焊接機械零件的材料選擇

1、機械零件的材料選擇焊 接機制教研室2011年2月19日 第十二章 焊 接焊接是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的一種連接金屬的方法。其實質(zhì)是用加熱或加壓等措施，借助于原子間的結(jié)合與擴散作用，使兩塊分離的金屬連接成一個牢固整體的過程。焊接的方法很多，按焊接生產(chǎn)過程的特點可分為熔化焊、壓力焊、釬焊三大類。熔化焊是最基本的焊接方法，在焊接生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。壓力焊與釬焊具有成本低，易于實現(xiàn)機械化、自動化等優(yōu)點。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接方法已有幾十種，現(xiàn)將常用方法分類如下(見囪12-1)。 圖121 常用焊接方法分類框圖焊接與鉚接等其他連接方法相比具有以下優(yōu)點(1)減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省金屬材料。(2)生產(chǎn)率高，生產(chǎn)

2、周期短，勞動強度低。(3)焊縫氣密性高，利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。(4)能化“大”為“小”或以“小”拼“大”(5)可以制造雙金屬結(jié)構(gòu)。(6)易于實現(xiàn)機械化、自動化。焊接工藝廣泛應(yīng)用于機械制造、電氣技術(shù)、船舶、橋梁、建筑工程、化工設(shè)備、宇航技術(shù)、軍事工程等各個部門。第一節(jié) 熔化焊 熔化焊是將金屬的接頭處加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，形成共同的熔池，并加入填充金屬，從而連接成整的焊接工藝方法。它適于焊接各種碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及耐熱鋼，也可以熔接鑄鐵和非金屬。焊接接頭機械性能高，氣密性好，是焊接生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的類方法。一、手工電弧焊 電弧焊是利用電弧加熱熔化金屬進行焊接的方法。手工電弧焊是電弧焊中的一種主要

3、工藝，具有操作方便、設(shè)備簡單、可就地操作等優(yōu)點，生產(chǎn)應(yīng)用很廣泛。1電弧焊原理 焊接電弧是在焊條與工件間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強烈放電現(xiàn)象。 焊接操作時，先使電焊條與焊件瞬時接觸，由于短路產(chǎn)生高熱，使接觸處金屬迅速融化并產(chǎn)生金屬蒸氣。將焊條提起，離開焊條24nun時，在電焊條與焊件之間充滿了高溫氣體和金屬蒸氣，由于焊接電壓的作用，從高溫金屬表面發(fā)射出電子，電子撞擊氣體分子和金屬蒸氣，使其電離成匯離子和負(fù)離子，正離子流向陰極，負(fù)離子和電子流向陽極， 于是便形成了電弧。2手工電弧焊設(shè)備手工電弧焊設(shè)備主要是交流弧焊機和直流弧焊機、整流器式直流電焊機等。(1)交流弧焊機 交流弧焊機是一種裝有特殊變壓器的電弧

4、焊設(shè)備。常用BX1-330型漏磁式交流弧焊機。焊接空載電壓為60-70V，工作電壓為30V，工作電流可在50-450A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 (2)直流弧焊機 直流弧焊機是提供直流電進行焊接的電弧焊設(shè)備。此類焊機有兩種類型的產(chǎn)品。一種是發(fā)電機式直流弧焊機，常用型號AX330型，其焊接空載電壓為5080V，工作電壓30V，電流調(diào)節(jié)范圍為45-320A。另種整流器式直流電焊機，其原理是用大功率整流元件組成整流器，將工頻交流電整流成符合焊接需要的直流電。這種焊機結(jié)構(gòu)簡單維修方便，噪音小，是一種很有發(fā)展前途的焊接電源。直流弧焊機輸出端有正、負(fù)兩極之分?；『笝C與焊條、工件有兩種不同的接線法。將工件接焊機正極，焊條

5、接焊機負(fù)極，這種接法稱為正接，反之稱為反接，或稱為正極性接法、反極性接法。焊接厚板時，一般采用直流正接。這是因為電弧正極的溫度和熱量比負(fù)極高，采用正接能獲得較大的熔深。焊接薄板時，為防止燒穿，常采用反接，在使用堿性焊條時(如結(jié)427、結(jié)507)，均采用直流反接。 3電焊條 電焊條是由金屬焊條芯和涂覆在焊條芯外面的藥皮組成的(見圖122)。 (1)焊條芯 焊條芯是用金屬或合金制成的金屬絲，在焊接過程中起填充金屬和傳導(dǎo)電流的作用。焊條的化學(xué)成分和非金屬夾雜物的含量多少對焊縫質(zhì)量影響很大，因此要嚴(yán)格控制，以保證焊縫金屬各方面的性能不低于基體金屬。焊條芯的直徑最小為0.4 mm,最大為9mm，直徑為3

6、5mm的應(yīng)用最廣，見表121。圖12-2 電焊條表12-1 焊接碳素鋼焊條鋼芯成分示例(2)藥皮 藥皮是用礦石粉、鐵合金粉籌多種原料按比例配制的包裹在焊條芯外面的層蒙皮。藥皮的作用是：提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，保護熔池金屬不被氧化，向焊縫金屬添加合金元素，改善焊縫質(zhì)量。常用焊條藥皮的作用及成分如表122、表123所示。表12-2 焊條藥皮原料的種類名稱及其作用(3)焊條種類 按GB9801976規(guī)定，焊條分九大類：結(jié)構(gòu)鋼焊條(J)、耐熱鋼焊條(R)、不銹鋼焊條(B)、堆焊焊條(D)、低溫鋼焊條(W)、鑄鐵焊條(Z)、鎳合金焊條(N)、銅及銅合金焊條(T)、鋁及鋁合金焊條(L)等。 焊條牌號的表示方

7、法：類別代號加三位數(shù)，前兩位數(shù)表示焊縫金屬的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，第三位表示藥皮類型及適用電源種類。例“結(jié)422”或“J422”，其含義為結(jié)構(gòu)鋼焊條，焊縫最低抗拉強度為420MPa，鈦鈣型藥皮，適用于交、直流電源。 4焊接規(guī)范 焊接規(guī)范是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的各種工藝參數(shù)的總稱。分別簡述如下。 (1)焊條直徑的選擇 主要根據(jù)被焊金屬件的厚度決定，如表124所示。表124 焊條直徑的選擇(2)焊接電流大小選擇 主要根據(jù)焊條直徑?jīng)Q定，如表125所示。表125 各種直徑焊條使用電流值 (3)焊接速度和電弧長度選擇 焊接速度一般根據(jù)焊縫尺寸和焊條特性憑經(jīng)驗掌握，太快和太慢都會降低焊接縫的外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，

8、焊速適當(dāng)時，焊道的熔寬約等于焊條直徑的兩倍，表面平整，波紋細(xì)密。焊速過高時，焊道窄而高，波紋粗糙，熔合不良。焊速過低時，熔寬過大，工件易被燒穿。焊接電弧的長度約等于焊條直徑。5接頭型式和坡口形狀 (1)接頭型式 常用焊接接頭型式為對接接頭、搭接接頭、角接接頭如圖123所示。根據(jù)焊接件的結(jié)構(gòu)性要求和工藝性要求確定接頭型式。丁字接頭等，圖123 常見焊接接頭型式 (2)對接接頭的坡口形狀 對接接頭是各種焊接結(jié)構(gòu)中采用最多的一種接頭型式。為確保焊接質(zhì)量，對于較厚的工件，要把兩個工件間的待焊處加工成一定的幾何形狀，稱為坡口。常見坡口形狀如圖124所示。6焊縫的空間位置 在生產(chǎn)實踐中，焊縫可以處于空間的

9、不同位向，如圖125所示。平焊位置最佳，操作方便，勞動條件好，生產(chǎn)率高，焊縫質(zhì)量易保證。立焊、橫焊次之，仰焊最差。圖125 焊縫的空間位置 圖126 埋弧焊焊縫形成過程示意圖（1一被焊件；2一焊絲；3一焊劑；4熔化了的焊劑；5熔池；6一焊縫；7一渣殼；）二、埋弧自動焊1埋接過程和特點 埋弧自動焊以連續(xù)送進的焊絲代替手弧焊的焊條芯，以焊劑代替焊條藥皮。焊縫形成過程如圖126所示。焊絲末端與工件之間產(chǎn)生電弧，電弧熱量使焊絲、工件及焊劑熔化，其中一部分達(dá)到沸點，蒸發(fā)形成高溫氣體，在熔池外圍形成一個封閉的空間。電弧在封閉空間燃燒時，焊絲與基體金屬不斷熔化，形成熔池，隨著電弧前移，熔池金屬冷凝成焊縫。密

10、度較輕的熔渣浮在熔池表面，冷凝成渣殼。2埋弧焊的特點 (1)焊絲導(dǎo)電長度短，焊接電流大，熔深較大，即使較厚的工件也可以不開坡口直接焊接。 (2)生產(chǎn)率高，節(jié)約材料和工時，電弧熱量集中，熱能利用率高。(3)焊接過程穩(wěn)定，焊接能有效地保護熔池，防止外界空氣侵入，焊接質(zhì)量奸，焊縫光潔、平直、美觀。(4)埋弧焊熱能集中，速度快，焊接變形小。 (5)焊接過程易于實現(xiàn)機械化、自動化，改善了勞動條件，降低了工人的勞動條件。埋弧焊廣泛使用在鍋爐、壓力容器、造船等行業(yè)中。3.埋弧焊設(shè)備 目前國內(nèi)生產(chǎn)使用的以單絲自動焊機為主，雙絲、多絲焊機應(yīng)用較少。埋弧焊因其生產(chǎn)率高，正日益受到人們的重視。 國產(chǎn)埋弧自動焊機原理

11、如圖127所示。圖127 埋弧焊設(shè)備示意圖1一焊接小車底座；2一立柱；3一料斗支承臂；4控制盤；5一焊絲盤；6一焊絲機頭；7一焊劑漏斗；8一焊縫；9一渣殼；10一焊劑；11一焊接電纜三、氣體保護電弧焊氣體保護電弧焊是利用某種氣體作為保護介質(zhì)的一種電弧焊方法。常用氬弧焊和C0氣體保護焊。 1氬弧焊 氬弧焊以氬氣作為保護氣體，根據(jù)電極的不同又分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊，如圖128所示。氬弧焊的原理是：從噴嘴流出的氬氣在電弧及熔池周圍形成連續(xù)封閉的氣流圈，保護電極和熔池金屬不被氧化，氬氣是惰性氣體，它既不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不溶解于金屬，是種高質(zhì)量的焊接方法。氬弧焊是明弧焊，便于觀察。操作靈

12、活，適用于各種空間位置的焊接。氬氣價格較高，生產(chǎn)成本較高，因而主要應(yīng)用于不銹鋼和非鐵金屬材料的焊接。 2C0氣體保護焊 C0氣體保護焊以C0氣體作為保護氣體，其原理與氬弧焊相似。這種焊接方法成本低，電流密度大，生產(chǎn)率高，操作靈活，適用于各種空間位置的焊接，主要用于低碳鋼和普通低合金鋼的焊接。四、氣焊與氣割 1氣焊 氣焊是利用氧氣和可燃性氣體混合燃燒所產(chǎn)生的熱量，將焊件接頭和焊絲熔化，使焊件連接在起的種焊接方法。 氣焊屬熔化焊?？扇夹詺怏w主要有乙炔、丙烷及氫氣等。乙炔與純氧混合燃燒放出的有效熱量最多，火焰溫度可達(dá)3300C，應(yīng)用最廣。 氣焊火焰溫度較電弧焊低，加熱速度也較慢，火焰熱量分散，熱影響

13、區(qū)較寬，焊件易變形。氣焊火焰中的氫、氧能與熔池金屬發(fā)生作用，氧化或溶入金屬液體。氣焊焊縫質(zhì)量不如電弧焊奸。氣焊火焰易于調(diào)控，熱量不像電弧焊那么集中，因而適用于焊接薄鋼板、非鐵金屬、鑄鐵及堆焊硬質(zhì)合金等。 為適應(yīng)不同情況的焊接要求，需要調(diào)整氣焊火焰。改變氧氣與乙炔的體積比可獲得三種不同性質(zhì)的火焰，如圖129所示。 (1)氧化焰VoVcH1.2，由于氧氣比例高，火焰短，溫度高(31003300)，對熔池金屬有氧化作用，只適用于焊接黃銅。 (2)中性焰VoVcH=1.01.2，供氧充分，燃燒完全，內(nèi)焰溫度可達(dá)30003200。中性焰溫度高，對熔池金屬氧化作用較微，應(yīng)用較廣，適用于焊接低碳鋼、中碳鋼、

14、合金鋼、紫銅和鋁合金等材料。 (3)碳化焰VoVcH1.0，供氧不足，燃曉不完全，火焰長，溫度低(27003000)。由于乙炔燃燒不充分，對工件有增碳作用，適用于焊接高碳鋼、鑄鐵和硬質(zhì)合金等材料。2氧氣切割氧氣切割是根據(jù)某些金屬在氧氣流中能劇烈氧化的原理，利用割炬切割金屬的：藝方法。 氣割時用割炬代替焊炬，其設(shè)備與氣焊相同。割炬外形如圖1210所示。 氧氣切割的過程如圖1211所示。首先用氧化焰將割口始端附近的金屬預(yù)熱到燃點，然后打開切割氧閥門，氧氣射流使高溫金屬立即劇烈氧化燃燒，生成熔融狀態(tài)的氧化物被氧氣流吹走。如此移動割炬，即可形成割口。 金屬材料只有滿足下列條件時才能采用氧氣切割：金屬材

15、料的燃點低于其熔點，燃燒生成的金屬氧化物的熔點應(yīng)低于金屬的熔點，而且流動性也好，金屬燃燒時能放出大量的熱，金屬本身的導(dǎo)熱性不應(yīng)太高。 圖129 氣焊火焰示意圖 圖12-10 割炬 圖12-11 氣割過程示意圖 能滿足上述條件的金屬材料有純鐵、低碳鋼、中碳鋼和普通低合金鋼。高碳鋼、鑄鐵、高合金鋼，銅、鋁等非鐵金屬及其合金均難以進行氧氣切割。五、其他熔化焊簡介1.電渣焊電渣焊是利用電流通過熔融液渣所產(chǎn)生的電阻熱對焊件進行焊接的方法?；驹砣鐖D圖1212圖1212 電渣焊原理圖l焊件；2焊絲；3焊劑；4渣池；5冷卻滑塊；6焊縫；7冷卻水管；8電弧 將電源分別接在焊件1和電極2上，在焊件待焊焊縫的兩

16、側(cè)，裝著不使液態(tài)金屬和熔渣外流的銅滑塊5，滑塊內(nèi)通水冷卻。電流由電極(焊絲)2流經(jīng)能導(dǎo)電的熔渣和工件。巨大電流產(chǎn)生的電阻熱使焊絲和焊縫金屬熔化，金屬熔池在滑塊冷卻下，迅速凝固結(jié)晶成細(xì)晶粒組織的焊縫。 電渣焊能使厚大焊件開開坡口一次焊成，生產(chǎn)率高，焊縫平整光潔，缺陷少，質(zhì)量好。主要應(yīng)用于重型機械制造和鑄鐵件焊補。2等離子弧焊等離子弧焊是一種鎢極壓縮氣體保護焊接方法。工作原理如圖1213所示。在鎢電極與焊件間產(chǎn)生的電弧在水冷噴嘴孔道中，受到機械壓縮、熱收縮、磁收縮效應(yīng)的綜合作用，弧度截面小，電流密度大，弧內(nèi)氣體電離度高，成為溫度很高、能量很大的等離子弧。1012mm厚的焊件可不開坡口，不加填充金屬

17、，一次焊成。由于氬氣流保護，熔池金屬不會被腐蝕，因而焊縫質(zhì)量好。因為加熱速度快，熱量集中，熱量響區(qū)小，變形也小。此種焊接方法生產(chǎn)率高，可在任意空間位置施焊，適用于各種鋼及鈦、鎳、銅、錫、鉬、鉆等多種材料焊接，廣泛應(yīng)用于尖端技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)。如鈦合金導(dǎo)彈殼體、微型繼電器和電容器外殼、航天工業(yè)中的薄壁容器焊接等。 3電子束焊 電子束焊是利用高壓電子流束加熱焊件進行焊接的一種先進焊接方法。工作原理如圖12-14所示。圖1213 等離子弧焊原理圖 圖12-14 真空電子束焊接原理示意圖1鎢極(負(fù)極)；2氬氣進氣管；3冷卻水進口；4噴嘴；5等離子??；6冷卻水出口；7焊件；8振蕩器1電源；2燈絲電源；3加熱

18、絲(即燈絲)；4陰極；5陽極；6電磁聚焦透鏡；7電子束；8焊件；9真空焊接室；10真空系統(tǒng)；11電磁聚焦電源 電子槍、焊件和夾具均裝在真空室內(nèi)。電子槍由燈絲、陰極、陽極、電源、聚焦透鏡等組成。當(dāng)陰極被燈絲加熱到高溫時，開始大量發(fā)射電子，電子在電極與聚焦透鏡組成的聚焦裝置作用下形成電子流束，電子流束在高壓電場的作用下，以極大速度(160000Km/s)射向焊件(陽極)表面，電子流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽芰棵芏葹槠胀娀〉? 000倍，它使焊件金屬迅速熔化甚至汽化。根據(jù)焊件的熔化情況，均勻移動焊件，即可實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。 電子束焊熔深可達(dá)200 mm，即使300 mm厚的工件亦可不開坡口一次焊成，也可

19、焊厚度小于01mm的箔材，焊件厚度范圍很寬，焊接質(zhì)量很好，但成本高昂。主要應(yīng)用于鈦、鋯、鉭、鉬、鈮、鉑、鎳等高熔點金屬及合金的焊接。在原子能、導(dǎo)彈技術(shù)、航天工業(yè)等尖端技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 4激光焊接 激光焊接是利用原子受激輻射的原理，產(chǎn)生波長均一、方向一致的高能激光束進行金屬與非金屬材料的焊接、穿孔和切割的工藝方法。 激光焊接原理如圖1215所示。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦系統(tǒng)作用，聚焦于焊件接頭處微小的一點，該點能量密度達(dá)10W/cm，光能轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬熔化形成焊接接頭。激光焊接特別適用于焊接微小、精密、排列密集、對過熱敏感的焊件。日前已廣泛應(yīng)用于微電子元件(集成電路引線)焊接，微型繼電器、

20、電容器、儀表游絲等的焊接。圖12-15 激光焊接示意圖1電源；2激光器；3聚焦光束；4瞄準(zhǔn)鏡；5-聚焦系統(tǒng)；6激光束；7外門第二節(jié) 其他焊接方法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的焊接方法，除熔化焊外還有電阻焊、摩擦焊和釬焊等。一、電阻焊 電阻焊又稱接觸焊，是利用低壓大電流通過焊件接縫處所產(chǎn)生的電阻熱加熱金屬，將按縫處加熱到塑性狀態(tài)或熔化狀態(tài)，在壓力作用下使焊件連成體的焊接方法。具體工藝分為對焊、點焊、縫焊三種類型，如圖1216所示。電阻焊采用大電流(數(shù)萬安培)加熱，能量密度高，可在極短時間內(nèi)(0.01秒至幾秒)獲得焊接接頭，生產(chǎn)率高，焊件變形小，不需填充金屬和焊劑，接頭表面平整光潔，操作簡便，易于實現(xiàn)機械

21、化、自動化。對焊適用于棒料、型鋼、管件等焊接。點焊適用于厚度小于6mm的板料搭接?？p焊適用于厚度小于3mm的薄板焊接。二、摩擦焊 摩擦焊是利用焊件接觸面相對運動，強烈摩擦產(chǎn)生的熱量，使接觸面加熱到塑性狀態(tài)，在壓力作用下連成一體的焊接方法。 圖1217為摩擦焊原理示意圖。焊件1和2被夾在焊機上，施加一定壓力使兩焊件緊密接觸，再使焊件l旋轉(zhuǎn)，兩焊件接觸面因相對摩擦而產(chǎn)生高熱，待接觸面加熱成塑性狀態(tài)時，使焊件1停轉(zhuǎn)，在焊件2一側(cè)加壓力，使兩焊件產(chǎn)生塑性變形而焊接起來。 摩擦焊接頭一般為等截面的，也可以是不等截面的，但必須有一工什為圓形或管形。如圖1218所示為摩擦焊常用接頭型式。摩擦焊廣泛用于圓形工

22、件及管子的對接，可焊實心焊件直徑為2100mm，管子外徑達(dá)數(shù)百毫米。圖1217 摩擦焊原理示意圖 圖1218 摩擦焊接頭型式三、釬焊 釬焊是利用熔點比焊件金屬低的釬料作填充金屬，加熱使釬料熔化將固態(tài)金屬工件連接起來的一種焊接方法。 1釬焊過程 將表面清潔的工件(見圖1219)搭接在起，把釬料放入裝配間隙或附近，適當(dāng)加熱，使釬枓熔化。熔融釬料借助毛細(xì)管作用被吸入并充滿固態(tài)金屬工件間隙內(nèi)，金屬原子相互擴散，凝固后即形成釬焊接頭。圖1219 釬焊接頭型式 2釬料 (1)硬釬料。熔點在450以上的釬料為硬焊料。硬釬料焊接強度高，適于焊接受力較大或工作溫度較高的工件。屬硬釬料的有銅基、銀基、鋁基、鎳基釬

23、料等。(2)軟釬料。熔點在450以下的釬料為軟釬料。軟釬料強度較低，一般不超過70MPa，用于焊接受力不大或工件溫度較低的工件。錫鉛焊料即屬此類。 3熔劑 熔劑的作用是清除被焊金屬表面氧化膜及雜質(zhì)，改善釬料流動性，保護釬料及焊件免于氧化。熔劑對釬焊質(zhì)量影響很大。硬釬料配用熔劑為硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等。軟釬料配用熔劑為松香或氯化鋅溶液等。 4加熱 釬焊的加熱方法有烙鐵加熱、火焰加熱、電阻加熱、感應(yīng)加熱、爐內(nèi)加熱、鹽浴加熱等。釬焊加熱溫度不高，釬件組織和性能變化不大，變形小，接頭光滑平整，尺寸精確，既可釬接同種金屬，也可釬接異種金屬。其主要缺點是接頭強度較低，工作溫度不能過高。 釬焊在機械、

24、電氣技術(shù)及儀表制造等行業(yè)應(yīng)用廣泛。第三節(jié) 常用金屬材料的焊接一、金屬材料的焊接性 金屬材料的焊接性是指被焊金屬材料在定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度。金屬材料的焊接性是一個相對概念，同一種金屬材料，采用不同的焊接方法，其焊接性將有大差別。 1工藝焊接性與使用焊接性人們所說的金屬材料的焊接性有兩方面的具體含義，即工藝焊接性和使用焊接性。(1)工藝焊接性 主要指焊接接頭出現(xiàn)各種裂縫的可能性，也稱抗裂性。(2)使用焊接性 主要指焊接接頭在使用中的可靠性，包括機械性能和其他特殊性金屬材料的焊接性是產(chǎn)品設(shè)計、施工準(zhǔn)備及正確擬訂焊接工藝的重要依據(jù)。2鋼焊接性估算碳鋼及低合金鋼的焊接性可通過試驗

25、測定或運用碳當(dāng)量公式進行經(jīng)驗估算。國際焊接學(xué)會推薦使用的碳當(dāng)量公式如下。注意，式中各化學(xué)元素符號表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 當(dāng)C0.4時，鋼的淬硬傾向不明顯，焊接性好，焊接時不必預(yù)熱，能用各種方法施焊。 當(dāng)C為0.4一0.6時，鋼的淬硬傾向較明顯，為防止產(chǎn)生焊接微裂紋，焊前要適當(dāng)預(yù)熱，施焊時應(yīng)采取有效控制措施。 當(dāng)C0.6時，鋼的淬硬傾向大，屬于較難焊材料，需要采取較高溫度預(yù)熱和更嚴(yán)格的工藝措施。常用金屬材料的焊接性見表126。二、焊接接頭組織與性能焊接接頭由焊縫和近縫區(qū)(熱影響區(qū))組成。焊接過程中，焊接及近縫區(qū)金屬都經(jīng)歷了一次升溫和降溫過程，其實質(zhì)相當(dāng)于經(jīng)受一次不同溫度的熱處理，組織和性能都發(fā)生

26、了相應(yīng)的變化。其溫度分布如圖1220所示?，F(xiàn)以低碳鋼為例，說明焊件接頭處金屬組織和性能變化情況。如圖1221所示，焊縫區(qū)溫度最高，冷凝時液態(tài)金屬的結(jié)晶從熔池壁開始，沿著垂直于池壁方向形成柱狀晶粒組織。熱影響區(qū)由半熔化區(qū)，過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)、再結(jié)晶區(qū)組成。半熔化區(qū)和過熱區(qū)晶粒粗大，機械性能不佳，容易發(fā)生應(yīng)力集中和產(chǎn)生微裂紋，對焊接質(zhì)量影響很大，應(yīng)盡可能減小熱影響區(qū)。圖12-20 鋼焊接接頭處溫度分布圖表127列出了低碳鋼熱影響區(qū)的大約數(shù)值。改變焊接規(guī)范或通過焊后熱處理可以控制熱影響區(qū)的寬度和消除熱影響區(qū)過熱組織缺陷。表12-7 各種焊接方法熱影響區(qū)的大小三、常用金屬的焊接1碳鋼的焊接 (

27、1)低碳鋼焊接 低碳鋼焊接性好，適于各種焊接方法，般不需采取特殊工藝措施，就能獲得良好的焊接接頭。當(dāng)焊件厚度大于30mm或環(huán)境溫度低于-10時，若采用普通手工電弧焊，焊前應(yīng)將焊件適當(dāng)預(yù)熱。 (2)中碳鋼焊接 隨著鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的焊接性逐漸變差。中碳鋼因焊接性不如低碳鋼，焊縫和熱影響區(qū)中容易產(chǎn)生脆性的淬火組織，若工藝措施不當(dāng)，還可能出現(xiàn)裂紋。為了獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，焊前應(yīng)將焊件預(yù)熱150250，焊后緩冷，采用抗裂性能好的低氫型電焊條。 (3)高碳鋼焊接 高碳鋼由于鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，淬硬傾向大，焊接性差。這類鋼一般只適用于進行修補性焊接。補焊時要注意焊接工藝，選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的小直徑焊條

28、，直流反接，焊前預(yù)熱300500，焊速慢，焊后緩冷。 2普通低合金鋼焊接 這類鋼因含有定量的合金元素，熱影響區(qū)淬硬傾向和焊接接頭的開裂傾向較大，焊接性較差。鋼中碳與合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高，焊接性愈差。此類鋼焊接前須預(yù)熱300500，選用抗裂性好的低氫型堿性焊條。焊條使用前應(yīng)用300400烘干。采用較大的焊接電流和較慢的焊接速度，焊后及時回火(550650)消除應(yīng)力。若用氣焊，宜用中性火焰。 3鑄鐵的焊補 鑄鐵焊接主要用于鑄鐵件的修復(fù)和焊補。鑄鐵因碳硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，組織不均勻，強度低，塑性差，焊接性不好。鑄鐵焊接的主要困難是焊接時碳硅元素易燒損，形成硬脆的白口組織，裂紋傾向大。因此，必須采取合理

29、的焊接方法與工藝規(guī)范以保證焊補質(zhì)量。常用下述兩種方法。 (1)熱焊法 將待焊鑄件先經(jīng)600700預(yù)熱再施焊?；诣T鐵熱焊時宜采用鋼芯或鑄鐵芯石墨型藥皮電焊條，焊接電流要大，速度要慢。球墨鑄鐵熱焊時宜采用細(xì)直徑鋼芯強石墨型藥皮鑄鐵焊條，小電流，慢速度。鑄鐵若用氣焊，宜用中性焰或輕微碳化焰。 (2)冷焊法 鑄件不預(yù)熱或經(jīng)低溫預(yù)熱(400以下)后施焊。用手弧焊進行冷焊時，焊條可用鋼芯強石墨型藥皮鑄鐵焊條或鑄鐵芯焊條、銅基、鎳基、鎳銅合金(蒙乃爾合金)焊條等。選用小電流斷續(xù)焊法，焊后立即用小鐵錘敲擊焊縫，以減小焊接應(yīng)力。4非鐵金屬及其合金的焊接 (1)銅及銅合金的焊接 銅及銅合金焊接性差，比低碳鋼焊接困

30、難得多。銅因?qū)嵝院?、散熱快，因而不易焊透；銅線膨脹系數(shù)大，凝固收縮率也大，因而焊接應(yīng)力大、變形大，易產(chǎn)生裂紋；焊接時熔池金屬易氧化、吸氣造成氣孔和夾渣等。銅及其合金因具有上述不利于焊接的特點，用般手弧焊難以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。銅及銅合金可用氬弧焊、氣焊、碳弧焊、釬焊等方法焊接。采用氬弧焊是保證紫銅及青銅焊接質(zhì)量的有效方法。氬弧焊時，焊絲用特制紫銅焊絲(絲201)，溶劑用硼酸或硼砂(如氣劑301)。 氣焊紫銅和青銅時應(yīng)用中性焰，氧過多時會加上銅氧化的傾向，熔池吸氫增多，接頭質(zhì)量不佳。氣焊用焊絲和熔劑與氬弧焊相同。 黃銅焊接目前最常用的方法是氣焊，因為氣焊溫度較低，焊接過程中鋅的蒸發(fā)少。氣焊黃銅一

31、般用輕微氧化焰，采用含硅的焊絲(絲221、絲222)有利于在熔池表面形成一層致密的氧化硅薄膜，以阻礙鋅蒸發(fā)，焊劑用硼酸和硼砂的混合劑。 (2)鋁及鋁合金焊接 鋁及其合金因具有與銅相似的特點而不利于焊接，雖可用氣焊、電弧焊、氬弧焊、電阻焊、釬焊、埋弧焊等方法施焊，但以氬弧焊質(zhì)量最好。施焊時須用熔劑除去氧化膜及雜質(zhì)，常用溶劑為氯化物和氟化物組成的混合物(如氣劑401)。焊前預(yù)熱(200300)，焊后退火(300400)。焊前認(rèn)真清除接頭部位的油垢、污物，焊后用熱水或10的NaOH水溶液清洗焊縫。第四節(jié) 焊件質(zhì)量分析一、焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力所引起的變形和開裂是影響焊接質(zhì)量的主要原因之一。1焊接應(yīng)力

32、的產(chǎn)生原因 焊接過程為什么會產(chǎn)生很大的應(yīng)力呢?現(xiàn)以平板對接為例說明焊接應(yīng)力的產(chǎn)生及導(dǎo)致變形開裂的過程。如圖222所示，兩塊金屬材料對焊時，由于電弧的熱作用，焊縫區(qū)附近溫度急劇升高，而較遠(yuǎn)處溫度仍較低，這樣導(dǎo)致焊件各部分金屬出現(xiàn)不均勻的熱膨脹。如果焊縫區(qū)金屬不受阻礙，熱膨脹將能自由進行，如圖1222(a)所示。但實際上受到周圍金屬的阻礙，焊縫區(qū)金屬不能自由地伸長，此時焊縫區(qū)金屬受壓應(yīng)力，周圍金屬受拉應(yīng)力。焊縫區(qū)金屬本身處在熱塑性狀態(tài)，容易變形，當(dāng)壓應(yīng)力大于其屈服強度時，就會產(chǎn)生壓縮性塑性變形，如圖1222(b)所示，此時金屬的伸長并沒有圖1222(a)那么長。焊件冷卻時，焊縫區(qū)金屬因在加熱時產(chǎn)生

33、了壓縮塑性變形，冷卻收縮后的長度在自然收縮的情況下為L，但具收縮又受到周圍金屬的牽制，實際長度L比L長，比原長L短。L- L即為變形量。此時焊縫區(qū)金屬受拉應(yīng)力，周圍金屬受壓應(yīng)力，此即為焊件的殘余應(yīng)力，如圖1222(c)所示。當(dāng)然，焊接過程中應(yīng)力與變形的實際情況比我們上面分析的還要復(fù)雜。 綜上所述，可見焊件不均勻的局部加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的根本原因，而當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強度時產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力超過抗拉強度時就產(chǎn)生開裂。(a)加熱時自由伸長 (b)加熱時的變形 (c)冷卻后的變形圖1222 焊接應(yīng)力與變形示意圖2焊接變形的基本形式焊接變形是多種多樣的，最常見的有以下五種形式，如圖1223所示。 (1

34、)收縮變形 焊件縱向和橫向尺寸縮短，如圖1223(a)所示。 (2)角變形 V形坡口對接施焊時，由于焊縫截面形狀上下不對稱，焊后收縮不均勻而引起角變形，如圖1223(b)所示。 (3)彎曲變形 T形梁焊接時，由于焊縫布置不對稱，焊縫縱向收縮引起彎曲變形，蟲口圖1223(c)所示。 (4)扭曲變形。由于焊縫在焊件橫截面上布置不對稱，焊接工藝不合理產(chǎn)生的復(fù)雜變形，如圖1223(d)所示。 (5)波浪形變形 由于焊縫的縱、橫向收縮引起角變形，這些變形連貫起來就形成了波浪變形，這類變形多產(chǎn)生在薄板的焊接結(jié)構(gòu)中，如圖1223(e)所示。圖12-23 常見焊接變形形式 3預(yù)防和減小焊接變形的措施 為了預(yù)防

35、和減小焊接變形，設(shè)計時應(yīng)盡可能采用合理的結(jié)構(gòu)型式，焊接時采用必要的工藝措施。人們在生產(chǎn)實踐中創(chuàng)造的如下幾點措施是可行的。 (1)對易產(chǎn)生變形和裂紋的焊件，焊前應(yīng)預(yù)熱，焊后應(yīng)緩冷。 (2)選用正確的焊接次序。例如焊縫為對稱性焊縫時，應(yīng)按對稱焊接順序施焊，長焊縫應(yīng)采用逆向分段焊接法，如圖1224和圖1225所示。 (3)利用反變形法抵消焊接變形，如圖1226所示。 (4)將焊件固定，限制其變形，如圖1227所示。 (5)在焊接過程中，趁熱用小錘輕輕敲擊，使應(yīng)力松弛，減小變形。(a) (b) (c)圖12-24 對稱性焊縫的焊接順序(6)焊后及時進行去應(yīng)力退火，可使應(yīng)力消除80一90。圖12-27

36、用固定法減小焊接變形二、焊接接頭的缺陷 合格焊接接頭的要求是：焊縫有足夠的熔深，合適的熔寬與堆高。焊縫與母材表面過渡平滑，弧坑飽滿。機械性能及其他所要求的使用性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。無裂紋，無未焊透，無燒穿，夾渣和氣孔數(shù)量不超過允許值范圍。 在焊接生產(chǎn)中，由于材料選擇不當(dāng)、焊前準(zhǔn)備工件做得不好、焊接規(guī)范不合適、操作方法不正確等原因，會造成各種焊接缺陷。焊接接頭主要缺陷及產(chǎn)生原因如表128所示。 焊接缺陷影響接頭的性能，對于重要接頭，上述缺陷一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須修補，否則可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。在任何情況下，裂縫、未焊透、燒穿都是不允許的。三、焊接接頭質(zhì)量檢查方法 對焊接接頭進行必要的檢驗是保證焊接質(zhì)量的重要措施。

37、(1)外觀檢驗。用肉眼或低倍放大鏡觀察焊縫有無可見缺陷，如表面氣孔、咬邊焊透、裂縫等，并檢查外形尺寸。 (2)焊縫內(nèi)部檢驗。焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣、裂紋和未焊透等缺陷對焊縫質(zhì)量影響很大，尤其當(dāng)焊接接頭承受載荷或較大載荷的情況下，這種內(nèi)部缺陷更需嚴(yán)格控制。常用檢驗方法如表12-9所示。 (3)機械性能檢驗。根據(jù)設(shè)計要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試接頭的機械性能，如強度、塑性、韌性等。 (4)密封性檢驗。要求密封和承受壓力的容器、管道，應(yīng)進行焊縫致密性檢驗。檢驗方法有煤油試驗、氣壓試驗、水壓試驗等。第五節(jié) 焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性 焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性是指從焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)特點出發(fā)，按產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)和使用要求，用簡便而可

38、靠的方法制作出優(yōu)質(zhì)的焊接接頭的可能性及可行性。 合理的焊接構(gòu)件建立在合理設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。合理結(jié)構(gòu)一方面要考慮結(jié)構(gòu)的強度、工件要求等性能條件，另一方面還要考慮到焊接生產(chǎn)過程的特殊性。一、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的工藝原則(1)應(yīng)利于減少焊接工作量，施焊方便和保證質(zhì)量。(2)應(yīng)利于減小焊接應(yīng)力與變形，切忌應(yīng)力集中。(3)充分考慮施工現(xiàn)場的條件。(4)盡可能使結(jié)構(gòu)新穎合理。二、焊件材料的選擇(1)在滿足工作性能要求的前提下，盡可能選用焊接性較好的材料。(2)盡量選用型材或尺寸規(guī)格的原材料，這樣有利于減少焊縫，簡化工藝。(3)盡可能選用同種材料作焊件。三、焊接方法選擇 各種材料的焊接性差別很大，焊接性好的低碳鋼焊件無論用何種焊法都容易獲得優(yōu)質(zhì)接頭，而焊接性不好的高碳鋼、鑄鐵、銅鋁等材料則應(yīng)慎重選擇焊接方法和嚴(yán)格的工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭。焊接方法的選擇是一個機械設(shè)計技術(shù)人員必須注意的問題。選擇焊接方法要考慮材料的焊接性、生產(chǎn)率、現(xiàn)場條件等因素后再決定。各種焊接方法的特點及適用范圍如表1210所示。表1210 各種焊接方法特點比較四、焊縫布置 焊縫布置對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、工人勞動條件有很大影響，設(shè)計人員應(yīng)慎重考慮。以下幾點原則應(yīng)予遵循。 1焊縫位置盡可能分散 焊縫集中易造成焊縫近區(qū)金屬嚴(yán)重過熱，組織和性能不良，應(yīng)力集中，變形增大