第十一章焊接生产

工程材料与热加工基础—程晓宇《工程材料与热加工基础》第十一章焊接•机械工程系•金工教研室工程材料与热加工基础—程晓宇•引言•第一节焊接的基本原理•第二节焊条电弧焊•第三节其它焊接方法•第四节压焊与钎焊•第五节堆焊与热喷涂•第六节常用金属材料的焊接•第七节焊接结构设计•参考资料第十一章焊接工程材料与热加工基础—程晓宇引言•1、何为焊接？•焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。•1）.熔焊将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。•2）.压焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完成焊接的方法称为压焊。•3）.钎焊钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，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连接焊件的方法。工程材料与热加工基础—程晓宇2、焊接分类工程材料与热加工基础—程晓宇•一、焊接的实质•二、焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响•三、焊接应力与变形第一节焊接的基本原理工程材料与热加工基础—程晓宇一、焊接的实质•焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。•1.焊接电弧•由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。电弧燃烧后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热能和强烈的光。焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。如图3-1所示。阴极区是电弧紧靠负电极的区域，阴极区很窄，约为0.1um-0.01um，温度约为2400K。阳极区是指电弧紧靠正电极的区域，阳极区较阴极区宽，约为10um-1um，温度约为2600K。电弧阳极区和阴极区之间的部分称为弧柱，弧柱区温度最高，可达6000K-8000K。焊接电弧两端间（指电极端头和熔池表面间）的最短距离称为弧长。工程材料与热加工基础—程晓宇图11-1焊接电弧示意图工程材料与热加工基础—程晓宇•2.焊接的冶金特点1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均匀性，常常发生偏析、夹杂等缺陷。2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收电弧热量而分解成化学性质十分活泼的原子或离子状态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧化、脆化和其它缺陷。3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰铁等物质，除起到渗入合金作用、补充烧损元素外，亦可起到脱氧作用。4）焊缝中硫或磷的质量分数超过0.04%时，极易产生裂纹。因此，应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保证焊缝质量。工程材料与热加工基础—程晓宇图11-2低碳钢焊接热影响区的组织变化工程材料与热加工基础—程晓宇二、焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响•（一）焊接热循环•焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊缝。焊缝及其邻近区域的总称叫焊缝区。•在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度，然后再逐渐冷却到常温。由于焊件上各点所处的位置不同，其被加热的最高温度亦不相同；而热量的传递需要一定的时间，故各点达到其最高温度的时间亦不相同。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。工程材料与热加工基础—程晓宇•(二)焊缝区的金属组织与性能•1.焊缝金属区焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。熔焊时，是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域；电阻焊时，是指焊后形成的熔核部分。•焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，母材金属和填充金属熔化后共同形成液态熔池。冷却结晶是以熔池和母材交界处半熔化状态的母材金属晶粒为结晶核心，沿着垂直于散热面的反方向生长，成为柱状晶的铸态组织。•2.熔合区焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。此区是焊缝和母材金属的交界区，温度在固相线和液相线之间，焊接过程中母材金属部分熔化，故亦称半熔化区。熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成过热粗晶，其塑性和韧性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏。虽然此区只有0.1mm-0.4mm，但它对焊接接头的性能影响很大，是焊接接头的危险区域之一。工程材料与热加工基础—程晓宇•3.热影响区是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为以下四个区域：（1）过热区指焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。此区的温度范围为固相线至1100℃，因加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件，此区容易产生裂纹。（2）细晶区此区温度范围为Ac3以上，而尚未达到过热温度。由于焊后为空冷，相当于热处理后的正火组织，亦称正火区。此区的力学性能优于母材金属。工程材料与热加工基础—程晓宇•（3）不完全重结晶区此区温度范围为Ac3至Ac1之间。在此区间珠光体已转变为奥氏体，部分铁素体深入奥氏体，尚未溶入奥氏体的铁素体晶粒不断长大。空冷时，奥氏体又折出较细的铁素体，到Ar1线时，残余奥氏体直接转变为共析组织珠光体，未深入奥氏体的铁素体却将粗大晶粒保持下来，亦称部分相变区。该区金相组织很不均匀，力学性能较差。（4）再结晶区此区温度范围在Ac1至500℃-450℃之间。焊前经过冷变形加工的焊件，由于母材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生回复及再结晶而细化，其力学性能提高。焊前未经冷加工变形的焊件不存在再结晶区。s工程材料与热加工基础—程晓宇图11－3平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图工程材料与热加工基础—程晓宇•(二)焊接裂纹与焊接变形的形式•焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接裂纹包括纵向裂纹、横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等，见图11-4。图11-4焊接变形形式(a)工程材料与热加工基础—程晓宇图11-4焊接变形形式(b)图11-4焊接变形形式(c)工程材料与热加工基础—程晓宇图11-4焊接变形形式(d)工程材料与热加工基础—程晓宇•(三)预防和减小焊接应力及焊接变形的措施•1.合理设计焊接结构尽量减少焊缝及焊缝的长度和截面积，并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等，详见焊接结构工艺性一节。•2.焊前预热焊前对焊件预热，可减少焊件各部分的温差，对减小焊接应力与变形较为有效。重要焊件可整体预热，还有局部预热即焊前选择焊件的合理部位局部加热使其伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。•3.反变形法根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度，以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。工程材料与热加工基础—程晓宇•4.刚性固定法采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不能完全消除焊后残余变形。•5.选择合理的焊接顺序应尽量使焊缝的纵向和横向都能自由收缩，避免交叉焊缝处应力过大产生裂纹；采用对称焊接顺序以减小变形；长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法。•6.锤击焊缝法用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤击，以延伸变形，补偿其收缩，同时释放出部分能量，减小焊接应力和变形。•7.强迫冷却法将焊缝区的热量迅速散掉，使焊接时金属受热面积减小，此法又称散热法。•8.焊后热处理采取去应力退火的方法将焊件整体或局部加热到600℃-650℃，保温一定时间后（不小于1h）缓慢冷却，这样可消除焊接余应力80％-90％。工程材料与热加工基础—程晓宇•(四)接变形的矫正•1.机械矫正法即用机械的方法将变形矫正过来，生产中常用的设备有辊床、压力机、矫直机等；薄板焊接最常见的变形为波浪变形，其矫正较难，一般用锤击法进行矫正•2.火焰矫正法采用局部加热焊件的某些部位，使其受热时膨胀，受周围冷金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而矫正变形。工程材料与热加工基础—程晓宇•电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊具有设备简单，操作灵活，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，是生产中应用最广的焊接方法。但焊条电弧焊时有强烈弧光和烟尘污染，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求较高，焊接质量不够稳定。因此，主要应用于单件小批量生产中焊接碳素钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢和对铸铁的补焊等。适宜板厚为3mm-20mm。•一、焊条电弧焊电源•二、焊条•三、焊条电弧焊接工艺规范第二节焊条电弧焊工程材料与热加工基础—程晓宇一、焊条电弧焊电源•1.电源的要求•焊条电弧焊电源应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；当电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；还应保证焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；同时焊接电流应能灵活调节，以适应不同的焊件及焊条的要求。•2.电源种类•（1）交流弧焊机它是一种特殊的降压变压器，具有结构简单、噪声小、成本低等优点，但电弧稳定性较差。•（2）直流弧焊机直流弧焊机有弧焊发电机（由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发电机组成）和焊接整流器（整流式直流弧焊机）两种类型。工程材料与热加工基础—程晓宇二、焊条•焊条的组成和作用•焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。•焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又溶化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属；药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气，起保护作用，防止空气进入焊缝；同时具有冶金作用，如脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等；并具有稳弧、脱渣等作用，以保证焊条具有良好的工艺性能，形成美观的焊缝。工程材料与热加工基础—程晓宇•2.焊条的分类•(1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类•1）酸性焊条溶渣呈酸性，药皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化物。•2）碱性焊条熔渣呈碱性，药皮的主要成分为CaCo3和CaF2。•(2)焊条按用途可分为十一大类碳钢焊条、低合金钢焊条、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。工程材料与热加工基础—程晓宇•(3)焊条型号•由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法。如标准规定碳钢焊条型号为E××××，其中，字母E表示焊条；前二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊接位置，0及1表示焊条适用于全位置（平焊、立焊、横焊、仰焊）焊接，2为平焊及平角焊，4表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。在第四位数字后附加R表示耐吸潮焊条；附加M表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；附加-1表示冲击性能有特殊规定的焊条。工程材料与热加工基础—程晓宇•3.焊条的选用•（1）按强度等级和化学成分选用•1）焊接一般结构，如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选与焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近。•2）焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条。•3）焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条。•4）焊件碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。•5）焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素的质量分数较高，而且多数铸件厚度、刚度较大，形状复杂，故一般选用碱性焊条。工程材料与热加工基础—程晓宇•（2）按焊件的工况条件选用焊条•1）焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条。•2）焊接承受静载的结构件时，应选用酸性焊条。•3）焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用酸性焊条。•4）焊接在特