焊接成形技术-电弧焊工艺基础知识.ppt

材料成型技术基础 焊接成形技术(二) 童幸生 2004年8月 电弧焊工艺基础知识 电弧焊焊接材料 电弧焊接的冶金过程 焊接接头的组织与性能 金属的焊接性 焊接的应力与变形 焊接变形的防止与矫正 电弧焊焊接材料 不同的焊接方法，其焊接材料是不同的。手 工电弧焊的焊接材料是电焊条。 埋弧自动焊的焊接材料是焊丝和焊剂。 1、手工焊焊接材料： 1）电焊条的组成与作用 2）焊条的选择 电焊规范选择 （1）焊芯：是焊条中被药皮包覆的金属芯。 手工焊时，焊芯既是电极，又是 填充金属。焊芯材料是经过特殊冶炼，有专 门牌号的材料, 如结构钢焊芯的牌号 为H08A。 （2）药皮：是压涂在焊芯表面上的涂料层。 是由多种矿石、铁合金、纤维素以及粘结剂 组成，药皮的种类、名称及作用 详见下表 2）焊条的种类：按国家标准、将焊条按用途 划分为十大类。详见下表 3) 焊条的选用：根据焊接规范进行选择 4）焊条的酸、碱性：焊条按其药皮的性质分为酸性焊 条、碱性焊条大类。药皮中含有多量酸性氧化物的 焊条为酸性焊条.药皮中含有多量碱性氧化物的焊条 为碱性焊条， （1）酸性焊条适合于焊接一般的结构钢，工艺性 能好、机械性能差。 （2）碱性焊条焊成的焊缝金属中有害元素（如S 、P）含量低，抗裂性 好、强度高。适合于焊重要 的结构钢与合金钢。但工艺性能差、抗气孔的能力 差。因此，采用碱性焊条时，必须将焊件在焊缝处 的油污、铁锈清除干净，并烘干焊条去除水分。 2、埋弧焊焊接材料： （1）焊丝：除作为电极和填充金属外，还有渗合金 、脱氧、去硫等冶金作用。 （2）焊剂：呈现玻璃状颗粒，主要起保护作用；还 有渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。如表所示。 电弧焊接的冶金过程 焊接冶金过程 一、焊缝金属氧化：在焊接冶金反应中，金属与氧 的作用对焊接影响最大。焊接时，由于电弧高温 作用，氧气分解为氧原子，氧原子要和多种金属 发生氧化反应，如： Fe OFeO Mn OMnO Si 2OSiO2 2Al 3OAl2O3 在焊接过程中，我们将一定量的脱氧剂，如 Ti 、Si、Mn等加在焊丝或药皮中， 进行脱氧使其 生成的氧化物不溶于金属液而成渣浮出，提高焊 缝质量。 二、氢的影响：在焊接冶金反应过程中，氢易在焊缝中造成 气孔。另外、固态焊缝中多余的氢也会在焊缝中的微缺 陷处集中形成氢分子，这种氢的聚集往往在微小空 间内 形成局部的极大压力，使焊缝变脆（氢脆）。 三、氮的影响：氮在液态金属中也会形成脆性氮化物，其中 一部分以片状夹杂物的形式残留于焊缝中，另一部分则 使钢的固溶体中含氮量大大增加，使焊缝严重脆化。 四、焊缝的冶金特点：焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼 的过程，它与炼钢和铸造冶金过程比较，有以下特点： 1、金属熔池体积很小，熔池处于液态的时间很短（10s左 右），各种冶金反应进行得不充分（例如冶金反应产生 的气体来不及析出）。 2、熔池温度高，使金属元素产生强烈的烧损和蒸发。同时 ，解池周围又被冷的金属包围，使焊缝处产生应力和变 形，严重时甚至会开裂。 五、保证焊缝质量采取的工艺措施： 1、减少有害元素进入熔池。其主要措施是机械保护，如气 体保护焊中的保护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及焊 条药皮产生的气体和熔渣等，使电弧空间的熔滴和熔池 与空气隔绝，防止空气进入。此外，还应清理坡口及两 侧的锈、水、油污；烘干焊条，去除水分等。 2、清除已进人熔池中的有害元素，增添合金元素。主要通 过焊接材料中的铁合金等，进行脱氧、脱硫、脱磷、去 氢和渗合金，从而保护和调整焊缝的化学成分。 焊接接头的组织与性能 焊接接头的组织与性能 1、焊接接头的组成：焊接接头分为焊缝区与热影响区。 2、焊缝区：是由熔池内的液态金属凝固而成的。它属于 铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶。硫、磷 等低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性 降低，易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条， 通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的强度一般不 低于母材。 3、热影响区：材料因受热的影响而发生金相组织和力学性 能变化的区域，称为热影响区。它包括：熔合区、过热 区、正火区、部分相变区。不同的区域有不同的组织， 不同的性能。如图所示 热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法 、焊接规范和接头 形式等因素。在 热源热量集中、焊 接速度快时，热影响区就小。所以电子束焊的热影响区 最小总宽度一般小于1mm。气焊的热影响区总宽度一般 达到27mm。 金属的焊接性 一、金属的焊接性的基本概念：指在一定的焊接工艺条 件下，获得优质焊接接头的难易程度。可焊性受焊接 材料、焊接方法、构件类型及使用要求等四个方 面因 素的影响，它包含工艺焊接性和使用焊接性两方面内 容。前者说明该金属材料能不能 焊接问题，后者说明 焊接后能不能使用问题。 l）工艺焊接性：工艺焊接性是指在某一焊接工艺条 件下，能得到优质焊接接头的能力。 它不是金属材料所固有的性能，可随着新的焊接方 法、焊接材料和工艺措施的不断出现及其完善而变化 。某些原来不能焊接或不易焊接的金属材料也会变成 能够焊接或易于焊接。如铝及铝合金， 若采用焊条电 弧焊或气焊时，难以获得优质焊接接头，此时该类金 属的焊接性差，但改用氩弧焊焊接，则焊接接头质量 良好，此时的焊接性好。 工艺焊接性可由碳当量法来判定：碳当量是把钢中合 金元素（包括碳）含量按其对淬硬、冷裂及脆化等的影 响换算成碳的相当含量。它可作为评定钢材焊接性的一 种参考指标，用符号Ceq表示。国际焊接学会推荐的碳 钢和低碳钢适用的碳当量计算公式为 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Mi+Cu)/15 (%) 式中化学元素的含量均为百分数。Ceq大，则钢的工 艺焊接性越差。 根据实践经验，当Ceq04时，钢的工艺焊接性良好 ； Ceq在O406时，钢的工艺焊接性中等。 Ceqo6时，钢的工艺焊接性较差。 2）使用焊接性：是指整个焊接接头或整体结构满足技术 条件规定的使用性能的程度。其中包括力学性能、缺口 敏感性及耐腐蚀性能等。 焊接的应力与变形 1、产生的原因：焊接对焊缝区不均匀的加热和冷却是 产生焊接应力和变形的根本原因。 现以平板对接为例分析焊前与焊后的应力状况。 焊接时，焊缝区被加热到很高的温度，离焊缝越远，温度 越低。根据金属热胀冷缩的规律，如果各部分的金属能 自由膨胀而不受周围金属的阻碍，则焊缝区将产生最大 的纵向伸长量，但平板是一个整，不可能自由膨胀，平 板端面只能均衡地伸长L。于是焊缝区的高温金属就 会被压缩而产生一定量的压缩塑性变形，同时存在一部 分压缩弹性变形，即存在部分压应力。远离焊缝区的两 侧金属则受到拉应力，而使构件应力处于平衡。 冷却时，由于焊缝附近金属在焊接过程中已发生了不可恢 复的压缩塑性变形，它同样受到两侧金属的约束。为保 持整体的一致性，而均衡地收缩了L，且焊缝区要产 生一定量的弹性拉伸，两侧金属产生一定量的弹性压缩 。于是在焊缝区及其附近的金属中就存在拉应力，在两 侧金属中则存在压应力。构件中的应力处于平衡状态。 由此可知，平板对接焊后比焊前缩短了L，同时焊缝 区产生了拉应力，远离焊缝的两侧金属受压应力。即室 温下保留下来的焊接应力与变形。 2、变形的种类： ）收缩变形： ）角变形： ）弯曲变形： ）扭曲变形： ）波浪形变形： 焊接变形的防止与矫正 1、防止焊接变形的措施： （1）设计结构时，焊缝布置和坡口形式尽可能对称，焊缝截面 和长度尽可能小，这样加热少，变形小。 （2）焊前组装时采用反变形法。经验估算的焊接变形方向和大 小，在组装时使工件反变形，以抵消焊接变形。 （3）采用刚性固定法，限制产生焊接变形。但刚性固定会 产生较大的应力。 （4）采用合理的焊接顺序。 2、矫正焊接变形的方法：矫正变形的基本原理是产生新变形抵消原 来的焊接变形。 1）机械矫正法：机械矫正法是用机械加压或锤击的冷变形方法， 产生塑性变形来矫正焊接 变形。 2）火焰矫正法：火焰加热矫正法相反，它是利用火焰局部加热后 的冷却收缩，来抵消该部