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机械制造基础焊接第1页/共114页第2页/共114页 焊接是利用加热或加压（或者加热和加压），使分离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子间的结合的连接方法。在机械制造、建筑、车辆、石油化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。焊接的特点：优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ；2）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短 ；4）易于实现机械化和自动化。 第3页/共114页缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ；2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形； 4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。 焊接方法可分为： 1）熔焊：利用局部加热的方法，把工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝，将两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。 2）压焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。3）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方法。 第4页/共114页第 1节 焊接成形基础4.1.1 熔焊的冶金过程 熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为气焊 、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等。以下以电弧焊为例来分析。4.1.1.1 焊接电弧1. 焊接电弧的产生 焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接第5页/共114页图4-1 电弧的结构示意图触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。2. 焊接电弧的结构 电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4-1所示。1）阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K；2）阳极区：受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K；3）弧柱区：阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达6000~8000K。第6页/共114页图4-2 焊条电弧焊过程4.1.1.2 焊接的冶金过程 焊接的冶金过程如图4-2所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。 金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：第7页/共114页 能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图4-3所示；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。 氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。 其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降，如图4-4所示；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe4N）形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。 第8页/共114页 焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点：1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分；2）熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。 为保证焊缝质量，可从两方面采取措施：1）减少有害元素进入熔池，主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊焊剂和气体保护焊的保护气体（CO2，氩气）等）。2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。 第9页/共114页图4-5 焊接热循环曲线4.1.1.3 焊接热循环 焊接热循环：在焊接加热和冷却过程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图4-5所示。不同点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。对焊接质量起重要影响的参数有：最高加热温度、在过热温度11000C以上停留时间和冷却速度等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。 第10页/共114页图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化4.1.1.4 焊接接头组织与性能 以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-6所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫焊接热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。第11页/共114页图4-7 焊缝的柱状树枝晶1.焊缝区 焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心