焊接研究的基本方向和内容

焊接研究的基本方向和内容简介辽宁石油化工大学机械工程学院蒋应田一、研究方向从焊接系统的组成和任务来看，焊接的研究方向主要有四大方面：即焊接设备、焊接方法与工艺、焊接材料、焊接结构与生产等。焊接设备主要是实现焊接过程的装备。焊接过程是一个实现金属之间或金属与非金属连接的一个工艺过程，根据实现连接的基本思路是需要连接件的组成两个界面达到分子间的联系。要完成这一过程，基本的实现方法是通过加热或加压或者两者并举。为此，焊接方法分为熔化焊接、压力焊接、钎焊接三大焊接方法。相应地需要合适的设备来实现这一过程。二、焊接方法简介2.1电弧焊，以电弧燃烧加热熔化工件的焊接方法，在形成接头时，可以采用填充金属或不填充金属。所用的电极是在焊接过程中熔化的焊丝时，叫做熔化极电弧焊，反之叫不熔化极。包括焊条电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。2.2电阻焊以电阻热为能源的一类焊接方法，包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊。2.3高能束焊包括电子束焊和激光焊。两种焊接方法的特点是焊缝熔深大，熔宽小、焊缝金属纯度高。电子束焊接有高真空、低真空和非真空三种。激光焊不需要再真空室内进行。2.4钎焊钎焊的能源可以是化学反应热，也可以是间接热源，它是利用熔点比较低的金属或合金做钎料。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，润湿被焊金属表面，使液相与固相之间互相扩散而形成钎焊接头。因此，钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。2.5其它焊接方法这些焊接方法属于不同程度的专门化的焊接方法，其使用范围较窄。主要包括以电阻热为能源的电渣焊、高频焊；以化学能为焊接能源的气焊、气压焊、爆炸焊;以机械能为焊接能源的摩擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散焊。2.6焊接方法的选择要求：能保证焊接产品的质量优良可靠，生产效率高；生产费用低，能获得较好的经济效益。考虑因素有：产品特点，包括产品结构类型、工件厚度、接头形式和焊接位置、母材性能等生产条件，包括技术水平、设备、消耗材料等。2.7焊接设备焊接设备主要作用是为焊接过程提供适合的焊接能源，并满足焊接过程的要求，其次是为实现机械化、自动化焊接过程提供的一系列装备。根据焊接方法的不同，提供焊接能源的焊接电源各有所不同，以弧焊电源为例它要求焊接过程中能为电弧提供稳定的大电流、小电压的电弧过程。2.8焊接装备从近几年展会上出现的焊接装备发展趋势看，自动化程度高的埋弧焊、CO2焊接、窄间隙气电立焊、窄间隙埋弧焊、全位置焊机以及焊接机器人、数字控制的全自动焊接设备正在越来越多地占据焊接设备的市场。三、焊接材料及焊接理论焊接过程是一个复杂的钢铁冶炼过程，在焊接过程中进行着物理、化学以及物理化学反应，包括焊接区液态金属在高温条件下与焊气氛、焊接熔渣之间的化学冶金反应过程，以及液态金属冷却后的凝固过程与焊缝固态相变过程。这些过程决定了焊缝金属的化学成分、组织与性能，并且对焊接工艺性能和是否产生焊接缺陷也有着重要影响，是制约焊缝和焊接接头质量的关键。具体的涉及的内容有3.1焊接区金属的保护，防止空气中氮气的进入焊缝；防止焊缝金属的氧化、尽可能使焊缝中存在少得氢。保护的措施：一般采用焊接区惰性气体或二氧化碳保护气体隔离空气，或者采用熔渣进行保护，或者气渣联合进行保护。3.2、焊接区域内的气体和熔渣参与液态金属冶金反应。焊接区内的气体主要有：一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸气、氮气等，他们来自焊接材料、保护气体，少量的空气以及焊材表面和母材坡口附着的吸附水、油、锈和氧化铁皮等。3.3、焊接冶金处理通过熔渣与液态金属间的物理化学反应对其进行冶金处理，去除有害杂质如脱氮、去氢、脱硫和脱磷等。3.4、焊缝金属的合金化，将所需合金元素由焊接材料通过焊接冶金过程过渡到焊缝金属中。渗合金的目的首先是补偿焊接过程中由于蒸发、氧化造成的损失达到所需的焊缝金属成分、组织和性能；其次是为消除焊接缺陷；第三为获得具有特殊成分和性能的堆焊金属和获得良好的一种金属焊缝等3.5焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池凝固过程与铸造凝固有很大的差别，具有三个特点：熔池体积小，凝固速度快；熔池金属的温度梯度远高于铸造。熔池是在运动中结晶，结晶前沿随热源同步移动，熔池中的液态金属在各种力的作用下存在激烈的搅拌和对流运动。因此结晶有三个特点①外延结晶，熔池凝固是从熔池边缘开始的，焊缝金属呈柱状晶形式由半熔化的母材晶粒相熔池生长而成，且与母材晶粒有相同取向。②择优成长，前提是最优结晶取向和温度梯度最大方向。③熔池金属结晶线速度是变化的越到焊缝中心，结晶速度越快。焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均线速度也有影响。速度越快，容易形成“定向晶”，在这种情况下，低熔点杂质易偏析于焊缝中心部位而形成最弱的接合面甚至纵向裂纹。3.6焊缝金属的二次结晶焊接熔池凝固以后，随着连续冷却过程的进行，大多数焊缝金属将发生固态相变。其相变产生的显微组织决定于焊缝金属的化学成分和冷却条件。主要是铁素体加上少量珠光体，铁素体首先沿原奥氏体边界析出，其晶粒十分粗大。随着冷却速度的增大，焊缝中珠光体含量增多，组织越细，焊缝硬度越高。低碳钢焊缝金属的组织常见的显微组织如下：铁素体（先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体、细晶铁素体）、珠光体（层状珠光体、粒状珠光体（又称托氏体）及细珠光体（又称索氏体））、贝氏体（上贝氏体、下贝氏体）、马氏体（板条马氏体、片状马氏体）低合金钢焊缝改善焊缝金属显微组织的途径1、优化合金成分，对于低碳、低合金钢焊缝金属，最有害的杂质元素是：S、P、N、O和H，必须加以限制，强度级别越高的焊缝，对这些杂质的限制应越严。通过合金元素来提高焊缝韧性的主要原则：A.促使高熔点第二相质点的析出，通过钉扎作用阻止奥氏体晶粒长大。B.降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成C.在奥氏体内形成铁素体成核核心，促使奥氏体在500~550℃温度区间内分解得到针状铁素体，防止在奥氏体边界形成侧板条铁素体，也要防止M-A组元（富碳（孪晶）奥氏体和残余奥氏体）的形成。D.防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成。2焊接工艺的影响：控制焊接热输入。热输入影响焊接熔合比、熔池过热程度、冷却速度等从而影响柱状晶的尺寸以及焊缝金属的二次组织转变。采用多层焊接，采用小截面焊道的多道、多层焊会显著改善焊缝金属的韧性。焊后热处理，焊后热处可以消除残余应力、改善焊缝和整个焊接接头的组织，增加其韧性。3.7、焊接热影响区及其性能变化焊接热影响区主要是由于焊接过程的加热特点所造成的，两个特点是：升温速度快，冷却速度快；热场分布极不均匀，近靠焊缝的高温区内接近于熔点，远离焊缝的低温区接近于室温。而且峰值温度越高的部位，加热速度越快，冷却速度越大。因此说，焊接热影响的母材经受了一次特殊的热处理，形成了一个组织和性能极不均匀的区域；使一些部位的组织和性能变得很差，成为接头的最薄弱环节，对焊接质量起着控制作用。被焊金属与合金系统的特点焊前母材的原始状态焊接工艺方法和工艺参数。影响焊接热影响区组织和性能的因素：母材金属的固态相变特点固态无相变材料的焊接热影响区组织和性能变化特点，这类材料的焊接要注意热影响的过热问题。因为，在冷却过程中没有相变存在，只会引起晶粒粗大问题，因此要避免在同一部位进行重复焊接。对于这类金属还有一个问题就是再结晶区，这和母材焊前的原始状态以及金属的晶格类型有关。固态有相变材料的热影响区组织和性能变化的特点有同素异构转变的纯金属和单相合金，这类金属典型热影响区可分为过热区（I）、重结晶区（II）和再结晶区（III）部分。有同素异构转变的多相合金情况，这类合金焊接热影响区的变化比较复杂，在固态下除了同素异构转变外，还有成分变化和第二相析出，即共析转变和Fe3C的析出。从铁碳合金相图可知，其类似于同素异构转变得单相合金情况，因此，热影响区可以划分为：过热区、重结晶区、不完全重结晶区和再结晶区等四个区域。亚共析钢的转变钢材的焊接热影响区组织变化与钢材的淬火倾向的关系这主要取决于他的化学成分，随着含碳量和合金含量的增加，它的淬火倾向也增大。为此，一般分为不易淬火和易淬火两种基本类型进行讨论不易淬火钢热影响区组织为：过热区（又称粗晶区）温度为1100~1490℃，对于低碳钢容易为魏氏组织。重结晶区（又称正火区或细晶区）温度为900~1100℃，组织为均匀细小的铁素体和珠光体。不完全重结晶区（部分相变区），加热温度在AC1~AC3之间（低碳钢750~900℃），组织为未经重结晶的粗大铁素体之间分布有经重结晶后的细小铁素体和粒状珠光体的群体。再结晶区，这个区域晶粒只发生了外形的变化，并没有内部晶体机构的变化。易淬火钢热影响区组织为：淬火区（包括过热淬火区和重结晶淬火区，组织为粗大的马氏体和细小的马氏体）不完全淬火区（高碳马氏体-铁素体混合组织）回火区（与母材组织的原始状态有关），对于调质钢，当回火温度高于调质热处理的回火温度时，将引起材料强度的下降。8、焊接缺欠焊接接头中的不连续性、不均匀性以及其他不健全性等的欠缺，统称为焊接缺欠。焊接缺欠的存在是焊接接头的质量下降，性能变差。不同焊接产品对焊接缺欠有不同的容限标准。焊接缺欠的分类：按国标GB/T6417-2005将焊接缺欠分为：裂纹裂纹是焊接接头中最为严重的缺欠，其危害性极大，是多次焊接结构和容器突然破坏造成灾难事故的原因之一，因此也是防止的重点。焊接裂纹分为：焊接裂纹按产生的本质分为五大类，五大类裂纹的形成时期，分布部位及特征如下：2)气孔气孔是焊接生产中经常遇到的一种缺欠，在碳钢、高合金钢和有色金属的焊缝中，都有出现气孔的可能。焊缝中的气孔不仅削弱焊缝的有效工作截面积，同时也会带来应力集中，从而降低焊缝金属的强度和韧性，对于动载强度和疲劳强度更为不利。个别情况下，还会发展为裂纹。气孔的分类：气孔通常根据其产生的气体有：氢气孔、氮气孔，这两种气孔是因为气体在液、固态金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出所形成的气孔。氢气孔多出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上呈喇叭口形，气孔的四周有光滑的内壁。如图所示，这是由于气孔是在液态金属和枝晶界面上浓聚析出，随枝晶生长而逐渐形成气孔的。但有时，也会出现在焊缝的内部。如焊条受潮，使焊缝中的含氢量过高，或在焊接铝镁合金时，由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低，析出气体，在凝固时来不及上浮而残留在焊缝内部。气孔的产生过程是由三个阶段：气泡的生核、长大、逸出。对于焊缝金属中是否有气泡的生成，取决于气泡逸出的速度与熔池的结晶速度。对于已经成核长大的气泡，当熔池结晶速度较小时，气泡可以有充分的时间脱离现成表面，浮出液态金属表面，逸出熔池，就可以得到无气孔的焊缝。如果结晶速度较大时，气泡就有可能来不及逸出而形成气孔。影响因素：1冶金因素的影响，主要是熔渣的氧化性和药皮（焊剂）成分以及铁锈及水分三个方面。2工艺因素，也是三个方面即：焊接工艺参数、电流种类和极性、工艺操作方面。防治措施：1消除气体来源，主要指工件表面处理、焊接材料的防潮和烘干、加强保护。2正确选用焊接材料，这里指焊条和焊剂以及保护气体的正确选择。3控制焊接工艺条件，创造熔池中气体逸出的有利条件和限制电弧外围气体向熔池金属中的溶入。3）夹杂和偏析焊接冶金过程中产生的氧化物、硫化物与氮化物等在熔池快速凝固条件下残留在焊缝金属中形成夹杂物。夹杂物的存在不仅降低焊缝金属的塑性，增大低温脆性，降低韧性和疲劳强度，还会增加热裂纹倾向。因此，在焊接生产中必须限制夹杂物的数量、大小和形状。常见夹杂物有以下三种（1）氧化物夹杂，主要成分是SiO2、MnO、TiO2、CaO和AI2O3等，一般多以复合硅酸盐形式存在，主要降低焊缝韧性。防止措施：正确选择焊条、药芯焊丝、焊剂的渣系，以便在焊接过程中脱氧、脱硫，其次是选用较大的焊接热输入，仔细清理层间焊渣，摆动焊