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第二章 焊接 Welding PowerPoint PPT Presentation


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第二章 焊接 Welding . 概述 Summarization 焊接的实质 : 通过加热或加压(或两者并用),用或不用填充金属,使焊件形成原子间结合的一种连接方法。不可拆卸的连接。 焊接方法的分类 Classification 熔焊方法常以热源的种类命名, 气焊(气体火焰为热源) 电弧焊(电弧为热源) 电渣焊(熔渣电阻热为热源) 激光焊(激光束为热源) 电子束焊(电子束为热源) 等离子弧焊(压缩电弧为热源)。 钎焊 : 利用熔点比母材低的填充金属熔化以后 , 填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种方法 .

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第二章 焊接 Welding

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Welding

第二章 焊接 Welding

概述 Summarization

  • 焊接的实质:通过加热或加压(或两者并用),用或不用填充金属,使焊件形成原子间结合的一种连接方法。不可拆卸的连接。

  • 焊接方法的分类Classification

    • 熔焊方法常以热源的种类命名,

      • 气焊(气体火焰为热源)

      • 电弧焊(电弧为热源)

      • 电渣焊(熔渣电阻热为热源)

      • 激光焊(激光束为热源)

      • 电子束焊(电子束为热源)

      • 等离子弧焊(压缩电弧为热源)。

    • 钎焊:利用熔点比母材低的填充金属熔化以后,填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种方法.

    • 压力焊:如电阻焊:焊接过程中需要加压的一类焊接方法.


Welding

焊接的特点及应用

  • 焊接生产的特点:优点是:连接性能好;省工省料成本低;重量轻;可简化工艺。缺点是:不可拆卸;焊接接头组织和性能要变坏;要产生焊接应力、变形和缺陷。

  • 焊接生产的应用

    • 制造金属结构

    • 机器零部件和工具

    • 修补


Welding

2-1 冶金连接成形基础

一、焊接熔池的化学冶金

1. 熔焊过程中杂质的溶入及其有害作用

  • 氧化(高温下氧和氮分解)

    Fe+O→FeO C+O→CO

    Si+2O→SiO2Mn+O→MnO

    2Cr+3O→Cr2O3

    氧化使焊缝金属中的合金元素烧损;而焊缝金属中的氧使焊缝金属的强度、塑性和韧性均下降.如图所示.


Welding

氮能以原子的形式溶于金属中,如图所示.当熔池结晶时,氮的溶解度急剧下降,来不及逸出金属表面的氮气便成为气孔,还会形成Fe4N化合物,分布在晶界和固溶体内.氮使焊缝金属的强度和硬度增加而塑性和韧性下降.

氢如同氮一样,除产生气孔外,还要引起氢脆和冷裂纹.如图所示.


Welding

  • 氢原子的溶解和析出

  • 氮的溶解和析出


Welding

2.对熔化金属的保护和冶金处理

  • 对焊接区采取机械保护,如采用焊条药皮,防止空气污染熔化金属,焊前还要严格清理.

  • 对熔池采用冶金处理,清除已经进入熔池中的有害杂质,增添合金元素,在焊条药皮中加铁合金.

    • 脱氧反应 Mn+FeO→Fe+MnO Si+2FeO→2Fe+SiO2

    • 脱硫反应 Mn+FeS→Fe+Mn MnO+FeS→FeO+MnS

      CaO+FeS→FeO+Ca MgO+FeS→FeO+MgS

      3.焊接熔池化学冶金的特点

  • 温度高,金属元素发生强烈的蒸发和烧损

  • 冷却快,熔池金属在焊接过程中温度变化很快,各种化学冶金反应难以充分进行


Microstructure and properties of welding joint

二、焊接接头的组织和性能Microstructure and Properties of Welding Joint .由焊缝区、熔合区和热影响区组成.

1. 焊缝

(1) 焊接热循环Weld Thermal Circle

在焊接热源作用下,焊件上某点的温度随时间变化的过程。

特点:

  • 加热速度、冷却速度很快 (>100/s)

  • 温度不均匀

  • 对焊接质量起重要影响的参数是:


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  • 最高加热温度

  • 在过热温度(>1100度)的停留时间

  • 冷却速度:t 8/5


Weld bead

⑵ 焊缝weld bead

  • 在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域,即焊缝表面和熔合线所包围的区域。

  • 结晶过程特点 :冷却速度快,过热,运动状态下结晶,非均质形核

    • 偏析

    • 一次结晶

    • 二次结晶

    • 结晶从熔池底部许多半个晶粒开始垂直底部向中心生长,呈树状枝晶。

组织:铸态组织,粗大柱状晶


Welding

焊缝组织是从液态结晶的铸态组织,存在着各种铸造缺陷,但由于冷却快,通过渗合金等还可以满足使用要求.焊缝结晶过程要产生偏析,宏观偏析与焊缝成形系数有关(即焊道的宽度与厚度之比)。成形系数小,形成中心线偏析。


2 heat affect zone

2. 热影响区heat-affect zone

受焊接热循环的影响,焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域为焊接热影响区。如图所示。


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  • 过热区 Overheated Zone

    1100℃~固相线,魏氏组织,为热影响区中机械性能最差的部位.

  • 正火区 Normalized Zone

    Ac3~1100℃,正火组织,冷却后晶粒细小,机械性能较好.

  • 部分相变区Partial Phase-change Zone

    Ac1~Ac3之间 ,晶粒大小不一,组织不均匀,性能较差.

易淬火钢:由于焊后冷却快,会产生淬硬组织.它的热影响区分为淬火区和部分淬火区.


3 bond

3. 熔合区bond

  • 焊缝与热影响区的过渡区,位于熔合线两侧,也叫半熔化区。

  • 温度处于固相线和液相线之间

  • 成份不均匀,组织粗大,粗大的过热组织和粗大的淬硬组织.是焊接接头中性能最差的.


Factors to influence properties of welding joint

影响焊接接头性能的因素Factors to Influence Properties of Welding Joint

  • 焊接材料焊条和焊丝等(熔化后形成焊缝金属组成部分,影响焊缝化学成分

    welding materials

  • 焊接方法welding method不同焊接方法的热源,温度高低不同、且机械保护也不同。

  • 焊接工艺焊接电流、电弧电压、焊接速度和线能量等的总称为工艺参数

    welding technology

    工艺参数→接头输入热量的大小→焊接热循环→热影响区大小→组织粗细→焊缝性能 线能量E=IU/V


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三、焊接应力和变形

1. 焊接应力和变形的形成和危害.焊接应力增加结构工作时的应力,降低承载能力;焊接变形影响组装质量,矫正变形增加成本,还要降低塑性.

2、产生原因

如图1-38所示.

金属材料如果整体均匀加热和冷却,能完全自由膨胀和收缩,则在加热过


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程中产生变形,不产生应力;冷却后,恢复到原来的形状和尺寸,没有残余变形,也没有残余应力.如图1-38a所示.

如果在加热和冷却过程中,完全不能膨胀和收缩,这时有焊接残余应力而没有残余变形.

由于焊接是局部加热,在加热和冷却过程中,有一定的刚性约束,如图1-38b所示,加热时金属受压应力,产生塑性压缩变形;在冷却过程中,如图所示,不能完全自由收缩,也能收缩一些,因此,金属受拉应力并保存下来,这就是焊接残余应力.


1 39 a b 1 40

现以钢板对焊为例说明焊接残余应力的产生过程,如图1-39所示.(a)为加热时,(b)为冷却时的情况.图1-40为焊接变形及产生原因


Welding

2.减少和消除焊接应力的措施

设计措施:

  • 尽量减少焊缝数量及尺寸

  • 避免焊缝过分集中 与交叉,如图所示

  • 采用刚性较小的接头形式

  • 在拉应力区域,避免几何不连续性


Welding

工艺措施:

  • 合理选择焊接顺序和方向(先横后纵)


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从设计和工艺二个方面考虑

  • 锤击焊缝法

  • 预热法

  • 加热“减应区”

  • 热处理法

  • 降低焊缝拘束度

  • 小线能量焊接


Welding

3.控制和矫正焊接变形的措施

防止变形:

  • 焊前组装时采用反变形法


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  • 刚性固定法

  • 能量集中的焊接方法

  • 预热、锤击、散热

  • 选择合理的装配焊接顺序


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矫正

  • 机械矫正法

  • 火焰矫正法


Weldability of metal

四、金属焊接性 Weldability of Metal

1. 金属焊接性的概念

  • 金属材料对焊接加工的适应性。

  • 在一定焊接条件下,获得优质焊接接头的难易程度。

  • 决定于金属材料本身性质和加工条件。包括二方面的内容:

  • 结合性能:指某种材料在给定的焊接工艺条件下,形成完整而无缺陷的焊接接头的能力 。

  • 使用性能 :指在给定的焊接工艺条件下,焊接接头或整体结构满足使用要求的能力 。


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    2. 金属焊接性的间接评价

    • 碳当量

      把钢中合金元素(包括碳)的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量,其总和叫碳当量。

      CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%)


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    经验表明

    • 当CE<0.4%时,焊接性良好,一般不需预热; CE=0.4~0.6%时,焊接性较差,一般需要预热和采取其它工艺措施; CE>0.6时,焊接性差,需采取较高的预热温度和其它严格的工艺措施.


    Welding

    评价金属焊接性的二个参数

    • 冷裂纹敏感系数

      除化学成分外,板厚(刚性约束)、焊缝含氢量等也对焊接性有影响。

      Pe=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+h/600+H/60(%)

      防止裂纹要求的最低预热温度:

      Tp=1440Pc-392(℃)


    Welding

    作业:

    1、什么是焊接热影响区?低碳钢焊接热影响区分哪几个区?

    2、碱性电焊条和酸性电焊条的性能有什么不同?为什么?


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