機(jī)械制造基礎(chǔ)第八章焊接

機(jī)械制造基礎(chǔ)

第八章焊接

主講：仝勖峰西安電子科技大學(xué)本章內(nèi)容焊接的基本原理和常用的焊接方法；金屬材料的焊接性和常用金屬材料的焊接；焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)工藝性。一、焊接的實(shí)質(zhì)焊接是通過加熱或加壓，或者兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。

焊件可以是金屬材料，也可以是非金屬材料，如塑料、玻璃等。

焊接的本質(zhì)是使焊件達(dá)到原子間的結(jié)合。一、焊接的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)：1.與鉚接相比,工藝簡(jiǎn)單省金屬,密封性好；2.性能可靠質(zhì)量保,焊接接頭力學(xué)性能高、較高的強(qiáng)度，承載能力能可以達(dá)到與工件材質(zhì)相等的水平。3.易于控制效率高,易于機(jī)械化、自動(dòng)化。4.由小拼大異材焊,并能將不同材質(zhì)連接成整體，制造雙金屬結(jié)構(gòu)等。一、焊接的實(shí)質(zhì)焊接技術(shù)至99年底已有95種焊接方法，按焊接過程特點(diǎn)，分三大類：熔焊、壓焊和釬焊。二、常用焊接方法目前在生產(chǎn)上常用的焊接方法有：焊條電弧焊、氣焊、埋弧自動(dòng)焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊、電阻焊、釬焊、摩擦焊等。我們主要給大家介紹電弧焊的特性、典型的電弧焊方法、以及釬焊、摩擦焊的常用方法。（一）電弧焊電弧焊屬于熔化焊，電弧是熔化的能源。1、焊接電弧

電弧的實(shí)質(zhì)是電極與工件之間的氣體介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈持久的放電現(xiàn)象，氣體放電的一種特殊形式。電弧放電過程是將電能轉(zhuǎn)換成熱能，伴有強(qiáng)烈的弧光。產(chǎn)生電弧的電極可以是金屬絲、鎢極、碳棒。電弧的構(gòu)造根據(jù)其物理特征,沿長(zhǎng)度方向分為：陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)三部分1、焊接電弧

由于陰極區(qū)發(fā)射電子要消耗一定的能量，而陽(yáng)極區(qū)不發(fā)射電子，不消耗發(fā)射電子所需的能量。

陰極溫度約為2400K，陽(yáng)極約為2600K，弧柱中心5000～8000K。2、正接法與反接法采用直流電焊接時(shí)，當(dāng)焊機(jī)的正極與焊件相接，負(fù)極與焊條相接時(shí)，稱為正接法或正極性；反之，當(dāng)焊機(jī)的負(fù)極與焊件相接，正極與焊條相接時(shí)，稱為反接法或反極性。2、正接法與反接法陰極區(qū)的溫度小，焊接厚鋼板時(shí)，應(yīng)采用正接法，熔深大；焊接薄板時(shí)應(yīng)采用反接法。使用低氫型焊條(E5015)時(shí),都應(yīng)反接法,以保證電弧燃燒穩(wěn)定,減少飛濺現(xiàn)象和降低氣孔傾向。3、焊接過程1）焊接冶金過程特點(diǎn)：（1）熔池小，反應(yīng)不充分；（2）溫度高，元素?zé)龘p多。2）為保證焊縫質(zhì)量，焊接中應(yīng)：（1）渣(氣)保護(hù)；減少危害（2）摻加合元，調(diào)節(jié)性能。4、焊接接頭的組織和性能1）焊接工件上溫度的變化與分布

焊接過程中工件焊縫周圍相當(dāng)于進(jìn)行了一次不同規(guī)范的熱處理。

4、焊接接頭的組織和性能2）焊接接頭的組織與性能

（1）焊縫（熔敷金屬）柱狀鑄態(tài)組織(鐵素體＋少量珠光體)快速冷卻＋藥皮摻加合元＝焊縫金屬性能不低于被焊母材4、焊接接頭的組織和性能（2）焊接熱影響區(qū)熔合區(qū)—決定接頭的性能過熱區(qū)—A長(zhǎng)大塑、韌性低，脆性大正火區(qū)—得均勻細(xì)小F+P組織性能優(yōu);部分相變區(qū)—晶粒不勻，較正火區(qū)稍差;再結(jié)晶區(qū)—F與P得以細(xì)化。

4、焊接接頭的組織和性能

4、焊接接頭的組織和性能3）改善焊接熱影響區(qū)組織與性能的方法細(xì)定工藝措施，再附以焊后正火處理；重要工件可另選方法。5、焊接應(yīng)力與變形1）焊接應(yīng)力（1）焊接應(yīng)力的產(chǎn)生

焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱過程。焊件各部位在熱脹冷縮和塑性變形的影響下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形或裂紋。（2）焊接時(shí)內(nèi)應(yīng)力存在規(guī)律：加熱膨脹受阻（受壓：“—”）冷卻收縮又阻（受拉：“＋”）5、焊接應(yīng)力與變形（3）防止產(chǎn)生應(yīng)力的措施選塑性材，合理布置焊縫；正確焊序，焊前預(yù)熱，降溫差；焊后退火等工藝措施。

5、焊接應(yīng)力與變形變形主要為收縮、角彎曲、扭曲與波浪

5、焊接應(yīng)力與變形2）反變形的措施以毒攻毒反變形；剛性?shī)A持對(duì)塑性；焊接順序規(guī)定好；機(jī)械矯正消變形;火焰矯正倒三角5、焊接應(yīng)力與變形5、焊接應(yīng)力與變形6、焊條電弧焊用手工操作焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。電焊條＝焊芯＋藥皮6、焊條電弧焊1）焊芯焊芯主要作用一是傳導(dǎo)電流，二是焊芯本身熔化作為填充材料。焊芯在焊縫中約占50%～70%。熔化焊用鋼絲牌號(hào)和化學(xué)成分應(yīng)按GB/T14957-1994標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中常用鋼號(hào)有H08A、H08E、H08C、H08MnA、H15A、H15Mn等。焊芯直徑稱為焊條直徑,從φ1.6~φ8(mm),生產(chǎn)中多用φ3.2mm、φ4mm和φ5mm。6、焊條電弧焊2）焊條藥皮藥皮的主要作用：一是，利用渣、氣對(duì)焊焊熔池起機(jī)械保護(hù)作用；二是，進(jìn)行物、化反應(yīng)除雜質(zhì)，補(bǔ)有益元素，保證焊縫的成分和力學(xué)性能；三是，改善工藝性能，能穩(wěn)定燃燒、飛濺少、焊縫成形好、易脫渣等。6、焊條電弧焊根據(jù)藥皮組成物在焊接中的作用可分為穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、增塑劑、黏結(jié)劑和成形劑等。并將藥皮分為若干類型。如鈦鈣型，低氫鈉型、低氫鉀型等。6、焊條電弧焊3）焊條分類和型號(hào)編制（1）按焊條的用途分為：

6、焊條電弧焊3）焊條分類和型號(hào)編制（2）根據(jù)GB/T5117－95《碳鋼焊條》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,碳鋼焊條型號(hào)根據(jù)熔敷金屬的力學(xué)性能、藥皮類型、焊接位置和焊接電流種類進(jìn)行劃分。6、焊條電弧焊碳鋼焊條型號(hào)編排以字母E后加四位數(shù)字表示其中：“E”表示焊條；前兩位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值，單位為Kgf/mm2（×9.81MPa）；第三位數(shù)字表示焊條的焊接位置，“O”及“1”表示焊條適用于全位置焊接，“2”表示適用于平焊及平角焊，“4”表示焊條適用于向下立焊；6、焊條電弧焊三、四位數(shù)組合表示電流種類和藥皮類型。碳鋼焊條型號(hào)舉例：E5015藥皮為低氫鈉型，宜直流反接焊條適用于全位置焊接熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值(Kgf/mm2)

6、焊條電弧焊4）焊條的選擇原則（1）強(qiáng)度相等的原則如焊件材料Q235A鋼的抗拉強(qiáng)度為420MPa，則焊條應(yīng)選用E43系列的焊條。（2）重要件選堿性條如焊縫要求塑性好,沖擊韌度、抗裂性高、低溫性能好時(shí),應(yīng)選用堿性焊條.酸性焊條便宜。6、焊條電弧焊（3）強(qiáng)度不等就低選低碳鋼與低合金鋼焊接、或不同強(qiáng)度等級(jí)的低合金鋼焊接,應(yīng)選與較低強(qiáng)度等級(jí)鋼材的焊條。（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選當(dāng)應(yīng)按焊接生產(chǎn)率及設(shè)備等條件。一般選用酸性焊條使焊接成本降低。（5）根據(jù)焊接材料選如不銹鋼、耐熱鋼要選用相應(yīng)的專用焊條。（二）埋弧自動(dòng)焊埋弧自動(dòng)焊是將焊條電弧焊的引弧、焊條送進(jìn)、電弧移動(dòng)幾個(gè)動(dòng)作改由機(jī)械自動(dòng)完成，電弧在焊劑層下燃燒，故稱為埋弧自動(dòng)焊。1、埋弧自動(dòng)焊焊接過程焊接時(shí)，電源的兩級(jí)分別接在導(dǎo)電嘴和焊件上，在焊絲周圍撒上焊劑，然后接通電源。當(dāng)焊絲和焊件間引燃電弧后，電弧的熱量使周圍的焊劑熔化形成熔渣，部分焊劑分解、蒸發(fā)成氣體，氣體排開熔渣形成一個(gè)氣泡，電弧就在這個(gè)氣泡中燃燒。焊絲與被焊材料融化后形成熔池，熔池上覆蓋一層熔渣，熔渣外部是未熔化的焊劑，形成的氣體保護(hù)著熔池，使其與空氣隔離。未熔化的焊劑不僅可以隔離空氣，還可以屏蔽電弧光的作用，也提高了電弧熱效率。2、埋弧自動(dòng)焊特點(diǎn)1）生產(chǎn)率高比焊條電弧焊高6～8倍，不需要更換焊條，沒有飛濺。同時(shí)，沒有輻射，熱效率高。2）焊縫質(zhì)量好由于焊劑和熔渣的保護(hù)作用，使金屬凝固速度縮短，冶金反應(yīng)充足，減少了氣孔、裂紋等缺陷的可能性。3）焊接成本低不需要加工坡口，且節(jié)省焊接材料2、埋弧自動(dòng)焊特點(diǎn)4）勞動(dòng)條件好實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，改善了勞動(dòng)條件，沒有弧光，沒有飛濺。同時(shí)，沒有輻射，有害氣體排放少。5）應(yīng)用受限多埋弧自動(dòng)焊適應(yīng)性差，只能焊接平焊位置，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。設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大，準(zhǔn)備工作多。（三）氣體保護(hù)焊1）氬弧焊氬弧焊是使用氬氣做為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊。氬弧焊分為鎢極（非熔化極）氬弧焊和熔化極氬弧焊。鎢極氬弧焊焊接時(shí)，電極不熔化，只起導(dǎo)電和產(chǎn)生電弧的作用，可以選擇與母體金屬接近的金屬條做為補(bǔ)充金屬。熔化極氬弧焊以連續(xù)送進(jìn)的焊絲做為電極，與埋弧自動(dòng)焊類似。（三）氣體保護(hù)焊特點(diǎn)：可焊金屬多，有色金屬、不銹鋼和各種合金。焊縫質(zhì)量好，電弧穩(wěn)定，焊池溫度容易控制。熱影響區(qū)域小，熱量集中，熔池小。生產(chǎn)成本高。（三）氣體保護(hù)焊2）二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊以二氧化碳做為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊，以焊絲做為電極，以自動(dòng)或半自動(dòng)方式進(jìn)行熔化焊。特點(diǎn)：成本低；生產(chǎn)效率高；操作簡(jiǎn)單；焊縫質(zhì)量好。（四）電渣焊電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱加熱熔化母材與電極的焊接方法。焊接時(shí)，引燃電弧熔化焊劑和工件，形成熔渣和熔池，待熔渣有一定深度后，增加送絲速度，使焊絲插入渣池，電弧便熄滅，轉(zhuǎn)入電渣過程。這時(shí)，電流通過電渣產(chǎn)生電阻熱，將工件和電極熔化，形成金屬熔池沉入渣池下面。冷卻凝固為焊縫。特點(diǎn)：適合焊接厚件，生產(chǎn)成本低；焊縫金屬純凈，電渣保護(hù)好，焊縫內(nèi)部質(zhì)量好。（五）電阻焊電阻焊是焊件組合后，利用通過電極的電流在通過接頭的接觸面時(shí)產(chǎn)生的電阻熱，將焊接接頭附近及臨近區(qū)域加熱到塑性變形或局部熔化狀態(tài)，再施加壓力，形成焊接接頭的焊接方法。一般有點(diǎn)焊、縫焊和對(duì)焊三種。（五）電阻焊特點(diǎn)：生產(chǎn)率高，焊接變形小；勞動(dòng)條件好，操作方便；適合大批量生產(chǎn)，在自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用較多。設(shè)備復(fù)雜，投資大，耗電大。接頭形式和工件厚度受限制。（六）釬焊釬焊是采用熔點(diǎn)比母材低的金屬材料做為釬料，將焊件與釬料加工到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔點(diǎn)的溫度，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)焊接。釬焊焊接變形小，焊件尺寸精確，可以焊接異種材料和一些其它方法難以焊接的特種結(jié)構(gòu)（如蜂窩狀結(jié)構(gòu)）。生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。主要用于精密儀表、電氣零部件、異種金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)及硬質(zhì)合金的焊接。三、常見金屬的焊接（一）金屬材料的焊接性（GB/T3375-94）：材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件并滿足預(yù)定服役要求的能力。焊接性是一個(gè)相對(duì)概念，非一成不變也！焊接性受：材料、焊接方法、構(gòu)件類型、使用要求等因素影響。焊接性的好壞從兩個(gè)方面來(lái)衡量：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。（二）碳鋼的焊接1、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(wú)須熱處理。當(dāng)厚度大于50mm的結(jié)構(gòu)在低溫焊接時(shí)：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。（二）碳鋼的焊接2、中、高碳鋼的焊接中、高碳鋼Wc>0.25％以上，屬淬硬鋼，含碳量增加，淬硬、裂紋傾向增加，焊接性明顯變差。為此措施有：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。（三）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、車輛、船舶等用鋼）低合金高強(qiáng)度鋼焊接特點(diǎn)：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(jí)，常用焊條電弧焊和埋弧焊焊接。（四）不銹鋼的焊接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。關(guān)鍵焊條（絲）要對(duì)應(yīng)于被焊母材化學(xué)成分類型相同。（五）鑄鐵的焊接鑄鐵含碳高，塑性差，屬于焊接性很差的材料。生產(chǎn)中對(duì)于鑄鐵主要是對(duì)缺陷進(jìn)行焊接修補(bǔ)。鑄鐵在焊補(bǔ)中的表現(xiàn)：易出現(xiàn)白口組織、焊接裂紋、氣孔等缺陷。根據(jù)鑄鐵的焊接表現(xiàn)，鑄鐵的焊補(bǔ)常采用方法有：氣焊、焊條電弧焊（個(gè)別大件可用電渣焊）。

（五）鑄鐵的焊接鑄鐵焊補(bǔ)按焊前是否預(yù)熱可分為：熱焊法和冷焊法。1）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(dòng)條件差。對(duì)鑄鐵進(jìn)行熱焊補(bǔ)使用氣焊比較方便。專用鑄鐵棒焊條，配以CJ201氣焊焊劑。2）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(dòng)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。（六）有色金屬的焊接1、銅及銅合金的焊接比低碳鋼的焊接困難的多，由于銅導(dǎo)熱性很高（純銅為低碳鋼的8倍），散熱快，難焊透；導(dǎo)致難熔合，易變形。液態(tài)銅易氧化生成Cu2O與銅的低熔點(diǎn)共晶體，是造成開裂的原因；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。（六）有色金屬的