焊工工艺与技能训练电子课件第一单元焊接基础知识

第一单元 焊接基础知识,课题 1 焊接电弧 课题 2 焊接接头的组织和性能 课题 3 焊缝符号 课题 4 焊接检验,课题1 焊接电弧,焊条电弧焊是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。,一、 焊接电弧的概念 焊接时，将焊条与焊件接触后很快拉开，在焊条端部和焊件之间立即会产生明亮的电弧。电弧是一种气体放电现象。,电弧示意图 a) 电弧的产生 b) 原理,由焊接电源供给的具有一定电压的两电极间或电极与焊件间的气体介质中所产生的强烈而持久的放电现象，称为焊接电弧。,1 . 气体电离 使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程称为气体电离。 使气体电离所需要的能量称为电离电位 ( 或电离功) 。 不同的气体或元素由于原子结构不同，其电离电位也不同。,在焊接时，使气体介质电离的方式主要有热电离、电场作用下的电离、 光电离。 (1) 热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。 温度越高，热电离作用越大。 (2) 电场作用下的电离 带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动，产生较大的动能，并不断与中性粒子相碰撞，不断地产生电离，两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。 (3) 光电离 中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。,2. 阴极电子发射 阴极的金属表面连续地向外发射出电子的现象，称为阴极电子发射。 要使电子发射，必须施加一定的能量，使电子克服金属内部正电荷对它的静电引力。所加的能量越大，阴极产生电子发射作用就越强烈。电子从阴极表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功，单位是电子伏特 (eV)。电子逸出功的大小与阴极的成分有关。 表列出了常见元素的电子逸出功。,焊接时，根据阴极吸收能量的方式不同，所产生的电子发射有以下几类： (1) 热发射 焊接时，阴极表面的温度很高，使阴极内部的电子热运动速度增加，当电子的动能大于其逸出功时，电子即冲出阴极表面而产生热电子发射。 (2) 电场发射 当阴极表面外部空间存在强电场时，电子可获得足够的动能克服正电荷对它的静电引力，从阴极表面发射出来 两极间电压越高，则电场发射作用越大。 (3) 撞击发射 高速运动的正离子撞击阴极表面时，将能量传递给阴极而产生电子发射的现象，称为撞击发射。电场强度越大，在电场中正离子运动速度越快，产生撞击发射的作用也越强烈。,二、焊接电弧的构造、电压及静特性 1 . 焊接电弧的构造 焊接电弧的构造可分为3个区域： (1) 阴极区 (2) 阳极区 (3) 弧柱,焊接电弧的构造,2. 焊接电弧的电压 通常测出的焊接电弧电压就是阴极区、阳极区和弧柱区电压降之和。当弧长一定时，电弧电压的分布如图所示。 电弧电压可用公式表示：,焊接电弧各区域 的电压分布,3. 焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性。 表示它们关系的曲线叫作电弧的静特性曲线。,(1) 当电流较小(曲线ab段时的电流)时，电压随着电流的增加而降低，这是电弧的下降特性区。 (2) 在正常焊接状态时，电压不随电流变化，基本保持不变，这是电弧的平特性区。 (3) 当电流更大(曲线cd段的电流) 时，电压随电流的增加而升高，这是电弧的上升特性区。,焊接电弧的静特性,在一般情况下，电弧电压总是和电弧长度成正比地变化。当电弧长度增加时，电弧电压升高，其静特性曲线的位置也随之上升。,不同电弧长度的电弧静特性曲线,学以致用,三、 电弧焊的熔滴过渡,电弧焊时，焊条(或焊丝)端部在电弧高温作用下熔化成的液态金属滴，通过电弧空间不断地向熔池中过渡的过程称为熔滴过渡。,1. 熔滴过渡的作用力,a. 通过同方向电流的2根 平行导线的相互作用力 电流 电磁力,b. 磁力线在熔滴上的压缩 作用 电磁压缩力,(4) 斑点压力 (5) 气体的吹力,(1) 熔滴的重力 (2) 表面张力 (3) 电磁力,a.,b.,2. 熔滴过渡的形式,(1) 滴状过渡,滴状过渡分为粗滴过渡和细滴过渡。粗滴过渡是熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡的形式。,(2) 短路过渡,由于强烈过热和磁收缩的作用使焊条或焊丝端部的熔滴爆断，直接向熔池过渡的形式，称为短路过渡。,(3) 喷射过渡,熔滴呈细小颗粒，并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式，称为喷射过渡。,熔滴过渡的形式 a) 粗滴过渡 b) 短路过渡 c) 喷射过渡,课题2 焊接接头的组织和性能,一、焊接结构及其分类 焊接结构是指用各种焊接方法连接而成的金属结构，焊接结构的种类有梁、柱、桁架、容器和薄板结构等。,焊接结构的种类,二、 焊接接头形式和焊缝形式,1. 焊接接头形式,焊接结构均是由若干个焊接接头组成，所谓焊接接头即是用焊接方法连接的接头。 由于焊件的结构形状、厚度及技术要求不同，往往需要把焊件装配成不同形式的焊接接头，以及将焊件边缘加工成各种形式的坡口。焊接接头的基本形式可分为4种。,焊接接头的形式 a) 对接接头 b) 形接头 c) 角接接头 d) 搭接接头,常用的坡口形式有 I 形坡口、 V 形坡口、 X 形坡口和 U 形坡口等。,对接接头 a) I 形坡口 b) V 形坡口 c) X 形坡口 c) U 形坡口,(1) 对接接头 2个焊件端面相对平行的接头称为对接接头。 1 ) 钢板厚度在 6mm 以下的焊件，一般不开坡口。 2 ) 一般钢板厚度为 6mm 及以上时，可分别采用V形坡口、X形坡口和U形坡口。,在焊接结构生产中，不同厚度对接的钢板，如果板厚差较大，应单面或双面削薄再进行装配焊接。,削薄板厚 a) 单面削薄 b) 双面削薄,(2) T形接头 一个焊件的端面与另一个焊件表面构成直角或近似直角的接头，称为形接头。, 形接头的坡口形式 a) I 形坡口 b) 单边 V 形坡口 c) 带钝边双单边 V 形坡口 d) 带钝边双 J 形坡口,(3)角接接头 两焊件端面间构成大于30、小于 135夹角的接头，称为角接接头。角接接头承载能力较差，一般用于不重要的结构中。,角接接头 a) I 形坡口 b) 单边 V 形坡口 c) 带钝边 V 形坡口 d) 带钝边双单边 V 形坡口,(4) 搭接接头 2个焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头。,搭接接头形式 a) 不开坡口 b) 圆孔塞焊缝 c) 长孔槽焊缝,(5) 坡口的选择原则 上述各种接头形式在选择坡口形式时，应尽量减少焊缝金属的填充量，便于装配和保证焊接接头的质量，因此应考虑下列几条原则：,1) 保证焊件焊透； 2) 坡口的形状容易加工； 3) 尽可能节省焊接材料，提高生产率； 4) 焊接后焊件变形尽可能小。,2. 焊缝形式 焊缝是构成焊接接头的主体部分，焊缝分类方法有以下几种： (1) 按焊缝在空间位置分类，焊缝有 4 种形式：平焊缝、 立焊缝、横焊缝及仰焊缝。 (2) 按焊缝的结构形式分类，有对接焊缝、角焊缝及塞焊缝 3 种形式。 (3) 按焊缝断续情况分类，有定位焊缝、连续焊缝及断续焊缝 3 种形式。,三、焊接接头的组成、组织和性能,1. 焊接接头的组成 焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。,(1) 焊缝 焊件经焊接后所形成的结合部分。 (2) 热影响区 它是焊接或热切割过程中，母材因受热的影响(但未熔化)而发生组织和力学性能变化的区域。 (3) 熔合区 它是焊缝与母材(焊接热影响区)交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。所谓半熔化区是焊缝边界的固液两相交错共存而又凝固的区域。,焊接接头的组成,2. 焊缝的组织和性能,焊缝金属从高温的液态冷却至常温的固态，中间经过2次结晶过程，第一次是从液相转变为固相的结晶过程，第二次是在固相中出现同素异构转变的结晶过程。,(1) 焊缝金属的一次结晶,1) 一次结晶的过程,焊接熔池的结晶过程 a) 开始结晶 b) 晶体长大 c) 柱状晶体 d) 结晶结束,2) 焊缝一次结晶的组织特征 焊接熔池一次结晶时，通常是从熔合线上还未熔化的晶粒开始结晶，沿着与散热相反的方向长大，形成柱状晶。,柱状晶粒生长的过程,3) 焊缝中的偏析与夹杂 由于熔池金属冷却速度很快，因此焊缝金属的化学成分是不均匀的，这种现象称为偏析。 由于化学成分的偏析，因此凝固温度高的金属先结晶，凝固温度低的组分后结晶。在后结晶处存在低熔点共晶等杂质，这是产生热裂纹、夹杂、气孔的主要原因之一。 焊缝中夹杂物主要有硫化物和氧化物 2 种。,(2) 焊缝金属的二次结晶 一次结晶结束后，熔池金属就转变为固态的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的相变过程，这种相变过程就称为焊缝金属的二次结晶。,3. 热影响区的组织和性能 热影响区就是指在焊接过程中，母材因受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域。焊接热影响区的组织和性能，基本上反映了焊接接头的性能和质量。,焊接热影响区的组织分布特征 熔合区 过热区 正火区 不完全重结晶区 母材,由于热影响区宽度的大小取决于焊件的最高温度分布情况，因此焊接方法对热影响区宽度的影响很大。 不同焊接方法的热影响区宽度见表。,4. 熔合区的组织和性能 熔合区的温度处于液相线和固相线之间，熔合区很狭窄，此区金属处于部分熔化状态(半熔化区)，晶粒非常粗大，冷却后组织为粗大的过热组织。 当焊缝化学成分与母材化学成分差别很大或异种钢焊接时，在熔合区附近还会发生碳和合金元素的相互扩散，成分和组织极不均匀，还可能产生新的不利的组织带。 因此，熔合区的塑性和韧性很差，是焊接接头中性能最差的区域。,四、焊缝金属中的气体及其影响 在焊接过程中，熔池周围充满着各种气体，它们不断地与熔池金属发生作用，影响焊缝金属的成分和性能。 其主要成分为CO、CO2、H2、O2、N2、H2O(水蒸气)，以及少量的金属与熔渣的蒸气，气体中以O2、N2、 H2对焊缝的质量影响最大。,1. 氧对焊缝金属的作用,焊缝金属中含氧量的增加，会使其强度、屈服点、塑性和冲击韧性降低，还会增加焊缝金属的热脆、冷脆倾向，以及降低抗腐性能，减少焊缝含氧量有效的措施包括： (1) 冶金处理 从焊条药皮或焊丝中加入铁合金(锰、硅、钛等)对焊缝金属进行脱氧，这是行之有效的措施之一。 (2) 加强保护 如选用合适的气体流量、短弧焊等，防止空气进入。焊前，清理坡口及两侧的锈和水，烘干焊条、焊剂。,2 . 氢对焊缝金属的影响 氢主要来源于焊条药皮和焊剂中的水分、焊条药皮中的有机物、焊件和焊丝表面上的污物(铁锈、油污等)，以及空气中的水分等。 (1) 氢对焊缝的危害 1) 氢致裂纹 2) 气孔 3) 白点 (2) 预防措施 焊接时应严格控制焊缝中的含氢量。首先，限制氢及水分的来源；其次，应该尽量防止氢溶入金属中，如果氢含量过高，可进行脱氢处理(后热处理)，即在焊后立即将焊件加热到 250350温度范围，保温 26h后空冷。,3. 氮对焊缝金属的影响 焊接区中的氮主要来自空气。它在高温时溶入熔池中，并能最终留存在焊缝金属中，随着温度下降溶解度降低，析出的氮与铁形成化合物，以针状夹杂物形式存在于焊缝金属中。氮的含量较高会使焊缝金属强度提高，塑性和韧性降低。 氮是焊缝中产生气孔的主要元素之一。为了消除氮的有害作用，应加强对焊接区的保护，隔离空气与液态金属的接触。此外，采用短弧焊也能控制焊缝中的含氮量。,五、 焊缝中有害元素的影响 硫和磷： 硫以FeS和MnS夹杂物形式存在于焊缝金属中， 会导致高温脆性(称热脆)，产生热裂纹。 磷会导致低温脆性(称冷脆)，产生冷裂纹。磷在奥氏体不锈钢中也会产生低熔点杂质，引起热裂纹。 焊缝中硫、磷的主要来源是焊条药皮和焊剂，此外还有母材中的硫和磷。为了减少硫、磷的来源，应限制药皮、 焊剂和母材中硫、磷的质量分数，这是降低焊缝硫、磷质量分数的关键措施。另外，还可以进行冶金处理，即脱硫、 脱磷。,六、 焊缝金属的渗合金 为了使焊缝金属的成分、性能和组织符合预定的要求，就必须根据合金元素损失的情况向熔池中添加一些合金元素。这种方法称为焊缝金属的渗合金。 1. 渗合金的作用 渗合金不但可以获得成分、组织和性能与母材相同或相近的焊缝金属，还可以向焊缝金属中渗入母材不含或少含的合金元素，形成化学成分、组织和性能与母材完全不同的焊缝金属，以满足焊件对焊缝金属的特殊要求。 2. 渗合金的方法 有2种：一种是通过焊芯(合金钢焊芯)过渡；另一种是通过焊条药皮(即将合金成分加在药皮里) 过渡。,七、焊接热循环对焊接接头的影响 焊接过程中热源沿焊件移动，在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为该点的焊接热循环。,焊接热循环曲线,影响焊接热循环的主要因素有焊接工艺参数、预热温度和层间温度、焊接方法、焊件厚度、接头形式和母材导热性能等。,1. 焊接工艺参数和热输入 焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数(如焊接电流、 电弧电压、焊接速度)，称为焊接工艺参数。,2. 预热温度和层间温度 预热不会使晶粒粗化加剧，却可以避免淬硬，是防止裂纹产生的比较有效的工艺措施。,3. 焊接方法 当焊接方法不同时，焊接的加热速度、高温停留时间和焊后冷却速度都会有所不同。,4. 其他因素 焊件厚度增大时，冷却速度增快，高温停留时间减小，采用 T 形接头焊接比采用对接接头时冷却速度快得多，导热快的焊件材料焊接时，接头冷却速度快，高温停留时间短。,八、控制和改善焊接接头性能的方法,1. 材料匹配 焊缝的性能主要取决于焊接材料。,(1) 焊接材料的选用原则 根据母材的化学成分和性能及结构要求等，按照等性能原则和设计要求进行选配。 (2) 焊接材料的实际选用 考虑到铸态焊缝的特点和焊接应力的作用，焊缝的晶粒粗大，组织疏松，成分偏析，并可能有裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。因此，常通过调节焊缝金属的化学成分，以改善焊缝和熔合区的性能，这就使焊缝金属的化学成分与母材有所不同。,1) 焊接耐热钢和不锈钢时，为保证焊缝具有与母材相近的高温性能和耐腐蚀性能，其焊接材料的化学成分应与母材大致相同。 2) 焊接低碳钢、低合金高强度结构钢、低温钢时， 一般不要求焊缝金属化学成分与母材一样，而是要求力学性能与母材相同，按照等性能原则选配焊接材料，对焊缝的塑性、 韧性要求高的，应选用碱性焊条和焊剂。,2. 选择合适的焊接工艺方法,(1) 气焊 (2) 焊条电弧焊 (3) 埋弧自动焊 (4) 手工钨极氩弧焊,3. 控制熔合比 熔焊时，被熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比，称为熔合比。,(1) 当焊接材料与母材的化学成分基本相同时，熔合比对焊缝和熔合区的性能无明显影响。 (2) 当母材中合金元素较少，而焊接材料中合金元素较多时，在这些合金元素对改善焊缝性能有利的情况下，应将熔合比控制得略小些，此时，如果熔合比增加会导致焊缝性能下降。,(3) 当母材中合金元素较多，而焊接材料中合金元素较少时，在这些合金元素对改善焊缝性能有利的情况下，应增大熔比。 (4) 当母材中碳、硫、磷的含量较多时，应减小熔合比，以减少碳、硫、磷进入焊缝，提高焊缝的塑性和韧性，防止产生裂纹。 (5) 焊接奥氏体不锈钢与珠光体钢时，采用含铬、镍较多的奥氏体不锈钢焊条，应减小熔合比，使焊缝的组织为奥氏体加少量铁素体，避免出现马氏体组织。,4. 选择合适的焊接工艺参数,(1) 焊接工艺参数对焊缝性能的影响及控制 1) 焊接时采用小焊接电流、较高电弧电压，获得的焊缝宽而浅。焊接时采用大焊接电流、低电弧电压，获得的焊缝窄而深。 2) 热输入的大小影响焊缝组织 的粗细。,一次结晶示意图 a) 宽而浅的焊缝 b) 窄而深的焊缝,(2) 焊接工艺参数对热影响区的过热区 ( 粗晶区) 性能的影响及控制 1) 焊接热输入越大，高温停留时间越长，过热区(粗晶区)越宽，过热现象越严重，晶粒也越粗大，因而塑性和韧性下降也越严重，甚至会造成冷脆。 2) 焊接热输入变小，则焊后冷却速度变快，对于不易淬火钢，过热区铁素体减少而珠光体变细；对于易淬火钢，更容易产生硬脆的马氏体组织，导致塑性和韧性严重下降。在焊接应力和扩散氢作用下，还很容易产生冷裂纹。,5. 采用合理的操作方法,(1) 采用单道焊、大电流慢速摆动焊法 (2) 采用多层多道焊、小电流快速不摆动焊法,6. 焊后热处理 焊接后，为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理称为焊后热处理。,九、焊接缺陷,1. 焊接缺陷的分类 按其在焊接接头中的位置不同，焊接缺陷可分为内部缺陷和外部缺陷。,2. 常见的焊接缺陷 (1) 焊缝表面尺寸不符合要求,焊缝尺寸不符合要求,(2) 咬边 由于焊接工艺参数选择不正确和操作不当，在沿焊趾的母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷称为咬边。,(3) 焊瘤 在焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤称为焊瘤。,焊瘤 a) 平焊位 b) 仰焊位 c) 立焊位,(4) 未焊透 焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。,(5) 未熔合 熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合，称为未熔合。,未焊透,未熔合,(6) 烧穿 焊接过程中，熔化金属从坡口背面流出形成穿孔的缺陷称为烧穿。,(7) 气孔 焊接时，熔池中的气体在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔。 (8) 冷缩孔 冷缩是单面焊双面成形打底焊时常见的焊接缺陷之一。,气孔与缩孔 a) 气孔 b) 缩孔,(9) 夹渣 夹渣是指焊后残留在焊缝中的熔渣。,(10) 弧坑 焊缝收尾处产生的下陷部分称为弧坑。,(11) 焊接裂纹 在焊接应力及其他致脆因素作用下，焊接接头中局部区域因开裂而产生的缝隙称为焊接裂纹。,焊接裂纹 1弧坑裂纹 2横向裂纹 3热影响区裂纹 4纵向裂纹 5熔合线裂纹 6根部裂纹,课题3 焊缝符号,在图样上标注焊缝形式、焊缝尺寸及焊接方法的符号称为焊缝符号。,一、基本符号,二、补充符号,三、焊缝符号的标注,1. 指引线的组成,焊缝标注指引线,单边角焊缝 T 形接头 a) 焊缝在箭头侧 b) 焊缝在非箭头侧,角焊缝十字接头,2. 焊缝的标注规定 (1) 基本符号与基准线的相对位置,基本符号相对基准线的位置 a) 焊缝坡口朝右 b) 箭头侧位于焊缝一侧 c) 箭头侧位于非焊缝一侧,(2) 对称焊缝和双面焊缝的标注,对称焊缝,双面焊缝,十字接头角焊缝 a) 立体图 b) 正确画法 c) 错误画法,3. 焊缝尺寸及其他数据的标注,焊缝尺寸其他数据的标注,(1) 焊缝横向尺寸的标注 (2) 焊缝纵向尺寸的标注 (3) 相同焊缝数量N,(4) 周围焊缝和现场施焊的标注,周围焊缝的标注,现场焊缝的表示,(5) 焊接方法的标注,尾部标注焊接方法代号,(6) 其他标注规定,1) 确定焊缝位置的尺寸不在焊缝符号中标注，应将其标注在图样上。 2) 如果在基本符号右侧既没有任何尺寸标注，又没有其他说明时，意味着焊缝在工件的整个长度方向上是连续的。 3) 如果在基本符号左侧既没有任何尺寸标注，又没有其他说明时，意味着对接焊缝应完全焊透。 4) 塞焊缝、槽焊缝带有斜边时，应标注其底部的尺寸。,(7) 焊缝符号标注示例,四、焊缝符号的简化标注,1. 当同一个图样上全部焊缝所采用的焊接方法完全相同时，焊缝符号尾部表示焊接方法可省略不注，但必须在技术要求或其他技术文件中注明“全部焊缝均采用焊”等字样。 当大部分焊接方法相同时，也可在技术要求或其他技术文件中注明“除图样中注明的焊接方法外，全部焊缝均采用焊”等字样。,2. 在焊缝符号中，标注交错对称焊缝的尺寸时，允许在基准线上只标注1次。,3. 当断续焊缝、对称断续焊缝和交错断续焊缝的段数无严格要求时，允许省略焊缝段数。,4. 在同一个图样中，当若干条焊缝的坡口尺寸和焊缝符号相同时，可采用集中标注的方法。,5. 当同一个图样中全部焊缝相同且已用图示法明确表示其位置时，可统一在技术要求中用符号表示或用文字说明。,交错对称焊缝的标注,断续焊缝的画法,相同焊缝集中标注,相同焊缝的简化标注,6. 为了简化标注方法，或者标注位置受到限制时，可以标注焊缝简化代号，但必须在该图样下方或在标题栏附近说明这些简化代号的意义。 7. 在不引起误解的情况下，当箭头线指向焊缝，而非箭头侧又无焊缝要求时，允许省略非箭头侧的基准线(细虚线) 。 8. 当焊缝长度的起始和终止位置明确(已由构件的尺寸等确定)时，允许在焊缝符号中省略焊缝长度。,简化标注,省略非箭头侧基准线和焊缝长度,课题4 焊接检验,焊接检验是保证焊接产品质量的重要措施。,一、 焊接检验的分类 焊接检验一般包括焊前检验、焊接过程中检验和成品的焊接质量检验。,二、常用的成品焊接质量检验方法,1. 分类,成品焊接质量检验方法的分类,2. 非破坏性检验 非破坏性检验是指在不损坏被检验材料或成品的性能、完整性的条件下进行检测缺陷的方法。,(1) 外观检验 (2) 致密性检验 致密性检验是检验焊接管道、盛器、密闭容器上焊缝是否存在不致密的缺陷。,1) 气密性试验 2) 氨气