工程材料与热加工基础课件
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• 2. 焊前预热 焊前对焊件预热，可减少焊件各部分的温差， 对减小焊接应力与变形较为有效。重要焊件可整体预热， 还有局部预热即焊前选择焊件的合理部位局部加热使其伸 长，焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。
• 3. 反变形法 根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方 向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度， 以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。
▪ 1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均 匀性，常常发生偏析、夹杂等缺陷。
▪ 2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收 电弧热量而分解成化学性质十分活泼的原子或离子状 态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧 化、脆化和其它缺陷。
▪ 3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰 铁等物质，除起到渗入合金作用、补充烧损元素外， 亦可起到脱氧作用。
• 4. 刚性固定法 采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不 能完全消除焊后残余变形。
• 5. 选择合理的焊接顺序 应尽量使焊缝的纵向和横向都能自由收缩， 避免交叉焊缝处应力过大产生裂纹；采用对称焊接顺序以减小变 形；长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法。
• 6. 锤击焊缝法 用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤 击，以延伸变形，补偿其收缩，同时释放出部分能量，减小焊接 应力和变形。
• （3） 不完全重结晶区 此区温度范围为Ac3至Ac1之间。在此区间 珠光体已转变为奥氏体，部分铁素体深入奥氏体，尚未溶入奥氏 体的铁素体晶粒不断长大。空冷时，奥氏体又折出较细的铁素体， 到Ar1线时，残余奥氏体直接转变为共析组织珠光体，未深入奥 氏体的铁素体却将粗大晶粒保持下来，亦称部分相变区。该区金 相组织很不均匀，力学性能较差。 （4） 再结晶区 此区温度范围 在Ac1至500℃-450℃之间。焊前经过冷变形加工的焊件，由于母 材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生回复 及再结晶而细化，其力学性能提高。焊前未经冷加工变形的焊件 不存在再结晶区。s
成焊接的方法称为压焊。 • 3）.钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的
金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶 化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。
2、焊接分类
图11-1 焊接电弧示意图
• 2. 焊接的冶金特点
• 3. 热影响区 是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化） 而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为 以下四个区域： （1） 过热区 指焊接热影响区中，具有过热组织 或晶粒显著粗大的区域。此区的温度范围为固相线至1100℃，因 加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其 是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热 影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件，此区容易产生 裂纹。 （2） 细晶区 此区温度范围为Ac3以上，而尚未达到过热 温度。由于焊后为空冷，相当于热处理后的正火组织，亦称正火 区。此区的力学性能优于母材金属。
• 焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，母材金属和填 充金属熔化后共同形成液态熔池。冷却结晶是以熔池和母材交界 处半熔化状态的母材金属晶粒为结晶核心，沿着垂直于散热面的 反方向生长，成为柱状晶的铸态组织。
• 2. 熔合区 焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材 半熔化区。此区是焊缝和母材金属的交界区，温度在固相线和液 相线之间，焊接过程中母材金属部分熔化，故亦称半熔化区。熔 化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成过热 粗晶，其塑性和韧性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏。虽然 此区只有0.1mm-0.4mm，但它对焊接接头的性能影响很大，是焊 接接头的危险区域之一。
▪ 4）焊缝中硫或磷的质量分数超过0.04%时，极易产生 裂纹。因此，应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通 过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保 证焊缝质量。
图11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化
• (二)焊缝区的金属组织与性能
• 1. 焊缝金属区 焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属 的区域。熔焊时，是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域；电阻 焊时，是指焊后形成的熔核部分。
• 7. 强迫冷却法 将焊缝区的热量迅速散掉，使焊接时金属受热面积 减小，此法又称散热法。
• 8. 焊后热处理 采取去应力退火的方法将焊件整体或局部加热到 600℃-650℃，保温一定时间后（不小于1h）缓慢冷却，这样可消 除焊接余应力80％-90％。
• (四)接变形的矫正
• 1. 机械矫正法 即用机械的方法将变形矫正过来，生产中常用 的设备有辊床、压力机、矫直机等；薄板焊接最常见的变形 为波浪变形，其矫正较难，一般用锤击法进行矫正
《工程材料与热加工基础》 第十一章 焊接
• 机械工程系
• 金工教研室
▪ 引言
• 1、何为焊接？ • 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，
使工件达到结合的一种方法。 • 1）.熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。 • 2）.压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完
图11-4 焊接变形形式(a)
图11-4 焊接变形形式(b)
图11-4 焊接变形形式(c)
图11-4 焊接变形形式(Fra Baidu bibliotek)
• (三)预防和减小焊接应力及焊接变形的措施
• 1. 合理设计焊接结构 尽量减少焊缝及焊缝的长度和截面积， 并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等，详见 焊接结构工艺性一节。
图11－3 平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图
• (二)焊接裂纹与焊接变形的形式 • 焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过
该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断 裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接裂纹包括纵向裂纹、 横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变 形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等， 见图11-4。
• 3. 反变形法 根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方 向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度， 以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。
▪ 1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均 匀性，常常发生偏析、夹杂等缺陷。
▪ 2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收 电弧热量而分解成化学性质十分活泼的原子或离子状 态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧 化、脆化和其它缺陷。
▪ 3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰 铁等物质，除起到渗入合金作用、补充烧损元素外， 亦可起到脱氧作用。
• 4. 刚性固定法 采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不 能完全消除焊后残余变形。
• 5. 选择合理的焊接顺序 应尽量使焊缝的纵向和横向都能自由收缩， 避免交叉焊缝处应力过大产生裂纹；采用对称焊接顺序以减小变 形；长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法。
• 6. 锤击焊缝法 用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤 击，以延伸变形，补偿其收缩，同时释放出部分能量，减小焊接 应力和变形。
• （3） 不完全重结晶区 此区温度范围为Ac3至Ac1之间。在此区间 珠光体已转变为奥氏体，部分铁素体深入奥氏体，尚未溶入奥氏 体的铁素体晶粒不断长大。空冷时，奥氏体又折出较细的铁素体， 到Ar1线时，残余奥氏体直接转变为共析组织珠光体，未深入奥 氏体的铁素体却将粗大晶粒保持下来，亦称部分相变区。该区金 相组织很不均匀，力学性能较差。 （4） 再结晶区 此区温度范围 在Ac1至500℃-450℃之间。焊前经过冷变形加工的焊件，由于母 材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生回复 及再结晶而细化，其力学性能提高。焊前未经冷加工变形的焊件 不存在再结晶区。s
成焊接的方法称为压焊。 • 3）.钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的
金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶 化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。
2、焊接分类
图11-1 焊接电弧示意图
• 2. 焊接的冶金特点
• 3. 热影响区 是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化） 而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为 以下四个区域： （1） 过热区 指焊接热影响区中，具有过热组织 或晶粒显著粗大的区域。此区的温度范围为固相线至1100℃，因 加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其 是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热 影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件，此区容易产生 裂纹。 （2） 细晶区 此区温度范围为Ac3以上，而尚未达到过热 温度。由于焊后为空冷，相当于热处理后的正火组织，亦称正火 区。此区的力学性能优于母材金属。
• 焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，母材金属和填 充金属熔化后共同形成液态熔池。冷却结晶是以熔池和母材交界 处半熔化状态的母材金属晶粒为结晶核心，沿着垂直于散热面的 反方向生长，成为柱状晶的铸态组织。
• 2. 熔合区 焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材 半熔化区。此区是焊缝和母材金属的交界区，温度在固相线和液 相线之间，焊接过程中母材金属部分熔化，故亦称半熔化区。熔 化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成过热 粗晶，其塑性和韧性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏。虽然 此区只有0.1mm-0.4mm，但它对焊接接头的性能影响很大，是焊 接接头的危险区域之一。
▪ 4）焊缝中硫或磷的质量分数超过0.04%时，极易产生 裂纹。因此，应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通 过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保 证焊缝质量。
图11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化
• (二)焊缝区的金属组织与性能
• 1. 焊缝金属区 焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属 的区域。熔焊时，是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域；电阻 焊时，是指焊后形成的熔核部分。
• 7. 强迫冷却法 将焊缝区的热量迅速散掉，使焊接时金属受热面积 减小，此法又称散热法。
• 8. 焊后热处理 采取去应力退火的方法将焊件整体或局部加热到 600℃-650℃，保温一定时间后（不小于1h）缓慢冷却，这样可消 除焊接余应力80％-90％。
• (四)接变形的矫正
• 1. 机械矫正法 即用机械的方法将变形矫正过来，生产中常用 的设备有辊床、压力机、矫直机等；薄板焊接最常见的变形 为波浪变形，其矫正较难，一般用锤击法进行矫正
《工程材料与热加工基础》 第十一章 焊接
• 机械工程系
• 金工教研室
▪ 引言
• 1、何为焊接？ • 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，
使工件达到结合的一种方法。 • 1）.熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。 • 2）.压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完
图11-4 焊接变形形式(a)
图11-4 焊接变形形式(b)
图11-4 焊接变形形式(c)
图11-4 焊接变形形式(Fra Baidu bibliotek)
• (三)预防和减小焊接应力及焊接变形的措施
• 1. 合理设计焊接结构 尽量减少焊缝及焊缝的长度和截面积， 并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等，详见 焊接结构工艺性一节。
图11－3 平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图
• (二)焊接裂纹与焊接变形的形式 • 焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过
该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断 裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接裂纹包括纵向裂纹、 横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变 形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等， 见图11-4。