机械制造基础第八章焊接

机械制造基础第八章焊接主讲：仝勖峰西安电子科技大学本章内容焊接的基本原理和常用的焊接方法；金属材料的焊接性和常用金属材料的焊接；焊接结构的特点及结构工艺性。一、焊接的实质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。焊件可以是金属材料，也可以是非金属材料，如塑料、玻璃等。焊接的本质是使焊件达到原子间的结合。一、焊接的实质特点：1.与铆接相比,工艺简单省金属,密封性好；2.性能可靠质量保,焊接接头力学性能高、较高的强度，承载能力能可以达到与工件材质相等的水平。3.易于控制效率高,易于机械化、自动化。4.由小拼大异材焊,并能将不同材质连接成整体，制造双金属结构等。一、焊接的实质焊接技术至99年底已有95种焊接方法，按焊接过程特点，分三大类：熔焊、压焊和钎焊。二、常用焊接方法目前在生产上常用的焊接方法有：焊条电弧焊、气焊、埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊、电阻焊、钎焊、摩擦焊等。我们主要给大家介绍电弧焊的特性、典型的电弧焊方法、以及钎焊、摩擦焊的常用方法。（一）电弧焊电弧焊属于熔化焊，电弧是熔化的能源。1、焊接电弧电弧的实质是电极与工件之间的气体介质产生强烈持久的放电现象，气体放电的一种特殊形式。电弧放电过程是将电能转换成热能，伴有强烈的弧光。产生电弧的电极可以是金属丝、钨极、碳棒。电弧的构造根据其物理特征,沿长度方向分为：阴极区、阳极区和弧柱区三部分1、焊接电弧由于阴极区发射电子要消耗一定的能量，而阳极区不发射电子，不消耗发射电子所需的能量。阴极温度约为2400K，阳极约为2600K，弧柱中心5000～8000K。2、正接法与反接法采用直流电焊接时，当焊机的正极与焊件相接，负极与焊条相接时，称为正接法或正极性；反之，当焊机的负极与焊件相接，正极与焊条相接时，称为反接法或反极性。2、正接法与反接法阴极区的温度小，焊接厚钢板时，应采用正接法，熔深大；焊接薄板时应采用反接法。使用低氢型焊条(E5015)时,都应反接法,以保证电弧燃烧稳定,减少飞溅现象和降低气孔倾向。3、焊接过程1）焊接冶金过程特点：（1）熔池小，反应不充分；（2）温度高，元素烧损多。2）为保证焊缝质量，焊接中应：（1）渣(气)保护；减少危害（2）掺加合元，调节性能。4、焊接接头的组织和性能1）焊接工件上温度的变化与分布焊接过程中工件焊缝周围相当于进行了一次不同规范的热处理。4、焊接接头的组织和性能2）焊接接头的组织与性能（1）焊缝（熔敷金属）柱状铸态组织(铁素体＋少量珠光体)快速冷却＋药皮掺加合元＝焊缝金属性能不低于被焊母材4、焊接接头的组织和性能（2）焊接热影响区熔合区—决定接头的性能过热区—A长大塑、韧性低，脆性大正火区—得均匀细小F+P组织性能优;部分相变区—晶粒不匀，较正火区稍差;再结晶区—F与P得以细化。4、焊接接头的组织和性能4、焊接接头的组织和性能3）改善焊接热影响区组织与性能的方法细定工艺措施，再附以焊后正火处理；重要工件可另选方法。5、焊接应力与变形1）焊接应力（1）焊接应力的产生焊接过程是一个不均匀的加热过程。焊件各部位在热胀冷缩和塑性变形的影响下产生内应力、变形或裂纹。（2）焊接时内应力存在规律：加热膨胀受阻（受压：“—”）冷却收缩又阻（受拉：“＋”）5、焊接应力与变形（3）防止产生应力的措施选塑性材，合理布置焊缝；正确焊序，焊前预热，降温差；焊后退火等工艺措施。5、焊接应力与变形变形主要为收缩、角弯曲、扭曲与波浪5、焊接应力与变形2）反变形的措施以毒攻毒反变形；刚性夹持对塑性；焊接顺序规定好；机械矫正消变形;火焰矫正倒三角5、焊接应力与变形5、焊接应力与变形6、焊条电弧焊用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法。电焊条＝焊芯＋药皮6、焊条电弧焊1）焊芯焊芯主要作用一是传导电流，二是焊芯本身熔化作为填充材料。焊芯在焊缝中约占50%～70%。熔化焊用钢丝牌号和化学成分应按GB/T14957-1994标准规定，其中常用钢号有H08A、H08E、H08C、H08MnA、H15A、H15Mn等。焊芯直径称为焊条直径,从φ1.6~φ8(mm),生产中多用φ3.2mm、φ4mm和φ5mm。6、焊条电弧焊2）焊条药皮药皮的主要作用：一是，利用渣、气对焊焊熔池起机械保护作用；二是，进行物、化反应除杂质，补有益元素，保证焊缝的成分和力学性能；三是，改善工艺性能，能稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣等。6、焊条电弧焊根据药皮组成物在焊接中的作用可分为稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、增塑剂、黏结剂和成形剂等。并将药皮分为若干类型。如钛钙型，低氢钠型、低氢钾型等。6、焊条电弧焊3）焊条分类和型号编制（1）按焊条的用途分为：6、焊条电弧焊3）焊条分类和型号编制（2）根据GB/T5117－95《碳钢焊条》标准规定,碳钢焊条型号根据熔敷金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类进行划分。6、焊条电弧焊碳钢焊条型号编排以字母E后加四位数字表示其中：“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为Kgf/mm2（×9.81MPa）；第三位数字表示焊条的焊接位置，“O”及“1”表示焊条适用于全位置焊接，“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；6、焊条电弧焊三、四位数组合表示电流种类和药皮类型。碳钢焊条型号举例：E5015药皮为低氢钠型，宜直流反接焊条适用于全位置焊接熔敷金属抗拉强度最小值(Kgf/mm2)6、焊条电弧焊4）焊条的选择原则（1）强度相等的原则如焊件材料Q235A钢的抗拉强度为420MPa，则焊条应选用E43系列的焊条。（2）重要件选碱性条如焊缝要求塑性好,冲击韧度、抗裂性高、低温性能好时,应选用碱性焊条.酸性焊条便宜。6、焊条电弧焊（3）强度不等就低选低碳钢与低合金钢焊接、或不同强度等级的低合金钢焊接,应选与较低强度等级钢材的焊条。（4）根据现场条件选当应按焊接生产率及设备等条件。一般选用酸性焊条使焊接成本降低。（5）根据焊接材料选如不锈钢、耐热钢要选用相应的专用焊条。（二）埋弧自动焊埋弧自动焊是将焊条电弧焊的引弧、焊条送进、电弧移动几个动作改由机械自动完成，电弧在焊剂层下燃烧，故称为埋弧自动焊。1、埋弧自动焊焊接过程焊接时，电源的两级分别接在导电嘴和焊件上，在焊丝周围撒上焊剂，然后接通电源。当焊丝和焊件间引燃电弧后，电弧的热量使周围的焊剂熔化形成熔渣，部分焊剂分解、蒸发成气体，气体排开熔渣形成一个气泡，电弧就在这个气泡中燃烧。焊丝与被焊材料融化后形成熔池，熔池上覆盖一层熔渣，熔渣外部是未熔化的焊剂，形成的气体保护着熔池，使其与空气隔离。未熔化的焊剂不仅可以隔离空气，还可以屏蔽电弧光的作用，也提高了电弧热效率。2、埋弧自动焊特点1）生产率高比焊条电弧焊高6～8倍，不需要更换焊条，没有飞溅。同时，没有辐射，热效率高。2）焊缝质量好由于焊剂和熔渣的保护作用，使金属凝固速度缩短，冶金反应充足，减少了气孔、裂纹等缺陷的可能性。3）焊接成本低不需要加工坡口，且节省焊接材料2、埋弧自动焊特点4）劳动条件好实现了机械化，改善了劳动条件，没有弧光，没有飞溅。同时，没有辐射，有害气体排放少。5）应用受限多埋弧自动焊适应性差，只能焊接平焊位置，通常焊接直缝和环缝，不能焊接空间位置焊缝和不规则焊缝。设备结构复杂，投资大，准备工作多。（三）气体保护焊1）氩弧焊氩弧焊是使用氩气做为保护气体的气体保护焊。氩弧焊分为钨极（非熔化极）氩弧焊和熔化极氩弧焊。钨极氩弧焊焊接时，电极不熔化，只起导电和产生电弧的作用，可以选择与母体金属接近的金属条做为补充金属。熔化极氩弧焊以连续送进的焊丝做为电极，与埋弧自动焊类似。（三）气体保护焊特点：可焊金属多，有色金属、不锈钢和各种合金。焊缝质量好，电弧稳定，焊池温度容易控制。热影响区域小，热量集中，熔池小。生产成本高。（三）气体保护焊2）二氧化碳气体保护焊以二氧化碳做为保护气体的气体保护焊，以焊丝做为电极，以自动或半自动方式进行熔化焊。特点：成本低；生产效率高；操作简单；焊缝质量好。（四）电渣焊电渣焊是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热加热熔化母材与电极的焊接方法。焊接时，引燃电弧熔化焊剂和工件，形成熔渣和熔池，待熔渣有一定深度后，增加送丝速度，使焊丝插入渣池，电弧便熄灭，转入电渣过程。这时，电流通过电渣产生电阻热，将工件和电极熔化，形成金属熔池沉入渣池下面。冷却凝固为焊缝。特点：适合焊接厚件，生产成本低；焊缝金属纯净，电渣保护好，焊缝内部质量好。（五）电阻焊电阻焊是焊件组合后，利用通过电极的电流在通过接头的接触面时产生的电阻热，将焊接接头附近及临近区域加热到塑性变形或局部熔化状态，再施加压力，形成焊接接头的焊接方法。一般有点焊、缝焊和对焊三种。（五）电阻焊特点：生产率高，焊接变形小；劳动条件好，操作方便；适合大批量生产，在自动化生产线应用较多。设备复杂，投资大，耗电大。接头形式和工件厚度受限制。（六）钎焊钎焊是采用熔点比母材低的金属材料做为钎料，将焊件与钎料加工到高于钎料熔点，低于母材熔点的温度，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焊接。钎焊焊接变形小，焊件尺寸精确，可以焊接异种材料和一些其它方法难以焊接的特种结构（如蜂窝状结构）。生产效率高，易实现自动化。主要用于精密仪表、电气零部件、异种金属结构、复杂薄板结构及硬质合金的焊接。三、常见金属的焊接（一）金属材料的焊接性（GB/T3375-94）：材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件并满足预定服役要求的能力。焊接性是一个相对概念，非一成不变也！焊接性受：材料、焊接方法、构件类型、使用要求等因素影响。焊接性的好坏从两个方面来衡量：1、工艺焊接性焊接工艺的优劣，产生缺陷的倾向；2、使用焊接性接头在使用中的可靠性，如力学性能、和其他性能。（二）碳钢的焊接1、低碳钢的焊接低碳钢含碳量≤0.25％没有淬硬、冷裂倾向，焊接性良好；通常无须热处理。当厚度大于50mm的结构在低温焊接时：1）需预热焊件（100～150℃）；2）或用大电流多层焊；3）焊后进行去应力退火或正火。低碳钢适宜各种焊接方法。应用较广有：焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、电渣焊和电阻焊。（二）碳钢的焊接2、中、高碳钢的焊接中、高碳钢Wc0.25％以上，属淬硬钢，含碳量增加，淬硬、裂纹倾向增加，焊接性明显变差。为此措施有：1）选用合适的焊条(选用细焊条)；2）焊前预热；开坡口；小电流；3）多层焊及焊后缓冷等。（三）合金结构钢的焊接合金结构钢分为机械制造用合金结构钢和低合金高强度钢（工程:桥梁、建筑、车辆、船舶等用钢）低合金高强度钢焊接特点：淬硬和裂纹倾向增大！焊接方法与工艺：一般按（屈服）强度分等级，常用焊条电弧焊和埋弧焊焊接。（四）不锈钢的焊接不锈钢按空冷后室温组织不同可分为：1）马氏体型（M）不锈钢（3Cr13）；2）铁素体型(F)不锈钢（1Cr17）；3）奥氏体型(A)铬镍不锈钢（1Cr18Ni9或Cr25Ni20）但应用最广的是奥氏体型铬镍不锈钢。奥氏体型不锈钢焊接性良好，一般不需要采取特殊的工艺措施，通常应用焊条电弧焊、钨极氩弧焊或埋弧焊。关键焊条（丝）要对应于被焊母材化学成分类型相同。（五）铸铁的焊接铸铁含碳高，塑性差，属于焊接性很差的材料。生产中对于铸铁主要是对缺陷进行焊接修补。铸铁在焊补中的表现：易出现白口组织、焊接裂纹、气孔等缺陷。根据铸铁的焊接表现，铸铁的焊补常采用方法有：气焊、焊条电弧焊（个别大件可用电渣焊）。（五）铸铁的焊接铸铁焊补按焊前是否预热可分为：热焊法和冷焊法。1）热焊法焊前预热（600～700℃），焊后缓冷。能防止白口和裂纹，焊质好；焊后可切削。但成本高，劳动条件差。对铸铁进行热焊补使用气焊比较方便。专用铸铁棒焊条，配以CJ201气焊焊剂。2）冷焊法焊补前工件不预热（或400℃）。冷焊法方便、灵活、效率高、成本低、劳动条件好。冷焊法关键：焊条的选用。冷焊法以焊条电弧焊为多。（六）有色金属的焊接1、铜及铜合金的焊接比低碳钢的焊接困难的多，