焊接的基础知识[1]

1、焊接的基础知识一、概述在金属结构和机械制造中，总是将需要两个或两个以上的零件，按一定的形状和位置连接起来，并保证足够的连接强度。连接的方式主要有两类：一类是可以拆卸的，如螺栓连接，销钉连接，键连接等；另一类是永久性的，如焊接，铆接。焊接是一种生产不可拆卸的结构的工艺方法。焊接作为一门独立的科学，已广泛的应用于国民经济的各个领域。据统计世界工业发达国家的焊接耗钢量占钢材总产量的45%左右，可见焊接技术的应用领域是很广阔的。我国采用焊接技术已成功地制造了各种大型的高质量的设备和设施，如大型的桁架结构,万吨水压机，大型高压化工容器，大型油轮，发电设备等。焊接的优缺点焊接与栓接、铆接、铸件及锻件相比，

2、具有下列优缺点：、节省金属材料，减轻结构重量，经济效益好；、简化加工和装配工序，生产周期短，生产效率高；、结构强度高，接头密封性好；、为结构设计提供了很大的灵和性；、焊接工艺过称容易实现机械化和自动化；、焊接结构容易引起较大的残余变形和焊接内应力。由于绝大多数焊接方法都采用局部加热，不可避免的在结构中产生一定的焊接应力和变形，从而影响结构的承载能力、加工进度和尺寸稳定性。同时在韩风和焊件交界处还会引起应力集中，对结构的脆性断裂有较大的影响；、焊接接头中存在一定数量的缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等。缺陷的存在会降低接头强度，引起应力集中。损坏焊缝的致密性，是造成焊接结构破坏的主要原因

3、之一；、焊接接头具有较大的性能的不均匀性。由于焊缝的成分及金相组织与母材不同，接头各部位经历的焊接热循环不同，使得焊接接头不同区域的性能不同；、焊接过称中产生高温、强光及有害气体，对人体有一定的危害。 1、焊接的分类焊接的定义：焊接是通过加热或加压，或同时加热加压，并且用或者不用填充材料，使焊件达到原子间结合的一种加工方法。按照焊接时的工艺特点及母材所处的状态，将焊接分为熔化焊，压力焊和钎焊三大类。、熔化焊：在焊接中将焊接接头加热至熔化状态，不加压力的焊接方法。主要有气焊，手工电弧焊，埋弧焊， CO2气体保护焊，钨极氩弧焊（TIG），熔化极氩弧焊（MIG），激光焊，电子束焊等。、压力焊：在焊接

4、过程中，对焊接部位施加一定的压力，加热或不加热的焊接方法。a、将被焊金属的接头部位加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，使金属原子间相互结合形成焊接接头，主要有电阻电焊，缝焊，闪光焊，摩擦焊，高频焊等。b、仅在被焊金属间施加足够的压力，借助压力引起的塑性变形使金属原子间相互结合形成焊接接头，如冷压焊，超声波焊，爆炸焊。c、在被焊金属间施加足够的压力并同时加热借助压力和原子的热扩散使金属原子间相互结合形成焊接接头，如热压焊。、钎焊：采用熔点比被焊材料低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点，利用液态钎料的毛细作用湿润母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散达到

5、连接焊件的方法。主要有：洛铁钎焊，火焰钎焊，电阻钎焊，电弧钎焊，感应钎焊，盐浴钎焊，炉中钎焊，真快钎焊，超声波钎焊等a、软钎焊，用熔点低于450的钎料进行焊接，接头前度较低。b、硬钎焊，用熔点高于450的钎料进行焊接，接头前度较高。2、常用的熔化焊方法、手工电弧焊：用电弧为热源，焊条为电极和填充金属的焊接方法。特点：设备简单，操作灵活，焊条品种齐全，焊接成本高，效率较低，重要接头对工人的操作技能要求高。、埋弧焊：电弧在焊剂层下燃烧，利用电气和机械装置控制送丝和移动速度的焊接方法。特点：焊接效率高，焊缝成型美观，焊接质量好，劳动生产率高，实现了自动焊接，改善了劳动条件，焊接位置和焊件形状受限制。

6、、气焊气体保护电弧焊：用外加气体作为电弧介质并保护熔滴、电弧、熔池和高温区母材的电弧焊方法，常用气体有：氩气、氦气、CO2气，混合气。特点：明狐焊接，熔池可见度好，操作方便，适合于各种空间和位置焊接，有利于实现自动化，焊接变形小，焊接参数调节范围广，焊接区保护气体抗外界干扰能力弱，电弧辐射强。3、焊接电弧焊接电弧的产生：电弧是焊接电源供给的具有一定电压的两极件或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持续的放电现象。引燃电弧的方法、接触短路引弧法。、高频、高压引弧法。焊接电弧的结构：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。弧柱区的温度最高，达500030000K.二、焊接接头1、焊接接头的特点

7、用焊接方法连接的接头叫焊接接头。焊接接头包括焊缝，熔合区（熔合线）和热影响区三部分。2、焊缝金属的性能焊缝金属的性能是由组成焊缝的熔合比（母材与焊缝的比例）、冶金反应和冷却结晶的金相组织决定的。冶金反应很复杂，包括氧化还原、脱硫、脱磷，渗合金等。、焊接熔池的一次结晶特点a、熔池体积小，冷却速度大。对于含碳量高，低合金元素含量较高的钢种容易产生硬化组织和结晶裂纹。b、合金元素烧损严重。c、温差大，焊缝冷却速度快，熔池是在很大的温差条件下结晶，促使柱状晶的生成。这一系列的反应决定了焊缝的性能。焊缝中的偏析熔池在一次结晶过程中，由于冷却速度大，已凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散，在焊缝中各个区域

8、的合金元素分布不均匀，这种现象较偏析。偏析对焊缝的性能影响很大，造成焊缝的化学成分不均匀，性能改变，也是产生裂纹、夹渣和气孔等缺陷的主要原因之一。焊缝的偏析主要包括显微偏析、区域偏析和层状偏析三种。a、显微偏析，在一个晶粒内部或晶粒之间的化学成分不均匀现象。b、区域偏析，熔池结晶时，由于柱状晶的不断长大和推移，会将杂质推向熔池中心，使得熔池中心的杂质比其它部位多。焊缝的断面形状对区域偏析的分布有很大的影响。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在焊缝中心，有较多的杂质聚集在焊缝中心，极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质聚集在焊缝上部，具有较高的抗热裂纹的能力。c、层状偏析，是在焊缝横断面上出现的分层组织，

9、不同的分层，化学成分分布不均匀，使得焊缝的性能和耐蚀性能不均匀。、焊缝中的气体和夹渣物对焊缝性能的影响（N2，H2，O2）氮，提高焊缝金属强度，降低塑性和韧性，产生气孔。氢，引起钢的氢脆和白点，是钢的硬度升高，塑性、韧性严重下降，氢是焊缝中产生气孔和冷裂纹的主要因素。氧，随着焊缝含氧量的提高钢的强度、塑性、韧性明显下降。夹渣物，焊后残留在焊缝中的非金属杂质。氧化物，主要有：SiO2，MnO,TiO2.Al2O3，。硫化物，MnS，FeS。、焊缝金属的二次结晶，焊缝金属一次结晶后已转变成固态焊缝，焊缝金属釉高温冷却到室温时要产生一系列相变过程，称为焊缝金属的二次结晶，A-P3、熔合区和热影响区、

10、焊接热循环，在焊接过程中热源是沿着焊件移动的，在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随着时间变化的过称称为该点的焊接热循环。影响焊接热循环的因素：焊接线能量；预热和层间温度，板厚和接头形式。、焊缝热影响区的组织和性能过热区，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。这个区域金属被加热到1100-1490，晶粒严重长大，冷却后得到粗大的过热组织，使得金属塑性降低，冲击韧性下降明显，是焊接接头的薄弱区域。正火区，这个区域金属被加热到900-1100，冷却后产生正火组织，晶粒得到了细化，该区域综合性能好。部分相变区（不完全结晶区），这个区域金属被加热到750-900，使得一部分金属受到正火处理，另一部分组织转变

11、不完全，晶粒大小不均匀，力学性能不均匀，强度有所下降，钢在焊接热循环作用下，热影响区组织分布是不均匀的，熔合区和过热区有严重的晶粒长大现象，是整个焊接接头的薄弱部位。对于含碳量高、合金元素较多、淬硬倾向较大的钢种，将出现淬火马氏体组织，使焊接接头塑性下降，并且容易出现裂纹。对于调质钢和正火钢，还对钢的调质状态和正火状态造成破坏。4、影响焊接接头的性能及质量控制、焊接材料的选择：等强性原则，等同性原则，等条件原则。、焊接工艺方法。、熔合比。、焊接线能量及工艺参数。、操作方法的选择。、预热和焊后热处理。三、焊接应力和变形焊接结构在制造过程中总会产生焊接应力和变形，使得焊件的的形状和尺寸发生偏差，承

12、载力有所下降。同时焊接应力使焊件在焊接过程中或焊后产生焊接裂纹。1、焊接应力和变形产生的原因、焊接应力和变形通常当物体受到外力作用时，在其内部要产生内应力。内应力是在没有外力的条件下平衡于内部的应力，在焊接时焊件由于不均匀的加热和冷却，使其内部产生应力，这种应力称为焊接应力。焊接残余应力是焊后残留于焊件内部的应力。焊后焊件残留的变形叫焊接残余变形。焊接残余变形通常是一种焊后不能回复的塑性变形，只能残留在焊件上，是由焊接内应力引起的。、焊接应力和变形产生的原因，在焊接过程中，电弧电源对焊件进行了局部不均匀的加热，焊缝及其附近的金属被加热的高温时，由于受到其周围较低温度金属的限制，不能自由膨胀而产

13、生了压应力，如果压应力足够大，就会产生压缩塑性变形，当焊缝及其附近金属冷却发生收缩时，同样也会由于受到其周围较低温度金属的限制，不能自由的收缩，在产生一定的拉伸变形的同时产生了焊接拉应力，为了平衡焊接拉应力，在焊件的相应部位必然产生压应力。2、焊接应力及其控制、焊接应力的分类在焊接过称中内引力的产生，按作用位置可分为线应力平面应力和体积应力。按应力与焊缝的相对位置可分为横向应力和纵向应力。按应力成形原因可分为热应力、拘束应力和氢致应力。、影响焊接应力的因素焊接件的坡口形式和尺寸；焊接材料的性能；结构本身的刚性及其焊接时外加的刚性拘束的大小；所选用的焊接方法；焊接条件（预热、层间温度、后热等），

14、焊接线能量及焊接操作方法等；、减少焊接应力的措施a、设计措施减少焊缝数量，在保证结构有足够的强度和刚性的前提下，应尽量减少焊缝的数量，缩短焊缝尺寸，合理的选择接头形式和坡口尺寸；对称布置焊缝，应尽量不要使焊缝过分集中，避免应力叠加，避免十字交叉焊缝和连续焊缝。b、工艺措施选择合理的焊接顺序；预热；采用较小的焊接线能量；锤击焊缝；减少氢的措施和消氢处理。、消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的必要性和可能性。下列情况下考虑消除焊接残余应力：要求承受低温或动载有发生脆断危险的结构；厚度超过一定限度的焊接容器；要进行紧密加工的构件；有可能产生应力腐蚀破坏的构件。消除焊接残余应力的方法整体消除应力退

15、火；局部消除应力退火；中间消除应力退火；机械拉伸法；低温处理法；机械振动法；超声波振动法。3、焊接变形及其控制、焊接变形的分类焊接变形包括：构件尺寸变化（纵向缩短和横向缩短）、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等。、影响焊接变形的因素焊缝位置，焊缝布置不对称或焊缝截面重心与焊件截面重心不重合时易引起弯曲变形和角变形。结构刚性，焊件的变形程度与刚性有关刚性越大变形越小。装配焊接顺序。焊接工艺参数的选择。坡口大小及坡口形式。、控制焊接变形的措施设计措施选择合理的焊缝尺寸，在满足结构的承载力和保证焊接质量的前提下根据板厚选择工艺上可能的最小焊缝尺寸；尽可能的减少焊缝数量；合理的安排焊缝位置。工艺措

16、施预留收缩余量；选择合理的装配和焊接顺序；采取反变形措施；对工件采取外加的刚性约束；强迫冷却焊接区域；锤击焊缝；采用高能量的焊接方法。、焊接变形的矫正方法冷矫正法（机械矫正法），通过拉伸或压缩等机械外力，使工件产生局部塑性变形进行矫正；火焰矫正法，利用火焰对工件局部加热，用加热和冷却后的收缩引起的新变形来抵消已有的变形。加热的方法主要有点状加热，线状加热和三角形加热。4、焊接缺陷和检验方法在焊接接头中产生的不符合设计或工艺要求的缺陷称为焊接缺陷。、焊缝形状缺陷a、焊缝尺寸不符合要求，焊缝高低不平，宽窄不齐，焊缝尺寸过大或过小，角焊缝尺寸不对称等。b、咬边，沿着焊缝边沿烧熔形成的沟槽或凹陷。c、

17、未焊透，焊接接头根部未完全熔透；d、未熔合，焊道与焊道或焊道与母材之间未完全熔化结合；e、烧穿，熔化金属从焊缝背面流出，形成穿孔的缺陷；f、焊瘤，焊缝金属流淌的焊缝之外形成的金属瘤；g、弧坑，焊缝收弧处产生的未填满。、气孔与夹渣和夹杂a、气孔，焊接是熔池中的气体在熔池凝固时未能及时逸出而残留下来所产生的空穴。按出现的位置分为表面气孔和内部气孔，按产生原因分为氢气孔和CO气孔。预防措施：选择好焊接材料和焊接方法；加强焊前清理；正确的选择焊接参数；b、夹渣和夹杂焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣；由于焊接冶金反应产生的、焊后残留在焊缝金属中的非金属杂质称为夹杂。产生原因，冶金反应产生了高熔点、密度大的

18、金属或非金属氧化物，这些氧化物不容易从熔池中浮起，也有可能产生低熔点硫化物共晶形式的夹杂；工艺方面焊接工艺参数不合理，焊前清理不干净或层间清理不彻底。预防措施：选择脱渣性、脱硫、脱氧性能好焊接材料；选择合理的焊接坡口和焊接工艺参数；平稳运条；层间仔细清理；双面焊时，彻底清根；焊接时保护好熔池，防止空气侵入。、裂纹a、热裂纹，在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。是一种不容许存在的焊接缺陷。按产生的形态和机理分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹。产生原因，聚集在晶粒边界或焊缝中心的液态低熔点物质，在焊缝冷却过程中产生的拉引力作用下开裂。预防措施：限制钢材和焊接材料中易偏

19、析元素和有害杂质的含量，定量降低硫、磷含量，降低含碳量；调节焊缝金属的化学成分，改善焊缝组织，细化晶粒，调高焊缝的塑性，减少偏析程度；控制焊接工艺参数；提高焊条和焊剂的碱性，降低焊缝中的杂质含量；采取降低焊接应力的工艺措施；填满弧坑；b、冷裂纹，焊接接头冷却到较低温度（马氏体转变温度）下所产生的裂纹，也成为延迟裂纹，具有很大的危险性。产生原因，钢材的淬硬倾向，焊接接头的含氢量和焊接接头的拘束应力是焊接高强钢产生冷裂纹的三大要素。预防措施：严格控制氢的来源，选择低氢焊材，加强焊前清理，选择低氢焊法（CO2气保焊）。提高焊缝金属的塑性。降低焊接应力，选择合理的焊接工艺参数和线能量，控制焊接接头的冷

20、却速度。焊前预热，控制层间温度，焊后缓冷及消氢处理；选择合理的焊接顺序减少焊接应力；减少焊接缺陷以减少应力集中点；进行焊后热处理。c、再热裂纹，焊件在一定温度内再次加热而产生的裂纹。再热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶组织中。产生原因，只有用Cr、Mo、V、Ti、Nb等沉淀强化的珠光体耐热钢、低合金钢及不锈钢等才产生再热裂纹；产生于厚厚件和应力集中处；产生于一定的温度范围内；一定的高温停留时间。预防措施：降低残余应力，减少应力集中；选用低强度焊接材料；控制焊接线能量；增加中间热处理工序；d、层状撕裂，在焊接构件中，沿钢板扎层形成的呈阶梯状的裂纹，层状撕裂大都发生在大厚板的T型接头。预防措施：降

21、低钢材中的S、Si、Ai、O含量，选择抗层状撕裂钢；减小工件外部约束；合理选择接头形式；预堆焊层。4、焊接检验焊接检验分非破坏性检验和破坏性检验两大类。、破坏性检验a、焊接接头的力学性能检验，焊接接头的拉伸试验，测定焊接接头的强度（屈服强度，抗拉强度），塑性（伸长率，断面收缩率），检验断口缺陷，验证焊接工艺和焊接材料。焊接接头的拉伸试验；全焊缝拉伸试验；合格标准：焊接接头抗拉强度不低于母材规定值的下限；全焊缝金属拉伸试样的抗拉强度不低于母材规定值的下限，伸长率不低于母材伸长率的80%。弯曲试验，检验焊接接头的塑性，反映焊接接头各区域的塑性差别，暴露焊接缺陷，检验熔合线的结合质量。弯曲试验分为面

22、弯、背弯和侧弯。冲击试验，检验焊缝金属和焊接接头的冲击韧性和缺口敏感性。硬度试验，测定焊缝和热影响区的硬度值，比较焊接接头各区域的性能差别及热影响区的淬硬倾向。b、金相检验主要观察由于焊接热过程和冶金特点所造成的金相组织变化和微观缺陷，从而评价焊接材料、工艺方法和焊接参数等。分宏观金相分析和微观金相分析。c、焊接性试验（铁研试验、插销试验等），评价钢材的焊接性。d、化学分许试验。、非破坏性试验a、外观检验，检验工件的外形尺寸，焊接接头质量。b、密封性检验水压试验；气压试验，充气检查；沉水检查；氨气检查；煤油渗漏试验。d、无损探伤检验射线探伤；超声波探伤；磁粉探伤；着色探伤（渗透探伤）四、常用钢

23、材的焊接1、钢材的分类钢是含碳量小雨2%的铁碳合金。、按钢材中的含碳量分：低碳钢，含碳量低于0.25%；中碳钢，含碳于0.25%0.6%；高碳钢，含碳量大于0.6%。、按钢的品质分：普通碳素钢，钢中硫、磷含量较高，分别为S0.055%，P0.045%；优质碳素钢，钢中硫、磷含量均0.04%。、按钢的用途分：结构钢；工具钢；特殊性能钢（耐热钢，耐候钢，低温钢，容器用钢，船用钢，不锈钢等）。、按化学成分，如：35CrMo，14MnNb等；、按强度等级和质量等级分，如：Q235A，Q420E等.2、钢材的焊接性、焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的

24、难易程度，包括两方面内容：接合性能，在一定的焊接工艺条件下，一定金属形成焊接缺陷的敏感性；使用性能，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。研究钢的焊接性，是指钢在一定的焊接条件下，经过各种反应，形成具有一定使用性能的完整的焊接接头的能力。、影响焊接性的因素材料因素，母材和焊材的成分。工艺因素，如焊接方法、坡口形式和加工质量、预热后热措施、层间温度控制、装配质量、电源种类和极性等。结构因素，焊接接头的布置，让焊接接头处于刚度较小的状态，避免出现截面突变、余高过大、交叉焊缝等，减少应力集中。使用条件，工作温度、工作介质、载荷性质等，属于工艺焊接性考虑的范围。、钢材焊接性的评

25、价方法a、碳当量法，根据钢材的化学成分与焊接热影响区淬硬性的关系，把钢中合金元素按其成分折合成碳的相当含量，作为粗略地评定钢材焊接性的一种参考指标。国际焊接学会推荐的公式如下：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/15+(Ni+Cu)/5碳当量越大，钢材的淬硬倾向越大，冷裂纹的敏感性越大。b、直接试验法，按照规定的工艺参数焊接试板，检测焊接接头对裂纹、气孔、夹渣等缺陷的敏感性，作为评定焊接性、选择焊接工艺方法和参数的依据。3、低碳钢的焊接低碳钢含碳量较小（0.25%），除常规元素锰、硅、硫、磷外，很少有其它元素，焊接性能良好。可装配成各种不同的接头，适应各种不同的焊接位置，焊接工艺和技术简单，几乎可采用所以的焊接方法焊接；焊前一般不预热；4、低合金高强钢的焊接低合金高强钢的焊接与低碳钢相比，热影响区容易淬硬，对氢的敏感性强，当焊接接头承受较大应力时容易产生各种裂纹。在焊接热循环的作用下，接头热影响区组织性能发生变化，增大了脆性破坏的倾向。焊接这类钢的主要问题是裂纹和脆性问题。、焊接裂纹a、冷裂纹倾向，由于这类钢是在碳钢的基础上增加了合金元素，增加了焊缝和热影响区的淬硬倾向，