【正文】 焊 接 工 程 中南大學(xué)材料學(xué)院 李勁風(fēng) 一、焊接定義、分類 定義 待焊接的同種或異種材料（母材）在熱或壓力的作用下（或兩者共同作用），使用或不使用填充材料，使材料之間達到原子級的冶金結(jié)合，形成永久性接頭。 如何達到原子級冶金結(jié)合 表面不平、氧化膜、油污、水分 措施： a、施加壓力 b、加熱 緒 論 焊接人 免費下載 焊接分類 a、液相連接：材料熔化，利用液相的相容性實現(xiàn)原子級的冶金結(jié)合。 b、固相連接：焊接時溫度低于母材或中間層熔點，必須施加壓力使緊密接觸，通過擴散實現(xiàn)原子間結(jié)合。 c、液 固相連接：待焊表面不直接接觸，通過兩者間隙中的液相聯(lián)系，利用液固相間的擴散，實現(xiàn)原子間的結(jié)合。 焊接發(fā)展趨勢 焊接熱源能量密度高度集中，實現(xiàn)快速焊接，并保證得到高質(zhì)量的焊縫和最小的熱影響區(qū) 焊接人 免費下載 第一章 焊接熱源及接頭形成 第一節(jié) 熔化焊熱源 一、焊接熱源 熔化焊主要熱源 電弧熱 等離子弧 電子束 激光束 化學(xué)熱 焊接人 免費下載 其它非熔化焊熱源 電阻熱、高頻熱源、摩擦熱 理想的焊接熱源 加熱面積小，功率密度高，加熱溫度高 二、焊接熱效率（ η） 焊接熱源產(chǎn)生的能量一部分用于焊接，另一部分散失。 焊接人 免費下載 名義熱效率 焊接熱源用于焊接的能量：焊縫，熱影響區(qū) 真正熱效率 用于熔化金屬形成焊縫的能量 焊接人 免費下載 三、焊接時熱作用特點 集中性 瞬時性 焊接人 免費下載 第二節(jié) 焊接熱循環(huán) 一、焊接熱循環(huán) 焊接熱循環(huán)指焊件某點溫度隨時間的變化規(guī)律 焊接接頭處在焊接過程中加熱和冷卻是不均勻的，不均勻的熱過程將引起焊接接頭組織和性能不均勻及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。 焊接人 免費下載 二、基本參數(shù)及特征 加熱速度 wH ： 快 最高加熱溫度 Tmax：高 相變溫度以上停留時間 tH：不易控制 冷卻速度（或冷卻時間） wc ：某點熱循環(huán)過程在某一瞬時溫度的冷卻速度，或用某一溫度范圍內(nèi)的冷卻時間表征冷卻速度（ t8/5， t8/3）。 時間 溫度 焊接人 免費下載 熱循環(huán)的影響后果 影響焊縫化學(xué)冶金質(zhì)量，使接頭質(zhì)量變化 焊縫區(qū)外的組織和性能變化，形成焊接熱影響區(qū) 焊接人 免費下載 第三節(jié) 熔化焊接頭的形成 熔化焊概念：在焊接熱源的作用下，使局部母材和焊接材料（使用焊接材料時）熔化，兩者共同形成熔池，冷卻后與母材形成牢固冶金連接的焊接方法。 過程：加熱 ?熔化 ?冶金反應(yīng) ?凝固（固態(tài)相變） 一、焊接材料熔化與熔池形成 焊接材料熔化（焊條、焊絲） 形成熔滴 ?過渡到熔池 （焊接材料焊條或焊絲在焊接熱源的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀金屬稱為熔滴） 焊接人 免費下載 熔池形成 焊接材料熔化，同時母材（被焊金屬）局部熔化，二者共同組成具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬區(qū)域，即熔池。 不使用焊接材料時，熔池僅由局部熔化母材組成。 （１）熔池存在時間短，幾秒至幾十秒之后凝固，其中冶金反應(yīng)時間很短（不利于焊接冶金反應(yīng)的充分進行）。 （２）熔池中存在強烈攪拌作用（有利于充分混合和均勻化，以及氣體和雜質(zhì)排除） 原因： a、溫度不均 ?密度差 ?對流 b、 溫度不均 ?表面張力不均 ?對流 c、焊接熱源作用在熔池上的機械力 ?攪拌 焊接人 免費下載 二、焊接接頭的形成 焊接接頭組成：焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū) 焊縫：熔池凝固并發(fā)生固態(tài)相變的區(qū)域 熱影響區(qū)：熔池附近母材受熱作用而發(fā)生固態(tài)相變的區(qū)域 熔合區(qū)：焊縫和熱影響區(qū)之間 １、焊接熱過程 母材發(fā)生局部受熱、局部熔化及傳熱過程，進行熱量傳遞和分布，即焊接熱過程。 貫穿始終。 ２、焊接化學(xué)冶金過程 熔渣、液態(tài)金屬、氣相之間進行一系列化學(xué)冶金反應(yīng) 焊接人 免費下載 ３、熔池凝固和相變過程 凝固結(jié)晶 固態(tài)相變 偏析、夾雜、氣孔 裂紋、脆化 三、焊接接頭形式 對接、角接、搭接等 待焊部位加工成坡口，坡口須填充金屬（焊條焊絲） 此時，焊縫金屬組成為：母材、熔融填充金屬 熔合比：母材在焊縫中所占比例 （反應(yīng)熔透情況） 相同的焊接材料，熔合比不同 ?焊縫成分差異 ?性能差異 焊接人 免費下載 四、焊接性問題 焊接性：金屬材料（同種或異種）在一定焊接工藝條件下，能夠焊成滿足結(jié)構(gòu)和使用性能要求的能力，也即金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性、獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 包括： a、接合性能：焊接時形成缺陷的敏感性－工藝焊接性 b、使用性能：形成的焊接接頭滿足使用要求的程度－使用焊接性 焊接性好壞不是絕對概念 （１）焊接性能優(yōu)良：簡單焊接工藝條件下，接合性能和使用性能均能滿足要求 （１）焊接性能較差：必須采用復(fù)雜焊接工藝才能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接 焊接人 免費下載 母材滿足使用性能，但焊后性能不一定能滿足 ？ （１）焊縫成分和母材有很大區(qū)別 （２）即使焊縫主要成分和母材相同，也不能保證與母材組織和性能相同 （３）焊接時會產(chǎn)生多種缺陷（氣孔裂紋等） （４）熱影響區(qū)（母材）經(jīng)歷了一次或多次加熱冷卻循環(huán) （５）熔合區(qū)，存在物理化學(xué)不均勻性 焊接人 免費下載 第二章 熔化焊化學(xué)冶金 焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)在高溫作用下，進行復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，包括諸多化學(xué)變化，以及物質(zhì)在作用下之間的遷移和重新分配過程。這些過程影響焊縫金屬成分、性能、焊接缺陷及焊接工藝性能。 第一節(jié) 焊接氣氛及其與金屬的相互作用 一、焊接區(qū)氣體 主要氣體種類：氮氣、氧氣、氫氣、 CO2(分解 )， H2O (分解 ) 氣體來源 （ 1）焊接材料： a、焊條藥皮、焊劑、藥芯（焊絲） ?造氣劑 b、氣體保護焊時 ?外界通入氣體 （ 2）熱源周圍氣體介質(zhì)：造氣劑不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)空氣 （ 3）雜質(zhì)（焊絲和母材表面上）：鐵銹、油污、涂料、水分等分解 焊接人 免費下載 氣體的產(chǎn)生 （ 1）直接輸入和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體 （ 2）有機物的分解和燃燒 （ 3）碳酸鹽和高價氧化物的分解 （ 4）材料蒸發(fā)：水分、金屬元素、熔渣等 沸點低，易蒸發(fā) 熔體中濃度高，易蒸發(fā) 導(dǎo)致結(jié)果：合金元素燒損、產(chǎn)生缺陷、煙塵污染環(huán)境 氣體的分解 氣體狀態(tài)不同，對氣體在金屬中溶解或與金屬作用有較大影響 簡單雙原子氣體分解 復(fù)雜氣體分解 氣體的影響主要涉及 N H O2的影響 焊接人 免費下載 二、 H2與金屬的作用 來源：焊接材料中水分、有機物、吸附水、結(jié)晶水、表面雜質(zhì)、空氣中的水分 H在金屬中的存在狀態(tài) （ 1）與金屬形成穩(wěn)定化合物（ Ti、 Zr、 Nb、 V等） （ 2）在金屬中溶解，而不與金屬發(fā)生化和反應(yīng) Fe、 Cu、 Ni等 ? 影響焊接質(zhì)量 H在金屬中的溶解 （ 1）溶入方式 a、電渣焊時 （電熔渣起保護作用 ） b、氣體保護焊時：氣相與液態(tài)金屬發(fā)生界面反應(yīng)，以原子或質(zhì)子形式溶入 焊接人 免費下載 （ 2）溶解度影響 a、 固態(tài)金屬中， FCC晶格中 ? BCC晶格中 固態(tài)相變時 ?H溶解度發(fā)生突變 b、 元素對 H溶解度有很大影響 C、 S、 Al：降低 Ti、 Zr、 Nb：增加 （與 H的親和力大） Mn、 Ni、 Cr：影響不大 焊縫中的 H （ 1）擴散 H：原子半徑小，擴散能力強，如果以原子或離子狀態(tài)存在并可在晶格中自由移動 ?擴散 H （ 2）殘余 H： H擴散到缺陷處 ? 結(jié)合成分子 ? 半徑大 ? 不能繼續(xù)擴散 ?殘余 H 焊接人 免費下載 剛焊接的接頭中 ? H擴散 一部分 H逸出，溶解量降低 一部分轉(zhuǎn)化為殘余 H且逐漸增加 一部分向近縫區(qū)擴散 H對焊接質(zhì)量的影響 （ 1）氫脆 （ 2）白點 （ 3）冷裂紋 （ 4）氣孔 （ 5）組織變化 焊接人 免費下載 控制 H含量 （ 1）限制來源 （ 2）冶金處理：使之在高溫下形成穩(wěn)定且不溶解于金屬的氫化物，氣相中 H分壓下降 ? 液態(tài)金屬中 H溶解度下降 （ 3）在焊條藥皮或焊芯中加入微量稀土元素（生成化合物，降低擴散 H含量） （ 4）焊后脫 H處理：熱處理， H擴散逸出 （ 5）控制焊接工藝 焊接人 免費下載 三、 N2與金屬的作用 來源：周圍空氣 N2與金屬的作用特點 （ 1）不與 N發(fā)生作用： Cu、 Ni，不溶解 N，也不形成氮化物 ? 可作為保護氣體 （ 2）與 N發(fā)生作用： Fe、 Ti、 Mn、 Cr、 Al，溶解 N，也能形成穩(wěn)定氮化物 N在金屬中的溶解 分四個階段 （ 1）氣體分子向氣體 /金屬界面運動 （ 2）氣體分子被金屬表面吸附 （ 3）在金屬表面分解為原子 （ 4）氣體原子穿過金屬表層，向金屬深處擴散 焊接人 免費下載 N對焊接質(zhì)量的影響 （ 1）有利方面：與某些合金元素作用（ Ti、 Nb、 Zr等），起沉淀強化和細化晶粒作用 （ 2）不利方面：氣孔 時效脆化 控制 N含量 （ 1）與空氣隔離，限制其來源 （ 2）加碳：氧化，溶池沸騰，有利于 N逸出； 氧化生成 CO CO，保護作用 N分壓下降 ? 液態(tài)金屬中 N溶解度下降 （ 3）在焊料中加入能生成穩(wěn)定氮化物的元素（ Ti、 Zr、 Al稀土等），生成的化合物可通過熔渣排出 （ 4）控制焊接工藝 焊接人 免費下載 四、 O2與金屬的作用 來源：焊接材料、工件及焊絲表面氧化膜、空氣 作用特點 （ 1） Al、 Mg等，焊接時與氧發(fā)生氧化， 但固態(tài)及液態(tài)下均不溶解氧 （ 2） Fe、 Cu、 Ni、 Ti等，既能有限溶解氧，又能溶解相應(yīng)氧化物 FeO能溶入 Fe及其合金 氧在 Fe中的溶解方式：原子氧、 FeO 溶解吸熱 ： T? ? 氧溶解度增加 T? ? 氧溶解度降低 焊接人 免費下載 焊縫中氧的存在形式 氧化物（ FeO、 SiO MnO、 Al2O3絕大部分）及硅酸鹽（夾渣） 溶解氧 O對焊接質(zhì)量的影響 （ 1）氣孔 （ 2）破環(huán)焊接穩(wěn)定性（含碳鋼） （ 3）金屬氧化燒損 （ 4）焊縫力學(xué)性能下降 （ 5）物理化學(xué)性能惡化（導(dǎo)電導(dǎo)磁性下降，抗蝕性下降） 焊接人 免費下載 四、 O含量控制 （ 1）控制焊接材料含 O量 （ 2）焊接工藝，防止空氣侵入（局限性