14焊接工艺基础

第4篇焊接焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接过程的实质是利用加热或加压或两者兼用，借助于金属原子的结合和扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。根据实现原子间结合的方式，焊接可分为三类：熔化焊、压力焊、钎焊。熔化焊：利用局部加热手段，将工件焊接处加热至熔化，形成熔池并冷却结晶形成焊缝的焊接方法。简称熔焊。压力焊：焊接过程中，对工件加压（加热或不加热）完成焊接的方法。简称压焊。钎焊：利用钎料（熔点比母材低的金属）填充接头间隙，使之熔化后与固态母材相互扩散而实现连接的焊接方法。焊接的特点◆节省材料和工时，产品密封性好；◆采用铸-焊、锻-焊和冲-焊复合结构，能实现以小拼大，生产出大型、复杂的结构件，以克服铸造或锻造设备能力的不足，有利于降低产品成本，取得较好的技术经济效益；◆能连接异种金属，如将硬质合金刀片和车刀刀杆(碳钢)焊在一起；又如大型齿轮的轮缘可用高强度的耐磨优质合金钢，其他部分可用一般钢材来制造，将其焊成一体。这样既提高了使用性能，又节省了优质钢材。第14章焊接工艺基础14.1焊接电弧焊接电弧是在电极与工件之间的气体介质中长时间的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。14.1.1焊接电弧的基本构造及热量分布电弧放出热量的多少与焊接电流和电压的乘积成正比，焊接电流越大，电弧放出的热量就越多。阴极区是电弧紧邻负电极的区域，很窄。表面有一个明亮斑点（阴极斑点）。热量占电弧总热量的36%，温度约2400K。阳极区是电弧紧靠正电极的区域，比阴极区宽。表面也有明亮斑点（阳极斑点）。热量占电弧总热量的43%，温度约2600K。弧柱是指阴极区和阳极区中间的部分。热量占电弧总热量的21%，中心温度可达6000～8000K。14.1.2焊接电源极性及选用电弧的极性：电弧两极与焊接电源的连接方式。直流电弧焊接时，焊件与焊接电源正极连接、焊条与负极连接的接线法就称为正接法（或正极性）。反之，焊件与焊接电源负极连接、焊条与正极连接的接线法就称为反接法（或负极性）。一般情况下皆用正接，因焊件上热量大，可提高生产率，如焊厚板、难熔金属等。反接只在特定要求时才用，如焊接有色金属、薄钢板或采用低氢型焊条等。交流电弧焊接时，电源极性交替变化，连接方式可以任意选择。14.2焊接设备14.2.1焊接电弧对焊接设备的要求①应有适当的空载电压；②焊接电源应具有陡降的外特性曲线；电源的外特性是指电路上负荷变化时，电源供给的电压与电流的关系。通常用曲线表示，称为外特性曲线。◆短路电流不宜过大。◆电弧长度变化时，电弧电流变化小。③焊接电流应能根据焊件的材质和厚度的不同，方便地进行调节。14.2.2焊接设备①交流弧焊机：结构简单、价格低廉、使用方便、维护容易，但电弧稳定性少稍差。②硅整流弧焊机：高效节能、体积较小、维修方便、稳定性好。③逆变弧焊机：性能优异、高效节能、适应性好。14.3电弧焊的焊接过程及冶金特点焊条电弧焊是利用焊条与焊件间产生的电弧热，将两者同时加热到熔化来进行焊接的工艺。焊条电弧焊焊是一个冶金过程，其特点是：◆首先焊接电弧和熔池的温度比一般冶炼温度高；◆其次是焊接溶池体积小，而且从熔化到凝固时间极短。14.4电焊条14.4.1电焊条的组成及作用①焊芯焊条中被药皮包裹的金属芯称焊芯。它的主要作用是导电和填充焊缝金属。②焊条药皮焊接药皮中含有稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂等，以便焊接时：◆稳定电弧燃烧，有利于焊缝成形，减少飞溅等；◆形成气-渣联合保护，防止空气中有害物质侵入；◆对焊缝进行脱硫、脱氧，并渗入合金元素，以保证焊缝金属获得符合要求的化学成分和力学性能。14.4.2电焊条的种类按熔渣性质将焊条分为酸性和减性两类。◆酸性焊条：熔渣是以酸性氧化物为主(如SiO2、TiO2等)的焊条。◆碱性焊条：熔渣是以碱性氧化物为主(如CaO等)的焊条。酸性焊条工艺性好，但焊接质量一般。用于一般结构的焊接。碱性焊条工艺性差，但焊接质量好。常用于重要结构(如锅炉、船舶、桥梁、压力容器等)的焊接。一般用直流反接法。14.4.3焊条的型号与牌号①电焊条型号(国家标准中的焊条代号)碳钢焊条应用最广泛，按GB/T5117——1995碳钢焊条标准，其型号用大写字母“E”和四位数字表示。②焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号。一般采用J和三位数字表示。其中前2位数字表示焊缝金属抗拉强度最小值，第3位代表药皮类型和电流种类。14.4.4电焊条的选用①根据被焊件的化学成分和性能要求选择相应的焊条种类；②焊缝性能要和母材具有相同的使用性能；③根据被焊件的工作条件和结构特点选用焊条。14.5焊接接头的组织与性能1)焊缝金属：是焊接熔池冷却凝固后形成的铸态组织。2)热影响区：是指焊缝附近的金属，在焊接热源作用下，发生组织和性能变化的区域。有熔合区、过热区、正火区和部分相变区。14.6焊接应力与变形焊接应力是指焊接过程中焊件内产生的应力。焊接变形是指焊接过程中焊件产生的变形。14.6.1焊接应力与变形产生的原因焊接过程中不均匀加热和冷却及工件有一定刚性是产生焊接应力与变形的原因。图14.6平板对接时变形与应力的形成平板对接焊接的结果：①焊缝区产生了拉应力，其两侧金属则受压应力；②焊件比焊前缩短了Δl。14.6.2焊接变形的基本形式当焊接残余应力超过材料的屈服点时，焊件就发生变形。常见焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形。14.6.3防止和减少变形的措施◆加裕量法：按经验下料时预留一定的多余量；◆刚性固定法：将焊接件固定在刚性夹具上；◆反变形法：焊接前按与变形相反的方向装配以抵消变形；◆选择合理的焊接次序。14.6.4焊接变形的矫正方法焊接变形的矫正方法有：机械矫正法和火焰加热矫正法。◆机械矫正法是利用机械外力作用来矫正变形，可采用压力机、矫直机等机械外力，也可用手工锤击矫正。◆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。14.6.5减少与消除焊接应力的措施①焊前对焊件进行整体或局部预热，可以减小焊件各部分的温度差及焊后的冷却速度，从而减少焊接应力。②采用合理的焊接顺序，尽量使焊缝纵向、横向都能自由收缩，有利于减少焊接应力。③锤击焊缝(锤击焊缝最好在热态下进行)使之产生塑性变形，以减少焊接应力。④焊后退火处理是常用的最有效的消除焊接应力的一种方法，即将工件均匀加热到600～650℃，保温一定时间，然后缓慢冷却，整体退火可消除80%~90％的焊接应力。14.7焊接缺陷与检验14.7.1焊接缺陷常见的焊接缺陷主要有咬边、焊瘤、裂纹、气孔与缩孔、夹杂与夹渣、烧穿、未焊满、未熔合与未焊透等。①咬边：是指在基本金属与焊缝金属交接处因焊接而造成的沟槽。②焊瘤：是指焊接过程中，熔化金属流溢到焊缝外母材上形成的金属瘤。③裂纹：冷裂纹和热裂纹。冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下(如Ms点)产生的裂纹。典型的有延迟裂纹。热裂纹是焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近产生的裂纹。有结晶裂纹和液化裂纹两种。延迟裂纹的产生与接头的淬硬组织、扩散氢的聚集以及焊接应力有关。为了防止发生冷裂常采取预热、后热，采用低氢焊条、烘干焊条、清除坡口及两侧的锈与油、减小焊接应力等措施。④气孔和缩孔气孔是熔池中的气泡在凝固时未能溢出而残留下来所形成的空穴。缩孔是熔化金属在凝固过程中，收缩而产生的残留在焊缝中的孔穴。⑤夹杂和夹渣夹杂是残留在焊缝金属中由冶金反应产生的非金属夹杂和氧化物。夹渣是残留在焊缝中的熔渣。⑥未熔合和未焊透未焊合是焊缝金属与母材之间未完全熔化结合的部分。未焊透是焊接时接头根部未完全熔透的现象。14.7.2焊接质量检验检查焊接质量有两类方法：非破坏性检验，包括外观检验、密封性检验、耐压检验和无损探伤等；破坏性试验，如力学性能试验、金相检验、断口检验和耐腐蚀试验等。