焊接基本原理

第四章

焊接基本原理一、焊接的實(shí)質(zhì)焊接的實(shí)質(zhì)是使兩個(gè)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(lián)系與質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用形成一個(gè)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(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)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(qiáng)烈的光。焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱三部分組成。陰極區(qū)是電弧緊靠負(fù)電極的區(qū)域，陰極區(qū)很窄，約為0.1um-0.01um，溫度約為2400K。陽極區(qū)是指電弧緊靠正電極的區(qū)域，陽極區(qū)較陰極區(qū)寬，約為10um-1um，溫度約為2600K。電弧陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的部分稱為弧柱，弧柱區(qū)溫度最高，可達(dá)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(zhǎng)。22、焊接的冶金特點(diǎn)（1）熔池中冶金反應(yīng)不充分，化學(xué)成分有較大的不均勻性，常常發(fā)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(xué)性質(zhì)十分活潑的原子或離子狀態(tài)，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(qiáng)的硅鐵、錳鐵等物質(zhì)，除起到滲入合金作用、補(bǔ)充燒損元素外，亦可起到脫氧作用。（4）焊縫中硫或磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.04%時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋。因此，應(yīng)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(zhì)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(qū)、熱影響區(qū)、熱應(yīng)變脆化區(qū)。1—焊縫；2—熔合區(qū)；3—熱影響區(qū)；4—熱應(yīng)變脆化區(qū)41、焊縫焊縫是由熔池的液態(tài)金屬凝固結(jié)晶而成，通常由填充金屬和部分母材金屬組成。因結(jié)晶是從熔池邊緣的半熔化區(qū)開始的，低熔點(diǎn)的硫磷雜質(zhì)和氧化鐵等易偏析集中在焊縫中心區(qū)，影響焊縫的力學(xué)性能。2、熔合區(qū)熔合區(qū)為焊接接頭中焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。熔合區(qū)旁邊是熔合線，是焊接接頭中母材熱影響區(qū)與焊縫的交界部位，即焊縫輪廓線，此線是不規(guī)則的、呈鋸齒形曲線。溶合線附近，由于溫度高，母材晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大，使焊縫金屬塑性下降，是力學(xué)性能最差的部位，熔合線組織與性能也不均勻。53、熱影響區(qū)熱影響區(qū)是焊縫兩側(cè)母材因焊接熱作用（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域是焊接接頭最薄弱的地方。實(shí)踐表明，焊縫質(zhì)量在相當(dāng)程度上決定于熱影響區(qū)。例如，焊縫破裂往往發(fā)生在熱影響區(qū)，當(dāng)然也有發(fā)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(qū)內(nèi)，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(qū)，使其力學(xué)性能也不同。以低碳鋼為例說明熱影響區(qū)的三個(gè)金相組織區(qū)：過熱區(qū)：對(duì)于焊接剛度大的結(jié)構(gòu)或含碳量高的易淬火鋼，常在此區(qū)產(chǎn)生裂紋。6正火區(qū)：焊接接頭中組織和性能最好的區(qū)域。部分相變區(qū)：力學(xué)性能不均勻。74、熱應(yīng)變脆化區(qū)由于焊接熱應(yīng)變作用而發(fā)生脆化的區(qū)域稱為熱應(yīng)變脆化區(qū)。形成的原因及條件是，對(duì)于低碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼和低合金低溫鋼，當(dāng)鋼中含有較高的氮時(shí)，在焊接熱循環(huán)和焊接應(yīng)變循環(huán)作用下，焊接接頭某些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象。熱應(yīng)變脆化區(qū)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(qū)的因素（1）焊接材料（焊條、焊絲、焊劑）（2）焊接方法（熱源、保護(hù)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(huán)境等86、提高焊接接頭質(zhì)量的措施：（1）合理的選用焊接方法和焊接規(guī)范，減少熱影響區(qū)的影響焊接方法：優(yōu)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(guī)范：小直徑焊條（或焊絲）、小電流、快速焊、多層焊等。（2）焊前預(yù)熱、焊后熱處理，細(xì)化晶粒，清除硬化組織。（3）加強(qiáng)對(duì)焊縫金屬的保護(hù)。

三、焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力和變形：分別是指焊接過程中焊件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。91、焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因在焊接過程中，對(duì)焊件進(jìn)行局部的不均勻加熱，會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和焊接變形總是同時(shí)存在，不會(huì)單獨(dú)存在，當(dāng)母材塑性較好，結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí)，焊接變形較大而應(yīng)力較小；反之，則應(yīng)力較大而變形較小。

102、焊接應(yīng)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(zhì)中，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋；（4）引起變形。焊接應(yīng)力：焊接變形：（1）影響工件形狀、尺寸精度；（2）影響組裝質(zhì)量；（3）增大制造成本——矯正變形費(fèi)工、費(fèi)時(shí)；（4）降低承載能力——變形產(chǎn)生了附加應(yīng)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(nèi)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(cuò)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(shè)計(jì)措施盡量減少焊縫的數(shù)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(duì)稱或接近于構(gòu)件截面的中性軸（以減少?gòu)澢冃危?。焊縫位置安排13（2）工藝措施①反變形法：即焊前使構(gòu)件產(chǎn)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(yù)置反變形b）塑性預(yù)彎反變形c）強(qiáng)制預(yù)彎反變形14②加余量法：工件下料時(shí)，給工件尺寸加大一定的收縮余量，以補(bǔ)償焊后的收縮。③剛性固定法：即焊前將焊件剛性固定，對(duì)防止角變形和失穩(wěn)變形較有效，該法會(huì)增大焊接應(yīng)力，為防止產(chǎn)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(guī)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(jié)構(gòu)分成若干件，分別裝配焊接，最后再拼焊成一體，對(duì)稱布置的焊縫對(duì)稱施焊或同時(shí)施焊。長(zhǎng)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(jī)械矯正法用機(jī)械的方法將變形矯正過來，生產(chǎn)中常用的設(shè)備有輥床、壓力機(jī)、矯直機(jī)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(jìn)行矯正。16a）用壓力機(jī)矯正彎曲變形b）用輥輪矯正失穩(wěn)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(shí)膨脹，受周圍冷金屬制約引起長(zhǎng)度方向被壓縮，冷卻時(shí)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(yīng)力的調(diào)節(jié)和消除（1）調(diào)節(jié)焊接應(yīng)力的措施：①盡量減少焊縫數(shù)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(jié)構(gòu)采用電阻焊代替熔焊。18其工藝措施主要有以下幾點(diǎn)：①采用合理的焊接順序，使焊縫收縮較為自由。宜先焊錯(cuò)開的短焊縫，再焊直通的長(zhǎng)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(yīng)區(qū)，以便焊后收縮時(shí)，加熱區(qū)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(duì)焊后紅熱的焊縫金屬進(jìn)行均勻適度錘擊，以延伸變形，補(bǔ)償其收縮，同時(shí)釋放出部分能量，減小焊接應(yīng)力。⑤預(yù)熱和后熱，即焊前或焊后對(duì)焊件全部（或局部）進(jìn)行適當(dāng)加熱，減少溫差，只適用于塑性差，易產(chǎn)生裂紋的材料。⑥采取去應(yīng)力退火的方法將焊件整體或局部加熱到600℃-650℃，保溫一定時(shí)間后（不小于1h）緩慢冷卻，這樣可消除焊接余應(yīng)力80％-90％。（2）焊接應(yīng)力的消除方法：①去應(yīng)力退火：又稱高溫回火，焊后鋼件加熱溫度為500～650℃，可進(jìn)行整體去應(yīng)力退火，也可以局部退火。20②機(jī)械拉伸法：即對(duì)焊件施加載荷，使焊縫區(qū)產(chǎn)生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應(yīng)力。③溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側(cè)金屬受熱膨脹以對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，使其產(chǎn)生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應(yīng)力，該法適用于焊縫較規(guī)則，厚度在40㎜以下的板殼結(jié)構(gòu)。1-噴水排管；2-焊件；3、4-氧乙炔焰炬21④振動(dòng)法：通過激振器使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生共振產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力來降低或消除內(nèi)應(yīng)力。該法設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，處理時(shí)間短且無加熱缺陷，值得推廣。四、焊接缺陷及檢驗(yàn)方法焊接缺陷是指焊接過程中在焊接接頭中產(chǎn)生的不符合設(shè)計(jì)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(chǎn)生應(yīng)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(chǎn)生的裂紋。22熱裂紋常發(fā)生在焊縫區(qū)，在焊縫結(jié)晶過程中產(chǎn)生的叫結(jié)晶裂紋，也有發(fā)生在熱影響區(qū)中，在加熱到過熱溫度時(shí)，晶間低熔點(diǎn)雜質(zhì)發(fā)生熔化，產(chǎn)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(diǎn)雜質(zhì)，如S、P含量。②控制焊接規(guī)范，適當(dāng)提高焊縫成形系數(shù)（即焊道的寬度與計(jì)算厚度之比），焊縫成形系數(shù)太小，易形成中心線偏析，易產(chǎn)生熱裂紋。③調(diào)整焊縫化學(xué)成分，避免低熔點(diǎn)共晶物；縮小結(jié)晶溫度范圍，改善焊縫組織，細(xì)化焊縫晶粒，提高塑性，減少偏析。23④減少焊接拉應(yīng)力。⑤操作上填滿弧坑。（2）冷裂紋：指在馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以下產(chǎn)生的裂紋。特征：無分支、穿晶開裂、斷口表面無氧化色。焊縫區(qū)和熱影響區(qū)都可能產(chǎn)生冷裂紋，常見冷裂紋形態(tài)有三種：①焊道下裂紋：在焊道下的熱影響區(qū)內(nèi)形成的焊接冷裂紋，常平行于熔合線發(fā)展。②焊指裂紋：沿應(yīng)力集中的焊址處形成的冷裂紋，在熱影響內(nèi)擴(kuò)展。③焊根裂紋：沿應(yīng)力集中的焊縫根部所形成的冷裂紋，向焊縫或熱影響發(fā)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(shí)間才發(fā)生的裂紋——因?yàn)闅涫亲罨钴S的誘發(fā)因素，而氫在金屬中擴(kuò)散、聚集和誘發(fā)裂紋需要一定的時(shí)間）。延遲裂紋的產(chǎn)生原因：①焊接接頭存在淬硬組織，性能脆化。②擴(kuò)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(yīng)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(chǎn)生淬硬組織棗焊前預(yù)熱、焊后緩冷（可以降低焊后冷卻速度）。④降低焊接應(yīng)力采用合理的工藝規(guī)范，焊后熱處理等。⑤焊后立即進(jìn)行消氫處理（即加熱到250℃，保溫2～6左右，使焊縫金屬中的擴(kuò)散氫逸出金屬表面）。262、氣孔：（1）氣孔產(chǎn)生原因：在熔池液態(tài)金屬冷卻結(jié)晶時(shí)，產(chǎn)生了氣體，而且冷卻速度較快，氣體來不及逸出而導(dǎo)致。（2）氣孔的類型：①氫氣孔：焊接時(shí)，電弧氣氛中氫比較多，在高溫時(shí)，大量的氫溶入熔池液態(tài)金屬中，在熔池冷卻結(jié)晶時(shí)，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?xì)饪祝篎eO+C→Fe+CO↑熔池中FeO越多，產(chǎn)生CO氣孔的傾向就越大，同理，液態(tài)金屬中含碳量越多，也越易產(chǎn)生CO氣孔。③氮?dú)饪祝罕Ｗo(hù)效果不好，空氣中的氮?dú)膺M(jìn)入熔池而導(dǎo)致。27（3）防止措施：①烘干焊條