第四章電弧焊的基本理論

本章要點:主要介紹與電弧焊有關的基礎理論，包括焊接電弧、焊絲熔化與過渡及焊接接頭的組織及力學性能，最后討論焊接應力與變形產生的原因和防止措施。第一節概述一、焊接的特征

1.焊接已成為最流行的連接技術國家大劇院鋼結構金茂大廈罐壓力容器

2.焊接顯現了極高的技術含量和附加值三維激光焊接廣州豐田自動化的機器人生產線

3.焊接已成為關鍵的制造技術上海盧浦大橋“中華和平號”17.5萬噸散貨輪千噸級熱壁加氫反應器世界最大的三峽水輪機轉輪4.焊接已成為現代工業不可分離的組成部分三峽永久船閘西氣東輸工程管道的焊接神舟飛船返回倉全焊接的鋁合金結構二、焊接的分類

焊接是通過加熱或加壓，或者兩者并用，并且用或不用填充材料，借助于金屬原子的擴散和結合，使分離的材料牢固的連接在一起的加工方法。

焊接的主要特點是：

（1）節省材料，減輕質量；（2）簡化復雜零件和大型零件的制造；（3）適應性好；可實現特殊結構的生產；（4）滿足特殊連接要求；可實現不同材料間的連接成型；（5）降低勞動強度，改善勞動條件。

焊接方法的應用：

（1）制造金屬結構件；（2）制造機器零件和工具；（3）修復。

焊接的方法種類很多，按焊接過程特點可分為三大類：

(一）熔焊

把焊接局部連接處加熱至熔化狀態形成熔池，待其冷卻結晶后形成焊縫，將兩部分材料焊接成一個整體。因兩部分材料均被熔化，故稱熔焊。熔焊是金屬焊接中最主要的一種方法。

(二）壓焊

在焊接過程中需要對焊件施加壓力（加熱或不加熱）的一類焊接方法，叫壓焊。

(三）釬焊

利用熔點比母材低的填充金屬（稱為釬料）熔化后，填入接頭間隙并與固態的母材通過擴散實現連接的一類焊接方法。表4－1船廠常用的焊接方法及應用

第二節焊接電弧

電弧是所有電弧焊方法的能源，能有效而簡便地把弧焊電源的電能轉換成焊接過程所需要的熱能和機械能。一、焊接電弧的產生

焊接電弧是由焊接電源提供的、具有一定電壓的兩極間或電極與焊件間，氣體介質產生強烈而持久的放電現象。圖4－1焊接回路示意圖

二、焊接電弧的構造

電弧的三個區

陰極區、陽極區和弧柱區（如圖4-2所示）。

焊接電弧的溫度oC和熱量分布

溫度oC熱量分布陽極區：260043％弧柱區：6000～800021％陰極區：240036％圖4－2焊接電弧的構造

三、焊接時的極性使用直流電源焊接時有正接、反接法兩種：

正接法：焊件接電焊機的正極（陽極），焊條接負極（陰極）,因此，焊件溫度較高，能獲得較大熔深，適用于焊接厚板。

反接法：焊件接負極，焊條接正極，適合于焊接薄板，以防燒穿。

交流焊機、無正反接特點，溫度均為2500K。

圖4-3直流電焊機的不同的接法

a)正極b)反接交直流電焊機的比較

母材熔透深度比較

交流電焊機

直流正極性

直流反極性

四、焊接電弧的靜特性在電極材料，氣體介質和電弧長度一定時，電弧兩端的電壓與焊接電流之間的關系稱為電弧靜特性，或稱伏安特性。電弧靜特性曲線呈U形。如圖4－4曲線2所示。在一般情況下，電弧電壓Uh與弧長l成正比變化，如圖4－5示，即電弧越長電壓越高。

圖4－4普通電阻靜特性與電弧靜特性曲線1－普通電阻靜特性；2－電弧靜特性。圖4－5不同電弧長度的電弧靜特性曲第三節電弧焊的熔滴過渡電弧焊時，焊條（或焊絲）末端在電弧高溫作用下加熱熔化形成的向熔池過渡的液態金屬滴叫熔滴。熔滴通過電弧空間向熔池轉移的過程叫熔滴過渡。顆粒過渡特點：焊接電流較小而電弧電壓較高時形成；因焊縫成形不好，通常不宜采用。噴射過渡特點：在氬或富氬保護氣體中，當電流增大到某臨界值時，熔滴呈細小顆粒，并以噴射狀態快速通過電弧空間向熔池過渡；噴射過渡時其飛濺小，過程穩定，熔深大，焊縫成形美觀。短路過渡特點：小電流焊接而低電弧電壓（即短弧焊時）時形成；短路過渡時電弧穩定，飛濺小，焊縫成形良好。廣泛用于薄板焊接和全位置焊接。第四節焊接接頭的組織及力學性能

（一）焊接接頭的組成焊接工件上溫度的變化各點處：常溫—較高溫度—常溫

固態

液態

固態在焊接過程中，母材因受熱的影響(但未熔化)而發生金相組織和力學性能變化的區域稱為熱影響區。熔焊焊縫和母材的交界線叫熔合線，熔合線兩側有一個很窄的焊縫與熱影響區的過渡區，叫熔合區，也叫半熔化區。因此，焊接接頭由焊縫、熔合區和熱影響區組成。

二、焊縫的組織和性能

(一)焊縫的組織和性能

焊縫組織是由熔池金屬結晶得到的柱狀的鑄造組織。焊接熔池的結晶首先從熔合區中處于半熔化狀態的晶粒表面開始，晶粒沿著與散熱最快的方向的相反方向長大，因受到相鄰的正在長大的晶粒的阻礙，向兩側生長受到限制，因此，焊縫中的晶體是方向指向熔池中心的柱狀晶體..

焊縫中的鑄態組織，晶粒粗大，組織不致密，但是，由于焊接熔池小，冷卻快，焊條藥皮、焊劑或焊絲在焊接過程中的冶金處理作用，使得焊縫的金屬的化學成分優于母材，硫、磷含量較低，所以容易保證焊縫金屬的性能不低于母材，特別是強度容易達到。（二）焊縫形狀與焊接質量的關系焊縫形狀是焊件熔化區橫截面的形狀，它可用焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h三個參數來描述，如圖4－7所示。合理的焊縫形狀要求s、c和h之間有適當的比例。生產中常用焊接成形系數（Ψ

＝c／s）和余高系數（＝c／h）來表征焊縫成形的特點。熔焊較適宜的成形系數為1～2。為了保證焊縫的強度，對一般焊縫允許有適當的余高，通常對接接頭允許h=0～3mm，對于重要角接構件，也應焊出余高后再打磨成凹形。

圖4－7焊縫的橫截面焊縫寬度焊縫余高焊縫的熔深焊接參數決定焊縫輸入的能量，是影響焊縫成形的主要工藝參數。焊接參數對焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h的影響如圖4-8所示。焊接電流主要影響焊縫熔深s；電弧電壓主要影響焊縫熔寬c；焊接速度的快慢主要影響母材的熱入，提高焊速焊縫熔深s、焊縫熔寬c、余高h均減少。圖4－8焊接參數對焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h的影響a)焊接電流的影響；b)焊接電壓的影響；c)焊接速度的影響。三、熔合區的特征熔合區，又稱半熔化區，是焊縫與母材的交界區加熱溫度：1495～1538℃（固、液相線之間）組織：（未熔化但因過熱而長大的）粗晶組織和（部分新結晶的）鑄態組織。特點：該區很窄，組織不均勻，強度下降，塑性很差，是產生裂紋及局部脆斷的發源地。四、低碳鋼接頭的熱影響區

熱影響區：受焊接熱循環的影響，焊縫附近的母材因焊接熱作用發生組織或性能變化的區域。低碳鋼的熱影響區分為過熱區、正火區和部分相變區。

圖4－10低碳鋼焊接接頭的組織示意圖（1）過熱區：緊靠熔合區

加熱溫度：1100℃～1495℃（1100℃～固相線）

組織：粗大的過熱組織。

特點：寬度為1～3mm，塑性和韌性下降。焊接剛度大的結構時，該區易產生裂紋。（2）正火區

：緊靠著過熱區

加熱溫度：850℃～1100℃（AC3至1100℃）

組織：均勻細小的鐵素體和珠光體組織（近似于正火組織）

特點：寬度約1.2～4.0mm，力學性能優于母材。（3）部分相變區

加熱溫度：AC1～AC3之間

組織：F+P（F粗、細不均）相變的F，變細小；未相變的F，變粗大特點：部分組織發生相變，晶粒不均勻，力學性能稍差

綜上所述，熔合區(1)和過熱區(2)是焊接接頭中的薄弱部分，對焊接質量有嚴重影響，應盡可能的減小之。焊接接頭焊縫熔合區過熱區正火區部分相變區

第五節焊接應力與變形

本節主要討論產生焊接應力與變形的原因、預防和減小焊接應力與變形的措施、以及消除焊接應力與變形的方法。

一、焊接應力與變形產生的原因

（一）焊接應力與變形的概念

1．應力與變形的基本概念

物體的變形：物體在受到外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸會發生變化，這種變化稱為物體的變形；物體的變形一般分為彈性變形和塑性變形兩種。

內力：在物體受到外力作用發生變形的同時，在其內部會出現一種抵抗變形的力。

應力：物體由于受到外力的作用，在單位截面積上出現的內力就叫做應力。

內應力的顯著特點是：在物體內部，內應力是自成平衡的，形成一個平衡力系。

2．焊接應力與變形的概念

焊接應力：是焊接過程中及焊接過程結束后，存在于焊件中的內應力。按應力作用時間的不同，焊接應力可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。焊接瞬時應力，是焊接過程中某一瞬時的焊接應力，它隨時間而變化。焊件冷卻后，殘留于焊件內的應力，稱為焊接殘余應力。

焊接變形：即由于焊接而引起的變形。焊接變形包括焊接過程中的變形和焊接殘余變形。焊后焊件不能消失的變形，稱為焊接殘余變形。我們所說的焊接應力及焊接變形，一般是指焊接殘余應力和焊接殘余變形。（二）研究焊接應力與變形時的幾個假定

焊接過程中，影響焊接應力與變形的因素很多,為抓住主要矛盾,簡化討論,常作如下幾個假定。

1．平截面假定

2．金屬性質不變假定

3．屈服強度與溫度關系的假定

（三）焊接應力與變形產生的原因

1．焊件的不均勻受熱焊接過程中，焊縫被加熱處于液態，相鄰的金屬加熱到很高的溫度，然后再快速冷卻下來，各點處溫度不同，冷卻速度也不相同，在熱脹冷縮和塑性變形的影響下，必將產生內應力、變形或裂紋。圖4—13鋼板中心堆焊或對接時的應力與變形（+）表示拉應力（-）表示壓應力

通過對鋼板中心堆焊或對接時的應力與變形上述的分析可知：

1）焊接是一個不均勻的加熱過程，焊后焊件必然有焊接應力和焊接變形，即焊件的不均勻加熱是產生焊接應力與變形的主要原因。

2）通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后的變形方向相反。

3）焊接加熱時，焊縫及其附近區域將產生壓縮塑性變形，冷卻時，壓縮塑性變形區要收縮。如這種收縮能充分進行，則焊接變形大，焊接應力小；如這種收縮不能充分進行，則焊接變形小而焊接應力大。

4）焊接過程中及焊接過程結束后，焊件中的應力分布都是不均勻的。焊后焊縫及其附近區域的焊接應力通常是拉應力。

焊接應力與變形產生的原因:

1．焊件的不均勻受熱(前面以敘)2．焊縫金屬的收縮

焊縫金屬當它冷卻由液態轉變為固態時，其體積要收縮；另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結晶的部分要阻止后結晶部分的收縮，也會產生焊接應力與變形。

3．金屬組織的變化焊接過程中伴隨金相組織轉變（金屬各種組織比容的不同）所出現的體積變化將產生新的內應力，冷卻以后，如果相變產物仍舊保留下來，那么在焊件中就產生了組織應力和變形。４．焊件的剛性和拘束

焊件的剛性是指焊件抵抗變形的能力；有些焊件雖然自身的剛性小，但周圍用剛度大的物體給予加固，即增加了對焊件的拘束；焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應力則越大；反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應力則越小。

二、焊接應力（一）焊接應力的分類

1．按其產生的原因可分為：溫度應力（也稱熱應力）、殘余應力、組織應力；

2．按其作用的方向分為：縱向應力、橫向應力；

3．按其在空間作用的方向分為：單向應力、雙向應力（平面應力）和三向應力（體積應力）。（二）焊接應力的分布對接焊縫的應力分布（三）焊接應力對焊接結構的影響

1．焊接應力對構件強度的影響；

2．焊接應力對結構疲勞強度的影響；

3．焊接應力降低機械加工的精度；

4．焊接應力降低受壓構件的穩定性；

5．焊接應力對構件應力腐蝕開裂的影響。（四）減小焊接應力的措施1．采用合理的焊接順序和方向2．留“裕度”法3．加熱“減應區”法4．錘擊或輾壓焊縫

（五）消除焊接應力的方法

1．焊后熱處理

2．機械拉伸法對焊接結構進行加載，使焊接塑性變形區得到拉伸，以減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內應力降低。特別適用于一些焊接容器，它可以通過水壓試驗起到機械拉伸的作用。

3．溫差拉伸法基本原理與機械拉伸法相同，是使焊縫區域受到拉伸塑性變形來抵消焊接時所產生的壓縮塑性變形。

4．振動法從減少焊接應力考慮，為什么圖中標出的焊接順序合理，并說明理由。三、焊接變形（一）焊接變形的種類（二）影響焊接變形的因素

1．金屬材料的熱物理性能；

2．施焊方法和焊接工藝參數；

3．焊縫的長度及其截面積；

4．焊縫在結構中的位置；

5．結構的剛性和幾何尺寸；

6．裝配和焊接程序。（三）防止與減小焊接變形的措施

1．船體結構的設計方面（1）船體結構設計時應考慮船體分段劃分的可能性，以便使船臺的焊接工作量減至最少。（2）分段中的焊縫應保持對稱性，或者靠近結構的中心線，以防止彎曲變形。對于厚度大于8mm的板，應盡量采用X形坡口而不采用V型坡口。

（3）在保證結構強度的前提下，減少焊逢的截面尺寸，以減少收縮變形。（4）盡可能減少焊逢的數量。（5）在裝配焊接時，可采用簡單裝配焊接胎夾具。a）不合理b）合理

對稱坡口

2．船舶建造工藝方面（1）嚴格對加工、裝配工序的要求（2）預留收縮余量（3）反變形法a試件b角變形量c反變形設備

a)沒有采用反變形法b)反變形法（4）剛性固定法（5）合理的焊接次序

船艏外板焊接順序

（四）焊接變形的矯正

1．機械矯正焊接變形