第4章焊接成形

2、焊缝的组织和性能
3、热影响区的组织与性能 （1）熔合区：（半熔化区）相当于AC～ AE线间（液-固相线之间），熔化的金属凝固 后生成铸态组织，未熔化金属因加热温度过 高形成金属过热粗晶，这个区虽很小，但晶 粒严重粗大，δ、αk低，是断裂发源地。是 性能最差区之一。
（2）过热区：温度在固相线以下(1100 ℃) 左右。过热区晶粒严重粗大，力学性能差， 是焊接接头的薄弱区域。
（2）反变形法；
p118 图4-7
（3）刚性固定法。
p119 图4-8
2）焊接中
（1）合理安排焊接顺序： p119 图4-9
（2）先焊收缩量大的焊缝； p118 图4-11
（3）先焊受力大焊缝；
（4）先焊短缝；
（5）锤击焊缝（碾压）。
4、焊接变形的矫正 （1）机械矫正法； （2）火焰矫正法。
p120 图4-10
2、焊接电弧
电弧是一种气体导电现象。 通常空气并不导电，在一定 电场作用下，可使气体分解 为带电粒子，这些带电粒子 在电场作用下作定向运动， 以高速向正极运动，产生了 强烈的光和热，这就是电 弧，电弧的热量与电流I、电 压V成正比，I越大，则粒子 的作用速度快，产生的总热 量就高。
一般，电弧热量在阳极区产 生较多，而阴极区由于放出大 量电子时，消耗了一定的能量， 所以，产生的热量相对少一些， 由于这个热量的差异，使得焊 接时有两种接线方法。
2、氩弧焊
1)焊接过程： 用惰性气体氩气作为保护熔池的保护气体，防 止有害气体侵入，氩气不和金属反应，焊接质量 好，分为熔化极和不熔化极氩弧焊。 p128
①钨极氩弧焊 （不熔化极）；
②熔化极氩弧焊。
2) 氩弧焊特点及应用：
（1）保护作用好，适于有色金属、稀有金 属。
（2）热影响区小，变形小。
（3）操作性能好，明弧，稳定性好，各种 位置焊接。
（2）应用
①点焊、凸焊适用于﹤4mm薄板，用于汽车，飞 机，日用品等。
②缝焊适用于﹤3mm薄板，用于密封结构，油箱、 消音器，管道等。
③对焊；适用于棒料、型材对接，如自行车圈、圆 环链等。
4.3.2 摩擦焊
利用金属工件接触面摩擦产生热量，使工作端面 达到塑性状态，加压，使工件焊接到一起。
1）焊接过程：如图示。
交流电弧焊时，正负极任意接。 直流电弧焊时，分为正接法和反接法。
3、电焊条
焊芯——导电、填充焊缝金属的作用；
药皮——熔渣隔离空气、使焊缝金属脱氧去 硫并补充有益元素、稳定电弧，从而使焊缝具 有一定的化学成分和力学性能。
焊芯（焊丝） ——是组成焊缝金属的主要 材料。其化学成分及质量将直接影响焊缝质量。 因此国家标准对其作了相应规定。
点焊 缝焊 对焊
（3）钎焊：对被焊工件和填充金属加热， 焊件（母材）不熔化，填充材料（钎料）熔 化，填充于被焊金属连接处，靠原子扩散形 成接头。
钎焊
烙铁钎焊 火焰钎焊 盐浴钎焊 感应钎焊
3、焊接的特点
1）与铆接相比节,省材料和工时，构件轻；
2）气密性，水密性好；例金山化工厂，3万m3 气罐几十个大气压，六层楼高。
1、焊接过程
电弧在焊条与被焊工件之间燃烧。
①工件和焊芯同时熔化，成为熔池；
②药皮熔化后与液态金属发生物理 化学反应（冶金反应），所形成的熔 渣不断从熔池中向上浮起；
③药皮燃烧产生大量CO2、CO、H2 等保护气体，围绕在电弧周围，熔渣 和气体能防止空气中氧和氮的侵入， 起保护液态金属的作用。
电弧向前移动时，工件和焊条金属 不断熔化形成新的熔池。原熔池则不 断冷却凝固，构成连续的焊缝。覆盖 在焊缝表面的熔渣凝固成为固态渣壳。 这层熔渣和渣壳对焊缝的质量和减缓 金属的冷却速度有着重要的作用。
4.4 常用金属材料的焊接 焊接性(weldability)——是指被焊金属材料
在采用一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接 头的难易程度。
即：金属材料对焊接加工的适应性。
金属材料的焊接性不是金属材料本身的属性， 实质上是其物理、化学性能和力学性能在焊接过 程中的综合反映。
4.4.1 碳钢(carbon steel)的焊接
可见，焊接接头中熔合区和过热区是力学 性能最差的区域。
4.1.2 焊接应力、变形与裂纹
1、焊接应力的产生
焊接过程中局部不均匀加热，使焊缝及附 近金属体积膨胀，沿焊缝方向伸长，而远处 冷金属要阻碍伸长，使焊缝及周围金属受压， 产生塑性变形。
塑性变形的出现会使应力释放。
冷却后，焊缝要冷却收缩，远离焊缝的金 属又阻碍收缩，使焊缝及周围金属受拉应 力——焊接应力。而远离焊缝区则受压应力。
p126
为了提高质量、生产率、 改善劳动条件，焊接向自动 化半自动化方向发展。
1、焊接过程：埋弧焊时，电弧被焊剂所包围。引 弧、送丝、送进焊条都由电焊机自动完成。
2、埋孤焊的特点及应用：
①生产率高，电流达1000A以上，是手工的5-10 倍，焊深达 20mm。
②焊接质量好而稳定。保护熔池好，参数稳定。 ③节省金属和电能，12mm不用开坡口。
熔化焊
气焊
电弧焊
铝热焊 电渣焊 气体保护焊 等离子焊 电子束焊 激光焊
手工电弧焊（焊条电弧焊） 埋弧自动焊
埋弧半自动焊
氩弧焊 CO2气体保护焊
（2）压力焊：焊接时不管加热与否，都要 施加一定压力，使两焊件产生一定塑性变形， 在压力下形成牢固接头。
压力焊
锻焊 气压焊
电阻焊
摩擦焊 冷压焊 超声波焊 爆炸焊
3）可化大为小，拼小成大；万吨水压机立柱； 3万吨油轮焊缝达1000多公里，相当于北京—上 海的距离。
4）易于实现机械化，自动化操作，提高生产率。
因此焊接工艺在造船业、汽车制造业、机械行业 以及飞行器制造业中，已成为一种重要的技术被 广泛利用。
4.1 焊接工艺基础
4.1.1 焊接接头的组织与性能 1、焊接热循环 焊接接头由焊缝区和周边热影响区组成。 焊接接头附近的金属由室温加热到不同的温 度后，又冷却至室温，相当于不同程度的热处 理，因此组织性能大大不同。 下面以低碳钢（C=0.25%）为例来说明焊缝 及附近（热影响区）金属组织变化。 图4-1
图4-28 p134
点焊质量与焊接电流、 通电时间、电极电压、工 件清洁程度有关。
相邻两点要有足够的距 离（以尽量减少分流）。
（2）缝焊（滚焊）
与点焊相似，称为重叠点 焊。用旋转盘状电极，代 替柱状电极。焊接时，滚 盘压紧工件，并转动，断 续通电，形成连续点，重 叠50%以上，密封性能好， 由于焊点近，电流是点焊 的1.5～2倍。
图4--4
2、焊接变形
当焊接应力超过了相应温度下的屈服极限 时（σ焊＞σs），焊件就产生了变形——焊 接变形。
焊接变形分为5种： p118 图4-6 （1）收缩变形； （2）角变形； （3）弯曲变形； （4）扭曲变形； （5）波浪变形。
3、减少焊接变形的措施
1）焊接前
（1）焊件尺寸增设收缩余量；
（4）Ar成本高，设备贵。
适于Al、Cu、Mg、Ti等及不锈钢、耐热 钢的焊接。
4.2.4电渣焊 （1）电渣焊过 程 是利用电流通 过熔渣所产生的 电阻热作为热源 来熔化金属进行 焊接的。
P130
（2）特点 ①焊厚件，生产率高。 ②质量好，保护好。 ③成本低，经济效益好。 ④热影响区大。 ⑤焊后冷速慢，焊接应力小。
③低碳钢与低合金钢焊接（异种钢接头），可 按其中强度较低的材料选用焊条。
④铸钢的焊接，一般需预热处理，再焊接；
⑤焊接特殊性能钢，要选用特殊的专用焊条。
4.2.2埋弧自动焊
前述的电弧焊的三个动作 （引弧、送进焊条和移动电 弧）都靠机器自动完成—— 自动焊，只有一部分动作靠 机器完成，而还有一部分靠 焊工辅助完成——半自动焊。
图4-30 p134
（3）对焊
①电阻对焊：把工件 加压，使焊件压紧，然 后通电，产生电阻热， 加热到塑性状态，断电 加压，使工件焊到一起， 电阻对焊操作简便，接 头光滑，焊前接头要清 理。
适于强度要求不高的 一些工件。
图4-31 p135
2.电阻焊特点及应用 （1）特点 ①接头质量好，热影响区小。 ②生产率高，易于机械化，自动化。 ③不需填加金属和熔剂。 ④劳动条件好，无弧光。噪音，适于异种 材料焊接 ⑤焊件结构简单，重量轻。 ⑥电耗量大，设备贵，厚度一定限制。
（3）正火区：AC3-1100℃，金属发生再结 晶，晶粒细化，冷却后得到均匀细小的P+F 组织（正火组织），其性能优于母材，力学 性能好。
（4）部分相变区：相当AC1—AC3之间，部 分金属发生相变，P 和部分 F 发生相变成为 A，使晶粒细化；但还有部分 F 没有来得及 转变，冷却后造成晶粒大小不一，性能较差。
5、减少和消除焊接应力的措施 （1）焊接材料； （2）焊接结构； （3）焊接工艺。
4.2. 常用熔化焊方法
4.2.1 焊条电弧焊 电弧焊——利用电极形成的电弧，使被 焊工件的局部加热到熔化状态而焊接的方法。 电弧焊冶金特点： （1）温度高于冶金温度，在电极区24002600K，会使元素烧损。 （2）熔池体积小，冷却快，冶金不充分， 气体夹杂来不及上浮。
第4章 金属的焊 接成形
材料之间连接的方式有：机械连接、物理化 学连接、冶金连接。
1、焊接 通过加热或加压（或两者并用）使原子扩散 与结合，从而形成一个整体。 2、分类 按原理为三类： （1）熔化焊 （2）压力焊 （3）钎焊
（1）熔化焊：利用局部加热的方法，把工 件结合处加热为熔化态，形成熔池，冷却结 晶，形成牢固接头。
④劳动条件好，无弧光，烟雾，机械操作。
埋弧焊主要用于伏焊焊接厚度较大的长平直焊缝和大直径
环形焊缝。广泛用于造船、容器、锅炉的制造。
4.2.3 气体保护焊
1、二氧化碳气体保 护焊
1)焊接过程：用二 氧化碳气体作为保护 气体的电弧焊。它用 焊丝作电极，靠焊丝 和工件之间产生的电 弧熔化工件与焊丝， 熔池凝固后成为焊缝。
碳钢的焊接性主要决定于其含碳量。 1、低碳钢的焊接： C＜0.25%，塑性好，淬硬倾向小，焊接性好，无 需采用特别的工艺措施。 2、中碳钢的焊接 C=0.25～0.6%，淬硬倾向变大，焊接性较差。 易出现的问题： ①焊缝易产生热裂纹。 ②焊接热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。
（3）应用 应用于重型及大型设备的制造中。
4.3 压力焊与钎焊
4.3.1 电阻焊 是利用电流通过焊件及接触处产生电阻热， 将局部加热到塑性或半熔化状态，在压力下 形成接头。 电阻焊接根据接头形式不同，分为： 点焊； 缝焊； 对焊；
（1）点焊
把清理好薄板放在两极 之间，夹紧通电，接触面 产生电阻热，使其熔化， 在压力下使焊件焊在一起， 电极通水冷却。
2.钎焊的分类
（1）软钎焊：钎料熔点450℃以下，接头强度低 于70 Mpa,受力不大的低温度工作的工件。例如 锡焊，用于电器元件、仪表、生活用具。
（2）硬钎焊：钎料熔点在450℃以上，接头强度 ＞200 Mpa,工作温度较高工件，如铜焊，银焊， 镍焊。用于刀具、电器、自行车架。
3.钎焊的特点： （1）温度低，变形小，接头尺寸精密。 （2）适应性广，适于异种材料焊接。 （3）生产率高，整体加热。 （4）设备简单。 （5）强度有限，有色金属钎料成本高。
p129图4-22
2) 特点： ①生产率高，自动送进，电流密度大，是手工的 1～3倍。 ②焊接质量好，脱S好，热影响区小、变形倾向小。 ③成本低，CO2价低，是埋弧焊的40-50%。 ④操作性能好，明弧焊接。适合各种位置的焊接。 ⑤飞贱大，烟雾大，易产生气孔，设备贵。 3)应用： 主要用于低碳钢、低合金钢。 在机车，造船、汽车、机械等行业有较广的应用。
P136 图4-332）特点应用①接头质量好，组 织致密。
②生产率高，机械 化，不填加焊接材料。
③可焊接金属范围广， 如异种金属焊接。
④设备简单，耗能少， 劳动条件好。
适用于圆柱管件对接， 汽车，仪表。
4.3.3 钎焊
1.钎焊过程
是利用熔点低的（比焊件）钎料作填充金属，用 钎剂去除氧化膜，适当加热使钎料熔化（但工件不 熔化），充填接头，把固态工件连接在一起。
如果被焊件是不锈钢、合金结构钢，则应选 用合金钢焊条或焊丝。
按成分和用途分为九大类。（p125）
焊条的选用原则
使焊缝和母材具有相同的使用性能：
①低碳钢和普通低合金钢构件，选择相同强度 等级的焊条，但要注意到，如Q235给出的是σs， 而焊条给出的是σb 指标；
②同一强度等级的酸性和碱性焊条的选择，应 根据焊件的性能和特点。通常，塑性、韧性要求 高的用碱性焊条；而受力简单，母材质量较好时 可选用酸性焊条；