焊接的实质.ppt

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1、第二章第二章 焊接焊接 Welding 概述概述 Summarizationl焊接的实质焊接的实质:通过加热或加压（或两者并用），通过加热或加压（或两者并用），用或不用填充金属，使焊件形成原子间结合的用或不用填充金属，使焊件形成原子间结合的一种连接方法。不可拆卸的连接。一种连接方法。不可拆卸的连接。l焊接方法的分类焊接方法的分类Classification熔焊方法常以热源的种类命名，熔焊方法常以热源的种类命名，l气焊（气体火焰为热源）气焊（气体火焰为热源）l电弧焊（电弧为热源）电弧焊（电弧为热源）l电渣焊（熔渣电阻热为热源）电渣焊（熔渣电阻热为热源）l激光焊（激光束为热源）激光焊（激光束为热源

2、）l电子束焊（电子束为热源）电子束焊（电子束为热源）l等离子弧焊（压缩电弧为热源）。等离子弧焊（压缩电弧为热源）。钎焊钎焊:利用熔点比母材低的填充金属熔化以后利用熔点比母材低的填充金属熔化以后,填充填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种方法方法.压力焊：如电阻焊压力焊：如电阻焊:焊接过程中需要加压的一类焊焊接过程中需要加压的一类焊接方法接方法.焊接的特点及应用焊接的特点及应用l焊焊接接生生产产的的特特点点：优优点点是是：连连接接性性能能好好；省省工工省省料料成成本本低低；重重量量轻轻；可可简简化化工工艺艺。缺缺点点是是：不不可可拆拆卸卸；焊

3、焊接接接接头头组组织织和和性性能能要要变变坏坏；要要产产生焊接应力、变形和缺陷。生焊接应力、变形和缺陷。l焊接生产的应用焊接生产的应用制造金属结构制造金属结构机器零部件和工具机器零部件和工具修补修补 2-1 冶金连接成形基础冶金连接成形基础 一、焊接熔池的化学冶金一、焊接熔池的化学冶金1.熔焊过程中杂质的溶入及其有害作用熔焊过程中杂质的溶入及其有害作用 l氧化（高温下氧和氮分解）氧化（高温下氧和氮分解）Fe+OFeO C+OCOSi+2OSiO2Mn+OMnO2Cr+3OCr2O3 氧化使焊缝金属中的合金元素烧氧化使焊缝金属中的合金元素烧损损;而焊缝金属中的氧使焊缝金属而焊缝金属中的氧使焊缝金

4、属的强度、塑性和韧性均下降的强度、塑性和韧性均下降.如图如图所示所示.氮能氮能以原子的形式溶于金属中以原子的形式溶于金属中,如图所示如图所示.当熔池结晶时当熔池结晶时,氮的溶解度急剧下降氮的溶解度急剧下降,来来不及逸出金属表面的氮气便成为气孔不及逸出金属表面的氮气便成为气孔,还还会形成会形成Fe4N化合物化合物,分布在晶界和固溶体分布在晶界和固溶体内内.氮使焊缝金属的强度和硬度增加而塑氮使焊缝金属的强度和硬度增加而塑性和韧性下降性和韧性下降.氢如同氮一样氢如同氮一样,除产生气孔外除产生气孔外,还要引还要引起氢脆和冷裂纹起氢脆和冷裂纹.如图所示如图所示.l氢原子的溶解和析出氢原子的溶解和析出l氮

5、的溶解和析出氮的溶解和析出2.对熔化金属的保护和冶金处理对熔化金属的保护和冶金处理 l对焊接区采取机械保护，如采用焊条药皮对焊接区采取机械保护，如采用焊条药皮,防止防止空气污染熔化金属空气污染熔化金属,焊前还要严格清理焊前还要严格清理.l对熔池采用冶金处理，清除已经进入熔池中的有对熔池采用冶金处理，清除已经进入熔池中的有害杂质，增添合金元素害杂质，增添合金元素,在焊条药皮中加铁合金在焊条药皮中加铁合金.脱氧反应脱氧反应 Mn+FeOFe+MnO Si+2FeO2Fe+SiO2 脱硫反应脱硫反应 Mn+FeSFe+Mn MnO+FeSFeO+MnS CaO+FeSFeO+Ca MgO+FeSFe

6、O+MgS3.焊接熔池化学冶金的特点焊接熔池化学冶金的特点l温度高温度高,金属元素发生强烈的蒸发和烧损金属元素发生强烈的蒸发和烧损l冷却快冷却快,熔池金属在焊接过程中温度变化很快，熔池金属在焊接过程中温度变化很快，各种化学冶金反应难以充分进行各种化学冶金反应难以充分进行二、焊接接头的组织和性能二、焊接接头的组织和性能Microstructure and Properties of Welding Microstructure and Properties of Welding JointJoint.由焊缝区、熔合区和热影响区组成由焊缝区、熔合区和热影响区组成.1.焊缝焊缝(1)焊接热循环焊接热

7、循环Weld Thermal Circle 在焊接热源作用下，焊件上某点的温在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程。度随时间变化的过程。特点：特点：加热速度、冷却速度很快加热速度、冷却速度很快(100/s)温度不均匀温度不均匀对焊接质量起重要影响的参数是：对焊接质量起重要影响的参数是：最高加热温度最高加热温度 在过热温度在过热温度（1100度）的停度）的停留时间留时间 冷却速度：冷却速度：t 8/5 焊缝焊缝weld bead 在焊接接头横截面上测量的焊在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域，即焊缝表面和缝金属的区域，即焊缝表面和熔合线所包围的区域。熔合线所包围的区域。结晶过程特点

8、结晶过程特点：冷却速度：冷却速度快，过热，运动状态下结快，过热，运动状态下结晶，非均质形核晶，非均质形核 偏析偏析一次结晶一次结晶二次结晶二次结晶结晶从熔池底部许多结晶从熔池底部许多半个晶粒开始垂直底部半个晶粒开始垂直底部向中心生长，呈树状枝向中心生长，呈树状枝晶。晶。组织：铸态组织，粗组织：铸态组织，粗大柱状晶大柱状晶焊缝组织是从液态结晶的铸态组织焊缝组织是从液态结晶的铸态组织,存存在着各种铸造缺陷在着各种铸造缺陷,但由于冷却快但由于冷却快,通通过渗合金等还可以满足使用要求过渗合金等还可以满足使用要求.焊缝结晶过程要产生偏析，宏观偏析焊缝结晶过程要产生偏析，宏观偏析与焊缝成形系数有关（即焊道

9、的宽度与焊缝成形系数有关（即焊道的宽度与厚度之比）。成形系数小，形成中与厚度之比）。成形系数小，形成中心线偏析。心线偏析。2.热影响区热影响区heat-affect zone 受焊接热循环受焊接热循环的影响，焊缝的影响，焊缝附近的母材组附近的母材组织或性能发生织或性能发生变化的区域为变化的区域为焊接热影响区。焊接热影响区。如图所示。如图所示。l过热区过热区 Overheated Zone 1100固相线，魏氏组织固相线，魏氏组织,为热影响区中机械性能最差的为热影响区中机械性能最差的部位部位.l正火区正火区 Normalized Zone Ac31100，正火组织正火组织,冷却冷却后晶粒细小后晶

10、粒细小,机械性能较好机械性能较好.l部分相变区部分相变区Partial Phase-change Zone Ac1Ac3之间之间，晶粒大小不，晶粒大小不一，组织不均匀一，组织不均匀,性能较差性能较差.易淬火钢：由于焊后冷却易淬火钢：由于焊后冷却快快,会产生淬硬组织会产生淬硬组织.它的它的热影响区分为淬火区和部热影响区分为淬火区和部分淬火区分淬火区.3.熔合区熔合区bond l焊缝与热影响区的过渡区，位于熔合线焊缝与热影响区的过渡区，位于熔合线两侧，也叫半熔化区。两侧，也叫半熔化区。l温度处于固相线和液相线之间温度处于固相线和液相线之间 l成份不均匀成份不均匀,组织粗大组织粗大,粗大的过热组织粗

11、大的过热组织和粗大的淬硬组织和粗大的淬硬组织.是焊接接头中性能最是焊接接头中性能最差的差的.影响焊接接头性能的因素影响焊接接头性能的因素 Factors to Influence Properties of Welding JointFactors to Influence Properties of Welding Joint l焊接材料焊条和焊丝等（熔化后形成焊焊接材料焊条和焊丝等（熔化后形成焊缝金属组成部分，影响焊缝化学成分缝金属组成部分，影响焊缝化学成分 welding materials l焊接方法焊接方法welding method不同焊接方法不同焊接方法的热源，温度高低不同、且机

12、械保护也的热源，温度高低不同、且机械保护也不同。不同。l焊接工艺焊接电流、电弧电压、焊接速焊接工艺焊接电流、电弧电压、焊接速度和线能量等的总称为工艺参数度和线能量等的总称为工艺参数 welding technology 工艺参数工艺参数接头输入热量的大小接头输入热量的大小焊接焊接热循环热循环热影响区大小热影响区大小组织粗细组织粗细焊焊缝性能缝性能 线能量线能量E=IU/V三、焊接应力和变形三、焊接应力和变形1.焊接应力和变形的形成和危害焊接应力和变形的形成和危害.焊接应力增加焊接应力增加结构工作时的应力结构工作时的应力,降低承载能力降低承载能力;焊接变形影焊接变形影响组装质量响组装质量,矫正变

13、形增加成本矫正变形增加成本,还要降低塑性还要降低塑性.2、产生原因、产生原因 如图如图1-38所所示示.金属材料如果金属材料如果整体均匀加热整体均匀加热和冷却和冷却,能完能完全自由膨胀和全自由膨胀和收缩收缩,则在加则在加热过热过程中产生变形程中产生变形,不产生应力不产生应力;冷却后冷却后,恢复到恢复到原来的形状和尺寸原来的形状和尺寸,没有残余变形没有残余变形,也没有残也没有残余应力余应力.如图如图1-38a所示所示.如果在加热和冷却过程中如果在加热和冷却过程中,完全不能膨胀完全不能膨胀和收缩和收缩,这时有焊接残余应力而没有残余变这时有焊接残余应力而没有残余变形形.由于焊接是局部加热由于焊接是局

14、部加热,在加热和冷却过在加热和冷却过程中程中,有一定的刚性约束有一定的刚性约束,如图如图1-38b所示所示,加加热时金属受压应力热时金属受压应力,产生塑性压缩变形产生塑性压缩变形;在冷在冷却过程中却过程中,如图所示如图所示,不能完全自由收缩不能完全自由收缩,也也能收缩一些能收缩一些,因此因此,金属受拉应力并保存下来金属受拉应力并保存下来,这就是焊接残余应力这就是焊接残余应力.现以钢板对焊为例说明焊接残余现以钢板对焊为例说明焊接残余应力的产生过程应力的产生过程,如图如图1-39所示所示.(a)为加热时为加热时,(b)为冷却时的情为冷却时的情况况.图图1-40为焊接变形及产生原因为焊接变形及产生原

15、因2.减少和消除焊接应力的措施减少和消除焊接应力的措施 设计措施：设计措施：l尽量减少焊缝数量及尺寸尽量减少焊缝数量及尺寸 l避免焊缝过分集中避免焊缝过分集中 与交叉与交叉,如图所示如图所示l采用刚性较小的接头形式采用刚性较小的接头形式 l在拉应力区域，避免几何不连续性在拉应力区域，避免几何不连续性 工艺措施：工艺措施：l合理选择焊接顺序和方向合理选择焊接顺序和方向(先横后纵先横后纵)从设计和工艺二个方面考虑从设计和工艺二个方面考虑l锤击焊缝法锤击焊缝法l预热法预热法l加热加热“减应区减应区”l热处理法热处理法l降低焊缝拘束度降低焊缝拘束度l小线能量焊接小线能量焊接3.控制和矫正焊接变形的措施

16、控制和矫正焊接变形的措施防止变形：防止变形：l焊前组装时采用反变形法焊前组装时采用反变形法l刚性固定法刚性固定法 l能量集中的焊接方法能量集中的焊接方法 l预热、锤击、散热预热、锤击、散热 l选择合理的装配焊接选择合理的装配焊接顺序顺序 矫正矫正l机械矫正法机械矫正法 l火焰矫正法火焰矫正法 四、金属焊接性四、金属焊接性 Weldability of Metal 1.金属焊接性的概念金属焊接性的概念 金属材料对焊接加工的适应性。金属材料对焊接加工的适应性。在一定焊接条件下，获得优质焊接接头的难易程度。在一定焊接条件下，获得优质焊接接头的难易程度。决定于金属材料本身性质和加工条件。包括二方面决定

17、于金属材料本身性质和加工条件。包括二方面的内容的内容:结合性能：指某种材料在给定的焊接工艺条件结合性能：指某种材料在给定的焊接工艺条件下，形成完整而无缺陷的焊接接头的能力下，形成完整而无缺陷的焊接接头的能力。使用性能使用性能：指在给定的焊接工艺条件下，焊接：指在给定的焊接工艺条件下，焊接接头或整体结构满足使用要求的能力接头或整体结构满足使用要求的能力。2.金属焊接性的间接评价金属焊接性的间接评价 l碳当量碳当量 把钢中合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响把钢中合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。CE=C+M

18、n/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)经验表明经验表明l当当CE0.4时时,焊接性良好焊接性良好,一般不一般不需预热需预热;CE=0.40.6时时,焊接性较焊接性较差差,一般需要预热和采取其它工艺措一般需要预热和采取其它工艺措施施;CE0.6时时,焊接性差焊接性差,需采取较需采取较高的预热温度和其它严格的工艺措高的预热温度和其它严格的工艺措施施.评价金属焊接性的二个参数评价金属焊接性的二个参数l冷裂纹敏感系数冷裂纹敏感系数 除化学成分外，板厚（刚性约束）、焊除化学成分外，板厚（刚性约束）、焊缝含氢量等也对焊接性有影响。缝含氢量等也对焊接性有影响。Pe=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+h/600+H/60(%)防止裂纹要求的最低预热温度防止裂纹要求的最低预热温度:Tp=1440Pc-392()作业:1、什么是焊接热影响区？低碳钢焊接热影响区分哪几个区？2、碱性电焊条和酸性电焊条的性能有什么不同？为什么？