对接焊缝的焊接方法

    10.1.1 常用的连接方法

    早在远古时代，火烙铁钎焊、锻焊及用动物的皮骨熬制的胶粘剂进行胶接等简单的金属连接方法就已被古人所发现而得到应用。在现代制造业中，常用的机械连接、胶接和焊接等连接方法，是开始于19世纪末到20世纪初的世界第一次工业革命时期，并在20世纪30年代后逐渐发展起来的。

    （1）机械连接。机械连接主要指螺栓连接、铆钉连接、销、键连接等。在通常情况下，机械连接件均为标准件，因而具有良好的互换性，选用方便，工作可靠，易于检修。但机械连接的成本较高，作为结构件时不仅影响外观，而且使用性能也受到限制。

    （2）胶接。胶接的过程犹如用糨糊粘接纸片，只是用于金属、非金属连接的胶粘剂因用途各异，具有独特的化学成分及性能。胶接技术的应用，主要受制于胶粘剂研究开发的水平。与其他连接方法相比，胶接可连接同种或异种金属或非金属的各种形状、厚度、大小的接头；特别适用于异型、异质、复杂形状、硬脆或热敏制品的连接；且避免了焊点、焊缝周围的应力集中，且不用铆钉。但胶接产品力学性能较低，耐热老化和气候老化性能差，机械化施工程度差，质量控制难度较大。

    （3）焊接。焊接指的是各种同种或异种金属材料（包括各类钢材、铝合金、钛合金、铜合金、镍合金及其他一些特种金属合金）之间的连接。据工业发达国家统计，每年仅需要进行焊接加工之后使用的钢材就占钢总产量的45％左右。

    10.1.2 焊接的特点与分类

    1.焊接的特点

    焊接与其他连接方法有着本质的区别。通过焊接，被连接的焊件不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。为了实现焊接过程，必须使两个分离焊件（通常是金属）的连接表面接近到原子间的结合力能够发生作用的程度，换言之，要接近到金属内部原子间的距离。为此，焊接时往往需要采用加热或加压，或两者并用，以促使两个分离焊件紧密接触，实现连接表面间的原子结合，从而获得永久性的连接。

    通常，焊接与其他的连接方法相比，具有强度高，密封性好，质量可靠，生产率高，便于机械化、自动化生产等显著优点。

    焊接能够非常方便地利用型材和采用锻—焊、铸—焊、冲压—焊等复合工艺，制造出各种大型、复杂的机械结构和零件，并可把不同材质和不同形状尺寸的坯材连接成不可拆卸的整体，从而，使许多大型复杂的铸、锻件的生产过程由难变易，由不可能变为可能。

    另外，利用焊接还可使切削加工工艺过程得以简化，提高生产率；采用表面堆焊、喷焊等方法，还可以获得某些具有特殊性能要求（如高硬度、高耐磨性、耐腐蚀等）的表面层等。

    2.焊接方法分类

    一般按其焊接过程的不同，将焊接分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

    （1）熔焊。熔焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。实现熔焊的关键是加热源，其次，必须采取有效的措施隔离空气，以保护高温焊缝。常见的气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护焊等都属于熔焊。

    （2）压焊。焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。

    （3）钎焊。采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。

    基本焊接方法及其分类如图10－1所示。至于热切割（气割、等离子切割、激光切割）、表面堆焊、喷镀、碳弧气刨、胶接等均是与焊接方法相近的金属加工方法，通常也属于焊接专业的技术范围。

    10.1.3 焊接接头的组织与性能

    用焊接方法连接的接头称焊接接头（简称接头）。它是由焊缝、熔合区、热影响区三部分组成的。焊接接头组织与性能对焊接质量影响很大。现以低碳钢为例，来说明其接头组织、性能变化。

    1.焊缝的组织、性能

    焊缝是指焊件经焊接形成的结合部分。熔焊时，随着焊接热源的向前移动，熔池中的液态金属开始迅速冷却结晶，而后形成焊缝。焊缝金属的结晶，首先从熔池底壁上许多未熔化的半个晶粒开始，向着散热反方向的熔池中心生长，生成柱状树枝晶，最后，这些柱状树枝晶前沿一直伸展到焊缝中心，相互接触后停止生长。结晶结束后，所得到的铸态组织晶粒粗大，组织不致密，当焊缝形状窄而深时，S、P等低熔点杂质易集中在焊缝中心上形成偏析，而导致焊缝塑性降低，且易产生热裂纹。

    图10－1 焊接方法分类框图

    在焊接过程中，由于熔池体积小，冷却速度快，再加上严格控制焊芯的S、P含量，并通过焊接材料渗合金，补偿合金元素的烧损，所以，焊缝的力学性能不低于母材金属。

    2.焊接热影响区和熔合区的组织与性能

    （1）熔合区。熔合区是指在焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。该区的金属组织粗大，处在熔化和半熔化状态，化学成分不均匀，其力学性能最差。

    （2）热影响区。热影响区是指焊缝附近的金属，在焊接热源作用下，发生组织和性能变化的区域。热影响区各点温度不同，其组织、性能也不同，低碳钢的焊接接头热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区，如图10－2所示。

    ①过热区。温度在1 100℃以上，金属处于严重过热状态，晶粒粗大，其塑性、韧度很低，容易产生焊接裂纹。

    ②正火区。温度在Ac3至1 100℃之间，金属发生重结晶，晶粒细化，力学性能好。

    ③部分相变区。温度在Acl～Ac3之间，部分金属组织发生相变，此区晶粒大小不均匀，力学性能稍差。

    图10－2 低碳钢的焊接接头热影响区的组织与性能变化

    对于易淬火钢的热影响区分为淬火区（Ac3以上的区域）和部分淬火区（Ac1至Ac3区域）。由于冷却速度过快，焊后在淬火区形成马氏体组织，易产生冷裂纹。

    综上所述，在焊接热影响区中，熔合区、过热区及淬火区对焊接接头影响最大。因此，在焊接过程中，应尽量减小热影响区的宽度，其大小和组织变化的程度与焊接方法、焊接材料及焊接工艺参数等因素有关。