大學(xué)化工機械基礎(chǔ)課件4：焊接

第九章焊接通過適當?shù)奈锢砘瘜W(xué)過程使兩個分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合力而連接成一體的連接方法。熔化焊、壓力焊、釬焊。熔化焊又分為氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊等?；ぱb置焊接的構(gòu)件量約占75％左右。

4/7/20231第一節(jié)電弧焊利用電弧熱量加熱并熔化金屬進行焊接一、焊接電弧一種強烈的持久的氣體放電現(xiàn)象。在一定的電場作用下，將電弧空間的氣體介質(zhì)電離，帶電質(zhì)點分別向著電場的兩極方向運動，使局部氣體空間導(dǎo)電，而形成電弧。4/7/20232引燃電弧：接觸引弧和非接觸引弧。手工電弧焊采用接觸引弧。瞬時接觸短路使接觸點上電流密度相當大；氧化皮電阻大產(chǎn)生熱，使金屬熔化蒸發(fā)。焊條提起，空間內(nèi)充滿了金屬蒸氣和空氣，其中某些原子可能已被電離。剛拉開瞬間，陰極發(fā)射電子。氣體介質(zhì)被撞擊電離,電弧溫度進一步升高,開始引燃。維持一定電壓，連續(xù)放電，電弧連續(xù)燃燒。

4/7/20233非接觸引弧一般借助于高頻或高壓脈沖引弧裝置，使陰極表面產(chǎn)生強場發(fā)射，電子流與氣體介質(zhì)撞擊，使其離解導(dǎo)電陰極區(qū)溫度2400K左右，放熱量38％；陽極區(qū)溫度2600K左右，熱量占42％；弧柱區(qū)中心溫度達5000－8000K，熱量占20％左右。4/7/20234二、手工電弧焊設(shè)備簡單,操作靈活,對不同位置、不同接頭焊縫均能方便焊接，目前仍廣泛使用。4/7/20235短路，隨即分開（約2－4mm）引燃電弧。電弧下工件熔化構(gòu)成一個半卵形熔池。藥皮熔化,氣體隔絕空氣,免于氧、氮侵害；溶渣,噴向熔池或與焊芯熔滴噴向溶池。4/7/20236在電弧及熔池中，液態(tài)金屬、熔渣和電弧氣體間發(fā)生某種物理化學(xué)變化，熔池內(nèi)氣體和渣上浮。電弧移去,溫度降低，金屬和渣凝固,結(jié)晶連接。渣殼脫落露出帶魚鱗紋狀的金屬焊縫。4/7/20237交流電焊機實質(zhì)上是一種特殊的變壓器，將工業(yè)用電的電壓降低。瞬時熄弧、重新引弧和再次穩(wěn)定燃燒，交流電弧穩(wěn)定性較差。但因結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、造價低廉和省電等優(yōu)點，所以廣泛采用

4/7/20238直流電焊機又分為旋轉(zhuǎn)式直流電焊機和硅整流式直流電焊機。前者成本高、噪音大、重量大、維護不方便。硅整流式直流電焊機結(jié)構(gòu)簡單，已逐漸替代旋轉(zhuǎn)式直流電焊機。電弧持續(xù)而穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量容易保證。4/7/20239焊條接負極、工件接正極時為正接法；反之為反接法。一般用堿性低氫型焊條（如J507），為使電弧穩(wěn)定燃燒，規(guī)定用直流反接法；用酸性焊條（如J422）焊接厚鋼板時，用正接法，因為陽極部分溫度高于陰極部分，用正接法可得到較大的熔深；焊接薄鋼板及有色金屬采用反接法。4/7/202310三、埋弧自動焊引燃電弧、送絲、電弧沿焊接方向移動及焊接收尾等過程完全由機械完成。4/7/20231130－50mm厚的粒狀焊劑，電弧熱量使焊絲、工件和焊劑溶化，形成金屬熔池，使它們與空氣隔絕。低碳鋼用H08A，配高錳高硅型焊劑HJ4314/7/202312埋弧自動焊的主要優(yōu)點是：1）生產(chǎn)率高用大電流，熔深大，生產(chǎn)率較高。對于20mm以下的對接焊可不開坡口,不留間隙，填充金屬少2）焊縫質(zhì)量高保護完善，雜質(zhì)較少，易獲得穩(wěn)定高質(zhì)量的焊縫。3）勞動條件好沒有弧光輻射，勞動條件較好。最常用。適于批量大，較厚較長的直線及較大直徑的環(huán)形焊縫的焊接。4/7/202313埋弧自動焊的不足之處1)不及手工焊靈活，一般只適合于水平位置或傾斜度不大的焊縫；2)工件邊緣準備和裝配質(zhì)量要求較高、費工時；3)由于埋弧操作，看不到熔池和焊縫形成過程，必須嚴格控制焊接規(guī)范。4/7/202314四、氬弧焊氬氣的電離勢較高，引弧較困難，常借用高頻振蕩器產(chǎn)生高頻高壓電引弧。氬氣的散熱能力較低，一旦引燃后，能較穩(wěn)定地燃燒。氬弧焊按所用的電極不同分為兩種：非熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊。

4/7/2023151、非熔化極氬弧焊（TIG焊）電極只發(fā)射電子、產(chǎn)生電弧，本身不熔化，常用熔點較高的釷鎢棒或鈰鎢棒作為電極，又叫鎢極氬弧焊。可以用手工進行，也可以自動進行。4/7/202316非熔化極氬弧焊（TIG焊）防止電極熔化和燒損，電流不能過大，常用于焊接4mm以下的薄板，管子對接、管子與管板的連接4/7/2023172、熔化極氬弧焊（MIG焊）焊絲為電極，焊接電流可大大提高，適用于中、厚板焊接，如化工容器筒體的焊接。焊接過程可采用自動或半自動方式

4/7/202318金屬熔滴沿焊絲軸向高速噴射入溶池。不短路，電弧燃燒穩(wěn)定，無飛濺，焊縫成形好，熔透深度增加，用于焊接厚度為3mm以上的金屬。焊接成本高。焊接易氧化的有色金屬、稀有金屬、高強度合金鋼及一些特殊用途的高合金鋼（不銹鋼、耐熱鋼）。

4/7/202319近三十年來，發(fā)展了鎢極、熔化極脈沖氬弧焊，擴大了應(yīng)用范圍。用可控的脈沖電流代替連續(xù)電流，控制電弧能量，精確控制熔池體積、焊縫熔深及溶滴過渡等，可焊接薄板或超薄板構(gòu)件。直流脈沖TIG焊可焊小至0.1mm的薄板。4/7/202320第二節(jié)焊接接頭和坡口形式對接接頭、T形接頭、角接接頭和搭接接頭一、對接接頭容易焊透，受力情況好，應(yīng)力均勻，聯(lián)接強度高，焊接接頭質(zhì)量容易保證。坡口的主要作用是保證焊透4/7/202321X形坡口可減少焊條金屬量二分之一，變形及內(nèi)應(yīng)力小較重要的焊接結(jié)構(gòu)用U形坡口4/7/202322等厚度焊接，避免焊不透或燒穿；薄板≤10mm，兩板厚度差≥3mm；薄板>10mm而厚度差大于薄板30％，或超過5mm時，削薄厚度邊緣。4/7/202323二、T形接頭和角接接頭分不開坡口、單邊和雙邊V形及K形坡口4/7/202324應(yīng)力不均，焊縫根部有較大應(yīng)力集中，

4/7/202325三、搭接接頭不開坡口,均屬角焊縫,分端焊縫和側(cè)焊縫4/7/2023264/7/202327第三節(jié)焊接材料一、手工電弧焊用焊接材料電焊條：內(nèi)部鋼芯和外側(cè)藥皮1、鋼芯主要作用導(dǎo)電，并在焊條端部形成具有一定成分的熔敷金屬。要求焊芯盡量減少有害元素的含量，限制S、P，有些焊條要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。4/7/2023282、藥皮又稱為涂料，保證熔敷金屬具有一定的成分和性能。采用氧化物、碳酸鹽、硅酸鹽、有機物、氟化物、鐵合金及化工產(chǎn)品等上百種原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。4/7/202329藥皮中各種組分作用：1）穩(wěn)弧劑：凡易電離的物質(zhì)均能穩(wěn)弧。用堿金屬及堿土金屬化合物，碳酸鉀、碳酸鈉、大理石等。2）造渣劑：形成溶渣，覆蓋熔化金屬表面，保護熔池及改善焊縫成形3）脫氧劑：降低含氧量，提高機械性能。主要脫氧劑有錳鐵、硅鐵、鈦鐵。4）造氣劑：高溫下分解出氣體，保護電弧及熔池，防止空氣中氧和氮侵入4/7/202330藥皮中各種組分作用：5）合金劑：補償合金元素的燒損及向焊縫過渡合金元素，以保證焊縫的化學(xué)成分及性能等。6）增塑潤滑劑：增加藥皮粉料在焊條壓涂過程的塑性、滑性及流動性，以提高焊條的壓涂質(zhì)量，減小偏心度。7）粘接劑：使藥皮粉料在壓涂過程中有一定粘性，與焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的強度。4/7/2023313、電焊條的分類（1）按用途分4/7/2023324/7/202333（2）按熔渣的堿度分類酸性焊條和堿性焊條。酸性焊條焊接工藝性好，成形整潔,去渣容易，不易產(chǎn)生氣孔和夾渣。但藥皮氧化性強使合金元素?zé)龘p大,機械性能（沖擊韌性）比較低。酸性焊條一般均可用交直流電源。典型的酸性焊條是J422。4/7/202334堿性焊條焊接的焊縫機械性能良好，特別是沖擊韌性比較高，主要用于重要結(jié)構(gòu)的焊接。氟化物粉塵有害，應(yīng)加強現(xiàn)場的通風(fēng)排氣，以改善勞動條件。典型的堿性焊條有J507。4/7/202335（3）按焊條藥皮主要成分分類當藥皮中含有30％以上的二氧化鈦及20％以下的鈣、鎂的碳酸鹽時，就稱為鈦鈣型。4/7/2023364/7/2023374、電焊條牌號與型號(1)焊條牌號是焊條產(chǎn)品的具體命名。根據(jù)主要用途及性能特點命名。每種產(chǎn)品只有一個牌號，但多種牌號可同時對應(yīng)于一種型號。焊條牌號通常以一個漢語拼音字母（或漢字）與三位數(shù)字表示。4/7/202338結(jié)構(gòu)鋼焊條牌號J422，中“J”表示結(jié)構(gòu)鋼焊條,按用途分第一、二位數(shù)字“42”表示焊縫金屬的抗拉強度等級（用MPa值的1/10表示），末位數(shù)字“2”表示藥皮類型及焊接電源的種類4/7/2023394/7/202340奧氏體鉻鎳不銹鋼焊條牌號A132中“A”表示奧氏體不銹鋼焊條；第一、第二位數(shù)字表示焊縫金屬主要化學(xué)成分組成末位數(shù)字表示藥皮類型和焊接電源種類4/7/202341（2）焊條型號是以焊條國家標準為依據(jù)、反映焊條主要特性的一種表示方法。焊條型號根據(jù)焊縫金屬的力學(xué)性能、藥皮類型、焊接位置和焊接電流種類劃分。4/7/202342碳鋼焊條型號E4315中“E”表示焊條；前兩位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強度的最小值，單位為MPa值的1/10；第三位數(shù)字表示焊條焊接位置，“0”及“1”表示用于全位置焊接（平、立、仰、橫），“2”表示適用于平焊及平角焊，“4”適用于向下立焊；第三位和第四位數(shù)字組合時表示焊接電流種類及藥皮類型。4/7/202343常用焊條a.E4303、E5003焊條鈦鈣型。主要用于較重要的碳鋼結(jié)構(gòu)。b.E4315、E5015焊條低氫鈉型，主要用于重要的低碳鋼結(jié)構(gòu)及低合金鋼結(jié)構(gòu)，也被用于焊接高硫鋼和涂漆鋼c.E4316、E5016型焊條低氫鉀型，電弧穩(wěn)定，主要用于重要的低碳鋼結(jié)構(gòu)與低合金鋼結(jié)構(gòu)。4/7/202344低合金鋼焊條型號如E5018－A1，后綴字母為熔敷金屬的化學(xué)成分分類代號4/7/202345不銹鋼焊條型號E308－15，字母E表示焊條，“E”后面數(shù)字表示熔敷金屬化學(xué)成分分類代號，短劃“-”后面的兩位數(shù)字表示焊條藥皮類型、焊接位置及焊接電流種類4/7/2023464/7/2023474/7/202348二、埋弧焊用焊絲和焊劑焊絲牌號與優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼號的表示方法類似，前面加上“H”。強度鋼用焊絲牌號如H08、H08A、H10Mn2。若牌號最后帶有A字，表示為S、P含量較少的優(yōu)質(zhì)焊絲。4/7/202349國產(chǎn)焊劑依據(jù)化學(xué)成分分類，在牌號前面加HJ，如HJ431。第一位數(shù)字表示氧化錳的平均含量，如“４”表示含MnO>30％；第二位數(shù)字表示二氧化硅、氟化鈣的平均含量，如“３”表示高硅低氟型（SiO2>30%,CaF2<10%）；末位數(shù)字表示同類焊劑的不同序號。4/7/202350（GB5293-85）規(guī)定焊劑型號：HJ401－H08A的焊劑，用H08A焊絲按本標準，抗拉強度為412－550MPa，屈服強度不小于330MPa，伸長率不小于22％，在0℃時沖擊值不小于34.3J/cm2。4/7/202351三、焊條、焊絲及焊劑的選用焊縫機械性能與基體金屬一致；其次，在化學(xué)成分方面接近基體還應(yīng)根據(jù)焊接位置及板厚確定藥皮類型。常用鋼號查表2-15，不同鋼號相焊接查表2-164/7/202352第四節(jié)焊接缺陷與焊接質(zhì)量檢驗一、焊接缺陷1、焊接變形應(yīng)力超過屈服極限產(chǎn)生焊接變形；超過強度極限會出現(xiàn)裂縫。4/7/2023532、焊縫的外部缺陷（1）焊縫增強過高坡口的角度開得太小或焊接電流過小應(yīng)力集中，為提高疲勞壽命，要求將焊縫的增強高鏟平。4/7/202354（2）焊縫過凹焊縫工作截面減小使接頭處強度降低。（3）焊縫咬邊在工件上沿焊縫邊緣形成凹陷。減少工作截面，并造成嚴重應(yīng)力集中。4/7/202355（4）焊瘤對靜載強度無影響引起應(yīng)力集中，使動載強度降低。（5）燒穿部分熔化金屬從焊縫反面漏出，甚至燒穿成洞，使接頭強度下降。4/7/2023563、焊縫內(nèi)部缺陷（1）未焊透應(yīng)力集中嚴重，降低強度，開裂根源。（2）夾渣減少工作截面，造成應(yīng)力集中，降低焊縫強度和沖擊韌性。（3）氣孔減少有效工作截面，降低機械強度。（4）裂紋熱裂紋和冷裂紋4/7/202357熱裂紋是由液態(tài)到固態(tài)結(jié)晶中產(chǎn)生焊縫中存在低熔點物質(zhì)（FeS），受到較大的焊接應(yīng)力，容易在晶粒之間引起破裂。焊件及焊條內(nèi)含S、Cu等雜質(zhì)多時，容易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋有沿晶界分布的特征。4/7/202358冷裂紋是冷卻過程中產(chǎn)生，由于熱影響區(qū)或焊縫內(nèi)形成了淬火組織，在高應(yīng)力作用下，引起晶粒內(nèi)部的破裂，焊接含碳量較高或合金元素較多的易淬火鋼材時，最易產(chǎn)生冷裂紋。焊縫中熔入過多的氫，也會引起冷裂紋。還有再熱裂紋等裂紋是最危險的一種缺陷，一般不允許存在，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)須鏟去重焊。4/7/202359二、焊接檢驗外觀檢查、無損探傷和機械性能試驗（水壓與氣壓試驗），以無損探傷為主。1、外觀檢查肉眼或用5－20倍放大鏡觀察。可發(fā)現(xiàn)焊縫表面缺陷，如咬邊、焊瘤、表面裂紋、氣孔、夾渣及焊穿等。焊縫的外形尺寸還可采用焊口檢測器或樣板進行測量。4/7/202360