焊接的一般知识.docx
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焊接的一般知识
焊接的一般知识
焊接是用加热或加压，或加热又加压的方法，在使用或不使用填充金属的情况下，使两块金属连接在一起的一种加工工艺方法。
各种类型的焊接方法都是为适应生产的需要而发展起来的。
随着现代科学技术的发展，将继续不断地出现新的焊接方法，现有的方法也将取得新的改进和应用。
熔焊是在焊接过程中，将焊件接头加热到熔化状态，不加压力完成焊接的方法。
它是最基本的焊接工艺方法，在焊接生产中占主导地位。
压焊是在焊接过程中，不论是加热或不加热，必须对焊件施加压力完成焊接的方法。
点符号
温度℃
含碳%
含义
A*
1538
0
纯铁的熔点（凝固点）
B*
1495
0.53
包晶反应时液态合金的浓度
C*
1148
4.3
共晶点L（A+Fe3C）
E*
1148
2.11
碳在γ—Fe中的最大溶解度
G
912
0
Α-Feγ-Fe同素异构转变点
H
1495
0.09
碳在δ—Fe中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
N
1394
0
Γ-Feδ-Fe同素异构转变点
P*
727
0.0218
碳在α—Fe中的最大溶解度
Q
~600
0.01
0℃时碳在α-Fe中的最大溶解度
S*
727
0.77
共析点
钎焊采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，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焊件的方法。
1金属学基础
1.1铁-碳合金相图
铁-碳合金相图见图1。
1.1.1铁-碳合金相图中特性点及含义见表1。
1.1.2铁-碳合金相图中特性线及含义见表2。
表1铁-碳合金相图中特性点及含义
表2铁-碳合金图中特性线及含义
各线符号
含义（按冷却叙述，加热为可逆的）
ABC（ACD）
液相线。
在此线以上合金为液体。
液体开始结晶
AHJECF（AECF）
固相线。
在此线以下合金为固体。
液体结晶结束
GS
冷却时，自奥氏体开始析出铁素体，即γ→Fe→α→Fe的开始线，常用A3线表示
ES
碳在γ—Fe中的溶解度线，常用Acm表示
ECF
共晶转变线，L（A+Fe3C）
PSK
共析转变线，称A1线，自奥氏体开始析出铁素体和渗碳体的共析混合物
PQ
PQ碳在α—Fe中的溶解度线
1.1.3室温下铁-碳合金的平衡组织见表3。
表3室温下铁-碳合金的平衡组织
名称
含碳量%
平衡组织
亚共析钢
0.02～0.77
铁素体+珠光体
共析钢
0.77
珠光体
过共析钢
0.77～2.11
珠光体+二次渗碳体
亚共晶白口铁
2.11～4.3
树状珠光体+二次渗碳体+共晶体
共晶白口铁
4.3
共晶体+（珠光体+渗碳体）
过共晶白口铁
＞4.3～6.69
板状+一次渗碳体+共晶体
1.1.4铁-碳合金的基本组织
和力学性能见表4。
表4铁-碳合金的基本组织和力学性能
名称
符号
组织
性能
铁素体
F
碳溶于α—Fe中形成的间隙固溶体
塑性、韧性高；强度、硬度低
奥氏体
A
碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体
韧性较好；硬度和强度低
渗碳体
Fe3C
铁和碳的化合物
硬度高，脆性大
珠光体
P
铁素体和渗碳体的机械混合物（共析体）
硬度比铁素体和奥氏体高，比渗碳体低；塑性比铁素体和奥氏体低，比渗碳体高
莱氏体
Ld
奥氏体和渗碳体的机械混合物
硬度高，脆性大
1.2金属材料的力学性能
1.2.1金属材料力学性能名称及含义
金属材料力学性能名称及含义见表5。
表5金属材料力学性能名称及含义
名称
符号
单位
含义及说明
抗拉强度
σb
MPa
材料在拉断前所承受的最大标称拉应力称为抗拉强度；受压的称为抗压强度；受弯的称为抗弯强度；受剪的称为抗剪强度
抗压强度
σbc
抗弯强度
σbb
抗剪强度
τ
弹性强度
σc
MPa
材料在外力的作用下产生变形，当外力去除后恢复原状的能力称为弹性。
金属材料能保持弹性变形的最大能力称为弹性极限
屈服点
σs
MPa
材料在拉伸过程中，载荷不增加（保持恒定）仍能继续伸长的应力
伸长率
δ
%
在拉伸过程中，试样上标距的伸长与原始标距的百分比。
δ5，δ10表示试样的标距等于5、10倍直径时的伸长率
断面
收缩率
ψ
%
试样拉断后，缩颈处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比
硬度
见硬度表示方法及应用范围
金属材料表面抵抗其更硬物体压入的能力
疲劳强度
σ-1
σ-1k
MPa
金属材料在指定循环基数下的中值疲劳强度，称为疲劳极限。
循环基数一般取107或更高些，σ-1为光滑试样，σ-1k为缺口试样
蠕变极限
MPa
在规定温度和恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象称为蠕变。
衡量蠕变的指标称蠕变极限。
分子数字表示变形量的百分数，分母数字表示产生该变形量所经历的时间，以小时为单位。
1.2.2硬度表示方法及使用范围
硬度表示方法及使用范围见表6。
表6硬度表示方法及使用范围
名称
代号
使用范围
布氏硬度
HBS（W）
方法简单，测量值比较准确。
压头为淬火钢球时用HBS表示，一般适用于测量软钢、灰铸铁、有色金属等布氏硬度在450以下的材料；压头为硬质合金时，用HBW表示，适用于硬度值在650以下的材料
洛氏硬度
A级
HRA
效率高，压痕小，可测量软的、很硬的或厚度较薄的成品，但测量值不够准确
测量表面淬硬层、渗碳层很厚的材料
B级
HRB
测量有色金属，退火和正灰后较软的金属
C级
HRC
测量调质钢、淬火钢等较硬的金属
维氏硬度
HV
压痕浅，适宜测量零件表面的硬化层，化学处理的表面层及很薄零件的硬度，测定值比布氏和洛氏硬度精确
肖氏硬度
HS
硬度计体积小，便于携带，适宜于测定大型机件的硬度
里氏硬度
HL
硬度计体积小，重量轻，可直接测定，特别适用于其他硬度计难以胜任的、不易移动的大型工件和不易拆卸的大型部件及构件的硬度
表面洛氏硬度
N级
HRN
适用于钢材经表面渗碳、渗氮等处理的表面层硬度；测定薄、小试件的硬度（我厂从来没有采用过此硬度）
T级
HRT
2金属的焊接性
2.1焊接性的概念
金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适宜性。
主要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。
2.1.1接合性能
即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性。
2.1.2使用性能
即在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。
2.2焊接性的评定
焊接性的平定，通常是检查金属焊接时所产生裂纹的倾向性。
其目的：
①选择合理的焊接工艺，包括焊接方法、焊接工艺参数、预热温度、焊后缓冷及焊后热处理方法等；
②选择合理的焊接材料；
③用来研究制造焊接性能良好的新材料。
焊接性的试验方法有：
2.2.1碳当量法
碳当量法是根据钢材的化学成分对钢材焊接热影响区淬硬性的影响程度，粗略地评价焊接时产生冷裂纹倾向及脆化倾向的一种估算方法。
碳钢及低合金结构钢常用的碳当量公式是：
MnCr+Mo+VNi+Cu
Ccq=C+——+——————+—————
6515
Ccq的大小按表7确定焊接性。
表7根据碳当量对焊接性的评定
碳当量Ccq（%）
焊接性
＜0.4
优良，焊接时可不预热
0.4～0.6
需采取适当预热，并控制线能量
＞06
淬硬倾向大，较难焊，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施
2.2.2斜Y型坡口焊接裂纹的试验方法
本试验方法适用于钢材焊接接头热影响区的冷裂纹试验，也可作为根据母材选择匹配焊条的裂纹试验。
Y型焊接试验法试件的形状和尺寸如图2所示。
手工焊和焊条自动送进装置焊接时，试验焊缝分别按图3a和图3b所示方法进行。
试件焊完48h后，用肉眼或其他适当的方法，对焊接接头的表面和断面有无裂纹以及裂纹的长度进行检查。
2.2.3搭接接头（CTS）焊接裂纹试验方法
本方法适用于低合金钢的焊接热影响区，由于马氏体转变而引起的裂纹试验也适用于碳素钢。
搭接接头试件的形状和尺寸，如图4所示。
试件在室温放置48h后，将其解剖成小块试样，并对试样的检测面进行金相研磨和腐蚀处理，然后放大10～100倍检查有无裂纹及其裂纹的长度。
2.2.4T形接头焊接裂纹试验方法
本方法适用于碳素钢的T形接头角焊缝裂纹试验。
T形接头试件的形状和尺寸如图5所示。
其试验焊缝的焊接位置如图6所示。
待试件冷却后，对试验焊缝S2可用肉眼或其他适当的方法检查有无裂纹及其长度。
2.2.5压板对接（FISCO）焊接裂纹试验方法
本方法适用于低碳钢、低合金高强度钢和不锈钢焊条的焊接裂纹试验。
压板对接试件的形状和尺寸如图7所示。
其试验装置示意图如图8所示。
压板对接试验焊缝的位置如图9所示。
焊接结束后约10min将试件从试验装置中取出，待冷却后，将试件焊缝的轴向进行弯断，观察其断面有无裂纹及其大小。
2.2.6焊接热影响区最高硬度试验方法
本方法适用于手工电弧焊接，是以热影响区最高硬度来相对地评价钢材冷裂纹倾向的试验方法。
焊接热影响区最高硬度试验试件的形状如图10所示。
试件尺寸见表8。
表8试件尺寸
试件
L（mm）
B（mm）
L（mm）
焊接条件
1号
200
75
125±10
在室温下焊接
2号
200
150
125±10
在预热温度下焊接
试件焊完12h后，才能取测量硬度的试样，试样取后要尽快测试硬度。
测量硬度的试样的检测面经研磨后，再加以腐蚀。
然后如图11所示位置，用负荷为100N维氏硬度以均等点测定。
2.2.7模拟结构试验法
有时在正式产品焊接之前，需要这类大型焊接性试验法对初步选定的结构形式、母材、焊接材料及工艺加以综合性考核。
一般采用与产品相同的板厚及结构形式，或产品结构的一个局部，或比例缩小尺寸。
焊接条件应与产品相近。
3焊接热源
实现焊接过程必须由外界提供热能或机械能。
用于焊接的热源应当是：
热量集中而又能快速实现焊接过程，并保证得到最小的焊接热影响区和致密的焊缝。
3.1焊接热源的种类及其主要特性
3.1.1各种热源的种类及特点
各种热源的种类及特点见表9。
表9焊接热源的种类及特点
热源种类
特点
焊接方法
电弧
利用气体介质中的放电过程产生的热源作为焊接热源，是目前应用最广泛的一种
手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊
化学热
利用可燃气体（如氧气、乙炔、丙烷等）或铝镁发热剂燃烧时产生的热量作为焊接热源
气焊、铝热焊
电阻热
利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源
电阻焊、电渣焊
3.1.2各种热源的主要特性
各种热源的主要特性见表10。
表10各种热源的主要特性
热源
最小加热面积（cm2）
最大功率密度（W/cm2）
正常焊接工艺参数时的温度
乙炔火焰
10-2
2×103
3200℃
金属极电弧
10-4
104
6000K
钨极氩弧
10-3
1.5×104
8000K
CO2气体保护中的电弧
10-4
104～104
等离子弧
10-5
1.5×105
18000～24000K
3.2焊接热效率
焊接过程中，由热源所产生的热量并没有全部被有效地利用，而有一部分热量损失于周围介质和飞溅中。
加热过程中，在一定条件下热效率是个常数，它主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和焊接材料的种类（焊条、焊剂、保护气体等），而电流种类、极性、焊接速度以及焊接位置等对热效率也有影响。
不同焊接方法的热效率值见表11。
表11各种焊接方法的热效率值
焊接方法
手工电弧焊
钨极氩弧焊
交流
直流
热效率
0.77～0.89
0.68～0.85
0.78～0.85
4焊缝及热影响区
4.1焊缝的形成
在焊接热源的作用下，母材发生了局部熔化变化，并与熔化了的填充金属混合而形成熔池，热源离开后，熔池金属便开始凝固结晶，形成焊缝。
在焊缝形成过程中，热源、熔池周围的气体、熔池中的熔渣、熔池中液态金属的化学反应、冷却条件等对焊缝金属的组织和性能都有很大影响。
所以，在选择焊接材料、焊接方法、焊接工艺、施焊方法等时，都要考虑有利于焊缝质量的提高。
4.2热影响区的组织和性能
焊接过程中在热影响区内，由于各点温度分布的不同，造成各区金属冷却后组织和性能也有所差异。
焊接或切割过程中母材因受热源的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。
热影响区的硬度变化如图12所示。
从图中可以看出热影响区的熔合线附近硬度最高，离熔合线越远的位置，硬度逐渐下降而接近母材的硬度。
这就说明熔合线附近的金属塑性最差是焊接接头中的薄弱部位。
热影响区各部位的组织特征见表12。
表12热影响区各部位的组织特征
热影响区部位
加热温度范围℃
组织特征及性能
熔合区（半熔化区）
1400～1250
晶粒粗大，可能出现魏氏体组织，韧性很差，易产生裂纹
过热区
1250～1100
晶粒粗大，形成脆性组织力学性能下降
相变重结晶区（正火区）
1100～900
晶粒变细，力学性能良好
不完全重结晶区（不完全正火区）
900～730
粗大铁素体和细小珠光体、铁素体，力学性能下降
再结晶区
700～450
对于经过冷变形加工的材料其破碎了的晶粒再结晶，使韧性稍有改善
蓝脆区
450～200
显微组织看不出什么变化，但有脆性
4.3焊接接头组织性能的调整和改善
用焊接方法连接的接头称为焊接接头（简称接头），它包括焊缝、熔合区和热影响区。
可采取如下办法来改善焊缝及热影响区的组织，提高接头性能。
4.3.1变质处理
根据需要向熔池中加入不同的合金元素,以提高焊缝金属的某些性能。
通常是通过焊接材料（焊丝、焊条、焊剂）向熔池中加入需要元素。
如钒、钼、钛、铌、铝、硼、氮等,可是焊缝具有弥散强化的质点,得到细晶粒组织,既可保证强度和塑性,也可提高抗裂性能。
4.3.2振动结晶
在振动力的作用下，熔池受到强烈地搅拌，这对提高焊缝性能有如下好处：
①细化焊缝金属晶粒；
②使过度的熔滴温度降低，以减少合金元素的蒸发，促使成分均匀；
③消除夹杂，降低形成气孔的倾向；
④焊缝成形好，鱼鳞纹细密。
通常采用低频机械振动（10000次/min以内），高频超声振动和电磁振动等。
4.3.3选择合理的焊接方法
在焊接过程中，要保护好焊缝金属不受空气侵入的影响，对焊接方法也应该进行选择。
从保护的角度出发，各种焊接方法的保护方式、保护特点见表13。
不同焊接方法的热影响区尺寸见表14，热影响区越小越好。
表13各种焊接方法的保护方式及特点
焊接方法
保护方式
保护特点
埋弧焊、电渣焊、用不含造气成分的焊条和管状焊丝焊接
熔渣
①可防止处于高温的焊缝金属与空气接触
②使焊接区与空气隔开
气焊、在惰性气体（氩气）和保护气体（如CO2）中焊接
气体
①多采用惰性气体（氩气），其保护效果与气体纯度及焊炬结构有关②保护效果好
用有造气成分的焊条和管状焊丝焊接
熔渣和气体
①具有熔渣保护和气体保护的双重特点和效果②使用较复杂
用含有脱氧剂、脱氢剂的自保护焊丝焊接
自保护
①利用特殊的光焊丝在空气中焊接
②不是利用机械隔离空气的办法来保护金属，而是在焊丝中加入脱氧剂和脱氢剂
③保护效果欠佳
表14不同焊接方法的热影响区尺寸
焊接方法
各区平均尺寸（mm）
总长（mm）
过热区
相变重结晶区
不完全重结晶区
手工电弧焊
2.2～3.0
1.5～2.5
2.2～3.0
6～8.5
埋弧焊
0.8～1.2
0.8～1.7
0.7～1.0
2.3～4
电渣焊
18～20
5.0～7.0
2.0～3.0
25～30
气焊
21
4.0
2.0
27
4.3.4选择合理的焊接工艺
其中包括焊接材料、焊接工艺参数、焊接顺序、焊前预热、多层焊、焊后缓冷（保温）以及焊工的操作技术水平。
4.3.5焊后热处理
这种方法能够消除焊接过程中焊缝附近所产生的内应力，改善焊缝及热影响区的组织，提高接头性能。
5焊接结构
5.1焊接结构的特点
利用焊接方法制造的各种金属结构称为焊接结构。
它与铆接结构相比有较高的强度和刚度，较轻的重量，施工也方便简单。
焊接结构的特点：
①灵活性大，可用板材、管材、锻件、铸件等组合焊接而成，宜用于以小拼大；
②材料的大小不受限制；
③在一个结构内可按工作需要选用不同性能的材料（如强度、耐磨性、耐蚀性、耐高温等）进行组合焊接；
④外形平整，加工余量小，重量轻；
⑤制造周期短，成本低。
5.2焊接金属结构时应注意的问题
5.2.1材料的焊接性
焊接性较差的材料，焊接困难增多,焊接接头的可靠性降低,因此焊接时应采取必要的措施（如预热等），借以提高焊接接头的使用可靠性。
5.2.2焊接应力与变形
焊接应力可能导致裂纹和严重变形。
变形后还留有残余应力，对强度有一定影响，它的逐步释放又会引起尺寸精度的变化，影响产品使用。
较重要的焊接结构，尤其是采用焊接性、塑性、韧性较差的钢材时，焊接应进行热处理或其它消除或减少残余应力的措施。
5.2.3应力集中
焊接结构的截面变化大，截面急剧变化处、小圆角处都容易产生很大的应力集中，严重时可导致结构被破坏。
在动载荷或低温工作等条件下的高强度钢结构，更需要采取磨、锉、堆焊等措施，以降低应力集中。
5.2.4焊接质量
按照产品提出的焊缝质量标准，应制定保证焊接质量的工艺措施，并指派经过培训考试合格的工人进行焊接。
5.2.5钎焊接头
钎焊的接头形式以搭接和套接为好，如图13所示。
5.2.6选取焊接接头时应考虑的问题
1）焊接时便于焊工操作手工电弧焊、点焊接头示例如图14所示。
（2）焊缝不应过分集中焊缝集中情况示例如图15所示。
（3）焊缝应避开应力集中处和加工面其示例如图16所示。
（4）接头焊后不宜采用的处理
T形、搭接、套接等接头，焊后不宜采用电镀及其它化学处理。
5.3焊接接头
用焊接方法连接的接头称为焊接接头，或简称接头。
5.3.1对接接头
两焊件端面相对平行的接头称为对接接头，如图17所示。
优质的对接接头，受力时应力分布比较均匀。
应力集中出现在焊缝与母材交界处，并与焊缝余高和焊缝表面与母材表面间的夹角有关。
焊接缺陷（未焊透、未熔合、裂纹、咬边、夹渣、角变形、错边等）能加剧应力分布的不均匀性，特别对动载强度有害。
保留垫板的单面焊缝不宜用于大的动载荷或腐蚀介质中。
5.3.2搭接接头
两焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头，如图18所示。
搭接接头的应力集中比对接接头严重。
单面焊的搭接接头（图18a）受拉时焊缝根部易被拉裂，强度很低。
为了提高强度，可在背面加焊一条焊缝（图18b）在无法进行焊第二条焊缝时，可采用图18c所示的锯齿状焊缝。
采用端面和侧面混合焊缝（图18d）有助于改善应力分布。
5.3.3T形焊缝和十字接头
一焊件之端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头称为T形接头。
三个焊件装配成“十字”形接头称为十字接头，如图19所示。
十字接头按图19a所示方向受力时，根部A和焊趾部B两处有较高的应力集中，图19b图则较低，图19c图所示的方向对受力则极为不利。
T形接头和十字接头，应避免使钢板厚度方向受拉，以防止钢板出现层状撕裂。
当两个方向都受较大的拉力时，可选用如图20所示的结构。
5.3.4角接接头
两焊件端面间构成大于30°，小于135°夹角的接头称为角接接头，如图21所示。
5.3.5电阻点焊接头
接头上的焊点除受切应力外，还承受由于偏心力矩所引起的拉应力。
受偏心力矩的影响，双排比单排小如图，22a、b所示。
双盖板的接头可避免偏心力矩，如图22c所示。
焊点的节距越大，应力分布的不均匀性越显着。
沿作用力方向纵向排列的焊点越多，受力越不均匀。
一般焊点的排数不宜超过5排（如图22d）所示。
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