材料成形技术课件4.1焊接理论基础.ppt

4.1 4.1 焊接理论基础焊接理论基础4.1.1 4.1.1 熔焊冶金过程及其特点熔焊冶金过程及其特点熔焊冶金过程熔焊冶金过程:指在熔焊过程中，焊接接头金属将发生一指在熔焊过程中，焊接接头金属将发生一系列的物理、化学反应。系列的物理、化学反应。包括液相冶金、熔池结晶、焊缝和热影响区包括液相冶金、熔池结晶、焊缝和热影响区的组织变化等。的组织变化等。（1 1）特点：）特点：1 1）温度高，）温度高，金属及合金元素发生剧烈烧损；金属及合金元素发生剧烈烧损；2 2）熔池小，冷速快，）熔池小，冷速快，各种冶金反应进行得不彻底，各种冶金反应进行得不彻底，焊缝金属易产生偏析、气孔、夹渣等缺陷。焊缝金属易产生偏析、气孔、夹渣等缺陷。3 3）氢、氧、硫、磷等元素向金属中溶解，氢、氧、硫、磷等元素向金属中溶解，影响焊缝的质量。影响焊缝的质量。（2 2）保护焊缝质量的措施：）保护焊缝质量的措施：1 1）防止有害气体侵入熔池）防止有害气体侵入熔池采用焊条药皮、焊剂、采用焊条药皮、焊剂、COCO2 2或氩气保护等；或氩气保护等；进行焊前清理、烘干焊条或焊剂；进行焊前清理、烘干焊条或焊剂；选用低氢焊条。选用低氢焊条。2 2）对熔池进行冶金处理）对熔池进行冶金处理选用药皮中含有锰铁、硅铁等合金的焊条；选用药皮中含有锰铁、硅铁等合金的焊条；选用硫、磷含量较少的优质焊条。选用硫、磷含量较少的优质焊条。2.2.熔池结晶：熔池结晶：以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心，形成以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心，形成与母材金属长合在一起的与母材金属长合在一起的“联生结晶联生结晶”，并沿，并沿着散热的反方向长大形成柱状晶。着散热的反方向长大形成柱状晶。（1 1）特点：）特点：晶粒较粗、组织致密、易引起化学成分偏析。晶粒较粗、组织致密、易引起化学成分偏析。（2 2）改善措施：）改善措施：1 1）增添少量合金元素）增添少量合金元素，如，如TiTi、V V、MoMo等，等，可细化晶粒，提高力学性能；可细化晶粒，提高力学性能；2 2）采用机械外力）采用机械外力，如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可细化晶粒。也可细化晶粒。安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系A U T S3.3.焊接接头的组织转变：焊接接头的组织转变：焊接接头由焊缝区、熔合区、热影焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区三部分组成，其性能取决于三部分响区三部分组成，其性能取决于三部分中最薄弱的部分。中最薄弱的部分。焊缝区焊缝区熔合区熔合区热影响区热影响区母材母材安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系A U T S1 2 3 4 5母材母材5 4 3 2合金相图合金相图合金成份合金成份焊接温度焊接温度 分布图分布图低碳钢焊接接头的区域划分低碳钢焊接接头的区域划分焊接接头的组织与性能（以低碳钢为例）焊接接头的组织与性能（以低碳钢为例）安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系A U T S(1)焊缝区焊缝区 铸态柱状晶组织，性能高于母材。铸态柱状晶组织，性能高于母材。(2)(2)熔合区熔合区 铸态粗晶铸态粗晶+过热粗晶，过热粗晶，性能最差。性能最差。(3)(3)热影响区热影响区过热区过热区过热粗晶，性能较差。过热粗晶，性能较差。相变重结晶区相变重结晶区 均匀等轴细晶均匀等轴细晶 （正火区）（正火区）力学性能最好。力学性能最好。不完全重结晶区不完全重结晶区等轴粗等轴粗+细晶细晶（部分相变区）（部分相变区）力学性能一般。力学性能一般。（TT液液）（需适当保护措施需适当保护措施）（T固固T液液）（TT固固）低低碳碳钢钢焊焊接接接接头头安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系A U T S 中、高碳钢中、高碳钢的焊接热影响区则由淬火区、的焊接热影响区则由淬火区、部分淬火区等组成。部分淬火区等组成。且碳量愈多，淬硬倾向愈大，产生焊接裂且碳量愈多，淬硬倾向愈大，产生焊接裂缝的倾向愈大。缝的倾向愈大。改善焊接热影响区的方法改善焊接热影响区的方法 正确选择焊接方法和焊接工艺规范正确选择焊接方法和焊接工艺规范（小电流、大焊速），减小热影响区宽度。（小电流、大焊速），减小热影响区宽度。焊接热影响区的宽度焊接热影响区的宽度取决于取决于焊接电流和焊接速度，焊接电流和焊接速度，即与焊接方法有密切的关系。即与焊接方法有密切的关系。常用熔化焊方法的热影响区宽度比较如下：常用熔化焊方法的热影响区宽度比较如下：电渣焊电渣焊 手弧焊手弧焊 CO CO2 2焊焊 氩弧焊和埋弧焊氩弧焊和埋弧焊 焊后正火热处理，焊后正火热处理，使构件均匀加热，以便得到均匀的等轴细晶组织。使构件均匀加热，以便得到均匀的等轴细晶组织。安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系焊接方法焊接方法过热区过热区正火区正火区部分相变区部分相变区总宽总宽电渣焊电渣焊18 2018 205.0 7.05.0 7.0 2.0 3.02.0 3.025 3025 30手工电弧焊手工电弧焊2.2 3.02.2 3.0 1.5 2.51.5 2.5 2.2 3.02.2 3.06.08.56.08.5COCO2 2气保焊气保焊1.5 2.01.5 2.02.0 2.0 3.03.01.5 3.01.5 3.0 5.0 8.05.0 8.0钨极氩弧焊钨极氩弧焊1.0 1.51.0 1.51.5 1.5 2.02.01.5 2.01.5 2.0 4.0 5.54.0 5.5埋弧自动焊埋弧自动焊0.8 1.20.8 1.2 0.5 1.70.5 1.7 0.7 1.00.7 1.02.34.02.34.0电子束焊电子束焊 0.050.750.050.75常用熔化焊方法热影响区的平均尺寸常用熔化焊方法热影响区的平均尺寸 安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系4.1.2 焊接应力与变形焊接应力与变形1.1.产生原因产生原因原因原因 焊接过程中，对焊件进行了局部不均匀焊接过程中，对焊件进行了局部不均匀 的加热和冷却，使焊接区金属的膨胀、的加热和冷却，使焊接区金属的膨胀、收缩受到大小不等的阻碍。收缩受到大小不等的阻碍。a.a.焊接时焊接时 （瞬时）（瞬时）b.b.冷却时（残余）冷却时（残余）2.2.焊接残余应力的调节焊接残余应力的调节:焊接残余应力的分布焊接残余应力的分布:在厚度不大的焊接结构中，残余应力基本在厚度不大的焊接结构中，残余应力基本上是两向的，厚度方向的残余应力很少。上是两向的，厚度方向的残余应力很少。1 1）纵向残余应力）纵向残余应力 x:即沿焊缝方向的残余应力。平板对接时焊缝区即沿焊缝方向的残余应力。平板对接时焊缝区为拉应力，其余部分为压应力，如图为拉应力，其余部分为压应力，如图A A所示。所示。2 2）横向残余应力）横向残余应力 y:即垂直于焊缝方向的残余应力。平板对接时即垂直于焊缝方向的残余应力。平板对接时焊缝两端为压应力，中部为拉应力，如图焊缝两端为压应力，中部为拉应力，如图B B所示。所示。调节残余应力的措施调节残余应力的措施:1 1）设计措施）设计措施:尽量减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密尽量减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密 集和交叉集和交叉。（采用型材、冲压件等）。（采用型材、冲压件等）采用刚度较小的接头采用刚度较小的接头。（易变形而减小应力）（易变形而减小应力）2 2）工艺措施）工艺措施:采用合理的焊接顺序采用合理的焊接顺序，使焊缝收缩较为自由。使焊缝收缩较为自由。如下图所示拼板件焊接。如下图所示拼板件焊接。拼板焊缝的焊接顺序拼板焊缝的焊接顺序1 1、2 2、4 4、66短焊缝，短焊缝，3 3、5 5 直通的长焊缝直通的长焊缝降低焊接接头的刚度，降低焊接接头的刚度，如采用反变形法降低刚度而减小应力。如采用反变形法降低刚度而减小应力。加热减应区加热减应区：焊前或焊时在焊件的适当部位加热，焊前或焊时在焊件的适当部位加热，使焊缝收缩时的约束减小。使焊缝收缩时的约束减小。焊缝锤击焊缝锤击:焊后趁热锤击焊缝使之塑性伸长，以抵消焊焊后趁热锤击焊缝使之塑性伸长，以抵消焊缝受热时产生的压缩塑性变形。缝受热时产生的压缩塑性变形。预热和后热：预热和后热：即焊接前或后对焊件全部或即焊接前或后对焊件全部或局部进行适当加热。局部进行适当加热。3.3.焊接残余应力的消除方法焊接残余应力的消除方法:去应力退火：去应力退火：加热温度为加热温度为500600500600。机械拉伸法：机械拉伸法：对焊件加载，使焊缝区产生对焊件加载，使焊缝区产生塑性拉伸，减小原有的塑性变形，降低或塑性拉伸，减小原有的塑性变形，降低或消除内应力。消除内应力。温度拉伸法温度拉伸法:用氧乙炔焰和喷水管造成一个焊缝区用氧乙炔焰和喷水管造成一个焊缝区低、两侧高的温度场，从而使得焊缝两侧低、两侧高的温度场，从而使得焊缝两侧金属受热膨胀而对焊缝区进行拉伸，金属受热膨胀而对焊缝区进行拉伸，使焊使焊缝区产生塑性拉伸，减小原有的塑性变形，缝区产生塑性拉伸，减小原有的塑性变形，降低或消除内应力。降低或消除内应力。振动法：振动法：通过激振器使得焊接结构发生共通过激振器使得焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力。振产生循环应力来降低或消除内应力。安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系焊焊接接件件变变形形的的方方式式残余变形的控制和矫正残余变形的控制和矫正残余变形的类型：残余变形的类型：收缩变形：收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向或横向尺寸减小。即焊件沿焊缝的纵向或横向尺寸减小。角变形：角变形：即相连接的构件间的角度发生改变。即相连接的构件间的角度发生改变。弯曲变形弯曲变形：即焊件产生弯曲。：即焊件产生弯曲。扭曲变形：扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转。即焊件沿轴线方向发生扭转。失稳变形失稳变形（波浪形变形）：（波浪形变形）：薄板在厚度方向失稳。薄板在厚度方向失稳。控制残余变形的措施：控制残余变形的措施：1)1)设计设计措施：措施：尽量减少焊缝的数量和尺寸，尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状；合理选用焊缝的截面形状；合理安排焊缝位置，合理安排焊缝位置，使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴，使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴，以减少弯曲变形。以减少弯曲变形。2 2）工艺措施：）工艺措施：反变形法：反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。的变形，使焊后变形相互抵消。安徽工程科技学院机械系安徽工程科技学院机械系采用反变形法采用反变形法应预知变形的大小和方向。应预知变形的大小和方向。采用刚性固定法：采用刚性固定法：即焊前将焊件刚性固定。即焊前将焊件刚性固定。有应力，适用于塑性好的材料。有应力，适用于塑性好的材料。合理选用焊接方法及焊接规范合理选用焊接方法及焊接规范 选用能较集中的焊接方法，如选用能较集中的焊接方法，如COCO2 2焊、焊、等离子弧焊等及较小的热输入。等离子弧焊等及较小的热输入。选用合理的装配焊接顺序选用合理的装配焊接顺序 对称布置的焊缝应对称或同时施焊。对称布置的焊缝应对称或同时施焊。焊前预热，焊后缓冷或去应力退火焊前预热，焊后缓冷或去应力退火 消除应力消除应力 （3 3）焊接残余变形的矫正）焊接残余变形的矫正:1 1）机械矫正法）机械矫正法:即利用外力使构件产生与焊接变形方向相反即利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形。的塑性变形。如：手工锤击、用辊床、压力机等。如：手工锤击、用辊床、压力机等。2 2）火焰矫正法）火焰矫正法:即利用火焰局部加热焊件的适当部位使其产即利用火焰局部加热焊件的适当部位使其产生压缩塑性变形，以抵消残余变形。生压缩塑性变形，以抵消残余变形。如采用气焊炬。如采用气焊炬。