工程材料第11章

第11章焊接第11章焊接11.1焊接概述11.2焊条电弧焊11.3其他焊接方法11.4常用金属材料的焊接11.5焊接结构设计11.6焊接质量及其控制知识窗——焊接现状及展望自测习题第11章焊接11.1焊接概述1．焊接的概念与特点焊接是指将两个物体通过加热、加压或两者并用，使原子扩散实现不可拆连接的一种工艺方法。被连接的两个物体可以是各种同类或不同类的金属、非金属，也可以是金属与非金属。目前，焊接技术已广泛应用于航空航天、石油化工、车辆、锅炉、起重设备、原子能、船舶、电子等领域。可以这样说：没有焊接技术的发展与应用，就不会有现代工业和科学技术的今天。焊接技术之所以获得如此广泛的应用，是由于它具有许多其它加工方法不具备的优点。第11章焊接(1)焊接可以非常方便地将两个工件连在一起，具有操作简单、生产率高的特点。(2)焊接是一种原子(或分子)间的连接，具有整体性好、刚度大等特点。(3)利用焊接方法制造的毛坯，与铸造、锻造相比，具有节能、加工量少、生产率高等特点。(4)采用焊接方法，不仅可以连接金属与金属、非金属与非金属，而且也可以连接金属与非金属。(5)采用焊接方法，可将大型、复杂的结构分解为小零件或部件分别加工，然后通过焊接连接成整体，做到“以小拼大”。第11章焊接2．焊接方法的分类1)熔化焊接使被焊的母材局部加热熔化成液态，然后冷却结晶成一体的焊接方法称为熔化焊接。为了实现熔化焊接，必须有一个热量集中、温度足够高的加热热源。按照加热热源形式的不同，熔化焊接的基本方法分为：气焊(以氧—乙炔火焰或其它可燃气体燃烧火焰为热源)、铝热焊(以铝热剂放热反应热为焊接热源)、电弧焊(以气体导电产生的电弧热为焊接热源)、电渣焊(以焊接熔渣导电时产生的电阻热为焊接热源)、电子束焊(以高速运动的电子束流为热源)、激光焊(以单色光子束流为热源)等若干种。第11章焊接其次，根据焊接过程对熔池的保护方式，可分为真空保护、气相保护、熔渣保护三种。例如，电弧焊根据保护方式就可分为埋弧焊、气体保护焊(CO2气体保护焊、氩弧焊等)等。此外，电弧焊方法还按照电极特征分为熔化极和非熔化极两大类，如钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊等。第11章焊接2)压力焊接在焊接过程中，必须对焊件施加压力(加热或不加热)，以完成连接的焊接方法称为压力焊。压力的性质可以是静压力、冲击力或爆炸力等。在少数压力焊(如点焊、缝焊等)过程中，焊接区域母材也发生熔化现象，然后在压力的作用下冷却、结晶形成焊接接头，但由于突出了压力在焊接中的主导地位，通常也将其归为压力焊接。大多数压力焊情况下，母材并不熔化，属于固相焊接。为了使固相焊接容易实现，大都在加压的同时伴随加热措施，但加热温度都低于母材的熔点。压力焊接的基本方法有：冷压焊(焊接过程中不采取加热措施)、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻点焊、电阻缝焊、电阻对焊、闪光对焊等。第11章焊接3)钎焊利用熔化的钎料作媒介，通过熔化钎料的润湿和毛细作用吸入或保持在两被焊件的间隙中，然后冷却结晶形成结合的连接方法称为钎焊。钎焊并没有达到原子(或分子)间的连接，所以，如果严格从焊接概念上讲，钎焊不属于真正意义上的焊接，但习惯上我们也把它列为焊接范畴。根据钎焊热源的不同，钎焊可以分为烙铁钎焊、火焰钎焊(利用氧—乙炔燃烧火焰作热源)、真空或充气感应钎焊(以高频感应电流产生的电阻热作热源)、电阻钎焊、盐浴钎焊(以高温盐浴为热源)、电阻炉钎焊(以电阻炉的辐射热为热源)等若干种。第11章焊接11.2焊 条 电 弧 焊1．焊接电弧1)电弧的本质电弧并不是一般的燃烧现象，而是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程，是一种气体导电现象(如图11-1所示)。借助这种气体导电过程，电能转化为热能、机械能和光能。焊接时主要利用热能和机械能达到焊接金属的目的。第11章焊接图11-1焊接电弧示意图第11章焊接表11-1常见气体及元素的电离能El、逸出功Wy气体El/eV元素El/eVWy/eV元素El/eVWy/eVHeArN2NH2HO2OCO2COHF24.5815.7615.5014.5315.6013.6012.513.6113.814.0115.57AlCrTiMoMnNiMgCuFeWSiCdC5.986.766.827.107.437.637.647.727.877.988.158.9911.264.254.593.954.293.384.913.784.364.484.544.804.104.45CsPdKNaBaLiLaCaBIBrClF3.384.184.345.145.215.395.616.118.3010.4511.8413.0117.421.812.162.022.332.42.383.32.124.30————第11章焊接2)电弧的构造电弧由阳极区、阴极区和弧柱区组成，如图11-1所示。阴极区是一薄层空间，其热量主要由正离子碰撞阴极和电子复合释放的位能转化来，约占电弧总热量的36%。阳极区也是一薄层空间，其热量主要由电子的动能和逸出功转化而来，约占电弧总热量的43%。弧柱区热量主要由正负离子复合时释放的电离能转化而来，约占电弧总热量的21%。阴极和阳极的温度和材料的沸点有关，钢材焊接时，阴极表面温度约2400K，阳极表面温度约2600K，而弧柱中心温度可达6000K以上。第11章焊接3)焊接电弧的极性及其选用采用直流焊接电源时，由于阳极区比阴极区的温度高，热量大，实际焊接有正接法和反接法两种接极方法。正接法指工件接正极，焊条接负极；反接法正好相反。一般情况下，焊接薄板时适合用反接法，焊接厚板时适合用正接法。但采用交流焊接电源时，不存在正接与反接的区分。第11章焊接2．手弧焊的焊接过程焊条电弧焊又叫手工电弧焊(或简称手弧焊)，焊接过程如图11-2所示。焊条加在焊钳上，当焊条与工件接触后，迅速将焊条提起，产生电弧，利用电弧产生的热量熔化母材和焊条形成熔池，熔池随着电弧向前运动，凝固后形成焊缝，形成的渣壳覆盖在焊缝上。第11章焊接图11-2焊条电弧焊过程第11章焊接1)手工电弧焊的工艺特点手工电弧焊具有以下优点：(1)工艺灵活、适应性强。适用于碳钢、低合金高强钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等各种金属材料的平、立、横、仰各种位置以及不同厚度、结构形式的焊接。(2)接头质量好。与气焊及埋弧焊相比，焊接接头金相组织细、热影响区小、接头性能好。(3)设备简单、操作方便。(4)易于通过工艺调整来控制焊接变形和改善应力。第11章焊接其缺点如下：(1)对焊工要求高。焊工的操作技术和经验直接影响焊接质量的好坏。(2)工人劳动条件差。由于是手工焊接，工人劳动强度大，而且还要受到高温、烟尘等危害。(3)生产率低。由于手工电弧焊一般选择的工艺参数小，焊接生产率较低。其应用范围有：造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备、起重机械、桥梁等制造维修行业。第11章焊接2)手工电弧焊的工艺参数焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接质量而选择的诸物理量。选择合适的焊接工艺参数，对提高焊接质量和生产率是十分重要的。焊接工艺参数很多，在此只介绍焊接电源及极性、焊条直径、焊接电流等几个主要参数。(1)焊接电源种类和极性选择。手工电弧焊采用的电源有交流和直流两类。通常，酸性焊条可采用交、直流两种电源。碱性焊条由于电弧稳定性差，一般只能用直流焊机，对药皮中含有较多稳弧剂的焊条，也可以使用交流焊机。第11章焊接(2)焊条直径。焊条直径是指组成焊条的焊芯直径，焊条直径的选择应综合考虑焊件厚度(见表11-2)、装配间隙、焊接位置等因素。第11章焊接表11-2焊条直径与厚度的关系焊件厚度/mm234～56～12＞13焊条直径/mm23.23.2～44～54～6第11章焊接(3)焊接电流的选择。焊接电流是手工电弧焊最重要的工艺参数，也是焊接过程中惟一需要焊工调节的参数。焊接电流的选择主要由焊条直径、焊接位置和焊道层次来决定。焊条直径越粗，选择的焊接电流应越大。每种直径都有一个最合适的电流范围(见表11-3)。也可以根据经验公式来选择：I=(35～55)d。式中，I为焊接电流(A)；d为焊条直径(mm)。第11章焊接表11-3各种直径焊条使用电流参考值焊条直径/mm1.62.02.53.24.05.06.0焊接电流/A25～4040～6550～80100～130160～210260～270260～300在平焊位置焊接时，可选择较大的焊接电流，而横、立、仰位置焊接时，焊接电流应比平焊小10%～20%。通常打底焊时，要使用较小的电流；为提高生产率，填充焊要使用较大的焊接电流；盖面焊时，为防止咬边，能够获得成形美观的焊缝，使用的电流要稍小些。第11章焊接3．电弧焊的冶金特点在熔化焊过程中，焊接区域内的各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。这是一个极为复杂的物理化学变化过程，焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、性能以及焊接接头的某些缺陷(如气孔、裂纹等)、焊接工艺性能都有很大的影响。手工电弧焊时，系统内有三个相互作用的相，即液态金属、熔渣和电弧气氛。所以手工电弧焊焊接冶金过程就包括了气相与金属的作用(主要是氮、氢、氧对金属的作用)、熔渣与金属的作用(焊缝金属的合金化、焊缝金属的脱硫、脱磷等)等。与一般冶金过程相比，电弧焊具有如下特点：第11章焊接(1)冶金温度高。焊接电弧和金属熔池的高温时合金元素大量蒸发和烧损，使焊缝金属的力学性能下降。(2)冶金时间短、条件差。焊接熔池从形成到凝固一般为10s左右，各种反应不充分，难以大大平衡状态。同时，有害气体的侵入，形成脆性的氧化物、氮化物和气孔，焊缝金属的塑性、韧性显著下降。第11章焊接为了保证焊接质量，焊接过程中通常采取：①清除工件表面的铁锈、油污，烘干焊条等。②造成保护气氛。利用药皮、焊剂、气体等，使熔池和外界空气隔绝。③添加合金元素。通过药皮、焊剂等除去有害杂质，添加合金元素，获得良好的焊缝质量。第11章焊接4．电焊条1)焊条的组成(1)焊芯。手工电弧焊时，焊芯有两个作用，一是作为电极传导电流和产生电弧，为焊接提供热量；二是受热熔化作为焊缝的填充金属，与熔化的母材熔合形成焊缝。根据被焊材料，应按照GB/T14957—94《熔化焊用钢丝》等相应标准选择相应牌号的焊丝作焊芯。通常所说的焊条直径即是指焊芯直径。我国碳钢焊条直径有1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、5.6、6.0、6.4、8.0等规格，常用3.2mm、4mm和5mm三种。第11章焊接低碳钢焊芯中的含碳量，应在保证与母材基本等强度的情况下越少越好。焊芯含碳量升高，不仅会增大焊缝产生裂纹和气孔的倾向，而且使焊接过程飞溅加大，使焊接过程不稳定。低碳钢焊芯的含碳量一般应当低于0.10%。第11章焊接(2)焊条药皮。焊条的性能在极大程度上取决于药皮。药皮原材料的作用归纳起来主要有：稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘结和成型等。应当指出，有时一种物质在焊条药皮中可能会同时具有几种作用，所以在设计焊条药皮配方，选择药皮原材料时，在考虑其主要作用的同时，还要考虑兼顾其次要作用。第11章焊接2)焊条的分类按用途焊条可分为：①结构钢焊条：主要用于焊接碳钢和低合金高强钢；②钼和铬钼耐热钢焊条：主要用于焊接珠光体耐热钢和马氏体耐热钢；③不锈钢焊条：主要用于焊接不锈钢和热强钢，可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢焊条两大类；④堆焊焊条：主要用于堆焊，以获得具有诸如红硬性、耐磨性、耐蚀性等性能的堆焊层；⑤低温钢焊条：主要焊接在低温下工作的焊接结构，其熔敷金属具有不同的低温性能；⑥铸铁焊条：主要用于铸铁构件的焊补；⑦镍及镍合金焊条：主要用于镍及镍合金的焊接，也可用于异种金属的焊接；⑧铜及铜合金焊：主要用于焊接铜及其合金，包括纯铜焊条和青铜焊条两类；⑨铝及铝合金焊条：主要用于焊接铝及铝合金；⑩特殊用途焊条。第11章焊接按药皮类型焊条可分为氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢钾型、低氢钠型、石墨型和盐基型焊条等。按焊接熔渣的酸碱度焊条分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条溶渣