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第七章 焊 接7.1 金属熔化焊工艺基础7.1.1 焊接电弧焊接热源的要求：温度高，热量集中，热源稳定连续。熔化焊最广泛的热源：电弧热。焊接电弧是电极之间的气体介质放电现象，充满高温电离气体。电弧热与焊接电流和电压乘积成正比，电流越大，热量越多。沿着长度分为三个区域：阳极区、弧柱区、阴极区。阳极区产生的热量比较多，约43％；阴极区产生的热量较少，约占36％；其余21％左右的热量是在弧柱区产生的。阳极区的温度为2600K，阴极区的温度为2400K，在电极材料沸点左右；弧柱区散热慢，温度最高可达6000～8000K。阳极区和阴极区热量、温度都有差别，手工电弧焊选用直流电源焊接时，就有极性的选择问题。当工件接电源的正极，焊条接负极，这种接法称为正接法，反之则称为反接法。选择电源极性主要根据焊条材料和工件所需热量。酸性焊条焊接厚板，采用正接法。焊接薄板，采用反接法。碱性焊条一般用反接法。至于交流电弧，没有极性选择问题。根据焊条药皮的性质不同，焊条可以分为酸性焊条和碱性焊条两大类。药皮中含有多量酸性氧化物（TiO2、SiO2 等）的焊条称为酸性焊条。药皮中含有多量碱性氧化物（CaO、Na2O等）的称为碱性焊条。酸性焊条能交直流两用，焊接工艺性能较好，但焊缝的力学性能，特别是冲击韧度较差，适用于一般低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接，是应用最广的焊条。碱性焊条脱硫、脱磷能力强，药皮有去氢作用。焊接接头含氢量很低，故又称为低氢型焊条。碱性焊条的焊缝具有良好的抗裂性和力学性能，但工艺性能较差，一般用直流电源施焊，主要用于重要结构（如锅炉、压力容器和合金结构钢等）的焊接。7.1.2 熔化焊的冶金特点一、焊接温度高在高温作用下，合金元素强烈地蒸发和烧损；同时，金属液体的吸气能力也随温度的提高而增加，冷却时氧、氮、氢等气体析出聚集成气泡，来不及浮出，会产生气孔缺陷。二、金属熔池的体积小，保持在液态的时间短各种冶金反应很难达到平衡状态。后果：焊缝金属化学成分不均匀；气体或杂质来不及浮出熔池，会产生气孔、夹渣缺陷。9焊条药皮是指涂在焊芯表面的涂料层。药皮在焊接过程中分解、熔化后形成气体和熔渣，起到机械保护、冶金处理和改善工艺性能的作用。 药皮的组成物有：矿物类（如大理石、氟石等）、铁合金和金属粉类（如锰铁、钛铁等）、有机物类（如木粉、淀粉等）、化工产品类（如钛白粉、水玻璃等）。 常用焊条药皮是钛钙型（J422焊条，酸性熔渣）和低氢型（J507焊条，碱性熔渣）。三、熔化焊中需采取的措施1. 有效保护，隔离空气。目的是防止空气对焊接区的有害作用。气渣联合保护：手工电弧焊，焊条药皮造气剂产生保护性气体，隔离空气；造渣剂熔化形成熔渣，覆盖在熔池表面，隔离空气。渣保护：埋弧自动焊，焊剂熔化形成熔渣隔离空气。气保护：气体保护焊，保护性气体形成保护层隔离空气。真空焊接：真空电子束焊。2. 控制焊缝金属的化学成分。可以向焊条药皮或焊剂中加入合金元素，也可以向焊条芯或焊丝中加入合金元素。目的：补偿焊接过程中的合金元素蒸发、烧损；特定的合金元素可以改善焊缝金属的力学性能。3. 脱氧和脱硫、磷。空气中的氧气、工件表面的氧化皮、锈、油污、水分等。焊前工件应仔细清理，焊接材料加入脱氧剂。 硫形成热裂纹，磷形成冷裂纹。药皮或焊剂的造渣剂进行脱硫、脱磷。107.1.3 焊接接头的金属组织及性能焊接接头是由两部分所组成，即焊缝区和焊接热影响区。焊接接头性能与焊缝区和焊接热影响区都有关。一、焊缝金属焊缝金属一般是由熔化的填充金属和局部熔化的工件金属形成的熔池凝固区域。仍然是成核、晶核长大的过程。焊缝金属的结晶特点：焊缝组织结晶形成柱状晶形态的组织。液态金属过热度很大，合金元素蒸发、烧损严重，异质晶核比较少，结晶在熔池壁表面成核长大。散热最快的方向是垂直于熔池壁的方向，因此以柱状晶形态向焊缝中心长大。11已经凝固的焊缝金属中的合金元素来不及扩散，化学成分不均匀，存在偏析；杂质和气体来不及析出，形成夹渣和气孔。焊接过程中，一般要通过焊接材料向熔池金属中加入一些合金元素，使焊缝金属合金元素的质量分数高于被焊金属。好处在于，强化焊缝；细化焊缝的晶粒。只要采用正确的焊接工艺，就可以避免产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷，保证焊缝金属的性能不低于被焊金属的性能。12二、焊接热影响区焊缝附近金属因焊接热作用而使组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。随着距离金属熔池的远近不同，工件所受的热作用和升高的温度不同。因此，焊缝附近区域的金属相当于受到了不同规范的热处理，使组织和性能发生了变化。焊接热影响区不仅与焊接热作用有关，还与母材化学成分、焊前热处理状态有关。以低碳钢为例。1）熔合区。焊缝与被焊金属交界区。温度在液、固相线之间。组织：过热而长大的粗晶组织和部分新结晶的铸态组织。化学成分、组织性能不均匀。范