第四章焊接4

生产特点:1. 省料、省时、轻巧 2. 以小拼大 3. 双金属结构 4. 接头质量不易保证
应用:船、桥梁、压力容器、汽车等
缺点:
1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ;
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:
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。
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。
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. 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。
图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化
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。
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
4.1.1.4 焊接接头组织与性能
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。
4.1.1 熔焊的冶金过程
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。
4.1.1.1 焊接电弧
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:
FeOFeO
MnOMnO
Si2OSi2O
2C 3rO C2O r3
2A 3lO A2O l3
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。
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。
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
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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。
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