一、金屬焊接基本知識

1、n焊接電弧焊接電弧一、概述一、概述n在機械制造工業(yè)中，使兩個或兩個以上零件聯(lián)接在一起的方法有螺釘聯(lián)接、鉚釘聯(lián)接和焊接等。前兩種聯(lián)接都是機械聯(lián)接，是可拆卸的，而焊接則是利用兩物體原子間產(chǎn)生的結(jié)合作用來實現(xiàn)聯(lián)接的，聯(lián)接后不能再拆卸，為永久性聯(lián)接。n焊接（焊接（Welding）：）： 焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且使用或不焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且使用或不使用填充材料使工件達到結(jié)合的一種方法。其本質(zhì)就是通使用填充材料使工件達到結(jié)合的一種方法。其本質(zhì)就是通過適當?shù)奈锢磉^適當?shù)奈锢砘瘜W(xué)過程，使兩個分離表面的金屬原子接化學(xué)過程，使兩個分離表面的金屬原子接近到晶格距離（近到晶格距離（0.

2、30.5nm）形成金屬鍵，從而使兩金屬）形成金屬鍵，從而使兩金屬連為一體。連為一體。焊接方法（焊接方法（Welding process）：）： 焊接方法是指定某特定的焊接方法，如埋弧焊、氣體焊接方法是指定某特定的焊接方法，如埋弧焊、氣體保護焊，其含義包括該方法所涉及的冶金、電、物理、化保護焊，其含義包括該方法所涉及的冶金、電、物理、化學(xué)及力學(xué)原則等內(nèi)容。根據(jù)上述內(nèi)容的差異性區(qū)分出不同學(xué)及力學(xué)原則等內(nèi)容。根據(jù)上述內(nèi)容的差異性區(qū)分出不同的焊接方法。的焊接方法。n據(jù)統(tǒng)計，世界主要工業(yè)國家每年生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)約占鋼產(chǎn)量的45左右，焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：1、適應(yīng)性強 2、連接性能好 3、節(jié)省材料、質(zhì)量輕4、生產(chǎn)

3、周期短、生產(chǎn)效率高 二二 、焊接電弧、焊接電弧n熔化焊是最重要的焊接工藝方法。熔化焊所用的熱源對熔化焊的工藝操作和焊接質(zhì)量具有特別重要的影響。其中以電弧為加熱熱源的電弧焊是熔化焊中最基本、應(yīng)用最為廣泛的金屬材料焊接方法。n焊接電弧是由焊接電源維持的、在具有一定電壓的電極間或電極與工件之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強烈而持久地放電現(xiàn)象。也可以說，電弧是在兩電極間存在電位差時，電荷通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電現(xiàn)象。n焊接電弧的產(chǎn)生 常態(tài)下的氣體由中性粒子（分子或原子）組成，不含帶電粒子。要使兩電極間氣體連續(xù)放電，就必須使兩電極的氣體介質(zhì)中，能連續(xù)不斷地產(chǎn)生足夠多的帶電粒子（電子、正離子、負離子），即發(fā)

4、生氣體電離，并且這些帶電粒子在兩極間電場（電壓）作用下能連續(xù)不斷地向兩極作定向運動。n焊接電弧的構(gòu)成n（1）陰極區(qū)）陰極區(qū) 陰極區(qū)是指陰極處緊靠陰極表面的導(dǎo)電區(qū)，其沿電弧長度方向的尺寸很小，約為10-210-6cm。陰極區(qū)的作用是向弧柱區(qū)提供所需要的電子流，同時接收由弧柱區(qū)送來的正離子流。n（2）陽極區(qū)）陽極區(qū) 陽極區(qū)是指緊靠陽極長度約為10-210-6cm的氣體導(dǎo)電區(qū)域。陽極區(qū)的作用是接受弧柱區(qū)流過來的電子流，并向弧柱區(qū)提供正離子流。n（3）弧柱區(qū)）弧柱區(qū) 弧柱區(qū)是指陰極區(qū)和陽極區(qū)之間的區(qū)域，由于陰極區(qū)和陽極區(qū)很窄，故可把電弧的實際長度視為弧柱長度。由于弧柱區(qū)的溫度可高達500050000K

5、，弧柱區(qū)將產(chǎn)生以氣體的熱電離為主的導(dǎo)電現(xiàn)象。由熱電離產(chǎn)生的帶電粒子在外加電場的作用下，正離子向陰極方向運動，電子向陽極方向運動而形成電流。n焊接電弧的靜特性n焊接電弧的動特性n電弧燃燒的穩(wěn)定性（1）焊接電源的影響（2）焊接電流的影響（3）焊條藥皮的影響（4）電弧長度的影響 （5）其它影響因素 n焊接電弧的偏吹焊接電弧偏吹的原因（1）焊條偏心度過大（2）電弧周圍氣流的干擾（3）磁偏吹n減少或防止焊接電弧偏吹的方法n（1）在條件許可的情況下盡量使用交流電源焊接。n（2）在露天操作時，如果有大風(fēng)則必須用擋板遮擋，對電弧進行保護。在管子焊接時，必須將管口堵住，以防止氣流對電弧的影響。n（3）在焊接間隙

6、較大的對接焊縫時，可在接縫下面加墊板，以防止熱對流引起的電弧偏吹。n（4）在焊縫兩端各加一小塊附加鋼板(引弧板及引出板)，使電弧兩側(cè)的磁力線分布均勻并減少熱對流的影響，以克服電弧偏吹。n（5）采用短弧焊接，因為短弧時受氣流的影響較小，而且在產(chǎn)生磁偏吹時，如果采用短弧焊接，也能減小磁偏吹程度，因此采用短弧焊接是減少電弧偏吹的較好方法。n（6）在操作時適當調(diào)整焊條角度，使焊條偏吹的方向轉(zhuǎn)向熔池，這種方法在實際工作中應(yīng)用的比較廣泛。n（7）適當改變焊件上的接地線位置，盡可能使電弧周圍的磁力線分布均勻。三、焊接接頭三、焊接接頭n焊接接頭的組成焊接接頭是由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)及其鄰近的母材組成。

7、OA-焊縫 AB-熔合區(qū) BC-熱影響區(qū)n（1）焊縫 焊縫是焊件經(jīng)焊接后形成的結(jié)合部分。通常由熔化的母材和焊材組成，有時全部由熔化的母材組成。焊縫金屬的性能決定于兩者熔合后的成分和組織。n（2）熔合區(qū)(線) 熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域，是焊縫邊界上固液兩相交錯共存而又凝固的部分。n（3）熱影響區(qū) 熱影響區(qū)是焊接過程中，母材受焊接熱的影響(但未熔化)而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。它的寬度與焊接方法及熱輸入量大小有關(guān)。n焊接接頭的基本特點（1）幾何不連續(xù)性 當接頭位于結(jié)構(gòu)幾何形狀和尺寸發(fā)生變化的部位時，該接頭就是一個幾何不連續(xù)體，工作時傳遞著復(fù)雜的應(yīng)力。（2）性能不均勻 焊縫

8、金屬與母材在化學(xué)成分上常存在差異，再經(jīng)受不同的焊接熱循環(huán)和熱應(yīng)變循環(huán)，必然造成焊接接頭各區(qū)域的金屬組織存在著不同程度的差異，導(dǎo)致了焊接接頭在力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能及其他性能的不均勻性。（3）有殘余應(yīng)力和變形 焊接過程熱源集中作用于焊接的部位，不均勻的溫度場下產(chǎn)生了較高的焊接殘余應(yīng)力和變形，使接頭的區(qū)域過早地達到屈服點和強度極限，同時也會影響結(jié)構(gòu)的剛度，尺寸穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的其他使用性能。n焊接熱循環(huán) 焊接熱循環(huán)概念焊接熱循環(huán)概念 在焊接過程中熱源是沿焊件移動的，在焊接熱源作用下，焊某點的溫度隨時間變化的過程，叫該點的焊接熱循環(huán) 焊接熱循環(huán)曲線 焊接熱循環(huán)的特征n焊縫焊縫結(jié)晶過程：a）開始結(jié)晶 b

9、）晶粒長大 c）柱狀結(jié)晶 d）結(jié)晶結(jié)束n熔合區(qū) 熔合區(qū)緊鄰焊縫金屬，溫度處于固相線與液相線之間，該區(qū)很窄，金屬處于部分熔化狀態(tài)，晶粒十分粗大，化學(xué)成分與組織極不均勻，冷卻后的組織為過熱組織。 當焊縫和母材化學(xué)成分相差較大或進行異種鋼焊接時，在熔合區(qū)附近還會發(fā)生碳和合金元素的相互擴散，成分和組織的差異更大，會產(chǎn)生新的不利的組織帶。盡管熔合區(qū)很窄，在金相觀察時很難劃分出來，但由于產(chǎn)生過熱組織，晶粒粗大，或產(chǎn)生不利的組織帶，使該區(qū)塑性和韌性下降，成為焊接接頭中的薄弱環(huán)節(jié)。在許多情況下，熔合區(qū)往往是使焊接接頭產(chǎn)生裂紋或局部脆性破壞的發(fā)源地。低碳鋼的熱影響區(qū)n焊接熱影響區(qū) 焊接熱循環(huán)對焊接熱影響區(qū)的組織

10、和性能有著較大影響，熱影響區(qū)的組織和性能基本上反映了焊接接頭的性能和質(zhì)量。焊接過程中，熱影響區(qū)沿寬度各點被加熱，但所達到的溫度不同，因而焊后組織、性能也不相同。熱影響區(qū)某點被加熱達到的最高溫度，在最高溫度下停留的時間及隨后的冷卻速度，都將決定該點的組織情況。n影響焊接接頭性能的因素及質(zhì)量控制（1）焊接材料選擇（2）焊接工藝方法 （3）熔合比（4）焊接熱輸入及工藝參數(shù)n焊接接頭的形式焊接接頭可分為對接接頭、T形接頭、十字接頭、搭接接頭、角接接頭、端接接頭、套管接頭、斜對接接頭、卷邊接頭和鎖底對接接頭等共10種，其中以對接、T形、搭接、角接等4種接頭用的較多。n根據(jù)坡口形狀的不同，坡口可分成I形（

11、不開坡口）、V形、雙V形、U形、雙U形、單邊V形、K形、J形等形式。n坡口的幾何尺寸 a.坡口面。焊件上所開坡口的表面叫坡口面。b.坡口面角度和坡口角度。待加工坡口的端面與坡口面之間的夾角叫坡口面角度。兩坡口面之間的夾角叫坡口角度，開單面坡口時，坡口角度等于坡口面角度；開雙面對稱坡口角度時，坡口角度等于兩倍的坡口面角度。c.根部間隙。焊前在接頭根部之間預(yù)留的空隙叫根部間隙。根部間隙的作用在于焊接打底焊道時，能保證根部可以焊透。d.鈍邊。焊件開坡口時，沿焊件接頭坡口根部的端面直邊部分叫鈍邊。鈍邊的作用是防止根部焊穿。e.根部半徑。在J形、U形坡口底部的圓角半徑叫根部半徑。根部半徑的作用是增大坡口

12、根部的空間，使焊條能夠深入根部，以促使根部焊透。坡口的幾何尺寸n焊縫按不同分類方法可分為下列幾種形式：（1）按焊縫結(jié)合形式，分為對接焊縫、角焊縫、塞焊縫、槽焊縫和端接焊縫五種。（2）按施焊時焊縫在空間所處位置分為平焊縫、立焊縫、橫焊縫及仰焊縫四種形式。（3）按焊縫斷續(xù)情況分為連續(xù)焊縫和斷續(xù)焊縫兩種形式。n焊縫的形狀尺寸（1）焊縫寬度（2）余高（3）熔深（4）焊縫厚度、焊腳n焊接位置 焊縫位置，即熔焊時，焊件接縫所處的空間位置，可用焊縫傾角和焊縫轉(zhuǎn)角來表示。焊縫傾角，即焊縫軸線與水平面之間的夾角；焊縫轉(zhuǎn)角，即焊縫中心線(焊根和蓋面層中心連線)和水平參照面Y軸的夾角；在平焊位置、橫焊位置、立焊位置

13、、仰焊位置進行的焊接分別稱為平焊、橫焊、立焊、仰焊。T形、十字形和角接接頭處于平焊位置進行的焊接稱為船形焊。在工程上常用的水平固定管的焊接，由于在管子360的焊接中，有仰焊、立焊、平焊，所以稱全位置焊接。當焊件接縫置于傾斜位置(除平、橫、立、仰焊位置以外)時進行的焊接稱為傾斜焊。（1）平焊位置 焊縫傾角0-15，焊縫轉(zhuǎn)角150-210的焊接位置，見圖 A。（2）橫焊位置 焊縫傾角0-15；焊縫轉(zhuǎn)角80-150或210-280的對接位置，見圖B。（3）仰焊位置 焊縫傾角0-80；焊縫轉(zhuǎn)角0-80或280-360的焊接位置，如圖C。（4）立焊位置 焊縫傾角80-90，焊縫轉(zhuǎn)角80-280或0-36

14、0的焊接位置，如圖D。四、焊接應(yīng)力與變形四、焊接應(yīng)力與變形n焊接變形和殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因 在焊接過程中，對焊件進行局部的不均勻加熱，會產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。n焊接變形的基本形式（1）基本變形 基本變形通常表現(xiàn)為收縮變形，包括沿焊接方向的縱向收縮變形和沿垂直于焊接方向的橫向收縮變形。收縮變形的產(chǎn)生原因是由于焊接時的熱膨脹受到約束而在焊接區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性變形，這一壓縮塑性變形在隨后的冷卻過程中部分保留下來，從而產(chǎn)生了收縮變形。（2）派生變形 彎曲變形 角變形 扭曲變形 波浪變形減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計 在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，焊縫的位置應(yīng)盡可能對稱于結(jié)構(gòu)中心軸；在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的條件

15、下，應(yīng)盡可能選用型材、沖壓件、鍛件或鑄鋼件，以減少焊縫的數(shù)量和尺寸；同時，焊縫要避免密集和交叉，以減少過熱、應(yīng)力集中和焊接變形。（2）焊接工藝反變形法。根據(jù)理論計算和經(jīng)驗，預(yù)先估計構(gòu)件焊接變形的大小和方向，然后在焊接裝配時給予一個方向相反、大小相等的人為變形，使焊后變形相互抵消。加于余量法。工件下料時，給工件尺寸加大一定的收縮余量，以補償焊后的收縮。剛性固定法。焊接時將焊件加以固定，焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定，可有效防止角變形和波浪變形，但該方法會增大焊接應(yīng)力，只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)，不能用于鑄鐵和淬硬傾向大的鋼材，以免焊后斷裂。合理選用焊接方法和焊接規(guī)范。盡量選用能量較為集中

16、的焊接方法，以減少局部加熱程度，進而減少焊接應(yīng)力和變形。 選用合理的焊接順序。錘擊焊縫法。在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應(yīng)力和變形。加熱“減應(yīng)區(qū)”法。焊接前，在工件的適當部位(稱為減應(yīng)區(qū))進行加熱使之伸長，焊后冷卻時，加熱區(qū)與焊縫一起收縮，可大大減小焊接應(yīng)力和變形。焊前預(yù)熱和焊后緩冷。焊后熱處理。錘擊焊縫的路線n焊后矯形處理n（1）機械矯形 焊后通過壓力機、矯直機、輾壓或錘擊等方法矯正焊接變形。機械矯形是利用機械外力所產(chǎn)生的變形，抵消焊接變形并降低內(nèi)應(yīng)力。這種方法適用于矯正剛性較小、塑性較好和厚度不大的焊件。n（2

17、）火焰加熱矯形 利用氧乙炔火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形，來抵消被焊工件在該部分已產(chǎn)生的伸長變形。加熱方式有點狀加熱、三角加熱和條狀加熱，加熱溫度一般為600800?；鹧娉C形可使工件的形狀恢復(fù)，但矯形后的工件應(yīng)力并未消失。這種方法不適宜易淬硬材料和脆性材料。壓力機機械矯正彎曲變形火焰矯正彎曲變形五、常用焊接方法五、常用焊接方法n承壓設(shè)備主要采用的焊接方法有：焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊、埋弧焊、氣焊、電渣焊、等離子弧焊、螺柱焊、氣電立焊和摩擦焊以及堆焊。n焊條電弧焊（SMAW） 利用焊條與工件之間產(chǎn)生的電弧將焊條和工件局部加熱到熔化狀態(tài)，焊條端部熔化后形成的熔滴和熔化的母材融

18、合一起形成熔池，隨著電弧向前移動，液態(tài)熔池金屬逐步冷卻結(jié)晶，最終形成焊縫的一種焊接方法。1焊縫 2熔池 3保護性氣體 4電弧 5熔滴 6焊條 7焊鉗8電焊機 9焊接電纜 10工件n鎢極氣體保護焊（GTAW） 鎢極氣體保護焊是指采用高熔點的釷鎢棒或鈰鎢棒作電極，焊接時，鎢極不熔化，僅起引弧和維持電弧的作用，并在惰性氣體保護下進行焊接的一種電弧焊方法。通常采用氬氣作為保護氣體，因此又稱作鎢極氬弧焊。焊接時，在鎢極與工件間產(chǎn)生電弧，以電弧熱作為焊接熱源，填充金屬從鎢極的前方添加送入，在電弧熱的作用下，工件和填充金屬熔化并形成熔池，冷卻后形成焊縫。1噴嘴 2鎢極 3電弧 4焊縫 5工件6熔池 7填充焊絲 8惰性氣體n熔化極氣體保護焊（GMAW） 熔化極氣體保護焊是利用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護電弧和焊接區(qū)的電弧焊方法，簡稱氣體保護焊。熔化極氣體保護焊具有熔敷效率高、適用金屬材料廣泛、可進行全位置焊接、冶金反應(yīng)簡單和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的焊接方法。保護氣體有：惰性氣體、氧化性混合氣體（惰性氣體中加入氧氣、CO2氣等）、全CO2氣。1母材 2電弧 3導(dǎo)電嘴 4焊絲5送絲輪 6噴嘴 7保護氣體 8熔池 9焊縫金屬n埋弧焊（SAW） 埋弧自