第3章 焊接工艺1.doc

第三章 焊接工艺（Welding Process）3.1 概 述 Introduction3.1.1 焊接工艺原理及特点1焊接工艺原理（dh59）焊接是指用加热或加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而形成不可拆卸接头的材料成形方法。2焊接工艺特点 可将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊。如汽车车身生产过程，先分别制造出车门、驾驶室、前围和侧围，再将各部件组装拼焊。简化了工艺，降低了成本(th92)。 可实现不同材料间的连接成形，如汽门杆部为45钢，头部为合金钢。因此，可优化设计，节省贵重材料(th89)。 可实现特殊结构的生产(dh13)。例如，126104kW核电站锅炉，外径6400mm，壁厚200mm，高13000mm，工作参数为17.5MPa，350，要求无泄漏（有放射性核燃料），这只有采用焊接方法才能制造出来(th114)。 焊接结构重量轻，采用焊接方法制造的船舶、车辆、飞机、飞船、火箭等运输工具，可以减轻自重，提高运载能力和行驶性能。但焊接结构是不可折卸的，更换修理部分的零部件不便，焊接易产生残余应力，焊缝易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷引起应力集中，降低承载能力，缩短使用寿命，甚至造成脆断。因此，应特别注意焊接质量，否则易造成恶性事故。3.1.2 焊接工艺的分类 根据焊接过程的工艺特点，可将焊接分为： 电弧焊（手弧焊、气体保护焊和埋弧焊） 电阻焊 电渣焊 摩擦焊 软钎焊熔化焊 电子束焊 压力焊 超声波焊 钎焊 激光焊 爆炸焊 硬钎焊 等离子弧焊 扩散焊 高频焊3.1.3 焊接在工业中的应用1金属结构的焊接(dh14,dh52,dh63)金属结构的焊接如锅炉、压力容器、管道、桥梁、海洋平台和起重机等，船舶、车辆、飞机、火箭的梁架和外壳。2机械零件的焊接机械零件的焊接如轴、齿轮、锻模和刀具等。如(th116)齿轮的焊接结构，是将管板焊接而成，简化了工艺。 3.2焊接工艺的基本原理3.2.1 熔化焊的原理1. 熔化焊的本质及特点(dh50,dh54) 熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。如图3-1为熔化焊加热熔化和冷却结晶的示意图，当温度达到材料熔点时，母材和焊丝熔化形成熔池（图3-1a），熔池周围母材受到热影响组织和性能发生变化形成热影响区（图3-1b），热源移走后熔池结晶成柱状晶（图3-1c）。 熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。 冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。a）熔池的形式 b）热影响区形成 c）熔池结晶图3-1 熔化焊过程示意图热影响区焊缝柱状晶熔滴焊丝熔池母材2. 熔化焊的三要素由熔化焊的本质及特点可知，要获得良好焊接接头必须有合适的热源，良好的熔池保护和焊缝填充金属。此称为熔化焊的三要素。1)热源能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧(dh143),电渣热、电子束(dh156)和激光(dh92)。2)熔池的保护可用渣保护(dh133)、气保护(dh68)和渣-气联合保护(dh122)。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。3)填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素(dh60)，并达到机械性能和其它性能的要求，主要有焊芯(th119)焊丝(th117)。3. 熔池的冶金反应熔焊从母材和焊条被加热熔化、到熔池的形成、停留、结晶。在高温作用下要发生一系列的氧化还原反应(dh133)，从而影响焊后的化学成分、组织和性能。首先，空气中的氧气和氮气在电弧高温作用下发生分解与金属和碳发生反应，如：Fe十O FeO Mn十O MnO Si十2O SiO22Cr十3O Cr2O3 C十2O CO2这样，会使Fe、C、Mn、Si、Cr等元素大量烧损，使焊缝金属含氧量大大增加力学性能明显下降，尤其使低温冲击韧度急剧下降，引起冷脆等现象。氮和氢在高温时能溶解于液态金属中，氮还能与铁反应形成FeN和Fe2N，Fe2N呈片状夹杂物，增加焊缝的脆性。氢在冷却时保留在金属中造成气孔，引起氢脆和冷裂缝。4.熔化焊焊接接头的组织与性能1）焊接热循环在焊接加热和冷却过程中，焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化的过程叫焊接热循环。(dh113) 2) 焊缝的组织和性能柱状树枝晶3-4-热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始冷却结晶，从熔合区中许多未熔化完的晶粒开始，以垂直熔合线的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶（dh50,图3-4）。焊缝成型系数-焊缝宽度与高度之比B/H。当B/H很小时，易形成中心线偏析，产生热裂纹。因低熔点物质将会被推向焊缝最后结晶部位，形成成分偏析。如图3-5所示。从熔池液体金属凝固为焊缝金属的结晶过程，称为一次结晶。如在其后的冷却过程中固态的焊缝金属继续发生组织转变，则叫作二次结晶（如低碳钢一次冷却结晶形成奥氏体，二次结晶时奥氏体发生珠光体加铁素体的组织转变）。当钢中含碳量较高时，特别是合金含量高时，二次结晶有可能发生奥氏体向马氏体的转变，形成淬火组织。 a）B/H较大 b）B/H较小图3-5 焊缝结晶过程图3-6 低碳钢焊接热影响区的组织变化焊缝金属的宏观组织形态是柱状晶、晶粒粗、成分偏析严重、组织不致密。但是，由于焊接是小熔池炼钢，冷却快，化学成分控制严格，碳、磷、硫等含量低，通过渗合金调整焊缝的化学成分，使其有一定的合金元素，这样焊缝金属的强度可与母材相当。3) 热影响区与熔合区的组织和性能热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不同。低碳钢的热影响区，如图3-6a）为焊接接头各点最高加热温度曲线及室温下的组织图，图3-6b）为简化的铁碳相图。低碳钢的热影响区可分为： 过热区 1100以上，晶粒粗大，塑性差，易产生过热组织(th105)，是热影响区中性能最差的部分。 正火区 8501100，因冷却时AP+F的转变，晶粒细小(th64)，性能好。 部分相变区因加热到700850时，存在F+A两相，其中F在高温下长大，冷却时不变，最终晶粒较粗大。而AP+F转变，使晶粒细化。此区晶粒大小不均(td79)，性能较差。易淬火钢的热影响区为淬火区（AC3以上区域），部分淬火区（AC1至AC3区域）。由于焊后冷却速度快，易产生淬硬组织(mastenite)。对于焊前是调质的合金钢，热影响区为淬火区、部分淬火区和软化区（AC1至高温回火的区域）。其中淬火区机械性能严重下降，易引起冷裂纹。熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。4.焊接变形和焊接应力图3-7 加热和冷却时的应力与变形1) 焊接应力与变形产生的原因自由膨胀和收缩(dh14_c)-当金属材料在自由状态下受到整体加热和冷却时，它可进行自由膨胀和收缩，不会产生应力和变形（图3-7a）。刚性拘束(dh119,dh128_c)-（图3-7b）。加热时，不能膨胀到自由变形L0+2，仍然为L0，产生塑性压缩变形；冷却时，也不能产生L2自由收缩量，这时材料内就受到拉应力并残余下来。这时，只有残余应力，而无残余变形。局部拘束(dh118)-材料可以产生部分的膨胀和收缩（图3-7c）。加热时不能产生2的膨胀量，而只能产生2 的膨胀。此时加热的金属受压应力，产生一定量的压缩变形。冷却时，不能产生2的收缩量，而产生2的收缩量，使金属受拉应力并残留下来，最后产生的变形22为残余变形，也称为焊接变形，并同时产生残余应力。焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无残余变形。当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产生残余变形(dh58)。dAwtBbL2）对接焊缝变形的计算： 在焊接如图3-8所示的对接焊逢时，焊接结构的横向收缩量与焊缝断面面积和焊根开度成正比，与焊件厚度成反比，计算公式如下：St=0.25Aw/t+0.13d (3-1)式中：St=B-b-横向的收缩（mm）;Aw-焊缝断面面积（mm2）； 图3-8 对接焊逢焊接结构示意图t-焊件厚度（mm）;d-焊根开度（mm）。同理，V型坡口对接焊缝的纵向收缩量与焊缝断面面积成正比，与焊件断面面积成反比，计算公式如下：Sl=0.005LAw/Ap (3-2)式中：Sl -焊缝的纵向收缩(mm)Aw-焊缝断面面积（mm2）；Ap-焊件断面面积（mm2）；L-焊逢全长(mm)。焊件的扰曲变形量与焊缝断面面积、焊缝的全长及焊逢重心与中性轴之间的距离成正比，与结构端元对中性轴的惯性矩成反比，计算公式如下： long=0.127Awl2d/I (3-3)式中：d-焊缝重心与中性轴之间的距离（mm）;l-焊缝的全长（mm）;I-结构端元对中性轴的惯性矩（mm4）Aw-焊缝断面面积（mm2）L=914mm中性轴W=6.8mm50.850.86.4L=635mm实验值及计算值见图3-925.420.330.271.44.8中性轴 w=4.8mm 实际=3.05mm 实际=2.54mm d=+21.3mm 计算=2.74mm 计算=2.57mmImin=177314.6mm4 d=+7.34mm I=554836.5mm4图3-9典型焊接结构的扰曲变形2) 焊接应力和变形的防止(1) 焊接应力的防止及消除 焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊接局部加热，从而减少焊接应力(dh45,dh46,dh47,dh48)。 采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（th61a）。而(th61b)因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。 采用小线能量，多层焊，也可减少焊缝应力(dh77)。 焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。 当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也能减少焊接残余应力(dh135)。 焊后进行消除应力的退火可消除残余应力(dh111)。通常把焊件缓慢加热到550650左右，保温一定时间，再随炉冷却，利用材料在高温的屈服强度下降和蠕变现象而达到松弛焊接残余应力的目的。这种方法可以消除残余应力80%左右。2焊接变形的防止和消除 焊缝不要有密集交叉，截面和长度也要尽可能小，以减少焊接局部加热，从而减少焊接变形。如图3-12所示，其中图3-12a）为对称焊缝布置，图3-12b）为对称双Y型坡口。 采用反变形方法(图3-13)。按测定的检验数据估计焊接变形方向和数量，在组装时使工件反向变形，以抵消焊接变形。b) 采用反变形图3-11 焊接顺序对焊接应力的影响图3-12 焊缝对称布置 图3-13 Y形坡口对接焊的反变形法焊前焊后焊前a）产生角变形 焊接工艺上，采用高能量密度的热源（如等离子弧、电子束等），采用小线能量，采用对称焊（图3-14）和分段倒退焊（图3-15），采用多层多道焊，都能减少焊接变形。 采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。如采用定位焊组装也可防止焊接变形。 焊前预热，焊接过程中采用散热措施（如水冷铜散热板，图3-16c），锤击还处在高温的焊缝等都能减少焊接变形。图3-14 对称焊接方法图3-15 分段退焊方法在长焊缝中的应用111334224 c)用水冷铜块冷却 b)浸入水中冷却浸入水中冷却 a)喷水冷却图3-16 用散热法减少焊接变形 1焊炬；2焊件；3喷水管；4水冷铜块3.2.2 压力焊的基本原理压力焊-是指通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子接近到晶格距离（0.30.5nm），形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。根据压力和温度的不同，压力焊可分为：冷压焊、扩散焊和热压焊。1. 扩散焊和热压焊热源与接头形成1) 扩散焊热源与接头形成扩散焊通常要将焊件整体加热到低于焊件材料固相线的某一温度，并长时间加压保温，通过接触面附近的塑性变形、再结晶和扩散形成焊接接头。（1）热源扩散焊通常采用感应加热热源，热源功率为：P=1.06WCT/t1 （KW） (3-4)式中：W-加热部分质量(kg);C-比热（KWh/kgK）T-温度（K）t1-加热时间（h）加热达到温度T后，保温保压，其工艺曲线如图3-22所示。图中t1为加热时间，t2- t1为扩散焊接时间，tp2- t2为保压冷却时间。焊接压力P温度（T/）；压力（P/Mpa）焊接温度T出炉温度T1t2 tp2tp1 t1时间（t/h）图3-22 扩散焊的工艺曲线示意图(2) 接头形成a.固态扩散焊过程 变形-接触阶段(dh99)。在压力和温度的共同作用下，使工件表面的凸起部分产生塑性变形，使接触面积从1%增大到75%，为原子间的扩散作好准备。 扩散-界面推移阶段(dh100)。因界面产生较大的晶格畸变、位错和空位，使界面处原子处于高度激活状态，而很快扩散形成金属键，并经过回复和再结晶产生晶界的推移，形成固态冶金结合。 界面和孔洞消失阶段(dh101)。经过长时间保温扩散，消除孔洞，界面晶粒长大，原始界面消失。b.瞬时液相扩散焊过程 液相生成(dh127)。在一定温度下，利用中间夹层材料与两焊件接触处形成低熔点共晶液相，填充接头间隙。 等温凝固(dh125)。液相中使熔点降低的元素大量扩散至焊件母材中，而焊件母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固形成接头。 均匀化(dh124)。保温扩散使接头成分均匀化。2) 热压焊热源与接头形成热压焊通常采用的热源有电阻热源、摩擦热源、超声热源、爆炸热源等，各种热源的大小、特性和应用见表3-5所示。尽管热压焊所用热源不同，但接头的形成过程基本都是一样的。即在固态下通过塑性变形和再结晶获得统一晶粒，见图3-25所示。2. 扩散焊和热压焊接头的组织与性能对低碳钢而言，扩散焊接头的组织为与母材一致的等轴晶粒，无热影响区。因此，接头的性能与母材完全一样(th51)。热压焊接头的组织为再结晶组织，接触面附近晶粒细小，热影响区通常为正火区，晶粒细小，因此，接头的性能优于母材。 表3-5 热压焊热源的特点热源名称大小表达式主要影响因素特性应用电阻Q=0.24I2Rt式中：I-电流A;R-焊接区电阻；t-通电加热时间。外因是电流和通电时间；内因是电阻包括焊件电阻和接触电阻。功率大，效率高，控制方便；热源在两焊件结合面内，隔绝了空气，无须保护焊缝。主要用于点焊、缝焊、凸焊、对焊等。不适合电阻太小的材料。摩擦Q=2/3pnfdt式中：f-摩擦系数p-摩擦力;n-摩擦速t-摩擦时间外因是摩擦力、摩擦速度和摩擦时间，内因是焊接材料的摩擦系数。节能、效率高，有清理待焊部位的作用，不适合摩擦系数太小的材料。主要用于惯性摩擦焊、搅拌摩擦缝焊。超声E=63H3/2t3/2式中：H-材料显微硬度；t-材料厚度外因是超声频率,振幅和时间，内因是焊件的硬度和厚度。节能、效率高，热源在两焊