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1、第第4 4章章 金属的焊金属的焊接成形接成形 材料之间连接的方式有：材料之间连接的方式有：机械连接、物机械连接、物理化学连接、冶金连接。理化学连接、冶金连接。1 1、焊接焊接 通过加热或加压（或两者并用）使原子通过加热或加压（或两者并用）使原子扩散与结合，从而形成一个整体。扩散与结合，从而形成一个整体。2 2、分类分类 按原理为三类：按原理为三类：（1 1）熔化焊熔化焊 （2 2）压力焊压力焊 （3 3）钎焊钎焊 （1 1）熔化焊熔化焊：利用局部加热的方法，把：利用局部加热的方法，把工件结合处加热为熔化态，形成工件结合处加热为熔化态，形成熔池熔池，冷却，冷却结晶，形成牢固接头。结晶，形成牢固接
2、头。熔化焊熔化焊气焊气焊电弧焊电弧焊手工电弧焊（焊条电弧焊）手工电弧焊（焊条电弧焊）埋弧自动焊埋弧自动焊埋弧半自动焊埋弧半自动焊铝热焊铝热焊电渣焊电渣焊气体保护焊气体保护焊氩弧焊氩弧焊COCO2 2气体保护焊气体保护焊等离子焊等离子焊电子束焊电子束焊激光焊激光焊 （2 2）压力焊压力焊：焊接时不管加热与否，都：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。形，在压力下形成牢固接头。压力焊压力焊锻焊锻焊气压焊气压焊电阻焊电阻焊点焊点焊缝焊缝焊对焊对焊摩擦焊摩擦焊冷压焊冷压焊超声波焊超声波焊爆炸焊爆炸焊 （3 3）钎焊钎
3、焊：对被焊工件和填充金属加：对被焊工件和填充金属加热，焊件（热，焊件（母材母材）不熔化，填充材料（）不熔化，填充材料（钎料钎料）熔化，填充于被焊金属连接处，靠原子扩散熔化，填充于被焊金属连接处，靠原子扩散形成接头。形成接头。钎焊钎焊烙铁烙铁钎焊钎焊火焰火焰钎焊钎焊盐浴钎焊盐浴钎焊感应钎焊感应钎焊 3 3、焊接的特点、焊接的特点 1 1）与铆接相比节与铆接相比节,省材料和工时，构件轻；省材料和工时，构件轻；2 2）气密性，水密性好；气密性，水密性好；例金山化工厂，例金山化工厂，3 3万万m m3 3气罐几十个大气压，六层楼高。气罐几十个大气压，六层楼高。3 3）可化大为小，拼小成大；可化大为小，
4、拼小成大；万吨水压机立柱；万吨水压机立柱；3 3万吨油轮焊缝达万吨油轮焊缝达10001000多公里，相当于北京多公里，相当于北京上海上海的距离。的距离。4 4）易于实现机械化，自动化操作，提高生产易于实现机械化，自动化操作，提高生产率。率。因此焊接工艺在造船业、汽车制造业、机械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。术被广泛利用。4.1 4.1 焊接工艺基础焊接工艺基础 4.1.1 4.1.1 焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能 1 1、焊接热循环焊接热循环 焊接接头由焊接接头由焊缝区焊缝区和
5、周边和周边热影响区热影响区组成。组成。焊接接头附近的金属由室温加热到不同的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，相当于温度后，又冷却至室温，相当于不同程度的热不同程度的热处理处理，因此组织性能大大不同。，因此组织性能大大不同。下面以低碳钢（下面以低碳钢（C=0.25%C=0.25%）为例来说明焊缝）为例来说明焊缝及附近（热影响区）金属组织变化。及附近（热影响区）金属组织变化。图图4-14-1 2 2、焊缝的组织和性能焊缝的组织和性能 3 3、热影响区的组织与性能热影响区的组织与性能 （1 1）熔合区熔合区：（半熔化区）相当于：（半熔化区）相当于ACACAEAE线间（液线间（
6、液-固相线之间），固相线之间），熔化的金属熔化的金属凝固凝固后生后生成成铸态组织铸态组织，未熔化金属未熔化金属因加热温度过因加热温度过高形成金属高形成金属过热粗晶过热粗晶，这个区虽很小，但，这个区虽很小，但晶晶粒严重粗大粒严重粗大，、kk低，是断裂发源地。是低，是断裂发源地。是性能性能最差最差区之一。区之一。（2 2）过热区过热区：温度在固相线以下：温度在固相线以下(1100(1100)左右。左右。过热区晶粒严重粗大过热区晶粒严重粗大，力学性能差，力学性能差，是焊接接头的是焊接接头的薄弱薄弱区域。区域。（3 3）正火区正火区：A AC3C3-1100-1100，金属发生再结，金属发生再结晶，晶
7、粒细化，晶，晶粒细化，冷却后得到均匀细小的冷却后得到均匀细小的P+FP+F组组织织（正火组织），其性能优于母材，力学性（正火组织），其性能优于母材，力学性能能好好。（4 4）部分相变区部分相变区：相当相当A AC1C1A AC3C3之间，部之间，部分金属发生相变，分金属发生相变，P P 和部分和部分 F F 发生相变成为发生相变成为A A，使晶粒细化；但还有部分，使晶粒细化；但还有部分 F F 没有来得及没有来得及转变，转变，冷却后造成晶粒大小不一冷却后造成晶粒大小不一，性能，性能较差较差。可见，焊接接头中可见，焊接接头中熔合区熔合区和和过热区过热区是力是力学性能学性能最差最差的区域。的区域。
8、4.1.2 4.1.2 焊接应力、变形与裂纹焊接应力、变形与裂纹 1 1、焊接应力的产生焊接应力的产生 焊接过程中局部焊接过程中局部不均匀加热不均匀加热，使焊缝及，使焊缝及附近金属附近金属体积膨胀体积膨胀，沿焊缝方向，沿焊缝方向伸长伸长，而远，而远处冷金属要处冷金属要阻碍伸长阻碍伸长，使焊缝及周围金属，使焊缝及周围金属受受压压，产生塑性变形产生塑性变形。塑性变形的出现会使应力释放。塑性变形的出现会使应力释放。冷却冷却后，焊缝要冷却收缩，远离焊缝的后，焊缝要冷却收缩，远离焊缝的金属又阻碍收缩，使金属又阻碍收缩，使焊缝及周围金属受拉应焊缝及周围金属受拉应力力焊接应力焊接应力。而。而远离焊缝区则受压
9、应力远离焊缝区则受压应力。图图4-44-4 2 2、焊接变形、焊接变形 当焊接应力超过了相应温度下的屈服极当焊接应力超过了相应温度下的屈服极限时（限时（焊焊ss），焊件就产生了变形），焊件就产生了变形焊接变形焊接变形。焊接变形分为焊接变形分为5 5种：种：p118 p118 图图4-64-6 （1 1）收缩变形；）收缩变形；（2 2）角变形；）角变形；（3 3）弯曲变形；）弯曲变形；（4 4）扭曲变形；）扭曲变形；（5 5）波浪变形。）波浪变形。3 3、减少焊接变形的措施、减少焊接变形的措施 1 1）焊接前）焊接前 （1 1）焊件尺寸增设收缩余量；）焊件尺寸增设收缩余量；（2 2）反变形法；）
10、反变形法；p118 p118 图图4-74-7 （3 3）刚性固定法。）刚性固定法。p119 p119 图图4-84-8 2 2）焊接中）焊接中 （1 1）合理安排焊接顺序：）合理安排焊接顺序：p119 p119 图图4-94-9 （2 2）先焊收缩量大的焊缝；）先焊收缩量大的焊缝；p118 p118 图图4-114-11 （3 3）先焊受力大焊缝；）先焊受力大焊缝；（4 4）先焊短缝；）先焊短缝；（5 5）锤击焊缝（碾压）。）锤击焊缝（碾压）。4 4、焊接变形的矫正、焊接变形的矫正 p120 p120 图图4-104-10 （1 1）机械矫正法；）机械矫正法；（2 2）火焰矫正法。）火焰矫正
11、法。5 5、减少和消除焊接应力的措施减少和消除焊接应力的措施 （1 1）焊接材料；）焊接材料；（2 2）焊接结构；）焊接结构；（3 3）焊接工艺。）焊接工艺。4.2.4.2.常用熔化焊方法常用熔化焊方法 4.2.1 4.2.1 焊条电弧焊焊条电弧焊 电弧焊电弧焊利用利用电极电极形成的形成的电弧电弧，使被，使被焊工件的局部加热到焊工件的局部加热到熔化状态熔化状态而焊接的方法。而焊接的方法。电弧焊冶金特点：电弧焊冶金特点：（1 1）温度高于冶金温度，在电极区）温度高于冶金温度，在电极区2400-2400-2600K2600K，会使元素烧损。，会使元素烧损。（2 2）熔池体积小，冷却快，冶金不充分，
12、）熔池体积小，冷却快，冶金不充分，气体夹杂来不及上浮。气体夹杂来不及上浮。1 1、焊接过程、焊接过程 电弧在焊条与被焊工件之间燃烧。电弧在焊条与被焊工件之间燃烧。工件和焊芯工件和焊芯同时熔化，成为同时熔化，成为熔熔池池；药皮熔化后与液态金属发生物药皮熔化后与液态金属发生物理化学反应（冶金反应），所形成的理化学反应（冶金反应），所形成的熔渣熔渣不断从熔池中向上浮起；不断从熔池中向上浮起；药皮燃烧产生大量药皮燃烧产生大量COCO2 2、COCO、H H2 2等等保护气体保护气体，围绕在电弧周围，熔渣，围绕在电弧周围，熔渣和气体能防止空气中氧和氮的侵入，和气体能防止空气中氧和氮的侵入，起起保护液态金
13、属保护液态金属的作用。的作用。电弧向前移动时，工件和焊条金电弧向前移动时，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。减缓金属的冷却速度有着重要的作用。2 2、焊接焊接电弧电弧 电弧是一种气体导电现象。电弧是一种气体导电现象。通常空气并不导电，在一定通常空气并不导电，在一定电场作用下，可使气体分解电场作用下，可使气体分解为带电粒子，这些带电
14、粒子为带电粒子，这些带电粒子在电场作用下作定向运动，在电场作用下作定向运动，以高速向正极运动，产生了以高速向正极运动，产生了强烈的光和热，这就是电强烈的光和热，这就是电弧，电弧的热量与电流弧，电弧的热量与电流I I、电、电压压V V成正比，成正比，I I越大，则粒子越大，则粒子的作用速度快，产生的总热的作用速度快，产生的总热量就高。量就高。一般，电弧热量在阳极区产一般，电弧热量在阳极区产生较多，而阴极区由于放出大生较多，而阴极区由于放出大量电子时，消耗了一定的能量，量电子时，消耗了一定的能量，所以，产生的热量相对少一些，所以，产生的热量相对少一些，由于这个热量的差异，使得焊由于这个热量的差异，
15、使得焊接时有两种接线方法。接时有两种接线方法。交流电弧焊时，正负极任意接。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。直流电弧焊时，分为正接法和反接法。3 3、电焊条、电焊条 焊芯焊芯导电导电、填充焊缝金属填充焊缝金属的作用；的作用；药皮药皮熔渣隔离空气、使焊缝金属脱熔渣隔离空气、使焊缝金属脱氧去硫并补充有益元素、稳定电弧，从而使焊氧去硫并补充有益元素、稳定电弧，从而使焊缝具有一定的缝具有一定的化学成分和力学性能化学成分和力学性能。焊芯（焊丝）焊芯（焊丝）是组成焊缝金属的主是组成焊缝金属的主要材料。要材料。其化学成分及质量将直接影响焊缝质其化学成分及质量将直接影响焊缝质量。因
16、此国家标准对其作了相应规定。量。因此国家标准对其作了相应规定。如果被焊件是不锈钢、合金结构钢，则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。应选用合金钢焊条或焊丝。按成分和用途分为九大类。（按成分和用途分为九大类。（p125p125）焊条的选用原则焊条的选用原则 使焊缝和母材具有相同的使用性能：使焊缝和母材具有相同的使用性能：低碳钢和普通低合金钢构件低碳钢和普通低合金钢构件，选择相同强，选择相同强度等级的焊条，但要注意到，如度等级的焊条，但要注意到，如Q235Q235给出的是给出的是s s，而焊条给出的是而焊条给出的是b b 指标；指标；同一强度等级的酸性和碱性焊条的选择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；时可选用酸性焊条；低碳钢与低合金钢焊接（异种钢接头）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。可按其中强度较低的材料选用焊条。铸钢的焊接铸钢的焊接，一般需预热处
