焊接工艺基础知识(培训教材)

焊接工艺基础阳泉明达工贸有限公司焊接工艺(Welding)各种连接方法的比较螺纹连接：采用螺栓和螺母将两个零件连接为一体的工艺。可拆卸，接头应力小；但工艺繁杂，材料消耗大，接头笨重。焊接工艺(Welding)各种连接方法的比较铆接：用铆钉将两个零件连接为一体的工艺。紧固力较大，可拆卸，接头应力小，重量较轻；但工艺繁杂，材料消耗大。焊接工艺(Welding)各种连接方法的比较焊接：采用化学和力学冶金的方法，将两个零件连接为一个整体的工艺。接头强度高，不可拆卸，工艺简单，材料消耗少，接头重量轻；但应力大，接头组织与性能变化大。焊接定义：指用加热或加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而形成不可折卸接头的材料成形方法焊接工艺(Welding)焊接成形特点(Characteristicsofwelding)：（1）结构分解：可将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊。如汽车车身生产过程，先分别制造出车门、驾驶室、前围和侧围，再将各部件组装拼焊。简化了工艺，降低了成本。（2）异材连接：可实现不同材料间的连接成形。（3）可实现特殊结构的生产。例如，126×104kW核电站锅炉，外径6400mm，壁厚200mm，高13000mm，工作参数为17.5MPa，350℃，要求无泄漏（有放射性核燃料），这只有采用焊接方法才能制造出来。（4）重量：与铆接相比，焊接结构重量轻，可以减轻机器自重，提高运载能力和行驶性能。但不可拆卸，易引起残余应力，焊缝易产生裂纹、气孔等缺陷，因此，应特别注意焊缝品质的检验，否则易造成恶性事故。焊接工艺的分类：根据焊接过程的工艺特点，可将焊接分为：熔化焊压力焊钎焊利用局部加热，使焊件接头处熔化并加入填充金属，待其冷却凝固后连接成整体的焊接方法。利用加热或其它方法使金属接头处于半熔化或高塑性状态，在足够的压力下产生塑性变形，通过原子间的结合连结金属的方法。利用低熔点钎料被加热熔化，在焊件接头处与母材相互扩散而形成焊接接头的方法。熔焊压焊钎焊电弧焊(手弧焊、气体保护焊、埋弧焊)电渣焊、电子束焊、激光焊等离子弧焊电阻焊、摩擦焊、超声波焊爆炸焊、扩散焊、高频焊软钎焊、硬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。焊接在工业中的应用：（1）金属结构的焊接。如锅炉、压力容器、管道、桥梁、海洋平台和起重机等，船舶、车辆、飞机、火箭的梁架和外壳。焊接在工业中的应用：（1）建筑与桥梁：高楼建筑和大桥结构中的钢筋骨架一般采用焊接方法连接。（2）造船：大型船舶的船体一般采用焊接结构。（3）锅炉：锅炉压力容器结构体积大，一般采用焊接结构。（4）车辆：汽车和火车车身结构大而复杂，一般采用焊接结构（5）机械零件的焊接。如轴、齿轮、锻模和刀具等。水轮机转轮15焊接的蜗壳水轮机转轮13北京国家大剧院芜湖长江大桥大型30万吨原油船液化汽船千吨级热壁加氢反应器600MW电站锅炉汽包大型空间环境模拟舱“神舟”飞船铝合金T型底板焊接生产线汽车消音器焊接专机手动变位机（平衡式）奥运会主体育场国家体育场是目前中国投资规模最大、科技含量最高的体育场所，被誉为“第四代体育场馆”。它是世界最大的钢结构建筑体育馆，而且在世界建筑发展史上也将具有开创性的意义钢结构工程是整个国家体育场工程中技术含量最高、施工难度最大、安全风险最大的关键项目。国家体育场造型呈双曲面马鞍形，东西向结构高度为６８米，南北向结构高度为４１米，钢结构最大跨度长轴３３３米，短轴２９７米，由２４榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成，结构组件相互支撑，形成网格状构架，组成体育场整个的“鸟巢”造型。在国家体育场钢结构吊装过程中，面临构件运输距离长、组拼安装难度大、高空焊接工作量大、吊装单元吨位重、起重位高、构件造型复杂且节点数量多、超大型吊装机械多等诸多前所未遇的困难。该“鸟巢”钢结构施工部分由绍兴一民企——浙江精工钢结构有限公司承担。该工程主要分两部分操作，一部分为场内制作，主要在绍兴制作好后运到北京安装；另一部分是具体的安装工作。为解决这一难题，精工钢构应用了日本医学上头颅骨再造的科学技术原理，发挥自己公司加工制造数控机械的优势，再与吉林大学共同研发出用于大吨位、大厚板异形件加工的无模成形技术软件。在“鸟巢”焊接过程中，精工使用了焊接机器人。2.1熔焊原理及过程1、熔焊本质及特点：①熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。通过熔化使表面消失，通过结晶形成金属键和共同晶粒使分离的两件成为一个共同的整体②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。③结晶：冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。2、熔化焊的三要素：1)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。2.1熔焊原理及过程2)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。3)填充金属：保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到机械性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。2.1熔焊原理及过程热源：电弧：是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧三个区：阴极区、阳极区和弧柱区。阴极区-电子发射区。阳极区-接收电子。弧柱区-气体电离区。电弧的温度：弧柱区6000～8000K,阳极区2600K,阴极区2400K。2、熔池的保护—渣保护：1．渣保护：使熔池与空气隔离，防止金属氧化和吸气；向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能；同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射。（1）焊剂：①焊剂牌号、分类和用途：焊剂有熔炼焊剂和非熔炼焊剂两类，非熔炼焊剂又有烧结焊剂和粘结焊剂两种。熔炼焊剂主要起保护作用，非熔炼焊剂除了起保护作用外还可以起渗合金，脱氧、去硫等冶金作用。焊剂是由SiO2，MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐，根据其中硅、锰、氟的含量不同，可分为无锰、低锰、中锰和高锰型。焊剂也可用“焊剂”的汉语拼音首写字母“HJ”来表示。2、熔池的保护—渣保护：②焊剂保护的效果：形成熔融的液态焊剂薄膜；通过冶金反应合金化及去氢；合金化：增加及调整焊缝中的Si、Mn含量；去氢：焊剂中加入CaF2。2、熔池的保护—渣保护：(2)电渣：除应有焊剂的基本性能外，电渣还应有合适的电导率，高的蒸发温度。一般SiO2含量愈高，电导率愈低，粘度愈高；钙和其他元素的氟化物和钛的氧化物使渣的电导率增大，粘度减小。电渣的种类有高电导率的焊剂170，中等电导率的焊剂252和低电导率的焊剂360。2、熔池的保护—渣保护：（2）气保护：用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体，并在高温下不分解，或是低氧化性的不溶于金属液体的双原子气体(如Ar或CO2)。喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。2、熔池的保护—气保护：（1）氩气：氩气为惰性气体，比空气重25%；高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，是一种理想的保护气体。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%。氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。2、熔池的保护—气保护：（2）CO2气体：CO2为无色无味气体，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。但CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为CO和O2：所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。2、熔池的保护—气保护：高温下同时有CO2、O2、CO存在。合金元素的氧化烧损主要产生于高温分解出来的原子氧的氧化作用。进入熔池中的FeO与C作用，在液态金属中产生CO气体；进入熔滴中的FeO与C作用，易产生飞溅。合金元素烧损、CO气孔和飞溅是CO2焊接的三个主要问题，通过加药芯来改善。2、熔池的保护—气保护：药皮气体渣壳焊缝工件焊芯熔滴熔渣熔池2、熔池的保护—渣气联合保护：（3）渣气联合保护：利用渣的良好的冶金反应和焊缝成形特点，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CO2+药芯。2、熔池的保护—渣气联合保护：①药皮：药皮成分：稳弧剂、合金化剂、脱氧剂、去氢剂、粘结剂等。药皮类型：酸性药皮与碱性药皮。酸性药皮工艺性好，因为无反电离物质CaF2,因而电弧易引燃批，引燃后燃烧稳定，脱渣性好，焊缝成形美观，碱性药皮则相反，工艺性差；碱性药皮焊缝含氢量低，焊接质量好。②CO2+药芯：3、填充金属：当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能填满焊缝，这时，必须用焊丝填满。另外，为了提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，必须用焊丝过渡合金元素。常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。如H08、H08A、H08MnA。焊丝有H10Mn2、H08MnA、H08MnMoAH08Mn2MoA、Cr19Ni9、H08MnSi等，其碳含量较低，硅含量也较低，P和S0.03%。以保证焊缝有较高的强度和韧性。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。第二节焊接接头的组织与性能焊接热循环：焊接热循环---焊缝及其附近的母材经受的加热和冷却作用。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。焊缝区：产生熔化和凝固的区域称为焊缝区热影响区：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。熔合线：熔焊焊缝和母材的交界线熔合区，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，也称半熔化区。1）焊剂与焊丝：直接影响焊缝的化学成分。2）焊接方法：不同的热源，温度高低和热量集中程度不同。3）焊接工艺参数：电流、电压、焊接速度和线能量（单位长度焊缝上的能量E=IU/),直接影响输入焊接接头的热量大小。影响焊接接头性能的因素：4）熔合比(Sm/(Sm+St))：是指母材在焊缝中所占的百分数，将影响焊缝的化学成分。5）焊后热处理：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，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。焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力的危害：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。危害1危害2焊接应力和变形的防止：1、焊接应力的防止及消除：①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。②采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力。③采用小线能量，多层焊，也可减少焊缝应力。焊接顺序对应力和变形影响及消除焊接顺序对应力和变形影响及消除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。焊接应力和变形的防止：焊接缺陷焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷。一、焊接裂纹：1、热裂纹：•特征：发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中形成，叫结晶裂纹。发生在热影响区，在加热到过热温度时因晶间低熔点杂质发生熔化而产生，叫液化裂纹。裂纹沿晶间开裂，有氧化色彩。•产生原因：，低熔点杂质偏析，晶间存在液态薄膜；接头存在拉应力。•防止措施：控制低熔点杂质，S、P等；适当提高焊缝成形系数，防止中心偏析；碳含量应在0.10%以下；减小焊接应力。2、冷裂纹：•形态特征：焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最主要、最常见的