焊接热影响区的性能变化及消除应力的工艺措施

焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。

促使原子和分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加压，或同时加热又加压。

金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊、压焊和钎焊三大类。

图3-10 粉末冶金部件

注：粉末冶金的尺寸精度和表面粗糙度可媲美机械切削加工，而生产效率和外形复杂性则与注塑相当。

熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。

在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸气等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。

为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池率；又如钢材焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。

压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。

各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有像熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。

钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。

焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。

另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。

在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展晚，但其发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也在不断增加。

超声波焊接是近代出现的一种先进的焊接技术，不仅可应用于金属之间的焊接，也可应用于塑料之间的焊接。

超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。超声波金属焊接是一种机械处理过程，在焊接过程中，并无电流在被焊件中流过，也无诸如电焊模式的焊弧产生，由于超声焊接不存在热传导与电阻率等问题，因此对于有色金属材料来说，无疑是一种理想的金属焊接设备系统，对于不同厚度的片材，能有效地进行焊接。

超声波塑料焊接是当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。

1.材料种类

焊接原多用于钢材之间的连接，随着生产工艺的改进，各种金属和非金属的焊接应用也日渐广泛。(www.xing528.com)

2.工艺

减少焊接应力与变形的措施，应按焊接结构的具体情况来决定。例如，焊接厚度较大的钢板或补焊刚性较大的铸件缺陷时，焊件不易变形而是产生较大的应力，此时就要设法减小或消除焊接应力，以防止裂缝的产生；焊接厚度不大的低碳钢钢板时，焊件易变形而焊接应力较小，此时则需要采取预防或矫正变形的措施，使构件获得所需要的形状和尺寸。

（1）变形

防止和减少焊接变形的工艺措施包括：

1）反变形法：用试验或计算方法，预先确定焊后可能发生的变形大小和方向，将工件安放在相反方向的位置上；或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊后所发生的变形。

2）加裕量法：根据经验，在工件下料尺寸上加一定裕量，通常为0.1%～0.2%，以补充焊后的收缩。

3）刚性夹持法：焊前将工件固定夹紧，焊后变形即可大大缩小。固定夹紧的方法较多，可用简单的夹具或刚性支撑，甚至可将工件临时点固焊在工作平台上。批量生产时，则常用装配焊接专用胎夹具。但刚性夹持法只适用于塑性较好的低碳钢结构，对淬硬性较大的钢材及铸铁不能使用，以免焊后产生裂缝。

4）选择合理的焊接次序：如构件的对称两侧都有焊缝，应该设法使两侧焊缝的收缩能互相抵消或减弱。

（2）矫正

在实际生产中，即使采用上述措施，焊后有时仍会产生超过允许值的变形，为确保结构形状与尺寸要求，常需进行矫正。矫正的实质是使结构产生新的变形，以抵消焊接时已经产生的变形。生产中常用的矫正方法有机械矫正法与火焰加热矫正法两种。

1）机械矫正法：是利用机械外力的作用来矫正变形，可采用辊床、压力机、矫直机等机械外力，也可用手工锤击矫正。

2）火焰加热矫正法：利用氧-乙炔火焰在焊件适当部位上加热，使工件在冷却收缩时产生新的变形，以矫正焊接所产生的变形。该方法主要用于低碳钢和部分普通低合金结构钢。

（3）应力

减少焊接应力的工艺措施包括：

1）选择合理的焊接次序：焊接平面形工件上的焊缝，应保证焊缝的纵向与横向收缩能够比较自由，如变形受阻，焊接应力就要加大。

2）预热法：最有效的减少焊接应力的方法是焊前预热，即在焊前将工件预热，然后再进行焊接。预热可使焊缝区金属和周围金属的温差减小，焊后又可比较均匀地同时缓慢冷却收缩，因此可显著减小焊接应力，同时可减少焊接变形。

3）焊后退火处理：焊后退火是最常用的也最有效的消除焊接应力的一种方法。它是焊后将工件均匀加热到600～650℃，保温一定时间（不小于1h），而后缓慢冷却。整体退火处理一般可消除80%～90%的焊接残余应力。

3.部品

打印机里面利用焊接加工的部品不多，但多是起关键作用的部品（见图3-11）。