材料连接原理与工艺复习大纲

一、熔化焊连接原理

1、熔化焊是最基本的焊接方法，根据焊接能源的不同，熔化焊可分为电弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。

2、获得良好接头的条件：合适的热源、良好的熔池保护、焊缝填充金属。

3、理想的焊接热源应具有：加热面积小、功率密度高、加热温度高等特点。

4、焊件所吸收的热量分为两部分：一部分用于熔化金属而形成焊缝；另一部分使母材近缝区温度升高，形成热影响区。

5、热能传递的基本方式是传导、对流和辐射，焊接温度场的研究是以热传导为主，适当考虑对流和辐射的作用。熔化焊温度场中热能作用有集中性和瞬时性。

6、当恒定功率的热源作用在一定尺寸的焊件上并作匀速直线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随热源以同样速度移动，这样的温度场称为准温度场。

7、在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。决定焊接热循环的基本参数有四个：加热速度、最高加热温度、在相变温度以上的停留时间和冷却速度。常用某温度范围内的冷却时间来表示冷却速度，冷却速度是决定热影响区组织和性能的最重要参数。

8、焊接热循环的影响因素：材质、接头形状尺寸、焊道长度、预热温度和线能量。

9、正常焊接时，焊条金属的平均熔化速度与焊接电流成正比。

10、熔滴：焊条端部熔化形成滴状液态金属。药皮焊条焊接时熔滴过渡有三种形式：短路过渡、颗粒过渡和附壁过渡。其中碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。

11、药皮溶化后的熔渣向熔池过渡形式：①薄膜形式,包在熔滴外面或夹在熔滴内；②直接从焊条端部流入熔池或滴状落入。

12、熔池形成：

①熔池为半椭球，焊接电流I、焊接电压U与熔池宽度B和熔池深度H的关系：I↑，H↑，B↓；U↑，H↓，B↑。

②熔池温度不均匀，熔池中部温度最高，其次为头部和尾部。

③焊接工艺参数、焊接材料的成分、电极直径及其倾斜角度等都对熔池中的运动状态有很大的影响。

④为提高焊缝金属质量，必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失，因此要对熔池进行保护。保护方式：熔渣保护、气体保护、熔渣气体联合保护、真空保护和自保护。

13、熔化焊焊接接头的形成过程：焊接热过程、焊接化学冶金过程和熔池凝固和相变过程。

14、在一定范围内发生组织和性能变化的区域称为热影响区或近缝区。故焊接接头主要由焊缝和热影响区构成，其间窄的过渡区称为熔合区。如下图所示：

1——焊缝区（熔化区）

2——熔合区（半熔化区）

3——热影响区

4——母材

15、熔化焊接头形式：对接、角接、丁字接和搭接接头等。待焊部位预先加工成一定形状，称为坡口加工。

16、熔合比：局部熔化母材在焊缝金属中的比例。用来计算焊缝的化学成分。

17、金属的可焊性属于工艺性能，是指被焊金属材料在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。包括接合性能和使用性能。金属的可焊性主要与下列因素有关：①材料本身的成分组织；②焊接方法；③焊接工艺条件。

18、焊接热过程贯穿整个焊接过程，对焊接接头的形成过程（化学冶金、熔池凝固、固态相变、缺陷）以及接头性能具有重要的影响。

19、焊接材料的类型：焊条、焊剂、焊丝、保护气。焊条由焊芯和药皮组成，焊芯起到导电和填充金属的作用，药皮作用为①机械保护作用；②冶金处理作用；③工艺性能良好。药皮的组成分为稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂等。

20、在实际生产中，将焊条分为两大类：酸性焊条和碱性焊条（低氢型焊条）。熔渣中酸性氧化物的比例高时为酸性焊条，反之为碱性焊条，即酸性焊条：熔渣碱度系数小于1；碱性焊条：熔渣碱度系数大于1。酸性焊条的药皮中含有较多的氧化铁、氧化钛及氧化硅等，氧化性较强，同时由于焊缝金属中氧和氢含量较多，因而熔敷金属塑性、韧性较低。用碱性焊条焊接时，具有较高的塑性和冲击韧性。

21、焊剂是焊接时能够熔化形成焊渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质。焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电的金属丝。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。

22、熔渣：电焊条药皮或焊剂溶化形成的覆盖焊缝表面的非金属物质。熔渣作用：机械保护作用、冶金处理作用和改善工艺性能。

23、液态熔渣的结构有两种理论：分子理论和离子理论。

①分子理论：液态熔渣是理想的熔体，即服从理想溶液定律，只有自由氧化物才能和金属反应，如：

(SiO2)+[Fe]=[Si]+(FeO)，（）表示熔渣的成分，[ ]表示焊缝金属中的成分。

分子理论的碱度定义：碱性氧化物与酸性氧化物的摩尔数之比（B1）。B1 >1时为碱性渣， B1 <1时为酸性渣，根据经验， B1 >1.5时，熔渣才是碱性的。

②离子理论：液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液；离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩；液态熔渣与金属之间相互作用的过程是离子与原子交换电荷的过程。

离子理论的碱度定义：液态熔渣中自由氧离子的浓度(氧离子的活度)。B2＞0为碱性，B2＜0为酸性，B2=0为中性。

24、熔渣的熔点指熔渣开始凝固的温度，与药皮的熔化温度不同。对于药皮或焊剂造熔渣的第一个要求：合适的凝固温度范围。可通过调整焊条药皮或焊剂的组成来改变熔渣的凝固温度。

25、熔渣的粘度取决于熔渣的成分和温度，实质上取决于熔渣的结构。

26、短渣：凝固温度区间较窄的熔渣，长渣：凝固缓慢、凝固温度区间较宽的熔渣。碱性焊条和以TiO2为药皮主要成分的酸性焊条，其熔渣都属于短渣，其它酸性焊条的熔渣属于长渣。

27、以手工电弧焊为例，焊接冶金反应分为三个区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。熔滴反应区是反应最激烈的部位。熔池反应区是决定焊缝金属最终成分和纯净度的重要阶段。

28、焊接区气体来源：①焊接材料；②热源周围气体介质；③焊丝和母材表面上的杂质。

焊接区气体产生：①有机物的分解和燃烧；②碳酸盐和高价氧化物的分解；③材料的蒸发。

气相成分：N2、H2、O2、CO2、H2O、CO、金属和熔渣的蒸气以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。

29、温度升高，氢在铁水中的溶解度增加，高温急冷至室温时，即可能在晶体缺陷或孔隙处形成高压气体（钢中白点）。白点产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。

30、氢

 焊缝中的氢存在形式：①扩散氢；②残余氢。

 氢对焊接质量的影响：①氢脆。钢的塑性严重下降。②白点。链状排列的氢白点是形成裂纹源并使其扩展的根本原因。③气孔。④组织变化。⑤冷裂纹。

 控制含氢量的措施：①限制氢的来源；②进行冶金反应；③控制焊接材料的氧化还原势；④加入稀土或稀散元素；⑤控制焊接工艺参数；⑥焊后脱氢处理。

31、氮

 氮对焊接质量的影响：①气孔；②时效脆化。③有利一面：降低焊缝塑性、韧性而使强度提高。

 控制含氮量措施：①机械保护（最有效）；②焊接工艺参数，采用短弧焊，增加焊丝直径；③增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量。

32、氧

 氧对焊接质量的影响：①机械性能下降。低温冲击韧度急剧下降；②化学性能变差。导电、导磁、抗蚀均下降；③产生气孔；④合金元素烧损，恶化焊缝性能；⑤冷脆、红脆；⑥工艺性能变差。

 控制氧的措施：①纯化焊接材料；②控制焊接工艺参数，降低电弧电压，采用短弧焊；③合理的冶金方法脱氧。

 降低焊缝含氧量措施：限制来源；先期脱氧；沉淀脱氧。

33、活性熔渣对焊缝金属的氧化基本形式：扩散氧化和置换氧化。

34、焊接高合金钢的焊条和焊剂中不能含有SiO2，原因：合金元素Al、Ti、Cr等，对氧的亲和力更大，夺取SiO2中的氧，生成氧化物，焊缝非金属夹杂增加，含氧量升高。

35、脱氧剂选择原则：①在焊接温度下对氧亲和力大。②脱氧产物应熔点低、不低于液态金属，且密度小于液态金属。③熔渣酸碱性质与脱氧产物相反。

36、限制S、P的措施：限制来源；提高熔渣碱度；提高Mn含量对降S有利。

37、联生结晶和各种不同形态的柱状晶是焊缝凝固组织的显著特点。

38、焊缝的固态相变组织主要取决于化学成分和焊接工艺条件。

39、细小的针状铁素体组织是低合金高强钢焊缝的理想组织。

40、控制焊缝的性能重点是焊缝韧性的控制。一般可以通过选择合适的焊接材料再配合适当的焊接工艺来保证焊缝性能。

41、硬化现象是低合金高强钢近缝区表现的又一特征。

42、决定HAZ硬度的主要因素是钢种的碳当量和冷却条件。

43、常用热影响区的最高硬度Hmax来评定钢种的焊接性，通过它可以间接预测HAZ的韧性、脆性、抗裂性。

44、熔池中气体的存在是形成气孔的必要条件。

45、气孔的形成过程包括气泡的形核长大和上浮，如果上浮速度大于熔池凝固速度，则不会形成气孔。

46、形成气孔的气体有两类：来自外部的析出型气体（N2，H2）和熔池中内生的反应型气体（CO）。

47、防止气孔的根本措施：限制气体来源和改善熔池的排气条件。

48、在焊接过程的高温阶段（常在固相线附近）发生的开裂，称为热裂纹。冷裂纹指在室温附近形成的裂纹。

49、冷裂纹是相对热裂纹而言的。淬硬组织、扩散氢、拘束应力是形成冷裂纹的三大要素。

50、主要与淬硬组织有关的冷裂纹称为“淬硬开裂”；主要与氢脆有联系的冷裂纹称为“氢致裂纹”。

51、防止冷裂纹产生的根本在于控制致脆因素和减小拘束度。再热裂纹不是热裂纹。

52、焊接热裂纹中焊缝结晶裂纹最为重要，是讨论的重点。晶间液膜的存在是形成结晶裂纹的根本原因。

53、结晶裂纹敏感性可用CST表征（综合考虑了脆性温度区间和金属在该温度区间的最低塑性）。

二、熔化焊连接方法和工艺

1、焊条电弧焊：

 原理：用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。它利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，使焊条和焊件熔化，从而获得牢固的焊接接头。焊接回路由弧焊电源、电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件组成。主要设备是弧焊电源。

 特点：操作灵活；待焊接头装配要求低；可焊金属材料广；焊接生产率低；焊缝质量依赖性强。

2、埋弧焊：

 原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。这种方法是利用焊丝和焊件之间燃烧的电弧产生热量，熔化焊丝、焊剂和母材而形成焊缝的。适合焊接中厚板结构的长焊缝。

 优点：焊缝质量好；生产率高；节省焊接材料和电能；改善劳动条件。

缺点：施焊位置受到限制；不适于焊接易氧化的金属材料；不适于焊接薄板和短焊缝。

 焊接材料：焊丝和焊剂，它们相当于焊条的焊芯和药皮。

 埋弧焊冶金过程主要包括：氧化、还原反应，脱硫、脱磷反应以及去除气体等过程。

 埋弧焊冶金特点：焊缝保护效果好；冶金反应充分；焊缝的化学成分稳定；焊缝的组织易粗化；焊丝和焊剂要配合选用。

 埋弧焊机类型：小车式、悬臂式、门架式

3、CO2气体保护焊：

 原理：利用CO2作保护气体的熔化极气体保护电弧焊为CO2气体保护焊，简称CO2焊。

 工艺特点：优点——生产率高；常用短路过渡、滴状过渡；采用短路过渡可以用于全位置焊接，而且对薄壁构件焊接质量高，焊接变形小；抗锈能力强，焊缝含氢量低；成本低廉。缺点——金属飞溅较多；电弧气氛有很强的氧化性；焊接弧光较强

 冶金特点：氧化烧损合金元素；气孔；飞溅。

4、熔化极气体保护焊：

 原理：是以可熔化的金属焊丝作电极，由气体作保护的电弧焊，采用直流电源。

 操作方式：半自动焊、自动焊

 焊丝：实心焊丝、药芯焊丝