金屬工藝學(xué)-柴增田第12章焊接

1、第12章 焊 接12.1概述焊接是通過加熱、加壓或同時加熱加壓，使用或不使用填充材料，借助金屬原子之間的擴散和結(jié)合，形成永久連接的工藝方法。 焊接分為：1.熔焊 將焊接接頭處的金屬加熱到熔化狀態(tài)下，形成熔池，經(jīng)冷卻結(jié)晶后，形成焊縫，從而將兩部分金屬連接在一起，成為一個整體的焊接方法。2.壓力焊 將接頭處加熱或不加熱，在壓力作用下使被焊金屬連接在一起的焊接方法。3.釬焊 利用比被焊接材料熔點低的填充金屬熔化后，填入接頭當(dāng)中，通過擴散作用把被焊接材料連接在一起的焊接方法。 焊接方法的特點是： （1）焊接接頭可靠、產(chǎn)品質(zhì)量好。焊接接頭部分的強度不低于母材強度，焊后接頭處容易處理，表面質(zhì)量好；接頭可靠

2、性比鉚接好，已基本取代了鉚接。 （2）可以減輕結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省金屬。焊接比鉚接可節(jié)省金屬材料15%20%。 （3）可以以小拼大、簡化工藝，縮短生產(chǎn)周期。與鑄造相比，不需要制造木模和砂型，不需要專門冶煉和澆注，節(jié)省了材料，降低了成本。對于大型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件可以將其先分為若干部分，然后逐步焊接，以小拼大成形。 （4）可以制造雙金屬結(jié)構(gòu)。用焊接的方法可以對不同的材料進行對焊、摩擦焊等，還可以制造復(fù)合容器，這對化工設(shè)備是十分有意義的。 焊接也存在一些不足之處：如結(jié)構(gòu)不可拆，維修不方便；接頭組織存在缺陷、焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生等。焊接接頭往往是鍋爐、壓力容器等應(yīng)特別注意的問題。12.2熔焊冶金原理12.2

3、.1熔焊的冶金過程 氣焊、電弧焊（手工電弧焊、埋狐焊、氣體保護焊）、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊、熱劑焊等焊接方法的焊接過程伴隨著特殊的冶金過程，其熔池的形成、結(jié)晶和接頭組織變化規(guī)律是相同的。 1.熔焊的冶金過程 在其中發(fā)生了如下的化學(xué)過程： Fe+OFeO Mn+OMnO Si+2OSiO2 2Cr+3OSi2O3 C+OCO 為了保證焊縫質(zhì)量，常采取如下措施：1）填加合金元素，進行脫硫和脫磷 2）造成保護氣氛 在焊條的藥皮、自動焊焊劑中加入造氣劑和造渣劑，藥皮融化后產(chǎn)生大量的氣體和熔渣，保護電弧和熔池金屬減少有害氣體的侵入，惰性氣體保護也能起到這個作用。 Mn+FeOMnO+Fe

4、Si+2FeOSiO2+2Fe MnO+FeSMnS+FeO CaO+FeSCaS+FeO 2Fe3P+5FeOP2O5+11 Fe12.2.2.焊接接頭的組織和性能1.焊縫金屬的溫度變化與分布2.焊接接頭金屬組織和性能的變化1）焊縫金屬焊縫組織是由熔池金屬結(jié)晶所得到的鑄造組織，因晶粒向著散熱最快的方向的反方向長大最快，所以，焊縫中的晶體是方向指向熔池中心的柱狀晶體。 2）焊接熱影響區(qū)是指焊縫兩側(cè)因焊接熱作用而產(chǎn)生組織和性能變化的區(qū)域。由于焊縫區(qū)金屬各點的受熱情況不同，熱影響區(qū)分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。低碳鋼的焊縫和熱影響區(qū)的溫度、組織、和性能變化 3.改善焊接熱影響區(qū)組織和性能

5、的措施焊接熱影響區(qū)是不可避免的，一般情況下，低碳鋼結(jié)構(gòu)采用手工電弧焊或埋弧自動焊時，熱影響區(qū)較小，焊后可不進行熱處理；但對合金鋼結(jié)構(gòu)或用電渣焊焊接的構(gòu)件，因熱影響區(qū)較大，必須注意其不利影響。碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼焊件，一般采用焊后正火處理，細化晶粒，均勻組織，以改善焊接接頭性能。對焊后不能進行熱處理的金屬材料和構(gòu)件，則只能通過選擇焊接方法和焊接工藝來減小焊接熱影響區(qū)的大小。12.3常用焊接方法本節(jié)介紹埋弧自動焊、氣體保護焊、電渣焊、電阻焊、釬焊等焊接方法。12.3.1埋弧自動焊埋弧自動焊的優(yōu)點是：1）生產(chǎn)效率高，埋弧自動焊的焊接電流大，節(jié)省更換焊條的時間，所以生產(chǎn)效率比手工電弧焊高510倍；2）

6、成本低，埋弧焊熔深大，可以不開或少開坡口，省時省料，所以焊接成本較低；3）焊接質(zhì)量好，由于電弧和熔池金屬被覆蓋，焊接熱量集中，電弧穩(wěn)定，焊接熱影響區(qū)小，所以焊接質(zhì)量高；4）勞動條件好。埋弧自動焊的缺點是：焊接電弧不可見，不能及時發(fā)現(xiàn)問題；焊前準備時間長，接頭加工與裝配要求高。12.3.2氣體保護焊用外加氣體作為電弧介質(zhì)排除電弧周圍的空氣，從而達到保護金屬熔池的電弧焊方法稱為氣體保護焊。常用的氣體保護焊有二氧化碳氣體保護焊和氬弧焊。1.氬弧焊 是以氬氣作為保護氣體的電弧焊。 2.CO2氣體保護焊CO2氣體保護焊是以二氧化碳作為保護氣體的電弧焊。 12.3.3電渣焊電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣產(chǎn)生

7、的電阻熱作為熱源而進行焊接的焊接工藝。 12.3.4電阻焊電阻焊是利用電流通過焊件及接觸處所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件局部加熱到塑性或熔化狀態(tài)，然后在壓力下形成焊接接頭的焊接方法。電阻焊可分為對焊、點焊和縫焊 1點焊是將兩塊經(jīng)過清理的薄板焊件疊放在電焊機的上下電極之間，壓緊后通電加熱，利用焊件內(nèi)電阻和接觸電阻發(fā)熱，電極散熱等作用形成焊核。斷電待焊核冷卻凝固后去掉壓力即形成致密的焊點。2縫焊是用旋轉(zhuǎn)的圓盤電極代替柱狀電極，焊接時，盤狀電極壓緊焊件并轉(zhuǎn)動，配合斷續(xù)通電，形成連續(xù)重疊的焊點。3對焊是利用電阻熱使兩個工件在整個斷面上焊接起來的一種方法。根據(jù)焊接操作方法的不同，分為電阻對焊和閃光對焊。1）電阻

8、對焊 將兩個焊件的端面對齊、壓緊后通很大的電流，接觸處迅速被加熱到塑性狀態(tài)，再向工件施加較大的壓力并同時斷電，使高溫端面被焊接起來。2）閃光對焊 焊件裝配夾持好，先通電，再將兩焊件接觸。由于焊件端面不平，首先只是某些點接觸熔化，在強大電流的作用下，液態(tài)金屬爆破并產(chǎn)生閃光，繼續(xù)移動焊件，是新的接觸點產(chǎn)生閃光，直至焊件端面全部熔化時，迅速將焊件加壓并切斷電流，完成焊接。12.3.5釬焊釬焊是利用熔點比焊件低的釬料與焊件共同加熱到釬焊溫度，在焊件不熔化的情況下，釬料熔化并潤濕焊件表面，依靠二者的擴散而形成焊接接頭。1.硬釬焊 釬料的熔點在450C以上，接頭強度較高。主要用于受力較大的鋼鐵和銅合金構(gòu)件

9、的焊接以及工具、刀具的焊接。2.軟釬焊 釬料的熔點在450C以下，接頭強度較低。廣泛用于焊接受力不大的常溫工作的儀表、導(dǎo)電元件以及鋼鐵、銅及銅合金等制造的構(gòu)件。與一般的熔化焊相比，釬焊的特點是：1）加熱溫度低，變形小，接頭光滑，尺寸精確；2）可以連接不同種材料，對工件厚度也沒有特殊要求；3）設(shè)備簡單，費用小。但是，釬焊接頭強度低，允許的工作溫度低，焊前清潔要求高，而且釬料價格較高。12.3.6常用焊接方法的比較和選用焊接方法的選擇，應(yīng)綜合考慮材料的焊接性、工件結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)率要求、各種焊接方法的適用范圍和工作環(huán)境條件等因素來決定。 12.4焊接應(yīng)力與變形及其預(yù)防措施 12.4.1焊接變形的基本形式

10、常見的焊接變形有收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪形變形和扭曲變形五種基本形式 .1.收縮變形 是焊縫沿長度和寬度方向的收縮引起的變形。2.角變形 是焊縫橫向收縮變形在厚度方向上的分布不均勻，焊后橫向收縮不均勻，引起兩板的角度變化而產(chǎn)生的變形。3.彎曲變形 是在焊接丁字梁時，由于焊縫布置不對稱，焊縫縱向收縮后引起工件向焊縫一側(cè)彎曲。4.波浪形變形 是焊接時，焊接內(nèi)應(yīng)力的壓應(yīng)力作用下，薄板失穩(wěn)而引起的波浪式變形。5.扭曲變形 由于焊縫在構(gòu)件橫截面上布置的不對稱或焊接工藝不合理，使工件產(chǎn)生縱向扭曲變形。12.4.2預(yù)防焊接變形的工藝措施1.焊前預(yù)熱，焊后緩冷 2.采用合理的焊接順序和焊接方向 3.反

11、變形法 4.剛性固定法 把焊件夾固在夾具內(nèi)，用強制手段來減少焊接變形，該方法只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)件。5.加余量法 根據(jù)經(jīng)驗在工件下料尺寸上加一定的余量，以彌補焊后的收縮變形，通常為0.1O.2%。 12.43焊接變形的矯正常用的焊接變形矯正方法有機械矯正法和火焰矯正法兩類。機械矯正法 是利用外力使焊件產(chǎn)生變形的部位再產(chǎn)生相反的塑性變形以抵消原來的變形，使焊件恢復(fù)正常。 2.火焰加熱矯正法 利用氧乙炔火焰局部加熱，使焊件局部產(chǎn)生壓縮變形，使工件在冷卻收縮時產(chǎn)生新的變形，以矯正焊接所產(chǎn)生的變形。 12.5常用金屬材料的焊接12.5.1金屬材料的焊接性是指被焊金屬在采用一定的焊接方法、焊接材

12、料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩方面的內(nèi)容，其一是使用焊接性：即焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的機械性能和其他特殊性能（如耐熱性、耐腐蝕性等）。二是工藝焊接性：指焊接加工時焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，尤其是出現(xiàn)各種裂紋的可能性。影響金屬焊接性的主要因素是化學(xué)成分。12.5.2碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的焊接1.碳素鋼的焊接1）低碳鋼的焊接 低碳鋼的含碳量0.25%，塑性好，一般沒有淬硬和冷裂傾向，所以低碳鋼的焊接性良好。一般不需預(yù)熱，焊后也不需要進行熱處理，采用所有的焊接方法都可以得到優(yōu)良的焊接接頭。只有在結(jié)構(gòu)厚度大的大型結(jié)構(gòu)件，在零度以下低溫環(huán)境

13、焊接時，由于焊件各部分溫差較大，變形又受到限制，焊接過程容易產(chǎn)生大的應(yīng)力，可能導(dǎo)致焊件開裂，因此應(yīng)考慮預(yù)熱。2）中、高碳鋼的焊接 含碳量在0.250.6%之間，淬硬和冷裂傾向較大，焊接性較差。焊接之前必須預(yù)熱，焊后要進行熱處理。另外，選用抗裂能力較強的低氫型焊條，不銹鋼焊條等也可以改善焊接質(zhì)量。中碳鋼焊接一般采用手工電弧焊，但厚件可考慮應(yīng)用電渣焊，因電渣焊可減輕焊接接頭的淬硬傾向，能提高生產(chǎn)率，但焊后要進行相應(yīng)的熱處理；高碳鋼因含碳量更高，焊接性更差，應(yīng)采用更高的預(yù)熱溫度，更嚴格的工藝措施進行焊接。實際上，高碳鋼的焊接只限于修補工作。2.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的焊接普通低合金鋼的焊接性能與一般低碳

14、鋼很相似，焊接性能良好。但隨著普通低合金鋼的強度級別提高，焊接性能隨著變差，焊接時需要采用工藝措施。一般焊前預(yù)熱，焊后及時熱處理以消除焊接應(yīng)力。12.5.3不銹鋼的焊接奧氏體不銹鋼的焊接性良好，適用于焊條電弧焊、氬弧焊和埋弧自動焊。奧氏體不銹鋼焊接的主要問題是焊接工藝參數(shù)不合理時，容易產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂。馬氏體不銹鋼焊接性較差，焊接接頭容易出現(xiàn)冷裂紋和淬硬脆化。焊前要預(yù)熱，焊后進行消除殘余應(yīng)力的處理。鐵素體不銹鋼焊接時，過熱區(qū)晶粒容易長大引起脆化和裂紋。通常在150C以下預(yù)熱，減少高溫停留時間，并采用小能量焊接工藝，以減少晶粒長大傾向，防止過熱脆化。 12.5.4鑄鐵的焊補1.熱焊法 是焊前將

15、工件整體或局部預(yù)熱到600700C，焊后緩慢冷卻。熱焊法可以防止工件產(chǎn)生白口組織和裂紋，焊補質(zhì)量較好，焊后可進行機加工。2.冷焊法 焊補之前，工件不預(yù)熱或加熱溫度低于400C。主要依靠焊條來調(diào)整焊縫化學(xué)成分以防止或減少白口組織和避免裂縫。冷焊法方便靈活生產(chǎn)率高、成本低、勞動條件好，但切削加工性能差。生產(chǎn)中多用于焊補要求不高的鑄件以及怕高溫預(yù)熱引起變形的工件。12.5.5非鐵金屬的焊接1.銅及銅合金的焊接焊接時需要預(yù)熱、采取大功率熱源。銅及銅合金的線膨脹系數(shù)大，焊接時如果工件剛度不大，又無防止變形措施，則會產(chǎn)生較大變形；剛度較大時，則會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，進而產(chǎn)生裂紋。液態(tài)時溶解大量的氫，冷卻時來不及溢出，易產(chǎn)生氣孔。目前，常用氬弧焊焊接紫銅、黃銅、青銅和白銅；黃銅還常用氣焊。還可以采用釬焊及等離子弧焊接等進行焊接。2.鋁及鋁合金的焊接鋁及鋁合金的焊接一般較困難，鋁極易形成密度大、熔點很高的氧化鋁薄膜，且