第四章

焊接基本原理一、焊接的實質焊接的實質是使兩個分離的物體通過加熱或加壓，或兩者并用，在用或不用填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯系與質點的擴散作用形成一個整體的過程。1、焊接電弧由焊接電源供給、具有一定電壓的兩極間或電極與母材間，在氣體介質中產生的強烈而持久的放電現象稱為焊接電弧。1電弧燃燒后，弧柱中充滿了高溫電離氣體，放出大量的熱能和強烈的光。焊接電弧由陰極區、陽極區和弧柱三部分組成。陰極區是電弧緊靠負電極的區域，陰極區很窄，約為0.1um-0.01um，溫度約為2400K。陽極區是指電弧緊靠正電極的區域，陽極區較陰極區寬，約為10um-1um，溫度約為2600K。電弧陽極區和陰極區之間的部分稱為弧柱，弧柱區溫度最高，可達6000K-8000K。焊接電弧兩端間（指電極端頭和熔池表面間）的最短距離稱為弧長。22、焊接的冶金特點（1）熔池中冶金反應不充分，化學成分有較大的不均勻性，常常發生偏析、夾雜等缺陷。（2）在高溫電弧作用下，氧、氫、氮等氣體分子吸收電弧熱量而分解成化學性質十分活潑的原子或離子狀態，它們很容易溶解在液體金屬之中，造成氣孔、氧化、脆化和其它缺陷。（3）在熔劑或藥皮中加入比鐵氧化能力強的硅鐵、錳鐵等物質，除起到滲入合金作用、補充燒損元素外，亦可起到脫氧作用。（4）焊縫中硫或磷的質量分數超過0.04%時，極易產生裂紋。因此，應選用含硫、磷低的焊接原材料，并通過在焊劑或藥皮中加石灰石、氟石等脫硫脫磷，以保證焊縫質量。3二、焊接接頭的組織和性能焊接接頭由四部分組成：焊縫、熔合區、熱影響區、熱應變脆化區。1—焊縫；2—熔合區；3—熱影響區；4—熱應變脆化區41、焊縫焊縫是由熔池的液態金屬凝固結晶而成，通常由填充金屬和部分母材金屬組成。因結晶是從熔池邊緣的半熔化區開始的，低熔點的硫磷雜質和氧化鐵等易偏析集中在焊縫中心區，影響焊縫的力學性能。2、熔合區熔合區為焊接接頭中焊縫向熱影響區過渡的區域。熔合區旁邊是熔合線，是焊接接頭中母材熱影響區與焊縫的交界部位，即焊縫輪廓線，此線是不規則的、呈鋸齒形曲線。溶合線附近，由于溫度高，母材晶粒發生嚴重長大，使焊縫金屬塑性下降，是力學性能最差的部位，熔合線組織與性能也不均勻。53、熱影響區熱影響區是焊縫兩側母材因焊接熱作用（但未熔化）而發生金相組織和力學性能變化的區域，這個區域是焊接接頭最薄弱的地方。實踐表明，焊縫質量在相當程度上決定于熱影響區。例如，焊縫破裂往往發生在熱影響區，當然也有發生在焊縫中部，那是由于未焊透、夾渣等缺陷引起。組織及性能:在熱影響區內，各處離開焊縫金屬距離不同，材料被加熱和冷卻速度也不同，從而形成了多種金相組織區，使其力學性能也不同。以低碳鋼為例說明熱影響區的三個金相組織區：過熱區：對于焊接剛度大的結構或含碳量高的易淬火鋼，常在此區產生裂紋。6正火區：焊接接頭中組織和性能最好的區域。部分相變區：力學性能不均勻。74、熱應變脆化區由于焊接熱應變作用而發生脆化的區域稱為熱應變脆化區。形成的原因及條件是，對于低碳鋼、低合金高強度鋼和低合金低溫鋼，當鋼中含有較高的氮時，在焊接熱循環和焊接應變循環作用下，焊接接頭某些區域會出現熱應變脆化現象。熱應變脆化區的塑性和韌性顯著下降，這是焊接接頭另一薄弱地帶，必須引起注意。5、影響焊接接頭性能的因素——主要為影響熱影響區的因素（1）焊接材料（焊條、焊絲、焊劑）（2）焊接方法（熱源、保護效果）（3）焊接工藝（焊接電流、電壓、速度）（4）焊后熱處理（5）接頭形式、工件厚度、施工環境等86、提高焊接接頭質量的措施：（1）合理的選用焊接方法和焊接規范，減少熱影響區的影響焊接方法：優先采用手工電弧焊、氣保焊、埋弧焊等，少用氣焊和電渣焊等。焊接規范：小直徑焊條（或焊絲）、小電流、快速焊、多層焊等。（2）焊前預熱、焊后熱處理，細化晶粒，清除硬化組織。（3）加強對焊縫金屬的保護。

三、焊接應力與變形焊接應力和變形：分別是指焊接過程中焊件內產生的應力和變形。91、焊接應力與變形的產生原因在焊接過程中，對焊件進行局部的不均勻加熱，會產生焊接應力和變形。焊接應力和焊接變形總是同時存在，不會單獨存在，當母材塑性較好，結構剛度較小時，焊接變形較大而應力較小；反之，則應力較大而變形較小。

102、焊接應力與變形的不利影響（1）降低承載能力；（2）引起焊接裂紋，甚至脆斷；（3）在腐蝕介質中，產生應力腐蝕裂紋；（4）引起變形。焊接應力：焊接變形：（1）影響工件形狀、尺寸精度；（2）影響組裝質量；（3）增大制造成本——矯正變形費工、費時；（4）降低承載能力——變形產生了附加應力。3、焊接裂紋與焊接變形的形式焊接裂紋包括縱向裂紋、橫向裂紋、內部裂紋、根部裂紋等；焊接變形的基本形式：角變形、彎曲變形、波浪變形、收縮變形、扭曲變形、錯邊變形等。11焊接變形基本形式124、控制焊接變形的措施（1）設計措施盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理選用焊縫的截面形狀，合理安排焊縫位置——盡量使焊縫對稱或接近于構件截面的中性軸（以減少彎曲變形）。焊縫位置安排13（2）工藝措施①反變形法：即焊前使構件產生與焊接殘余變形方向相反的變形，使焊后變形相互抵消。a)預置反變形b）塑性預彎反變形c）強制預彎反變形14②加余量法：工件下料時，給工件尺寸加大一定的收縮余量，以補償焊后的收縮。③剛性固定法：即焊前將焊件剛性固定，對防止角變形和失穩變形較有效，該法會增大焊接應力，為防止產生裂紋，一般只用于塑性好的材料。a）用夾具夾緊凸緣b）用壓鐵壓緊薄板15④合理選用焊接方法和焊接規范盡量選用能量較集中的焊接方法，如以CO2焊、等離子弧焊等代替氣焊和焊條電弧焊。⑤選用合理的裝配焊接順序焊接結構分成若干件，分別裝配焊接，最后再拼焊成一體，對稱布置的焊縫對稱施焊或同時施焊。長焊縫，可采用逆向分段焊，厚板焊接采用多層焊。5、焊接變形的矯正（1）機械矯正法用機械的方法將變形矯正過來，生產中常用的設備有輥床、壓力機、矯直機等；薄板焊接最常見的變形為波浪變形，其矯正較難，一般用錘擊法進行矯正。16a）用壓力機矯正彎曲變形b）用輥輪矯正失穩變形（2）火焰矯正法采用局部加熱焊件的某些部位，使其受熱時膨脹，受周圍冷金屬制約引起長度方向被壓縮，冷卻時收縮而矯正變形。火焰矯正一般采用一般的氣焊炬。17a）矯正角變形b）矯正彎曲變形6、焊接應力的調節和消除（1）調節焊接應力的措施：①盡量減少焊縫數量和尺寸并避免焊縫密集和交叉。多采用型材、沖壓件或鑄件，薄板結構采用電阻焊代替熔焊。18其工藝措施主要有以下幾點：①采用合理的焊接順序，使焊縫收縮較為自由。宜先焊錯開的短焊縫，再焊直通的長焊縫。拼板焊縫的焊接順序②降低焊接接頭的剛度。③加熱減應區，以便焊后收縮時，加熱區與焊縫一起收縮，減少焊縫的約束。19④錘擊焊縫，用圓頭小錘對焊后紅熱的焊縫金屬進行均勻適度錘擊，以延伸變形，補償其收縮，同時釋放出部分能量，減小焊接應力。⑤預熱和后熱，即焊前或焊后對焊件全部（或局部）進行適當加熱，減少溫差，只適用于塑性差，易產生裂紋的材料。⑥采取去應力退火的方法將焊件整體或局部加熱到600℃-650℃，保溫一定時間后（不小于1h）緩慢冷卻，這樣可消除焊接余應力80％-90％。（2）焊接應力的消除方法：①去應力退火：又稱高溫回火，焊后鋼件加熱溫度為500～650℃，可進行整體去應力退火，也可以局部退火。20②機械拉伸法：即對焊件施加載荷，使焊縫區產生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應力。③溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側金屬受熱膨脹以對焊縫區進行拉伸，使其產生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應力，該法適用于焊縫較規則，厚度在40㎜以下的板殼結構。1-噴水排管；2-焊件；3、4-氧乙炔焰炬21④振動法：通過激振器使焊接結構發生共振產生循環應力來降低或消除內應力。該法設備簡單、成本低，處理時間短且無加熱缺陷，值得推廣。四、焊接缺陷及檢驗方法焊接缺陷是指焊接過程中在焊接接頭中產生的不符合設計或工藝條件要求的缺陷，主要有焊接裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊和焊瘤等。焊接缺陷的危害：（1）產生應力集中，降低承載能力；（2）引起裂紋，縮短使用壽命；（3）造成脆斷。1、焊接裂紋（1）熱裂紋：指在固相線附近的高溫階段產生的裂紋。22熱裂紋常發生在焊縫區，在焊縫結晶過程中產生的叫結晶裂紋，也有發生在熱影響區中，在加熱到過熱溫度時，晶間低熔點雜質發生熔化，產生裂紋，叫液化裂紋。特征：沿晶界開裂（故又稱晶間裂紋），斷口表面有氧化色。熱裂紋的防止措施：①限制鋼材和焊材的低熔點雜質，如S、P含量。②控制焊接規范，適當提高焊縫成形系數（即焊道的寬度與計算厚度之比），焊縫成形系數太小，易形成中心線偏析，易產生熱裂紋。③調整焊縫化學成分，避免低熔點共晶物；縮小結晶溫度范圍，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，提高塑性，減少偏析。23④減少焊接拉應力。⑤操作上填滿弧坑。（2）冷裂紋：指在馬氏體開始轉變溫度以下產生的裂紋。特征：無分支、穿晶開裂、斷口表面無氧化色。焊縫區和熱影響區都可能產生冷裂紋，常見冷裂紋形態有三種：①焊道下裂紋：在焊道下的熱影響區內形成的焊接冷裂紋，常平行于熔合線發展。②焊指裂紋：沿應力集中的焊址處形成的冷裂紋，在熱影響內擴展。③焊根裂紋：沿應力集中的焊縫根部所形成的冷裂紋，向焊縫或熱影響發展。24a-焊道下裂紋；b-焊趾裂紋；c-焊根裂紋焊接冷裂紋最主要、最常見的冷裂紋為延遲裂紋（即在焊后延遲一段時間才發生的裂紋——因為氫是最活躍的誘發因素，而氫在金屬中擴散、聚集和誘發裂紋需要一定的時間）。延遲裂紋的產生原因：①焊接接頭存在淬硬組織，性能脆化。②擴散氫含量較高，使接頭性能脆化，并聚集在焊接缺陷處形成大量氫分子，造成非常大的局部壓力。25③存在較大的焊接拉應力防止延遲裂紋的措施：①選用堿性焊條，減少焊縫金屬中氫含量、提高焊縫金屬塑性。②減少氫來源焊材要烘干，接頭要清潔（無油、無銹、無水）。③避免產生淬硬組織棗焊前預熱、焊后緩冷（可以降低焊后冷卻速度）。④降低焊接應力采用合理的工藝規范，焊后熱處理等。⑤焊后立即進行消氫處理（即加熱到250℃，保溫2～6左右，使焊縫金屬中的擴散氫逸出金屬表面）。262、氣孔：（1）氣孔產生原因：在熔池液態金屬冷卻結晶時，產生了氣體，而且冷卻速度較快，氣體來不及逸出而導致。（2）氣孔的類型：①氫氣孔：焊接時，電弧氣氛中氫比較多，在高溫時，大量的氫溶入熔池液態金屬中，在熔池冷卻結晶時，由于氫的溶解度急劇下降，析出氫氣，造成氫氣孔。②一氧化碳氣孔：FeO+C→Fe+CO↑熔池中FeO越多，產生CO氣孔的傾向就越大，同理，液態金屬中含碳量越多，也越易產生CO氣孔。③氮氣孔：保護效果不好，空氣中的氮氣進入熔池而導致。27（3）防止措施：①烘干焊條