熔点杂质，如硫磷含量；b）控制焊接规范，适当提高焊缝成形系数；c）调整焊缝化学成分，加锰可避免低熔点共晶，缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性，减少偏
16、析；d）采用能减少焊接应力的工艺措施；e）操作上填满弧坑。,2、冷裂纹：在焊缝区和热影响区均可能产生。冷裂纹的形态有：焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹，如图8-18所示 ；其特点是无分支，为穿晶型，无氧化色。,图8-18 焊接冷裂纹 a焊道下裂纹 b焊趾裂纹 c焊根裂纹,产生原因：a)焊接接头存在淬硬组织，接头性能脆化；b）扩散氢的含量较多，使接头性能脆化，并造成很大的局部压力。c）存在较大的焊接拉伸应力。 防止措施：a）选用碱性焊条，减少氢含量，提高焊缝金属塑性；,b）焊条和焊剂使用前严格烘干，去除水分，减少扩散氢含量；c）清除焊丝和坡口及两侧母材的锈、油、水，减少氢来源；d）焊前预热，焊后缓冷；e）采用合理的焊接顺序和工艺措施，减少焊接应力；f)焊后立即进行消氢处理。g）焊后进行热处理，消除残余应力。,3、气孔：在熔池液体金属冷却结晶时，产生气体，气体来不及逸出熔池表面而形成。焊接气孔有：氢气孔，一氧化碳气孔，氮气孔。 防止措施：1）焊条焊剂烘干；2）清除焊丝和坡口及两侧母材的锈、油、水；3)采用短弧焊，注意操作技术，
