焊接接頭的組織和性能一、焊接結(jié)構(gòu)及其分類焊接結(jié)構(gòu)是指用各種焊接方法連接而成的金屬結(jié)構(gòu)，焊接結(jié)構(gòu)的種類有梁、柱、桁架、容器和薄板結(jié)構(gòu)等。焊接結(jié)構(gòu)的種類二、焊接接頭形式和焊縫形式1.焊接接頭形式焊接結(jié)構(gòu)均是由若干個焊接接頭組成，所謂焊接接頭即是用焊接方法連接的接頭。由于焊件的結(jié)構(gòu)形狀、厚度及技術(shù)要求不同，往往需要把焊件裝配成不同形式的焊接接頭，以及將焊件邊緣加工成各種形式的坡口。焊接接頭的基本形式可分為4種。焊接接頭的形式a)對接接頭b)Ｔ形接頭c)角接接頭d)搭接接頭常用的坡口形式有I形坡口、V形坡口、X形坡口和U形坡口等。對接接頭a)I形坡口b)V形坡口c)X形坡口c)U形坡口(1)對接接頭2個焊件端面相對平行的接頭稱為對接接頭。1

)鋼板厚度在6mm以下的焊件，一般不開坡口。2

)一般鋼板厚度為6mm及以上時，可分別采用V形坡口、X形坡口和U形坡口。在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，不同厚度對接的鋼板，如果板厚差較大，應單面或雙面削薄再進行裝配焊接。削薄板厚a)單面削薄b)雙面削薄(2)T形接頭一個焊件的端面與另一個焊件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭，稱為Ｔ形接頭。Ｔ形接頭的坡口形式a)I形坡口b)單邊V形坡口c)帶鈍邊雙單邊V形坡口d)帶鈍邊雙J形坡口(3)角接接頭兩焊件端面間構(gòu)成大于30°、小于135°夾角的接頭，稱為角接接頭。角接接頭承載能力較差，一般用于不重要的結(jié)構(gòu)中。角接接頭a)I形坡口b)單邊V形坡口c)帶鈍邊V形坡口d)帶鈍邊雙單邊V形坡口(4)搭接接頭2個焊件部分重疊構(gòu)成的接頭稱為搭接接頭。搭接接頭形式a)不開坡口b)圓孔塞焊縫c)長孔槽焊縫(5)坡口的選擇原則上述各種接頭形式在選擇坡口形式時，應盡量減少焊縫金屬的填充量，便于裝配和保證焊接接頭的質(zhì)量，因此應考慮下列幾條原則：1)保證焊件焊透；2)坡口的形狀容易加工；3)盡可能節(jié)省焊接材料，提高生產(chǎn)率；4)焊接后焊件變形盡可能小。2.焊縫形式焊縫是構(gòu)成焊接接頭的主體部分，焊縫分類方法有以下幾種：(1)按焊縫在空間位置分類，焊縫有4種形式：平焊縫、立焊縫、橫焊縫及仰焊縫。(2)按焊縫的結(jié)構(gòu)形式分類，有對接焊縫、角焊縫及塞焊縫3種形式。(3)按焊縫斷續(xù)情況分類，有定位焊縫、連續(xù)焊縫及斷續(xù)焊縫3種形式。三、焊接接頭的組成、組織和性能1.焊接接頭的組成焊接接頭包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)。(1)焊縫焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分。(2)熱影響區(qū)它是焊接或熱切割過程中，母材因受熱的影響(但未熔化)而發(fā)生組織和力學性能變化的區(qū)域。(3)熔合區(qū)它是焊縫與母材(焊接熱影響區(qū))交接的過渡區(qū)，即熔合線處微觀顯示的母材半熔化區(qū)。所謂半熔化區(qū)是焊縫邊界的固液兩相交錯共存而又凝固的區(qū)域。焊接接頭的組成2.焊縫的組織和性能焊縫金屬從高溫的液態(tài)冷卻至常溫的固態(tài)，中間經(jīng)過2次結(jié)晶過程，第一次是從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟慕Y(jié)晶過程，第二次是在固相中出現(xiàn)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程。(1)焊縫金屬的一次結(jié)晶1)一次結(jié)晶的過程焊接熔池的結(jié)晶過程a)開始結(jié)晶b)晶體長大c)柱狀晶體d)結(jié)晶結(jié)束2)焊縫一次結(jié)晶的組織特征焊接熔池一次結(jié)晶時，通常是從熔合線上還未熔化的晶粒開始結(jié)晶，沿著與散熱相反的方向長大，形成柱狀晶。柱狀晶粒生長的過程3)焊縫中的偏析與夾雜由于熔池金屬冷卻速度很快，因此焊縫金屬的化學成分是不均勻的，這種現(xiàn)象稱為偏析。由于化學成分的偏析，因此凝固溫度高的金屬先結(jié)晶，凝固溫度低的組分后結(jié)晶。在后結(jié)晶處存在低熔點共晶等雜質(zhì)，這是產(chǎn)生熱裂紋、夾雜、氣孔的主要原因之一。焊縫中夾雜物主要有硫化物和氧化物2種。(2)焊縫金屬的二次結(jié)晶一次結(jié)晶結(jié)束后，熔池金屬就轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的焊縫。高溫的焊縫金屬冷卻到室溫時，要經(jīng)過一系列的相變過程，這種相變過程就稱為焊縫金屬的二次結(jié)晶。3.熱影響區(qū)的組織和性能熱影響區(qū)就是指在焊接過程中，母材因受熱的影響(但未熔化)而發(fā)生金相組織和力學性能變化的區(qū)域。焊接熱影響區(qū)的組織和性能，基本上反映了焊接接頭的性能和質(zhì)量。焊接熱影響區(qū)的組織分布特征１—熔合區(qū)２—過熱區(qū)３—正火區(qū)４—不完全重結(jié)晶區(qū)５—母材由于熱影響區(qū)寬度的大小取決于焊件的最高溫度分布情況，因此焊接方法對熱影響區(qū)寬度的影響很大。不同焊接方法的熱影響區(qū)寬度見表。4.熔合區(qū)的組織和性能熔合區(qū)的溫度處于液相線和固相線之間，熔合區(qū)很狹窄，此區(qū)金屬處于部分熔化狀態(tài)(半熔化區(qū))，晶粒非常粗大，冷卻后組織為粗大的過熱組織。當焊縫化學成分與母材化學成分差別很大或異種鋼焊接時，在熔合區(qū)附近還會發(fā)生碳和合金元素的相互擴散，成分和組織極不均勻，還可能產(chǎn)生新的不利的組織帶。因此，熔合區(qū)的塑性和韌性很差，是焊接接頭中性能最差的區(qū)域。四、焊縫金屬中的氣體及其影響在焊接過程中，熔池周圍充滿著各種氣體，它們不斷地與熔池金屬發(fā)生作用，影響焊縫金屬的成分和性能。其主要成分為CO、CO2、H2、O2、N2、H2O(水蒸氣)，以及少量的金屬與熔渣的蒸氣，氣體中以O(shè)2、N2、H2對焊縫的質(zhì)量影響最大。1.氧對焊縫金屬的作用焊縫金屬中含氧量的增加，會使其強度、屈服點、塑性和沖擊韌性降低，還會增加焊縫金屬的熱脆、冷脆傾向，以及降低抗腐性能，減少焊縫含氧量有效的措施包括：(1)冶金處理從焊條藥皮或焊絲中加入鐵合金(錳、硅、鈦等)對焊縫金屬進行脫氧，這是行之有效的措施之一。(2)加強保護如選用合適的氣體流量、短弧焊等，防止空氣進入。焊前，清理坡口及兩側(cè)的銹和水，烘干焊條、焊劑。2

.氫對焊縫金屬的影響氫主要來源于焊條藥皮和焊劑中的水分、焊條藥皮中的有機物、焊件和焊絲表面上的污物(鐵銹、油污等)，以及空氣中的水分等。(1)氫對焊縫的危害1)氫致裂紋2)氣孔3)白點(2)預防措施焊接時應嚴格控制焊縫中的含氫量。首先，限制氫及水分的來源；其次，應該盡量防止氫溶入金屬中，如果氫含量過高，可進行脫氫處理(后熱處理)，即在焊后立即將焊件加熱到250~350℃溫度范圍，保溫2~6h后空冷。3.氮對焊縫金屬的影響焊接區(qū)中的氮主要來自空氣。它在高溫時溶入熔池中，并能最終留存在焊縫金屬中，隨著溫度下降溶解度降低，析出的氮與鐵形成化合物，以針狀夾雜物形式存在于焊縫金屬中。氮的含量較高會使焊縫金屬強度提高，塑性和韌性降低。氮是焊縫中產(chǎn)生氣孔的主要元素之一。為了消除氮的有害作用，應加強對焊接區(qū)的保護，隔離空氣與液態(tài)金屬的接觸。此外，采用短弧焊也能控制焊縫中的含氮量。五、焊縫中有害元素的影響硫和磷：硫以FeS和MnS夾雜物形式存在于焊縫金屬中，會導致高溫脆性(稱熱脆)，產(chǎn)生熱裂紋。磷會導致低溫脆性(稱冷脆)，產(chǎn)生冷裂紋。磷在奧氏體不銹鋼中也會產(chǎn)生低熔點雜質(zhì)，引起熱裂紋。焊縫中硫、磷的主要來源是焊條藥皮和焊劑，此外還有母材中的硫和磷。為了減少硫、磷的來源，應限制藥皮、焊劑和母材中硫、磷的質(zhì)量分數(shù)，這是降低焊縫硫、磷質(zhì)量分數(shù)的關(guān)鍵措施。另外，還可以進行冶金處理，即脫硫、脫磷。六、焊縫金屬的滲合金為了使焊縫金屬的成分、性能和組織符合預定的要求，就必須根據(jù)合金元素損失的情況向熔池中添加一些合金元素。這種方法稱為焊縫金屬的滲合金。1.滲合金的作用滲合金不但可以獲得成分、組織和性能與母材相同或相近的焊縫金屬，還可以向焊縫金屬中滲入母材不含或少含的合金元素，形成化學成分、組織和性能與母材完全不同的焊縫金屬，以滿足焊件對焊縫金屬的特殊要求。2.滲合金的方法有2種：一種是通過焊芯(合金鋼焊芯)過渡；另一種是通過焊條藥皮(即將合金成分加在藥皮里)過渡。七、焊接熱循環(huán)對焊接接頭的影響焊接過程中熱源沿焊件移動，在焊接熱源作用下，焊件上某點的溫度隨時間變化的過程稱為該點的焊接熱循環(huán)。焊接熱循環(huán)曲線影響焊接熱循環(huán)的主要因素有焊接工藝參數(shù)、預熱溫度和層間溫度、焊接方法、焊件厚度、接頭形式和母材導熱性能等。1.焊接工藝參數(shù)和熱輸入焊接時為保證焊接質(zhì)量而選定的各項參數(shù)(如焊接電流、電弧電壓、焊接速度)，稱為焊接工藝參數(shù)。2.預熱溫度和層間溫度預熱不會使晶粒粗化加劇，卻可以避免淬硬，是防止裂紋產(chǎn)生的比較有效的工藝措施。3.焊接方法當焊接方法不同時，焊接的加熱速度、高溫停留時間和焊后冷卻速度都會有所不同。4.其他因素焊件厚度增大時，冷卻速度增快，高溫停留時間減小，采用T形接頭焊接比采用對接接頭時冷卻速度快得多，導熱快的焊件材料焊接時，接頭冷卻速度快，高溫停留時間短。八、控制和改善焊接接頭性能的方法1.材料匹配焊縫的性能主要取決于焊接材料。(1)焊接材料的選用原則根據(jù)母材的化學成分和性能及結(jié)構(gòu)要求等，按照等性能原則和設(shè)計要求進行選配。(2)焊接材料的實際選用考慮到鑄態(tài)焊縫的特點和焊接應力的作用，焊縫的晶粒粗大，組織疏松，成分偏析，并可能有裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。因此，常通過調(diào)節(jié)焊縫金屬的化學成分，以改善焊縫和熔合區(qū)的性能，這就使焊縫金屬的化學成分與母材有所不同。1)焊接耐熱鋼和不銹鋼時，為保證焊縫具有與母材相近的高溫性能和耐腐蝕性能，其焊接材料的化學成分應與母材大致相同。2)焊接低碳鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、低溫鋼時，一般不要求焊縫金屬化學成分與母材一樣，而是要求力學性能與母材相同，按照等性能原則選配焊接材料，對焊縫的塑性、韌性要求高的，應選用堿性焊條和焊劑。2.選擇合適的焊接工藝方法(1)氣焊(2)焊條電弧焊(3)埋弧自動焊(4)手工鎢極氬弧焊3.控制熔合比熔焊時，被熔化的母材在焊縫金屬中所占的百分比，稱為熔合比。(1)當焊接材料與母材的化學成分基本相同時，熔合比對焊縫和熔合區(qū)的性能無明顯影響。(2)當母材中合金元素較少，而焊接材料中合金元素較多時，在這些合金元素對改善焊縫性能有利的情況下，應將熔合比控制得略小些，此時，如果熔合比增加會導致焊縫性能下降。(3)當母材中合金元素較多，而焊接材料中合金元素較少時，在這些合金元素對改善焊縫性能有利的情況下，應增大熔比。(4)當母材中碳、硫、磷的含量較多時，應減小熔合比，以減少碳、硫、磷進入焊縫，提高焊縫的塑性和韌性，防止產(chǎn)生裂紋。(5)焊接奧氏體不銹鋼與珠光體鋼時，采用含鉻、鎳較多的奧氏體不銹鋼焊條，應減小熔合比，使焊縫的組織為奧氏體加少量鐵素體，避免出現(xiàn)馬氏體組織。4.選擇合適的焊接工藝參數(shù)(1)焊接工藝參數(shù)對焊縫性能的影響及控制1)焊接時采用小焊接電流、較高電弧電壓，獲得的焊縫寬而淺。焊接時采用大焊接電流、低電弧電壓，獲得的焊縫窄而深。2)熱輸入的大小影響焊縫組織的粗細。一次結(jié)晶示意圖a)寬而淺的焊縫b)窄而深的焊縫(2)焊接工藝參數(shù)對熱影響區(qū)的過熱區(qū)(粗晶區(qū))性能的影響及控制1)焊接熱輸入越大，高溫停留時間越長，過熱區(qū)(粗晶區(qū))越寬，過熱現(xiàn)象越嚴重，晶粒也越粗大，因而塑性和韌性下降也越嚴重，甚至會造成冷脆。2)焊接熱輸入變小，則焊后冷卻速度變快，對于不易淬火鋼，過熱區(qū)鐵素體減少而珠光體變細；對于易淬火鋼，更容易產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，導致塑性和韌性嚴重下降。在焊接應力和擴散氫作用下，還很容易產(chǎn)生冷裂紋。5.采用合理的操作方法(1)采用單道焊、大電流慢速擺動焊法(2)采用多層多道焊、小電流快速不擺動焊法6.焊后熱處理焊接后，為改善焊接接頭的組織和性能或消除殘余應力而進行的熱處理稱為焊后熱處理。九、焊接缺陷1.焊接缺陷的分類按其在焊接接頭中的位置不同，焊接缺陷可分為內(nèi)部缺陷和外部缺陷。2.常見的焊接缺陷(1)焊縫表面尺寸不符合要求焊縫尺寸不符合要求(2)咬邊由于焊接工藝參數(shù)選擇不正確和操作不當，在沿焊趾的母材部位燒熔形成的溝槽或凹陷稱為咬邊。(3)焊瘤在焊接過程中，熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上所形成的金屬瘤稱為焊瘤。焊瘤a)平焊位b)仰焊位c)立焊位(4)未焊透焊接時，焊接接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象稱為未焊透。(5)未熔合熔焊時，焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全熔化結(jié)合，稱為未熔合。未焊透未熔合(6)燒穿焊接過程中，熔化金屬從