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第4章焊接4.1焊接成形基础4.2焊接方法4.3焊接结构工艺设计4.4焊接技术新发展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，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）熔焊：利用局部加热的方法，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，将两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。2）压焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。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1节焊接成形基础4.1.1熔焊的冶金过程4.1.1.1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。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4-1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4-1电弧的结构示意图4.1.1.2焊接的冶金过程焊接的冶金过程如图4-2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：FeOOFeMnOOMn2SiO2OSi32OCr3O2Cr32OAl3O2Al图4-2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4-3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4-4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。4.1.1.3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4-5所示。不同点，其热循环不同，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11000C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4-5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4-6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，叫焊接热影响区。熔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4-6低碳钢焊接接头的组织变化4.1.1.4焊接接头组织与性能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4-7所示；结晶过程中将在最图4-7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，其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4-6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。1）过热区：最高加热温度在11000C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，是热影响区中力学性能最差的部位。2）正火区：最高加热温度在Ac3至11000C的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。3）部分相变区：最高加热温度在Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。图4-6低碳钢焊接接头的组织变化低碳钢焊接接头的组织、性能变化如图4-8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，一方面影响有害杂质含量。图4-8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诸物理量（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:指熔焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。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。4.1.2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：1556CECuNiVMoCrMnc碳当量越高，焊接性越差。一般当CE0.4%时，冷裂倾向不大，焊接性好，不需预热；CE=0.4%～0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差，需预热和采取其他工艺措施来避免裂纹；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。4.1.3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4-9是低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，如自由膨胀则如图4-9a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。图4-9平板对接焊的应力a)焊接过程中b)冷却后一般情况下，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4-1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。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4-10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，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4-11，图4-12所示；3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力，如图4-13所示；4）采用合理的焊接规范；5）选用合理的焊接顺序，如图4-10的对称焊，图4-14的分段退焊。6）采用机械或火焰矫正法来减少变形。如图4-15，图4-16所示。思考题1.焊接接头包括哪几部分？低碳钢焊接接头各部分的性能如何？2.解释下列名词：焊接热循环、金属的焊接性、碳当量。3.焊接应力和变形有哪些危害，产生原因是什么？第2节焊接方法焊接方法的种类很多，按照焊接过程的物理特点可分为熔焊、压焊和钎焊三类。常用焊接方法有:熔焊堆焊与喷涂高能焊电渣焊电弧焊气焊激光焊电子束焊等离子弧焊气体保护焊埋弧焊焊条电弧焊压焊摩擦焊扩散焊电阻焊超声波焊爆炸焊对焊点焊缝焊钎焊真空钎焊感应钎焊炉中钎焊电阻钎焊盐浴钎焊火焰钎焊烙铁钎焊4.2.1熔焊4.2.1.1焊条电弧焊焊条电弧焊是利用电弧作为热源，手工操纵焊条进行焊接的方法，又称手工电弧焊。手工电弧焊的特点：1）设备简单、操作灵活；2）可焊接多种金属材料；3）室内、外焊接效果相近；4）对焊工操作水平要求较高，生产率较低。4.2.1.2埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。1.埋弧焊设备埋弧焊设备由焊接电源、焊车、控制箱三部分组成。焊车由送丝机头、行走小车、控制盘、焊丝盘和焊剂漏斗等组成。2.埋弧焊的焊接过程及工艺埋弧焊焊接过程如图4-17所示；埋弧焊焊缝形成过程如图4-18所示。埋弧焊焊丝从导电嘴深处长度较短，故可采用大电流焊接，比手工电弧焊高4倍，故适宜焊接较厚材料，也可焊接大直径筒体，如图4-19所示。3.埋弧焊特点及应用优点：1）生产率高、节省焊接材料，成本低；2）焊接质量好；3）劳动条件好。埋弧焊适于成批生产中、厚板结构的长直缝与直径较大的环缝。缺点：1）适应性较差，焊前准备工作量大；2）焊接电流强度大，不适于3mm以下薄板；3）难以完成铝、钛等强氧化性金属及合金的焊接；4）设备一次性投资较大。气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。常用保护气体有惰性气体（氩气、氦气和混合气体）和活性气体（二氧化碳气）两种，分别成为惰性气体保护焊和CO2焊。4.2.1.3气体保护电弧焊1.惰性气体保护焊（1）保护气体和电极材料保护气体有氩气（Ar）和