焊接概论,第一部分：焊接原理,1.1 什么是焊接,一、焊接的定义： 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子结合的一种加工方法。其主要的加工材料是金属。,二、焊接的实质：,原子之间的作用力与距离的关系 l-斥力，2-引力，3-合力,焊接过程的实质就是采用物理化学方法克服被连接物体(金属)表面的凹凸不平、表面氧化物及其他表面杂质，使被连接物体(金属)能接近到原子晶格距离并形成结合力。 在工程上已获得广泛应用的焊接方法很多，尽管实现焊接的方法和手段不同，但它们所达到的效果是相同的，即实现原子间的冶金结合。,三、焊接方法的分类 焊接方法种类繁多，新的方法仍在不断涌现，对焊接方法进行分类的方法也有所不同。有的根据焊接方法的热源和保护方法来分类，有的根据工艺特征来分类，由此出现了一元坐标法、二元坐标法、族系法等分类方法。其中，最常见的是族系法，按照焊接工艺特征来进行分类。按照这种分类方法，可以把焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类，在每一大类方法中又分成若干小类，如下图所示。,焊接方法的分类,四、焊接生产的特点 1、可减轻结构重量，节省金属材料； 2、可以制造双金属结构； 3、能化大为小，以小拼大； 4、结构强度高，产品质量好； 5、焊接时噪音小，工人劳动强度低，伸长率高，易于实现机械化和自动化。 缺点：由于焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊接后会产生焊接应力与变形。,1.2 焊接原理,熔化焊时焊接接头的形成一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，最后形成焊接接头。这一过程可从焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接时的金属凝固和相变过程三个方面加以学习。,1.2.1 焊接热过程,一、焊接热过程的特点 1、焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态），称之为焊接热过程。 2、焊接热过程的特点 局部性 热源的运动性 瞬时性 传热过程的复合性,3、焊接热过程的作用 热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸 决定了焊接熔池进行冶金反应的程度 影响熔池金属凝固、相变过程 不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态 冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷 影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化 决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率,二、焊接热源及焊接方法 电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、TIG/MIG、MAG等） 化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊） 电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊、高频感应热） 摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊） 电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数局部表面，使动能转换为热能（电子束焊） 激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割） 等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用该能量可作为焊接热源。,各种焊接热源的特点,三、典型的焊接温度场,1、焊接温度场的准稳定状态,（2）在加热开始时，温度升高的范围会逐步扩大，而达到一定极限后，不再变化，只是随热源移动。这种状态称为准稳态。,（3）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。,（1）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的。,a)坐标示意图 b)xoy面上沿x轴的不同温度分布,2、厚大件上点状移动热源的温度场,c)xoy面上的等温线,厚大件上点状移动热源的温度场,d) yoz面上沿y轴的不同温度分布 e) yoz面上的等温线,厚大件上点状移动热源的温度场,X-Y方向温度场分布,X-Y方向温度场分布/全图,三维温度场分布,实测结果,四、影响焊接温度场的主要因素,1、热源的种类和焊接工艺参数,(b),(a),(c),(d),a)v=0.5m/min b)v=1m/min c)v=1.5m/min d)=2m/min,2、被焊金属的热物理性能参数,不同材料板上线热源周围的温度场,3、焊件的形态 焊件的几何尺寸、板厚和所处的状态（预热和环境温度）。 4、热源的分类 瞬实集中热源：点焊 连续作用的热源：固定不动、正常移动和高速移动。,五、焊接热循环及其主要参数,距焊缝不同距离各点的焊接热循环,1、定义：焊接过程中，热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。,2、焊接热循环的主要参数,焊接热循环的参数,加热速度 加热的最高温度（Tm） 在相变以上的停留时间(tH) 冷却速度（T8/5）,3、焊接热循环的特点 1）加热的温度高 热处理：AC3以上100-200，例如45号钢AC3：770 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 ,2）加热的速度快 比热处理快几十倍甚至上百倍。,3）高温停留时间短 手工电弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S。,4） 自然条件下连续冷却,5）局部加热,1.2.2 焊接化学冶金,熔焊时，焊接区内的各种物质，即液态金属、熔渣和气相之间在高温下进行的极为复杂的物理化学变化的过程，称为焊接化学冶金过程。焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、性能、焊接缺陷（如气孔、裂纹等）以及焊接工艺性能都有重要的影响。,一、焊接化学冶金的特点,1、焊接区金属的保护 必要性：如果在空气中不采用任何保护方式进行焊接，主要带来两方面的问题。 （1）焊接工艺性能差 光焊丝无保护焊接时电弧空间电离度低，电弧不稳定，飞溅大，焊缝表面质量差，焊缝易产生各类气孔。 （2）焊缝金属成分和性能变化大 光焊丝无保护焊接所得到的焊缝金属与母材和焊丝相比，其成分和性能都发生了较大变化。因高温熔化的金属与周围空气中的气体发生剧烈反应，使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加，而锰、碳等合金元素由于蒸发和烧损而减少，这使得焊缝金属的塑性和韧性显著降低，但由于氮的强化作用，焊缝金属强度的变化不大。,上述两方面的问题使光焊丝无保护焊接在工程中没有实用价值。因此，焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保护，使其免受空气中气体的有害作用，从而减少焊缝中有害杂质的含量，减少有益合金元素的损失，使焊缝金属得到合适的化学成分，提高焊接质量。,保护方式和效果 所谓的保护就是采用某种介质把焊接区与周围的空气隔离开来。从保护的介质来看，保护方式有气体保护、熔渣保护、渣-气联合保护、真空保护和自保护等几种方式。不同的焊接方法所采用的保护方式是不同的。 （1）气体保护 就是利用外加气体对焊接区加以保护的方法。保护的效果取决于保护气体的性质和纯度、焊炬的结构以及气流的特性等。保护气体有惰性气体和活性气体两种。常用的惰性气体主要有氩气和氦气。惰性气体的保护效果很好，适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。常用的活性气体主要是CO2气体，保护效果也比较好。 （2）熔渣保护 就是利用焊剂、焊条药皮或药芯熔化形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池表面而起到的保护作用，熔渣凝固后所形成的渣壳覆盖在焊缝上面可防止高温的金属与空气接触。焊剂及熔渣的保护效果与焊剂的结构和松装密度有关：多孔性的浮石状焊剂具有较大的表面积，吸附的空气较多，保护效果较差；而玻璃状的焊剂保护效果较好。随着松装密度的增加，焊剂透气性变差，保护效果增强。,（3）渣-气联合保护 就是通过焊条药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体共同起到保护作用的。渣-气联合保护的效果主要取决于焊条药皮或药芯中保护材料的含量、熔渣的性质和焊接参数等。 （4）真空保护 真空保护就是利用真空环境进行焊接以达到隔离空气的作用。真空很难做到完全隔绝空气，但是随着真空度的提高，空气中的氧和氮的有害作用可降至最小，所以真空焊接的保护效果是最理想的。 （5）自保护 自保护就是在实芯或药芯焊丝中添加脱氧和脱氮剂，使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中的一种方法。前保护方式都是机械隔离空气的方法，而自保护是利用化学反应来防止氧和氮进入到焊缝中的冶金保护方法，保护效果较差。,2、冶金反应区,焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，各区的反应物性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运动等反应条件也有着较大的差异。反应条件的差异就影响着反应进行的可能性、方向、速度及限度。不同的焊接方法有不同的反应区。不填丝的钨极气体保护焊和电子束焊只有熔池反应区；熔化极气体保护焊有熔滴反应区和熔池反应区两个反应区；焊条电弧焊有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区，可见焊条电弧焊的反应区最多，具有一定的代表性。,焊条电弧焊的焊接化学冶金的反应区 药皮反应区 熔滴反应区 熔池反应区 T1药皮开始反应温度 T2焊条端部熔滴温度 T3弧柱中部熔滴温度 T4熔池最高温度 T5熔池最低温度,3、冶金反应的影响因素,1）熔合比的影响 熔焊时的焊缝金属由熔化的母材与填充金属组成。熔合比是指熔焊时被熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比。熔合比与焊接方法、工艺参数、焊缝和坡口的形式及尺寸、母材性质以及焊接材料种类等许多因素有关。当填充金属与母材的化学成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分就有很大的影响。,2）熔滴过渡特性的影响 焊接工艺参数对熔滴的过渡特性有很大的影响，因此必然对冶金反应发生影响。试验表明，熔滴阶段的反应时间（即熔滴存在的时间）随着焊接电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此，可以断定随着焊接电流的增加，冶金反应进行的程度会不完全。而电弧电压的增加会使反应进行的更充分。,二、气体对金属的作用,焊接过程中，在焊接区内存在着大量的气体，这些气体不断地与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的成分和性能。 1、气体的来源和组成,气体的来源 （1）焊接材料 焊接区内的气体主要来源于焊接材料。一般焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂，药皮及焊剂中的高价氧化物和水分也是气体的重要来源。气体保护焊时，焊接区内的气体主要来自所采用的保护气氛及其杂质，如氧、氮、水气等。 （2）热源周围的气体介质 热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂所产生的气体，并不能完全排除焊接区内的空气。 （3）焊丝和母材表面上的杂质 焊丝表面和母材坡口附近的铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。 （4）被焊金属及其合金的蒸发 在焊接电弧的高温作用下，被焊金属元素和熔渣的各种成分也会发生蒸发，形成金属蒸气和熔渣蒸气。,气体的产生 除直接输送和侵入焊接区的气体外，焊接过程中所进行的物化反应也产生了很多气体。 （1）有机物的分解和燃烧 焊条药皮中常含有的淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物和焊丝和母材表面上的油污等，这些物质受热以后，发生复杂的分解和燃烧反应，放出气体，反应产物主要是CO2，并且还有少量的CO、H2、烃和水气。 （2）碳酸盐和高价氧化物的分解 焊接材料中常用的碳酸盐有CaCO3、MgCO3、白云石（CaCO3+MgCO3）和BaCO3等。当加热至其分解温度时碳酸盐开始分解，产物主要是金属氧化物和CO2。此外，焊接材料中常用的高价氧化物如Fe2O3和MnO2等在焊接过程中也会发生分解反应生成大量的氧气和低价氧化物。 （3）材料的蒸发 焊接过程中，焊接材料中的水分、金属元素和熔渣的各种成分在电弧的高温作用下发生蒸发，形成大量的蒸汽。,气体的分解 （1）简单气体的分解 气相中的简单气体如N2、H2和O2等双原子气体，对焊接质量的影响很大。在电弧空间，气体受热而使其原子的振动和旋转能增加，当原子的能量达到足够高时，将使原子键断开，分解为单个原子或离子与电子。单原子气体在获得足够的能量时将发生电离，而电离所需要的能量比分解时高，因此只有在更高的温度时才能发生热电离。分子状态的气体也可以直接电离。但是，它比原子状态气体的电离需要更高的能量。 （2）复杂气体的分