金屬的焊接性及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二十一講

金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主講：曹光明金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、常用金屬材料的焊接性1、焊接性概念2、碳當(dāng)量4、低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性3、碳鋼的焊接性二、焊接應(yīng)力與變形三、焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)1、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇2、焊接方法的選擇3、焊接接頭設(shè)計(jì)3、焊接變形及預(yù)防措施2、焊接應(yīng)力及減小措施5、鑄鐵的焊補(bǔ)4、焊縫的設(shè)計(jì)四、常見(jiàn)的焊接缺陷（了解）1、產(chǎn)生原因與變形形式一、常用金屬材料的焊接性1、焊接性概念金屬材料在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接方法、材料、焊接規(guī)范、結(jié)構(gòu)型式、預(yù)熱及熱處理等。焊接性?xún)?nèi)容：（1）工藝焊接性，指焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的敏感性，尤其是出現(xiàn)各種裂縫的可能性；（2）使用焊接性，指焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的力學(xué)性能及其它特殊性能（如耐熱、耐蝕性能等）。2、焊接性的評(píng)定評(píng)定方法：各種焊接試驗(yàn)。C當(dāng)量——評(píng)定碳鋼和普低鋼的焊接性。碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式：式中元素符號(hào)為鋼中該元素含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，其值取成分范圍的上限。金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)＜0.4%時(shí)，塑性良好，淬硬和冷裂傾向小，焊接性好，當(dāng)=0.4~0.6%時(shí)，塑性下降，淬硬及冷裂傾向明顯，焊接性較差。焊前適當(dāng)預(yù)熱，焊后緩慢冷卻。當(dāng)＞0.6%時(shí)，塑性較差。淬硬和冷裂傾向嚴(yán)重，焊接性很差，焊前需要高溫預(yù)熱，焊接時(shí)要采取減少焊接應(yīng)力和防止裂紋的工藝措施，焊后需要進(jìn)行適當(dāng)熱處理等。一般焊件不會(huì)產(chǎn)生裂紋。3、碳鋼的焊接性金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）低碳鋼的焊接：C＜0.25%，塑性好，無(wú)淬硬傾向，焊接性好，無(wú)需任何工藝措施，適于各種方法。（2）中碳鋼的焊接：C=0.25-0.6%，淬火鋼，焊接性由良好→差。焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生氣孔、裂紋。工藝措施：①焊前預(yù)熱（150~250℃），焊后緩冷并去應(yīng)力回火。②焊件開(kāi)坡口，且采用細(xì)焊條、小電流、多層焊。③選用塑、韌性好的低氫型焊條，提高焊縫塑性，防止裂紋。（3）高碳鋼的焊接：含碳量高，導(dǎo)熱性差，淬硬傾向大，一般不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，僅對(duì)損壞的機(jī)件進(jìn)行焊補(bǔ)。焊補(bǔ)時(shí)也要采取與中碳鋼類(lèi)似的工藝措施，以避免產(chǎn)生裂紋。4、低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普低鋼的焊接性與低碳鋼類(lèi)似，但σb↑→焊接性↓低強(qiáng)度普低鋼：σs＜400MPa，CE＜0.4%，焊接性良好，無(wú)需工藝措施。如：16Mn、9Mn2。高強(qiáng)度普低鋼：σs＞400MPa，CE＜0.4-0.5%，焊接性較差，冷裂傾向大。如：15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV。焊前預(yù)熱（150~250℃），焊后緩冷；選用低氫型焊條；焊件開(kāi)坡口，且采用細(xì)焊條、小電流、多層焊。5、鑄鐵的焊補(bǔ)金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）鑄鐵焊補(bǔ)的特點(diǎn)①接頭易產(chǎn)生白口、硬化組織；②接頭易產(chǎn)生裂紋；③焊縫區(qū)易產(chǎn)生氣孔、夾渣。④熔池易流失，一般用于平焊補(bǔ)。（2）鑄鐵焊補(bǔ)方法①熱焊法：焊前將焊件整體或局部預(yù)熱至600~700℃并施焊，焊后緩冷。用于形狀復(fù)雜，焊后需要機(jī)械加工的重要件。如汽缸體、汽缸蓋、機(jī)床導(dǎo)軌等。5、鑄鐵的焊補(bǔ)金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②冷焊法：焊前不預(yù)熱或低溫預(yù)熱（400℃）的焊補(bǔ)方法。用于易變形件焊補(bǔ)。冷焊法主要依靠焊條來(lái)調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，增強(qiáng)焊縫的石墨化能力，以防止或減少白口和裂紋的產(chǎn)生：①鋼芯鑄鐵焊條：適用于非加工表面的焊補(bǔ)。②石墨化鑄鐵焊條：適用于較大灰口鑄鐵件的焊補(bǔ)。焊縫性能與母材基本相同，具有良好的加工性③銅基鑄鐵焊條：主要用于一般鑄鐵件的焊補(bǔ)?？沽研院茫蛇M(jìn)行機(jī)械加工。④鎳基鑄鐵焊條：主要用于重要件加工表面的焊補(bǔ)。良好的抗裂性與加工性⑤高釩鑄鐵焊條：主要用于一般鑄鐵件的焊補(bǔ)?？蛇M(jìn)行機(jī)械加工、塑性和抗裂較好。二、焊接應(yīng)力與變形金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因與形式：焊件在焊接過(guò)程中受到不均勻加熱和冷卻。低碳鋼平板對(duì)接焊時(shí)應(yīng)力和變形的形成（a）焊接中

（b）冷卻后（1）原因：金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）焊接變形的基本形式變形形式示意圖產(chǎn)生原因收縮變形由焊接后焊縫的縱向（沿焊縫長(zhǎng)度方向）和橫向（沿焊縫寬度方向）收縮引起角變形由于焊縫橫截面形狀上下不對(duì)稱(chēng)，焊縫橫向收縮不均引起彎曲變形焊縫布置不對(duì)稱(chēng)，焊縫較集中的一側(cè)縱向收縮較大引起扭曲變形由于焊接順序和焊接方向不合理引起結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)扭曲波浪變形薄板焊接時(shí)，焊接應(yīng)力使薄板局部失穩(wěn)而引起金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2、焊接應(yīng)力變形預(yù)防措施（1）焊前預(yù)熱：目的是減小焊件上各部分溫差，從而減小焊接應(yīng)力和變形，預(yù)熱溫度一般為400℃以下。（2）選擇合理的焊接順序：①盡量使焊縫能自由收縮，這樣產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小。②采用分散對(duì)稱(chēng)焊工藝，長(zhǎng)焊縫盡可能采用分段退焊或跳焊法金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2、焊接應(yīng)力變形預(yù)防措施（3）加熱減應(yīng)區(qū)法：加熱減應(yīng)區(qū)法a）焊接時(shí)b）冷卻時(shí)（4）反變形法：（5）剛性固定法：（6）設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少焊縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和截面積，厚件兩面坡口；焊縫盡量對(duì)稱(chēng)分布，避免密集和交叉。金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、焊接應(yīng)力變形的消除（1）錘擊焊縫：焊后用圓頭小錘對(duì)紅熱狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行錘擊，可以延展焊縫，從而使焊接應(yīng)力得到一定的釋放。（2）焊后熱處理：焊后對(duì)焊件進(jìn)行去應(yīng)力退火（3）焊接變形的矯正：①機(jī)械矯正②火焰矯正金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)1、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇幾條原則：（1）優(yōu)先選用低碳鋼和低強(qiáng)度低合金鋼。（2）對(duì)于重要件應(yīng)有先選用鎮(zhèn)靜鋼。（3）盡量選用同一牌號(hào)的材料。（4）盡量選用型材。以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少焊縫數(shù)量，簡(jiǎn)化焊接工藝，增加結(jié)構(gòu)件的剛性和強(qiáng)度。（5）等厚度材料。否則考慮過(guò)渡結(jié)構(gòu)。2、焊接方法的選擇應(yīng)依據(jù)下列原則：（1）焊接接頭使用性能及質(zhì)量要符合結(jié)構(gòu)技術(shù)要求。（2）提高生產(chǎn)率，降低成本。（3）焊接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件及工藝可能性。金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)3、焊接接頭設(shè)計(jì)（1）對(duì)接接頭—接頭上應(yīng)力分布比較均勻，焊接質(zhì)量容易保證，優(yōu)先選用。但對(duì)焊前準(zhǔn)備和裝配質(zhì)量要求相對(duì)較高。（2）搭接接頭—便于組裝，常用于對(duì)裝配要求簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但焊縫處易產(chǎn)生應(yīng)力集中和附加彎曲應(yīng)力，應(yīng)力分布不均，降低了接頭強(qiáng)度，且結(jié)構(gòu)重量大，不經(jīng)濟(jì)，一般不用。（3）角接接頭、T形接頭—受力情況比較復(fù)雜，當(dāng)焊件需要直角連接時(shí)采用。金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)4、焊縫的設(shè)計(jì)（1）便于施焊金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

4、焊縫的設(shè)計(jì)

（1）便于施焊（2）焊縫應(yīng)避免密集交叉（3）焊縫盡量對(duì)稱(chēng)（4）應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力集中處和最大應(yīng)力處金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)4、焊縫的設(shè)計(jì)（1）便于施焊（2）焊縫應(yīng)避免密集交叉（3）焊縫盡量對(duì)稱(chēng)（4）應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力集中處和最大應(yīng)力處（5）應(yīng)避開(kāi)機(jī)械加工表面（6）盡量減少焊縫數(shù)量及長(zhǎng)度，縮小不必要的焊縫截面尺寸。金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、常見(jiàn)的焊接缺陷缺陷名稱(chēng)示意圖特征產(chǎn)生原因氣孔焊接時(shí)，熔池中的過(guò)飽和H、N以及冶金反應(yīng)產(chǎn)生的CO，在熔池凝固時(shí)未能逸出，在焊縫中形成的空穴焊接材料不清潔；弧長(zhǎng)太長(zhǎng)，保護(hù)效果差；焊接規(guī)范不恰當(dāng)，冷速太快；焊前清理不當(dāng)裂紋熱裂紋：沿晶開(kāi)裂，具有氧化色澤，多在焊縫上，焊后立即開(kāi)裂；冷裂紋：穿晶開(kāi)裂，具有金屬光澤，多在熱影響區(qū)，有延時(shí)性，可發(fā)生在焊后任何時(shí)刻熱裂紋：母材硫、磷含量高；焊縫冷速太快，焊接應(yīng)力大；焊接材料選擇不當(dāng)；冷裂紋：母材淬硬傾向大；焊縫含氫量高；焊接殘余應(yīng)力較大夾渣焊后殘留在焊縫中的非金屬夾雜物焊道間的熔渣未清理干凈；焊接電流太小、焊接速度太快；操作不當(dāng)金屬的焊接性與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、常見(jiàn)的焊接缺陷