讲义水工金属结构焊接工程概论讲义

XXXX水工金属结构质量检验测试中心焊接工程概论绪论焊接方法及设备绪论焊接就是通过加热、加压、或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。被连接的两个物体可以是同类或不同类的金属（钢、铁及非铁金属），也可以是非金属（石墨、陶瓷、塑料、玻璃等），还可以是金属与非金属。1930年出现了气焊和手工电弧焊，40年代后出现了埋弧焊和电阻焊，50年代的电渣焊、各种气体保护焊、超声波焊，60年代的等离弧子焊、电子束焊、激光焊等先进焊接方法的不断涌现，使焊接技术达到了一个新的水平。近年来主要是工业机器人及焊接自动化的研究。焊接不仅是一种技艺，而且是一门科学。这种从技艺向科学的发展建筑在其他学科发展的基础上，如化学冶金、物理冶金、材料力学、电工学、电子学、光电子学以及计算机技术等等。吸收、消化、发展这些科学，便使焊接从一门单纯的技艺发展成为一门科学的制造技术。推动这一发展的动力，则是焊接技术在重大工程中应用，以及因此而产生的后果。例如，20世纪30年代欧洲数座焊接桥梁发生脆性断裂，造成重大人员伤亡；40年代美国“自由轮’”事件，5000艘焊接船中I000余艘发生裂纹或脆性破坏；50年代美国采用HY80钢制造潜艇产生大量氢致裂纹；60年代美国APOMD计划，一土星V飞船采用高强铝合金焊接产生气孔、变形及强度问题。这些重大的焊接事故引起了政府和技术界的极大关注，大量资金和技术研究的投入，极大地促进了焊接科学的发展。焊接冶金学、焊接金属学、焊接工艺和设备理论以及焊接断裂力学便应运而生，其中焊接断裂力学的形成不仅推动了焊接工程的应用，而且也推动了力学学科的发展。－、焊接方法基本分类焊接－熔焊(熔化焊）－压焊（固相焊）－钎焊－其他热加工方法熔焊(熔化焊）在焊接过程中，利用局部的热源，将所需焊接的工件结合处加热，至熔化状态，加入或不加入填充金属，不施加压力完成的焊接的方法。电弧焊、气焊、热剂焊、电渣焊、电子束焊、激光束焊、螺柱焊电弧焊熔化极焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、药芯焊丝非熔化极钨极惰性气体保护电弧焊、等离子弧焊、碳弧焊、原子氢焊压焊（固相焊）

在焊接过程中，对焊件施加压力（加热或不加热）而完成的焊接方法。电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、冷压焊电阻焊点焊、缝焊、对焊、闪光对焊、高频焊钎焊利用比被焊材料低的金属材料作为钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料吸入到接头接触面的间隙内，润湿被焊金属材料的表面，使液相与固相之间相扩散而形成钎焊接头。烙铁钎焊、电弧钎焊、电阻钎焊、高频感应钎焊、气体火焰钎焊、炉中钎焊、盐浴钎焊、扩散钎焊、电子束钎焊、激光钎焊第二节焊接接头的组织与性能

焊接是一种复杂的热过程和冶金反应过程。为了获得优良的焊接接头，必须了解焊接接头的组成，以及各个区域金属性能在焊接过程中的变化。1、焊接接头的组成。2、焊接热影响区的组成3、焊接热影响区的性能变化。4、影响焊接接头组织及性能的因素。1、焊接接头头的组成焊件经焊接接后所形成成的结合部部分叫焊接接接头1、焊缝金属属。由熔熔化的母材材和填充金金属组成2、熔合区。。焊缝金属属与未熔熔化的母材材之交界处处。3、热影响区区。紧靠焊焊缝金属的的母材，焊焊接过程中中，被电弧弧加热，其其组织性能能发生变化化的区域。。2、热影响区区的组成2、热影响区区的组成1）过热区。。加热温度度在1100℃℃到固相线之之间，由于于加热温度度大大超过过了相变温温度，奥氏氏体晶粒急急剧长大，，冷却时，，成为晶粒粒粗大的铁铁素体和珠珠光体，其其塑性和韧韧性大大降降低。2)、正火区。。加热温度度在AC3以上至1100℃℃，高温时时为晶粒细细小的奥氏氏体，冷却却时得到细细小晶粒铁铁素体和和珠光体。。其机械性性能略高于于母材。3)、不完全重重结晶区。。加热温度度在AC1~AC3之间，高温温时为奥氏氏体和铁素素体，冷却却时为细小小的晶粒的的铁素体和和珠光体及及粗大晶粒粒的铁素体体。所以这这个区域，，其晶粒粗粗、细不均均，其性能能与母材相相同。4)、再结晶区区。加热温温度在450℃℃~AC1之间，对于于焊前经过过冷塑性变变形的母材材，由于冷冷塑性变形形而破碎的的晶粒发生生了再结晶晶，重新成成长为完整整的晶粒，，使塑性稍稍有改善。。强度和硬硬度都低于于冷作变形形状态的母母材。以上五个区区是低碳钢钢和低合金金钢的主要要组织特征征。除此之之外，还可可能存在一一个组织上上与母材没没有差别，，但塑性与与韧性显著著低于母材材的脆化区区，称蓝脆脆区。200~750℃。3、焊接热影影响区的性性能变化1）、热影响响区的硬度度分布凡是硬度高高的区域，，其强度也也高，塑性性和韧性下下降。见44页图3－11.焊缝和母材材的硬度低低于热影响响区。热影影响区中以以过热区为为最高硬度度区，出现现硬度的峰峰值区，然然后迅速降降低。过热热区塑性最最差，是焊焊接接头的的薄弱区。。2）、焊接热热影响区的的力学性能能。焊接热影响响区各不同同部位，由由于所受的的热循环不不同，故所所获得力学学性能也不不同。见45页图3－12.当加热温度度超过AC1时，随温度度升高，强强度和硬度度也随之提提高，而塑塑性不断断降低，但但在不完全全重结晶区区，由于晶晶粒大小极极不均匀，，故σS反而最低，，一直到1300℃℃，强度最高高。而超过过1300℃℃，除塑性仍仍继续降低低外，强度度也下降（（晶粒粗大大）。两个个脆化区。。过热区和和蓝脆区。。3、影响焊接接接头组织织性能的因因素。1）、材料的的匹配。2）、热输入入对过热区晶晶粒长大和和性能的影影响对过热区淬淬硬组织的的影响3）、熔合比比4）、焊接工工艺方法。。5）、焊后热热处理。1、材料的匹匹配焊接材料将将直接影响响焊接接头头的组织和和性能。通通常，焊缝缝金属的化化学成分及及机械性能能与母材相相近。但考考虑到铸态态焊缝特特点和焊接接应力的作作用，焊缝缝的晶粒比比较及存在在偏析，并并有产生裂裂纹、气孔孔和夹渣等等缺欠的可可能性，因因此，就要要通过调节节焊缝金属属的化学成成分以改善善焊接接头头的性能。。这就要求求焊缝与母母材成分有有所区别。。为提高抗裂裂性，减少少焊缝中碳碳硫、磷磷等的含量量；为提高高焊缝的塑塑性、韧韧性，焊材材中加入碳碳化物和氮氮化物，细细化晶粒粒等。2、热输入1）对过热区区晶粒长大大和性能的的影响热输入越大大，则焊接接接头高温温停留时间间越长，过过热区越宽宽，过热现现象越严重重，晶粒也也越粗大，，塑性和韧韧性下降的的也越严重重，因此应应采用较小小的热输入。2）对过热区区淬硬组织织的影响热输入的大大小对焊接接加热速度度和冷却速速度有较大大的影响、、。冷却速速度不同，，可以得到到不同的组组织。随着着热输入的的增加，冷冷却速度下下降，对不不易淬火钢钢，冷却速速度较慢时时，得到铁铁素体+珠光体的混混合组织。。当冷却速速度增加，，可得索氏氏体、等。。当冷却速速度很快时时，得马氏氏体。3、熔合比母材金属在在焊缝中所所占的比例例，可用母母材金属在在焊缝中所所占的面积积Am与焊缝的总总面积（Am＋AH）之比（熔熔合比γ）表示，即即γ＝Am/（Am＋AH），其中AH为填充金属属在焊缝截截面中所占占面积。由由1－45可见，坡口口和熔池形形状改变时时，熔合比比γ都将发生变变化、通过过改变熔合合比，可以以调整焊缝缝化学成分分，降低裂裂纹倾向和和提高焊缝缝力学性能能。4、焊接方法法不同的焊接接方法有其其不同的特特点，因而而对焊缝和和热影响区区的性能也也产生不同同的影响。。从合金元素素烧损和减减少焊缝缝中的杂质质元素及气气体含量量来看，TIG优于111、12、13。同一种焊焊接方法，，参数不一一，性能也也不一。5、焊后热处处理焊后为改善善焊接接头头的组织和和性能或消消除残余应应力而进行行的热处理理叫焊后热热处理。1、消氢处理理250~300℃2、消应力热热处理550~650℃3、改善性能能热处理低碳钢、不不易淬火的的低合金钢钢，一般不不进行焊后后改善性能能热处理。。易淬火的低低合金钢，，需进行焊焊后高温回回火热处理理，以消除除淬硬组织织。奥氏体不锈锈钢，焊后后进行稳定定化热处理理，加热温温度850℃，保温2H后空冷，以以提高焊接接接头的抗抗晶间腐蚀蚀的能力。。第三节焊焊缝形形式与接头头形式1、焊缝形式式焊缝是指焊焊件经焊接接后形成的的结合部分分，它是构构成焊接接接头的主体体。焊缝形式主主要是指由由坡口和接接头的结构构形式而形形成的焊缝缝连接方式式。一般可分为为对接焊缝缝、角焊缝缝、塞焊缝缝、端接焊焊缝等2、接头形式式焊接接头形形式主要是是由相焊的的两焊件相相对位置所所决定的。。对接接头、、T形接头、角角接接头、、搭接接头头、十字接接头等。对接接头是是两焊件端端面相对平平行的接头头。T形接头是一焊件件端面与另一焊焊件表面构成直直角或近直角的的接头。角接接头是两焊焊件端面间构成成大于30°、小135°夹角的接头。搭接接头是两焊焊件部分重叠构构成的接头。接头形式对接接头T形接头搭接接头角接接头第二节母材熔化化和焊缝成形熔化焊时，在热热源作用下，焊焊件上形成的具具有一定几何形形状的液态金属属部分称为熔池池，在熔化电极极焊接中熔池中中还包括已经熔熔化了的填充金金属。熔池冷却却凝固后成为焊焊缝，其成形的的好坏是衡量焊焊接质量的指标标之一。一、熔池和焊缝缝的形状尺寸熔化极电弧焊过过程中，母材金金属和填充金属属在电弧热的作作用下加热、熔熔化而混合在一一起，在电弧力力作用下，液态态金属被排向电电弧移动的后方方，并且在电弧弧力、本身重力力和表面张力等等共同作用下，，保持一定的液液面差，形成了了具有一定形状状和尺寸的熔池池，如图1－44。随着电弧前移移，熔池也随之之前移，熔池尾尾部液态金属的的温度逐步降低低。当液态金属属温度降到金属属的凝固温度时时，便冷凝结晶晶而成为焊缝。。焊缝形状是指焊焊缝横截面的形形状，一般以熔熔深H、熔宽B和余高a描述，如图所示示。合理的焊缝缝截面形状要求求H、B、a具有恰当的比例例，通常采用焊缝成形系数φ（φ＝B／H）和余高系数ψ（ψ＝B／a）来表示焊缝的的成形的特点。。成形系数过小，，焊缝截面窄而而深，容易出现现气孔和产生热热裂纹，因此，，对于裂纹和气气孔敏感的材料料φ值应取大一些。。对于常用的电电弧焊方法，φ值一般取1．3－2；堆焊时要求焊焊缝尽可能宽而而浅，φ值可达10左右。焊缝余高过大会会引起应力集中中，反而降低承承受动载荷的能能力，通常对接接接头余高控制制在3mm以下，或者余高高系数ψ大于