第八章 金属焊接成型(二-熔化焊)

§8.2熔化焊熔化焊是将焊件的连接处局部加热到熔化状态，通常还需另加填充金属以形成共同的熔池，冷却凝固后形成整体零件的焊接方法。熔化焊手工电弧焊埋弧自动焊气体保护焊电渣焊气焊激光焊等离子弧焊电子束焊直流焊机常用直流焊机主要有两种：发电机式直流焊机（目前很少使用），整流式直流焊机。1.手工电弧焊设备一.手工电弧焊手工电弧焊是由电焊工用手工操作，利用电弧的热量加热,熔化金属（焊条和焊件）,并凝固成焊缝,获得牢固接头的电弧焊方法。变压器整流器380V交流电降压直流电交流焊机交流焊机是一种特殊的变压器，具有陡降的外特性。因电流的大小和方向总在变化，电弧燃烧不稳定，焊接质量不如直流焊机。2.焊条（1）焊条的组成与作用组成：焊条焊芯药皮焊芯的作用＊作电极—传导焊接电流，产生电弧；＊作填充金属—熔化后填充焊缝；药皮的作用＊保护电弧稳定燃烧，造气造渣，隔绝空气，保护熔化的金属；＊加入锰铁、硅铁、铬铁等,起到脱氧作用；＊加入有益元素,如锰、硅、铬、钒、钨等,起到渗合金作用；＊加入稳弧剂,起到稳弧的作用；作用：（2）焊条的种类及特点种类：（焊条按熔渣的化学性质分类）酸性焊条:熔渣以酸性氧化物(SiO2、TiO2等)为主的焊条。碱性焊条:熔渣以碱性氧化物(CaO、CaF2等)为主的焊条。特点：酸性焊条:焊缝含氢量较高，抗裂性差，用于一般结构件；交、直流焊机均可使用。碱性焊条:低氢型，焊缝的力学性能和抗裂性较好，可焊接重要结构件和压力容器；但工艺要求高，只用于直流焊机。种类酸性碱性保护作用:气保护气体中有氢气,焊缝易产生氢脆。保护气体中氢气少,主要是CO2气体。保护作用:渣渣是氧化性;有元素烧损。渣是还原性;元素烧损少。脱氧较差好去硫、磷差好焊缝抗裂性较差好两种焊条比较（3）焊条的选用①根据母材的力学性能与化学成分＊低碳钢，低合金钢—等强度原则要求焊缝金属与母材金属的强度尽量相等。＊高合金钢—等成分原则要求焊缝金属与母材金属的成分尽量一致。②焊接件的工艺性与使用条件—酸碱性原则＊一般结构件，焊前清理困难，容易生成气孔的工件，用酸性焊条。＊重要结构件，对焊缝要求高而母材又容易裂的工件，用碱性焊条。③生产条件：若无直流焊机，只能采用交、直流两用焊条（多为酸性焊条）。（1）焊接接头的形式（1）对接接头：两焊件表面构成大于或等于135度，小于或等于180度夹角的接头称为对接接头，它是各种焊接结构中采用最多的一种接头形式。对接接头的应力集中相对较小，能承受较大载荷。（2）角接接头：两焊件表面间构成大于30度，小于135度的接头称为角接接头，这种接头承载能力很差，一般用于不重要的焊接结构或箱形物体上。（3）搭接接头：两焊件部分重叠放置构成的接头称搭接接头。搭接接头应力分布不均匀，承载能力较低，但是由于搭接接头焊前准备和装配工作简单，焊后横向收缩量也较小，因此在焊接结构中仍然得到应用。(4）T型接头：一焊件的端面与另一焊件的表面构成直角或近似直角的接头称T型接头。其承载能力低，应力分布不均匀，但能承受各个方向力和力矩，在生产中应用也很普遍没。3、焊接工艺与工艺技术（2）焊接坡口的形式根据设计和工艺的需要，在焊件待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽，称为坡口。利用机械、火焰或电弧等方法加工坡口的过程称为开坡口。坡口的形式很多，基本形式有I形坡口、V形坡口、X形坡口和U形坡口，如图：（3）焊缝根据不同的分类方法焊缝具有不同的形式。通常情况下，焊缝是以所在的空间位置，结合形式和焊缝连续情况进行分类的。根据焊缝所在的空间位置的不同，焊缝可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝、仰焊缝四种形式，对相应空间位置的焊缝的焊接分别称为平焊、横焊、立焊、仰焊，如图：（4）焊接工艺参数的选择焊条电弧焊的焊接工艺参数通常包括：焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类和极性、焊接层数等。焊接工艺参数选择的正确与否，直接影响焊缝形状、尺寸、焊接质量和生产率，因此选择合适的焊接工艺参数是焊接生产中不可忽视的一个重要问题。1）焊条直径焊条直径是指焊芯直径。它是保证焊接质量和效率的重要因素。焊条直径一般根据焊件厚度选择；同时还要考虑接头形式、施焊位置和焊接层数，对于重要结构还要考虑焊接热输入的要求。在一般情况下，焊条直径与焊件厚度之间关系的参考数据。在板厚相同的条件下，平焊位置的焊接所选用的焊条直径应比其他位置大一些，立焊、横焊和仰焊应选用较细的焊条，一般不超过4.0mm。第一层焊道应选用小直径焊条焊接，以后各层可以根据焊件厚度选用较大直径的焊条。I形接头、搭接接头都应选用较大直径的焊条。2）焊接电源种类和极性的选择用交流电源焊接时，电弧稳定性差。采用直流电源焊接时，电弧稳定、柔顺、飞溅少，但电弧磁偏吹较交流严重。低氢型焊条稳弧性差，通常必须采用直流弧焊电源。用小电流焊接薄板时，也常用直流弧焊电源，因为引弧比较容易，电弧比较稳定。低氢型焊条用直流电源焊接时，一般要用反接，因为反接的电弧比正接稳定。焊接薄板时，焊接电流小，电弧不稳，因此焊接薄板时，不论用碱性焊条还是用酸性焊条，都选用直流反接。3）焊接电流选择焊接电流时，应根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊接位置和层数等因素综合考虑。如果焊接电流过小会使电弧不稳，造成未焊透、夹渣以及焊缝成形不良等缺陷。反之，焊接电流过大易产生咬边、焊穿、增加焊件变形和金属飞溅量，也会使焊接接头的组织由于过热而发生变化。所以，焊接时要合理选择焊接电流。对于一定直径的焊条有一个合适的焊接电流范围。在相同焊条直径的条件下，平焊时焊接电流可大些，其他位置焊接电流应小些。在相同条件的情况下，碱性焊条使用的焊接电流一般可比酸性焊条小10％左右，否则焊缝中易产生气孔。总之，在保证不焊穿和成形良好的条件下，应尽量采用较大的焊接电流，并适当提高焊接速度，以提高焊接生产率。4）焊缝层数在焊件厚度较大时，往往需要进行多层焊。对于低碳钢和强度等级较低的低合金钢的多层焊时，每层焊缝厚度过大时，对焊缝金属的塑性(主要表现在冷弯上)有不利影响。因此，对质量要求较高的焊缝，每层厚度最好不大于4～5mm。焊接层数主要根据焊件厚度、焊条直径、坡口形式和装配间隙等来确定，可作如下近估算：n＝δ/d式中：n为焊接层数；δ为焊件厚度(mm)；d为焊条直径(mm)。1.埋弧焊的焊接材料与设备二.埋弧自动焊电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方法称为埋弧焊；若引弧、焊丝送进、移动电弧以及收弧等均由机械完成,称埋弧自动焊。焊接材料焊丝（相当于焊条的焊芯）焊剂（相当于焊条的药皮）设备：埋弧自动焊装置包括焊接电源（电弧焊变压器）、控制箱和焊接小车三部分。1—车架2—立柱3—横梁4—操纵盘5—焊丝盘6—机头7—焊剂漏斗8—焊缝9—渣壳10—焊剂11—焊接电缆2.埋弧焊的焊接过程埋弧自动焊的焊接过程如图所示，埋弧自动焊时，焊剂从焊剂漏斗中流出，均匀堆敷在焊件表面，焊丝由送丝机构自动送进，经导电嘴进入电弧区，焊接电源分别接在导电嘴和焊件上以产生电弧，焊剂漏斗、送丝机构及控制盘等通常都装在一台电动小车上可以按调定的速度沿着焊缝自动行走。埋弧焊的焊接过程上图为埋弧自动焊纵截面图。电弧在颗粒状的焊剂层下燃烧，电弧周围的焊剂熔化形成熔渣，工件金属与焊丝熔化成较大体积的熔池，熔池被熔渣覆盖，熔渣既能起到隔绝空气保护熔池的作用，又阻挡了弧光对外辐射和金属飞溅，焊机带着焊丝均匀向前移动（或焊机不动，工件匀速运动），熔池金属被电弧气体排挤向后堆积形成焊缝。3.埋弧自动焊的特点（1）生产率高焊接电流比手工电弧焊时大得多，可以高达1000A，一次熔深大，焊接速度大，且焊接过程可连续进行，无需频繁更换焊条，因此生产率比手工电弧焊高5～20倍。（2）焊接质量好熔渣对熔化金属的保护严密，冶金反应较彻底，且焊接工艺参数稳定，焊缝成形美观，焊接质量稳定。（3）劳动条件好焊接时没有弧光辐射，焊接烟尘小，焊接过程自动进行。缺点：埋弧自动焊一般只适用于水平位置的长直焊缝和直径250mm以上的环形焊缝，焊接的钢板厚度一般在6～60mm，适焊材料局限于钢、镍基合金、铜合金等，不能焊接铝、钛等活泼金属及其合金。4.埋弧自动焊工艺对于厚度在14mm以下的板材，可以不开坡口一次焊成；双面焊时，不开坡口的可焊厚度达28mm；当厚度较大时，为保证焊透，最常采用的坡口型式为Y型坡口和X型坡口。单面焊时，为防止烧穿、保证焊缝的反面成形，应采用反面衬垫，衬垫的形式有焊剂垫、钢垫板，或手工焊封底。另外，由于埋弧焊在引弧和熄弧处电弧不稳定，为保证焊缝质量，焊前应在焊缝两端接上引弧板和熄弧板，焊后去除，三.气体保护焊用外加气体作为电弧介质，保护电弧和焊接区的电弧焊方法称为气体保护焊。若焊丝既作电极导电，又熔化作填充金属，称为熔化极气体保护焊；而焊丝只作填充金属，另有钨棒（或钨合金棒）作电极则称为非熔化极气体保护焊。1.氩弧焊—氩弧焊的保护气体为氩气。非熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊氩弧焊的焊接工艺特点＊由于使用隋性气体(氩气)保护，因此适宜焊接各类合金钢和易氧化的有色金属。＊电弧非常稳定,明弧操作,无焊渣,热影响区小,焊接变形小，焊缝成型好，焊接质量好。＊全位置焊接,所有焊接参数均可精确控制，易实现自动化。＊成本高,一般用于3mm以下的薄板焊接。工艺措施＊钨极氩弧焊在焊接合金钢和铜合金时，采用直流正接，有利于工件熔化；焊接铝镁合金时，采用直流反接。＊熔化极氩弧焊均采用直流反接。2.CO2气体保护焊—保护气体为CO2CO2气体保护焊的焊接工艺特点＊CO2气体价格低，成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的40%～50%。＊焊接速度快,无焊渣,生产率高。＊焊缝含氢量少,抗裂性好;热影响区小,变形小,焊接质量较高。特别适合焊薄板件。＊全位置焊接,易实现自动化。＊由于CO2气体在高温时可分解,因此只适宜焊接低碳钢和低合金钢。工艺措施为了保持电弧稳定，一般要求用直流反接焊接。四.其他熔化焊方法1.电渣焊利用电流通过熔融的熔渣时所产生的电阻热来熔化焊丝和焊件的焊接方法。电渣焊在焊接较厚板材和长焊缝时有很大的优越性，因此，适合焊接大型零件。电渣焊的焊接工艺特点＊适宜焊接板厚在40mm以上的直缝或环缝焊件,生产率高。＊冷却速度慢，冶金反应完全，所以焊缝缺陷少，焊接质量较好。＊焊前的准备工作简单,节省焊接材料,成本低。＊接头组织粗大，焊后应作正火处理。§8.3其他焊接方法一.压力焊在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。压力焊时不需另加填充金属，通过对两焊件加压使之紧密接触，并在焊接部位产生一定的塑性变形，促使原子扩散与结合，使两工件焊接在一起。1.电阻焊利用电流通过焊件及其接触处产生的电阻热将连接处加热到塑性状态或局部半熔化状态，再施加压力形成接头的焊接方法。电阻焊的分类按焊接接头的不同分类：•􀂾点焊•􀂾缝焊•􀂾凸焊•􀂾对焊点焊•点焊时,工件只在有限的接触面上,即所谓”点”上被焊接起来,并形成扁球形的熔核.点焊又可以分为单点焊和多点焊,多点焊时,使用两对以上的电极,在同一工序内形成多个熔核.缝焊•缝焊类似点焊,缝焊时,工件在两个旋转的滚轮电极间通过以后,形成一条焊点前后搭接的连续焊缝点焊一般用于4mm以下的薄板；缝焊只适用于3mm以下、有气密性要求的薄板结构，如油箱、管道等。凸焊•凸焊是点的一种变形.在一个工件上有预制的凸点.凸焊时,一次可在接头处形成一个或多个熔核对焊•对焊时,两工件端面相接触,经过电阻加热和加压沿整个接触面被焊接起来。对焊根据焊接过程不同，对焊分为电阻对焊和闪光对焊。＊电阻对焊先使两焊件的端面紧密接触，再通电加热使接触处升温至塑性状态，再断电，同时施加顶锻力，使接触处产生一定的塑性变形而焊合。＊闪光对焊先对两焊件通电加热，再使焊件靠拢接触，然后施加顶锻力使接触处产生一定的塑性变形而焊合。电阻对焊一般仅用于断面简单，截面积小于250mm2和强度要求不高的杆件对接。闪光对焊的焊接质量比电阻对焊好，可用于焊接重要件，如：刀具、钢筋、钢轨等杆状件的对接。电阻焊优点•􀂾熔核形成时,始终被塑性环包围,熔化金属与空气隔绝,冶金过程简单