1.焊接的本质和途径

焊接是利用加热或加压等手段,使分离的两部分金属,借助于原子的扩散与结合而形成原子间永久性连接的工艺方法。以低碳钢的焊接为例,分析采用焊条电弧焊时,焊接接头的组成、各区域金属的组织与性能特点。焊接接头由焊缝金属和热影响区组成,如图4-2所示。

图4-2　焊缝金属和热影响区示意图

(1)焊缝金属。焊接加热时,焊缝处的温度在液相线以上,母材与填充金属形成共同熔池,冷凝后成为铸态组织。在冷却过程中,液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶,形成柱状晶组织。由于焊条芯及药皮在焊接过程中具有合金化作用,焊缝金属的化学成分往往优于母材,只要焊条和焊接工艺参数选择合理,焊缝金属的强度一般不低于母材强度。

(2)热影响区。在焊接过程中,焊缝两侧金属因焊接热作用而产生组织和性能变化的区域。低碳钢的热影响区分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

1)熔合区。位于焊缝与基本金属之间,部分金属熔化而部分未熔,也称半熔化区。加热温度约为1490～1530℃,此区成分及组织极不均匀,强度下降,塑性很差,是产生裂纹及局部脆性破坏的发源地。

2)过热区。紧靠着熔合区,加热温度约为1100～1490℃。由于温度大大超过Ac3,奥氏体晶粒急剧长大,形成过热组织,使塑性大大降低,冲击韧性值下降25%～75%左右。

3)正火区,加热温度约为850～1100℃,属于正常的正火加热温度范围。冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体组织,其力学性能优于母材。

4)部分相变区。加热温度约为727～850℃。只有部分组织发生转变,冷却后组织不均匀,力学性能较差。

2.金属的焊接性能

(1)焊接性的概念：金属的焊接性是金属材料对焊接加工工艺的适应性。即在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。

金属的焊接性包括两方面的内容,一是接合性能,即在一定焊接工艺条件下,一定的金属形成焊接缺陷的敏感性;二是使用性能,即在一定的焊接工艺条件下,一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。

不同的金属材料,其焊接性有很大的差别。金属的焊接性不但取决于材料的化学成分,还与焊接方法、焊接材料、焊接工艺条件及结构使用条件等有着密切的关系。

在焊接生产中,常根据钢材的化学成分来判断其焊接性,钢中的碳含量对其焊接性影响最明显。

(2)评价方法：金属的焊接性常用碳当量法或实验法进行评定。(www.daowen.com)

①碳当量法

碳当量含义：把某种钢中的合金元素(包括碳)的含量按其对焊接性的影响程度换算成碳的相当含量(百分比含量),这个百分比含量数值称为这种钢的碳当量。

碳当量计算公式：

用碳当量数值对钢材概括地、相对地间接评价其焊接性的方法称为碳当量法。碳当量数值越小,焊接性越好。

当CE＜0.4%时,冷裂倾向不大,焊接性良好,不需预热;当CE=0.4%～0.6%时,冷裂倾向明显,焊接性较差,需预热和采取其他工艺措施来避免裂纹;当CE＞0.6%时,冷裂倾向严重,焊接性很差,需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。

②实验法

钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响。在实际生产中,为了正确的确定某种金属材料的焊接性,一般是先查焊接手册,根据碳当量初步估算,然后根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。对于重要的焊接结构,要进行多次试验。

3.常见金属材料的焊接性能

低碳钢塑性好,焊接性良好,焊接时一般不需要预热;

中碳钢的塑性下降,易产生淬硬组织及裂纹,焊接性较差,焊接时需采用预热和一定工艺措施;

高碳钢的塑性较低,淬硬和裂纹倾向严重,焊接性很差,焊接时需要采用较高的预热温度和严格的工艺措施。

合金钢的焊接性随合金钢的强度等级的提高而变差。

铸铁中碳的质量分数高,硫、磷杂质多,其强度低,几乎无塑性,焊接性差。

铝合金及铜合金的焊接性均较差。