第四章焊接成型机械制造基础

第4章焊接成型Chapter4Welding我国2004年用钢量为3.12亿吨，占全球钢产量的33%，其中1.6亿吨用于焊接结构，约占用钢量的51%。何为焊接用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，获得不可拆卸接头的材料成形方法。从冶金角度分:液相焊接、固相焊接和固液焊接熔化焊是典型的液相焊接：电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等；压力焊是典型的固相焊接:电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等；钎焊是典型的固液焊接：软钎焊、硬钎焊。焊接分类焊接特点优点：(1)接头力学性能好，使用性能好（牢固、密封性好)；(2)某些零件只能采用焊接工艺；(3)可化大为小、以小拼大；(4)可实现异种金属的连接；(5)与铆接相比，焊接制造的金属结构重量轻，节约原材料，制造周期短，成本低。缺点：(1)接头组织和性能与母材不同；(2)焊接应力变形大；(3)接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。焊接用处重型金属结构行业汽车制造行业船舶制造业电子制造业本章内容4.1熔焊4.2压力焊4.3钎焊4.4焊接接头4.5金属可焊性4.6焊接结构的设计4.7焊接新工艺4.1熔化焊接熔化焊三要素“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。热源能量要集中，温度要高。保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的有电弧、电渣热、电子束和激光。熔池的保护可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。4.1.1焊条电弧焊（手工电弧焊）“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机原理与本质：药皮：不断地分解、熔化生成气体及熔渣，保护焊条端部、电弧、熔池及其附近区域，防止大气对熔化金属的有害污染。焊芯：在电弧热作用下不断熔化，进入熔池，成为焊缝的填充金属。①引弧②形成熔池③形成焊缝“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机焊接电弧定义：电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧的三个区阴极区2600ºC阳极区6000-8000ºC弧柱区2400ºC2.电弧的构造及极性电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区所构成的，如图3-46所示。各区域的温度随所用电极材料而不同。不同电极材料的阴极、阳极的温度可以高达2000~4200K，一般阳极温度高于阴极温度，且多低于电极材料的沸点，但都可以使大多数的处于电弧阴极或阳极的金属达到熔化温度，并可能产生少量金属原子蒸气。弧柱区的温度受电极材料、气体介质、电极大小等因素的影响，弧柱区温度可在5000~30000K之间。钢焊条焊接时，阳极区的温度可达2600K，阴极区的温度可达2400K，弧柱区的中心温度可达5000~8000K。图3-46电弧结构示意图1-焊条；2-电源；3-弧柱区；4-焊件；5-阳极区；6-阴极区电弧的极性及选择由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）直流负接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）阳极区的温度高于阴极区的温度，当采用直流电源焊接时，如图3-47所示，电极有两种接法：将工件接正极，焊条接负极，称为正接法，用于高熔点、尺寸较大的焊件的焊接。将工件接负极，焊条接正极，称为反接法。用于薄件、有色金属、不锈钢及铸铁等的焊接。（a）正接法（b）反接法图3-47电极的两种接法常用焊条电弧焊机简介（1）交流弧焊机：（BX系列）动铁（芯）式动圈（绕组）式抽头式（2）直流弧焊发电机（AX系列）（已淘汰）（3）弧焊整流器硅弧焊整流器（ZXG系列）晶闸管式焊整流器（ZX5系列）（4）弧焊逆变器（ZX7系列）BX6交流弧焊机北京“时代”ZX7逆变电弧焊机电焊条是指在一定长度的金属丝外表层均匀地涂敷一定厚度的具有特殊作用涂料的手工电弧焊焊接材料，简称为“焊条”。电焊条的组成及作用焊条芯药皮药皮的种类：①氧化钛型；②氧化钛钙型；③钛铁矿型；④氧化钛型；⑤纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。电焊条焊条芯药皮焊缝的填充材料—填充焊缝电极传导电流—导电机械保护的作用冶金的作用稳定电弧的作用电焊条的分类结构钢焊条—J；钼和铬耐热钢焊条—R；低温钢焊条—W；不锈钢焊条—A；堆焊焊条—D；铸铁焊条—Z；镍及镍合金焊条—Ni；铜及铜合金焊条—T；铝及铝合金焊条—L；特殊用途焊条—TS按用途分：J507药皮种类（低氢型）抗拉强度结构钢焊条J422药皮种类（钙钛型）抗拉强度结构钢焊条按熔渣的性质分：酸性焊条：碱性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）(1)酸性焊条药皮中含有大量的TiO2、SiO2等酸性造渣物及一定数量的碳酸盐等，熔渣氧化性强，熔渣碱度系数小于1。酸性焊条焊接工艺性好，电弧稳定，可交、直流两用，飞溅小、熔渣流动性和脱渣性好，熔渣多呈玻璃状，较疏松、脱渣性能好，焊缝外表美观。酸性焊条药皮中含较多的二氧化硅、氧化铁及氧化钛，氧化性较强，焊缝金属中的氧含量较高，合金元素烧损较多，合金过渡系数较小，熔敷金属中含氢量也较高，因而焊缝金属塑性和韧性较低。(2)碱性(低氢型)焊条药皮中含有大量的碱性造渣物(大理石、萤石等)，含有一定数量的脱氧剂和渗合金剂。碱性焊条主要靠碳酸盐(如CaCO3等)分解出CO2作保护气体，弧柱气氛中的氢分压较低，萤石中的氟化钙在高温时与氢结合成氟化氢(HF)，降低焊缝中的含氢量，又称低氢型焊条。碱性渣中CaO数量多，熔渣脱硫的能力强，熔敷金属的抗热裂纹的能力较强。而且，碱性焊条由于焊缝金属中氧和氢含量低，非金属夹杂物较少，具有较高的塑性和冲击韧性。碱性焊条由于药皮中含有较多的萤石，电弧稳定性差，一般多采用直流反接，只有当药皮中含有较多量的稳弧剂时，才可以交、直流两用。碱性焊条一般用于较重要的焊接结构，如承受动载荷或刚件较大的结构。电焊条的选用原则1.根据被焊工件的强度选用2.根据被焊工件的化学成分选用3.根据被焊工件工作条件和结构选用4.根据实际生产状况选用等强匹配的原则等成分匹配的原则等韧性匹配的原则补充：焊条的选用原则（酸性焊条V.S.碱性焊条）①当接头坡口表面难以清理干净时，应采用氧化性强，对铁锈、油污等不敏感的酸性焊条。②在容器内部或通风条件较差的条件下，应选用焊接时析出有害气体少的酸性焊条。③在母材中碳、硫、磷等元素含量较高时，且焊件形状复杂、结构刚性大和厚度大时，选用抗裂性好的碱性焊条。④当焊件承受振动或冲击载荷时，除保证抗拉强度外，应选用塑性和韧性较好的碱性焊条。⑤在酸性焊条和碱性焊条均能满足性能要求的前提下，应尽量选用工艺性能较好的酸性焊条。4.1.2埋弧自动焊埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。1.埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧所进行焊接的方法称为埋弧焊，其以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。埋弧焊的焊缝形成过程如图3-55所示，焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状的焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材融化，形成焊缝。由于电弧在焊剂层下燃烧，能防止空气对焊接熔池的不良影响；焊丝连续送进，焊缝的连续性好，消除了焊条电弧焊焊接中因更换焊条而引起的缺陷；由于焊剂的覆盖，减少了金属烧损和飞溅，可节省焊接材料。图3-55埋弧焊时焊缝的形成过程1-焊丝；2-电弧；3-熔池金属；4-熔渣；5-焊剂；6-焊缝；7-焊件；8-焊渣焊接材料焊丝——钢芯(与手工焊钢芯同属一个国家标准)根据化学成分和用途不同:–碳素结构钢–合金结构钢–高合金钢–各种有色金属焊接的焊丝–堆焊焊丝。焊剂在焊接时被加热熔化形成熔渣，对熔化金属起保护和冶金作用，它是埋弧焊接过程中保证焊缝质量的重要材料。(1)保证电弧稳定燃烧；(2)保证焊缝金属得到所需的成分和性能；(3)减少焊缝中产生气孔和裂纹的可能性；(4)有利成形和脱渣；(5)不易吸潮并有一定的颗粒度和强度；(6)焊接时无有害物质析出。埋弧焊的应用埋弧焊主要用于压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接。4.1.3气体保护焊二氧化碳气体保护焊以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。焊接用CO2纯度要大于99.8%。原理CO2气体保护焊的特点（1）生产率高。比手工焊高1～5倍，不需更换焊条。（2）成本低。CO2气体价格低。成本只有手工电弧焊及埋弧焊的40%～50%。（3）能耗低。与手工电弧焊相比，3毫米低碳钢对接焊，相同焊缝长度耗电量少30%左右。（4）适用面广。适用于各种位置的焊接。薄板可焊1毫米左右。最厚几乎不受限制（采用多层焊）。（5）抗锈能力强。CO2=CO+O,原子态氧使电弧气氛中自由态氧被氧化成不溶于金属中的水蒸气与羟基（OH），降低焊缝含氧量。（6）明弧无渣。熔池便于监控，有利于实现焊接过程机械化和自动化。目前，CO2电弧焊由于有氧化性，合金元素易烧损，主要用于低碳钢及低合金钢等黑色金属的焊接。对于不锈钢，由于对焊缝金属有增碳现象，影响抗晶间腐蚀性能。因此，只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢焊件。根据操作方式不同，CO2焊可分为半自动及自动焊两种。对于较长的直线焊缝以及规则的曲线焊缝，可采用自动焊。而对于不规则的或短焊缝，则宜采用半自动焊，这是生产中用的最多的操作方式。CO2气体保护焊的特点氩弧焊定义：用氩气作为保护电弧热源和焊缝区的气体保护焊。分类：钨极氩弧焊（TIG焊）熔化极氩弧焊(MIG焊和MAG焊）(1)TIG焊：以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊。(2)熔化极氩弧焊：利用金属焊丝作为电极，焊丝自动送进并熔化。焊接电流比钨极氩弧焊大，适合焊接3-25mm的中厚板材。MIG焊：以惰性气体Ar或Ar-He混合气体作保护气体时，称作MIG焊（MetalInertGasAreWelding）。MAG焊：用富氩混合气体Ar-O2Ar-CO2Ar-CO2-O2作保护气体时，称作MAG焊（MetalActiveGasAreWelding）。氩弧焊的特点及应用（1）机械保护效果很好，焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊缝成型美观。（2）电弧稳定，可实现单面焊双面成型。（3）可全位置自动焊接。（4）氩气贵，成本高。氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接。如铝、钛和不锈钢等。本章内容4.1熔焊4.2压力焊4.3钎焊4.4焊接接头4.5金属可焊性4.6焊接结构的设计4.7焊接新工艺4.2压力焊压力焊：通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离面的原子接近到晶格距离(0.3-0.5nm)，形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。热源形式为：电阻热、高频热、摩擦热等。力的形式为：静压力、冲击力（锻压力）和爆炸力等。压力焊为：冷压焊、扩散焊和热压焊电阻焊电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的。可分为:点焊、缝焊、凸焊和对焊。点焊：用圆柱电极压紧工件，通电、保压获得焊点的电阻焊方法。（1）点焊工艺参数点焊的工艺参数为：电流、压力和时间。大电流，短时间称为强规范。-薄板，导热性好小电流，长时间称为弱规范。-稍厚板，易淬火钢（2