第4章 连接成形

第4章连接成形连接成形是将若干个构件连接为一体的成形方法。

分为焊接、胶接和机械连接等三大类。焊接

通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。胶接

是用胶粘剂将被粘物表面连接在一起的方法。胶接工艺简便、生产效率高、成本低，在工业生产中应用愈来愈广泛。机械连接

通过构件间产生的机械作用力实现连接的方法。机械连接质量可靠、易于检修，在工业中应用广泛。熔焊：（液/液）+液压焊：(固/固）+压力钎焊：（固/固）+液焊接基本特点：

优点：省工省料、效率高、连接牢固，适于焊接的材料广泛；

缺点：可能产生气孔、裂纹、焊件上存在焊接应力和焊接变形。4.1焊接基础4.1.1熔焊冶金过程及其特点

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，称为熔焊冶金过程。包括液相冶金、熔池结晶、焊缝和热影响区的组织变化等。

(1)熔焊液相冶金的特点

反应温度高、熔化金属与外界接触表面积大、反应时间短温度高

氧化反应迅速、激烈（原子活泼）元素烧损大气体侵入熔池，形成夹杂反应时间短反应不完全，成分不均匀气体杂质来不及浮起淬硬倾向大由熔焊冶金特点知：

对焊缝影响较大的是气体的侵入和成份的变化，所以焊缝对外表现出的力学性能特点为:δak

即：硬度高、脆性大(2)保证焊缝质量的措施

1）防止有害气体侵入熔池：

用气体及熔渣隔离空气或两者联用，焊前清理焊件及焊丝、烘干焊条或焊剂

2)冶金处理：

添加有益元素Si，Mn

进行脱氧、脱硫、脱磷渗入其它合金元素

2．熔池结晶熔池金属凝固时，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“联生结晶”，并沿着散热的反方向长大形成柱状晶的。焊缝金属晶粒较粗，组织不致密，且易引起化学成分偏析，有些焊缝金属在凝固末期还可能产生热裂纹。解决办法：

1）焊缝中增添少量Ti、V、Mo等元素，可形成弥散的结晶核心，使焊缝晶粒细化，力学性能提高。

2）采用机械振动、超声振动、电磁搅拌等工艺措施均可细化焊缝晶粒。

3．焊接接头的组织转变由于焊接过程中的热扩散，已焊合的接头按组织和性能的变化不同，可分为焊缝金属区、熔合区和热影响区等区域

(1)焊缝金属区：由焊缝表面和熔合线所包围的区域，针对其冶金特点采取的各种各种措施，可使其力学性能比母材金属只高不低。(2)熔合区：是焊缝与母材交接的过渡区，加热温度在固、液相线之间，由铸态组织和过热组织构成，化学成分和组织都极不均匀，力学性能很差，是焊接接头中最薄弱的部位之一，常是焊接裂纹的发源地。(3)热影响区：材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。焊接热影响区

过热区：具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。加热温度在固相线与1100℃之间，奥氏体晶粒显著长大，力学性能明显下降，是力学性能最差的部位，也常是焊接裂纹的发源地。相变重结晶区：具有正火组织的区域。加热温度稍高于Ac3线，经重结晶获得细小、均匀的晶粒，相当于正火处理，故又称正火区。该区力学性能明显改善，是焊接接头中性能最好的区域不完全重结晶区：部分组织发生相变重结晶的区域。加热温度在Ac1线与Ac3线之间，部分组织成为均匀、细小的晶粒，其余为较粗大的晶粒。晶粒和组织都不均匀，力学性能较差。针对熔合区、焊接热影响区尤其是其中的过热区可能出现的质量问题，可采取措施：1）采取热量集中的焊接方法，减小热影响区的宽度，减小影响，提高性能。先进的焊接方法均如此。（见表4-2）2）工艺上：小电流、、快速焊，以减小单位长度上的热量输入3）焊后正火

4.1.2焊接应力与变形

1．焊接应力与变形产生的原因不均匀的加热必然导致随后的不均匀冷却，进而引起不均匀的膨胀、收缩，使焊件上出现了较大的内应力。

焊接时，多采用集中热源进行局部加热由于焊接件的结构一般表现出塑性好、细、薄、易变形的特点，所以焊接变形是必然的。焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊接残余变形。

2．焊接残余应力的调节与消除(1)焊接残余应力的分布：

先冷处受压后冷处受拉

纵向横向

(2)调节焊接残余应力的措施设计措施

减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密集和交叉采用刚性较小的接头工艺措施合理的焊接顺序

先内后外、先短后长、交叉处不起头收尾降低焊接接头的刚性加热减应区锤击焊缝预热和后热

从调节应力的措施看：减小温度的不均匀是很重要的；另外，让可能变形的部位尽可能变形也是一个有效途径。

3．焊接残余应力的消除方法去应力退火：整体或局部加热温度500～650℃

机械拉伸法

温差拉伸法

振动法

4．焊接残余变形的控制和矫正

(1)焊接残余变形的类型：五种

常见多为综合型的变形(2)控制焊接残余变形的措施：尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状

合理安排焊缝位置设计措施工艺措施反变形法：

刚性固定法：

合理选用焊接方法和焊接规范：

选用能量较集中的焊接方法焊接时采用较小的热输入

选用合理的装配焊接顺序

尽量对称焊、厚板多层焊、长缝分段焊

工艺措施

(3)焊接残余变形的矫正：

1）机械矫正法：

利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使二者相互抵消生产效率高、矫正质量好、适用于塑性材料

2）火焰矫正法：

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，以抵消焊接残余变形操作灵便，但需较丰富的实际经验

4.2焊接方法

4.2.1熔焊

1．电弧焊（焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊）

(1)埋弧焊：即电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。(2)气体保护电弧焊：即用外加气体作电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法

1）熔化极气体保护焊：熔深大、焊接速度快、生产效率高；明弧可见，易于操作

2）钨极惰性气体保护焊：电弧燃烧稳定，焊缝金属含氢量极低，明弧可见，易于操作

（常用的保护气体有CO2、Ar、Ar+O2、Ar+CO2等）

2．电渣焊

即利用电流通过液体熔渣产生的电阻热进行焊接的方法。熔敷速度高；加热和冷却速度慢，不易产生气孔、夹渣等缺陷，且脱硫、脱磷较充分，焊缝质量较高

3．堆焊

为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接

堆焊几乎可采用任何一种熔焊方法堆焊可提高零件的使用寿命，可获得耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能堆焊是一种重要的表面工程技术，广泛用于各种机械零件和工具、模具的制造和修复4.2.2压焊（常用的压焊方法有电阻焊和摩擦焊等）

1．电阻焊利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法

2．摩擦焊

即利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。

接头质量好，焊件精度高；劳动条件好，生产效率高并可焊接异种材料

4.2.3钎焊

利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接

1．焊接材料(1)钎料：即钎焊时用作填充金属的材料(软,硬)(2)钎焊焊剂：即钎焊时使用的熔剂2．接头型式：多采用搭接(图4-24)3．加热方式：烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加热、浸渍加热和炉中加热等钎焊适用于精密、微型、形状复杂或多钎缝的焊件及异种材料间的焊接，广泛用于焊接换热器、夹层结构、电真空器件和硬质合金刀具。4.2.4其它焊接方法

1．等离子弧焊2．电子束焊能量密度和温度高，穿透能力强，焊接速度快，生产率高焊接速度快，热输入小，焊缝深宽比大，热影响区窄，焊件变形小

3．激光焊

焊接速度高，热输入小，焊缝窄，热影响区及焊接变形小，焊缝平整光滑。4．扩散焊

不需填充材料和焊剂；无铸态组织，不影响性能；且可同时焊接多个接头。可焊各类材料及很厚和很薄的材料特别适合于精密结构件及热敏感件的焊接

4.3.常用金属材料的焊接

4.3.1材料的焊接性

材料的焊接性是材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。

材料的焊接性取决于材料的化学成分、焊接方法及焊接材料、焊件结构类型及服役要求1．材料焊接性的影响因素材料焊接性的影响因素材料的化学成分硬、脆可能小,焊接性好焊接方法能量集中、保护好,焊接性好焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂和气体等碱性焊条或碱性焊剂，焊接性好；惰性气体保护，焊接性好

焊件结构类型结构简单、刚性小,焊接性好

服役要求服役要求不高,焊接性好

2．焊接性的评价(1)用碳当量评价钢的焊接性：

1）国际焊接学会（IIW）推荐的公式：CE={w(c)+w(Mn)/6+[w(Cr)+w(Mo)+w(v)]/5+[w(Ni)+w(Cu)]/15}×100%CE＜0.4%焊接性良好CE＝0.4～0.6％焊接性较差CE＞0.6%焊接性很差2）冷裂纹敏感系数公式Pw：式中：

w（C）、w（Mn）等——碳、锰等相应成分的质量分数；[H]——焊缝金属中扩散氢的含量（ml/100g）；h——材料板厚（mm）。利用Pw可以求出工件所需的预热温度tp，如下式：

tp=1440Pw－392（℃）(2)焊接性试验：评定母材焊接性的试验如图4-29

4.3.2常用金属材料的焊接

1.碳钢的焊接

(1)低碳钢的焊接：CE小于0.4%,焊接性良好

可用各种方法无需采用任何工艺措施方便施焊。

母材碳含量偏高或在低温下焊接刚性较大的结构时，可采取预热、后热及使用低氢型焊条或高碱度焊剂等措施。(2)中碳钢的焊接:CE为0.4%～0.6%,焊接性较差

焊接时应进行预热（预热温度一般为100～200℃）和后热；选用低氢型焊条或碱度较高的焊剂；使用小电流、低焊速和多层焊，焊后应立即进行热处理。(3)高碳钢的焊接：CE大于0.6%，焊接性更差，

更易产生淬硬组织和裂纹。应采用更高的预热温度和更严格的工艺措施，一般只用于工具、模具的修补和钢轨的对接。

2．低合金结构钢的焊接

(1)强度级别低的低合金结构钢:σs=295-390MPa

价格低，广泛用于较重要的焊接结构，焊接性较好。

类于低碳钢，一般不需预热，也不需焊后热处理，但通常采用碱性焊条

(2)强度级别较高的低合金结构钢:σs=440-540MPa广泛用于要求高强度、高韧性及在低温或动载下工作的重要焊接结构，焊接性较差。

类于中碳钢，须采取预热和后热措施，防止产生冷裂纹，且须采用碱性焊条或碱度较高的焊剂；焊后常需进行去应力退火或高温回火

3．耐热钢的焊接：1Cr13，焊接性较差该类钢易产生淬硬组织和裂纹，焊前应仔细清理焊丝和坡口，须进行预热和后热，选用低氢型焊条或碱度较高的焊剂，焊后应立即进行去应力退火或高温回火处理。

4．不锈钢的焊接：1Cr18Ni9Ti，焊接性较差

该类钢焊接接头可能出现热裂纹、脆化等焊接缺陷。应尽量采用高纯焊接材料，选用高碱度焊剂或低氢型焊条；须采用热量集中的焊法、小的热输入（小电流、高焊速）、以减少热影响区的受热程度；焊后应进行热处理以消除残余应力

从各类钢的焊接看，对焊接性较差的钢，无论采用何种焊接方法，通常都需采用碱性焊条或焊剂，且应进行预热和后热。焊接性越差，碱度要求越高，预热温度也越高，辅之以严格的其他工艺措施和接头清理，才能保证焊接件的质量。

5．铸铁的焊接易产生裂纹、白口及淬硬组织，故焊接性极差

一般仅用于毛坯的焊补和修复损坏的铸铁零件

纯镍铸铁焊条：焊缝为镍铁合金，有良好的抗裂性及切削加工性，成本较高，一般仅用于机床导轨面等重要铸铁件的加工面的修补。

(1)异质焊缝冷焊：用焊条电弧焊，通常不预热

碳钢铸铁焊条：焊缝为碳钢，成本低，但易产生热裂纹，且难于切削加工，只能用于焊补铸铁件的非加工面。

(2)同质焊缝热焊：选用焊缝为铸铁型的焊条或焊丝，焊前将铸件整体或局部预热至550～6