熱加工工藝基礎部分第三章焊接

1、第三章第三章 焊接焊接 概述1、焊接的概念2、焊接的方法分類（熔焊、壓焊、釬焊表表3-13-1）釬焊：采用比母材金屬熔點低的金屬材料作為釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的方法） 第一節(jié)第一節(jié) 焊接的基本原理焊接的基本原理 一、焊接的實質 使兩個分離的物體通過加熱成加壓，或兩者并用，在用或不用填充材料的條件下借助原子間的聯系與質點的擴散作用形成一個整體的過程。 分離物體永久結合條件：兩物體相互接近到0.3-0.5nm，使之達到原子間的力能達到相互作用的程度,而加熱、加壓或兩者并用，來克服妨礙原子結合因素，以達到

2、永久牢固連接。（如圖（如圖3-23-2） 圖3-2 焊接純鐵時所必需的溫度和壓力高壓焊接區(qū)電阻焊接區(qū)熔焊區(qū)不能實現焊接的區(qū)域 二、焊接冶金過程及其對焊接質量的影響 焊接冶金過程，指熔焊時焊接區(qū)各種物質之間在焊接冶金過程，指熔焊時焊接區(qū)各種物質之間在高溫下相互作用的過程，其實質是焊接條件下的高溫下相互作用的過程，其實質是焊接條件下的再熔煉過程。再熔煉過程。 （1 1）焊接電?。海┖附与娀。壕哂幸欢妷旱膬蓸O間或電極與具有一定電壓的兩極間或電極與母材間，在氣體介質中產生的強裂而持久的放電母材間，在氣體介質中產生的強裂而持久的放電現象?，F象。 電弧特性：電弧特性： 1 1）焊接電弧由陰極區(qū)，陽極區(qū)和

3、弧柱三部分組）焊接電弧由陰極區(qū)，陽極區(qū)和弧柱三部分組成（陰極區(qū)成（陰極區(qū)24002400K K、陽極區(qū)陽極區(qū)26002600K K、弧柱區(qū)弧柱區(qū)6000-6000-800800K K） 2 2）總熱量總熱量Q=KIQ=KI2 2U U 直流電焊機（正接直流電焊機（正接 焊件正、焊件正、電極負電極負 、反接）、交流電焊機、反接）、交流電焊機 （2 2）焊接的冶金特點）焊接的冶金特點 1）熔池中冶金反應不充分，常發(fā)生偏析、夾雜等缺陷 2）氧、氫、氮等氣體分子吸收電弧熱量易分解成活潑原子和離子。 熔滴過渡時與氣體和熔渣接觸面積超過普通煉鋼過程。 電弧長度越大、氫、氧、氮等氣體侵入機會多。 3）滲合金

4、、補充燒損元素，起脫氧作用。 4）焊縫中硫和磷的質量分數超過0.04%時，容易產生裂紋。應選用含硫和磷低的焊接原材料。三、焊接熱過程對焊接接頭組織、性能影響 （一）焊接熱循環(huán)，焊件上某點的溫度隨（一）焊接熱循環(huán)，焊件上某點的溫度隨時間變化的過程（圖時間變化的過程（圖3-43-4）圖3-4 焊件上不同點的焊接熱循環(huán)焊件材質為20Mn鋼=20mm、v=150mm/min、I=170A,U=25V （二）焊縫區(qū)的金屬組織與性能（如圖（二）焊縫區(qū)的金屬組織與性能（如圖3-53-5） 圖3-5 冷軋低碳鋼焊接接頭溫度分布和各區(qū)劃分 1 1、焊縫金屬區(qū)、焊縫金屬區(qū) 2 2、熔合區(qū)、熔合區(qū) 焊縫與母材交接的

5、過渡區(qū)，即熔合線處微觀顯示的母材半熔化區(qū)（0.1-0.4mm）（危險區(qū)或） 3 3、熱影響區(qū)、材料因受熱的影響、熱影響區(qū)、材料因受熱的影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學性能變化的區(qū)域。 過熱區(qū)（危險較大）、細晶區(qū)、不完全再結晶區(qū)、再結晶區(qū)四、焊接應力與變形 原因：焊件不均勻局部加熱和冷卻是導致焊接應力和變形產生的根本原因 （一）焊接應力與變形的產生（如圖（一）焊接應力與變形的產生（如圖3-83-8、3-93-9、3-103-10） 圖3-8 平板對焊時應力和變形的形成原理示意圖a)加熱時的應力和變形b)冷卻時的應力和變形 圖3-9 焊縫縱向收縮引起的變形和應力溫度分布正常伸長曲線實際伸長曲線

6、加熱時應力分布曲線冷卻后應力分布曲線 圖3-10 焊縫先后冷卻引起的橫向應力a)從一端向另一端直通單向焊b)從兩頭向中心施焊c)從中心向兩端施焊 （二）焊接裂紋與焊接變形形式（如圖（二）焊接裂紋與焊接變形形式（如圖3-3-1111、3-123-12） s時，產生變形b時，產生裂紋，甚至斷裂圖3-12焊接變形的基本形式a)收縮（縱向、橫向）變形b)角變形c)彎曲變形d)波浪變形e)扭曲變形f)錯邊（長度方向、厚度方向）變形 （三）預防和減小焊接應力及變形的措施（三）預防和減小焊接應力及變形的措施 1、合理設計焊接結構（減少焊縫長度和截面積、盡量采用對稱焊縫、避免交叉焊縫） 2、焊前預熱（焊后冷卻

7、時，加熱區(qū)與焊縫同時收縮。此法稱為加熱減應區(qū)法）（如（如圖圖3-133-13）圖3-13 加熱減應區(qū)法a)焊前b)焊后 3、反變形法（如圖（如圖3-143-14） 圖3-14 反應形法a)、c)焊前b)、d)焊后 4、剛性固定法（如圖（如圖3-153-15） 圖3-15 用剛性固定法拼接薄板 5、選擇合理焊接順序（如圖（如圖3-163-16） 圖3-16 合理的焊接順序a)焊接順序應能使焊件自由收縮b)對稱焊接法c)長焊縫的分段焊法d)工字梁的焊接方法e) 6、錘擊焊縫法（如圖（如圖3-173-17） （四）焊接變形的矯正（四）焊接變形的矯正 1、機械矯正法（如圖（如圖3-193-19） 圖3

8、-19 機械械矯正法a)壓力矯正b)錘擊矯正變形的步驟 2、火焰矯正法（如圖（如圖3-203-20） 圖3-20 火焰矯正法a）T形梁的火焰矯正b)薄板波浪變形的火焰矯正 第二節(jié)第二節(jié) 焊條電弧焊焊條電弧焊 電弧焊利用電弧作為熱源的熔焊方法。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。 一、焊條電弧焊電源 1、對焊條電弧焊電源的要求 適當的空載電壓和較高的引弧電壓，以利于引弧，保證安全； 電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流增大，電弧電壓應急劇下降； 短路電流不應太大； 焊接電流應能靈活調節(jié)。 2、電源種類 （1）交流弧焊機 （2）直流弧焊機（直流焊機有正接和反接） 二、焊條 1、焊條的組成和作用 組

9、成： 藥皮（透氣，保護作用；冶金作用；穩(wěn)弧、脫渣作用） 焊芯（填充材料；電極） 2、焊條的分類（1）按焊條熔渣的化學性質分：酸性焊條 堿性焊條（2）按焊條用途分為十一大類（3）焊條型號（由國家標準分別規(guī)定各類焊條的型號編制） 方法：碳鋼焊條的型號E4315(E表示焊條、43表示焊敷金屬的最低b為420Mp、1表示施焊適于全位置焊接、15表示低氫鈉型藥皮，直流反接使用) 3、焊條選用 根據焊條性能特點，并考慮焊件的結構特點，工作條件、生產批量、施工條件及經濟性等因素合理選用焊條。主要考慮因素：（1）按強度等級和化學成分選用焊條a、一般結構，一般選用與焊件強度等級相同的焊條；b、焊接異種結構鋼，按

10、強度等級低的鋼種選用；c、焊接特殊性能鋼，應選用與焊件化學成分相同或相近的特種焊條；d、焊件碳、硫、磷分數較大，應選用堿性焊條；e、焊接鑄造碳鋼成合金鋼，一般選用堿性焊條。 （2）按焊件的工況情況 a、焊接承受動載，交變載荷及沖擊載荷，應選用堿性焊條； b、焊接承受靜載荷的結構件時，應選用酸性焊條 c、焊件表面有油污、銹等難以清理的結構件，應選用酸性焊條； d、焊接在特殊條件工作的結構件，應選用特殊用途焊條 （3）按焊件形狀、剛度及焊接位置選用焊條 三、焊條電弧焊焊接工藝規(guī)范 焊接工藝規(guī)范：指焊件所有有關的加工和實踐要求的細則文件，可保證熟練工操作時質量的再現性。 包括：焊條型號（牌號）、焊條

11、直徑、焊接電流、坡口形式、焊接層數 1、焊條直徑的選擇 4mm d=；4mm采用多層焊 2、焊接電流的選擇 焊接電流I = k d 立、橫、仰焊時，焊接電流比平焊時減少10-20% K=經驗系數（30-40A/mm） 3、焊層數 n=/d第三節(jié)第三節(jié) 其它焊接方法其它焊接方法 一、埋弧焊（電弧在焊劑層下燃燒進行的焊接方法如圖圖3-213-21） 圖3-21埋弧焊示意圖1焊件 2焊劑 3焊劑漏斗 4焊盤絲 5焊絲 6焊接機頭 7導電嘴8焊縫 9渣殼 （一）焊接過程 電弧引燃后，焊絲盤中的光焊絲通過導電嘴不斷送入電弧區(qū)；電弧則隨著焊接小車的前進而勻速向前移動，焊劑從漏斗中流出撒在焊縫表面。電弧在焊

12、劑層下的光焊絲和焊件之間燃燒。 （二）埋弧焊的特點和應用 1、生產率高 2、焊接質量高而穩(wěn)定 3、節(jié)約金屬材料 4、改善勞動條件 缺點： 1）埋弧焊對接頭加工要求高； 2）設備貴 3）不能焊接空間焊縫 4）窄、薄板不適宜二、氣體保護電弧焊 （一）氬弧焊（用氬氣作為保護氣體 如圖圖3-243-24） 圖3-24 氬弧焊示意圖a) 熔化極氬弧焊b)鎢極氬弧焊1送絲滾輪 2焊絲 3導電嘴 4噴嘴 5保護氣體 6電弧及熔滴 7母材 8鎢極 保護電極和熔化金屬不受空氣的有害作用，同時氬氣又不溶于液體金屬。 1、熔化極電氬弧焊 以連續(xù)送進的焊絲作為電極，同時又起填充金屬作用。通常適用于焊接較厚的焊件，如板

13、厚8mm以上的鋁容器。 2、鎢極氬弧焊 常用高熔點的鎢或鎢合金作為電極，焊接時需加填充金屬，填充金屬可以是焊絲，也可以是焊接接頭中附加填充金屬條或采用卷邊接頭等。氬弧焊特點： 1）保護作用； 2）便于操作； 3）熱量集中，熱影響區(qū)小，應力和變形小 4）電弧穩(wěn)定，飛濺小 （二）二氧化碳氣體保護焊（如（如圖圖3-253-25） 圖3-25 CO2 氣體保護焊示意圖1直流弧焊機 2導電嘴 3焊柜噴嘴 4送絲軟管 5送絲機構 6焊絲盤 7CO2氣瓶 8減壓器 9流量計 它用焊絲作電極，送絲機構自動送絲。 特點： 1、電流密度大、熔深大、焊速快、焊后無需清渣； 2、由于保護氣體的壓縮作用，電弧熱量集中，

14、焊接熱影響區(qū)較小，加上CO2氣流的冷卻作用，產生變形和裂紋的傾向小。 3、焊縫氫的質量分數低，接頭抗裂性好（其他熔焊的工藝方法同學自學）（其他熔焊的工藝方法同學自學）第四節(jié)第四節(jié) 壓焊與釬焊壓焊與釬焊 焊接過程中，必須對焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法稱為壓焊。 一、電阻焊 工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產生的電阻熱進行焊接的方法稱為電阻焊。 電阻焊利用低電壓（2-10V)、大電流（幾千安-幾萬安），焊接時間極短，生產率高，焊件變形小，無需填充金屬，操作簡單，勞動條件較好，易實現機械化和自動化。 （一）對焊（是使用兩個被焊工件沿整個接觸面焊合的電阻

15、焊工藝） 1、電阻對焊 電阻對焊是將工件裝配成對接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后用迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。（如圖（如圖3-303-30） 2、閃光對焊 工件裝配成對接接頭，接通電源，并使其端面逐漸移近達到局部接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點，使端面熔化，直至端部在一定深度范圍內達到預定溫度時，迅速施加預鍛力完成焊接的方法。（如圖（如圖3-3-3131） 特點：焊接接頭質量高，端面清理不要求嚴格（二）電阻點焊 電阻點焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點的電阻焊方法。電阻電焊的工藝過程（如圖（如圖3-323-32） 焊接時，先加壓

16、后通電，被緊密壓合的兩焊件柱狀電極接觸處，由于電阻熱溫度急速升高被熔化形成熔核，周圍金屬材料并呈塑性狀態(tài)，斷電后，繼續(xù)保持或稍加大壓力，封密在塑性材料中間的熔核在壓力下凝固結晶，獲得組織致密的焊點。 焊第二點時，部分電流會流經已焊好的焊點，這種現象稱為分流現象，分流會使焊接處電流變小，影響焊接質量，故兩焊點間應有一定距離，其大小與焊件材料及厚度有關，導電性越強，厚度越大，分流起嚴重，點距應該越大。 點焊通常采用搭接接頭。 三、釬焊 釬焊采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的方法。 釬焊

17、種類： 1、硬釬焊使用硬釬料（450C）進行的釬焊稱為硬釬焊。 釬料銅基、銀基、鋁基、等合金。 釬劑硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。 加熱方法火焰加熱，爐內加熱 2、軟釬焊使用軟釬料（450C）進行的釬焊 釬料錫、鉛 釬劑松香、酒精溶液、氯化鋅溶液 加熱方法常用烙鐵加熱 釬焊特點：加熱溫度低、焊件應力、變形小，同種異種金屬均可焊接。第六節(jié) 常用金屬材料的焊接 一、金屬材料的焊接性能 金屬材料的焊接性能是指材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。 焊接性受材料、焊接方法、構件類型及使用要求四個因素影響。 焊接性的好壞主要從兩個方面衡量：焊接工藝性的優(yōu)劣；焊接接

18、頭在使用過程中的可靠性。 （一）影響金屬材料焊接性的主要因素 1、材料因素； 2、工藝因素； 3、結構因素； 4、工作環(huán)境、載荷性質、工作溫度、工作介質等。 （二）焊接性的評定 金屬的焊接性可以通過估算或試驗的方法來評定 1、用碳當量法估算鋼材的焊接性 碳當量是把鋼中合金元素（包括碳）的含量按其作用換算成碳的相當含量。%1001556cuNVMCMCCiornE CE越高，鋼材的焊接性越差。 CE0.4% 熱影響區(qū)淬硬及冷裂傾向不大，焊接性優(yōu)良； CE=0.4-0.6%時，熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向逐漸增大，焊接性較差； CE0.6%時，熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向嚴重，焊接性很差。 2、焊接性試驗

19、 裂紋試驗 接頭力學性能試驗 接頭腐蝕性試驗 二、碳素鋼的焊接 1、低碳鋼的焊接 低碳鋼塑性好，一般沒有淬裂傾向，對焊接熱過程不敏感，具有良好的焊接性。 低碳鋼可以用各種焊接方法進行焊接。 2 2、中、高碳鋼、中、高碳鋼 中、高碳鋼屬于淬火鋼，隨著碳的質量分數的增加，其淬硬性逐漸增強，焊接性明顯變差。 通常焊接中碳鋼的鑄件或鍛件，焊接時一般從兩方面注意。 選用適當的焊條 采用一定的工藝措施三、低合金鋼的焊接 1、低合金鋼焊接經常出現的問題（1）熱裂紋（其原因主要是銅、硼、氮等元素形成裂紋的敏感元素）（2）冷裂紋（其原因是接頭的剛度大，造成局部應力大、或是冷卻過程中氫析出后聚集）（3）白點在焊縫

20、金屬拉斷面上，出現的如魚目狀的一種白色圓形斑點。 2、低合金鋼的焊接工藝特點 應根據等強度原則四、不銹鋼的焊接 不銹鋼中應用最為廣泛的是鉻鎳奧氏體不銹鋼，其焊接性能良好，常采用焊條電弧焊和鎢極電弧焊。 五、鑄鐵的補焊 補焊為修補工件（鑄件、鍛件、機械加工件或焊接結構件）的缺陷而進行的焊接稱為補焊。 鑄鐵焊接時，極易形成白口組織和裂紋 1、避免白口和裂紋的措施 緩慢冷卻，調整熱循環(huán)，使碳元素可以自由的游離出來 調整焊縫金屬的化學成分，加入促進石墨化的元素。 采取必要的工藝措施 2 2、補焊方法和補焊材料、補焊方法和補焊材料 （1）鑄鐵補焊方法：熱焊法（ 5 0 0 - 7 0 0） 、 半 熱

21、焊 法（400）、冷焊法（低于400 （2）鑄鐵的補焊材料 采用鑄鐵焊條：焊縫金屬為鑄鐵組織的焊條、焊縫組織為非鑄鐵組織的焊條 六、有色金屬的焊接 （一）銅及銅合金的焊接 1、特點：導熱性強膨脹系數大液態(tài)時易形成cu2o，結晶時和銅形成低熔點的共晶體液態(tài)時吸氣性強電阻極小，故不適宜采用電阻焊。 2、銅及銅合金的焊接工藝 氣焊 焊條電弧焊 手工氬弧焊： 純銅用 HSCu焊絲 黃銅用 HSCuZn焊絲 白銅用 HSCuNi 或HSCuZnNi焊絲（二）鋁及鋁合金的焊接 1、鋁及鋁合金的焊接特點 鋁的熱導率大 鋁的氧化性強(夾渣和氣孔） 鋁的熔點低 2、鋁及鋁合金的焊接工藝 氣焊適用于薄壁小件 手工

22、氬弧焊采用反接極性對熔池表面氧化膜產生“陰極破碎”作用，有利于保護焊縫。 第七節(jié)第七節(jié) 焊接結構設計焊接結構設計 一、焊接結構材料的選擇 原則，在滿足結構使用要求的條件下，盡量選擇焊接性能較好的材料，同一構件焊接時，盡量采用同種金屬，異種金屬難焊接。 二、焊接方法的選擇 焊接方法選擇的主要依據是：綜合考慮材料的焊接性，工件的結構形式，厚度及各種焊接方法的適用范圍。 三、焊接接頭設計 （一）焊接結構應盡量選用型材成沖壓件（如圖（如圖3-443-44） 圖3-44 合理選材與減少焊縫a)用四塊鋼板焊成b)用兩根槽鋼焊成c)用兩根鋼板彎曲后焊成d)容器上的鑄鋼件法蘭 （二）合理布置焊縫 焊縫布置應盡量分散（如圖（如圖3-453-45） 圖3-45 焊縫分散布置的設計a)、b)、c)不合理d)、e)、f)合理 焊縫和位置應盡量對稱布置（如圖（如圖3-463-46） 圖3-46 焊縫對稱布置的設計a)、b)不合理c)、d)、e)合理 盡量減少構件或焊接接頭部位的應力集中（