第四篇 焊 接

第四篇焊接•焊接是一种永久连接金属材料的工艺方法。•焊接的实质是利用加热或加压等手段，借助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。•焊接可以化大为小、化复杂为简单的方法来准备坯料，然后用逐次装配的方法拼小成大、拼简单成复杂。•焊接方法的种类很多，一般分为熔化焊、压力焊和钎焊。熔化焊中的电弧焊应用最广。第一章电弧焊•第一节焊接电弧•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。•产生电弧的电极可以是金属丝、钨丝、碳棒或焊条。总热量43%温度2600K总热量的36%温度2400K•电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料不同有所不同。用钢焊条焊接钢材时，阳极区温度约为2600K，阴极区约为2400K，电弧中心区温度最高可达6000-8000K。•由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异及其它的一些原因，使用直流电源焊接时，有正接和反接两种方法。•正接时工件的温度高些，•如果使用交流弧焊机，则两极加热温度一样，都在2500k左右，因而不存在正反接问题。•电焊机的空载电压就是焊接时的引弧电压，一般为50-90v。电弧稳定燃烧时的电压称为电弧电压，它与电弧长度（即焊条与工件间的距离）有关。电弧长度越大，电弧电压也越高。一般情况下电弧电压在16-35V范围之内。第二节焊接接头的组织与性能•一、焊接工件上温度的变化与分布•焊接时，电弧沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热。因此在焊接过程中，焊缝及其附近的金属都是由常温状态开始加热到较高的温度，然后再逐渐冷却到常温。•但随着各点金属所在位置的不同，其最高加热温度也不同。如图：•在焊接过程中，焊缝的形成是一次冶金过程，焊缝附近区域金属相当于受到一次不同规范的热处理，必然会产生相应的组织和性能的变化。二、焊接接头的组织与性能•现以低碳钢为例说明焊缝和焊缝区域由于受到电弧不同程度的加热而产生的组织和性能变化。•1.焊缝•焊缝的结晶是从熔池底部开始向中心成长的。因结晶时各个方向的冷却速度不同，从而形成柱状的铸态组织，由铁素体和少量珠光体所组成。•因结晶是在熔池底部的半熔化区开始逐次进行的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析物集中在焊缝区，将影响焊缝的力学性能。因此应慎重选用焊条或其它焊接材料。•焊接时由于冷却速度较快，焊缝区的晶粒比较细，同时焊接材料的渗金属作用，使焊缝金属中锰、硅等合金元素含量可能比母材高，焊缝金属的性能可能不低于母材金属的性能。2.焊缝热影响区•焊缝热影响区是指焊缝两侧金属因焊接热作用而发生组织与性能变化的区域。•可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区等。•焊缝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。•同一焊接方法使用不同的参数时，焊缝热影响区的大小也不同。在保证焊接质量的前提下，增加焊接速度或减少焊接电流都能减小焊缝热影响区三、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。•一般低碳钢焊接时，焊接热影响区较窄，焊后不进行热处理即可使用；•对于重要的碳钢构件、合金钢构件或用电渣焊焊接的构件则必须注意热影响区的不利影响。一般采用焊后正火处理。使焊缝和焊接热影响区的组织转变为均匀的组织•对焊后不能进行热处理的金属材料或构件，则只能在正确选择焊接方法与环境工艺来减少焊接热影响区的范围。第三节焊接应力与变形•焊接过程是一个极不平衡的热循环过程，即焊缝及其相邻区金属都要由室温被加热到很高的温度（焊缝金属已处于液态），然后再快速冷却下来。•由于各部分的加热温度不同，冷却速度不同，因而焊件各部位在热胀冷缩和塑性变形的影响下，必将产生内应力、变形或裂纹。•焊接应力存在的危害：•降低焊接构件的使用性能，使其承载能力大为降低，甚至在外载荷改变时出现脆断的危险后果。另外还加剧应力腐蚀现象。•减小和防止焊接应力的措施有：•首先，选用塑性好的材料，避免焊缝密集交叉，避免焊缝截面过大和焊缝过长。•其次，在施焊时应确定正确的焊接次序。焊前预热可减小焊接应力。采用小能量焊接方法或锤击焊缝亦可减小应力。•第三，当需要彻底消除焊接应力时，可采用焊后去应力退火来达到。即将焊件加热到500-650，保温后缓冷至室温。•焊接件的变形及防止：•焊接应力的存在会引起焊件的变形，焊接变形的基本类型如图：•具体焊件出现那种变形，与焊件结构、焊缝布置、焊接工艺及应力分布等因素有关。小焊件，一般仅出现收缩变形焊件尺寸减小。当焊件坡口横截面的上下尺寸相差较大或焊缝不均匀，以及焊接次序不合理时、则易发生角变形、弯曲变形或扭曲变形。对于薄板焊件，最容易产生不规律的波浪变形。•过大的焊件变形将影响使用或使焊件报废必须防止焊件的变形；•焊件变形的防止：•焊件变形主要是由于焊接应力引起，凡减少焊接应力的措施对防止焊接变形有时是有效的。•在结构设计时，采用对称结构和大刚度结构、焊缝对称结构，可减小或不出现变形•施焊时采用反变形或刚性夹持方法也可以减小变形。•以上方法焊接后要及时消除焊接应力。•对于已产生变形的焊件，可采用机械矫正法或火焰矫正法加以消除。•焊接过程中要严格防止出现焊接裂纹。重要的焊件在焊后要进行内部探伤检查。•产生裂纹的原因除了与焊接工艺有关外，还与焊接材料的成分有关。第四节焊条电弧焊•一、焊条电弧焊的焊接过程•焊条电弧焊是利用焊条与工件间产生电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的方法•焊条电弧焊设备简单，适应性广，灵活，焊接接头可与工件的强度接近，是应用最广的焊接方法。•焊条电弧焊的过程如图：•焊接质量由很多因素决定，如母材金属和焊条的质量、焊前清理程度、焊接时电弧的稳定情况、焊接参数、焊接操作技术、焊后冷却速度以及焊后热处理等。二、电焊条•一般电焊条由焊芯和药皮（涂料）两部分组成。•焊芯起导电和填充焊缝的作用，药皮则用于保证焊接顺利进行并使焊缝具有一定的化学成分和力学性能。•1.焊芯•焊芯是组成焊缝金属的主要材料。它的化学成分和非金属夹杂物的多少直接影响焊缝的质量。•焊芯具有较低的含碳量和一定的含锰量，含硅量控制较严，硫、磷含量则应低。常用的牌号有：H08、H08A、H08MnA。•焊条的直径最小1.6mm，最大8mm。其中以3.2-5mm应用最广。•焊接合金结构钢、不锈钢时，应采用相应的合金结构钢、不锈钢的焊接钢丝作焊芯。2.焊条药皮•焊接药皮在焊接过程中的作用是：提高电弧燃烧的稳定性，防止空气对熔化金属的有害作用，对熔池脱氧和加入合金元素，以保证焊缝金属的化学成分和力学性能。3.焊条的种类、型号和牌号•焊接的应用范围越来越广泛，焊条的种类很多，按化学成分分为七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条及焊丝、铜及铜合金焊条、铝及铝合金合同等。•焊条型号是国家标准中的焊条代号。（国标GB5117-85）如E4303、E5015、E5016等•“E”表示焊条；前两位数字表示焊缝金属的抗拉强度等级；公斤/mm2;第三位数字表示焊条的焊接位置，0及1表示焊条适用于全位置焊接（平、立、仰、横）。等等•焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号。如J422、J507等。•“J”表示结构钢焊条，“A”表示奥氏体不锈钢焊条，“Z”表示铸铁焊条；•前两位数字表示各大类中若干小类，如结构钢焊条前两位数字表示焊缝的抗拉强度等级；最后一位数字表示药皮类型和电流种类，1至5为酸性焊条，6至7为碱性焊条•J422符合国标E4303，J507符合国标E5015等等编号12345678药皮类型钛型钛钙型钛铁矿型氧化铁型纤维素型低氢钾型低氢纳型石墨型电源种类直流或交流交、直流交、直流交、直流交、直流交、直流直流交、直流焊条药皮类型和电源种类编号•焊条按熔渣性质分为酸性焊条和碱性焊条两大类；药皮熔渣中酸性氧化物（SiO2、TiO2、Fe2O3）为主的称为酸性焊条；酸性焊条适合各种电源，操作性好，电弧稳定，成本低，但焊缝塑性、韧性稍差，渗金属作用弱。•药皮熔渣中碱性氧化物（CaO2、FeO2、MnO、Na2O3）为主的称为碱性焊条又称低氢焊条；一般要求直流电源、焊缝塑性、韧性好，抗冲击性能力强，但操作性差，电弧不稳定，价格高，适于重要结构。4.焊条的选用原则•选用焊条应根据焊件的化学成分、力学性能、抗裂性、耐蚀性及高温性能等要求，选用相应的焊条种类。再考虑焊接结构的形状、受力情况、焊接设备条件和焊条价格来选定具体型号。•（1）等强度原则。即焊缝和母材等强度；注意：钢材是按屈服强度确定等级的，结构钢焊条的等级是保证焊缝的最低抗拉强度。•（2）同一强度等级的酸性焊条或碱性焊条的选定，要求较高的场合用碱性焊条，一般情况尽量用酸性焊条。•（3）异种钢焊接时，按较低强度的钢材来选用焊条。•（4）铸钢的含碳量一般较高，而且厚度较大，形状复杂，易产生焊接裂纹，应选用碱性焊条，并采取适当的工艺措施（如预热）进行焊接。•焊接不锈钢或耐热钢时应使用相应的专用焊条。第五节埋弧焊•一、埋弧焊的焊接过程•埋弧焊也称溶剂层下电弧焊。第六节气体保护焊•一、氩弧焊•二、二氧化碳气体保护焊•第七节等离子弧焊与切割•第八节微型计算机在电弧焊中的应用•第二章其它常用焊接方法•观看录像片第三章常用金属材料的焊接•第一节金属材料的焊接•一、焊接性的概念•金属材料的焊接性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、合金材料、工艺参数及结构条件下，获得优质焊接接头的难易程度。也称可焊性。•金属材料的焊接性不是固定的，同一种金属材料在不同的焊接条件下焊接性不同。•焊接性包括两个方面：•一是工艺焊接性，是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；•二是使用焊接性，是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其其它特殊性能（如耐热、耐蚀性）。•一般来说，绝大多数金属材料都是可焊的，只是难易程度不同。二、钢材焊接性的估算方法•影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。•主要是影响焊缝组织性能、夹杂物的分布、热影响区的淬硬程度等。产生裂纹的倾向。•在各种元素中，碳的影响最明显，其它元素的影响可折合成碳的影响。即碳当量法来估算：•C当量=｛Cw+1/6Mnw+1/5〔Crw+Mow+Vw〕+1/15〔Niw+Cuw〕｝(%)•根据经验：•w（C）当量＜0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显。焊接性良好。一般的焊接工艺条件下不会产生裂纹。但厚大工件或在低温下焊接时，应考虑预热。•w（C）当量=0.4%-0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显。焊接性相对较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷。•w（C）当量＞0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向明显。焊接性不好。焊前工件必须预热到较高的温度，焊接时要采取工艺措施减少焊接应力和防止裂纹的产生，焊后要进行热处理，才能保证焊缝的质量。三、小型抗裂试验法第二节碳钢的焊接•一、低碳钢的焊接•低碳钢含碳量＜0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，焊接性好。焊接时不需要采取特殊的工艺措施，焊后也不需要进行热处理。•大厚度的低碳钢结构，焊接时要采取大电流多层焊，焊后要进行去应力退火。•低温环境下焊接时，要焊前预热。二、中、高碳钢的焊接•中碳钢含碳量在0.25%-0.6%之间。随着含碳量的增加，淬硬倾向增加，焊接性逐渐变差。实际生产中，主要是焊接各种中碳钢的锻件或铸件。其特点：•热影响区易产生淬硬组织和裂纹。•焊缝金属产生热裂纹倾向较大。•焊接中碳钢时，焊前必须预热，焊后需热处理。•高碳钢的焊接特点与中碳钢相似，由于含碳量更高，焊接性更差，焊接时要采取更高的预热温度、更严格工艺措施。第三节合金结构钢的焊接•在焊接结构中，大多数是低合金结构钢，其焊接特点：•（1）热影响区的淬硬倾向与钢的强度级别有关，一般强度级别与含碳量有关，即强度级别越高，含碳量越高，淬硬倾向增加。•（2）焊接接头的裂纹倾向钢的强度级别越高，产生冷裂纹的倾向增加，•影响冷裂纹的因素有：焊缝及热影响区的含氢量；焊缝及热影响区的淬硬程度；焊接接头的应力大小。•对于热裂纹，由于我国的低合金结构钢其含碳量低，而且大部分含有一定的锰，对脱硫有利。