焊接成型技术

第三章焊接成型技术

☆定义：用加热或加压等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来的方法。

☆分类：

☆特点：

1.接头牢固密封性好

2.可化大为小，以小拼大

3.可实现异种金属的连接

4.重量轻加工装配简单

5.焊接结构不可拆卸

6.焊接应力变形的，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷

一、焊接成形的理论基础

1.电弧焊过程

加热→融化→冶金反应→结晶→固态相变→形成接头

2焊接电弧

1）形成

焊接电弧：焊接电源供给的，是具有一定电压的两极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。电弧实质是一种气体放电现象。

a）当焊条与焊件间有足够电压时，接触时，相当于电弧焊电源短路，接触点及短路电流很大，产生大量的电阻热，使金属熔化，汽化，引起强烈的电子发射和气体电离。

b）焊条与焊件拉开一点距离，由于电源电压的作用，在这段距离内会形成很强的电场，促使产生的电子发射，同时加速气体的电离，使带电粒子在电场力作用下定向运动。

c）电弧焊电源不断共给电能，新的带电粒子不断得到补充，形成连续燃烧的电弧。

2）电弧的组成及热量分布

阴极区：发射大量电子消耗一定能量， 36% ，2400k

阳极区：高速电子的撞击，传入较多能量， 42%， 2600k

弧柱区： 21% ，5000-8000k

3）电弧的极性

直流电源：①正接极：焊接较厚材料，将焊件接正极；

②反接极：焊接较薄材料，将焊件接负极。

交流电源：极性交替变化，阴阳极区的温度和热量分布基本相等。

3.焊接电弧热过程特点及影响

1）特点

①焊接时的加热不是焊件的整体受热，而是加热局部区域，因此，对于整个焊件来说，受热极不均匀。

②焊接热过程是一个瞬时进行的过程，由于在高度集中的热源作用下，加热

速度极快。

③焊接热过程中的热源是相对运动着的，由于焊接时焊件受热的区域不断变化，使得其传热过程不稳定。

2）焊接热过程对焊接质量和焊接生产率的影响

①焊接时，熔池金属会与气体发生反应，从而改变金属的化学成分，而在冷却凝固时得到不同的组织，使焊缝金属产生缺陷进而使其性能发生很大变化。

②焊接热过程的不均匀加热使焊件各区域的膨胀和收缩不一致，导致焊接结构中产生焊接应力和变形。

③焊接热过程使焊接热影响区的组织和性能发生变化。

④焊接时不同的加热方式影响焊接的生产率。

4. 电弧焊的冶金过程

物理、化学变化过程：熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化一系列过程。总结为：气体——熔渣——金属之间的物理、化学变化。

1）焊接冶金过程的特点

①温度非常高，导致金属烧损或形成有害杂质；

②冷却速度快，熔池体积小，熔池处于液态时间很短，各种化学反应难以达到平衡状态，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，产生气孔和夹渣等缺陷；

③焊接冶金过程不断有新的金属进入熔池，使冶金过程复杂。

2）气体对焊缝金属组织和性能的影响

①氧的影响

来源：氧气主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物等。

影响：熔池被金属氧化后，形成氧化铁、三氧化二硅和氧化锰等夹渣，使焊缝的力学性能下降。

②氢的影响

来源：焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物、母材金属和焊丝表面的污物（铁锈、油污）和空气中的水分等。

影响：以过饱和状态溶入金属中，使局部压力过大，产生微裂纹，即氢脆。

③氮的影响

来源：焊接区周围的空气。

影响：促使焊缝产生气孔的主要原因之一。过饱和的氮以气泡的形式从熔池中逸出，当焊缝金属的结晶速度大于它的逸出速度时，就形成气孔。

3）焊缝金属质量保护措施

①机械保护：通过焊接材料产生气体或人工从外界通入气体，排除电弧空间的空气来进行保护的方法。如气体保护焊。

②焊前清理：对坡口及焊缝两侧的油、锈等其他杂物进行清理，对焊条、焊剂进行烘干，可降低吸氢现象。

③控制电弧长度：电弧长度越长，侵入的氢越多。

④脱氧及渗入合金元素：

为补偿烧损元素，在焊条药皮中加入合金元素，进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢、、渗金属等，保证焊缝性能。

5.焊接接头的金属组织与性能

●焊接接头：金属熔化焊焊接部位的总称（焊缝区，熔合区，热影响区）

1）焊缝区：熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。焊缝金属的结晶从熔池和母材的交界处开始，向熔池中心生长，形成柱状的结晶组织。对于低碳钢，为铁素体和少量珠光体。

2）熔合区：焊缝和母材金属的交界处，焊缝金属向热影响区过渡区，两侧为完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区，所以也成半熔化区。

宽度：0.1-1mm 温度：T液-T固

性能：化学成分不均匀，组织不均匀，强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。

3）热影响区：母材因受热而发生组织和力学性能变化的区域。组织和性能反映了焊接接头的性能和质量。（包括过热区、正火区和部分相变区）

☆过热区：热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。

宽度：1-3mm 温度：T固-1100℃。

性能：粗大的过热组织，塑性、韧性低，是裂纹的发源地

☆正火区：相当于热处理的正火组织，为细晶区。

宽度：1.2-4mm 温度：AC3-1100 ℃

性能：金属强度和塑性相应提高，力学性能优于母材

☆部分相变区：发生部分相变的区域。温度：AC1-AC3

性能：发生相变的区域获得细小的铁素体，没发生相变的区域还保留粗大的铁素体组织，晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能较差，较母材差。

（力学性能最差的区域：熔合区和过热区）

●焊接接头的主要缺陷

1.气孔：焊接时熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸出而形成空穴

2.夹渣：焊后残留在焊缝中的夹渣

3.焊接裂纹：由于焊接残余应力较大而在焊缝火热影响区产生的裂纹

4.未焊透：焊接接头根部未完全熔透的现象

二、焊接成形的力学基础

1.焊接应力与变形

1）焊接应力：焊接成形过程中及焊接结束后，焊件内部存在的内应力。

焊缝中心部分因膨胀受阻产生压应力，两端产生拉应力。当焊缝中心处的压应力超过屈服强度时，产生压缩变形，变形为虚线包围的无阴影部分。

焊缝中心处的压缩变形不能恢复，冷却到室温缩短到虚线所示位置，两侧缩短到原长，但平板各部分收缩会相互牵制，焊缝两侧将阻碍焊缝的收缩，产生压应力，焊缝产生拉应力。

2）焊接变形基本形式

①收缩变形：横向收缩和纵向收缩。难以修复，必须留出加工余量。②扭曲变形：多焊缝和长焊缝结构上，主要是焊缝在截面上的分布不对称或焊接顺序及焊接方向不合理原因造成的。

③弯曲变形：由于构件的截面不对称，焊缝布置不在构件的中性轴上。