工程材料第9章

第9章焊接9.7焊接技術(shù)新發(fā)展9.1電弧焊9.2電阻焊9.3摩擦焊、釬焊9.5焊接件結(jié)構(gòu)工藝性9.4其它焊接方法9.6常用金屬材料的焊接焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法。焊接過程的實質(zhì)是利用加熱或加壓等手段，借助金屬原子的結(jié)合與擴(kuò)散作用，使分離的金屬材料牢固地連接起來。圖9.1涂料焊條的電弧焊過程9.1電弧焊9.1.1焊條電弧焊

即手工電弧焊，利用焊條與工件間產(chǎn)生電弧熱，將工件與焊條熔化而進(jìn)行焊接的方法。焊接原理如圖9.1。焊縫質(zhì)量由很多因素決定，如工件基體金屬和焊條的質(zhì)量、焊前的清理程度、焊接時電弧的穩(wěn)定情況等。電焊條由焊芯和藥皮（涂料）兩部分組成。焊芯起導(dǎo)電和填充焊縫金屬的作用，藥皮用于保護(hù)焊接順利進(jìn)行并使焊縫具有一定的化學(xué)成分和力學(xué)性能。表1.焊條藥皮原料的種類、名稱及其作用焊條按化學(xué)成分劃分為七大類：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條及焊絲、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條。按熔渣性質(zhì)分為酸性焊條和堿性焊條。圖9.2環(huán)縫埋弧焊示意圖9.1.2埋弧焊也稱熔劑層下焊接1.焊接過程焊接時，電弧在顆粒狀熔劑層下燃燒，焊機(jī)帶著焊絲均勻沿坡口移動，或者焊機(jī)不動工件勻速運(yùn)動。焊絲前焊劑從漏斗流出撒在被焊部位。

2.埋弧焊的特點生產(chǎn)率高；焊接質(zhì)量高而且穩(wěn)定；節(jié)省金屬材料；改善勞動條件。但設(shè)備費(fèi)用高，工藝裝備復(fù)雜，對接頭加工與裝配要求嚴(yán)格，只適用于批量生產(chǎn)長直線焊縫與圓筒形工件的縱、環(huán)焊縫。

3.埋弧焊的焊絲與焊劑焊劑按制造方法分為熔煉焊劑和陶質(zhì)焊劑兩大類。

4.埋弧焊工藝埋弧焊要求仔細(xì)地下料、準(zhǔn)備坡口和裝配。9.1.3氣體保護(hù)焊圖9.3氬弧焊示意圖1.氬弧焊2.CO2氣體保護(hù)焊圖9.4CO2氣體保護(hù)焊示意圖9.1.4等離子弧焊接與切割圖9.5等離子弧發(fā)生裝置原理圖焊條電弧焊埋弧焊Ar弧焊CO2保護(hù)焊等離子弧焊優(yōu)點設(shè)備簡單，容易維護(hù)，焊鉗小，使用靈便，用途廣泛。生產(chǎn)率高，焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定，節(jié)省金屬材料，改善勞動條件適用于各類合金鋼、稀有金屬,電弧穩(wěn)定,焊縫致密,成形美觀；明弧可見,易實現(xiàn)全位置自動焊,工件焊后變形小成本低，生產(chǎn)率高，操作性能好，質(zhì)量較好溫度高穿透力強(qiáng)，可焊箔材，缺點設(shè)備費(fèi)用高，工藝裝備復(fù)雜，價格高飛濺嚴(yán)重，易產(chǎn)生氣孔設(shè)備復(fù)雜，氣體消耗大，宜于室內(nèi)焊接應(yīng)用最廣泛批量生產(chǎn)長的焊縫或圓筒形工件的縱橫焊縫焊鎂、鈦及其合金，不銹鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼厚度<30㎜低碳鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接銅合金，外殼封焊、薄壁容器9.2電阻焊電阻焊是利用電流通過焊件及其接觸處所產(chǎn)生電阻熱，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。電阻焊優(yōu)點：生產(chǎn)率高，焊接變形小，勞動條件好，不需另加焊接材料，操作簡單，易實現(xiàn)機(jī)械化。缺點：設(shè)備復(fù)雜，耗電量大，接頭形式與工件厚度受到限制。9.2.1點焊利用柱狀電極加壓通電，在搭接工件接觸面之間焊成一個個焊點的焊接方法。圖9.5點焊示意圖影響點焊質(zhì)量的主要因素有焊接電流、通電時間、電極壓力及工件表面清理情況等。圖9.6點焊接頭形式圖9.7縫焊示意圖9.2.2縫焊9.2.3對焊

利用電阻熱使兩個工件在整個接觸面上焊接起來的一種方法。

圖9.8對焊示意圖圖9.9對焊接頭形式9.2.4凸焊圖9.10凸焊示意圖圖9.11凸焊應(yīng)用示例點焊縫焊電阻對焊閃光對焊凸焊優(yōu)點焊點重復(fù)50%密封性好操作簡單，接頭光滑接頭夾渣少，質(zhì)量好，強(qiáng)度高生產(chǎn)率高，電流密度大，凸點位置準(zhǔn)確，工件表面影響小缺點焊接分流現(xiàn)象嚴(yán)重易加熱不勻，連接不牢，端面易氧化金屬損耗大，火花污染，焊后有毛刺應(yīng)用厚度<4㎜的薄板件，薄壁結(jié)構(gòu)、罩殼厚度<3㎜的薄板結(jié)構(gòu)簡單斷面，長度<20㎜重要工件，可焊異種金屬。0.01㎜～2000m㎡低碳鋼和低合金鋼沖壓件9.3.1摩擦焊

利用工件間相互摩擦產(chǎn)生熱量，同時加壓而進(jìn)行焊接的方法。圖9.12摩擦焊示意圖9.3摩擦焊、釬焊圖9.13摩擦焊接頭形式9.3.2釬焊

利用熔點比焊件低的釬為作填充金屬，加熱時釬料熔化成將焊件連結(jié)起來的焊接方法。圖9.14釬焊接頭形式作業(yè)P282:9-19-29-39-49.4其它焊接方法

1.電渣焊利用電流通過熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行焊接的方法

圖9.15電渣焊示意圖特點：1）厚大截面可一次焊成，生產(chǎn)效率高；2）焊縫金屬比較純凈；3）接頭組織粗大，焊后需進(jìn)行正火處理。應(yīng)用：適用于板厚40mm以上結(jié)構(gòu)的焊接。一般用于直縫焊接，目前，電渣焊已在我國水輪機(jī)、水壓機(jī)、軋鋼機(jī)、重型機(jī)械等大型設(shè)備制造中得到廣泛使用。2.真空電子束焊接

利用加速和聚焦電子束轟擊置于真空中焊件所生的熱能進(jìn)行焊接的方法稱為電子束焊。圖9.16真空電子束焊接示意圖特點：1）焊縫金屬純度高；2）焊縫表面質(zhì)量好，內(nèi)部熔合性好；3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形；4）控制靈活，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)。應(yīng)用：電子束焊應(yīng)用廣泛，從微型電子線路組件、真空膜盒、鉬箔蜂窩結(jié)構(gòu)、原子燃料器件到大型的導(dǎo)彈外殼都可以采用電子束焊接。此外，熔點、導(dǎo)熱性、溶解度相差很大的異種金屬，在真空中使用的器件和內(nèi)部要求真空的密封器件等，用真空電子束焊接也能得到良好接頭。3.激光焊接

利用激光器受激產(chǎn)生的激光束，通過聚焦系統(tǒng)聚焦到十分微小的焦點，當(dāng)調(diào)焦到焊件接頭處時，光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而使金屬熔化形成接頭。圖9.17激光焊接示意圖特點：1）焊接熱影響區(qū)極小，焊件難于變形；2）焊件不易被氧化，可在空氣中焊接；3）焊接設(shè)備與焊件間無接觸，可焊接難于接近的接頭。

應(yīng)用：激光焊比較容易實現(xiàn)異種金屬和異種材料的焊接，目前已廣泛用于電子工業(yè)和儀表工業(yè)中微型件的焊接。圖9.18型材及管材的高頻焊模式4.高頻焊用流經(jīng)工件連接面的高頻電流所產(chǎn)生的電阻熱加熱，并在施加或不施加壓力的情況下使工件間實現(xiàn)相互連接的一類焊接方法。5.爆炸焊以炸藥為能源進(jìn)行金屬間焊接的方法。9.19復(fù)合板的爆炸焊工藝安裝示意圖6.超聲波焊利用超聲波頻率的機(jī)械振動能量，連接同種或異種金屬、半異體、塑料及金屬陶瓷等的特殊焊接方法7.擴(kuò)散焊在一定的溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過待焊面產(chǎn)生的微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，然后經(jīng)較長時間的原子相互擴(kuò)散來實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。電渣焊真空電子束焊激光焊高頻焊爆炸焊超聲波焊擴(kuò)散焊優(yōu)點可焊厚工件,生產(chǎn)率高成本低,焊縫金屬純焊縫質(zhì)量高深窄,焊接過程靈活生產(chǎn)率高；焊件變形??；可焊難焊位置速度快，熱影響區(qū)小，焊件種類廣泛適用范圍廣,工藝簡單,操作靈活,可實現(xiàn)面焊,成本低焊高熱導(dǎo)率高電導(dǎo)率材料,耗費(fèi)低焊頭質(zhì)量好,零件變形小缺點焊接熱影響區(qū)寬，焊后正火處理設(shè)備復(fù)雜,造價高,焊件尺寸受限焊件厚度限制,技術(shù)要求高高壓電源危險,零件壽命低,維修費(fèi)用高不能焊厚、硬工件應(yīng)用水輪機(jī),水壓機(jī),重型機(jī)械微型電子線路組件,真空膜盒,鋁箔微電子元件,精密件,熱敏感材料管材，散熱片，異型管生產(chǎn)復(fù)合材料,復(fù)合板,復(fù)合管絲,箔,片等薄件特殊異種材料焊思考題：說明下列制品該采用什么焊接方法？自行車車架鋼窗自來水管電子線路板鍋爐殼體汽車覆蓋件裝配9.5.1焊接缺陷及其預(yù)防圖9.20焊接應(yīng)力9.5焊接件結(jié)構(gòu)工藝性1.焊接應(yīng)力

圖9.21焊接次序?qū)附討?yīng)力的影響防止措施：1.選用塑性好的材料，避免焊縫密集交叉，焊縫過長，截面過大。2.確定正確焊接次序。3.焊后去應(yīng)力退火。2.焊接變形

圖9.22焊接變形的基本形式及反變形防止措施：1.采用對稱結(jié)構(gòu)或大剛度結(jié)構(gòu)，焊縫對稱分布。2.反變形或剛性夾持法。3.正確選擇焊接參數(shù)、焊接次序。4.機(jī)械矯正法，火焰加熱矯正法。圖9.24機(jī)械矯正法圖9.25火焰矯正法圖9.23梁的焊接次序3.焊接裂紋

（1）盡量分散

1.焊縫的布置

9.5.2焊接接頭工藝設(shè)計圖9.26焊縫分散布置的設(shè)計（2）盡可能對稱圖9.27焊縫對稱布置的設(shè)計（3）盡量避開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置

圖9.28焊縫避開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置設(shè)計（4）焊縫應(yīng)盡量避開機(jī)械加工面

圖9.29焊縫遠(yuǎn)離機(jī)械加工表面的設(shè)計（5）焊縫位置應(yīng)便于焊接操作

圖9.30焊縫位置便于電弧焊、埋弧焊、點焊的設(shè)計圖9.30焊縫位置便于埋弧焊、點焊的設(shè)計2.接頭形式的選擇與設(shè)計（1）接頭與坡口形式圖9.31焊條電弧焊接頭形式與坡口形式2.接頭過渡形式

圖9.32不同厚度金屬材料對接的過渡形式3.其它焊接方法的接頭與坡口形式

圖9.33不同厚度鋼板角接與T形接頭的過渡形式圖9.34電渣焊的接頭形式作業(yè)：1.常見的焊接缺陷有哪些？該怎么預(yù)防？2.焊縫工藝設(shè)計原則有哪些？一、金屬材料的焊接性(GB/T3375-94)

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。焊接性受：材料、焊接方法、構(gòu)件類型、使用要求等因素影響。1.工藝焊接性焊接工藝的優(yōu)劣，產(chǎn)生缺陷的傾向；

2.使用焊接性接頭在使用中的可靠性，如力學(xué)性能、和其他性能。9.6.1金屬材料的焊接性9.6常用金屬材料的焊接w(C)

當(dāng)量＝w(C)++

％根據(jù)經(jīng)驗ω(C)當(dāng)量＜0.4％時焊接性良好；ω(C)當(dāng)量＝0.4～0.6％時焊接性相對較差；ω(C)當(dāng)量＞0.6％：焊接性不好。二、焊接性的評定碳當(dāng)量估算法

一、低碳鋼的焊接低碳鋼含碳量≤0.25％沒有淬硬、冷裂傾向，焊接性良好；通常無須熱處理。當(dāng)厚度大于50mm的結(jié)構(gòu)在低溫焊接時：

1.需預(yù)熱焊件（100～150℃）；

2.或用大電流多層焊；

3.焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火或正火。

低碳鋼適宜各種焊接方法，應(yīng)用較廣有：焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊、電渣焊和電阻焊。

9.6.2碳鋼的焊接二、中、高碳鋼焊接中、高碳鋼0.25%＜Wc＜0.6%以上,屬淬硬鋼,含碳量增加,淬硬、裂紋傾向增加,焊接性差。措施有：

1.選用合適的焊條(選用細(xì)焊條)；

2.焊前預(yù)熱；開坡口；小電流；

3.多層焊及焊后緩冷等。高碳鋼工件一般只限焊條電弧焊于修補(bǔ)工作。9.6.3合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

合金結(jié)構(gòu)鋼分為機(jī)械制造用合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼(工程:橋梁、建筑、船舶等用鋼）低合金高強(qiáng)度鋼焊接特點：淬硬和裂紋傾向增大！焊接方法與工藝：一般按(屈服)強(qiáng)度分等級，常用焊條電弧焊和埋弧焊焊接，其焊接材料選用如下表：鋼號焊條電弧焊焊條牌號埋弧焊預(yù)熱溫度新標(biāo)準(zhǔn)舊標(biāo)準(zhǔn)焊絲牌號焊劑牌號Q29509Mn2J422,J423H08AHJ431不預(yù)熱Q34516MnJ502,J507H08MnAHJ431不預(yù)熱Q39515MnVJ556,J557H08Mn2Si

HJ431≥100℃機(jī)械制造用合金結(jié)構(gòu)鋼焊接與中碳鋼焊接相似。

不銹鋼按空冷后室溫組織不同可分為：

1.馬氏體型(M)不銹鋼(3Cr13)；

2.鐵素體型(F)不銹鋼(1Cr17)；

3.奧氏體型(A)鉻鎳不銹鋼(1Cr18Ni9或Cr25Ni20)

但應(yīng)用最廣的是奧氏體型鉻鎳不銹鋼。

奧氏體型不銹鋼焊接性良好，一般不需要采取特殊的工藝措施，通常應(yīng)用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊或埋弧焊。9.6.4不銹鋼的焊接關(guān)鍵在于：焊條（絲）要對應(yīng)于被焊母材化學(xué)成分類型相同。鑄鐵在焊補(bǔ)中的表現(xiàn)：易白口、易裂紋、易生氣孔。9.6.5鑄鐵的焊補(bǔ)鑄鐵焊補(bǔ)按焊前是否預(yù)熱可分為：熱焊法和冷焊法一、熱焊法焊前預(yù)熱(600～700℃),焊后緩冷,能防止白口和裂紋,焊質(zhì)好；焊后可切削。但成本高,勞動條件差。對鑄鐵進(jìn)行熱焊補(bǔ)使用氣焊比較方便。用專門鑄鐵棒焊條，配以CJ201氣焊焊劑。

由鑄鐵的表現(xiàn)，鑄鐵的焊補(bǔ)常采用方法有：氣焊、焊條電弧焊(個別大件可用電渣焊)。

二、冷焊法焊補(bǔ)前工件不預(yù)熱（或<400℃）。冷焊法方便、靈活、效率高、成本低、勞動條件好。冷焊法關(guān)鍵：焊條的選用。冷焊法以焊條電弧焊為多。

關(guān)于冷焊法焊條選用：1.一般非加工面焊補(bǔ)，選鋼芯或鑄鐵芯鑄鐵焊條；如：E5016、高釩Z116；

2.重要鑄件加工面的焊補(bǔ),選鎳基鑄鐵焊條；如EZNi(Z308)；3.焊后須加工的灰鐵件焊補(bǔ),選銅基鑄鐵焊條;如：EZNiCu(Z508)。9.6.7有色（非鐵）金屬焊接

一、銅及銅合金的焊接銅及銅合金的焊接比低碳鋼困難的多,其特點

1.難熔合；2.易變形。原因：1.銅導(dǎo)熱性很高(純銅為低碳鋼的8倍),散熱快，難焊透；

2.液態(tài)銅易氧化生成Cu2O與銅的低熔點共晶體，是造成開裂的原因；

3.液態(tài)銅易吸氣生成氣孔；等等。銅及銅合金的焊接常采用氬弧焊、氣焊、焊條電弧焊、埋弧焊和釬焊等。其中氬弧焊主要用于焊接紫銅和青銅；氣焊用于焊接黃銅件多。

二、鋁及鋁合金的焊接鋁及鋁合金的焊接主要問題是：

1.氧化；

2.氣孔。還有：鋁合金焊接加熱時從固相到液相無顏色的變化！又易軟化塌陷！！焊鋁難！一般用氣焊，須經(jīng)驗豐富。焊鋁的理想方法是氬弧焊。1.提高焊接生產(chǎn)率是推動焊接技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力2.準(zhǔn)備車間的機(jī)械化、自動化是焊接技術(shù)發(fā)展的重點內(nèi)容3.焊接過程自動化、智能化是焊接技術(shù)發(fā)展的主要方向4.新興工業(yè)的發(fā)展推動焊接技術(shù)前進(jìn)5.熱源的研究與開發(fā)是推動焊接工藝發(fā)展的根本動力

9.7焊接技術(shù)新發(fā)展1）真空電弧焊接技術(shù)

它是可以對不銹鋼、鈦合金和高溫合金等金屬進(jìn)行熔化焊，及對小試件進(jìn)行快速高效的局部加熱釬焊的最新技術(shù)。該技術(shù)由俄羅斯發(fā)明，并迅速應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)的焊接中。使用真空電弧進(jìn)行渦輪葉片的修復(fù)、鈦合金氣瓶的焊接，可以有效地解決材料氧化、軟化、熱裂、抗氧化性能降低等問題。2）窄間隙熔化極氣體保護(hù)電弧焊技術(shù)它具有比其他窄間隙焊接工藝更多的優(yōu)勢，在任意位置都能得到高質(zhì)量的焊縫，且具有節(jié)能、焊接成本低、生產(chǎn)效率高、適用范圍廣等特點。利用表面張力過渡技術(shù)進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)電弧焊表明，該技術(shù)必將進(jìn)一步促進(jìn)熔化極氣體保護(hù)電弧焊在窄間隙焊接的應(yīng)用。3）激光填料焊接

是指在焊縫中預(yù)先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同時填入焊接材料以形成焊接接頭的方法。廣義的激光填料焊接應(yīng)該包括兩類：激光對焊與激光熔覆。其中，激光熔覆是利用激光在工件表面熔覆一層金屬、陶瓷或其它材料，以改善材料表面性能的一種工藝。激光填料焊接技術(shù)主要應(yīng)用于異種材料焊接、有色及特種材料焊接和大型結(jié)構(gòu)鋼件焊接等激光直接對焊不能勝任的領(lǐng)域。

4）高速焊接技術(shù)

它使MIG／MAG的焊接生產(chǎn)率成倍增長，它包括快速電弧技術(shù)和快速熔化技術(shù)。由于采用的焊接電流大，所以熔深大，一般不會產(chǎn)生未焊透和熔合不良等缺陷，焊縫成形良好，焊縫金屬與母材過渡平滑，有利于提高疲勞強(qiáng)度。5）攪拌摩擦焊（FSW）

FSW主要由攪拌頭的摩擦熱和機(jī)械擠壓的聯(lián)合作用下形成接頭，其主要原理和特點是：焊接時旋轉(zhuǎn)的攪拌頭緩緩進(jìn)入焊縫，在與工件表面接觸時通過摩擦生熱使周圍的一層金屬塑性化。同時，攪拌頭沿焊接方向移動形成焊縫。

1991年FSW技術(shù)由英國焊接研究所發(fā)明，作為一種固相連接手段，它克服了熔焊的諸如氣孔、裂紋、變形等缺陷，更使以往通過傳統(tǒng)熔焊手段無法實現(xiàn)焊接的材料可以采用FSW實現(xiàn)焊接，被譽(yù)為“繼激光焊后又一革命性的焊接技術(shù)”。

尤其值得指出的是，攪拌摩擦焊具有適合于自動化和機(jī)器人操作的優(yōu)點，諸如：不需要填絲、保護(hù)氣（對于鋁合金）、可以允許有薄的氧化膜、對于批量生產(chǎn)，不需要進(jìn)行打磨、刮擦之類的表面處理非損耗的工具頭、一個典型的工具頭就可以用來焊接6000系列的鋁合金達(dá)1000米等。6）激光－電弧復(fù)合熱源焊接（LaserArcHybrid）

激光—電弧復(fù)合主要是激光與TIG、等離子氣體以及MAG。通過激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進(jìn)而產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)。MAG成本低，使用填絲，適用性強(qiáng)，缺點是熔深淺、焊速低、工件承受熱載荷大。激光焊可形成深而窄的焊縫，焊速高、熱輸入低，但投資高，對工件制備精度要求高，對鋁等材料的適應(yīng)性差。Laser-MAG的復(fù)合效應(yīng)表現(xiàn)在：電弧增加了對間隙的橋接性，其原因有二：一是填充焊絲，二是電弧加熱范圍較寬；電弧功率決定焊縫頂部寬度；激光產(chǎn)生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力，使電弧更穩(wěn)定；激光功率決定了焊縫的深度；更進(jìn)一步講，復(fù)合導(dǎo)致了效率增加以及焊接適應(yīng)性的增強(qiáng)。激光電弧復(fù)合對焊接效率的提高十分顯著。這主要基于兩種效應(yīng)，一是較高的能量密度導(dǎo)致了較高的焊接速度，工件對流損失減?。欢莾蔁嵩聪嗷プ饔玫寞B加效應(yīng)。焊接鋼時，激光等離子體使電弧更穩(wěn)定，同時，電弧也進(jìn)入熔池小孔，減小了能量的損失；焊接鋁時，由于疊加效應(yīng)幾乎與激光波長無關(guān)，其物理機(jī)制和特性尚待進(jìn)一步研究。1.什么叫焊接缺陷？答：焊接過程中產(chǎn)生的不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷。2.為什么熔化焊