机械制造基础之焊接技术

机械制造基础第4章焊接4.1概述焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。1、焊接方法的分类焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。2、焊接方法的主要特点•节省材料，减轻重量，焊接的金属结构件可比铆接节省材料10％～25％；•适应性强。•满足特殊连接要求。•降低劳动强度，改善劳动条件。3、焊接方法在工业生产中主要应用•制造金属结构件•制造机器零件和工具•修复4.2手工电弧焊手工电弧焊按电极材料的不同可分为：•熔化极手工电弧焊•非熔化极手工电弧焊1、手工电弧焊工作原理右图为手工电弧焊示意图，图中的电路是以弧焊电源为起点，通过焊接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电缆形成回路。在有电弧存在时形成闭合回路，形成焊接过程。焊条和工件在这里既作为焊接材料，也作为导体。焊接开始后，电弧的高热瞬间熔化了焊条端部和电弧下面的工件表面，使之形成熔池，焊条端部的熔化金属以细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。手工电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。电源分为交流电和直流电两种。•使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；•使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，则应选用直流弧焊机。当采用某些碱性药皮焊条时，如结507时，必须选用直流焊接电源，而且要注意此时应将电焊机的负极接工件，正极接焊条，称为直流反接法；反之称为正接法。如图所示。（a）正接法（b）反接法2、焊接电弧焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。（1）电弧的引燃电弧是一种气体导电现象。气体在一般情况下是不导电的，要使气体导电，须将两个电极之间的气体电离，即将中性气体粒子分解为带电粒子，并在两电极间产生一定的电压，使这些带电离子在电场作用下做定向运动，两个电极间的气体中就能连续不断地通过很大的电流，从而形成连续燃烧的电弧。电极间的带电粒子可以通过阴极的电子发射与电极间气体的不断电离得到补充。电弧放电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。焊接时,先将焊条与焊件瞬时接触，发生短路。强大的短路电流流经少数几个接触点，致使接触点处温度急剧升高并熔化，甚至部分发生蒸发。当焊条迅速提起时，焊条头温度已升得很高，在两电极间的电场作用下，产生了热电子发射。飞速的电子撞击焊条端头与焊件间的空气，使之电离成正离子和负离子。电子和负离子流向正极，正离子流向负极。这些带电粒子的定向运动形成了焊接电弧。（2）电弧的组成焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。•在钢焊条的电弧中，电弧弧柱区的温度高达5000K以上；•阴极区和阳极区的温度较低，分别约为2400K和2600K。阴极区和阳极区的几何长度很小，仅为10-5～10-4cm。3、焊缝的形成（1）焊缝的形成过程焊接时，在电弧高热的作用下，被焊金属局部熔化，再在电弧的吹力作用下，被焊金属上形成了熔池。由于焊接时焊条倾斜，在电弧的吹力作用下，熔池的金属被排向熔池后方，这样电弧就能不断地使深处的被焊金属熔化，达到一定的熔深。焊条药皮熔化过程中会产生某种气体和液态熔渣。产生的气体充满在电弧和熔池的周围，起到隔绝空气的作用。液态熔渣浮在液体金属表面，起保护液体金属的作用。此外，熔化的焊条金属向熔池过渡，不断填充焊缝。4.2.3焊条1.焊条组成和作用焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊芯是金属丝，药皮是压涂在焊芯表面的涂料层。•焊芯的作用：一是作为电极传导电流，二是熔化后作为填充金属与母材形成焊缝。•药皮的作用：一是改善焊接工艺性，如药皮中含有稳弧剂，使电弧易于引燃和保持燃烧稳定。二是对焊接区起保护作用。药皮中含有造渣剂、造气剂等，造渣后熔渣与药皮中有机物燃烧产生的气体对焊缝金属起双重保护作用。三是起有益的冶金化学作用。药皮中含有脱氧剂、合金剂、稀渣剂等，使熔化金属顺利地进行脱氧、脱硫、去氢等冶金化学反应，并补充被烧损的合金元素。2.焊条的分类•焊条按用途不同分为十大类：结构钢焊条，钼和铬钼耐热钢焊条，低温钢焊条，不锈钢焊条，堆焊焊条，铸铁焊条，镍及镍合金焊条，铜及铜合金焊条，铝及铝合金焊条，特殊用途焊条等。其中结构钢焊条分为碳钢焊条和低合金钢焊条两部分。•结构钢焊条按药皮性质不同可分为•酸性焊条酸性焊条的药皮中含有多量酸性氧化物（如SiO2，MnO2等）•碱性焊条碱性焊条药皮中含有多量碱性氧化物（如CaO等）和萤石（CaF2）。由于碱性焊条药皮中不含有机物，药皮产生的保护气体中氢含量极少，所以又称为低氢焊条。3.焊条型号与牌号焊条型号是国家标准中规定的焊条代号。焊接结构生产中应用最广的碳钢焊条和低合金钢焊条，相应的国家标准为GB/T5117-1995和GB/T5118-1995。标准规定，碳钢焊条型号由字母“E”和四位数字组成。如“E4303”，其含义如下：E4303第三位和第四位数字组合时代表焊接电流种类和药皮类型代表焊条适用的焊接位置（“0”、“1”全位置焊接，“2”适于平焊，“4”适于向下立焊）代表熔敷金属抗拉强度不低于430Mpa代表焊条4.焊条的选用原则•等强度原则：焊接低碳钢和低合金钢时。一般应使焊缝金属与母材等强度，即选用与母材同强度等级的焊条。•同成分原则：焊接耐热钢、不锈钢等金属材料时，应使焊缝金属的化学成分与母材的化学成分相同或相近，即按母材化学成分选用相应成分的焊条。•抗裂缝原则：焊接刚度大、形状复杂、要承受动载荷的焊接结构时，应选用抗裂性好的碱性焊条，以免在焊接和使用过程中接头产生裂纹。•抗气孔原则：受焊接工艺条件的限制，如对焊件接头部位的油污、铁锈等清理不便，应选用抗气孔能力强的酸性焊条，以免焊接过程中气体滞留于焊缝中，形成气孔。•低成本原则：在满足使用要求的前提下，尽量选用工艺性能好、成本低和效率高的焊条。此外，应根据焊件的厚度、焊缝位置等条件，选用不同直径的焊条。一般焊件愈厚，选用焊条的直径就愈大。4.2.4焊接接头的金属组织与性能1.焊接工件上温度的变化与分布在焊接过程中，焊缝区的金属都是由常温状态开始被加热到较高的温度，然后再逐渐冷却到常温。但随着各点金属所在位置的不同，其最高加热温度是不同的。由于各点离焊缝中心距离不同，所以各点的最高温度不同。又因热传导需要一定时间，所以各点是在不同时间达到该点最高温度的。2.焊接接头金属组织与性能的变化焊缝以及其周围受不同程度加热和冷却的母材是焊缝的热影响区，总称为焊接接头。1）焊缝金属•因结晶是从熔池底壁的半熔化区开始逐次进行的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，将影响焊缝的力学性能，因此对焊条或其他焊接材料应慎重选用。•焊接时，熔池金属受电弧吹力和保护气体吹动，使熔池底壁的柱状晶体成长受到干扰，因此柱状晶体呈倾斜层状，晶粒有所细化。又因焊接材料的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素含量可能比基本金属高，所以焊缝金属的性能可不低于基本金属。2）焊接热影响区是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织性能变化的区域。由于焊缝附近各点受热情况不同，热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区等。•熔合区是焊缝和基本金属的交界区，相当于加热到固相线和液相线之间，焊接过程中母材部分熔化，所以也称为半熔化区。熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化金属因加热温度过高而成为过热粗晶。在低碳钢焊接接头中，熔合区虽然很窄（约0.1～1mm），但因强度、塑性和韧性都下降，而此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定着焊接接头的性能。•过热区被加热到Ac3以上100～200°C至固相线温度区间，奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因而过热区的塑性及韧性降低。对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。•正火区被加热到Ac3至Ac3以上100～200°C区间，金属发生重结晶，冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其机械性能优于母材。•部分相变区相当于加热到Ac1～Ac3温度区间。珠光体和部分铁素体发生重结晶，使晶粒细化；部分铁素体来不及转变，冷却后晶粒大小不匀，因此力学性能稍差。4.2.5焊接应力与变形金属构件在焊接以后，总要发生变形和产生焊接应力，且二者是彼此伴生的。焊接应力的存在，对构件质量、使用性能和焊后机械加工精度都有很大影响，甚至导致整个构件断裂；焊接变形不仅给装配工作带来很大困难，还会影响构件的工作性能。变形量超过允许数值时必须进行矫正，矫正无效时只能报废。因此，在设计和制造焊接结构时，应尽量减小焊接应力和变形。（1）焊接应力与变形的产生原因焊接过程中，对焊接件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。（2）焊接变形的基本形式常见的焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等五种形式。收缩变形是由于焊缝金属沿纵向和横向的焊后收缩而引起的；角变形是由于焊缝截面上下不对称，焊后沿横向上下收缩不均匀而引起的；弯曲变形是由于焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大而引起的；扭曲变形常常是由于焊接顺序不合理而引起的；波浪变形则是由于薄板焊接后焊缝收缩时，产生较大的收缩应力，使焊件丧失稳定性而引起的。（3）减少焊接应力与变形的措施除了设计时应考虑之外，可采取一定的工艺措施，有预留变形量、反变形法、刚性固定法、锤击焊缝法、加热“减应区”法等。重要的是，选择合理的焊接顺序，尽量使焊缝自由收缩。焊前预热和焊后缓冷也很有效。4.3其它焊接方法4.3.1埋弧自动焊通过保持在光焊丝和工件之间的电弧将金属加热，使被焊件之间形成刚性连接。•按自动化程度的不同，埋弧焊分为半自动焊（移动电弧由手工操作）和自动焊。这里所指的埋弧焊都是指埋弧自动焊，半自动焊已基本上由气体保护焊代替。1）埋弧自动焊的焊接过程2）埋弧自动焊的特点及应用•焊接质量好焊接过程能够自动控制。各项工艺参数可以调节到最佳数值。焊缝的化学成分比较均匀稳定。焊缝光洁平整，有害气体难以侵入，熔池金属冶金反应充分，焊接缺陷较少。•生产率高焊丝从导电嘴伸出长度较短，可用较大的焊接电流，而且连续施焊的时间较长，这样就能提高焊接速度。同时，焊件厚度在14mm以内的对接焊缝可不开坡口，不留间隙，一次焊成，故其生产率高。•节省焊接材料焊件可以不开坡口或开小坡口，可减少焊缝中焊丝的填充量，也可减少因加工坡口而消耗掉的焊件材料。同时，焊接时金属飞溅小，又没有焊条头的损失，所以可节省焊接材料。•易实现自动化，劳动条件好，劳动强度低，操作简单。•埋弧自动焊的缺点是：适应性差，通常只适用于水平位置焊接直缝和环缝，不能焊接空间焊缝和不规则焊缝，对坡口的加工、清理和装配质量要求较高。埋弧自动焊通常用于碳钢、低合金结构钢、不锈钢和耐热钢等中厚板结构的长直缝、直径大于300mm环缝的平焊。此外，它还用于耐磨、耐腐蚀合金的堆焊、大型球墨铸铁曲轴以及镍合金、铜合金等材料的焊接。4.2.2气体保护电弧焊气体保护焊是指用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。气体保护焊是明弧焊接，焊接时便于监视焊接过程，故操作方便，可实现全位置自动焊接，焊后还不用清渣，可节省大量辅助时间，大大提高了生产率。另外，由于保护气流对电弧有冷却压缩作用，电弧热量集中，因而焊接热影响区窄，工件变形小，特别适合于薄板焊接。（1）氩弧焊•氩气是一种惰性气体，在高温下，它不与金属和其他任何元素起化学反应，也不熔于金属，因此保护效果良好，所焊接头质量高。•按使用的电极不同，氩弧焊可分为不熔化极氩弧焊即钨极氩弧焊（TIG焊）和熔化极氩弧焊（MIG）两种氩弧焊是以氩(Ar)气作为保护气体的气体保护电弧焊。1）钨极氩弧焊（TIG焊）常采用熔点较高的钍钨棒或铈钨棒作为电极，焊接过程中电极本身不熔化，故属不熔化极电弧焊。钨极氩弧焊又分为手工焊和自动焊两种。焊接时填充焊丝在钨极前方添加。当焊接薄板时，一般不需开坡口和加填充焊丝。钨极氩弧焊的电流种类与极性的选择原则是：焊接铝、镁及其合金时，采用交流电；焊其他金属采用直流正接。由于钨极的载流能力有限，其电功率受到限制，所以钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度