4 金属材料制备与加工-焊接

金属材料制备与加工,复旦大学材料科学系沈杰,金属材料制备与加工,焊接,把两个或两个以上的构件(或毛坯)连接成所需要的结构(或零件)。连接方法主要有焊接、螺栓连接、铆钉连接、胶接等。焊接：通过加热或加压，或两者并用，使用或不使用填充材料，使焊件达到原子间结合的加工方法。,焊接,焊接方法可分为熔化焊、压力焊和钎焊三类。熔化焊：使被连接的构件局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方法。为实现熔化焊，关键是要有一个能量集中、温度足够高的加热热源。它是目前应用最广泛的一类焊接方法，按热源形式不同，熔化焊的基本方法有：气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊及激光焊等。压力焊：焊接过程中，必须对焊接施加压力(加热或不加热)以完成焊接的方法。压力焊接的基本方法有：电阻焊、冷压焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊等。钎焊：采用熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接的焊接方法。钎焊常用的方法有铜焊、锡焊及银焊等。,焊接冶金基础,电弧焊为例：焊接区在高温热源的作用下，要经受加热、熔化、冶金反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又是在温度、成分及应力极不平衡的条件下发生，就像在小型电弧炉中炼钢一样，熔化的金属在熔池中进行着氧化、还原、造渣、合金化等一系列的物理化学过程。焊接冶金过程特点：温度远高于一般的冶炼温度：在焊接碳素结构钢和低合金高强度结构钢时，熔滴的平均温度约2300，熔池在1600以上，高于普通冶金温度。使金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，增大了气体的活泼性，导致金属烧损或形成有害杂质。冷却速度快：熔池体积小，周围又是冷金属，熔池处于液态的时间很短，一般在10s以下，各种化学反应难以达到平衡状态，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，从而易产生气孔和夹渣等缺陷。,焊接冶金基础,在焊接过程如果不加以保护，空气中的氧、氮和氢等气体就会侵入焊接区，并在高温作用下分解成原子状态的氧、氮和氢，与金属元素发生一系列的物理化学作用，其反应式如下：Fe+OFeO4FeOFe3O4+FeC+OCO C+FeOFe+COMn+OMnO Mn+FeOFe+MnOSi+2OSiO2Si+2FeO2Fe+SiO2反应的结果是钢中的一些元素被氧化，熔池中碳、锰、硅等大量烧损形成FeO、SiO2、MnO、SiO2等熔渣，当熔池迅速冷却后，一部分氧化物残留在焊缝中形成夹渣，显著降低焊缝的力学性能。氢和氮在高温时能溶于液态金属内，氮和铁还可形成Fe2N、Fe4N。冷却后，一部分氮保留在钢中，Fe4N则呈片状夹杂物留在焊缝中，使焊缝的塑性和韧性下降。氢的存在则引起氢脆，促进冷裂纹的产生，并容易形成氢气孔。,焊接冶金基础,焊接过程中必要措施。造成有效的保护，限制空气侵入焊接区。焊条药皮、埋弧自动焊的焊剂以及保护气体都能起到这个作用，如焊条药皮能产生CO2气体和熔渣，将熔化金属和空气隔绝以防止空气的侵入。气体保护焊的保护气体虽然不能补充合金元素，但能起到良好的保护作用。渗入有用合金元素以保证焊缝的化学成分。如在焊条药皮(或焊剂)中加入锰铁等铁合金和金属粉，焊接时可过渡到焊缝金属中、以弥补有用合金元素的烧损，甚至可增加焊缝金属的某些合金元素，以提高焊缝金属的性能。进行脱氧、脱硫和脱磷。焊接时熔化金属除可能被空气侵入外，还可能被工件表面的铁锈、油污、水分或保护气中分解出来的氧所氧化，所以在焊前必须清除工件表面的铁锈、油污和水分，同时还应在焊条药皮(或焊剂)中加入锰铁、硅铁等进行脱氧、脱硫和脱磷。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,焊接接头不同区域所获得的组织：左下部是焊件的横截面，上部是相应各点在焊接过程中被加热达到的最高温度曲线。显然，距焊缝中心越远，温度越低。1-2、2-3、3-4等各段组织性能的变化可用右侧所示的部分Fe-Fe3C合金状态图来对照分析。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,焊缝区：在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。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生长，呈柱状树枝晶。,焊缝组织是液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大、成分偏析且组织不致密。但由于熔池小、冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,对低碳钢而言，冷却速度越大，奥氏体转变温度越低，熔池结晶后的组织就越细，珠光体的含量增多而铁素体的含量却减少，加之焊条添加合金元素，结果焊缝金属的强度和硬度都有所提高，而塑性和韧性却略有降低。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,热影响区：焊接或切割时，材料因受到焊接热的作用(未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。以低碳钢为例，热影响区可分为：熔合区、过热区、正火区和部分相变区等。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,熔合区：又称半熔化区，是焊缝向热影响区过渡的区域。其加热温度处于液相线和固相线之间。焊接过程中，部分金属被熔化。熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高而形成过热的粗晶组织，所以此区域塑性和冲击韧性很差，常常是裂纹和局部脆性破坏的发源地。在低碳钢焊接接头中，这一区域较窄(约0.11 mm)。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,过热区：又称粗晶区，是邻近熔合区外侧的区域。其温度为固相线至1100之间。由于温度高，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后得到过热的粗晶组织，因此塑性和冲击韧性急剧降低，也是焊接接头的一个薄弱的区域。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,正火区(完全重结晶区)：热影响区内相当于受到正火热处理的区域，处于过热区外侧。其温度为1100至A3线之间。冷却后，得到细小均匀的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材，是焊接接头力学性能最好的区域。但从整个焊接接头来看，由于此区狭窄，对提高焊接接头性能作用不大。,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,部分相变区(不完全重结晶区)：热影响区内发生部分相变的区域，处于正火区外侧。其温度为A3线至A1线之间。此区域在受到焊接加热时，原始组织中的珠光体和部分铁素体转变成奥氏体，并残留一部分未转变的铁素体。冷却以后，未转变的铁素体部分成为粗大的铁素体，奥氏体部分则转变成细小的铁素体和珠光体。由于组织不均匀，力学性能比正火区稍差。,焊接接头的组织与性能,焊接热影响区的金相组织和力学性能直接影响到焊接接头的性能。正火区性能最好，部分相变区次之，熔合区和过热区性能最差。一些焊接结构的破坏事故中，断裂部位多数都发生在热影响区的熔合区或过热区，而并不是发生在焊缝上。在熔化焊中，通过选择焊接方法、焊接规范、接头形式及焊后的冷却速度等途径，控制热影响区的范围大小和组织性能的变化程度，把不利影响降低到最小范围。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,焊接接头的组织与性能,改善焊接热影响区组织和性能方法对于低碳钢焊接结构，由于材料本身塑性良好，只要结构不复杂，又不承受过大的载荷，则焊接热影响区的存在并不影响使用性能。对于低碳合金焊接结构或用电渣焊焊接的结构，热影响区较大，焊后必须进行热处理。通常可用正火的方法，细化晶粒，均匀组织，改善焊接接头的质量。对于焊后不能进行热处理的焊接结构，只能通过正确选择焊接方法，合理制定焊接工艺来减小焊接热影响区，以保证焊接质量。,低碳钢焊接接头不同区域的组织,常用焊接方法,手工电弧焊埋弧自动焊二氧化碳气体保护焊氩弧焊电渣焊电阻焊钎焊,手工电弧焊,手工电弧焊：利用电弧放电时产生的热量来熔化焊条和焊件，从而获得牢固接头的焊接过程。焊接电弧：在两电极之间的气体介质中强烈而持久的放电现象。为产生电弧，必须使两电极气体空间导电，焊接电弧的引燃是一个使电极发射电子并使气体介质电离的过程。接触引弧：非接触引弧焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。,手工电弧焊,手工电弧焊过程：用手持焊钳夹持焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热熔化，焊芯端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池，焊条药皮熔化后形成熔渣并放出气体。在气、渣的联合保护下，可防止空气的侵入，有效地排除了周围空气的有害影响。当焊条向前移动时，焊条和工件在电弧热作用下继续熔化形成新的熔池，原先的熔池液态金属则逐步冷却结晶形成焊缝，覆盖在熔池表面的熔渣也随之凝固形成渣壳。,手工电弧焊过程示意图1焊缝；2渣壳；3熔池；4保护气体；5焊条药皮；6焊芯；7熔滴；8工件,手工电弧焊,焊条药皮的作用：保护作用：冶金作用使焊条具有良好的工艺性能,手工电弧焊过程示意图1焊缝；2渣壳；3熔池；4保护气体；5焊条药皮；6焊芯；7熔滴；8工件,焊条由药皮和焊芯两部分组成。药皮是焊条中压涂在焊芯外表面的涂料层。焊芯就是焊条中被药皮包覆的金属芯。焊接时，焊芯既是电极，又可填充金属，因此，焊芯的化学成分和性能对焊缝金属有着直接的影响。根据被焊金属的种类，选择相应牌号的焊丝作为焊芯。,埋弧自动焊,埋弧焊：电弧埋在焊剂层下燃烧进行焊接。应用最多的是埋弧自动焊。,埋弧自动焊示意图1工件；2焊剂；3焊剂漏斗；4送丝滚轮；5焊丝；6导电嘴；7渣壳；8焊缝,埋弧自动焊纵截面1焊缝；2熔池；3工件；4电弧；5焊丝；6焊剂；7已熔化的焊剂；8渣壳,二氧化碳气体保护焊,二氧化碳气体保护焊：简称CO2焊，利用CO2气体作为保护气体焊接。用焊丝作为电极，靠焊丝和工件之间产生的电弧熔化焊丝和焊件，以自动或半自动方式进行焊接。目前应用较多的是半自动焊，即焊丝送进靠送丝机构自动进行，由焊工手持焊具进行焊接操作。,二氧化碳气体保护焊焊接装置1焊炬喷嘴；2导电嘴；3送丝软管；4送丝机构；5焊丝盘；6流量计；7减压器；8 CO2气瓶；9电焊机,氩弧焊,氩弧焊：以氩气作为保护气体的焊接方法。根据所用的电极不同，氩弧焊可分为非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。,氩弧焊示意图 1焊丝或电极；2导电嘴；3喷嘴；4进气管；5氩气流；6电弧；7工件；8填充焊丝；9送丝滚轮,非熔化极氩弧焊,熔化极氩弧焊,氩弧焊,氩弧焊示意图 1焊丝或电极；2导电嘴；3喷嘴；4进气管；5氩气流；6电弧；7工件；8填充焊丝；9送丝滚轮,非熔化极氩弧焊：以高熔点的钨棒作为电极，又称为钨极氩弧焊。焊接时钨极不熔化，只作一个电极以产生电弧。填充金属(焊丝)从电弧前方送入。,非熔化极氩弧焊,熔化极氩弧焊,氩弧焊,氩弧焊示意图 1焊丝或电极；2导电嘴；3喷嘴；4进气管；5氩气流；6电弧；7工件；8填充焊丝；9送丝滚轮,熔化极氩弧焊：以连续送进的焊丝作为电极及填充金属。由于不存在钨极熔化问题，可以采用高密度电流，因而母材熔深大，填充金属熔敷速度快，焊接厚板时生产率高，变形小。,非熔化极氩弧焊,熔化极氩弧焊,电渣焊,电渣焊：利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源来熔化金属进行焊接。,电渣焊焊接过程示意图1焊缝；2熔池；3渣池；4送丝轮；5导电嘴；6焊丝；7引出板；8熔滴；9冷却滑块；10母材；11引弧板,电阻焊,电阻焊：焊件组合后，通过电极施加电压力，利用电流通过焊件接头的接触面及邻近级域产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔融状态，然后在压力下达到原子间的结合，形成焊接接头。电阻焊按其接头形式可分点焊、缝焊、对焊三种。,电阻焊示意图1固定电极；2移动电极,点焊,缝焊,对焊,电阻焊,电阻焊示意图1固定电极；2移动电极,点焊,缝焊,对焊,点焊：将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，加压通电，利用电阻热融化母材金属形成焊点的电阻焊方法。,电阻焊,电阻焊示意图1固定电极；2移动电极,点焊,缝焊,对焊,缝焊(滚焊)：焊接过程与点焊相似，只是用旋转的滚动电极代替了柱状电极。焊接时，圆盘状滚动电极压紧焊件并旋转(也带动焊件向前移动)，当电流断续通过焊件时，便可形成连续重叠的焊点。,电阻焊,电阻焊示意图1固定电极；2移动电极,点焊,缝焊,对焊,对焊：用电阻热将两个对接焊件连接起来。(a)电阻对焊；(b)闪光对焊,钎焊,钎焊：利用熔点比工件低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的工件连接起来。钎焊过程：将表面清洗好的工件以搭接形式(也可以对接)装配在一起，把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。当工件与钎料被加热到稍高于钎料的熔点温度后，钎料熔化(此时工件未熔化)并借助于毛细管作用被吸入到固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散，冷凝后即形成钎焊接头。根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊与软钎焊。,钎焊,钎焊的接头形式,钎焊构件的接头形式大都采用板料搭接