焊接成形(12节)

1第四章焊接成形焊接成形是一种重要的材料加工工艺，它已广泛应用于机械制造、建筑、桥梁、交通运输、航空航天、石油化工、电力电子等工业部门。据统计，全世界年产量45%以上的钢和大量非铁合金都是通过焊接而付诸使用的。人们通过对焊接材料、焊接结构、焊接工艺、焊接设备等方面的研究，已将焊接技术发展成为一门独立的学科。随着各种新材料的开发和计算机技术的广泛应用，焊接技术将会迈上一个新的台阶。本章将主要介绍焊接原理、电弧焊、钎焊、电阻焊、焊接质量控制及焊接成形设备。第一节焊接原理一、焊接的本质与特点1．焊接的物理本质焊接是指同种或异种材质的被焊工件，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使两分离工件的材质达到原子间的结合与扩散作用，从而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。由此可知，焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。固体材质在微观上是由各类键结合在一起的，就金属而言，是依靠金属键结合在一起的。怎样才能实现焊接呢？从理论上讲，就是当两个被焊接的固体金属表面接近到原子晶格间距时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常有氧化膜、油污和水分等吸附层。这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下措施：（1）对被焊接的材质施加压力，目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。（2）对被焊材料加热（局部或整体），对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力；加热还会增加原子的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。2每种金属实现焊接所必须的温度与压力之间存在一定的关系，对于纯铁来讲，如图4-1所示。由图可见，金属加热的温度越低，实现焊接所需的压力就越大。当金属的加热温度TT1时，压力必须在AB线的右上方（Ⅰ区）才能实现焊接；当金属的加热温度T在T1~T2之间时，压力应在BC线以上（Ⅱ区）；当TT2=TM（TM是金属的熔化温度）时，则实现焊接所需的压力为零，此即熔焊的情况（Ⅲ区）。图4-1纯铁焊接时所需的温度及压力Ⅰ—高压焊接区Ⅱ—电阻焊区Ⅲ—熔化焊区Ⅳ—不能实现焊接区2．焊接成形的特点（1）焊接是不可拆卸的永久性连接。（2）可实现密封连接，因而可用于制造各类容器。（3）可将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料进行拼焊。焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。（4）可实现不同材料的连接成形，从而充分发挥各种材料的性能优势。（5）焊接结构件比铆接件、铸件和锻件重量轻。如采用焊接方法制造的船舶、车辆、飞机、飞船、火箭等运输工具，可以减轻自重，提高运载能力和行驶性能。因焊接结构是不可拆卸的，更换修理部分零部件不便；并且焊接易产生残余应力，焊缝易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷而引起应力集中，降低承载能力，缩短使用寿命，甚至造成脆断。因此，应特别注意焊接质量，否则易造成恶性事故。二、焊接方法及热源的分类1．焊接方法的分类根据焊接过程的工艺特点，可将焊接分为三大类：熔化焊、压力焊和钎焊。3其中熔化焊包括：电弧焊（手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊）、等离子弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊。压力焊包括：电阻焊、摩擦焊、超声波焊、扩散焊、高频焊、爆炸焊等。钎焊包括：火焰钎焊、炉中钎焊、浸沾钎焊、感应钎焊、电阻钎焊等。不同的焊接方法通常采用不同的焊接热源。2．焊接热源的种类及特性（1）电弧热利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，它是焊接热源中应用最为广泛的一种，如手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊（TIG、MIG）、活性气体保护焊(MAG、CO2焊)等。（2）化学热利用助燃和可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为焊接热源（如气焊和热剂铸焊）。（3）电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源（如电阻焊和电渣焊）。采用这种热源所实现的焊接方法，机械化和自动化的程度较高，但需要有强大的电力。（4）高频感应热利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实质上也是电阻加热的另一种形式。由于这种加热方式热量高度集中，故可实现很高的焊接速度，如高频焊管等。（5）摩擦热由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源（摩擦焊）。（6）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，利用这种能量作为焊接热源（等离子焊接、切割和喷涂）。（7）电子束利用高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源。由于是在真空中焊接，故焊接质量很高。同时因热能高度集中，使焊缝的深宽比可达40以上，所以焊接热影响区很窄。（8）激光束经过聚焦、能量高度集中的激光束作为焊接热源，是将光能转变成热能进行焊接。每种热源都有其本身的特点，在生产上均有不同程度的应用。然而，随着科学技术的进步，原有的焊接热源还在不断完善，如电弧、等离子弧、真空电子束和激光等；同时，还在大力开发新的焊接热源，如微波热、太阳能等。4各种焊接热源的最小加热面积、最大功率密度和正常焊接工艺参数条件下的热源温度等特性，如表4-1所示。表4-1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）温度/K乙炔火焰10-22×1033400～3500金属极电弧10-31046000钨极氩弧10-31.5×1048000埋弧焊10-32×1046400电渣焊10-21042300熔化极气体保护焊10-4104～105等离子弧10-51.5×10518000～24000电子束10-7107～109激光10-8107～109三、焊接温度场所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下，被焊工件上（包括内部）各点在某一瞬时的温度分布。它可以用实测的方法或数值模拟计算的方法来获得。1．焊接传热的基本形式焊接时焊件受集中热源的局部加热，焊件上各点温差很大，因此，必然要发生不同形式和不同程度的热交换。对于焊接过程来说，传导、对流和辐射都存在。至于以哪一种传热方式为主，要根据具体的焊接工艺方法来确定。在电弧焊的条件下，电弧所产生的热能，主要是以辐射和对流的形式传给焊件，母材和焊条在获得热能以后，主要是以热传导的形式在内部进行扩散。焊接传热过程研究的主要对象是焊件上的温度分布及其随时间变化的规律，也就是研究焊接件的温度场及其热循环，因此，主要是以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。2．焊接温度场的一般特征焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化，而且是有规律地变化。焊接温度场各点的温度不随时间而变动时，称为稳定温度场；随时间而变动时，称为非稳定温度场。在绝大多数情况下，焊件上各点的温度是随时间变动的，因此焊接温度场应属非稳定温度场。5恒定热功率的热源固定作用在焊件上时（相当于补焊缺陷的情况），开始一段时间内，温度是非稳定的。但经过一段时间之后便达到了饱和状态，形成了暂时稳定的温度场（即各点的温度不随时间而变），把这种情况称为准稳定温度场。对于正常焊接条件下的移动热源，经过一定时间之后，焊件上同样会形成准稳定温度场，这时焊件上各点温度虽然随时间而变化，但各点以固定的温度跟随热源一起移动，也就是说，这个温度场与热源以同样的速度移动。根据焊件的尺寸和热源的性质，焊接传热可以是三维（空间传热）、二维（平面传热）和一维（线性传热）。对于厚大焊件在表面上堆焊，可以把温度场看成是三维的，这时可把热源看成是一个点（点热源），热的传播是沿三个方向，如图4-2a所示。一次焊透的薄板，温度场可以看成是二维的，可以认为在板厚方向没有温差，把热源看成是沿板厚的一条线（线热源），热的传播为两个方向（X、Y），属于平面传热，如图4-2b。细棒的电阻焊（或摩擦焊）对接、焊条或焊丝的加热，温度场均属一维。如果温度在细棒截面上的分布是均匀的，如同一个均温的小平面进行热的传播（面热源），此时的传热方向只有一个（X），见图4-2c。图4-2焊接温度场的分类a）三维温度场b）二维温度场c）一维温度场3．影响焊接温度场的因素影响焊接温度场的因素很多，其中主要的有以下几个方面：（1）热源的性质焊接热源有许多种，如电弧、气体火焰、摩擦热、电渣焊的熔渣电阻热等等。热源的性质不同，焊接时的温度场也不同。以电弧焊为例，由于自由电弧和压缩电弧的热能集中情况不一样，焊接温度场的形状也不一样。电子束焊接时，能量极其集中，所以它的温度场范围很小，温度梯度很大；而氧乙炔气焊时，热源作用面积较大，因此，温度场的范围也较大，温度梯度也较小。在电弧焊条件下，25mm以上的钢板焊接时，就可以认为是点状热源；而100mm以上大厚度工件电渣焊时，却只能认为是线状热源。6（2）焊接工艺参数同样的焊接热源，由于焊接工艺参数不同，焊接温度场也不同。1）焊接速度υ的影响如图4-3a所示，当热源能量（功率）q=常数时，随着焊接速度υ的增加，某一温度的等温线所包围的范围显著缩小，即其宽度和长度都变小，用等温线表示的温度场的形状变得细长。2）热源能量q的影响如图4-3b所示，当υ=常数时，随着q的增大，某一温度的等温线所包围的范围也随之增大。当焊接线能量E=q/υ为常数时，同时增大q和υ，则此时会使等温线包围的范围被拉长，如图4-3c所示。图4-3焊接工艺参数对温度场的影响（3）被焊金属的热物理性质金属材料的热物理性质不同，也会影响焊接温度场的分布。材料的各种热物理性能参数都是温度的函数。焊接时的温度变化很大，温度分布极不均匀，因此给焊接温度场的精确计算带来了一定的困难。7在焊接温度场的计算中，为使问题简化，材料的热物理性能参数一般可采用在温度变化范围内的平均值。对于焊接工程中常遇到的典型金属材料，其热物理性能参数可参阅表4-2所示。表4-2某些金属材料热物理性能参数的平均值由于各种材料的热物理性能不同，特别是λ、cρ等会使焊接温度场发生很大的变化。以10mm厚焊件上焊接为例，在同样焊接线能量（E=21kJ/cm）条件下，由于金属材料不同，焊接温度场的分布将有很大的差别，如图4-4所示。由图中可以看出，焊接铬镍奥氏体不锈钢时，相同的等温线范围（如600℃）要比低碳钢焊接时为大，这是因为奥氏体不锈钢的热扩散性能比低碳钢差（铬镍奥氏体钢的热物理性能参数单位焊接条件下选取的平均值低碳钢、低合金钢不锈钢铝纯铜λW/（cm·℃）0.378～0.5040.168～0.3362.653.78cJ/（g·℃）0.652～0.7560.42～0.501.01.32cρJ/（cm3·℃）4.83～5.463.36～4.22.633.99a=λ/cρcm2/s0.07～0.100.05～0.071.00.95αJ/（cm·s·℃）（0～1500℃）（0.63～37.8）×10-3———HJ/g（0～1500℃）1331.4———图4-4金属热物理性质对焊接温度场分布的影响（E=21Kj/cm,δ=1cm）8λ=0.252W/cm·℃；低碳钢的λ=0.42W/cm·℃），因此，焊接不锈钢和耐热钢时，所选用的焊接线能量E应比焊接低碳钢时要小。相反，由于铜和铝的热扩散性极好，相同等温线的范围很小，因此焊接铜和铝时应选用比焊接低碳钢更大的线能量。（4）焊件的板厚及形状焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热及后热等）对传热过程有很大的影响，因此也影响温度场的分布。1）板厚焊接结构如图4-5所示，热源作用在Z=0表面的Ο点上，传热方向为X、Y、Z（三维空间传热）。这种情况下相当于点状热源，热的传播为半球体形，一般视为半无限体。根据经验，认为25mm厚度以上的低碳钢焊件（或20mm厚以上的不锈钢焊件），在手工电弧焊的条件下可视为厚大焊件。2）薄板焊接结构传热方向为X、Y（平面传热），热源为线状。手弧焊8mm厚以下的低碳钢或5mm厚以下的不锈钢可视为薄板，温度的分布如图4-6所