第五章固态材料的连接过程1.
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1、5.1 5.1 焊接成形过程焊接成形过程 5.1.1 5.1.1 焊接成形过程特性和理论基础焊接成形过程特性和理论基础 1 1、金属的连接方法、金属的连接方法 2 2、焊接的定义、焊接的定义 焊接是将分离的金属（同种材料或异种材料）用局焊接是将分离的金属（同种材料或异种材料）用局部加热、加压，或两者并用，使它们产生原子（分部加热、加压，或两者并用，使它们产生原子（分子）间的结合，形成永久性连接的过程。子）间的结合，形成永久性连接的过程。 3 3、焊接的分类、焊接的分类 （1 1）熔化焊（液相）熔化焊（液相） （2 2） 压力焊（固相）压力焊（固相） （3 3） 钎焊（固相兼液相）钎焊（固相兼液
2、相） 4 4、焊接的特点、焊接的特点 结构重量轻、省工省料、密封性好等特点。结构重量轻、省工省料、密封性好等特点。 5.5.焊接冶金过程焊接冶金过程(1)(1)、焊缝金属氧化：、焊缝金属氧化：在焊接冶金反在焊接冶金反应中，金属与氧的作用对焊接影响应中，金属与氧的作用对焊接影响最大。焊接时，由于电弧高温作用，最大。焊接时，由于电弧高温作用，氧气分解为氧原子，氧原子要和多氧气分解为氧原子，氧原子要和多种金属发生氧化反应，如：种金属发生氧化反应，如： Fe OFeO Mn OMnO Si 2OSiO2 2Al 3OAl2O3在焊接过程中，我们将一定量的脱在焊接过程中，我们将一定量的脱氧剂，如氧剂，如
3、 TiTi、SiSi、MnMn等加在焊丝等加在焊丝或药皮中，或药皮中， 进行脱氧使其生成的进行脱氧使其生成的氧化物不溶于金属液而成渣浮出，氧化物不溶于金属液而成渣浮出，提高焊缝质量。提高焊缝质量。(2)(2)、氢的影响：、氢的影响：在焊接冶金反应过程中，氢易在焊在焊接冶金反应过程中，氢易在焊缝中造成气孔。另外、固态焊缝中缝中造成气孔。另外、固态焊缝中多余的氢也会在焊缝中的微缺陷处多余的氢也会在焊缝中的微缺陷处集中形成氢分子，这种氢的聚集往集中形成氢分子，这种氢的聚集往往在微小空往在微小空 间内形成局部的极大间内形成局部的极大压力，使焊缝变脆（氢脆）。压力，使焊缝变脆（氢脆）。(3)(3)、氮的
4、影响：、氮的影响：氮在液态金属中也会形成脆性氮化氮在液态金属中也会形成脆性氮化物，其中一部分以片状夹杂物的形物，其中一部分以片状夹杂物的形式残留于焊缝中，另一部分则使钢式残留于焊缝中，另一部分则使钢的固溶体中含氮量大大增加，使焊的固溶体中含氮量大大增加，使焊缝严重脆化。缝严重脆化。(4)(4)、焊缝的冶金特点：、焊缝的冶金特点：焊缝的形成，实质是一次金属再熔焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼的过程，它与炼钢和铸造冶金过炼的过程，它与炼钢和铸造冶金过程比较，有以下特点：程比较，有以下特点： 1 1）金属熔池体积很小，熔池处于）金属熔池体积很小，熔池处于液态的时间很短（液态的时间很短（10s10s左
5、右），各左右），各种冶金反应进行得不充分（例如冶种冶金反应进行得不充分（例如冶金反应产生的气体来不及析出）。金反应产生的气体来不及析出）。2 2）熔池温度高，使金属元素产生）熔池温度高，使金属元素产生强烈的烧损和蒸发。同时，熔池周强烈的烧损和蒸发。同时，熔池周围又被冷的金属包围，使焊缝处产围又被冷的金属包围，使焊缝处产生应力和变形，严重时甚至会开裂生应力和变形，严重时甚至会开裂。 ( (5)5)、保证焊缝质量采取的工艺措施、保证焊缝质量采取的工艺措施 1 1）减少有害元素进入熔池。其主要措）减少有害元素进入熔池。其主要措施是机械保护，如气体保护焊中的保施是机械保护，如气体保护焊中的保护气体、埋
6、弧焊焊剂所形成的熔渣及护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及焊条药皮产生的气体和熔渣等，使电焊条药皮产生的气体和熔渣等，使电弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进入。此外，还应清理坡口及止空气进入。此外，还应清理坡口及两侧的锈、水、油污；烘干焊条，去两侧的锈、水、油污；烘干焊条，去除水分等。除水分等。 2 2）清除已进人熔池中的有害元素，）清除已进人熔池中的有害元素，增添合金元素。主要通过焊接材料增添合金元素。主要通过焊接材料中的铁合金等，进行脱氧、脱硫、中的铁合金等，进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金，从而保护和脱磷、去氢和渗合金，从而保护和调整焊缝的化学成分。调
7、整焊缝的化学成分。6.6.焊接接头可分为焊接接头可分为焊缝、熔合区、热影响区等三个区焊缝、熔合区、热影响区等三个区域域 (1).(1).焊缝区：焊缝区： 是由熔池内的液态金属凝固而成是由熔池内的液态金属凝固而成的。它属于铸造组织，晶粒呈垂直于的。它属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶。硫、磷等低熔点熔池底壁的柱状晶。硫、磷等低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹。由于按缝塑性降低，易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条，通过渗合金实等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的强度一般现合金强化，因此，焊缝的强度一般不低于
8、母材。不低于母材。 (2).(2).熔合区：熔合区：是焊缝与热影响区的过渡区，是焊缝与热影响区的过渡区，组织不均匀、晶粒粗大、强度组织不均匀、晶粒粗大、强度下降。下降。由熔池和母材共同形成的区域由熔池和母材共同形成的区域。 (3).(3).热影响区：热影响区： 材料因受热的影响而发生金材料因受热的影响而发生金相组织和力学性能变化的区域，称相组织和力学性能变化的区域，称为热影响区。它包括：为热影响区。它包括： 1)1)过热区：过热区：生成过热组织、晶生成过热组织、晶粒粗大，使材料的塑性、韧性下降。粒粗大，使材料的塑性、韧性下降。 2)2)正火区：正火区：金属组织发生重结金属组织发生重结晶，组织细
9、化，金属的力学性能良晶，组织细化，金属的力学性能良好。好。3)3) 部分相变区：部分相变区：部分组织发生部分组织发生相变，产生晶粒大小不一，力学性相变，产生晶粒大小不一，力学性能不均匀。能不均匀。 热影响区的大小和组织性能变热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊化的程度取决于焊接方法、焊接规范和接头形式等因素。在接规范和接头形式等因素。在 热源热量集中、焊接速度快时，热源热量集中、焊接速度快时，热影响区就小。所以电子束焊热影响区就小。所以电子束焊的热影响区最小总宽度一般小的热影响区最小总宽度一般小于于1mm1mm。气焊的热影响区总宽度。气焊的热影响区总宽度一般达到一般达到27mm
10、27mm。 7.7.焊接应力与变形焊接应力与变形焊接时，焊缝区被加热到很高的温焊接时，焊缝区被加热到很高的温度，离焊缝越远，温度越低。根据度，离焊缝越远，温度越低。根据金属热胀冷缩的规律，如果各部分金属热胀冷缩的规律，如果各部分的金属能自由膨胀而不受周围金属的金属能自由膨胀而不受周围金属的阻碍，则焊缝区将产生最大的纵的阻碍，则焊缝区将产生最大的纵向伸长量，但平板是一个整体，不向伸长量，但平板是一个整体，不可能自由膨胀，平板端面只能均衡可能自由膨胀，平板端面只能均衡地伸长地伸长L L。 于是焊缝区的高温金属就会被压于是焊缝区的高温金属就会被压缩而产生一定量的压缩塑性变形，缩而产生一定量的压缩塑性
11、变形，同时存在一部分压缩弹性变形，即同时存在一部分压缩弹性变形，即存在部分压应力。远离焊缝区的两存在部分压应力。远离焊缝区的两侧金属则受到拉应力，而使构件应侧金属则受到拉应力，而使构件应力处于平衡。力处于平衡。冷却时，由于焊缝附近金属在焊接冷却时，由于焊缝附近金属在焊接过程中已发生了不可恢复的压缩塑过程中已发生了不可恢复的压缩塑性变形，它同样受到两侧金属的约性变形，它同样受到两侧金属的约束。为保持整体的一致性，而均衡束。为保持整体的一致性，而均衡地收缩了地收缩了LL，且焊缝区要产生一，且焊缝区要产生一定量的弹性拉伸，两侧金属产生一定量的弹性拉伸，两侧金属产生一定量的弹性压缩。定量的弹性压缩。于
