第一章焊接常識
第一節焊接概念、特點與分類
一、焊接的定義
焊接是通過加熱或加壓或兩者兼用，可以用或不用填充材料，使焊件達到原子結合的一種加工方法。
焊接的本質是使兩個分離的物體產生原子間結合，使之連線成一體的連線方法。
二、焊接的特點
（一）、焊接結構的應力集中變化範圍比鉚接結構大：鉚釘孔周圍的應力集中係數變化較小，而焊縫除了起著連線焊件的作用外，還與基本金屬組成乙個整體，並能在外力作用下與它一起變形。因此，焊縫的形狀和焊縫的布置必然會影響應力的分布，使應力集中在較大的範圍內變化。
（二)、焊接結構有較大的焊接應力和變形：絕大多數焊接方法部採用區域性加熱，經焊接後的焊件不可避免地在結構中會產生一定的焊接應力和變形。
（三）、焊接接頭具有較大的效能不均勻性。
（四）、焊接接頭中存在著一定數量的缺陷：焊接接頭中通常有裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等缺陷。缺陷的存在會降低強度，引起應力集中，損壞焊縫緻密性，是造成焊接結構破壞的主要原因之一。
但是，採用合適的工藝措施加強工藝質量管理，這些缺陷是可以預防的，即使已產生了缺陷，也是可修復的。
（五）、焊接接頭的整體性：焊接接頭的整體性是焊接結構區別於鉚接結構的乙個重要特性。這個特性一方面賦予焊接結構高密封性和高剛度，另一方面又帶來了問題。
例如，止裂效能不如鉚接結構好，裂紋一旦擴充套件，就不易制止，而鉚接縫往往可以起到限制裂紋擴充套件的作用。
綜上所述，焊接結構有其自身的特點，只有正確地認識，切實掌握它的特點，才能設計製造出效能良好、經濟指標高的焊接結構。如在一些容器標準中，由於考慮補償焊縫缺陷的作用或接頭焊縫熱影響區的效能改變，規定了採用焊縫係數，即通過加大焊縫厚度來解決這一矛盾。事實證明：
這種做法缺乏理論依據，因為靠增加焊縫厚度無法彌補焊接缺陷的有害作用和熱影響區韌性的改變。相反，由於增加了焊縫厚度，使得缺陷的作用更加明顯，同時又由於焊縫厚度的增加，勢必造成板厚增加，從經濟角度考慮也是極不合算的。妥善解決的方法應該是提高接頭質量。
三、焊接的分類
圖1-1-1為按族繫法分類
第二節焊接的加熱與傳導
一、焊接熱源的種類及特點
二、焊接熱過程的特點及其影響
（一）、焊接熱過程的特點:
焊接熱過程不同於一般的整體均勻加熱，它是乙個複雜的熱過程，存在著如下三個特點。
1、焊接熱過程是在焊件的區域性進行的過程。由於焊接時的加熱不是對焊件的整體，只是在熱源直接作用的區域性地區，因此對焊件整體來說，加熱極不均勻，這樣的熱過程要比整休均勻的加熱複雜得多。
2、焊接熱過程是乙個瞬時進行的過程。由於在高度集中的熱源作用下，加熱的速度極快（在電弧焊的條件下，加熱速度可達15000c (以上)，即在很短的時間內，把大量的熱由熱源傳遞給焊件。
3、焊接熱過程中的熱源是相對運動著的。由於焊接時焊件受熱的區域不斷變化，這就使得這種傳熱過程是不穩定的。
（二）、焊接熱過程對焊接質量的影響:
1、焊件受焊接熱過程的影響被區域性加熱熔化，熔池金屬會與氣體反應，改變了金屬的化學成分。在冷卻凝固時，得到不同的組織，這將使焊縫金屬有可能產生缺陷或對焊縫金屬的效能有很大的影響。
2、焊接熱過程使焊接熱影響區的組織和效能發生變化，在多數情況下，焊接熱影響區的效能都是變壞的。
3、焊接熱過程的不均勻加熱，引起焊件各區域不均勻的體積膨脹和收縮，使焊接結構中產生焊接變形與應力。
三、焊接溫度場
焊接過程中的某一瞬間焊接接頭上各點的溫度分布狀態，就叫做焊接溫度場。焊接溫度場通常用等溫線或等溫面來表示。
圖1-2-1 焊接溫度場
圖1-2-5是一塊焊接鋼板某一瞬時溫度場的示意圖。從焊接鋼板的俯檢視來看，由於熱源以一定速度移動，鋼板某一瞬時各部分受熱的溫度分布是一系列近似橢圓形的等溫線，即每條線上的溫度是相等的。在熱源的中心部分是熔化金屬形成的熔池，它的邊緣線相當於鋼的熔點，離熔池越遠，溫度逐漸降低。
由圖可見，在電弧移動的前方，等溫線量最密，而在其後方，等溫線較疏。
根據溫度場的分布，可以判斷焊件上哪些地方熔化，哪些地方產生相變，焊件上產生內應力和變形的趨勢和塑性變形區的範圍，熱影響區的寬度等等。但是要準確地測出和描繪焊熱溫度場的分布是比較困難的，目前只能粗略地測出。
四、影響焊接溫度場的因素
（一）、熱源的性質及焊接工藝引數
由於熱源的性質不同（如電弧焊、氣焊、電渣焊、電子束焊、雷射焊等），焊接時溫度場的分布也不同。如電子束焊接時，熱能高度集中，所以焊接溫度場的範圍很小；而在氣焊時，熱源的作用面積大，因此溫度場的範圍也較大。
（二）、母材的熱物理性質
1、導熱係數。導熱係數是表示金屬傳導熱量的能力，它是指在單位時間內，單位距離相差10c時，經過單位面積所傳過的熱能。導熱係數越大，就說明加熱或冷卻的速度越快，所以導熱係數小的鉻—鎳不鏽鋼的焊接溫度場範圍最大，對效能變化及發生應力變形的影響最大。
2、比熱容。1g物質每公升高10c所需的熱能稱為比熱容。銅、鋁、低碳鋼和不鏽鋼，它們的比熱容依次遞減，因此在相同熱源的作用下，不鏽鋼的溫公升較高，所以它的溫度場的範圍大。
3、板厚。焊接熱源的熱量，在厚板中是沿著空間方向傳播的；而薄板中熱的傳播，可以看做是在平面方向上進行的。因此，當熱源相同，功率相同，焊接速度相同時，不同板厚的溫度場也是不同的。
除上述以外，影響焊接溫度場的因素還有接頭的形式、坡口、間隙以及預熱溫度等。
五、焊接熱迴圈
焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間變化的過程，叫該點的焊接熱迴圈。當熱源向該點靠近時，該點的溫度隨之公升高，直至達到最大值。隨著熱源的離開，溫度又逐漸降低，整個過程可以用一條熱迴圈曲線表示。
焊接熱迴圈可描述焊接過程中熱源對母材金屬的熱作用。說明焊接是乙個不均勻加熱和冷卻的過程，也可以說焊接是一種特殊的熱處理過程，因此，使焊接熱影響區具有不均勻的組織、效能和複雜的應力應變。
六、焊接線能量
（焊接熱輸入）熔焊時，由焊接熱源輸入給單位長度焊縫上的能量稱為焊接線能量。焊接線能量表示式為：e0=ui/v e0-焊接線能量（j/cm） u-電弧電壓(v) i-焊接電流 (a) v－焊接速度(cm/s)
七、焊接過程的熱效率
由熱源提供的熱量在焊接過程中並不能全部被利用，將有一部分熱量損失於周圍介質中和飛濺中等。所以真正用於焊接的熱量只是熱源提供熱量的一部分。
熱效率的定義為：η＝q/q0 (η—熱效率或加熱功率的有效係數； q0—熱源提供的熱量； q—用於加熱焊件的有效熱量)。η在一定條件下是常數，它主要取決於熱源的性質，焊接工藝方法，焊接材料的種類，母材的種類及焊件的形狀、尺寸等因素。
電弧的功率:q0=ui (q0 —電弧功率; u—電弧電壓； i—焊接電流)。
由於能量不是全部用於加熱焊件，所以真正用於加熱焊件的有效功率為:q=ηui。
電弧焊的熱效率受許多因素的影響。不同焊接方法的電弧熱效率見表1-3-2。
表 1-3-2不同焊接方法的電弧熱效率
第三節焊接接頭
一、焊接接頭的結構
用焊接方法連線的接頭叫做焊接接頭（簡稱接頭）。焊接接頭是由焊縫、熔合區和熱影響區所組成，如圖1-3-1所示。
圖1-3-1 焊接接頭示意圖
（a）熔焊接頭（b）點焊接頭（c）對焊接頭
1—焊縫 2—熔合區 3—熱影響區
熔焊焊接接頭可有多種形式，最常見的典型接頭有對接接頭、角接接頭、丁字接頭、搭接接頭等。為使待焊部位滿足焊接施工工藝要求（如熔透、成形及焊接電弧可達性等），以形成優質焊接接頭，常需要將待焊部位預加工成一定形狀，即坡口加工。常見坡口形式如i形坡口、v形坡口、u形坡口、x形坡口。
（一）、焊縫
焊縫是指焊件經焊接後形成的結合部分。熔焊時，焊縫金屬是由熔化的母材和熔化的填充金屬（焊條或焊絲）按比例（決定於焊接工藝引數）混合而成，有時全部由熔化的母材構成（自熔焊接或不加填充金屬的焊接方法）。
1、熔合比
熔焊時，被熔化的母材金屬在焊縫金屬中所佔的比例常用「熔合比」表示。
熔合比與焊接方法、焊接工藝引數、接頭尺寸形狀、坡口形狀、焊道數目以及母材熱物理性質有關。
由於熔合比不同，即使採用同一焊接材料，焊縫的化學組成也不會相同，因此，效能也不同。通常，填充金屬的成分與母材成分是不相同的，特別是異種金屬焊接或合金堆焊時。當堆焊金屬的合金成分主要來自填充金屬時，區域性熔化了的母材對堆焊金屬的影響可以認為是稀釋了堆焊金屬。
因此，熔合比又常稱為稀釋率。
當熔合比時，即焊縫金屬完全由填充金屬熔敷而成，這種焊縫金屬稱為熔敷金屬。
2、焊縫形狀尺寸及焊縫成形係數
（1）、焊縫寬度：焊縫表面兩焊趾之間的距離（焊縫表面與母材的交界處稱為焊趾）。
（2）、餘高：超出母材表面連線上面的那部分焊縫金屬的最大高度。
（3）、焊縫厚度：在焊縫橫截面中，從焊縫正面到焊縫背面的距離。
（4）、焊縫計算厚度：設計焊縫時使用的焊縫厚度。對接焊縫焊透時，它等於焊件的厚度；角焊縫時，它等於在角焊縫橫截面內劃出的最大直角三角形中從直角的頂點到斜邊的垂直長度，習慣上也稱喉厚，如圖1-3-2所示。
（5）、焊縫成形係數：熔焊時，在單道焊縫橫截面上焊縫寬度（b）與焊縫計算厚度（h）的比值，即ε＝b/h，如圖1-3-3所示，叫做焊縫的形狀係數。焊縫成形係數ε的大小直接影響熔池中氣體逸出的難易、熔池的結晶方向、焊縫中心偏析嚴重程式以及裂紋的產生等。
一般熔焊希望ε≤1，為了控制焊縫成形係數，必須合理調整焊接引數。隨電流的增大而減小，隨電壓增大而增大，焊接速度增大時減小。
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