焊接成形工艺基础

3.1.2　焊接成形工艺基础

熔焊是最重要的焊接工艺方法，其中以电弧为加热热源的电弧焊是熔焊中最基本、应用最广泛的金属焊接方法。本章以电弧焊（arc welding）为核心，介绍焊接加工的一些基本概念和基本过程。

3.1.2.1　焊接电弧

焊接电弧（electric arc）是在具有一定电压的电极与焊件之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。电弧把电能转换成焊接所需的热能。

1.电弧的产生与持续

引燃焊接电弧时，由焊接电源提供一定的两极电压（见图3-1），两极轻触，产生较大的短路电流，使接触点温度急剧升高，同时产生电子逸出和气体电离，阴极产生热电子发射。当两极分开时，在电场力作用下，自由电子高速飞出，撞击空隙气体的原子和分子，使其部分电离。带电质点同时在电场力的作用下做定向运动，即自由电子和阴离子向阳极运动，阳离子向阴极运动。上述运动过程不断出现碰撞和复合，产生大量的光和热，构成焊接电弧的能量转换。

图3-1　电弧的组成

1—焊条　2—阴极区　3—电弧　4—阳极区　5—焊件

若要使电弧稳定燃烧，必须提供并维持一定的电弧电压，同时要保证电弧空间的介质有足够的电离程度，并将电弧长度控制在一定范围内。具备上述条件的电弧可不间断地持续燃烧。

2.电弧构造与电源

焊接电弧由阳极区（anode）、阴极区（cathode）和弧柱（arc column）组成（见图3-1）。阳极区和阴极区在电弧长度方向上的尺寸均很小（10-3～10^-4mm），故电弧长度可视为弧柱长度。阴极区发射电子，产生的热量约占总热量的36%，阳极区因阳极表面受到高速电子撞击，产生的热量稍高于阴极区，约占总热量的43%，弧柱产生的热量约占总热量的21%。各区的温度也有所不同，如用钢焊条焊接钢材时，阴极区平均温度为2 400K，阳极区平均温度为2 600K，弧柱中心区温度最高，为6 000～8 000K。

由于阳极区和阴极区温度不同，故在使用直流电源时，正接和反接的效果不同。正接（工件接正极，焊条接负极）时，电弧热量相对集中于工件，可加大熔深。反接（工件接负极，焊条接正极）时则正好相反。当采用交流电源时，电流每秒钟正负变化达100次，所以两极加热条件一样，温度都在2　500K左右。

为了适应电弧特性和满足电弧焊工艺要求，需要专门设计的电源，这就是电弧焊电源，即电弧焊机（arc welder），它应满足焊接过程的下列要求：

1）适当的空载电压以保证引弧。一般，交流电焊机空载电压为60～80V，直流电焊机为50～70V。

2）提供电弧工作电压，保证电弧稳定燃烧。电弧工作电压与电弧长度有关，一般情况下电弧工作电压在16～35V范围内。

3）在焊接过程中，当电弧长度变化时，焊接电流能相应地变化，有自调节作用。

4）焊接过程出现短路时，输出电压降为零，能提供并控制短路电流。

5）能适应不同厚度的不同材料的焊接要求，电参数可在一定范围内调节。

3.1.2.2　焊接冶金过程及特点

1.熔焊冶金过程

图3-2为熔焊焊缝形成过程示意图。在电弧高温作用下，焊条和工件同时产生局部熔化，形成熔池。熔化的填充金属呈球滴状过渡到熔池。电弧在沿焊接方向移动中，熔池前部不断参与熔化，并依靠电弧吹力和电磁力的作用，将熔化金属吹向熔池后部，逐步脱离电弧高温而冷却结晶。所以电弧的移动形成动态熔池，熔池前部的加热熔化与后部的顺序冷却结晶同时进行，形成完整的焊缝。焊条药皮在电弧高温下一部分分解为气体，包围电弧空间和熔池，形成保护。另一部分直接进入熔池，与熔池金属发生冶金反应，并形成熔渣而浮于焊缝表面，构成渣壳保护。

2.熔焊冶金特点

熔焊过程的冶金反应实质上是金属在焊接条件下的一次再熔炼。以焊条电弧焊为例，焊接冶金反应有如下特点：

1）反应区温度高于一般的冶炼温度，熔化金属与熔渣的接触面积大，冶金反应激烈。电弧高温使弧柱区发生金属蒸发、气体高温分解与溶解、金属氧化还原等一系列反应，导致金属烧损或形成有害杂质。

图3-2　焊条电弧焊

1—焊件　2—焊缝　3—渣壳　4—溶渣　5—气体　6—药皮　7—焊芯　8—熔滴　9—电弧　10—熔池

2）熔池小而冷却速度快，液态金属存留时间短。焊接熔池体积小，在快速冷却状态下，液态金属只能存留几秒钟，各种冶金反应不充分，难以达到平衡状态。

3）冶炼条件差，有害气体容易进入熔池，形成氧化物、氮化物、气孔及杂质等缺陷，使焊缝金属的塑性韧性显著下降。

因此，焊接前要对焊件进行清理，焊接过程中必须对熔池金属进行机械保护和冶金处理。机械保护就是利用熔渣、保护气体等机械地把熔池和空气隔开；冶金处理是指向熔池中添加合金元素，改善焊缝金属的化学成分和组织。

3.1.2.3　焊条

1.焊条的组成和作用

焊条电弧焊的焊条（electrode）由两部分组成。中间是金属丝制成的焊芯，外部包覆着一定厚度的药皮，其结构如图3-3所示。

图3-3　焊条纵截面

1—焊条夹持端　2—药皮　3—焊芯

（1）焊芯　焊芯（core wire）是由专门冶炼的焊条钢经轧制和拉拔而成，其作用是作为电极和填充金属。通常结构钢焊条的含碳量较低。表3-2给出了几种常用焊芯的化学成分。焊芯直径d一般为1.6～8mm，焊芯长度L一般为200～650mm。

（2）药皮　药皮（coating）由多种矿物、铁合金、有机物和化工材料混合而成，其主要作用是提高电弧燃烧的稳定性，对焊接过程和焊缝起保护作用以及控制焊缝金属的化学成分。

表3-2　几种常用焊芯的化学成分

2.焊条的类型

我国的焊条按用途分为十类，如表3-3所示。

每种类型的焊条又因药皮类型不同，可具有不同的焊接工艺性能和不同的焊缝力学性能。焊条药皮类型和所适用的电源如表3-4所示。

表3-3　焊条类别

表3-4　药皮的类型与适用电源

根据GB/T5117—1995规定，焊条型号的编制方法如下：用大写字母和四位数字表示，字母表示焊条类别，前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa；第三位数字表示焊条适用的焊接位置；第三位和第四位数字的组合表示药皮类型及焊接电流种类。如：

常用的结构钢焊条的牌号用字母J和三位数字表示。J表示结构钢焊条，前两位数字表示焊缝金属抗拉强度等级。第三位表示药皮类型及采用电源。如：

表3-5为焊条型号与焊条牌号对照表。

表3-5　焊条型号与焊条牌号对照表

3.焊条的选用原则

各种类型的焊条均有一定的特性和用途，即使同一类别的焊条也会因药皮类型不同而在使用特性方面表现出差异，因此从实际工程作业条件出发，正确选用焊条是完成焊接加工的重要环节。焊条的选择应考虑以下几个方面因素：

（1）工件的力学性能和化学成分　从满足强度要求出发，结合材料的焊接性，选择与被焊材料力学性能相适应的焊条。同时要注意使焊缝熔敷金属的化学成分与被焊材料相同或相近。

（2）工件的工作条件和使用性能　被焊工件如果在承受动载荷或冲击载荷条件下工作，则除应保证强度指标外，还应选择韧性和塑性较好的低氢型焊条。如果被焊工件在低温、高温、磨损或有腐蚀介质条件下工作，则应优先选择相应种类的焊条。

（3）结构特点　由于几何形状复杂或大厚度工件的焊接加工易产生较大的应力而引起裂纹，因此宜选择抗裂性好、强度较高的焊条。对存在铁锈、油污和氧化物且不宜清除的位置宜选用酸性焊条。

（4）施工条件　受不同施工现场条件的限制，如野外作业、潮湿气候等，应在考虑焊条种类的同时，一并考虑作业条件与环境以及必要的辅助设备。

3.1.2.4　焊接接头组织与性能

熔焊热源的高温集中熔化焊缝区金属，并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。图3-4为熔化焊缝区各点温度变化示意图。由于各点与焊缝中心距离不同，所受的最高加热温度不同，相当于对焊接接头（welded joint）区域进行了一次不同规范的热处理，因此焊接接头的各部位会出现不同的组织变化和性能变化。

整个焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区构成。

图3-4　低碳钢焊接接头温度与组织变化

1.焊缝区

焊缝区（weld metal zone）是在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域，熔焊时，是焊缝表面和熔合线所包围的区域。焊缝区在冷却过程中以熔合线上局部半熔化的晶粒为核心向内生长，生长方向为散热最快方向，最终成长为柱状晶粒。晶粒前沿伸展到焊缝中心，呈柱状铸态组织，此种结晶方式称为联生结晶。联生结晶过程使化学成分和杂质易在焊缝中心区产生偏析，引起焊缝金属力学性能下降，因此焊接时要以适当摆动和渗合金等方式加以改善。

2.熔合区

熔合区（bond）是焊接接头中焊缝金属向热影响区过渡的区域。该区很窄，两侧分别为经过完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区。熔合区的加热温度在合金的固-液相线之间。熔合区具有明显的化学不均匀性，从而引起组织不均匀，其组织特征为少量铸态组织和粗大的过热组织，因而塑性差，强度低，脆性大，易产生焊接裂纹和脆性断裂，是焊接接头最薄弱的环节之一。

3.热影响区

热影响区（heat-affected zone）是焊缝两侧因焊接热作用没有熔化但发生金相组织变化和力学性能变化的区域。根据热影响区内各点受热情况的不同，热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。

（1）过热区　过热区是指热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。其加热温度为Ac₃以上100～200℃至固相线之间。该区内奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因此塑性和韧性差，也是焊接接头的一个薄弱环节。对易淬火硬化材料，该区的脆性会更大。

（2）正火区　正火区是指热影响区内相当于受到正火热处理的区域。加热温度为Ac₃至Ac₃＋（100～200）℃之间。此温度区间与正火温度区间相同，金属完全发生重结晶，冷却后为均匀而细小的正火组织，力学性能明显改善，该区是焊接接头中组织和性能最好的区域。

（3）部分相变区　部分相变区是指热影响区内组织发生部分转变的区域。加热温度在Ac₁至Ac₃之间。该区内的珠光体和部分铁素体发生重结晶，使晶粒细化，而另一部分铁素体来不及转变，冷却后成为粗大的铁素体与细晶粒珠光体的混合组织。由于晶粒大小不一，故该区力学性能稍差。

熔焊方法不可避免地要出现熔合区和热影响区。这两个区域的大小和组织性能取决于被焊材料、焊接方法、焊接工艺参数等因素。焊接方法不同，上述两区的大小也不同，一般来说，加热能量集中或提高焊接速度可减小上述两区。

以上是针对低碳钢熔焊时的分析，而不同材料对加热的敏感性不同，熔合区和热影响区的表现形式也不一样。如易淬硬材料会产生淬硬组织，使焊接接头力学性能降低。

熔合区和热影响区的存在对提高焊接接头的性能不利，在熔焊过程中无法消除它，所以常采用焊后热处理的方式（正火或退火）来消除或改善。

3.1.2.5　焊接应力与变形

1.焊接应力与变形的产生

焊接过程的局部加热导致被焊结构产生较大的温度不均匀，除引起接头组织和性能不均匀外，还会产生焊接应力与变形（stress and deformation）。这种应力与变形即使被焊结构冷却到室温也不可能完全消失，因而会造成结构形状和尺寸的改变，使结构承载能力下降，甚至导致结构失效。为保证质量，在设计和制造焊接结构时必须设法减小焊接应力和防止过大的变形。

焊接过程中，加热和冷却是局部的、不均匀的。图3-5所示为对接焊时焊接应力与变形的形成过程。

图3-5　平板对接焊时应力的形成

a）焊前加热　b）焊后冷却

焊接时平板中心结合部位被加热，由于工件未加热部分冷金属产生的约束，焊缝区的自由膨胀受阻，焊缝区因膨胀受阻而产生压应力，同时产生压缩变形，而焊缝两侧则形成拉应力。

焊后冷却时，由于焊缝区已产生的压缩变形无法恢复，处于高温的焊缝区在冷却过程中要不断收缩，而焊缝两侧仍维持原长度。因此工件各部分在收缩时互相牵制，焊缝区的收缩会受到两侧金属的阻碍，使焊缝区产生拉应力，两侧则受压应力。

由此可见，焊接应力与变形总是同时存在的。对塑性好的材料，焊接变形较大而应力较小，反之则应力较大而变形较小。焊接完成之后，焊缝区总是产生收缩并有拉应力存在，远离焊缝区则存在压应力，而变形的实质就是应力的平衡与释放。不同的结构形式，其应力与变形的大小可相互转化。

2.焊接变形的基本形式

焊接变形的基本形式有如图3-6所示的五种。

（1）收缩变形　收缩变形（contraction deformation）是指工件整体尺寸的减小，包括焊缝的纵向和横向收缩变形。

（2）角变形　当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形（angular deformation）。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。

（3）弯曲变形　焊缝在结构上不对称分布，使得焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形（curving deformation）。

（4）波浪变形　焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形（waviness deformation）。

（5）扭曲变形　对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接工艺不合理等，工件易出现扭曲变形（twist deformation）。

图3-6　焊接变形的基本形式

a）收缩变形　b）角变形　c）弯曲变形　d）波浪变形　e）扭曲变形

实际焊接结构的真实变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。

3.防止和减小焊接变形的措施

焊接变形的存在改变了构件的形状和尺寸。从控制焊接变形的角度出发，可以通过合理的结构设计和一些具体的工艺措施来防止和减小焊接变形。

（1）结构设计　设计焊接结构时，焊缝的位置应尽量对称于结构中性轴；在保证结构有足够承载能力的条件下，尽量减少焊缝的长度和数量。

（2）焊接工艺　在结构设计合理的前提下，可采取如下工艺措施：

1）反变形法　预测焊后可能出现的变形大小和方向，焊前将工件预先反方向变形，焊后可抵消发生的焊接变形，如图3-7所示。

图3-7　反变形法

a）对接接头焊前　b）对接接头焊后c）T形接头焊前　d）T形接头焊后

2）刚性固定法　利用焊前装配使工件的相对位置固定，用夹具强制性约束焊接变形。此方法对塑性好的小型工件适用。

3）合理安排焊接次序　采用如图3-8所示的对称焊法，按图中数字顺序焊接，则后焊焊道可抵消前焊焊道所产生的变形。如图3-9所示结构为避免弯曲变形，采用合理安排焊接次序的工艺措施，从而把可能出现的变形控制在最低程度。

图3-8　X形坡口焊接次序

a）合理　b）不合理

图3-9　工字梁的合理焊接次序

（图中数字表示焊接顺序）

4）焊前预热和焊后缓冷　这是最常用、最有效的方法，其目的是减小焊缝区与其他部分的温差，使工件较均匀地冷却，减小焊接应力和变形。通常在焊前将工件预热到300℃以上再进行焊接，焊后要缓冷。

5）焊后热处理　对重要结构件焊后应进行去应力退火，以降低应力，减小变形，提高承载能力。小型工件可整体退火，大型工件可进行局部退火。

（3）焊后矫形处理　当焊后的变形超出允许值时，必须进行焊后矫形。常用的矫形方法有机械矫形和火焰矫形。

1）机械矫形　利用压力机、碾压机、矫直机或手工等方法，在机械外力的作用下，使变形工件恢复到原形状和尺寸。机械矫形可利用机械外力所产生的变形，抵消焊接变形并降低内应力。对塑性差的材料不宜采用机械矫形。

2）火焰矫形　采用氧乙炔火焰在被焊工件的适当部位加热，利用冷却收缩产生的新应力造成新变形，来克服和抵消原变形。火焰矫形可使工件的形状恢复，但矫形后的工件应力并未消失。对易淬硬材料和脆性材料不宜采用火焰矫形。