第6章材料成型和连接

行热处理的焊件，则需正确选择焊接方法和工艺条件，
来减小热影响区的范围。
熔合区 ： 相变重结晶区 (正火区 )： 不完全重结晶区 ： 过热区 ： 又称半熔化区，是焊缝与 紧靠着过热区 加热温度 ： 紧靠熔合区 母材的交界区。 加热温度： 加热温度 ： AC AC 之间 加热温度 1490 1～ 3 850 ℃～： 1100 ℃～1530℃
焊接接头的组织和性能
焊缝区：结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的铸态组织。
与基体金属性能接近，但熔池中心易出现杂质、疏松等。
熔合区：未熔化的过热组织和部分熔化的结晶铸态组织。
很大程度上决定焊件接头的性能。熔合区成分不均，组 织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差 的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降， 而且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头 的性能。
氩气
氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度 可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会 影响焊缝质量。
焊接熔池凝固过程的特点
外延结晶 从熔池边界半熔化的母材开始生长 非均质形核 柱状晶形式
外延结晶示意图
焊接熔池凝固过程的特点பைடு நூலகம்
择优生长 每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向, 对于立方 点阵的金属（Fe, Ni, Cu, Al），最优结晶取向为 <001>。 温度梯度大的方向，也是晶粒易生长的方向。与焊接 熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。 当母材晶粒取向<001>与导热最快的方向一致时，即 垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。
延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹 渣的析出。
渣保护
为了使熔池与空气隔离， 可在熔池上覆盖一层熔渣 • 一方面防止金属氧化和吸气 • 另一方面向熔池过渡合金元 素，提高焊缝性能
• 同时，还可以减少散热，提 高生产率，防止强光辐射
气保护
• 用于保护熔池和溶滴的气 体应是惰性气体，并在高 温下不分解，或是低氧化 性的不溶于金属液体的双 原子气体(如Ar或CO2)。 • 喷嘴结构应尽可能使气体 以层流流出。
防止或减小焊接变形措施 （1）结构设计合理； （2）采用正当焊接工艺； 如：刚性固定法 反变形法
（3）焊缝分散，不宜密集和过于交叉；焊缝设 计时应尽可能对称布置。
焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊 接局部加热，从而减少焊接应力。 采用小能量，多层焊，也可减少焊缝应力。 焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。
焊缝对称布置 采用反变形方法
采用对称焊和分段倒退焊
采用多层多道焊，能减少焊接变形
采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形， 但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装 也可防止焊接变形。
（4）合理安排焊接次序；对于长焊缝，可 许时应分段施焊。
3 3 1 2
3 2 1 4 5 6
4
2 1 1—2—3—4 4
1—4—3—2
1— 4 — 5 — 2 — 3 — 6
采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩， 以减少应力（图a）。而图b因先焊焊缝1导致对焊 缝2的拘束度增加，而增大残余应力。
5) 设计简单、灵活 铆接结构的连接部分设计相当复杂， 而焊接结构可将结构元件比较简单地对接、角接、T 形连接或搭接成任意结构，较灵活，不像铸、锻工 艺对工件形状有很多限制。 6) 制造周期短，成本低，经济效益好 焊接结构的制造 工艺比铆接结构简单得多，可省去钻孔和划埋头孔 等工作。采用现代分部件制造工艺，很容易实现专 业化和批量生产。 7) 可焊接不同金属材料 采用焊接工艺能把不同金属连 接起来，有效利用材料。焊接结构还可在不同部位 采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长， 达到经济、优质。
焊缝金属柱状晶的择优生长
熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分 过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形 态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。
焊缝中结晶形态的变化
熔池的保护
焊剂是由SiO2，MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐。 焊剂保护的效果
形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减 少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。
过热区：高温影响，晶粒粗大。塑性和韧性下降，显著影
响焊件接头性能。
正火区：最高加热温度比Ac3稍高，晶粒重结晶细化，获
得正火组织。机械性能改善。
部分相变区：最高加热温度比Ac1～Ac3稍高，珠光体和部
分铁素体重结晶细化。晶粒大小不均，机械性能稍差。
一般，低碳钢焊件的热影响区较窄，危害性较小，
焊后可直接使用；对于碳素钢和低合金钢焊件，焊后可 进行正火处理，细化晶粒，改善机械性能；对于无法进
缺点 1）产生焊接变形和焊接残余应力； 2）焊接接头的性能不均匀性； 3）止裂性差
(4)焊接方法的应用 1、制造金属结构件 2、制造机器零件和工具 3、修复
6.2 熔焊工艺
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 熔焊原理及过程 焊接接头的组织与性能 焊接变形和焊接应力 熔焊方法及工艺
6.2.1 熔焊原理及过程
严重的焊接变形应消 除，常采用机械矫正法，通常 只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。
火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一 般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。
当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也 能减少焊接残余应力。 焊后进行消除应力的退火可消除残余应力。
焊接变形的防止和消除
能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小 热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、 电子束和激光。
熔池的保护
可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化， 并进行脱氧、脱硫和脱磷。
填充金属
保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到 力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。
焊接热循环的特点是加热 和冷却速度很快，对易淬火钢， 易导致马氏体相变；对其它材料， 易产生焊接变形、应力及裂纹。
焊缝的组织和性能
热源移走后，熔池 焊缝中的液体金属立刻 开始冷却结晶，以垂直 熔合线的方式向熔池中 心生长为柱状树枝晶。 低熔点物质将会被 推向焊缝最后结晶部位， 形成成分偏析。

第六章 材料的连接成形
在工业生产中采用的连接方法主要有可拆连接、不 可拆连接两大类。 可拆连接：螺钉、键、销钉等，它们通常不用于制 造金属结构，而是用于零件的装配和定位工作中。
不可拆连接：铆接、焊接和粘接等，它们通 常用于金属结构或零件的制造中。
铆接：应用较早，但它工序复杂、结构笨重、 材料消耗也较大，因此，现代工业中已逐步被焊接 所取代。 粘接：虽然工艺简单，在粘接过程中对被粘材 料的组织和性能不产生任何不良影响，但是其接头 强度一般较低。 焊接：易于保证焊接结构等强度的要求，相对 来说工艺比较简单，加工成本也比较低廉。
变形来平衡或释放应力，即变形总朝力图减小焊 接应力的方向弯曲或扭曲。
焊接变形形式
—整体尺寸收缩、角变形、弯曲、扭曲等。
焊接变形与应力的危害
工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产 生不利影响。 产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困 难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。 焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能 力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发 应力腐蚀裂纹。 残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产 生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊 接变形和应力是十分必要的。
产生焊接应力与变形
原因 焊件局部不均匀加热和冷却，膨胀和收缩
受到牵制，相关部位产生焊接应力并出现变形。
（ +） （ -） （ +） （ -） l’
（ -）
l 焊接中 l
（ +）
l
冷却后
应力规律 焊缝区—拉应力（+）
远离焊缝两侧对应边缘—压应力（-）
• 变形规律 焊接变形越大，焊接应力减小，通过
部分组织发生相变， 特点 ： 特点 ：该区很窄，组织不均 特点 ： 晶粒不均匀，力学性 宽度为 1～ 3mm ，塑性和 匀，强度下降，塑性很差， 宽度约 1.2 ～ 4.0mm ，力
韧性下降。 是裂纹及局部脆断的发源地。 学性能优于母材。 能差。
6.2.3 焊接变形和焊接应力
焊接应力与变形产生的原因： 焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘 束，不能自由膨胀和收缩。
焊接
熔焊
压焊 （固相焊） 等离子 弧焊
钎焊
电弧焊
气焊
气体 保护焊
电渣焊
电阻焊
手弧焊
CO2气体 保护焊
电焊
埋弧焊
氩弧焊
缝焊
氢原子焊
对焊
摩擦焊
焊接方法分类示意图
超声波焊
(3) 焊接的优缺点 优点
1) 构造合理，应力集中系数小，接头连接效率高，对 接接头可达100％，而铆接很难达到70％。 2) 简化结构，减轻自重 由于焊接的强度较高，在同样 承载条件下，可更轻、更薄，对交通运输工具来说 还可因此而节约能量。 焊件比铆件轻36%，比铸件轻30%。 3) 密封性好 焊接结构对水、油、气的密封性都很好， 是理想的密封结构，适合于制造各类容器。 4) 板厚限制小 铆接在板厚大于50mm时将会十分困难， 而焊接结构高压容器的单层壁厚可达300mm以上。
CO2气体
CO2为无色无味气体，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在 高温下易分解。 CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池 和电弧方面，效果良好。 但CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为CO和O2： CO2 ＝ CO + O2 所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。
在焊接过程中，将焊件加热至熔化状态，不加 压力完成的焊接方法通称为熔焊。
熔焊的本质及特点
熔化焊的本质是小熔 池熔炼与铸造，是金 属熔化与结晶的过程。 熔池存在时间短，温 度高；冶金过程进行 不充分，氧化严重； 热影响区大。 冷却速度快，结晶后 易生成粗大的柱状晶。
熔化焊的三要素
热源
渣-气联合保护
• 利用渣的良好的冶金反应
和焊缝成型特点以及气体
的优良电弧热效率和稳弧 作用，可获得良好的熔池
保护效果。如焊条的药皮
及二氧化碳加药芯。
填充金属
• 填满焊缝，提高焊缝性能， 使焊缝与母材等强度，用 焊丝和焊芯（填充金属） 过渡合金元素。 • 常用的焊条钢芯为碳素钢 丝、合金钢丝和不锈钢丝。
6.1 焊接
(1) 焊接的定义： 焊接是通过加热或加压，或两者并用， 并且用或不用填充金属，使焊件间达到原子 结合的一种加工方法。 根据上述定义，焊接最本质的特点就是 通过焊接使焊件达到了原子结合，从而将原 来分开的物体构成了一个整体，这是任何其 它连接形式所不具备的。
(2) 焊接方法分类
• 常用的焊接方法分为以下三类： • 1) 熔焊 焊接过程中，将焊件加热至熔化状态，不加压力完成的 焊接方法通称为熔焊。 • 2) 压焊 在焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）， 以完成的焊接方法，叫做压焊。 • 3)钎焊 钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和 钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点温度，利用液 态钎料浸润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现 连接焊件的方法。
6.2.2 焊接接头的组织与性能
熔焊热源的高温集中融化焊缝区金属，并 向工件金属传导热量，必然引起焊缝及 附近区域金属的组织和性能发生变化。 焊缝区——在焊接接头横截面上测量的 焊缝金属的区域。 熔合区——熔合线两侧有一个很窄的焊 缝与热影响区的过渡区。 热影响区---受焊接热循环的影响，焊 缝附近的母材因焊接热作用发生组织或 性能变化的区域（过热区、正火区、部 分相变区）。
1100 1490 ℃ （固、液相线之间） （ AC 至1100 ℃） 组织 ： 3℃～ （1100 ℃～固相线） 组织 ：（未熔化但因过热而 组织 ： F+P (F粗、细不均) 组织 ： 长大的）粗晶组织和（部分 均匀细小的铁素体和珠光 特点 ： 粗大的过热组织。
新凝固的）铸态组织。 体组织（近似于正火组织）