焊接基础知识讲义

焊接第一节绪论一、常用的金属连接方法第一节绪论二、定义：利用加热或加压，或两者并用，填充或不填充金属，借助于原子间的结合以达到连接金属的一种加工方法。三、优点节约材料，降低成本；生产率高；能化大为小，拼小成大；不同材料、不同厚度拼接；具有良好的密封性。四、焊接方法分类：以焊接时的物理冶金特征进行分类，即以两材料发生结合时的物理状态为焊接过程最主要的特征：熔化焊(液相)压力焊(固相)钎焊(固相兼液相）气焊电弧焊电阻焊：点焊、缝焊、对焊摩擦焊感应焊：高频焊、中频焊爆炸焊、超声波焊、扩散焊、冷压焊等等离子焊、电渣焊、电子束焊、激光焊等手工电弧焊埋弧自动焊气体保护焊氩弧焊CO2气体保护焊软钎焊：锡焊硬钎焊：铜焊、银焊第一节绪论第二节手工电弧焊一、原理和方法电弧在焊条与工件（母材）之间燃烧电弧热使母材熔化形成熔池焊条金属芯熔化滴入熔池焊条药皮熔化后形成熔渣保护熔池不受空气侵害药皮分解产生气体环绕在电弧周围，隔绝空气，保护电弧、熔池金属二、焊接电弧电弧的产生：焊条和工件之间产生的强烈、持久、稳定的气体放电现象电弧的结构：阴极区、阳极区和弧柱区第二节手工电弧焊弧柱区的温度高达5000K以上；阴极区和阳极区的温度较低，分别约为2400K和2600K；阴极区和阳极区的几何长度很小，仅为10ˉ4～10ˉ5cm；我们所看到的电弧实际上是电弧的弧柱区三、焊条（1）焊条的组成焊芯：作为电极传导电流；熔化后作为填充金属与母材形成焊缝药皮：改善焊接工艺性；保护作用（2）焊条的分类、型号及牌号焊条分类按用途分：结构钢焊条；低温钢焊条；不锈钢焊条等按药皮性质分：酸性焊条；碱性焊条焊条型号：国家标准碳钢焊条型号由字母“E”和四位数字组成，如“E4301”焊条牌号：行业标准第二节手工电弧焊四、焊接接头的组织和性能由焊缝、熔合区和热影响区组成。（1）焊缝由熔池金属结晶形成的焊件结合部分；属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶硫、磷等低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹（2）热影响区焊缝两侧处于固态的母材金相组织和力学性能发生变化的区域由过热区、正火区、部分相变区组成（3）熔合区是焊缝与热影响区之间的过渡区域熔化部分铸态组织，未熔化部分严重过热，粗晶组织，性脆越窄越好第二节手工电弧焊过热区：1100～固相线；粗大的魏氏组织；塑性和韧性降低；薄弱部位正火区：AC3～1100；完全奥氏体化；细小晶粒；性能改进部分相变区：AC1～AC3；部分奥氏体化，组织不均匀；性能较差第二节手工电弧焊三、焊接应力和变形1、焊接应力和变形的形成及危害第三节焊接应力和变形（1）焊接应力和焊接变形形成第三节焊接应力和变形第三节焊接应力和变形（2）焊接应力和焊接变形的危害焊接应力和焊接变形相互制约焊接应力：导致热裂纹；残余应力影响结构的机械加工精度，降低承载能力、引发冷裂纹，甚至导致结构脆断事故的发生。焊接变形：降低结构的装配精度、可能引起应力集中和附加应力，使结构的承载能力下降；焊接变形过大会导致结构报废合理选择焊接顺序和焊接方向2、减小和消除焊接应力的措施：第三节焊接应力和变形锤击法：使焊缝金属发生塑性变形从而减小残余应力预热法加热“减应区”法热处理法：高温回火600～650第三节焊接应力和变形2、焊接变形的基本形式收缩变形（缩短变形）角变形弯曲变形扭曲变形翘曲变形（波浪变形）第三节焊接应力和变形3、控制和矫正焊接变形的措施（1）结构设计应合理减少不必要焊缝；焊缝截面和长度尽量小；焊缝布置和坡口型式尽量对称（2）反变形法第三节焊接应力和变形（3）刚性固定法第三节焊接应力和变形（4）选择合理的装配焊接顺序（5）选择合理的焊接方法和焊接工艺系数第三节焊接应力和变形4、焊接缺陷第三节焊接应力和变形四、金属材料的焊接性1、定义：指被焊金属材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接规范、工艺措施等），获得优质接头的难易程度。工艺焊接性（结合性能）：能否形成完好焊接接头；使用焊接性（使用性能）：焊接接头能否安全工作。2、评价方法直接试验法间接评估法碳当量法冷裂敏感系数法第四节金属材料的焊接性能第四节金属材料的焊接性能5C15C6MCCVMNoriun当量C当量0.4%时，塑性好，淬硬倾向不明显，焊接性能好。焊接时一般不需要预热，只有焊厚板或低温焊接时需要考虑预热措施；C当量=0.4%~0.6%时，塑性下降，淬硬倾向明显，焊接性能较差。焊接时需要预热，并控制焊接工艺参数；C当量0.6%时，塑性差，淬硬倾向很强，焊接性能极差。必须采取较高的预热温度和严格的工艺措施，才能保证焊接质量。一、碳钢的焊接1、低碳钢：优2、中、高碳钢：焊前预热；焊后缓冷二、低合金结构钢的焊接焊前预热，焊后缓冷不锈钢采用氩弧焊四、铸铁的焊补主要是焊补：热焊法、冷焊法第四节金属材料的焊接性能五、有色金属的焊接1、铜及铜合金容易产生气孔和焊不透；膨胀系数大，易产生焊接应力和变形；氩弧焊、气焊、焊条电弧焊及钎焊；电阻值很小，不宜进行电阻焊；2、铝及铝合金容易产生气孔和不良夹渣；膨胀系数大，易产生焊接应力和变形，甚至开裂；氩弧焊、气焊、电阻焊及钎焊；第四节金属材料的焊接性能第五节其他常用焊接方法一、埋弧自动焊第五节其他常用焊接方法埋弧自动焊的特点（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；不适合薄板和曲线焊接；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。第五节其他常用焊接方法埋弧焊的衬垫和手工封底引弧板和熄弧板第五节其他常用焊接方法用气体将电弧、熔化金属与周围的空气隔离，防止空气与熔化金属发生冶金反应，以保证焊接质量。保护气体主要有Ar、He、CO2、N2等。二、气体保护焊（1）按电极是否熔化非熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊（2）按保护气体的性质惰性气体保护焊CO2气体保护焊第五节其他常用焊接方法钨极氩弧焊示意图（自动焊）1-熔池2-焊丝3-送丝滚轮4-焊丝盘5-钨极6-导电嘴7-焊炬8-喷嘴9-保护气体10-电弧优点：（1）采用纯氩气保护，焊缝金属纯净，特别适合于非铁合金、不锈钢、钛及钛合金等材料的焊接。（2）焊接过程稳定，所有焊接参数都能精确控制，明弧操作，易实现机械化、自动化。（3）焊缝成形好，特别适合3mm以下的薄板焊接、全位置焊接和不用衬垫的单面焊双面成形。钨极氩弧焊第五节其他常用焊接方法熔化极氩弧焊示意图（自动焊）1-焊接电弧2-保护气体3-焊炬4-导电嘴5-焊丝6-送丝滚轮7-焊丝盘8-喷嘴9-熔池第五节其他常用焊接方法在电弧的高温作用下，CO2会分解为CO和O，因而具有较强的氧化性；会使Mn、Si等合金元素烧损，焊缝增氧，力学性能下降，还会形成气孔；电弧稳定性差、金属飞溅大、弧光强、烟雾大等缺点；只适合焊接低碳钢和低合金结构钢，不能用于焊接高合金钢和非铁合金。CO2气体保护焊的优点：（1）CO2气体保护焊的成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的40%～50%；（2）CO2电弧穿透能力强，熔深大，生产率比手工电弧焊高1～4倍；（3）焊缝氢含量低，焊丝中Mn含量高，脱硫作用好，因而焊接接头的抗裂性好。二氧化碳气体保护焊第五节其他常用焊接方法利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热作为热源电渣焊焊接接头处于垂直位置，在焊接的起始端和结束端装有引弧板和引出板。将焊剂装入接头空间至一定高度，然后焊丝在引弧板上引燃电弧，将焊剂熔化形成渣池。当渣池达到一定深度时，电弧被淹没而熄灭，电流通过渣池产生电阻热，进入电渣焊过程，渣池温度可达1700℃～2000℃，可将焊丝和焊件边缘迅速熔化，形成熔池。随着熔池液面的升高，冷却滑块也向上移动，渣池则始终浮在熔池上面作为加热的前导，熔池底部结晶，形成焊缝。三、电渣焊1-焊丝2-渣池3-熔池4-焊缝5-焊件6-冷却水管7-冷却滑块第五节其他常用焊接方法1、电渣焊的特点（1）优点在电渣焊的焊接过程中，除开始阶段有一电弧过程外，其余均为稳定的电渣过程，与埋弧焊有本质区别。任何厚度的焊件都能一次焊成，因而在焊接厚大工件时，生产率高，成本低。熔池保护严密，冷却缓慢，因此冶金过程完善，气体和熔渣能充分浮出，不易产生气孔、夹渣等缺陷。（2）局限性由于焊接熔池大，加热和冷却缓慢，在焊缝及热影响区容易过热形成粗大组织，因此电渣焊通常焊后用正火处理消除接头中的粗晶。电渣焊总是以立焊方式进行，不能平焊，电渣焊不适于厚度在30mm以下的工件，焊缝也不宜过长。2、电渣焊的应用主要用于重型机械制造业中，制造锻-焊结构件和铸-焊结构件，如重型机床的机座、高压锅炉等，焊件厚度一般为40～450mm，材料为碳钢、低合金钢、不锈钢等第五节其他常用焊接方法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熔化状态，再施加压力形成接头的焊接方法。四、电阻焊点焊缝焊电阻对焊闪光对焊第五节其他常用焊接方法（1）点焊工件搭接后放在柱状电极间，通电加压，由于两工件接触面处电阻较大，通电后迅速加热并局部熔化形成熔核，熔核周围为塑性状态，然后在压力的作用下熔核结晶形成焊点。焊接第二点时，有一部分电流会流经已焊好的焊点，称点焊分流现象。因此在实际生产中对各种材料在不同厚度下的焊点最小间距有一定的规定。主要用于4mm以下的薄板冲压壳体结构及钢筋结构的焊接，尤其是汽车和飞机制造。影响因素：焊接电流、电极压力、通电时间等点焊接头形式第五节其他常用焊接方法（2）缝焊缝焊分流作用较大，对于材料、厚度相同的焊件，所需焊接电流一般比点焊增加15%～40%。由于缝焊所需的焊接电流较大，所以只适用于3mm以下有气密性要求的薄板结构，如油箱、管道等。第五节其他常用焊接方法（3）对焊电阻对焊：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，材料以碳钢、纯铝为主。电阻对焊的接头形式第五节其他常用焊接方法闪光对焊：a.不仅能焊接同种金属，还能焊接异种金属（如铝-铜、铜-钢、铝-钢等）。b.焊件烧损较多，且焊后有毛刺需要清理。c.焊接单位面积焊件所需的焊机功率较电阻对焊小，有利于焊接大截面的焊件，从直径0.01mm的金属丝到直径500mm的管材、截面20000mm2的型材均可焊接。d.用于杆状件对接，如刀具、管子、钢筋、钢轨、车圈等。闪光对焊的接头形式第五节其他常用焊接方法五、摩擦焊摩擦焊原理图摩擦焊接头形式第五节其他常用焊接方法优点：（1）焊接质量稳定，焊件尺寸精度高，接头废品率低于电阻对焊和闪光对焊。（2）焊接生产率高，比闪光对焊高5～6倍。（3）适于焊接异种金属。（4）加工费用低，省电，焊件无需特殊清理。（5）易实现机械化和自动化，操作简单，焊接工作场地无火花，弧光及有害气体。应用异种金属和异种钢产品，如电力工业中的铜-铝过渡接头，金属切削用的高速钢-结构钢刀具等；结构钢产品，如电站锅炉蛇形管、阀门、拖拉机轴瓦等。缺点：（1）靠工件旋转实现，焊接非圆截面较困难。盘状工件及薄壁管件，由于不易夹持也很难焊接。（2）受焊机主轴电机功率的限制，目前摩擦焊可焊接的最大截面为20000mm2。（3）摩擦焊机一次性投资费用大，适于大批量生产。第五节其他常用焊接方法六、钎焊采用熔点低于母材的合金作钎料，加热时钎料熔化，并靠润湿作用和毛细作用填满并保持在接头间隙内，而母材处于固态，依靠液态钎料和固态母材间的相互扩散形成钎焊接头。钎焊对母材的物理化学性能影响小，焊接应力和变形较小。可焊接