第四篇 焊接1-2章

第四篇焊接概述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力等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。本章重点：焊条电弧焊的原理与特点，焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数和焊接结构形式的选用原则。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，使焊接件达到原子结合的一种方法。焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量（与铆接相比）；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好，可实现特殊结构的生产（如双金属构件）；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用：（1）制造金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔化焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊第一章电弧焊1.焊接电弧2.焊接接头的组织与性能3.焊接变形和焊接应力4.焊接方法及工艺（焊条电弧焊、埋弧焊）本节重点：焊接接头的组织性能本节难点：焊接应力与变形1.1焊接电弧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、阳极区和弧柱区焊接电弧的温度(用钢焊条焊接钢材）和热量分布温度（K）热量分布阳极区：260043％弧柱区：6000～800021％阴极区：240036％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）直流反接：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）1.2焊接接头的组织与性能熔焊热原的高温集中融化焊缝区金属，并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。热影响区---受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域（熔合区、过热区、正火区、部分相变区）。⒈焊缝焊缝的结晶是从熔池底壁开始向中心成长。焊缝两侧工件方向冷却较快，故形成的柱状的铸态组织，由铁素体和少量的珠光体组成，熔池中部最后结晶，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析物集中在焊缝中心，将影响焊缝的力学性能。由于电弧吹力和保护气体吹动，熔池底壁柱状晶体成长受到干扰，柱状晶体呈倾斜状，晶粒有所细化。由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属性能可能不低于母材金属的性能。⒉焊接热影响区熔合区、过热区、正火区、部分相变区等。⑴熔合区处于液相线、固相线之间，所以也称半熔化区。因温度过高而成为过热粗晶，强度、塑性和韧性都下降。此处接头断面变化，易引起应力集中。此区很大程度上决定着焊接接头的性能。⑵过热区被加热到Ac3以上100～200℃至固相线温度区间。奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，故塑性、韧性降低，对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。⑶正火区被加热到Ac1到Ac3以上100～200°C区间。在此区温度范围内，加热时发生重结晶，转变为细小的奥氏体晶粒，冷却后为均匀而细小的铁素体和珠光体，其力学性能优于母材。⑷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，转变成细小奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变，但晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而其力学性能比正火区稍差。焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，决定于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。增加焊接速度或减少焊接电流都能减少焊接热影响区。三、改善焊接热影响区组织和性能的方法•焊接热影响区在电弧焊焊接接头中是不可避免的。•用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行热处理即可使用。•但对重要的碳钢构件、合金钢构件、电渣焊焊接的构件为消除热影响区影响，一般采用焊后正火处理。对焊后不能进行热处理金属材料或构件，则只能在正确选择焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热影响区的范围。焊缝热影响区1.3焊接应力和焊接变形焊接应力与变形产生的原因：焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。焊接应力与变形产生•当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无残余变形。•当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产生残余变形。焊接变形与应力的危害工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。焊接应力的防止及消除选用塑性好的材料。采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（图a）。而图b因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊接局部加热，从而减少焊接应力。采用小能量，多层焊，也可减少焊缝应力。焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也能减少焊接残余应力。焊后进行消除应力的退火可消除残余应力。重要焊件焊后要进行焊接接头的内部探伤检查。焊接应力过大时会使焊件产生裂纹。其它影响因素：焊接材料的成分（S、P含量）；焊缝金属结晶特点（结晶区间大小）；钢中含氢量；焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。焊接变形焊接变形的防止和消除焊缝对称布置采用反变形方法采用对称焊和分段倒退焊采用多层多道焊，能减少焊接变形采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。思考题＊减少焊接应力考虑，拼焊如题图1所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？试在图中标出，并说明理由。图11.4焊条电弧焊焊接的本质及特点电弧焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。焊接的三要素热源能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、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。电弧焊的焊接过程：手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，起保护熔化金属的作用。渣-气联合保护•利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。填充金属•填满焊缝，提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，用焊丝和焊芯（填充金属）过渡合金元素。•常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。•H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表含碳量的万分之几；A为高级优质钢；E代表特级优质钢。电焊条电焊条的组成及作用•组成：焊芯和药皮•作用：焊芯—填充金属药皮—稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。•药皮必须含有造气剂和造渣剂。•药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。焊条的种类和编号•种类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。焊条型号牌号药皮类型焊接电源焊接位置用途E4303J422钛钙型交流或直流全位置焊接用于较重要的低碳钢及强度等级较低的低合金钢，如09Mn2等。J422GM适于海上平台、船舶、工程机械等表面装饰焊缝的焊接。J422Fe适于较重要的低碳钢结构焊接。E5016J506低氢钾型交流或直流全位置焊接用于中碳钢和低合金钢的焊接如：16Mn，9Mn2Si。摘自GB5117-85第3、4位组合表示焊接电流种类、药皮类型表示抗拉强度Kgf/mm2（前两位）——牌号（焊接行业中焊条代号）E4303第3位表示焊接位置表示焊条抗拉强度420MPa（前两位）J422药皮类型、电流种类1—5酸性、6、7碱性（第三位）结构钢焊条。例：酸性药皮与碱性药皮两者的性质•酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差。碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高。•碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以提高焊缝金属的抗裂性。•碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气孔。•碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（HF等），因而应注意通风。电焊条的选用原则•等强度原则：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。•同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定。•低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。•焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。1.5埋弧焊埋弧焊的原理及特点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。埋弧自动焊埋弧自动焊工序埋弧焊的工艺•焊前准备板厚小于14mm时，可不开坡口；板厚为14～22mm时，应开Y型坡口；板厚为22～50mm时，可开双Y型或U型坡口。Y型和双Y型坡口的角度为50°～60°。焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中•平板对接焊一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双面焊接，也可采用打底焊或焊剂垫或垫板。为提高生产率，也可采用水冷铜成型底板进行单面焊双面成型。•环焊缝焊接环焊缝时，焊丝起弧点应与环的中心线偏离一距离e，以防止熔池金属的流淌。一般偏离距离为20~40mm，直径小于250mm的环缝一般不采用埋弧自动焊。•多丝埋弧焊同时有两个以上焊丝起焊接，焊接速度高，焊缝成型好。前一电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，使熔池形状及焊缝成型较为合理。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。1.6气体保护焊氩弧焊利用氩气保护电弧热源及焊缝区进行焊接。钨极氩弧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。不熔化极氩弧焊钨极氩弧焊工序熔化极氩弧焊•以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所用电流比较大，生产率高。•板厚8mm以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。脉冲氩弧焊将电流波形调制成脉冲形式，用高脉冲来焊接，低脉冲用来维弧和凝固，可控制焊缝的尺寸与焊接质量。氩弧焊的特点及应用机械保护效果很好，焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊