機(jī)械制造技術(shù)課件：焊接成形

焊接成形6.1焊接工藝基礎(chǔ)6.2常用焊接方法6.3焊接變形及防止措施6.4焊接結(jié)構(gòu)的工藝性6.5焊接質(zhì)量檢驗(yàn)本章小結(jié)習(xí)題

6.1焊接工藝基礎(chǔ)

6.1.1焊接工藝概述

焊接是通過加熱或加壓,或兩者并用,借助于金屬原子擴(kuò)散和結(jié)合,使分離的材料牢固地連接在一起的加工方法。焊接方法的種類很多,按焊接過程特點(diǎn)可分為以下三大類:

1.熔焊

熔焊焊接方法的共同特點(diǎn)是把焊接局部連接處加熱至熔化狀態(tài),形成熔池,待其冷卻結(jié)晶后形成焊縫,將兩部分材料焊接成一個(gè)整體。因兩部分材料均被熔化,故稱熔焊。

2.壓焊

壓焊是指在焊接過程中需要對(duì)焊件施加壓力(加熱或不加熱)的一類焊接方法。

3.釬焊

釬焊是將熔點(diǎn)比母材熔點(diǎn)低的填充金屬(稱為釬料)熔化后,填入接頭間隙并與固態(tài)的母材通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的一類焊接方法。

主要焊接方法分類如圖6－1所示。圖6－1主要焊接方法分類框圖

6.1.2焊接接頭的組織和性能

熔焊按其所用的焊接熱源不同分為電弧焊、電渣焊、氣焊等多種方法。圖6－2顯示了焊條電弧焊的過程。熔焊從母材和焊條被加工熔化,到熔池的形成、停留、結(jié)晶,要發(fā)生一系列的冶金化學(xué)反應(yīng),從而影響焊縫的化學(xué)成分、組織和性能。由于空氣中的氧氣等在電弧高溫作用下發(fā)生分解,氧原子與金屬和碳發(fā)生反應(yīng),會(huì)使Fe、C、Mn、Si等元素大量燒損,而且由于焊縫金屬中含有氧、氮、氫等元素,會(huì)使焊縫機(jī)械性能明顯下降,尤其使低溫沖擊韌性急劇下降,會(huì)引起冷脆等現(xiàn)象。為了保證焊接質(zhì)量,在焊接過程中,通常采取下列措施:圖6－2焊條電弧焊過程示意圖

(1)形成保護(hù)氣氛,防止有害元素侵入熔池。采用焊條藥皮、埋弧焊焊劑、氣體保護(hù)焊保護(hù)氣體(如CO2氣、氬氣等),使熔池與外界空氣隔絕,防止空氣進(jìn)入。此外,焊前對(duì)坡口及兩側(cè)的銹、油污等進(jìn)行清理,烘干焊條、焊劑等,都能有效地防止有害氣體進(jìn)入熔池。

(2)添加合金元素,補(bǔ)充燒損的元素,清除已進(jìn)入熔池的有害元素。如焊條藥皮中加錳鐵合金等,進(jìn)行脫氧、脫硫、脫磷、去氫、滲合金等,從而保證和調(diào)整了焊縫的化學(xué)成分;生成的MnS等不溶于金屬的物質(zhì),進(jìn)入焊渣中,最終被清理掉。

焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。焊縫附近的母材組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域稱為熱影響區(qū)。熔焊焊縫和母材的交界線稱為熔合線,熔合線兩側(cè)有一個(gè)很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū),稱為熔合區(qū)(或稱半熔化區(qū))。

1.焊縫的組織和性能

焊縫組織是由熔池金屬結(jié)晶得到的鑄造組織。焊縫中的鑄造組織晶粒粗大、成分偏析,組織不致密。但由于焊接熔池小、冷卻快,焊條藥皮、焊劑或焊絲在焊接過程中的冶金處理作用,使得焊縫金屬的化學(xué)成分優(yōu)于母材,硫磷含量較低,所以容易保證焊縫金屬的性能不低于母材,特別是強(qiáng)度容易達(dá)到要求。

2.熱影響區(qū)及熔合區(qū)的組織和性能

圖6－3(a)是低碳鋼焊接接頭各點(diǎn)最高加熱溫度曲線,圖6－3(b)是簡(jiǎn)化的鐵碳相圖的一部分。低碳鋼的熱影響區(qū)分為過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。

圖6－3低碳鋼焊接接頭的組織變化

(1)過熱區(qū):焊接時(shí)加熱到1100℃以上至固相線溫度的區(qū)域。由于加熱溫度高,奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大,冷卻后產(chǎn)生晶粒粗大的加熱組織。過熱區(qū)是熱影響區(qū)中性能最差的部位。因此,在焊接剛度大的結(jié)構(gòu)時(shí),易在此區(qū)產(chǎn)生裂紋。

(2)正火區(qū):最高加熱溫度從Ac3至1100℃的區(qū)域,金屬發(fā)生重結(jié)晶,焊后冷卻得到均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體組織。正火區(qū)的性能優(yōu)于母材。

(3)部分相變區(qū):加熱到Ac1至Ac3溫度區(qū)域。因?yàn)橹挥胁糠纸M織發(fā)生轉(zhuǎn)變,部分鐵素體來不及轉(zhuǎn)變,故稱為部分相變區(qū)。這一區(qū)域冷卻后晶粒大小不勻,機(jī)械性能較差。

(4)熔合區(qū):熔合區(qū)化學(xué)成分不均勻,晶粒粗大,其性能往往是焊接接頭中最差的。

綜上所述,熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭中的薄弱部分,對(duì)焊接質(zhì)量有嚴(yán)重影響,應(yīng)盡可能減小。影響焊接接頭組織和性能的因素有焊接材料、焊接方法和焊接工藝。其中焊接工藝主要參數(shù)(如焊接電流、電弧電壓、焊接速度等)是影響焊接接頭熱影響區(qū)的大小和焊接接頭的組織與性能的主要因素。

熔焊過程中總會(huì)產(chǎn)生一定尺寸的熱影響區(qū)。一般地,當(dāng)?shù)吞间摰暮附咏Y(jié)構(gòu)用手工電弧焊或埋弧自動(dòng)焊時(shí),熱影響區(qū)尺寸較小,對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響較小,焊后可不進(jìn)行處理;對(duì)于合金鋼焊接結(jié)構(gòu)或用電渣焊焊接的結(jié)構(gòu),熱影響區(qū)尺寸較大,焊后必須進(jìn)行處理,通常采用正火工序,細(xì)化晶粒,均勻組織,改善焊接接頭的質(zhì)量;對(duì)于焊后不能進(jìn)行熱處理的焊接結(jié)構(gòu),只能通過正確選擇焊接方法,合理制訂焊接工藝來減小焊接熱影響區(qū),以保證焊接質(zhì)量。

6.2常用焊接方法

6.2.1焊條電弧焊焊條電弧焊簡(jiǎn)稱手弧焊。它是利用焊條與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱,將焊件和焊條熔化,冷卻凝固后獲得牢固的焊接接頭的一種手工焊接方法。

1.焊接過程

手弧焊的焊接過程如圖6－4所示。將工件和焊鉗分別接到電焊機(jī)的兩個(gè)電極上,并用焊鉗夾持焊條。焊接時(shí),先將焊條與工件瞬時(shí)接觸,然后將焊條提到一定的距離(2~4mm),于是在焊條端部與工件之間便產(chǎn)生了明亮的電弧。電弧熱將工件接頭處和焊條熔化形成熔池。隨著焊條的向前移動(dòng),新的熔池不斷產(chǎn)生,舊熔池不斷冷卻凝固,從而形成連續(xù)的焊縫,使工件牢固地連接在一起。圖6－4焊條電弧焊

2.電焊機(jī)

焊條電弧焊的主要設(shè)備是電焊機(jī),它實(shí)際上是一種弧焊電源。按產(chǎn)生電流的種類不同,這種電源可分為弧焊變壓器(交流)和弧焊整流器(直流)。

(1)弧焊變壓器。它實(shí)際上是一種特殊的降壓變壓器,如圖6－5所示。它將220V或380V的電源電壓降到60~80V(即電焊機(jī)的空載電壓),以滿足引弧的需要。焊接時(shí),電壓會(huì)自動(dòng)下降到電弧正常工作時(shí)所需的工作電壓20~30V。輸出電流是從幾十安培到幾百安培的交流電,可根據(jù)焊接的需要調(diào)節(jié)電流的大小。電流的調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)。粗調(diào)是通過改變輸出抽頭的接法來實(shí)現(xiàn)的,調(diào)節(jié)范圍大;細(xì)調(diào)是旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄,將電流調(diào)節(jié)到所需要的數(shù)值?；『缸儔浩鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作噪音小、使用可靠、維修方便、應(yīng)用很廣,其缺點(diǎn)是焊接電弧不夠穩(wěn)定。圖6－5弧焊變壓器

(2)弧焊整流器?；『刚髌魅Q是整流式直流電焊機(jī),近年來得到了普遍的應(yīng)用。它是通過整流器把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?既彌補(bǔ)了交流電焊機(jī)電弧穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn),又比一般直流電焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易、噪音小。

用直流電焊機(jī)焊接時(shí),由于正極和負(fù)極上的熱量不同,所以有正接和反接兩種接線方法,如圖6－6所示。把焊件接正極,焊條接負(fù)極,稱為正接法;反之,稱為反接法。焊接厚板時(shí)一般采用直流正接法,這時(shí)電弧中的熱量大部分集中在焊件上,有利于加快焊件熔化,保證足夠的熔深。焊接薄板時(shí),為防止燒穿,常采用反接法。在使用堿性焊條時(shí),均采用直流反接。圖6－6直流電焊機(jī)的接線法

(3)焊鉗和面罩。焊鉗是用于夾持焊條和傳遞電流的,面罩則用來保護(hù)眼睛和面部,以免弧光灼傷,其結(jié)構(gòu)如圖6－7所示。圖6－7焊鉗和面罩

3.焊條

焊條電弧焊使用的焊條由焊芯和藥皮組成,如圖6－8所示。圖6－8焊條

6.2.2氣焊和氣割

1.氣焊

氣焊是利用氣體火焰來熔化母材和填充金屬的一種焊接方法。最常用的是氧乙炔焰,乙炔(C2H2)為可燃?xì)怏w,氧氣為助燃?xì)怏w。乙炔和氧氣在焊炬中混合均勻后從焊嘴噴出燃燒,將焊件和焊絲熔化形成熔池,冷卻凝固后形成焊縫,如圖6－9所示。氣焊時(shí)氣體燃燒,產(chǎn)生大量CO2、CO、H2氣體籠罩熔池,起到保護(hù)作用。氣焊使用不帶藥皮的光焊絲作填充金屬。圖6－9氣焊示意圖

1)氣焊設(shè)備

氣焊所用的設(shè)備及管路系統(tǒng)連接如圖6－10所示。

(1)氧氣瓶。氧氣瓶是運(yùn)輸和儲(chǔ)存高壓氧氣的鋼瓶。它的容積為40L,儲(chǔ)氧最大壓力為14.7MPa,外表漆成天藍(lán)色,并用黑漆寫上“氧氣”字樣。圖6－10氣焊設(shè)備及其連接

(2)乙炔瓶。乙炔瓶是儲(chǔ)存溶解乙炔的鋼瓶,如圖6－11所示。瓶?jī)?nèi)裝有浸滿丙酮的多孔填充物,丙酮對(duì)乙炔有良好的溶解能力,可使乙炔穩(wěn)定而安全地儲(chǔ)存在瓶中。在乙炔瓶閥下面的填料中心部分放著石棉,作用是幫助乙炔從多孔填料中分解出來。乙炔瓶限壓15.2MPa,容積為40L。乙炔瓶涂成白色,并用紅漆寫上“乙炔”字樣。圖－11乙炔瓶

(3)減壓器。減壓器是將高壓氣體降為低壓氣體,并保持焊接過程中壓力基本穩(wěn)定的調(diào)節(jié)裝置,如圖6－12所示。減壓器使用時(shí)先緩慢打開氧氣瓶或乙炔瓶的閥門,然后旋轉(zhuǎn)減壓器調(diào)壓手柄,待壓力達(dá)到所需要時(shí)為止;停止工作時(shí)先松開調(diào)壓手柄,再關(guān)閉氧氣瓶或乙炔瓶的閥門。圖6－12減壓器

(4)回火保險(xiǎn)器。回火保險(xiǎn)器是裝在燃燒氣體系統(tǒng)上的防止向燃?xì)夤苈坊驓庠椿責(zé)谋ｋU(xiǎn)裝置。

(5)焊炬。焊炬是使乙炔和氧氣按一定比例混合并獲得氣焊火焰的工具,如圖6－13所示。

工作時(shí),先開氧氣閥,然后開乙炔閥,兩種氣體在混合管內(nèi)均勻混合,從焊嘴噴出點(diǎn)火燃燒。一般焊炬?zhèn)溆?~5個(gè)大小不同的焊嘴,以便焊接不同厚度的焊件。圖6－13焊炬

2)氣焊火焰

氣焊時(shí)通過調(diào)節(jié)氧氣閥和乙炔閥,可以改變氧氣和乙炔的混合比例,從而得到三種不同的氣焊火焰,即中性焰、碳化焰和氧化焰,如圖6－14所示。圖6－14氣焊火焰

(1)中性焰。當(dāng)氧氣和乙炔的混合比為1~1.2時(shí),燃燒所形成的火焰稱為中性焰,又稱正常焰。它由焰心、內(nèi)焰和外焰三部分組成。內(nèi)焰溫度最高,可達(dá)3000~3200℃,焊接時(shí)應(yīng)使熔池和焊絲末端處于此最高溫度區(qū)。中性焰適合焊接碳鋼和有色金屬,是應(yīng)用最廣泛的火焰。

(2)碳化焰。當(dāng)氧氣和乙炔的混合比小于1.0時(shí),燃燒所形成的火焰稱為碳化焰。碳化焰的火焰比中性焰長(zhǎng),最高溫度為2700~3000℃。由于火焰中氧氣較少,燃燒不完全,火焰中含有游離碳,具有較強(qiáng)的還原作用和一定的滲碳作用。碳化焰適用于焊接高碳鋼、鑄鐵、硬質(zhì)合金等。

(3)氧化焰。當(dāng)氧氣和乙炔的混合比大于1.2時(shí),燃燒所形成的火焰稱為氧化焰。氧化焰火焰較短,最高溫度可達(dá)3100~3300℃。由于火焰中有過量的氧,故對(duì)熔池有氧化作用,一般很少使用,僅用于焊接黃銅和錫青銅,生成一層氧化物膜覆蓋在熔池上,以防止鋅、錫在高溫下蒸發(fā)。

3)焊絲和焊劑

(1)焊絲。在焊接時(shí)氣焊的焊絲作為填充金屬,與熔化的母材一起形成焊縫,因此焊絲質(zhì)量對(duì)焊件性能有很大的影響。焊接時(shí)常根據(jù)焊件材料選擇相應(yīng)的焊絲。

(2)焊劑。焊劑的作用是保護(hù)熔池金屬,去除焊接過程中形成的氧化物,增加液態(tài)金屬的流動(dòng)性。焊接低碳鋼時(shí),由于中性焰本身具有相當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用,可不用焊劑。我國(guó)氣焊焊劑的主要牌號(hào)有CJ101(用于焊接不銹鋼、耐熱鋼)、CJ201(用于焊接鑄鐵)、CJ301(用于焊接銅合金)、CJ401(用于焊接鋁合金)。焊劑的主要成分有硼酸(H3BO3)、硼砂(Na2B4O7)、碳酸鈉(Na2CO3)等。

4)氣焊操作技術(shù)

(1)點(diǎn)火、調(diào)節(jié)火焰及滅火。點(diǎn)火時(shí),先微開氧氣閥門,再開乙炔閥門,用明火點(diǎn)燃火焰。這時(shí)火焰為碳化焰,然后逐漸開大氧氣閥門調(diào)節(jié)到所需火焰狀態(tài)。在點(diǎn)火過程中,若有放炮聲或火焰熄滅,則應(yīng)立即減少氧氣或放掉不純的乙炔,再點(diǎn)火。滅火時(shí),應(yīng)先關(guān)乙炔閥門后關(guān)氧氣閥門,以免發(fā)生回火并減少煙塵。

(2)平焊焊接。平焊時(shí),一般是右手握焊炬,左手捏焊絲,兩手互相配合,沿焊縫向左或向右焊接,如圖6－15所示。開始焊接時(shí),為了盡快加熱工件形成熔池,焊炬角應(yīng)大些(可達(dá)80°~90°),正常焊接時(shí),焊炬傾角一般保持在40°~50°。焊接結(jié)束時(shí),為了更好地填滿尾部焊坑,避免燒穿,傾角應(yīng)適當(dāng)減少(可至20°)。圖6－15焊炬、焊絲傾角

2.氣割

氣割是利用高溫的金屬在純氧中燃燒而將工件分離的加工方法。氣割時(shí),先用氧乙炔焰將金屬加熱到燃點(diǎn),然后打開切割氧閥門,使高溫金屬燃燒,金屬燃燒所生成的氧化物熔渣被高壓氧吹走,形成切口,如圖6－16所示。金屬燃燒放出大量的熱,又預(yù)熱了待切割的金屬,所以氣割過程是預(yù)熱-燃燒-吹渣形成切口不斷重復(fù)進(jìn)行的過程。圖6－16氣割

氣割時(shí)用割炬代替焊炬,其余設(shè)備與氣焊相同,氣割用割炬如圖6－17所示。割炬與焊炬相比,多了一個(gè)切割高壓氧氣管和一個(gè)切割氧閥門。割嘴的結(jié)構(gòu)與焊嘴也不相同,周圍一圈是預(yù)熱用氧乙炔混合氣體出口,中間的通道為切割氧出口,兩者互不相通。圖6－17割炬

焊接實(shí)訓(xùn)安全技術(shù)要求如下:

(1)焊接前應(yīng)檢查電焊機(jī)外殼接地是否良好,焊鉗與電纜是否絕緣良好。操作時(shí)應(yīng)穿膠底鞋或站在絕緣墊板上,防止觸電。

(2)電弧發(fā)射出大量紫外線和紅外線會(huì)對(duì)人有傷害,焊后仍處于高溫的工件、飛濺的液態(tài)金屬和熔渣等易造成燙傷,操作時(shí)需穿長(zhǎng)袖工作服,戴手套、面罩和工作帽,應(yīng)特別避免弧光照射眼睛。

(3)氧氣瓶嚴(yán)禁靠近易燃品、油脂等,搬運(yùn)時(shí)避免碰撞和劇烈振動(dòng)。

(4)焊炬和割炬使用前要檢查是否漏氣,焊嘴和割嘴是否有堵塞現(xiàn)象。

(5)在焊、割過程中遇到回火應(yīng)迅速關(guān)閉氧氣閥,然后關(guān)閉乙炔閥。

(6)焊接結(jié)束要切斷電源,并檢查焊接場(chǎng)地有無火種,清理工具和場(chǎng)地。

6.2.3埋弧自動(dòng)焊

為了提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率,改善勞動(dòng)條件,使焊接技術(shù)向機(jī)械化、自動(dòng)化方向發(fā)展,便出現(xiàn)了埋弧自動(dòng)焊。使手弧焊的引弧、焊條送進(jìn)、電弧移動(dòng)幾個(gè)動(dòng)作由機(jī)械自動(dòng)來完成,稱為自動(dòng)焊,如果部分動(dòng)作由機(jī)械完成,其他動(dòng)作仍由焊工輔助完成,則稱為半自動(dòng)焊。

1.埋弧自動(dòng)焊的焊接過程

埋弧自動(dòng)焊也稱熔劑層下自動(dòng)焊。它因電弧埋在熔劑下,看不見弧光而得名。埋弧自動(dòng)焊由焊接電源、焊車和控制箱三部分組成。常用焊機(jī)型號(hào)有MZ-1000和MZ1-1000兩種,“MZ”表示埋弧焊機(jī),“1000”表示額定電流為1000A。焊接電源可以配交流弧焊電源和整流弧焊電源。埋弧自動(dòng)焊焊接過程縱斷面如圖6－18所示。圖6－18埋弧自動(dòng)焊的縱截面圖

2.焊接材料

埋弧自動(dòng)焊焊接材料有焊絲和焊劑。焊絲除了作電極和填充材料外,還可以起到滲合金、脫氧、去硫等冶金處理作用。焊劑的作用相當(dāng)于焊條藥皮。焊絲和焊劑要合理匹配,保證焊縫金屬化學(xué)成分和性能。

3.埋弧自動(dòng)焊的特點(diǎn)和應(yīng)用

埋弧自動(dòng)焊與手弧焊相比,有以下特點(diǎn):

(1)生產(chǎn)率高、成本低。埋弧自動(dòng)焊電流比手弧焊高6~8倍,不需更換焊條,沒有飛濺,生產(chǎn)效率比手弧焊高5~10倍。同時(shí),由于埋弧自動(dòng)焊熔深大,可以不開或少開坡口,節(jié)省坡口加工工時(shí),節(jié)省焊接材料,焊絲利用率高,焊劑用量少,降低了焊接成本。

(2)焊接質(zhì)量好而且穩(wěn)定。埋弧自動(dòng)焊焊劑供給充足,保護(hù)效果好,冶金過程完善,焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定,對(duì)操作者技術(shù)要求低,焊縫成形美觀。

(3)改善了勞動(dòng)條件。沒有弧光,沒有飛濺,煙霧也很少,勞動(dòng)強(qiáng)度較輕。

(4)埋弧自動(dòng)焊適應(yīng)性差。只焊平焊位置,通常焊接直縫和環(huán)縫,不能焊接空間位置焊縫和不規(guī)則焊縫。

(5)設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,投資大,調(diào)整等準(zhǔn)備工作量較大。

根據(jù)埋弧自動(dòng)焊上述特點(diǎn)可知,埋弧自動(dòng)焊適用于成批生產(chǎn)中長(zhǎng)直焊縫和較大直徑環(huán)縫的平焊,對(duì)于狹窄位置的焊縫以及薄板焊接,則受到一定限制。因此,埋弧自動(dòng)焊被廣泛用于大型容器和鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)中。

6.2.4氣體保護(hù)焊

1.氬弧焊

氬弧焊是氬氣保護(hù)焊的簡(jiǎn)稱。氬氣是惰性氣體,在高溫下不和金屬起化學(xué)反應(yīng),也不溶于金屬,可以保護(hù)電弧區(qū)的熔池、焊縫和電極不受空氣的有害作用,是一種較理想的保護(hù)氣體。氬弧焊分鎢極(不熔化極)氬弧焊和熔化極(金屬極)氬弧焊兩種,如圖6－19所示。圖6－19氬弧焊示意圖．

氬弧焊的特點(diǎn)如下:

(1)機(jī)械保護(hù)效果很好,焊縫金屬純凈,成形美觀,質(zhì)量?jī)?yōu)良。

(2)電弧穩(wěn)定,尤其現(xiàn)在普遍采用脈沖氬弧焊,更容易保證焊透和焊縫成形。

(3)采用氣體保護(hù),電弧可見(稱為明弧),易于實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接。工業(yè)中應(yīng)用的焊接機(jī)器人,一般采用氬氙弧焊或CO2氣體保護(hù)焊。

(4)電弧在氣流壓縮下燃燒,熱量集中,熔池小,焊速快,熱影響區(qū)小,焊接變形小。

(5)氬氣價(jià)格較高,因此焊接成本較高。

2.CO2氣體保護(hù)焊

CO2氣體保護(hù)焊是以CO2作為保護(hù)氣體,以焊絲作電極,以自動(dòng)或半自動(dòng)方式進(jìn)行焊接的。

CO2氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)如下:

(1)成本低。CO2氣體比較便宜,焊接成本僅是埋弧自動(dòng)焊和手弧焊的40%左右。

(2)生產(chǎn)率高。焊絲送進(jìn)過程自動(dòng)化,電流密度大,電弧熱量集中,所以焊接速度快。焊后沒有熔渣,不需清渣,比手弧焊的生產(chǎn)率提高1~3倍。

(3)操作性能好。CO2氣體保護(hù)焊電弧是明弧,可清楚看到焊接過程,像手弧焊一樣靈活,適合全位置焊接。

(4)焊接質(zhì)量比較好。CO2氣體保護(hù)焊焊縫含氫量低,采用合金鋼焊絲,易于保證焊縫性能。電弧在氣流壓縮下燃燒,熱量集中,熱影響區(qū)較小,變形和開裂傾向也小。

(5)焊縫成形差,飛濺大、煙霧較大,控制不當(dāng)易產(chǎn)生氣孔。

(6)設(shè)備使用和維修不便。送絲機(jī)構(gòu)容易出故障,需要經(jīng)常維修。

6.2.5電渣焊

電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣產(chǎn)生的電阻熱加熱熔化母材與電極(填充金屬)的焊接方法。圖6－20是絲極電渣焊過程示意圖。圖6－20絲極電渣焊過程示意圖

電渣焊的特點(diǎn)如下:

(1)適合焊接厚件,生產(chǎn)效率高,成本低?？捎描T焊、鍛焊結(jié)構(gòu)拼成大件,以代替巨大的鑄造或鍛造整體結(jié)構(gòu),改變了重型機(jī)器制造工藝過程,節(jié)省了大量的金屬材料和設(shè)備投資。同時(shí),40mm以上厚度的工件可不開坡口,節(jié)省了加工工時(shí)和焊接材料。

(2)焊縫金屬比較純凈,電渣焊機(jī)械保護(hù)好,空氣不易進(jìn)入。熔池存在時(shí)間長(zhǎng),低熔點(diǎn)夾雜物和氣體容易排出。

(3)焊接接頭組織粗大,焊后要進(jìn)行正火處理。

6.2.6電阻焊

電阻焊是利用電流通過接觸處及焊件產(chǎn)生的電阻熱,將焊件加熱到塑性或局部熔化狀態(tài),再施加壓力形成焊接接頭的焊接方法。

電阻焊生產(chǎn)效率高,焊接變形小,勞動(dòng)條件好,操作方便,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,所以適合于大批量生產(chǎn),在自動(dòng)化生產(chǎn)線上(如汽車制造)應(yīng)用較多,甚至采用機(jī)器人。但電阻焊設(shè)備復(fù)雜、投資大、耗電量大,接頭形式和工件厚度受到一定限制。

電阻焊通常分為點(diǎn)焊、縫焊、對(duì)焊三種,如圖6－21所示。圖6－21電阻焊種類

1.點(diǎn)焊

點(diǎn)焊是利用柱狀電極通電加壓在搭接的兩焊件間產(chǎn)生電阻熱,使焊件局部熔化,將接觸面焊成一個(gè)焊點(diǎn)的焊接方法。點(diǎn)焊主要用于厚度在4mm以下的薄板沖壓殼體結(jié)構(gòu)及鋼筋的焊接,尤其是在汽車和飛機(jī)制造中大量應(yīng)用。

2.縫焊

縫焊過程與點(diǎn)焊相似,都屬于搭接電阻焊?？p焊采用滾盤作電極,邊焊邊滾,相鄰兩個(gè)焊點(diǎn)部分重疊,形成一條密封性的焊縫,一般適合于焊接3mm以下的薄板結(jié)構(gòu),如油箱焊接、煙道焊接等。

3.對(duì)焊

對(duì)焊是對(duì)接電阻焊,按焊接工藝不同,分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊。

1)電阻對(duì)焊

電阻對(duì)焊是將兩個(gè)工件裝夾在對(duì)焊機(jī)電極鉗口內(nèi),先加預(yù)壓使兩焊件端面壓緊,再通電加熱,使被焊處達(dá)到塑性溫度狀態(tài)后,再斷電加壓頂鍛,使高溫端面產(chǎn)生一定塑性變形而焊合。電阻對(duì)焊操作簡(jiǎn)單,接頭比較光滑,但對(duì)焊件端面加工和清理要求較高,否則端面加熱不均勻,容易產(chǎn)生氧化物夾雜,質(zhì)量不易保證。因此,電阻對(duì)焊一般僅用于斷面簡(jiǎn)單、直徑(或邊長(zhǎng))小于20mm和強(qiáng)度要求不高的工件。

2)閃光對(duì)焊

閃光對(duì)焊是兩焊件不接觸,先加電壓,再移動(dòng)焊件使之接觸,由于工件表面不平,接觸點(diǎn)少,其電流密度很大,接觸點(diǎn)金屬迅速達(dá)到熔化、蒸發(fā)、爆破,有火花從接觸處飛射出來,形成“閃光”。經(jīng)多次閃光加熱后,端面達(dá)到均勻半熔化狀態(tài),同時(shí)多次閃光將端面氧化物清理干凈,此時(shí)斷電并迅速對(duì)焊件加壓頂鍛,形成焊接接頭。閃光對(duì)焊對(duì)端面加工要求較低,而且經(jīng)閃光對(duì)焊之后端面被清理,因此接頭夾渣少,質(zhì)量較高,常用于焊接重要零件。閃光對(duì)焊可以焊接相同的金屬材料,也可以焊接異種金屬材料;被焊工件可以是直徑小到0.01mm的金屬絲,也可以是截面積達(dá)20000mm2的金屬型材或鋼坯。

6.2.7釬焊

釬焊是利用熔點(diǎn)比母材低的金屬作釬料,加熱將釬料熔化,利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材,填充接頭間隙,并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。

釬焊接頭的質(zhì)量在很大程度上取決于釬料。釬料應(yīng)具有合適的熔點(diǎn)和良好的潤(rùn)濕性。母材接觸面要求很干凈,焊接時(shí)使用釬焊釬劑(熔劑),參照GB/T15829-2008選用釬劑。

1.軟釬焊

釬料熔點(diǎn)在450℃以下的釬焊稱為軟釬焊。軟釬焊常用的釬劑是松香、氯化鋅溶液等。軟釬焊強(qiáng)度低,工作溫度低,主要用于電子線路的焊接。由于軟釬焊的釬料常用錫鉛合金,故通稱錫焊。

2.硬釬焊

釬料熔點(diǎn)在450℃以上,接頭強(qiáng)度較高,都在200MPa以上的釬焊稱為硬釬焊。硬釬焊常用的釬料有銅基、銀基、鎳基等,常用釬劑由硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等組成。硬釬焊主要用于受力較大的鋼鐵和銅合金構(gòu)件以及刀具的焊接。

釬焊焊接變形小,焊件尺寸精確,生產(chǎn)率高,主要用于精密儀表、電氣零部件、異種金屬構(gòu)件、復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)及硬質(zhì)合金刀具的焊接。

6.3焊接變形及防止措施

6.3.1焊接變形的基本形式

焊接時(shí),由于焊接接頭局部不均勻加熱,金屬冷卻后沿焊縫縱向收縮時(shí)受到焊件低溫部分的阻礙,使焊縫及其附近區(qū)域縱向受拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域受壓應(yīng)力。如果在整個(gè)焊接過程中焊件能夠自由收縮,則焊后焊件變形較大,而應(yīng)力較小;反之,如果焊件厚度或剛性較大,不能自由收縮,則焊后焊件變形較小,而焊接應(yīng)力較大。

焊接變形的基本形式有五種,如圖6－22所示。圖6－22常見焊接變形的基本形式

(1)收縮變形。由于焊縫的縱向(沿焊縫方向)和橫向(垂直于焊縫方向)收縮,引起焊縫的縱向收縮變形和橫向收縮變形。

(2)角變形。V形坡口對(duì)接焊,由于焊縫截面形狀上下不對(duì)稱,造成焊縫上下橫向收縮量不均勻而引起角變形。

(3)彎曲變形。T形梁焊接后,由于焊縫布置不對(duì)稱,焊縫多的一面收縮量大,也會(huì)引起彎曲變形。

(4)扭曲變形。工字梁焊接時(shí),由于焊接順序和焊接方向不合理引起扭曲變形,又稱螺旋形變形。

(5)波浪變形。這種變形容易發(fā)生在薄板焊接中,由于焊縫收縮使薄板局部引起較大的壓應(yīng)力而失去穩(wěn)定,焊后使構(gòu)件呈波浪形。

6.3.2預(yù)防焊接變形的工藝措施

1.反變形法

通過試驗(yàn)或計(jì)算,預(yù)先確定焊后可能發(fā)生變形的大小和方向,將工件安裝在相反方向位置上,如圖6－23所示,或預(yù)先使焊接工件向相反方向變形,以抵消焊后所發(fā)生的變形,如圖6－24所示。

2.加裕量法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在工件下料尺寸上加一定裕量,通常為0.1%~0.2%,以彌補(bǔ)焊后的收縮變形。圖6－23平板焊接的反變形圖6－24防止殼體焊接局部塌陷的反變形

3.剛性固定法

當(dāng)焊件剛性較小時(shí),可利用外加剛性固定以減小焊接變形,如圖6－25所示。這種方法能有效地減小焊接變形,但會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。圖6－25T形梁在剛性平臺(tái)上夾緊焊接

4.合理安排焊接次序

對(duì)稱截面梁焊接次序如圖6－26所示。焊接長(zhǎng)焊縫(1m以上)可采用逐步退焊法、跳焊法、分中逐步退焊法、分中對(duì)稱焊法等,如圖6－27所示。圖6－26對(duì)稱截面梁的焊接順序圖6－27長(zhǎng)焊縫的不同焊接順序

5.強(qiáng)制冷卻法

強(qiáng)制冷卻使焊縫處熱量迅速散走,減小金屬受熱面,以減少焊接變形,如圖6－28所示。圖6－28強(qiáng)制冷卻控制焊接變形

6.焊前預(yù)熱,焊后處理

預(yù)熱可以減小焊件各部分溫差,降低焊后冷卻速度,減小殘余應(yīng)力。在允許的條件下,焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火或用錘子均勻迅速地敲擊焊縫,使之得到延伸,均可有效地減小殘余應(yīng)力,從而減小焊接變形。

6.3.3焊接變形的矯正

焊接過程中,即使采取了上述工藝措施,有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生超過允許值的焊接變形,因此需要對(duì)變形進(jìn)行矯正。其方法有以下兩種:

1.機(jī)械矯正法

在機(jī)械力的作用下矯正焊接變形,使焊件恢復(fù)到要求的形狀和尺寸,如圖6－29所示可采用輥床、壓力機(jī)、矯直機(jī)、手工錘擊矯正。這種方法適用于低碳鋼、普通低合金鋼等塑性好的材料。圖6－29機(jī)械矯正法

2.火焰矯正法

利用氧乙炔焰對(duì)焊件適當(dāng)部分加熱,利用加熱時(shí)的壓縮塑性變形和冷卻時(shí)的收縮變形來矯正原來的變形,如圖6－30所示。火焰矯正法適用于低碳鋼和沒有淬硬傾向的普通低合金鋼。圖6－30火焰矯正法

6.4焊接結(jié)構(gòu)的工藝性

6.4.1焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)上常用的金屬材料一般均可焊接,但材料的焊接性不同,焊后接頭質(zhì)量差別就很大。因此,應(yīng)盡可能選擇焊接性良好的焊接材料來制造焊接構(gòu)件,特別是優(yōu)先選用低碳非合金鋼、低合金高強(qiáng)度鋼(如Q345)等材料,其價(jià)格低廉,工藝簡(jiǎn)單,易于保證焊接質(zhì)量。重要焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇,已在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中作出規(guī)定,可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。

6.4.2焊縫布置

焊縫布置的一般工藝設(shè)計(jì)原則如下:

(1)焊縫布置應(yīng)盡可能分散,避免過分集中和交叉,如圖6－31所示。焊縫密集或交叉,會(huì)加大熱影響區(qū),使組織惡化,性能下降。圖6－31焊縫分散布置的設(shè)計(jì)

(2)焊縫應(yīng)避開應(yīng)力集中部位。焊接接頭往往是焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),存在殘余應(yīng)力和焊接缺陷。因此,焊縫應(yīng)避開應(yīng)力較大部位,尤其是應(yīng)力集中部位。

(3)焊縫布置應(yīng)盡可能對(duì)稱。焊縫對(duì)稱布置可使焊接變形相互抵消。圖6－32(a)、(b)偏于截面重心一側(cè),焊后會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形。圖6－32(c)、(d)、(e)焊縫對(duì)稱布置,焊后不會(huì)產(chǎn)生明顯變形。圖6－32焊縫對(duì)稱布置的設(shè)計(jì)

(4)焊縫布置應(yīng)便于焊接操作。焊條電弧焊時(shí),要考慮焊條能到達(dá)待焊部位,如圖6－33所示。點(diǎn)焊和縫焊時(shí),應(yīng)考慮電極能方便進(jìn)入待焊位置,如圖6－34所示。圖6－33焊條電弧焊焊縫設(shè)置圖6－34點(diǎn)焊或縫焊焊縫設(shè)置

(5)盡量減少焊縫長(zhǎng)度和數(shù)量。減少焊縫長(zhǎng)度和數(shù)量,可減少焊接加熱,減少焊接應(yīng)力和變形,同時(shí)減少焊接材料消耗,降低成本,提高生產(chǎn)率。圖6－35是采用型材和沖壓件減少焊縫的設(shè)計(jì)。

(6)焊縫應(yīng)盡量避開機(jī)械加工表面。有些焊接結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行機(jī)械加工,為保證加工表面精度不受影響,焊縫應(yīng)避開這些加工表面。圖6－35減少焊縫數(shù)量

6.4.3焊縫接頭設(shè)計(jì)

1.焊接的接頭形式

根據(jù)GB/T3375-1994規(guī)定,焊接碳鋼和低合金鋼的基本接頭形式有對(duì)接、搭接、角接和T形接四種。接頭形式的選擇是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀、強(qiáng)度要求、工件厚度、焊接材料消耗量及其他焊接工藝而決定的。

根據(jù)GB985-88規(guī)定,手弧焊常采用的基本坡口形式有Ⅰ形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口等四種,如圖6－36~圖6－38所示。圖6－36對(duì)接接頭坡口形式圖6－37T形接頭坡口形式圖6－38角接接頭坡口形式

一般來說,要求焊透的受力焊縫,在焊接工藝可行的情況下,能雙面焊的都采用雙面焊。這樣容易保證焊接質(zhì)量,容易全部焊透,焊接變形也小。坡口的加工方法主要有氣割、切削加工(刨削、銑削等)、碳弧氣刨等。

2.焊縫的空間位置

按焊縫在空間位置的不同,可將其分為平焊、立焊、橫焊和仰焊四種,如圖6－39所示。平焊操作方便,易于保證焊縫質(zhì)量,應(yīng)盡可能采用。立焊、橫焊和仰焊由于熔池中液體金屬有滴落的趨勢(shì)而造成施焊的困難,應(yīng)盡量避免,若確實(shí)需要采用這些焊接位置,則應(yīng)選用小直徑的焊條、較小的電流、短弧操作等工藝措施。圖6－39焊縫的空間位置

3.焊接參數(shù)

為了保證焊接質(zhì)量和提高生產(chǎn)率,必須正確選擇焊接參數(shù)。焊條電弧焊的焊接參數(shù)包括選擇焊條直徑、焊接電流及焊接速度等。焊條直徑主要根據(jù)焊件厚度來選擇。

焊接厚板時(shí)應(yīng)選較粗的焊條。平焊低碳鋼時(shí),焊條直徑可按表6－1選取。

4.操作技術(shù)

(1)引弧。引弧就是使焊條和工件之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧。首先將焊條末端與工件表面接觸形成短路,然后迅速將焊條向上提起2~4mm的距離,電弧即引燃。引弧方法有敲擊法和劃擦法兩種,如圖6－40所示。圖6－40引弧方法

(2)運(yùn)條。引弧后,首先必須掌握好焊條與工件之間的角度,焊接時(shí)焊條應(yīng)有三個(gè)基本運(yùn)動(dòng),如圖6－41所示,分別為:焊條向下均勻地送進(jìn),以保證弧長(zhǎng)不變;焊條沿焊接方向逐漸向前移動(dòng);焊條做橫向擺動(dòng),以獲得適當(dāng)?shù)暮缚p寬度。

(3)焊縫的收尾。焊縫收尾時(shí),為了不出現(xiàn)尾坑,焊條應(yīng)停止向前移動(dòng),而采用劃弧收尾法或反復(fù)斷弧收尾法或回焊收尾法自下而上慢慢地拉斷電弧,以保證焊縫尾部成形良好。圖6－41焊條的運(yùn)動(dòng)

6.5焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

6.5.1焊接檢驗(yàn)過程焊接檢驗(yàn)過程貫穿于焊接生產(chǎn)的始終,包括焊前、焊接生產(chǎn)過程中和焊后成品檢驗(yàn)。焊前檢驗(yàn)主要內(nèi)容有原材料檢驗(yàn)、技術(shù)文件、焊工資格考核等。焊接過程中的檢驗(yàn)主要是檢查各生產(chǎn)工序的焊接參數(shù)執(zhí)行情況,以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)補(bǔ)救,通常以自檢為主。

焊后成品檢驗(yàn)是檢驗(yàn)的關(guān)鍵,是焊接質(zhì)量最后的評(píng)定,通常包括三個(gè)方面:

一是無損檢驗(yàn),如X光檢驗(yàn)、超聲波檢驗(yàn)等;

二是成品強(qiáng)度試驗(yàn),如水壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)等;

三是致密性檢驗(yàn),如煤油試驗(yàn)、吹氣試驗(yàn)等。

6.5.2焊接檢驗(yàn)方法

焊接檢驗(yàn)的主要目的是檢查焊接缺陷。焊接缺陷包括外部缺陷(如外形尺寸不合格、弧坑、焊瘤、咬邊、飛濺等)和內(nèi)部缺陷(如氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等)。針對(duì)不同類型的缺陷通常采用破壞性檢驗(yàn)和非破壞性檢驗(yàn)(無損檢驗(yàn))。破壞性檢驗(yàn)主要有力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定;非破壞性檢驗(yàn)是檢驗(yàn)的重點(diǎn),主要方法如下：

1.外觀檢驗(yàn)用肉眼或放大鏡(小于20倍)檢查外部缺陷。外觀檢驗(yàn)合格后,方可進(jìn)行下一步檢驗(yàn)。

2.無損檢驗(yàn)

(1)射線檢驗(yàn):借助射線(X射線、γ射線或高能射線等)的穿透作用檢查焊縫內(nèi)部缺陷,通常用照相法,質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)依照GB/T3323-2005執(zhí)行。

(2)超聲波檢驗(yàn):利用頻率在20000Hz以上超聲波的反射,探測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷的位置、種類和大小,質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)依照GB/T11345-2013執(zhí)行。

(3)磁粉檢驗(yàn):利用漏磁場(chǎng)吸附磁粉檢查焊縫表面或近表面缺陷,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)依照J(rèn)B/T6061-2007或JB/T4730-2005執(zhí)行。

(4)著色檢驗(yàn):借助滲透性強(qiáng)的滲透劑和毛細(xì)管的作用檢查焊縫表面缺陷,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)依照J(rèn)B/T4730-2005執(zhí)行。

3.焊后成品強(qiáng)度檢驗(yàn)

焊后成品強(qiáng)度檢驗(yàn)主要是水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn),用于檢查鍋爐、壓力容器、壓力管道等焊縫接頭的強(qiáng)度,具體檢驗(yàn)方法依照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4.致密性檢驗(yàn)

(1)煤油檢驗(yàn):在被檢焊縫的一側(cè)刷上石灰水溶液,另一側(cè)涂煤油,借助煤油的穿透能力,若有裂縫等穿透性缺陷,則石灰粉上呈現(xiàn)出煤油的黑色斑痕,據(jù)此發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

(2)吹氣檢驗(yàn):在焊縫一側(cè)吹壓縮空氣,另一側(cè)刷肥皂水,若有穿透性缺陷,則該部位便出現(xiàn)氣泡,即可發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

上述各種檢驗(yàn)方法均可依照有關(guān)產(chǎn)品技術(shù)條件、有關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品合同的要求進(jìn)行。有關(guān)無損檢驗(yàn)的幾種常用方法的比較見表6－2。

本章小結(jié)

(1)焊接是通過加熱或加壓,或兩者并用,借助于金屬原子擴(kuò)散和結(jié)合,使分離的材料牢固地連接在一起的加工方法。焊接方法的種類很多,按焊接過程特點(diǎn)可分為三大類,即熔焊、壓焊、釬焊。

(2)為了保證焊接質(zhì)量,在焊接過程中,通常采取下列措施:

①形成保護(hù)氣氛,防止有害元素侵入熔池。

②添加合金元素,補(bǔ)充燒損的元素,清除已進(jìn)入熔池的有害元素。

(3)焊條電弧焊簡(jiǎn)稱手弧焊。它是利用焊條與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱,將焊件和焊條熔化,冷卻凝固后獲得牢固的焊接接頭的一種手工焊接方法。

(4)氣焊是利用氣體火焰來熔化母材和填充金屬的一種焊接方法。最常用的是氧乙炔焰,乙炔(C2H2)為可燃?xì)怏w,氧氣為助燃?xì)怏w。

(5)氣割是利用高溫的金屬在純氧中燃燒而將工件分離的加工方法。氣割時(shí),先用氧乙炔焰將金屬加熱到燃點(diǎn),然后打開切割氧閥門,使高溫金屬燃燒,金屬燃燒所生成的氧化物熔渣被高壓氧吹走,形成切口。

(6)把手弧焊的引弧、焊條送進(jìn)、電弧移動(dòng)幾個(gè)動(dòng)作由機(jī)械自動(dòng)來完