連接成形(電弧焊)

2023/12/151第三章連接成形§3.1熔焊成形基礎(chǔ)§3.2電弧焊§3.3其它焊接方法

§3.4常用金屬材料的焊接

§3.5焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性

§3.6膠接

2023/12/152第三章連接成形§3.1熔焊成形基礎(chǔ)一、焊接電弧與電弧冶金過程二、焊接接頭的組織和性能三、焊接應(yīng)力與變形四、常用電弧焊方法五、焊接缺陷與檢驗

2023/12/153常見的連接成形工藝：焊接、膠接和機械聯(lián)接等。焊接：通過加熱或加壓，或兩者同時并用，使兩個分離的物體產(chǎn)生原子間結(jié)合力而連接成一體。分類如下：

熔焊將焊接處加熱熔化、冷卻結(jié)晶后形成不可分離的整體。

(氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊)壓焊在焊接過程中無論加熱與否，均需要加壓的焊接方法。

(電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、擴散焊、爆炸焊)釬焊采用熔點低于被焊金屬的釬料（填充金屬）熔化之后，填充接頭間隙，并與被焊金屬相互擴散實現(xiàn)連接。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/154

焊接生產(chǎn)的特點：(1)節(jié)省金屬材料，結(jié)構(gòu)重量輕。(2)以小拼大、化大為小，制造重型、復(fù)雜的機器零部件，簡化鑄造、鍛造及切削加工工藝，獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟效果。(3)焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和密封性。(4)能制造雙金屬結(jié)構(gòu)，使材料的性能得到充分利用?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/155

焊接生產(chǎn)：應(yīng)用：

在機器制造、造船工業(yè)、建筑工程、電力設(shè)備生產(chǎn)、航空及航天工業(yè)等應(yīng)用十分廣泛。不足：

焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸，給維修帶來不便；焊接結(jié)構(gòu)中會存在焊接應(yīng)力和變形；焊接接頭的組織性能往往不均勻，并會產(chǎn)生焊接缺陷等。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/156

一、焊接電弧與電弧冶金過程（一）焊接電弧電弧：

強烈而持久的氣體放電現(xiàn)象；將一極為工件，另一極為填充金屬絲或焊條接通電源，短暫接觸并迅速分離，兩極相互接觸時發(fā)生短路，形成電弧；電弧形成后，只要兩極之間保持一定的電位差，即可維持電弧的燃燒。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/157

一、焊接電弧與電弧冶金過程（一）焊接電弧電弧特點：

電壓低、電流大、溫度高、能量密度大、移動性好

20～30V維持電弧的穩(wěn)定燃燒

電流可以從幾十安培到幾千安培

電弧的溫度＞5000K，可以熔化各種金屬。電弧組成：

陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)三部分?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/158

一、焊接電弧與電弧冶金過程（一）焊接電弧電弧組成：陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)三部分。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/159

一、焊接電弧與電弧冶金過程（一）焊接電弧弧焊電源：兩大大類：交流弧焊電源、直流弧焊電源、直流正接：[直流焊機]工件接陽極，焊條接陰極，此時工件受熱大，適合焊接厚大件；直流反接：工件接陰極，焊條接陽極，此時工件受熱小，適合焊接薄小工件?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1510

一、焊接電弧與電弧冶金過程（二）焊接冶金過程

在電弧熱作用下，母材和焊條不斷熔化成熔池，在高溫下，液態(tài)金屬、熔渣和氣體會發(fā)生一系列冶金反應(yīng)，與普通（冶金）煉鋼過程類似，是金屬再冶煉的過程。但焊接化學(xué)冶金過程又有著與一般冶煉過程不同的特點。

首先，焊接冶金溫度高，液態(tài)金屬會發(fā)生強烈的氧化、氮化反應(yīng)和大量金屬蒸發(fā)；而油、銹、水在電弧高溫下分解出的氫原子可溶入液態(tài)金屬中，導(dǎo)致接頭塑性和韌度降低（氫脆），以至產(chǎn)生裂紋?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1511

一、焊接電弧與電弧冶金過程（二）焊接冶金過程

其次，在高溫下會出現(xiàn)大量金屬蒸發(fā)以及合金燒損，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降。另外，焊接熔池小，冷卻快，使各種冶金反應(yīng)難以達到平衡狀態(tài)，焊縫中化學(xué)成分不均勻，且熔池中氣體、氧化物等來不及浮出，容易形成氣孔、夾渣等缺陷，甚至產(chǎn)生裂紋?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1512

一、焊接電弧與電弧冶金過程（二）焊接冶金過程

為了保證焊縫的質(zhì)量，通常會采取以下措施：

（1）對熔化金屬進行機械保護，使之與空氣隔開。保護方式：氣體保護、熔渣保護和氣-渣聯(lián)合保護。（2）對焊接熔池進行冶金處理，主要通過在焊接材料（焊條藥皮、焊絲、焊劑）中加入一定量的脫氧劑（主要是錳鐵和硅鐵）和一定量的合金元素，在焊接過程中排除熔池中的FeO，并補償合金元素的燒損?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1513二、焊接接頭的組織和性能

焊接時電弧的高溫使被焊金屬局部加熱熔化，同時加入填充金屬（焊條或焊絲），形成金屬液體熔池。當(dāng)電弧移開時，由于周圍冷態(tài)金屬的導(dǎo)熱，使熔池的溫度迅速降低，熔池即凝固成焊縫。焊縫周圍的母材金屬，被電弧加熱到不同溫度（從室溫直至熔化溫度），相當(dāng)于受到一次不同規(guī)范的熱處理，電弧移開后又冷卻下來，組織和性能發(fā)生了變化，形成熱影響區(qū)。焊縫和熱影響區(qū)統(tǒng)稱為焊接接頭。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1514二、焊接接頭的組織和性能

接頭由焊縫金屬、熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)組成。（一）焊縫金屬的組織和性能

焊縫金屬在結(jié)晶時，以熔池和母材金屬交界處的半熔化金屬晶粒為晶核，沿著垂直于散熱面方向反向生長為柱狀晶，最后這些柱狀晶在焊縫中心相接觸而停止生長。由于焊縫組織是鑄態(tài)組織，故晶粒粗大、成分偏析，組織不致密。但由于焊絲本身的雜質(zhì)含量低及合金化作用，使焊縫化學(xué)成分優(yōu)于母材，所以焊縫金屬的力學(xué)性能一般不低于母材。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1515§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1516二、焊接接頭的組織和性能（一）焊縫金屬的組織和性能1－熔合區(qū)2－過熱區(qū)3－正火區(qū)4－不完全重結(jié)晶區(qū)5－再結(jié)晶區(qū)§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1517二、焊接接頭的組織和性能

（二）熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織和性能（1）熔合區(qū)液相線與固相線之間，是焊縫金屬到母材金屬的過渡區(qū)域，寬度0.1～0.4mm。焊接時，該區(qū)內(nèi)液態(tài)金屬與未熔化的母材金屬共存，冷卻后，其組織為部分鑄態(tài)組織和部分過熱組織，化學(xué)成分和組織極不均勻，是焊接接頭中力學(xué)性能最差的薄弱部位。（2）過熱區(qū)溫度在固相線至1100℃之間，寬度約1～3mm。焊接時，該區(qū)域內(nèi)奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌性明顯下降§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1518二、焊接接頭的組織和性能

（二）熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織和性能（3）正火區(qū)在1100℃～Ac3之間，寬約1.2～4.0mm。焊后空冷使該區(qū)的金屬進行了正火處理，故其組織為均勻而細小的鐵素體和珠光體，力學(xué)性能優(yōu)于母材。（4）不完全重結(jié)晶區(qū)也稱部分正火區(qū)，溫度在Ac3～Ac1之間。焊接時，只有部分組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；冷卻后獲得細小的鐵素體和珠光體，其余部分仍為原始組織，因此晶粒大小不均勻，力學(xué)性能也較差。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1519二、焊接接頭的組織和性能

（二）熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織和性能（5）再結(jié)晶區(qū)溫度在Ac1～450℃之間。只有焊接前經(jīng)過冷塑性變形的母材金屬，才會在焊接過程中出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。該區(qū)域金屬的力學(xué)性能變化不大，只是塑性有所增加。如果焊前未經(jīng)冷塑性變形，則熱影響區(qū)中就沒有再結(jié)晶區(qū)。

一般焊接熱影響區(qū)寬度愈小，焊接接頭的力學(xué)性能愈好。影響熱影響區(qū)寬度的因素有加熱的最高溫度、相變溫度以上的停留時間等。如果焊件大小、厚度、材料、接頭形式一定時，焊接方法的影響也很大?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1520§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1521二、焊接接頭的組織和性能

（三）改善焊接接頭組織和性能的措施

由于按等強度原則選擇焊條，所以焊縫金屬的強度一般不低于母材，其韌性也接近母材，只有塑性略有降低，而焊接接頭上塑性和韌度最低的區(qū)域在熔合區(qū)和過熱區(qū)，這主要是由于粗大的過熱組織所造成的；又由于在這兩個區(qū)域，拉應(yīng)力最大，所以它們是焊接接頭中最薄弱的部位，往往成為裂紋發(fā)源地?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1522二、焊接接頭的組織和性能

（三）改善焊接接頭組織和性能的措施（1）使熱影響區(qū)的冷卻速度適當(dāng)。對低碳鋼，用細焊絲、小電流、高焊速，可提高接頭韌度，減輕接頭脆化；對易淬硬鋼，在不出現(xiàn)硬脆馬氏體時適當(dāng)提高冷卻速度，可以細化晶粒，有利于改善接頭性能。（2）采用多層焊，利用后層對前層的回火作用，使前層的組織和性能得到改善。（3）進行焊后熱處理。焊后進行退火或正火處理可以細化晶粒，改善焊接接頭的力學(xué)性能。

§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1523三、焊接應(yīng)力與變形

焊接應(yīng)力和變形的存在會降低結(jié)構(gòu)的使用性能，引起結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的改變，影響結(jié)構(gòu)精度，甚至?xí)鸷附恿鸭y，造成事故，還會影響到焊后機械加工的精度。減小焊接應(yīng)力和變形，可以改善焊接質(zhì)量，大大提高焊接結(jié)構(gòu)的承載能力。（一）焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因

原因：焊接過程中對焊件的不均勻加熱和冷卻?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1524三、焊接應(yīng)力與變形

（一）焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因

原因：焊接過程中對焊件的不均勻加熱和冷卻。圖3-3低碳鋼平板對接焊時應(yīng)力和變形的形成

（a）焊接中

（b）冷卻后§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1525三、焊接應(yīng)力與變形

（一）焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因常見焊接變形的基本形式：

收縮變形

角變形

彎曲變形

扭曲變形波浪變形

§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1526三、焊接應(yīng)力與變形

（二）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力和變形的工藝措施1．焊前預(yù)熱預(yù)熱減小焊件上各部分的溫差，降低焊縫區(qū)的冷卻速度，從而減小焊接應(yīng)力和變形,預(yù)熱溫度一般為400℃以下。2．選擇合理的焊接順序

1）盡量使焊縫能自由收縮，

這樣產(chǎn)生的殘余應(yīng)力小§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1527三、焊接應(yīng)力與變形

（二）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力和變形的工藝措施2．選擇合理的焊接順序2）采用分散對稱焊工藝，長焊縫盡可能采用分段退焊或跳焊的方法進行焊接，

這樣加熱時間短、溫度低

且分布均勻，可減小焊接

應(yīng)力和變形。

§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1528三、焊接應(yīng)力與變形（二）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力和變形的工藝措施3.加熱減應(yīng)區(qū)鑄鐵補焊時，在補焊前可對鑄件上的適當(dāng)部位進行加熱，以減少焊接時對焊接部位伸長的約束，焊后冷卻時，加熱部位與焊接處一起收縮，從而減小焊接應(yīng)力。被加熱的部位稱為減應(yīng)區(qū)，這種方法叫做加熱減應(yīng)區(qū)法，如圖3-7所示。利用這個原理也可以焊接一些剛度比較大的焊縫。

§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1529三、焊接應(yīng)力與變形（二）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力和變形的工藝措施3.加熱減應(yīng)區(qū)§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1530三、焊接應(yīng)力與變形（二）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力和變形的工藝措施4．反變形法焊接前預(yù)測焊接變形量和變形方向，在焊前組裝時將被焊工件向焊接變形相反的方向進行人為的變形，以達到抵消焊接變形的目的。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1531三、焊接應(yīng)力與變形（二）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力和變形的工藝措施5．剛性固定法利用夾具、胎具等強制手段，以外力固定被焊工件來減小焊接變形，如圖3-9所示。該法能有效地減小焊接變形，但會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，所以一般只用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)

§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1532三、焊接應(yīng)力與變形

（三）消除焊接應(yīng)力和矯正焊接變形的方法1．消除焊接應(yīng)力的方法（1）錘擊焊縫焊后用圓頭小錘對紅熱狀態(tài)下的焊縫進行錘擊，可以延展焊縫，從而使焊接應(yīng)力得到一定的釋放。（2）焊后熱處理焊后對焊件進行去應(yīng)力退火，對于消除焊接應(yīng)力具有良好效果。碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼焊件整體加熱到580℃～680℃，保溫一定時間后，空冷或隨爐冷卻，一般可消除80%～90%的殘余應(yīng)力。對于大型焊件，可采用局部高溫退火來降低應(yīng)力峰值。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1533三、焊接應(yīng)力與變形

（三）消除焊接應(yīng)力和矯正焊接變形的方法1．消除焊接應(yīng)力的方法（3）機械拉伸法對焊件進行加載，使焊縫區(qū)產(chǎn)生微量塑性拉伸，可以使殘余應(yīng)力降低。例如，壓力容器在進行水壓試驗時，將試驗壓力加到工作壓力的1.2～1.5倍，這時焊縫區(qū)發(fā)生微量塑性變形，應(yīng)力被釋放?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1534三、焊接應(yīng)力與變形

（三）消除焊接應(yīng)力和矯正焊接變形的方法2．矯正焊接變形的措施常用的矯正方法有：（1）機械矯正利用機械力產(chǎn)生塑性變形來矯正焊接變形，如圖3-10所示。這種方法適用于塑性較好、厚度不大的焊件?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1535三、焊接應(yīng)力與變形

（1）機械矯正§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1536三、焊接應(yīng)力與變形

（三）消除焊接應(yīng)力和矯正焊接變形的方法2．矯正焊接變形的措施常用的矯正方法有：（2）火焰矯正利用金屬局部受熱后的冷卻收縮來抵消已發(fā)生的焊接變形。這種方法主要用于低碳鋼和低淬硬傾向的低合金鋼。火焰矯正一般采用氣焊焊炬，不需專門設(shè)備，其效果主要取決于火焰加熱的位置和加熱溫度。加熱溫度范圍通常在600℃～800℃。圖3-11為T形梁上拱變形的火焰矯正方法。

§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1537三、焊接應(yīng)力與變形

（2）火焰矯正§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1538五、焊接缺陷與檢驗

（一）焊接缺陷

在焊接生產(chǎn)過程中，由于設(shè)計、工藝、操作中各種因素的影響，往往會產(chǎn)生各種焊接缺陷。焊接缺陷不僅會影響焊縫的美觀，還有可能減小焊縫的有效承載面積，造成應(yīng)力集中引起斷裂，影響焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1539五、焊接缺陷與檢驗

（一）焊接缺陷

缺陷示意圖特征產(chǎn)生原因氣孔過飽和H、N、CO，未能逸出不清潔；弧太長，保護差；規(guī)范當(dāng)，冷速太快；焊前清理不當(dāng)裂紋熱裂：具有氧化色，多在焊縫上，焊后立即開裂冷裂：具有金屬光澤，多在熱影響區(qū)，可發(fā)生在焊后任何時刻熱裂：母材硫、磷高；冷速太快；焊接材料選擇不當(dāng)冷裂：母材淬硬傾向大；焊縫含氫量高；焊接殘余應(yīng)力較大§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1540五、焊接缺陷與檢驗

（一）焊接缺陷

缺陷示意圖特征產(chǎn)生原因夾渣殘留在焊縫中的非金屬夾雜物熔渣未清干凈；電流太小、速度太快；操作不當(dāng)咬邊焊縫和母材的交界處產(chǎn)生的溝槽和凹陷焊條角度和擺動不正確；焊接電流大、電弧過長§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1541五、焊接缺陷與檢驗

（一）焊接缺陷

缺陷示意圖特征產(chǎn)生原因焊瘤熔化金屬流淌到焊縫區(qū)之外的母材上所形成的金屬瘤電流太大、弧過長、速度太慢；焊接位置和運條不當(dāng)未焊透接頭的根部未完全熔透電流小、速度快；坡口角度太小、間隙過窄、鈍邊太厚§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1542五、焊接缺陷與檢驗

（二）焊接質(zhì)量檢驗

檢驗分類：破壞性檢驗和非破壞性檢驗兩類。

破壞性檢驗：主要包括焊縫的化學(xué)成分分析、金相組織分析和力學(xué)性能試驗，主要用于科研和新產(chǎn)品試生產(chǎn)；

非破壞性檢驗：由于不對產(chǎn)品產(chǎn)生損害，因而在焊接質(zhì)量檢驗中占有很重要的地位。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1543五、焊接缺陷與檢驗

（二）焊接質(zhì)量檢驗〔非破壞性檢驗〕常用的非破壞性檢驗方法：1.外觀檢驗用肉眼或借助樣板、低倍放大鏡(5～20倍)檢查焊縫成形、焊縫外形尺寸是否符合要求，焊縫表面是否存在缺陷，所有焊縫在焊后都要經(jīng)過外觀檢驗。§1熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1544五、焊接缺陷與檢驗

（二）焊接質(zhì)量檢驗〔非破壞性檢驗〕2．致密性檢驗對于貯存氣體、液體、液化氣體的各種容器、反應(yīng)器和管路系統(tǒng)，都需要對焊縫和密封面進行致密性試驗，常用方法如下：（1）水壓工作壓力的1.2～1.5倍,保持5min以上,降至工作壓力,并用圓頭小錘沿焊縫輕輕敲擊,檢查焊縫的滲漏情況。（2）氣壓注入壓縮空氣，檢查滲漏位置。也可將容器放入水槽，然后向焊件中通入壓縮空氣，觀察是否有氣泡冒出。（3）煤油對不受壓容器的檢漏。在焊縫一側(cè)涂上白堊粉水溶液，待干燥后，在另一側(cè)涂刷煤油。若焊縫有穿透性缺陷，則會在涂有白堊粉的一側(cè)出現(xiàn)明顯的油斑?！?熔焊成形基礎(chǔ)2023/12/1545五、焊接缺陷與檢驗

（二）焊接質(zhì)量檢驗〔非破壞性檢驗〕3.磁粉檢驗用于檢驗焊件表面或近表面處缺陷(裂紋、氣孔、夾渣等)。將焊件放置在磁場中磁化，使其內(nèi)部通過分布均勻的磁力線，并在焊縫表面撒上細磁鐵粉，若焊縫表面無缺陷，則磁鐵粉均勻分布，若表面有缺陷，則一部分磁力線會繞過缺陷，暴露在空氣中，形成漏磁場，則該處出現(xiàn)磁粉集聚現(xiàn)象。根據(jù)磁粉集聚的位置、形狀、大小