固体材料的连接

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1、 5. 固态材料 连接过程 5.1 焊接成形过程 焊接：通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合而连接成一体的加工方法。 金属的焊接在现代工业中具有重要的意义。 金属焊接的本质 要把两个分离的金属构件连接在一起，从物理本质上来看，就是要使这两个构件连接表面的原子彼此接近到金属晶格距离（即0.3 -0.5nm ）。 金属焊接的障碍 一般情况下，当我们把两个金属构件放在一起时， 由于其表面粗糙度（即使经精密磨削加工的金属表面粗糙度仍达几到几十微米）和表面存在的氧化膜及其它污染物，实际阻碍着不同构件表面金属原子之间接近到晶格距离并形成结合力。 焊接过程的本质就是通过适当的物理

2、化学过程克服上述困难。 实现焊接的途径 加 压 破坏接触表面的氧化膜；发生局部塑性变形；增加有效接触面 加 热 达到塑性或熔化状态，破坏氧化膜，降低金属变形阻力；增加原子振动、促进扩散、再结晶；促进化学反应和熔化结晶过程等。 熔化焊接 使被连接的构件表面局部加热熔化成液体，在被焊材料基体上结晶成一体的方法。 固相焊接 利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服表面不平度，除去氧化膜及其它污染物，使两个连接表面的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现连接。 钎焊连接 利用某些熔点低于被连接构件材料的钎料金属在连接界面上的熔化流散浸润，然后结晶形成结合。 5.1.1 焊接成形过程特性和理论基础（1

3、）焊接方法分类及其特点 5.1.1 焊接成形过程特性和理论基础（2）电弧焊的冶金过程及其特点1）电弧焊冶金过程 冶金过程 电弧焊时，焊接区各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程。 焊接区域温度高 远高于一般冶炼温度（弧柱温度500030000K，电极温度22004200，熔滴温度21002700，熔池平均温度1770100） 导致金属蒸发、氧化和吸气现象严重。2）冶金过程特点 电弧温度分布 弧柱区温度高，极区温度较低 时间短、冷却速度快 熔滴相互作用时间0.011.0s，熔池相互作用时间几秒至几十秒之间，比普通冶金短许多。 熔池小，周围是导热良好的金属，冷却速度快。2）冶金过程特点 焊

4、接区液相主要冶金反应 氧化还原反应 高温电弧中的氧化性气体、熔渣中金属氧化物与熔融金属间氧化还原反应。 各种金属元素烧损，形成熔渣，甚至导致焊缝夹渣。 吸气 熔融金属在高温时溶解大量气体，熔池冷却速度快，气体来不及排出存在于焊缝中。 形成气孔或化合物存在于焊缝中。 蒸发 由于焊接区温度高，有时接近或达到材料的沸点，各种元素会强烈蒸发。 元素蒸发导致焊缝化学成分改变，降低接头性能。 另外，金属蒸发对电弧稳定燃烧有重要意义。 3）电弧焊冶金过程采取的技术措施 采取保护措施，限制有害气体进入焊接区。 焊条药皮、焊剂和保护气体作用之一实现良好保护。 渗入有用合金元素。 补充冶金过程烧损或增加焊缝金属的

5、某些元素，提高焊缝金属性能。 进行脱氧、脱硫和脱磷。 （3）焊接接头的金属组织和性能1）焊接工件上温度的变化与分布 焊接接头的金属都经历有常温加热到高温，然后再逐渐冷却到常温的过程焊接热循环。 2）焊接接头的组织和性能 焊接接头 接头由焊缝、熔合区和热影响区组成 焊缝的组织和性能 焊缝 熔池金属结晶形成的焊件结合部分。 焊缝结晶形态 焊缝金属结晶由熔池边缘开始，呈柱状晶中心长大。 由于冷却速度快，焊缝成分存在偏析。 焊接热影响区的组织和性能 焊接热影响区 电弧作用下，焊缝附近处于固态的母材发生组织或性能变化的区域。 由于各点所经历的热循环不同，组织变化也不同。 对于不易淬火的低碳钢，根据组织特

6、征可将热影响区分为： 熔合区、过热区、正火区、部分相变区 过热区 紧靠熔合区，加热温度在TS 1100，温度高，加热时全部转变成奥氏体，且组织急剧长大；冷却得到过热粗晶组织。 过热区的塑性、韧性较低。 焊接刚度大的结构或易淬火纲，易在此区产生裂纹。 正火区 该区紧邻过热区，加热温度在1100Ac3之间，金属发生重结晶，形成细化的奥氏体组织；冷却速度相当于空冷，得到细小均匀的正火组织。 该区力学性能高于未经处理的母材。 部分相变区 紧靠正火区，加热处于Ac1 Ac3之间，加热时只有珠光体和部分铁素体转变为奥氏体，其余仍为原来的组织形态。 冷却组织后得到晶粒大小不均匀，对力学性能有不利影响。 熔合

7、区 焊缝与母材交接的过渡区，加热温度在TlTs之间，处于半熔化状态。 熔化的金属将凝固成铸态组织，而未熔化部分转变为过热组织。 该区塑性和韧性较差，成为裂纹和局部脆性破坏的源点。 该区较窄(0.11mm)，但对接头性能有很大影响。 由此可见，熔合区和过热区是焊接接头中力学性能较差区域，对焊接接头有不利影响，应尽量缩小该区，以减小和消除其影响。 热影响区不可避免，希望越小越好。焊接方法和规范影响较大。 3）改善焊接接头组织性能的方法 对重要结构或电渣焊结构，须充分注意热影响区带来的不利影响，可考虑通过热处理办法消除热影响区。 对不能进行热处理的材料和结构，采用正确选择焊接方法和过程来减少接头不利

8、区域的影响。 （4）焊接应力与变形1）焊接应力和变形产生原因 焊接过程对焊件进行了局部不均匀的加热，是产生焊接应力和变形的根本原因。 焊接加热时应力与变形 焊件冷却后的应力与变形 常见变形形式或是几种变形的组合： 收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等。2）焊接变形的基本形式 3）防止和减少焊接变形的措施 合理设计焊件结构 保证结构足够承载能力的情况下，尽量减少焊缝、焊缝长度及焊缝截面； 结构中焊缝尽量处于对称位置； 避免焊缝交叉和密集焊缝。 采取必要的技术措施 反变形法 凭计算和经验判断焊后变形的大小和方向，焊前装配时将焊件安置在与焊接变形相反的位置或焊前使工件反方向变形，以抵消焊

9、接后所发生的变形。 加裕量法 焊前对焊件加放0.10.2%的收缩量，以补充焊后的收缩。 刚性夹持法 采用夹具或点焊等固定手段约束焊接变形。 合理选择焊接顺序 采用合理的焊接方法 4）焊接变形的矫正方法 机械矫正法 采用锤击，矫正机、辊床、压力机等，使焊件产生与焊接变形相反的塑性变形，达到矫正的目的。 火焰加热矫正 利用火焰局部加热焊件适当部位，在冷却收缩时生产与焊接变形相反方向的变形。 5）减少与消除焊接应力的措施 选择合理的焊接顺序 选择原则 尽量使焊缝自由收缩不受到大的拘束。 先焊收缩大或受力较大的焊缝；拼焊时先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。 焊前预热 预热减少焊缝金属与周围的温差 采用

10、“加热减应”法 焊后热处理 去应力退火均匀加热到600650，保温一段时间，缓冷。 （5）焊接缺陷及防止措施1）焊接接头缺陷 2）焊接缺陷的防止 主要途径 制定正确的工艺 针对具体缺陷产生原因，在焊接操作过程中加以防止。 （6）焊件结构设计1）焊缝的布置 2）接头和坡口形式的选择 对接接头及坡口 搭接接头及坡口 T型接头及坡口 角接头及坡口 5.1.2 熔化焊接 熔化焊接 利用热源，将工件结合处局部加热到熔化状态，形成共同的熔池，凝固冷却后，使分离的工件实现结合过程 （1）手工电弧焊 1）焊接过程 操作者以手工操纵焊条，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后

11、的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池，随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶，最终形成焊缝结晶，最终形成焊缝。 直流正接与反接 电弧两极的导电和产热机构不同 阴极发射电子，极性斑点小，阴极斑点压力较大，对熔滴过渡有重要影响； 通常阴极产热比阳极低。 正接用于较厚或高熔点金属焊接，反接 用于较薄或低熔点金属焊接。 碱性焊条焊接时采用直流反接，保证电弧稳定。 2）焊条 焊条的组成和作用 焊芯作用：作为电极，传导电流产生电弧。 作为填充金属，与母材一起形成焊缝（焊芯成分对接头质量影响较大） 。 焊芯直径 2.0、2.5、3.2、4.0、5.0 mm 药皮 药皮是矿石粉末、铁合金粉、有机物和化工制品

12、等原料按一定比例配制后压涂在焊芯表面上的。 药皮决定焊缝品质主要因素之一，主要作用：提高电弧燃烧稳定性，改善熔滴过渡、工艺性能和焊缝成形等；防止空气对熔化金属的有害作用；加入合金元素；脱氧、脱硫等。 3）焊条的分类和型号按用途分类： 结构钢焊条（J） 不锈钢焊条（A） 耐热钢焊条（R） 铸铁焊条（Z） 堆焊焊条（D） 镍合金焊条（N） 低温钢焊条（W） 铜合金焊条（T） 铝合金焊条（L） 特殊焊条（T） 酸性焊条与碱性焊条 根据药皮中熔渣酸性氧化物和碱性氧化物比例不同，分为酸性焊条和碱性焊条。 酸性焊条 熔渣以酸性氧化为主，焊接时具有优良的焊接性能，电弧稳定、易脱渣、飞溅小、成形美观，对铁锈、

13、油污和水分不敏感； 碱性焊条 熔渣以碱性氧化为主，具有较强的脱氧、脱硫和抗裂能力，力学性能好，但工艺性能不如酸性焊条，对油污等较为敏感。 低碳钢低合金钢焊条型号E X X X X焊接电流种类及药皮类型焊条适用的焊接位置熔敷金属抗拉强度焊条 E5015 抗拉强度490MPa，适用全位置焊，药皮为低氢钠型，应采用直流反接。 E4303 抗拉强度420MPa，适用全位置焊，药皮为钛钙型，可采用交流和直流正、反接。 3）焊条的选择原则 根据母材的化学成分和力学性能 对于结构钢，要求焊缝金属机械性能与母材相当；对于高合金钢，要求焊缝成分与母材相近。 根据工件的工作条件与结构特点 对承载苛刻或结构复杂，应

14、选用低氢焊条。 根据焊接设备、施工条件和焊接技术性能 焊接坡口清理不好或坡口有油污、铁锈等污物，选用酸性焊条。 4）手工电弧焊的特点 设备简单，操作灵活，能进行全位置焊接，能焊接不同的接头和不规则焊缝；但生产效率低，品质不够稳定，劳动条件差。 （2）埋弧自动焊 埋弧自动焊是电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。 1）焊接过程 2）焊剂与焊丝 焊丝 作用与手弧焊焊芯的作用一样。 常用焊丝 H08A、H08MnA、H10Mn2 焊剂 作用与焊条作用相同，熔化的焊剂能够产生气和渣，有效地保护了电弧和熔池，防止焊缝金属的氧化、氮化和合金元素的蒸发与烧损，使焊接过程稳定。焊剂还有脱氧和渗合金的作用

15、，与焊丝配合使用，使焊缝金属获得所需要的化学成分和机械性能。 3）埋弧焊特点及应用 生产效率高 焊丝导电长度较短，焊接电流大，因此电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都大大提高；热效率大为增加；实现连续焊接。 以厚度8 10 mm钢板对接为，单丝埋弧焊速度可达 30 50m/h ，而涂料焊条手工焊而涂料焊条手工焊则不超过6 8m/h。 焊接品质高且稳定 熔渣隔绝空气的保护效果好，电弧区主要成分是CO，焊缝金属中含氮量和含氧量大大降低；焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技艺水平要求不高。 焊缝成分稳定，焊缝成形美观，机械性能比较好。 节约金属材料 热量集中，熔深大，厚度25mm的焊件可不开坡口焊接

16、，降低填充金属消耗；不用换条，熔滴飞溅很少。 劳动条件好 焊接在自动控制下完成，劳动强度低；且看不见弧光，烟雾很少。 埋弧自动焊灵活性差，只能焊接长而规则的水平焊缝，不能焊短、不规则和空间焊缝，也不能焊接薄的工件； 无法观察焊缝成形情况，对坡口加工要求高。 埋弧自动焊设备较复杂，价格高，投资大。 1）氩弧焊（3）其它熔焊方法 2）CO2气体保护焊 3）电渣焊 5.1.3 压 焊（1）电阻焊 利用电流通过焊接接头时产生的电阻热将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在压力下，形成焊接接头的压焊方法。 WW RTIQ 2 电阻焊特点 生产效率高，焊件变形小，劳动条件好，焊接时不需要填充金属，易于实现机械化

17、、自动化等 但电阻焊接头品质不稳，使用受限；设备复杂，价格昂贵，耗电量大 1）点 焊 2）缝 焊 3）对焊 5.1.4 钎 焊 钎焊 利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化将处于固态的焊件连接起来的一种焊接方法。 （1） 钎焊过程表面清理装配放置钎料和钎剂于装配间隙加热钎料熔化钎料对工件润湿和毛吸作用实现添缝金属与钎料相互扩散凝固形成钎焊接头 （2）钎料的分类1）硬钎焊 熔点高于450的钎料进行的钎焊 硬钎焊接头强度较高（200MPa），工作温度较高。2）软钎焊 熔点低于450的钎料进行的钎焊 软钎焊接头强度低 （3） 钎焊的特点及应用 优点：焊件加热温度低，焊件的应力和变

18、形较小，对组 织和性能影响小，易于保证焊件尺寸； 可连接不同金属，或金属于非金属； 设备简单。 缺点：接头强度低，工作温度低； 清洗装配工作要求严格； 钎料较昂贵 钎焊适宜于焊接小、薄，且精度要求高的零件，广泛应用于机械、仪表、电机、航空、航天等领域 1. 金属材料的焊接性 金属的焊接性的基本概念：指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。5.1.5 常用金属材料的焊接 焊接性受焊接材料、焊接方法、构件类型及使用要求等四个方 面因素的影响。 l（1）工艺焊接性：工艺焊接性是指在某一焊接工艺条件下，能得到优质焊接接头的能力。它不是金属材料所固有的性能，可随着新的焊接方法、焊接材料和工

19、艺措施的不断出现及其完善而变化。 l某些原来不能焊接或不易焊接的金属材料也会变成能够焊接或易于焊接。 如铝及铝合金， 若采用焊条电弧焊或气焊时，难以获得优质焊接接头，此时该类金属的焊接性差，但改用氩弧焊焊接，则焊接接头质量良好，此时的焊接性好。 l焊接性可由碳当量法来判定：l碳当量是把钢中合金元素（包括碳）含量按其对淬硬、冷裂及脆化等的影响换算成碳的相当含量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标，用符号Ceq表示。国际焊接学会推荐的碳钢和低碳钢适用的碳当量计算公式可表示为： l Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Mi+Cu)/15 (%)l式中化学元素的含量均为百分数。Ceq大，

20、则钢的工艺焊接性越差。 l根据实践经验，当Ceq04时，钢的工艺焊接性良好； Ceq在0406时，钢的工艺焊接性中等。 Ceq06时，钢的工艺焊接性较差。 （2）使用焊接性： 是指整个焊接接头或整体结构满足技术条件规定的使用性能的程度。 其中包括力学性能、缺口敏感性及耐腐蚀性能等。 l 2、低碳钢的焊接l通常情况下，焊接不需要采取特殊技术措施，各种方法都容易获得优质焊接接头。l 3、中、高碳钢的焊接l焊接碳钢时的主要问题是：l（1）焊缝易形成气孔；l（2）缝焊及焊接热影响区易产生碎硬组织和裂纹。 l采取的技术措施：l焊前预热，焊后缓冷。l尽量选用抗裂性好的碱性低氢焊条，也可选用比母材强度等级低

21、的一些焊条。l选择合适的焊接方法和规范，降低焊件冷却速度。 l 4、普通低合金钢的焊接 由于我国低合金钢含碳量低，且大部分含有一定的锰量，因此产生裂纹的倾向不大。焊接高强度等级的低合金钢采取的技术措施是：l（1）严格控制焊缝含氢量l（2）焊前预热 l 5、奥氏体不锈钢的焊接l 奥氏体不锈钢的焊接性能良好，焊接时一般不需要采取特殊技术措施，主要防止晶界腐蚀和热裂纹。 l（1）防止焊接接头的晶界腐蚀l合理选择母材。l选择超低碳焊条，减少焊缝金属的含碳量，减少和避免形成铬的碳化物。l采取合理的焊接过程和规范。l焊后进行热处理 l（2）防止焊接接头的热裂纹l减少杂质来源，避免焊缝中杂质的偏析和聚集。l加入一定量的铁素体形成元素。l采取合理的焊接过程和规范。 l 6、铸铁的焊补l（1）铸铁焊补的主要困难l焊接接头易产生白口组织，硬度很高，焊后很难进行机械加工。l焊接接头易产生裂纹，铸铁焊补时，其危害性比白口组织大。l在焊缝易出现气孔。 l（2）铸铁的分类焊补 l热焊l冷焊 l 7、铝及铝合金的焊接l（1）焊接特点：l易氧化l易形成气孔l易变形、开裂l操作困难 l（2）焊接过程措施及焊接l常用氩弧焊、气焊、电阻焊和钎焊等方法。 l 8、铜及铜合金的焊接l（1）焊接特点：l难熔合l易变形开裂l易形成气孔和产生氢脆l（2）焊接方法及技术特点l理想的是氩弧焊