焊接 2

第一节焊接的基本原理一、焊接的实质使两个分离的物体通过加热成加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助原子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。分离物体永久结合条件：两物体相互接近到0.3-0.5nm，使之达到原子间的力能达到相互作用的程度,而加热、加压或两者并用，来克服阻碍原子结合因素，以达到永久牢固连接。（如图3-2）图3-2焊接纯铁时所必需的温度和压力Ⅰ—高压焊接区Ⅱ—电阻焊接区Ⅲ—熔焊区Ⅳ—不能实现焊接的区域二、焊接冶金过程及其对焊接质量的影响焊接冶金过程，指熔焊时焊接区各种物质之间在高温下相互作用的过程，其实质是焊接条件下的再熔炼过程。（1）焊接电弧：具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强裂而持久的放电现象。电弧特性：1）焊接电弧由阳极区，阳极区和弧柱三部分组成（阴极区2400K、阳极区2600K、弧柱区6000-8000K）2）总热量Q=KI2U直流电焊机（正接[焊件正、电极负]、反接）、交流电焊机（2）焊接的冶金特点1）熔池中冶金反应不充分，常发生偏析、夹杂等缺陷2）氧、氢、氮等气体分子吸收电弧热量易分解成活泼原子和离子。熔滴过渡时与气体和熔渣接触面积超过普通炼钢过程。电弧长度越大、氢、氧、氮等气体侵入机会多。3）渗合金、补充烧损元素，起脱氧作用。4）焊缝中硫和磷的质量分数超过0.04%时，容易产生裂纹。应选用含硫和磷低的焊接原材料。三、焊接热过程对焊接接头组织、性能影响（一）焊接热循环，焊件上某点的温度随时间变化的过程（图3-4）图3-4焊件上不同点的焊接热循环焊件材质为20Mn钢δ=20mm、v=150mm/min、I=170A,U=25V（二）焊缝区的金属组织与性能（如图3-5）图3-5冷轧低碳钢焊接接头温度分布和各区划分1、焊缝金属区2、熔合区焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区（0.1-0.4mm）（危险区或）3、热影响区、材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。过热区（危险较大）、细晶区、不完全再结晶区、再结晶区四、焊接应力与变形原因：焊件不均匀局部加热和冷却是导致焊接应力和变形产生的根本原因（一）焊接应力与变形的产生（如图3-8、3-9、3-10）图3-8平板对焊时应力和变形的形成原理示意图a)加热时的应力和变形b)冷却时的应力和变形图3-9焊缝纵向收缩引起的变形和应力Ⅰ—温度分布Ⅱ—正常伸长曲线Ⅲ—实际伸长曲线Ⅳ—加热时应力分布曲线Ⅴ—冷却后应力分布曲线图3-10焊缝先后冷却引起的横向应力a)从一端向另一端直通单向焊b)从两头向中心施焊c)从中心向两端施焊（二）焊接裂纹与焊接变形形式（如图3-11、3-12）σ＞σs时，产生变形σ＞σb时，产生裂纹，甚至断裂图3-12焊接变形的基本形式a)收缩（纵向、横向）变形b)角变形c)弯曲变形d)波浪变形e)扭曲变形f)错边（长度方向、厚度方向）变形（三）预防和减小焊接应力及变形的措施1、合理设计焊接结构（减少焊缝长度和截面积、尽量采用对称焊缝、避免交叉焊缝）2、焊前预热（焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。此法称为加热减应区法）（如图3-13）图3-13加热减应区法a)焊前b)焊后3、反变形法（如图3-14）图3-14反应形法a)、c)焊前b)、d)焊后4、刚性固定法（如图3-15）图3-15用刚性固定法拼接薄板5、选择合理焊接顺序（如图3-16）图3-16合理的焊接顺序a)焊接顺序应能使焊件自由收缩b)对称焊接法c)长焊缝的分段焊法d)工字梁的焊接方法e)6、锤击焊缝法（如图3-17）（四）焊接变形的矫正1、机械矫正法（如图3-19）图3-19机械械矫正法a)压力矫正b)锤击矫正变形的步骤2、火焰矫正法（如图3-20）图3-20火焰矫正法a）T形梁的火焰矫正b)薄板波浪变形的火焰矫正第二节焊条电弧焊电弧焊利用电弧作为热源的熔焊方法。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。一、焊条电弧焊电源1、对焊条电弧焊电源的要求①适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；②电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；③短路电流不应太大；④焊接电流应能灵活调节。2、电源种类（1）交流弧焊机（2）直流弧焊机（直流焊机有正接和反接）二、焊条1、焊条的组成和作用组成：药皮（①透气，保护作用；②冶金作用；③稳弧、脱渣作用）焊芯（①填充材料；②电极）2、焊条的分类（1）按焊条熔渣的化学性质分：①酸性焊条②碱性焊条（2）按焊条用途分为十一大类（3）焊条型号（由国家标准分别规定各类焊条的型号编制）方法：碳钢焊条的型号E4315(E表示焊条、43表示焊敷金属的最低σb为420Mp、1表示施焊适于全位置焊接、15表示低氢钠型药皮，直流反接使用)3、焊条选用根据焊条性能特点，并考虑焊件的结构特点，工作条件、生产批量、施工条件及经济性等因素合理选用焊条。主要考虑因素：（1）按强度等级和化学成分选用焊条a、一般结构，一般选用与焊件强度等级相同的焊条；b、焊接异种结构钢，按强度等级低的钢种选用；c、焊接特殊性能钢，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条；d、焊件碳、硫、磷分数较大，应选用碱性焊条；e、焊接铸造碳钢成合金钢，一般选用碱性焊条。（2）按焊件的工况情况a、焊接承受动载，交变载荷及冲击载荷，应选用碱性焊条；b、焊接承受静载荷的结构件时，应选用酸性焊条c、焊件表面有油污、锈等难以清理的结构件，应选用酸性焊条；d、焊接在特殊条件工作的结构件，应选用特殊用途焊条（3）按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊条三、焊条电弧焊焊接工艺规范焊接工艺规范：指焊件所有有关的加工和实践要求的细则文件，可保证熟练工操作时质量的再现性。包括：焊条型号（牌号）、焊条直径、焊接电流、坡口形式、焊接层数1、焊条直径的选择δ≤4mmd=δ；δ4mm采用多层焊2、焊接电流的选择焊接电流I=kd立、横、仰焊时，焊接电流比平焊时减少10-20%K=经验系数（30-40A/mm）3、焊层数n=δ/d第三节其它焊接方法一、埋弧焊（电弧在焊剂层下燃烧进行的焊接方法如图3-21）图3-21埋弧焊示意图1—焊件2—焊剂3—焊剂漏斗4—焊盘丝5—焊丝6—焊接机头7—导电嘴8—焊缝9—渣壳（一）焊接过程电弧引燃后，焊丝盘中的光焊丝通过导电嘴不断送入电弧区；电弧则随着焊接小车的前进而匀速向前移动，焊剂从漏斗中流出撒在焊缝表面。电弧在焊剂层下的光焊丝和焊件之间燃烧。（二）埋弧焊的特点和应用1、生产率高2、焊接质量高而稳定3、节约金属材料4、改善劳动条件缺点：1）埋弧焊对接头加工要求高；2）设备贵3）不能焊接空间焊缝4）窄、薄板不适宜二、气体保护电弧焊（一）氩弧焊（用氩气作为保护气体如图3-24）图3-24氩弧焊示意图a)熔化极氩弧焊b)钨极氩弧焊1—送丝滚轮2—焊丝3—导电嘴4—喷嘴5—保护气体6—电弧及熔滴7—母材8—钨极保护电极和熔化金属不受空气的有害作用，同时氩气又不溶于液体金属。1、熔化极电氩弧焊以连续送进的焊丝作为电极，同时又起填充金属作用。通常适用于焊接较厚的焊件，如板厚8mm以上的铝容器。2、钨极氩弧焊常用高熔点的钨或钨合金作为电极，焊接时需加填充金属，填充金属可以是焊丝，也可以是焊接接头中附加填充金属条或采用卷边接头等。氩弧焊特点：1）保护作用；2）便于操作；3）热量集中，热影响区小，应力和变形小4）电弧稳定，飞溅小（二）二氧化碳气体保护焊（如图3-25）图3-25CO2气体保护焊示意图1—直流弧焊机2—导电嘴3—焊柜喷嘴4—送丝软管5—送丝机构6—焊丝盘7—CO2气瓶8—减压器9—流量计它用焊丝作电极，送丝机构自动送丝。特点：1、电流密度大、熔深大、焊速快、焊后无需清渣；2、由于保护气体的压缩作用，电弧热量集中，焊接热影响区较小，加上CO2气流的冷却作用，产生变形和裂纹的倾向小。3、焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好（其他熔焊的工艺方法同学自学）第四节压焊与钎焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。一、电阻焊工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。电阻焊利用低电压（2-10V)、大电流（几千安-几万安），焊接时间极短，生产率高，焊件变形小，无需填充金属，操作简单，劳动条件较好，易实现机械化和自动化。（一）对焊（是使用两个被焊工件沿整个接触面焊合的电阻焊工艺）1、电阻对焊电阻对焊是将工件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后用迅速施加顶锻力完成焊接的方法。（如图3-30）2、闪光对焊工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点，使端面熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加预锻力完成焊接的方法。（如图3-31）特点：焊接接头质量高，端面清理不要求严格（二）电阻点焊电阻点焊是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。电阻电焊的工艺过程（如图3-32）焊接时，先加热后通电，被紧密压合的两焊件柱状电极接触处，由于电阻热温度急速升高被熔化形成熔核，周围金属材料并呈塑性状态，断电后，继续保持或稍加大压力，封密在塑性材料中间的熔核在压力下凝固结晶，获得组织致密的焊点。焊第二点时，部分电流会流经已焊好的焊点，这种现象称为分流现象，分流会使焊接处电流变小，影响焊接质量，故两焊点间应有一定距离，其大小与焊件材料及厚度有关，导电性越强，厚度越大，分流起严重，点距应该越大。点焊通常采用搭接接头。三、钎焊钎焊——采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊种类：1、硬钎焊——使用硬钎料（＞450°C）进行的钎焊称为硬钎焊。钎料——铜基、银基、铝基、等合金。钎剂——硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。加热方法——火焰加热，炉内加热2、软钎焊——使用软钎料（＞450°C）进行的钎焊钎料——锡、铅钎剂——松香、酒精溶液、氯化锌溶液加热方法——常用烙铁加热钎焊特点：加热温度低、焊件应力、变形小，同种异种金属均可焊接。第六节常用金属材料的焊接一、金属材料的焊接性能金属材料的焊接性能是指材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素影响。焊接性的好坏主要从两个方面衡量：焊接工艺性的优劣；焊接接头在使用过程中的可靠性。（一）影响金属材料焊接性的主要因素1、材料因素；2、工艺因素；3、结构因素；4、工作环境、载荷性质、工作温度、工作介质等。（二）焊接性的评定金属的焊接性可以通过估算或试验的方法来评定1、用碳当量法估算钢材的焊接性碳当量是把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量。CE越高，钢材的焊接性越差。ωCE＜0.4%热影响区淬硬及冷裂倾向不大，焊接性优良；ωCE=0.4-0.6%时，热影响区的淬硬及冷裂倾向逐渐增大，焊接性较差；ωCE＞0.6%时，热影响区的淬硬及冷裂倾向严重，焊接性很差。2、焊接性试验①裂纹试验②接头力学性能试验③接头腐蚀性试验二、碳素钢的焊接1、低碳钢的焊接低碳钢塑性好，一般没有淬裂倾向，对焊接热过程不敏感，具有良好的焊接性。低碳钢可以用各种焊接方法进行焊接。2、中、高碳钢中、高碳钢属于淬火钢，随着碳的质量分数的增加，其淬硬性逐渐增强，焊接性明显变差。通常焊接中碳钢的铸件或锻件，焊接时一般从两方面注意。①选用适当的焊条②采用一定的工艺措施三、低合金钢的焊接1、低合金钢焊接经常出现的问题（1）热裂纹（其原因主要是铜、硼、氮等元素形成裂纹的敏感元素）（2）冷裂纹（其原因是接头的刚度大，造成局部应力大、或是冷却过程中氢析出后聚集）（3）白点——在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形斑点。2、低合金钢的焊接工艺特点应根据等强度原则四、不锈钢的焊接不锈钢中应用最为广泛的是铬镍奥氏体不锈钢，其焊接性能良好，常采用焊