機(jī)械工藝制造基礎(chǔ)課程焊接改進(jìn)

機(jī)械工藝制造基礎(chǔ)課程焊接改進(jìn)第一頁，共六十六頁，2022年，8月28日焊接成形原理：焊接是指用加熱或加壓等工藝措施，使兩分離表面產(chǎn)生原子間的結(jié)合與擴(kuò)散作用，從而形成不可折卸接頭的材料成形方法。焊接成形特點：（1）可化大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)為小而簡單的坯料拼焊，簡化了工藝，降低了成本。（2）可實現(xiàn)不同材料間的連接成形。

3.1概述第二頁，共六十六頁，2022年，8月28日第三頁，共六十六頁，2022年，8月28日（3）可實現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。（4）與鉚接相比，焊接結(jié)構(gòu)重量輕，可以減輕機(jī)器自重，提高運(yùn)載能力和行駛性能。但不可拆卸，易引起殘余應(yīng)力，焊縫易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，因此，應(yīng)特別注意焊縫品質(zhì)的檢驗，否則易造成惡性事故。

第四頁，共六十六頁，2022年，8月28日焊接工藝的分類：根據(jù)焊接過程的工藝特點，可將焊接分為：

熔化焊

壓力焊

釬焊電弧焊電阻焊軟釬焊電渣焊摩擦焊硬釬焊電子束焊超聲波焊激光焊爆炸焊等離子弧焊擴(kuò)散焊高頻焊第五頁，共六十六頁，2022年，8月28日焊接在工業(yè)中的應(yīng)用：（1）金屬結(jié)構(gòu)的焊接。如鍋爐、壓力容器、管道、橋梁、海洋平臺和起重機(jī)等，船舶、車輛、飛機(jī)、火箭的梁架和外殼。第六頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）機(jī)械零件的焊接。如軸、齒輪、鍛模和刀具等。第七頁，共六十六頁，2022年，8月28日3.2焊接工藝的基本原理熔焊原理及過程焊接接頭的組織與性能焊接變形和焊接應(yīng)力焊接缺陷焊接檢驗第八頁，共六十六頁，2022年，8月28日3.2.1熔焊原理及過程1、熔焊本質(zhì)及特點：①熔化焊的本質(zhì)是小熔池熔煉與鑄造，是金屬熔化與結(jié)晶的過程。第九頁，共六十六頁，2022年，8月28日②熔池存在時間短，溫度高；冶金過程進(jìn)行不充分，氧化嚴(yán)重；熱影響區(qū)大。③冷卻速度快，結(jié)晶后易生成粗大的柱狀晶。2、熔化焊的三要素：1)熱源：能量要集中，溫度要高。以保證金屬快速熔化，減小熱影響區(qū)。滿足要求的熱源有電弧、等離子弧、電渣熱、電子束和激光。3.2.1熔焊原理及過程第十頁，共六十六頁，2022年，8月28日2)熔池的保護(hù)：可用渣保護(hù)、氣保護(hù)和渣-氣聯(lián)合保護(hù)。以防止氧化，并進(jìn)行脫氧、脫硫和脫磷，給熔池過渡合金元素。3)填充金屬：保證焊縫填滿及給焊縫帶入有益的合金元素，并達(dá)到機(jī)械性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊絲。3.2.1熔焊原理及過程第十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日

熱源：（1）電?。菏侵竷呻姌O之間強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。電弧三個區(qū)：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。陰極區(qū)-電子發(fā)射區(qū)。陽極區(qū)-接收電子。弧柱區(qū)-氣體電離區(qū)。3.2.1熔焊原理及過程第十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日電弧的溫度：弧柱區(qū)6000～8000K，陽極區(qū)2600K，陰極區(qū)2400K。第十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、熔池的保護(hù)—渣保護(hù)：1．渣保護(hù)：第十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）氣保護(hù)：2、熔池的保護(hù)—氣保護(hù)：第十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、熔池的保護(hù)—渣氣聯(lián)合保護(hù)：（3）渣氣聯(lián)合保護(hù)：利用渣的良好的冶金反應(yīng)和焊縫成形特點，以及氣體的優(yōu)良電弧熱效率和穩(wěn)弧作用，可獲得良好的熔池保護(hù)效果。如焊條的藥皮及CO2+藥芯。第十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、填充金屬：

當(dāng)焊縫較寬時，靠母材的熔化不能填滿焊縫，這時，必須用焊絲填滿。另外，為了提高焊縫性能，使焊縫與母材等強(qiáng)度，必須用焊絲過渡合金元素。第十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日手工電弧焊的焊條①藥皮：藥皮成分：穩(wěn)弧劑、合金化劑、脫氧劑、去氫劑、粘結(jié)劑等。藥皮類型：酸性藥皮與堿性藥皮。酸性藥皮工藝性好，堿性藥皮工藝性差；堿性藥皮焊縫含氫量低，焊接質(zhì)量好。第十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日

常用的焊條鋼芯為碳素鋼絲、合金鋼絲和不銹鋼絲。如H08、H08A、H08MnA。H代表焊接用鋼絲，其后的兩位數(shù)字代表含碳量的萬分之幾；A為高級優(yōu)質(zhì)鋼；E代表特級優(yōu)質(zhì)鋼。第十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)焊接接頭的組織與性能一、焊接熱循環(huán)：焊接熱循環(huán)---焊縫及其附近的母材經(jīng)受的加熱和冷卻作用。焊接熱影響區(qū)---受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材因焊接熱作用發(fā)生組織或性能變化的區(qū)域。熔焊焊縫和母材的交界線叫熔合線，熔合線兩側(cè)有一個很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)，叫熔合區(qū)，也稱半熔化區(qū)。焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。第二十頁，共六十六頁，2022年，8月28日二、焊縫的組織和性能：成分偏析：宏觀偏析的分布與焊縫成型系數(shù)B/H有關(guān)。當(dāng)B/H很小時，易形成中心線偏析，產(chǎn)生熱裂紋。焊縫金屬的宏觀組織形態(tài)是柱狀晶、晶粒粗、成分偏析嚴(yán)重、組織不致密。但由于焊接冷卻快，化學(xué)成分控制嚴(yán)格，碳、磷、硫等含量低，通過滲合金調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，使其有一定的合金元素，這樣焊縫金屬的強(qiáng)度可與母材相當(dāng)。

a）B/H較大b）B/H較小圖3-5焊縫結(jié)晶過程第二十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日低碳鋼的熱影響區(qū)：1）過熱區(qū)：1100℃以上，晶粒粗大，塑性差。2）正火區(qū)：850-1100℃晶粒細(xì)小，性能好。3）部分相變區(qū)：700-850℃，晶粒大小不均，性能較差。三、熱影響區(qū)與熔合區(qū)的組織和性能：第二十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日第二十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日熔合區(qū)成分不均，組織為粗大的過熱組織或淬硬組織，是焊接接頭中的最差的部位。三、熱影響區(qū)與熔合區(qū)的組織和性能：第二十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日1）焊劑與焊絲：直接影響焊縫的化學(xué)成分。2）焊接方法：不同的熱源，溫度高低和熱量集中程度不同。3）焊接工藝參數(shù)：電流、電壓、焊接速度和線能量（單位長度焊縫上的能量E=IU/),直接影響輸入焊接接頭的熱量大小。4）熔合比(Fm/Ft)：是指母材在焊縫中所占的百分?jǐn)?shù)，將影響焊縫的化學(xué)成分。FmFt5）焊后熱處理：四、影響焊接接頭性能的因素：第二十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日

第三節(jié)焊接變形和焊接應(yīng)力一、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因：自由膨脹和收縮剛性夾持局部約束加熱時冷卻后加熱前第二十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮，當(dāng)拘束很大時（如大平板對接），則會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，無殘余變形。當(dāng)拘束較?。ㄈ缧“鍖雍福r，既產(chǎn)生殘余應(yīng)力，又產(chǎn)生殘余變形。

第三節(jié)焊接變形和焊接應(yīng)力第二十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日

第三節(jié)焊接變形和焊接應(yīng)力焊件焊后的變形形式主要有尺寸收縮、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等。第二十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日二、焊接變形與應(yīng)力的危害：產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。焊接殘余應(yīng)力會增加工件工作時的內(nèi)應(yīng)力，降低承載能力；還會引起裂紋，甚至造成脆斷，應(yīng)力的存在會誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋。殘余應(yīng)力是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下會衰減而產(chǎn)生一定的變形，使構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定。

第二十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、焊接應(yīng)力和變形的防止：

1、焊接應(yīng)力的防止及消除：①焊縫不要有密集交叉截面，長度也要盡可能小，以減小焊接局部加熱，從而減少焊接應(yīng)力。②采取合理的焊接順序，使焊縫能夠自由地收縮，以減少應(yīng)力。③采用小線能量，多層焊，也可減少焊縫應(yīng)力。1221第三十頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、焊接應(yīng)力和變形的防止：

④焊前預(yù)熱可以減少工件溫差，也能減少殘余應(yīng)力。⑤焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火可消除殘余應(yīng)力。2、焊接變形的防止及消除：①焊縫不要有密集交叉，以減少焊接局部加熱；還可對稱布置焊縫，使變形互相抵消。焊接工藝上，采用高能量密度的熱源、采用小線能量焊接規(guī)范、分段倒退焊、多層多道焊都能減少焊接變形。第三十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、焊接應(yīng)力和變形的防止：

111122第三十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日②采用反變形方法：

三、焊接應(yīng)力和變形的防止：

③采用焊前剛性固定組裝焊接，限制產(chǎn)生焊接變形，但這樣會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。采用定位焊組裝也可防止焊接變形。焊前反變形焊后焊前預(yù)彎反變形焊后第三十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、焊接應(yīng)力和變形的防止：

④焊前預(yù)熱，焊接過程中采用散熱措施，錘擊還處在高溫的焊縫等都能減少焊接變形。第三十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日嚴(yán)重的焊接變形應(yīng)消除，常采用機(jī)械矯正法，通常只適于塑性好的低碳鋼和普通低合金鋼?；鹧娉C正法是利用火焰加熱的熱變形方法，一般也僅適用于塑性好，且無淬硬傾向的材料。三、焊接應(yīng)力和變形的防止：

第三十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)焊接缺陷

焊接接頭的不完整性稱焊接缺陷。主要有焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔和焊縫外觀缺陷。第三十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)焊接缺陷一、焊接裂紋：1、熱裂紋：特征：發(fā)生在焊縫區(qū)，在焊縫結(jié)晶過程中形成，叫結(jié)晶裂紋。發(fā)生在熱影響區(qū)，在加熱到過熱溫度時因晶間低熔點雜質(zhì)發(fā)生熔化而產(chǎn)生，叫液化裂紋。裂紋沿晶間開裂，有氧化色彩。產(chǎn)生原因：晶間存在液態(tài)薄膜；接頭存在拉應(yīng)力。防止措施：控制低熔點雜質(zhì)，S、P等；適當(dāng)提高焊縫成形系數(shù)，防止中心偏析；碳含量應(yīng)在0.10%以下；減小焊接應(yīng)力。第三十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、冷裂紋：形態(tài)特征：焊道下裂紋、焊趾裂紋、焊根裂紋。冷裂紋的特征是無分支，通常為穿晶型。冷裂紋無氧化色彩。最主要、最常見的冷裂紋是延遲裂紋，即在焊后延遲一段時間才發(fā)生的裂紋。第四節(jié)焊接缺陷第三十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日延遲裂紋的產(chǎn)生原因：①焊接接頭淬火傾向嚴(yán)重，產(chǎn)生淬火組織，導(dǎo)致接頭性能脆化。②焊接接頭含氫量較高，并聚集在焊接缺陷處形成大量氫分子，造成非常大的局部壓力，使接頭脆化。③存在較大的拉應(yīng)力。因氫的擴(kuò)散需要時間，所以冷裂紋在焊后需延遲一段時間才出現(xiàn)。由于是氫所誘發(fā)的，也叫氫致裂紋。第四節(jié)焊接缺陷第三十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日

防止延遲裂紋的措施：①選用堿性焊條或焊劑；②焊前嚴(yán)格清理，減少氫的來源。試驗：J507焊條：使用前未經(jīng)烘干，擴(kuò)散氫含量：15.1cm3/100g350℃烘干2小時，擴(kuò)散氫含量：5.8cm3/100g400℃烘干2小時，擴(kuò)散氫含量：4.3cm3/100g說明焊條烘干是非常有效和必要的。第四節(jié)焊接缺陷第四十頁，共六十六頁，2022年，8月28日

防止延遲裂紋的措施：③工件焊前預(yù)熱，焊后緩冷。④采取減小焊接應(yīng)力的工藝措施。⑤焊后立即進(jìn)行去氫（后熱）處理，加熱到250℃，保溫2～6h，使焊縫金屬中的擴(kuò)散氫逸出金屬表面。⑥焊后進(jìn)行清除應(yīng)力的退火處理。第四節(jié)焊接缺陷第四十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日二、氣孔：1、焊縫氣孔的種類：①氫氣孔。②一氧化碳?xì)饪祝寒?dāng)熔池氧化嚴(yán)重時，熔池存在較多的FeO，在熔池溫度下降時，將發(fā)生如下反應(yīng)：

FeO+C→Fe+CO↑此時，若熔池已開始結(jié)晶，則CO將來不及逸出，便產(chǎn)生CO氣孔。

第四節(jié)焊接缺陷第四十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日③氮氣孔：熔池保護(hù)不好時，空氣中的氮溶入熔池而產(chǎn)生。2、防止氣孔的方法：焊條、焊劑要烘干，焊絲和焊縫坡口及其兩側(cè)的母材要清除銹、油和水。焊接時采用短弧焊，采用堿性焊條。CO2焊時，采用藥芯焊絲或低碳材料。第四節(jié)焊接缺陷第四十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)焊接檢驗一、焊接檢驗過程：焊接質(zhì)量檢驗是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程的重要組成部分。焊接質(zhì)量檢驗應(yīng)包括焊前檢驗、焊接生產(chǎn)中的檢驗和焊后成品檢驗。二、外觀檢驗：用肉眼或低倍數(shù)（小于20倍）放大鏡檢查焊縫區(qū)有否可見的缺陷，如表面氣孔、咬邊、未焊透、裂縫等，并檢查焊縫外形及尺寸是否合乎要求。

第四十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)焊接檢驗三、無損檢驗：1．磁粉檢驗：2．著色檢驗：第四十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)焊接檢驗3．超聲波檢驗4．X射線和γ射線檢驗第四十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)焊接檢驗四、機(jī)械性能試驗：為評定焊接接頭或焊縫金屬的機(jī)械性能，常做的試驗是拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲及壓扁試驗、硬度試驗和疲勞試驗等。五、密封性檢驗：用于檢驗常壓或受壓很低的容器或管道的焊縫致密性，看其是否有穿透性缺陷，常采用以下的方法：(1)靜氣壓試驗(2)煤油檢驗(3)水壓試驗第四十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日第六節(jié)熔化焊的焊接方法及工藝1手工電弧焊2埋弧自動焊3氣體保護(hù)焊4電渣焊5等離子弧焊6電子束焊7激光焊第四十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日1、手工電弧焊的原理：利用藥皮和焊芯為電極，而工件為另一電極，通過短路引燃電弧，在電弧的高溫下，藥皮產(chǎn)生大量的氣體和熔渣，以實現(xiàn)氣渣聯(lián)合保護(hù)。焊芯熔化后形成焊縫，以保證焊縫的化學(xué)成分和機(jī)械性能。一、手工電弧焊：第四十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日一、手工電弧焊：直流電源工件焊條直流電源工件焊條2、手工電弧焊的工藝：（1）直流手工電弧焊：焊接電源為直流電源，分直流正接和直流反接。直流正接是工件接電源的正極，焊條接負(fù)極，可獲得較大的熔深，適于厚板的焊接。直流反接與正接相反，焊條接正極，可實現(xiàn)薄板的快速焊接。第五十頁，共六十六頁，2022年，8月28日一、手工電弧焊（2）交流手工電弧焊：電源為交流電源。兩極不存在溫度差。主要用于酸性焊條的焊接。（3）焊條的型號和牌號：型號Exxxx其中E為Electrode的首寫字母，xx為熔敷金屬的最小抗拉強(qiáng)度（Kgf/mm2),第三位數(shù)x表示焊接位置。三、四兩位數(shù)字組合表示焊接電流種類和藥皮類型。牌號Jxxx,Axxx,Zxxx其中J代表結(jié)構(gòu)鋼，A奧氏體鋼，Z鑄鐵。第五十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日（4）酸性焊條與堿性焊條：第五十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日二、埋弧自動焊：

1、埋弧自動焊的原理及特點：埋弧自動焊是用焊劑進(jìn)行渣保護(hù)，熱效率高；焊絲為連續(xù)的盤狀焊絲，焊接無飛濺，可實現(xiàn)大電流高速焊接，生產(chǎn)率高。金屬利用率高。焊接質(zhì)量好。勞動條件好。但只能用于長平直焊縫和環(huán)焊縫的焊接。第五十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、埋弧自動焊的工藝：1）焊前準(zhǔn)備：焊縫間隙應(yīng)均勻，焊直縫時，應(yīng)安裝引弧板和熄弧板。2）平板對接焊：一般采用雙面焊，可不留間隙直接進(jìn)行雙面焊接，也可采用打底焊或焊劑墊或墊板。為提高生產(chǎn)率，也可采用水冷銅成形底板進(jìn)行單面焊雙面成形。二、埋弧自動焊：第五十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日二、埋弧自動焊：3)環(huán)焊縫：焊接環(huán)焊縫時，焊絲起弧點應(yīng)與環(huán)的中心線偏離一距離e。以防止熔池金屬的流淌。直徑小于250mm的環(huán)縫一般不采用埋弧自動焊。4）多絲埋弧自動焊：同時有兩個以上焊絲起弧焊接，焊接速度高，焊縫成形好。3．埋弧焊的應(yīng)用：埋弧焊主要用于壓力容器的環(huán)縫焊和直縫焊，鍋爐冷卻壁的長直焊縫焊接，船舶和潛艇殼體的焊接，起重機(jī)械（行車）和冶金機(jī)械（高爐爐身）的焊接。

第五十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、氣體保護(hù)焊：1．氬弧焊：利用氬氣保護(hù)電弧熱源及焊縫區(qū)進(jìn)行焊接。(1)鎢極氬弧焊：以鎢釷合金和鎢鈰合金為陰極，形成不熔化極氬弧焊。一般采用直流正接。通常用來焊薄板。

第五十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、氣體保護(hù)焊：（2）熔化極氬弧焊：以焊絲為一電極（正極），工件為另一電極（負(fù)極），所用電流比較大，生產(chǎn)率高。熔化極氬弧焊通常采用直流反接，這對于焊鋁工件正好有“陰極破碎”作用。第五十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、氣體保護(hù)焊：（3）脈沖氬弧焊將電流波形調(diào)制成脈沖形式，用高脈沖來焊接，低脈沖用來維弧和凝固，可控制焊縫的尺寸與焊接質(zhì)量。（4）氬弧焊的特點及應(yīng)用①機(jī)械保護(hù)效果很好，焊縫金屬純凈，焊接質(zhì)量優(yōu)良，焊縫成型美觀。②電弧穩(wěn)定，可實現(xiàn)單面焊雙面成型。③可全位置自動焊接。④氬氣貴，成本高。氬弧焊主要用于易氧化的有色金屬和合金鋼的焊接。如鋁、鈦和不銹鋼等。第五十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日2二氧化碳焊CO2為無色無味氣體，密度是空氣的1.5倍，在常溫下很穩(wěn)定，但在高溫下易分解。CO2氣體密度大，受熱后體積膨脹大，所以在隔離空氣保護(hù)焊接熔池和電弧方面，效果良好。但CO2氣體為氧化性氣體，在高溫下將分解為CO和O2：所以二氧化碳在高溫時有強(qiáng)烈的氧化性。第五十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日高溫下同時有CO2、O2、CO存在。合金元素的氧化燒損