焊接

3.焊接的特点（优点）（1）成形方便：方法多、工艺简便、生产周期短等。（2）适应性强：结构可大可小、简单和复杂、批量可大可小、可实现异种材料的焊接等。（3）成本低：结构轻、节省材料（与铆接比）、工序可减少。但也存在缺点：生产自动化程度低；焊接质量的可靠性不是很满意等。焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化，容易产生焊接裂纹等工艺缺陷，焊接后会产生残余应力与变形。这些都会影响焊接结构的质量。11．1焊接理论基础主要涉及焊接冶金学和焊接力学，以及相关的电工、电子、自动化、机械、材料等知识。一、焊接电弧与弧焊机1.焊接电弧：焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈而持久的气体放电现象。（1）电弧引燃方法：一是接触引弧，二是高频引弧。先将焊条与焊件瞬时接触，发生短路。强大的短路电流流经少数几个接触点，致使接触点处温度急剧升高并熔化，甚至部分发生蒸发。当焊条迅速提起时，焊条头温度已升得很高，在两电极间的电场作用下，产生了热电子发射。飞速的电子撞击焊条端头与焊件间的空气，使之电离成正离子和负离子。电子和负离子流向正极，正离子流向负极。这些带电粒子的定向运动形成了焊接电弧（2）电弧的组成：焊接电弧有阴极区、阳极区和弧柱区组成。阴极区产生的热量占电弧热的36%，阳极区的热量占电弧热的43%，弧柱区约21%。对焊条焊接钢而言，阴极区温度约2400K，阳极区温度约2600K，弧柱中心约5000~8000K。采用直流焊机焊接时，有两种接线法：直流正接（工件接正）和直流反接（工件接负）。正接时，电弧热主要集中在工件上，有利于加快焊件的熔化，保证足够的溶深，适应于较厚工件的焊接；反接适用于有色金属及薄的材料焊接，以避免焊件被烧穿。(3)焊接电弧的静特性：是指电弧稳定燃烧时，电弧电压(电弧两端的电压)与焊接电流(通过电弧的电流)之间的关系，如下图。当焊接电流过小时，焊条和焊件间的气体电离不充分，电弧电阻大，要求较高的电压才能维持必须的电离程度；随着电流增大，气体电离程度增加，电弧电阻减小，电弧电压降低；当焊接电流大于20~60A时，气体已充分电离，电弧电阻降到最低值，只要维持一定的电弧电压即可，此时电弧电压与焊接电流大小无关。若弧长增加，所需电弧电压相应增加。2．焊接电源(1)对焊接电源的基本要求：一般用电设备要求电源电压不随负载的变化而变化，但是焊接电源却要求其电压随负载增大而迅速降低，即具有陡降的特性，这样才能满足下列焊接要求。1）具有一定的空载电压----满足引弧的需要。电焊机的空载电压就是焊接开始时的引弧电压，一般为50~90V。2)适当的短路电流，以保证焊接过程频繁短路时，电流不致无限增大而烧毁电源。短路电流一般不超过工作电流的1.25~2倍。3)电弧长度发生变化时，能保证电弧的稳定。电弧稳定燃烧时的电压降称为电弧电压，它与电弧长度(即焊条与工件之间的距离)有关。电弧长度愈大，电弧电压也愈大。一般情况下，电弧电压在l6~35V范围内。(2)常用焊接电源的类型：手工电弧焊设备简称电焊机，实质上是焊接电源。类型主要有交流弧焊机、直流弧焊机和交、直流两用弧焊机。直流弧焊机焊接时电弧稳定，能适应各种焊条，但结构复杂，价格较高，噪声大。交直流两用弧焊机常用作多用途弧焊机。(3)弧焊机的选用：使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，则应选用直流弧焊机。购置能力有限而焊件材料的类型繁多时，可考虑选用通用性强的交、直流两用弧焊机。二、焊接冶金过程与焊条1．焊接冶金特点在进行电弧焊时，被熔化的金属、熔渣、气体三者之间进行着一系列物理化学反应，这就是焊接冶金过程。焊接冶金过程与一般的冶炼过程不同，主要有以下特点：(1)熔池温度高：在焊接碳素结构钢和普通低合金钢时，熔滴的平均温度约2300℃，熔池1600℃以上，高于普通冶金温度，容易造成合金元素的烧损与蒸发。（2)冶金过程短：焊接时，由于焊接熔池体积小(一般2~3cm3)，冷却速度快（熔池周围是冷金属)，液态停留时间短(熔池从形成到凝固约10s)，使各种化学反应无法达到平衡状态，在焊缝中会出现化学成分不均匀的偏析现象。（3)冶金条件差：焊接熔池一般暴露在空气中，熔池周围的气体、铁锈、油污等在电弧的高温下，将分解成原子态的氧、氮等，极易同金属元素产生化学反应。反应生成的化合物混入焊缝中，使焊缝的力学性能下降；并且产生气孔等缺陷。2．焊条(1)焊条的组成及作用；焊条是由金属焊芯和药皮两部分所组成。焊芯的主要作用：作为电极和填充金属，其化学成分直接影响焊缝质量。药皮的作用主要：稳孤、保护、脱氧、渗合金及改善焊接工艺性（保护和冶金处理）。(2)焊条的分类与型号：焊条牌号是焊条行业统一的代号，焊条型号则是国家标准规定的代号国家标准将焊条按化学成分分为7大类等，焊条型号是按熔敷金属的抗拉强度、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类划分的。电焊条的直径是指焊芯的直径。结构钢焊条直径从1.6～8mm，分八种规格。焊条的长度是指焊芯的长度，一般均在200～550mm之间。以碳钢焊条为例，焊条型号具体编制方法是：字母E表示焊条，E后面的两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为10MPa，第三位数字表示焊接位置，第三和第四位数字组合表示焊接电流的种类及药皮类型。如E5015，“E”表示焊条，“50”表示焊缝金属抗拉强度不低于500MPa；“l’’表示焊条适用于全位置焊接；“15”表示低氢钠型焊条药皮，电流种类为直流反接。焊条牌号是汉字拼音字首加上3位数字组成。例如J422(结422)，“J”表示结构钢焊条；“42”表示焊缝金属抗拉强度不低于420MPa，“2”表示药皮为氧化钛钙型，适用于直流或交流电源。根据焊条药皮性质的不同，结构钢焊条可以分为酸性焊条和碱性焊条两大类。酸性焊条药皮熔渣的主要成分是酸性氧化物(如SiO2,TiO2,Fe2O3等)，氧化性较强，易烧损合金元素，但对焊件上的油污、铁锈不敏感，工艺性较好，酸性焊渣熔点低，流动性好，有利于脱渣和焊缝的形成，但难以有效清除熔池中硫、磷杂质，容易形成偏析，热裂倾向大。酸性焊条常用于一般钢结构件的焊接。碱性焊条药皮熔渣的主要成分是碱性氧化物（如CaO，FeO,MnO等)和铁合金，氧化性弱，脱硫、磷能力强，抗裂性好，但对油污、水锈等敏感性较大，易产生气孔，工艺性较差。碱性焊条一般要求采用直流反接，主要用于压力容器等重要结构件的焊接。（3）焊条的选择：一般遵循如下原则1）等强度原则；2）化学成分相同原则；3）抗裂纹原则；4）抗气孔原则；5）低成本原则。另外，应根据焊件的厚度、焊缝的位置等条件，选用不同直径的焊条。—般焊件愈厚，焊条直径愈大。三、焊接质量及其控制焊接质量的优劣影响焊接结构的安全使用。焊接质量首先应保证焊接接头的质量。对熔化焊，焊缝及其周围母材经历了一个加热和冷却过程，从而发生相应的组织和性能的变化，影响焊接质量。1.焊接接头焊接接头由焊缝和热影响区组成，焊缝由母材和填充材料（焊条或焊丝）熔化形成熔池，凝固后得到。热影响区是指焊缝两侧组织和性能发生变化的区域（HAZ），对低碳钢HAZ分为熔合区（半熔化区）、过热区、正火区（完全相变重结晶区）和部分相变重结晶区，如图。2.焊接应力与变形（1）焊接应力与变形的产生原因：焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。杆件加热和冷却时，自由变形受阻而产生残余应力或变形的现象实际上就是焊接残余应力和变形产生的根本原因。由于大多数焊接过程总是对焊件局部进行加热和冷却，故可以把一条焊缝看做被一侧、两侧或周围母材拘束着的杆件。它既不能在加热过程中自由伸长，也不能在冷却过程中自由缩短，最终产生残余应力和变形。（2）焊接变形的基本形式收缩变形（横向和纵向）、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形是焊接变形的基本形式。收缩变形是焊缝金属沿纵向和横向收缩引起的；角变形是板厚方向横向收缩不均匀引起；弯曲变形是板宽方向纵向收缩不均匀引起（与焊缝位置有关）；扭曲变形是焊接顺序不合理引起；波浪变形发生在薄板焊接。（3）减少焊接应力与变形的措施；可从设计和工艺两方面入手。（结构设计方面在结构工艺性部分）工艺措施有：1）预留收缩变形量。根据理论值和经验值，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量。2）反变形法。3）刚性固定法。焊接时将焊件加以固定，焊后待焊件冷却到室温时再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。但会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构，不能用于铸铁和淬硬倾向大的钢，以免焊后断裂。4）选择合理的焊接顺序，尽量使焊缝自由收缩。拼焊图12~13所示的钢板时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。如焊缝较长，可采用图12~14所示的逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。对称截面梁的焊接顺序如图l2--15所示，可有效地减少变形。5）锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。6）加热“减应区”法。焊接前，在工件的适当部位(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可大大减小焊接应力和变形。7)焊前预热和焊后缓冷。预热的目的是减少焊缝区与焊件其它部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却，从而减少焊接应力与变形。预热焊件，可以局部加热或整体加热，预热温度一般为100~600ºC。焊后缓冷也能起到同样的作用。但这种方法使工艺复杂化，只运用于塑性差、容易产生裂纹的材料，如高、中碳钢，铸铁和合金钢等。（4）焊接变形的矫正：在焊接过程中，即使采用了上述措施，有时也会产生超过允许值的焊接变形，因此，需要对变形进行矫正。其实质是使焊接结构产生新的变形，以抵消原有的焊接变形。1)机械矫正。焊后通过压力机、矫直机、辗压或捶击等方法矫正焊接变形。这种方法适用于矫正刚性较小、塑性较好和厚度不大的焊件。2）火焰加热矫正。利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形，来抵消构件在该部分已产生的伸长变形。加热火焰通常选用氧—乙炔火焰，加热方式有点状加热、三角加热和条状加热，加热温度一般为600~800ºC。3.焊接缺陷及防止措施在焊接生产过程中，由于焊接结构设计、焊接规范确定、焊前准备和操作方法等不恰当，均会产生各种各样的焊接缺陷。焊接缺陷的存在直接影响焊接接头的质量及焊接结构的安全性。常见焊接缺陷、产生原因和防止措施如下表。11.2常用焊接方法一、电弧焊利用电弧作为热源的熔化焊为电弧焊。1.手工电弧焊（手弧焊）手弧焊的主要工艺参数有焊条直径、焊接电流、电弧电压和焊接速度等，焊条直径根据工件厚度选择，焊接电流根据焊条直径确定。特点是：设备简单，灵活方便、适合各种位置焊接和各种形式焊缝焊接（直、曲、长、短），但对操作人员的要求高，生产效率低，环境差，劳动强度大，主要用于普通钢等焊接，不适宜焊接活泼金属、难熔金属及低熔点金属。2.埋弧自动焊埋弧自动焊是利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生电弧而自动进行焊接的方法。。它以连续送进的焊丝代替手弧焊的焊条，以颗粒状的焊剂代替焊条药皮（埋弧焊焊剂中无造气剂)。焊接时，电弧产生在焊丝和焊件之间，并在40~60mm厚的焊剂下燃烧。在电弧高温作用下，焊件、焊丝和焊剂熔化形成熔池与熔渣，熔池和熔滴受熔渣和焊剂蒸汽的保护与空气隔绝。随着电弧向前移动，熔池在熔渣覆盖层下凝固成焊缝。埋弧自动焊特点。（1）生产率高：埋弧焊不存在焊条发热问题，允许采用大电流(可高达1000A以上)焊接，熔敷率大，焊速高，无须频繁更换焊条。由于在焊剂层下焊接，热能利用率高，对厚度在25mm以下的焊件，可不开坡口一次焊成，节省了焊接辅助时间，比手弧焊生产率提高5~10倍