焊接的基礎知識[1]

1、焊接的基礎知識一、概述在金屬結構和機械制造中，總是將需要兩個或兩個以上的零件，按一定的形狀和位置連接起來，并保證足夠的連接強度。連接的方式主要有兩類：一類是可以拆卸的，如螺栓連接，銷釘連接，鍵連接等；另一類是永久性的，如焊接，鉚接。焊接是一種生產不可拆卸的結構的工藝方法。焊接作為一門獨立的科學，已廣泛的應用于國民經濟的各個領域。據(jù)統(tǒng)計世界工業(yè)發(fā)達國家的焊接耗鋼量占鋼材總產量的45%左右，可見焊接技術的應用領域是很廣闊的。我國采用焊接技術已成功地制造了各種大型的高質量的設備和設施，如大型的桁架結構,萬噸水壓機，大型高壓化工容器，大型油輪，發(fā)電設備等。焊接的優(yōu)缺點焊接與栓接、鉚接、鑄件及鍛件相比，

2、具有下列優(yōu)缺點：、節(jié)省金屬材料，減輕結構重量，經濟效益好；、簡化加工和裝配工序，生產周期短，生產效率高；、結構強度高，接頭密封性好；、為結構設計提供了很大的靈和性；、焊接工藝過稱容易實現(xiàn)機械化和自動化；、焊接結構容易引起較大的殘余變形和焊接內應力。由于絕大多數(shù)焊接方法都采用局部加熱，不可避免的在結構中產生一定的焊接應力和變形，從而影響結構的承載能力、加工進度和尺寸穩(wěn)定性。同時在韓風和焊件交界處還會引起應力集中，對結構的脆性斷裂有較大的影響；、焊接接頭中存在一定數(shù)量的缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等。缺陷的存在會降低接頭強度，引起應力集中。損壞焊縫的致密性，是造成焊接結構破壞的主要原因

3、之一；、焊接接頭具有較大的性能的不均勻性。由于焊縫的成分及金相組織與母材不同，接頭各部位經歷的焊接熱循環(huán)不同，使得焊接接頭不同區(qū)域的性能不同；、焊接過稱中產生高溫、強光及有害氣體，對人體有一定的危害。 1、焊接的分類焊接的定義：焊接是通過加熱或加壓，或同時加熱加壓，并且用或者不用填充材料，使焊件達到原子間結合的一種加工方法。按照焊接時的工藝特點及母材所處的狀態(tài)，將焊接分為熔化焊，壓力焊和釬焊三大類。、熔化焊：在焊接中將焊接接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力的焊接方法。主要有氣焊，手工電弧焊，埋弧焊， CO2氣體保護焊，鎢極氬弧焊（TIG），熔化極氬弧焊（MIG），激光焊，電子束焊等。、壓力焊：在焊接

4、過程中，對焊接部位施加一定的壓力，加熱或不加熱的焊接方法。a、將被焊金屬的接頭部位加熱至塑性狀態(tài)或局部熔化狀態(tài)，然后施加一定的壓力，使金屬原子間相互結合形成焊接接頭，主要有電阻電焊，縫焊，閃光焊，摩擦焊，高頻焊等。b、僅在被焊金屬間施加足夠的壓力，借助壓力引起的塑性變形使金屬原子間相互結合形成焊接接頭，如冷壓焊，超聲波焊，爆炸焊。c、在被焊金屬間施加足夠的壓力并同時加熱借助壓力和原子的熱擴散使金屬原子間相互結合形成焊接接頭，如熱壓焊。、釬焊：采用熔點比被焊材料低的金屬材料作為釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，但低于母材熔點，利用液態(tài)釬料的毛細作用濕潤母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴散達到

5、連接焊件的方法。主要有：洛鐵釬焊，火焰釬焊，電阻釬焊，電弧釬焊，感應釬焊，鹽浴釬焊，爐中釬焊，真快釬焊，超聲波釬焊等a、軟釬焊，用熔點低于450的釬料進行焊接，接頭前度較低。b、硬釬焊，用熔點高于450的釬料進行焊接，接頭前度較高。2、常用的熔化焊方法、手工電弧焊：用電弧為熱源，焊條為電極和填充金屬的焊接方法。特點：設備簡單，操作靈活，焊條品種齊全，焊接成本高，效率較低，重要接頭對工人的操作技能要求高。、埋弧焊：電弧在焊劑層下燃燒，利用電氣和機械裝置控制送絲和移動速度的焊接方法。特點：焊接效率高，焊縫成型美觀，焊接質量好，勞動生產率高，實現(xiàn)了自動焊接，改善了勞動條件，焊接位置和焊件形狀受限制。

6、、氣焊氣體保護電弧焊：用外加氣體作為電弧介質并保護熔滴、電弧、熔池和高溫區(qū)母材的電弧焊方法，常用氣體有：氬氣、氦氣、CO2氣，混合氣。特點：明狐焊接，熔池可見度好，操作方便，適合于各種空間和位置焊接，有利于實現(xiàn)自動化，焊接變形小，焊接參數(shù)調節(jié)范圍廣，焊接區(qū)保護氣體抗外界干擾能力弱，電弧輻射強。3、焊接電弧焊接電弧的產生：電弧是焊接電源供給的具有一定電壓的兩極件或電極與焊件間，在氣體介質中產生的強烈而持續(xù)的放電現(xiàn)象。引燃電弧的方法、接觸短路引弧法。、高頻、高壓引弧法。焊接電弧的結構：焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱三部分組成。弧柱區(qū)的溫度最高，達500030000K.二、焊接接頭1、焊接接頭的特點

7、用焊接方法連接的接頭叫焊接接頭。焊接接頭包括焊縫，熔合區(qū)（熔合線）和熱影響區(qū)三部分。2、焊縫金屬的性能焊縫金屬的性能是由組成焊縫的熔合比（母材與焊縫的比例）、冶金反應和冷卻結晶的金相組織決定的。冶金反應很復雜，包括氧化還原、脫硫、脫磷，滲合金等。、焊接熔池的一次結晶特點a、熔池體積小，冷卻速度大。對于含碳量高，低合金元素含量較高的鋼種容易產生硬化組織和結晶裂紋。b、合金元素燒損嚴重。c、溫差大，焊縫冷卻速度快，熔池是在很大的溫差條件下結晶，促使柱狀晶的生成。這一系列的反應決定了焊縫的性能。焊縫中的偏析熔池在一次結晶過程中，由于冷卻速度大，已凝固的焊縫金屬中的化學成分來不及擴散，在焊縫中各個區(qū)域

8、的合金元素分布不均勻，這種現(xiàn)象較偏析。偏析對焊縫的性能影響很大，造成焊縫的化學成分不均勻，性能改變，也是產生裂紋、夾渣和氣孔等缺陷的主要原因之一。焊縫的偏析主要包括顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析三種。a、顯微偏析，在一個晶粒內部或晶粒之間的化學成分不均勻現(xiàn)象。b、區(qū)域偏析，熔池結晶時，由于柱狀晶的不斷長大和推移，會將雜質推向熔池中心，使得熔池中心的雜質比其它部位多。焊縫的斷面形狀對區(qū)域偏析的分布有很大的影響。窄而深的焊縫，各柱狀晶的交界在焊縫中心，有較多的雜質聚集在焊縫中心，極易產生熱裂紋。寬而淺的焊縫，雜質聚集在焊縫上部，具有較高的抗熱裂紋的能力。c、層狀偏析，是在焊縫橫斷面上出現(xiàn)的分層組織，

9、不同的分層，化學成分分布不均勻，使得焊縫的性能和耐蝕性能不均勻。、焊縫中的氣體和夾渣物對焊縫性能的影響（N2，H2，O2）氮，提高焊縫金屬強度，降低塑性和韌性，產生氣孔。氫，引起鋼的氫脆和白點，是鋼的硬度升高，塑性、韌性嚴重下降，氫是焊縫中產生氣孔和冷裂紋的主要因素。氧，隨著焊縫含氧量的提高鋼的強度、塑性、韌性明顯下降。夾渣物，焊后殘留在焊縫中的非金屬雜質。氧化物，主要有：SiO2，MnO,TiO2.Al2O3，。硫化物，MnS，F(xiàn)eS。、焊縫金屬的二次結晶，焊縫金屬一次結晶后已轉變成固態(tài)焊縫，焊縫金屬釉高溫冷卻到室溫時要產生一系列相變過程，稱為焊縫金屬的二次結晶，A-P3、熔合區(qū)和熱影響區(qū)、

10、焊接熱循環(huán)，在焊接過程中熱源是沿著焊件移動的，在焊接熱源作用下，焊件上某點的溫度隨著時間變化的過稱稱為該點的焊接熱循環(huán)。影響焊接熱循環(huán)的因素：焊接線能量；預熱和層間溫度，板厚和接頭形式。、焊縫熱影響區(qū)的組織和性能過熱區(qū)，具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。這個區(qū)域金屬被加熱到1100-1490，晶粒嚴重長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使得金屬塑性降低，沖擊韌性下降明顯，是焊接接頭的薄弱區(qū)域。正火區(qū)，這個區(qū)域金屬被加熱到900-1100，冷卻后產生正火組織，晶粒得到了細化，該區(qū)域綜合性能好。部分相變區(qū)（不完全結晶區(qū)），這個區(qū)域金屬被加熱到750-900，使得一部分金屬受到正火處理，另一部分組織轉變

11、不完全，晶粒大小不均勻，力學性能不均勻，強度有所下降，鋼在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)組織分布是不均勻的，熔合區(qū)和過熱區(qū)有嚴重的晶粒長大現(xiàn)象，是整個焊接接頭的薄弱部位。對于含碳量高、合金元素較多、淬硬傾向較大的鋼種，將出現(xiàn)淬火馬氏體組織，使焊接接頭塑性下降，并且容易出現(xiàn)裂紋。對于調質鋼和正火鋼，還對鋼的調質狀態(tài)和正火狀態(tài)造成破壞。4、影響焊接接頭的性能及質量控制、焊接材料的選擇：等強性原則，等同性原則，等條件原則。、焊接工藝方法。、熔合比。、焊接線能量及工藝參數(shù)。、操作方法的選擇。、預熱和焊后熱處理。三、焊接應力和變形焊接結構在制造過程中總會產生焊接應力和變形，使得焊件的的形狀和尺寸發(fā)生偏差，承

12、載力有所下降。同時焊接應力使焊件在焊接過程中或焊后產生焊接裂紋。1、焊接應力和變形產生的原因、焊接應力和變形通常當物體受到外力作用時，在其內部要產生內應力。內應力是在沒有外力的條件下平衡于內部的應力，在焊接時焊件由于不均勻的加熱和冷卻，使其內部產生應力，這種應力稱為焊接應力。焊接殘余應力是焊后殘留于焊件內部的應力。焊后焊件殘留的變形叫焊接殘余變形。焊接殘余變形通常是一種焊后不能回復的塑性變形，只能殘留在焊件上，是由焊接內應力引起的。、焊接應力和變形產生的原因，在焊接過程中，電弧電源對焊件進行了局部不均勻的加熱，焊縫及其附近的金屬被加熱的高溫時，由于受到其周圍較低溫度金屬的限制，不能自由膨脹而產

13、生了壓應力，如果壓應力足夠大，就會產生壓縮塑性變形，當焊縫及其附近金屬冷卻發(fā)生收縮時，同樣也會由于受到其周圍較低溫度金屬的限制，不能自由的收縮，在產生一定的拉伸變形的同時產生了焊接拉應力，為了平衡焊接拉應力，在焊件的相應部位必然產生壓應力。2、焊接應力及其控制、焊接應力的分類在焊接過稱中內引力的產生，按作用位置可分為線應力平面應力和體積應力。按應力與焊縫的相對位置可分為橫向應力和縱向應力。按應力成形原因可分為熱應力、拘束應力和氫致應力。、影響焊接應力的因素焊接件的坡口形式和尺寸；焊接材料的性能；結構本身的剛性及其焊接時外加的剛性拘束的大??；所選用的焊接方法；焊接條件（預熱、層間溫度、后熱等），

14、焊接線能量及焊接操作方法等；、減少焊接應力的措施a、設計措施減少焊縫數(shù)量，在保證結構有足夠的強度和剛性的前提下，應盡量減少焊縫的數(shù)量，縮短焊縫尺寸，合理的選擇接頭形式和坡口尺寸；對稱布置焊縫，應盡量不要使焊縫過分集中，避免應力疊加，避免十字交叉焊縫和連續(xù)焊縫。b、工藝措施選擇合理的焊接順序；預熱；采用較小的焊接線能量；錘擊焊縫；減少氫的措施和消氫處理。、消除焊接殘余應力的方法消除焊接殘余應力的必要性和可能性。下列情況下考慮消除焊接殘余應力：要求承受低溫或動載有發(fā)生脆斷危險的結構；厚度超過一定限度的焊接容器；要進行緊密加工的構件；有可能產生應力腐蝕破壞的構件。消除焊接殘余應力的方法整體消除應力退

15、火；局部消除應力退火；中間消除應力退火；機械拉伸法；低溫處理法；機械振動法；超聲波振動法。3、焊接變形及其控制、焊接變形的分類焊接變形包括：構件尺寸變化（縱向縮短和橫向縮短）、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形等。、影響焊接變形的因素焊縫位置，焊縫布置不對稱或焊縫截面重心與焊件截面重心不重合時易引起彎曲變形和角變形。結構剛性，焊件的變形程度與剛性有關剛性越大變形越小。裝配焊接順序。焊接工藝參數(shù)的選擇。坡口大小及坡口形式。、控制焊接變形的措施設計措施選擇合理的焊縫尺寸，在滿足結構的承載力和保證焊接質量的前提下根據(jù)板厚選擇工藝上可能的最小焊縫尺寸；盡可能的減少焊縫數(shù)量；合理的安排焊縫位置。工藝措

16、施預留收縮余量；選擇合理的裝配和焊接順序；采取反變形措施；對工件采取外加的剛性約束；強迫冷卻焊接區(qū)域；錘擊焊縫；采用高能量的焊接方法。、焊接變形的矯正方法冷矯正法（機械矯正法），通過拉伸或壓縮等機械外力，使工件產生局部塑性變形進行矯正；火焰矯正法，利用火焰對工件局部加熱，用加熱和冷卻后的收縮引起的新變形來抵消已有的變形。加熱的方法主要有點狀加熱，線狀加熱和三角形加熱。4、焊接缺陷和檢驗方法在焊接接頭中產生的不符合設計或工藝要求的缺陷稱為焊接缺陷。、焊縫形狀缺陷a、焊縫尺寸不符合要求，焊縫高低不平，寬窄不齊，焊縫尺寸過大或過小，角焊縫尺寸不對稱等。b、咬邊，沿著焊縫邊沿燒熔形成的溝槽或凹陷。c、

17、未焊透，焊接接頭根部未完全熔透；d、未熔合，焊道與焊道或焊道與母材之間未完全熔化結合；e、燒穿，熔化金屬從焊縫背面流出，形成穿孔的缺陷；f、焊瘤，焊縫金屬流淌的焊縫之外形成的金屬瘤；g、弧坑，焊縫收弧處產生的未填滿。、氣孔與夾渣和夾雜a、氣孔，焊接是熔池中的氣體在熔池凝固時未能及時逸出而殘留下來所產生的空穴。按出現(xiàn)的位置分為表面氣孔和內部氣孔，按產生原因分為氫氣孔和CO氣孔。預防措施：選擇好焊接材料和焊接方法；加強焊前清理；正確的選擇焊接參數(shù)；b、夾渣和夾雜焊后殘留在焊縫中的熔渣稱為夾渣；由于焊接冶金反應產生的、焊后殘留在焊縫金屬中的非金屬雜質稱為夾雜。產生原因，冶金反應產生了高熔點、密度大的

18、金屬或非金屬氧化物，這些氧化物不容易從熔池中浮起，也有可能產生低熔點硫化物共晶形式的夾雜；工藝方面焊接工藝參數(shù)不合理，焊前清理不干凈或層間清理不徹底。預防措施：選擇脫渣性、脫硫、脫氧性能好焊接材料；選擇合理的焊接坡口和焊接工藝參數(shù)；平穩(wěn)運條；層間仔細清理；雙面焊時，徹底清根；焊接時保護好熔池，防止空氣侵入。、裂紋a、熱裂紋，在焊接過程中焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產生的裂紋。是一種不容許存在的焊接缺陷。按產生的形態(tài)和機理分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋。產生原因，聚集在晶粒邊界或焊縫中心的液態(tài)低熔點物質，在焊縫冷卻過程中產生的拉引力作用下開裂。預防措施：限制鋼材和焊接材料中易偏

19、析元素和有害雜質的含量，定量降低硫、磷含量，降低含碳量；調節(jié)焊縫金屬的化學成分，改善焊縫組織，細化晶粒，調高焊縫的塑性，減少偏析程度；控制焊接工藝參數(shù)；提高焊條和焊劑的堿性，降低焊縫中的雜質含量；采取降低焊接應力的工藝措施；填滿弧坑；b、冷裂紋，焊接接頭冷卻到較低溫度（馬氏體轉變溫度）下所產生的裂紋，也成為延遲裂紋，具有很大的危險性。產生原因，鋼材的淬硬傾向，焊接接頭的含氫量和焊接接頭的拘束應力是焊接高強鋼產生冷裂紋的三大要素。預防措施：嚴格控制氫的來源，選擇低氫焊材，加強焊前清理，選擇低氫焊法（CO2氣保焊）。提高焊縫金屬的塑性。降低焊接應力，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和線能量，控制焊接接頭的冷

20、卻速度。焊前預熱，控制層間溫度，焊后緩冷及消氫處理；選擇合理的焊接順序減少焊接應力；減少焊接缺陷以減少應力集中點；進行焊后熱處理。c、再熱裂紋，焊件在一定溫度內再次加熱而產生的裂紋。再熱裂紋產生在焊接熱影響區(qū)的過熱粗晶組織中。產生原因，只有用Cr、Mo、V、Ti、Nb等沉淀強化的珠光體耐熱鋼、低合金鋼及不銹鋼等才產生再熱裂紋；產生于厚厚件和應力集中處；產生于一定的溫度范圍內；一定的高溫停留時間。預防措施：降低殘余應力，減少應力集中；選用低強度焊接材料；控制焊接線能量；增加中間熱處理工序；d、層狀撕裂，在焊接構件中，沿鋼板扎層形成的呈階梯狀的裂紋，層狀撕裂大都發(fā)生在大厚板的T型接頭。預防措施：降

21、低鋼材中的S、Si、Ai、O含量，選擇抗層狀撕裂鋼；減小工件外部約束；合理選擇接頭形式；預堆焊層。4、焊接檢驗焊接檢驗分非破壞性檢驗和破壞性檢驗兩大類。、破壞性檢驗a、焊接接頭的力學性能檢驗，焊接接頭的拉伸試驗，測定焊接接頭的強度（屈服強度，抗拉強度），塑性（伸長率，斷面收縮率），檢驗斷口缺陷，驗證焊接工藝和焊接材料。焊接接頭的拉伸試驗；全焊縫拉伸試驗；合格標準：焊接接頭抗拉強度不低于母材規(guī)定值的下限；全焊縫金屬拉伸試樣的抗拉強度不低于母材規(guī)定值的下限，伸長率不低于母材伸長率的80%。彎曲試驗，檢驗焊接接頭的塑性，反映焊接接頭各區(qū)域的塑性差別，暴露焊接缺陷，檢驗熔合線的結合質量。彎曲試驗分為面

22、彎、背彎和側彎。沖擊試驗，檢驗焊縫金屬和焊接接頭的沖擊韌性和缺口敏感性。硬度試驗，測定焊縫和熱影響區(qū)的硬度值，比較焊接接頭各區(qū)域的性能差別及熱影響區(qū)的淬硬傾向。b、金相檢驗主要觀察由于焊接熱過程和冶金特點所造成的金相組織變化和微觀缺陷，從而評價焊接材料、工藝方法和焊接參數(shù)等。分宏觀金相分析和微觀金相分析。c、焊接性試驗（鐵研試驗、插銷試驗等），評價鋼材的焊接性。d、化學分許試驗。、非破壞性試驗a、外觀檢驗，檢驗工件的外形尺寸，焊接接頭質量。b、密封性檢驗水壓試驗；氣壓試驗，充氣檢查；沉水檢查；氨氣檢查；煤油滲漏試驗。d、無損探傷檢驗射線探傷；超聲波探傷；磁粉探傷；著色探傷（滲透探傷）四、常用鋼

23、材的焊接1、鋼材的分類鋼是含碳量小雨2%的鐵碳合金。、按鋼材中的含碳量分：低碳鋼，含碳量低于0.25%；中碳鋼，含碳于0.25%0.6%；高碳鋼，含碳量大于0.6%。、按鋼的品質分：普通碳素鋼，鋼中硫、磷含量較高，分別為S0.055%，P0.045%；優(yōu)質碳素鋼，鋼中硫、磷含量均0.04%。、按鋼的用途分：結構鋼；工具鋼；特殊性能鋼（耐熱鋼，耐候鋼，低溫鋼，容器用鋼，船用鋼，不銹鋼等）。、按化學成分，如：35CrMo，14MnNb等；、按強度等級和質量等級分，如：Q235A，Q420E等.2、鋼材的焊接性、焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應性。主要是指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的

24、難易程度，包括兩方面內容：接合性能，在一定的焊接工藝條件下，一定金屬形成焊接缺陷的敏感性；使用性能，在一定的焊接工藝條件下，一定金屬的焊接接頭對使用要求的適應性。研究鋼的焊接性，是指鋼在一定的焊接條件下，經過各種反應，形成具有一定使用性能的完整的焊接接頭的能力。、影響焊接性的因素材料因素，母材和焊材的成分。工藝因素，如焊接方法、坡口形式和加工質量、預熱后熱措施、層間溫度控制、裝配質量、電源種類和極性等。結構因素，焊接接頭的布置，讓焊接接頭處于剛度較小的狀態(tài)，避免出現(xiàn)截面突變、余高過大、交叉焊縫等，減少應力集中。使用條件，工作溫度、工作介質、載荷性質等，屬于工藝焊接性考慮的范圍。、鋼材焊接性的評

25、價方法a、碳當量法，根據(jù)鋼材的化學成分與焊接熱影響區(qū)淬硬性的關系，把鋼中合金元素按其成分折合成碳的相當含量，作為粗略地評定鋼材焊接性的一種參考指標。國際焊接學會推薦的公式如下：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/15+(Ni+Cu)/5碳當量越大，鋼材的淬硬傾向越大，冷裂紋的敏感性越大。b、直接試驗法，按照規(guī)定的工藝參數(shù)焊接試板，檢測焊接接頭對裂紋、氣孔、夾渣等缺陷的敏感性，作為評定焊接性、選擇焊接工藝方法和參數(shù)的依據(jù)。3、低碳鋼的焊接低碳鋼含碳量較?。?.25%），除常規(guī)元素錳、硅、硫、磷外，很少有其它元素，焊接性能良好?？裳b配成各種不同的接頭，適應各種不同的焊接位置，焊接工藝和技術簡單，幾乎可采用所以的焊接方法焊接；焊前一般不預熱；4、低合金高強鋼的焊接低合金高強鋼的焊接與低碳鋼相比，熱影響區(qū)容易淬硬，對氫的敏感性強，當焊接接頭承受較大應力時容易產生各種裂紋。在焊接熱循環(huán)的作用下，接頭熱影響區(qū)組織性能發(fā)生變化，增大了脆性破壞的傾向。焊接這類鋼的主要問題是裂紋和脆性問題。、焊接裂紋a、冷裂紋傾向，由于這類鋼是在碳鋼的基礎上增加了合金元素，增加了焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向，