焊接技术-知识点(金属热处理).doc

焊接 一、焊 接定义与分类通过加热或加压或两者并用，并且用（或不用）填充材料使零部件达到原子结合的永久性连接的加工工艺熔化焊：焊接过程中将工件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法压力焊：焊接过程中对工件施加压力（加热或不加热）完成焊接的方法钎 焊：是指将比母材熔点低的填充金属熔化之后填充于工件接头间隙，并与固态母材相互扩散实现连接工艺 焊接方法的特点节省材料与工时：焊接代替铆接可节省金属材料1520%。铆接工序较多，需几个人同时操作，若用焊接代替铆接，便可节省大量的工时与劳动力。能化大为小，拼小成大：制造大型结构或复杂的机器零部件时，可以用化大为小、化复杂为简单的办法来准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大。可实现不同材料间的连接成型：Cu-Al连接，HSS-碳钢连接，碳钢-合金钢连接可生产要求密封性的构件：可焊接锅炉、高压容器、储油罐等重量轻、密封性好、工作时不渗漏的空心构件二焊接工艺基础1.焊接电弧焊接电弧是由焊接电源供给的，是具有一定电压的两电极间或电极与工件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象1)直流电弧产生三阶段电极与被焊工件瞬时接触而产生很大的短路电流，在短时间内产生了大量的热量，使电极末端与工件温度迅速升高。将电极提起一定距离，在电场力的作用下，阴极的电子快速飞向阳极，途中与中性的气体分子碰撞，促使气体分子电离成电子和正离子（此时电极与工件之间的高温气体极易被电离) 。带电粒子运动途中和到达两极表面时不断碰撞与复合，从而产生大量的热和弧光，形成电弧。2)直流焊接电弧三组成阴 极 区：电弧紧靠负电极的区域 阴极斑点: 电弧放电时负电极表面上集中发射电子的小区域弧 柱 区：电弧阴极区和阳极区之间的部分阳 极 区：电弧紧靠正电极的区域阳极斑点：电弧放电时正极表面接收电子的微小区域3)直流焊接连接法与应用连接法：正接法 ：焊条(负) 工件（正）应用（厚件焊接） 负接法 ：焊条（正）工件（负）应用（薄件焊接）4)交流焊接连接法交流弧焊电源焊接时，由于电弧极性不断交替变化，故不存在正、反接问题2.焊 条涂有药皮的供焊条电弧焊用的电极 焊芯 药皮1)焊芯主要作用作为一个电极起传导电流和引燃电弧的作用熔化后作为填充金属与熔化后的母材一起 形成焊缝。焊条的直径用焊芯的直径表示 规 格：1.6、2.5、3.2、4、5、6mm2)药皮主要作用稳弧作用：改善引弧性能，提高电弧燃烧的稳定性能。 K2CO3, CaCO3 (稳弧剂)造气作用：燃烧产生一定量的气体，保护焊接熔滴与熔池。 淀粉，木屑 (造气剂)造渣作用：高温下造成具有一定物理化学性能的熔渣保护焊缝 CaO (造渣剂)脱氧作用：脱除金属中的氧 Mn-Fe, Si-Fe (脱氧剂)合 金 化：补偿焊接中被烧损的合金元素和调整焊缝成分Mn-Fe, Si-Fe, V-Fe, W-Fe, Cr-Fe (合金剂)粘结作用：使各种药皮成分互相粘结并牢固地粘到焊芯上 水玻璃 (粘结剂)3.焊接的冶金过程：焊接时，母材和焊条受到电弧高温作用而熔化形成熔池。金属熔池类似于小冶金炉。炉内将进行熔化、氧化、还原造渣、精炼及合金化等一系列物理化学过程 4.焊接接头的三组成及组织性能焊 缝 熔合区 热影响区1)焊 缝 ( L )定义：焊缝是指工件焊接后形成的结合缝组织特点：焊接加热时，填充金属与工件从熔池底壁开始向焊缝中心冷却结晶，而得到柱状的铸态组织力学性能：焊缝是晶粒较粗大的铸态组织，成分组织不均匀，塑性较 差，易产生热裂纹。但由于药皮的合金化作用，使焊缝金属 的力学性能一般不低于母材。2) 熔合区 ( L+S )定义：熔合区是指焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域焊接加热时，此区的温度在液相线和固相线之间，只有部分金属熔化-半熔化区组织特点：其组织由部分铸态组织和晶粒粗大的过热组织成力学性能：该区的塑性、韧性很差，化学成分不均匀，虽然熔合区只有0.10.4mm，但对接头性能影响最大3) 热影响区 ( S )过热区： Ts1100，宽为 13mm。高温造成晶粒粗大的过热组织，使其塑性、韧性明显下降。焊接刚度大的结构时，易在此区产生裂纹正火区： 1100 Ac3，宽度约 1.24.0mm。因焊后空冷可得到均匀细小的正火组织。正火区的力学性能优于母材部分相变区： Ac3 Ac1，只有部分组织发生转变冷却后晶粒大小不均匀，力学性能较差。再 结 晶区：Ac1 450 ，空位、位错数量大大降低，力学性能略低于母材3 焊接应力与变形1.焊接变形基本形式收缩变形：焊接后纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直于焊缝方向）收缩引起的变形角变形： V形坡口对接焊后，由于焊缝截面形状上下不对称，焊缝收缩不均而引起的变形弯曲变形：焊接T形梁时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起的变形扭曲变形：焊接工字架时，由于焊接顺序和焊接方向不合理而引起的变形波浪变形：焊接薄板时，由于焊缝收缩使薄板局部产生较大压应力失去稳定所导致的变形2.应力与变形的防止 采用合理的焊接顺序，尽量使焊缝自由收缩 采用分段退焊、跳焊、交替焊等不同焊接方法 焊前预热：可减小焊接区与整体结构的温差降低焊后冷却速度，以减小焊接应力与变形。 加热“减应区”：即焊接前，在工件适当部位进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区和焊缝一起收缩，从而减小焊接应力和变形。被加热的部位称为减应区。 锤击焊缝：在焊后热态下，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，可减小残余应力和变形。 利用外力：使焊接接头残余应力区产生塑性变形，达到松弛残余应力的目的，如机械加压及振动等。 焊后热处理：以消除残余应力。生产中常采用去应力退火，即将焊件的局部或整体加热到 600650，保温一定时间后缓慢冷却，一般可消除 8090的残余应力3.焊接缺陷 咬 边：是指沿焊缝的母材部位产生的沟槽或凹陷原 因：工艺参数选择不当，如电流过大、电弧过长。操作技术不正确，如焊条角度不对，运条不适当 夹 杂：焊后残留在焊缝中的熔渣 (FeO)原 因： 焊接材料质量不好。 焊接电流太小，焊接速度太快 弧 坑：焊缝熄弧处地低洼部分原 因：操作时熄弧太快，未反复向熄弧处补充填充金属 焊 穿：熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷原 因： 焊件装配不当，如坡口尺 寸不合要求，间隙过大 焊接电流太大 焊接速度太慢 气 孔：熔池中气泡凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴原因：- 焊件和焊接材料有油污、铁锈及其它氧化物。- 焊接区域保护不好。- 焊接电流过小，弧长过长，焊接速度过快 1. 焊条电弧焊手工操纵焊条，利用焊条与被焊工件之间产生的电弧热量将焊条与工件接头处熔化，冷却凝固后获得牢固接头的焊接方法优 点：设备简单 操作灵活方便 能进行全位置焊接适合焊接多种材料缺 点：对焊工操作技术要求(高)劳动条件(差)生产效率(低)不适于特殊金属及薄板的焊接1.手弧焊操作引 弧 引弧就是使焊条和工件之间产生稳定的电弧 敲击法 是将焊条垂直地触及工件表面后立即提起摩擦法 是将焊条在工件表面划一下即可引弧 运 条 电弧引燃以后进入正常的焊接过程(三个运动，一个角度) 焊条向下送进 焊条沿焊接方向向前运动（即焊接速度）焊条左右摆动 (获得一定宽度焊缝) 焊条向前进方向倾斜(夹角约7080)，焊条与焊缝两侧工件平面的夹角应相等 焊缝收尾：当焊缝焊完时，应有一个收尾动作。收尾时，如果立即拉断电弧，则会形成低于焊件表面的弧坑，过深的弧坑会降低焊缝强度，极易引起弧坑裂纹。 划圈收尾法 反复断弧收尾法后移收尾法 焊前的点固 ： 为了固定两工件的相对位置，焊接前要进行定位焊焊后清理 ： 焊后用钢丝刷等工具把熔渣和飞溅物等清理干净二、焊条电弧焊工艺焊接接头形式：由二个或二个以上的工件焊接组合的形式焊接接头的坡口与钝边坡口 厚工件焊接前需要将工件的待焊部位加工成一定几何形状的沟槽 （图中I型坡口 Y 双Y U）钝边 为防止烧穿，坡口的根部应留有的23mm直边焊缝的空间位置平焊 操作方便、焊缝质量易于保证 横焊(or立焊)因熔滴受重力作用易向下流淌，所以不易操作 仰焊 焊条位于下方，焊工仰视工件进行焊接，操作难度大三、特殊焊接：埋弧自动焊：将焊条电弧焊焊接过程中的引燃电弧、焊丝送进及电弧移动等动作均由机械化和自动化来完成，且电弧埋在焊剂层下燃烧的焊接方法埋弧自动焊的特点和应用 (与焊条电弧焊相比)生产率(高) 焊接电流可以比焊条电弧焊大得多。且焊接过程中无需停弧换焊条，所以生产率比焊条电弧焊提高510倍。焊缝质量浩) 由于熔池保护效果好，冶金反应比较充分，焊接工艺参数稳定，故焊缝质量好，且成形美观。成本(低) 因熔深大，工件可不开或少开坡口，没有焊条头损失和飞溅，所以节约了焊接材料、加工工时及电能。劳动条件(耗) 无弧光伤害，烟尘较少，机械化操作劳动强度小，对焊工技术水平的依赖程度大大降低。适应性(差) 一般只适合于水平位置焊接直缝和环缝对焊前准备要求(高) 对需要开坡口的工件，对工件坡口加工要求较高，在装配时要保证组装间隙均匀。焊接设备较(贵) 设备费一次投资较大。CO2气体保护焊(CO2焊) ：利用外加CO2气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法氩弧焊：利用氩气作为保护气体的焊接方法阴极破碎 焊接铝、镁及其合金时，则需采用交流电源，以利用交流电负半周时大质量的氩正离子对熔池进行撞击，使其表面的Al2O3、Mg2O等氧化膜得以破碎气 焊：利用气体火焰作热源的焊接方法最常用的是氧乙炔焊，乙炔（C2H4）和氧气（O2）在焊炬中混合均匀后，从焊嘴中喷出燃烧，将工件和焊丝熔化形成熔池，凝固后形成焊缝电渣焊：利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法等离子弧焊：等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的压缩作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法等离子弧焊的特点温度(高)，能量密度(高)，穿透能力(强)，厚度12mm的工件可不开坡口，不留间隙，能一次焊透双面成形焊接速度(高)，生产率(高)，热影响区(小)，焊接变形(小)，焊缝质量好。电弧挺直性好，当电流0.1A时，电弧仍能稳定燃烧。能够焊接很细很薄的零件，如 0.025mm厚的金属箔和薄板。设备及控制线路较复杂，气体消耗量大，只宜在室内焊接。电子束焊：利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的工件所产生的热能进行焊接的方法 高真空电子束焊 低真空电子束焊 非真空电子束焊激光焊 ：利用聚焦的激光束作为能源轰击工件所产生的热量进行焊接的方法激光焊的特点能量密度(高)，穿透深度(大)，焊缝可以极为窄小；热量集中，作用时间短，热影响区及焊接残余应力（小）可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料 可进行远距离或一些难于接近部位的焊接。焊接过程时间极(短)，生产率(高) 但激光焊的设备较复杂 1、 压力焊： 在焊接过程中对工件施加压力(加热or不加热)完成焊接的方法1.电阻焊（又称接触焊）焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法 1)对 焊将焊件装配成对接接头，接通电源利用电阻热将接头处金属加热至一定温度后，施加顶锻力完成焊接的方法电阻对焊 将工件装配成对接接头，焊前清除焊件端部接触处的氧化膜，并使其端面紧密接触，用预压力压紧焊件，通电后利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法闪光对焊 将工件装配成对接接头，接通电源，并使其两端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热那些首先接触点（凸出部位）产生闪光，使端面金属熔化至一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法 对焊工件接触端面形状和尺寸应相同或相近原则 2)点 焊 将表面清理干净的两薄板装配准确后压紧在两棒状电极之间 通电使两个工件的接触处产生电流 由于焊件之间接触电阻较大，接触处首先被加热到熔化状态 (熔核) 断电使熔核在压力下冷却凝固，形成组织致密的焊点分 流 如果工件有两个以上的焊点，在焊第二个焊点时，部分电流会流经已焊好的焊点工件越厚 材料导电性越好 点距越小 分流现象越严重点焊特点 ：靠尺寸不大的熔核连接 在大电流、短时间的条件下焊接 在热和机械力联合作用下形成焊点3) 缝 焊将点焊电极改为圆盘状电极，焊接时圆盘状电极在焊件边缘滚过，同时通以强大的电流形成一个个互相重叠的焊点，最后可以得到一条致密的焊缝 连续缝焊 滚盘连续滚动，电流连续接通断续缝焊 滚盘连续滚动，电流间歇接通步进式缝焊 滚盘滚动与通电均为间歇式，电流在滚盘不动时输入主要用来大批量生产各种要求密封的容器，如油箱、管道的焊接 4）.摩擦焊：摩擦焊是利用工件表面互相摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的方法摩擦焊特点不需填充金属和另加保护措施；通过摩擦与顶锻，接触面上的氧化物及杂质被消除，大量的塑性变形消除了夹渣、气孔、缩松等缺陷，因此焊接接头质量好而且稳定 焊接金属范围广，可焊同种金属或异种金属生产率高，加工成本低，电能消耗少，操作简单，易于实现机械化和自动化；焊接变形小但摩擦焊对非圆断面工件的焊接很困难由于受设备功率和压力的限制，焊件截面不能太大摩擦系数特别小的和易碎的材料难以进行摩擦焊4.）冷压焊：在常温下只加压使金属产生较大塑性变形，使两焊件的原子接近到形成金属键的程度，从而形成接头的焊接方法冷压焊特点为使两焊件原子能顺利结合，被焊表面必须仔细清理，除去杂质及油膜冷压焊可以进行点焊、缝焊和对焊受实际所能得到的压力限制(1501000MPa)，冷压焊只能焊接常温下具有高塑性的同种金属及异种金属(Al、Pb、Cu、Ag、Ni、Zn及 合金)5） .扩散焊：扩散焊是在一定温度(0.60.7Tm)、压力(0.550MPa)、真空or保护气体下，经过焊接区金属原子充分地相互扩散以及微观塑性变形，或者在界面产生微量液相而实现结合的方法扩散焊突出的优点焊接接头的显微组织与母材接近或相同，不存在过热组织的热影响区。变形小，同种材料焊接无内应力，总之质量好。焊接许多其他方法难于焊接的材料 (如金属与陶瓷、金属与玻璃、金属与石墨)2. 纤 焊1. 钎 焊：钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的方法1) 软钎焊: 钎料熔点低于450的钎焊(锡基、铅基和锌基)2) 硬钎焊: 钎料熔点高于450的钎焊(铝基、铜基、银基、镍基和锰基) 一. 金属材料焊接性 ：材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度 接合性能: 指在给定的焊接工艺条件下，形成完好焊接接头的能力(接头对产生焊接裂纹的敏感性) 使用性能:在给定的焊接工艺条件下，焊接接头在使用条件下安全运行的能力 (耐高温、耐腐蚀)评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接方法、制定焊接工艺的重要依据焊接缺陷：夹 杂：焊后残留在焊缝中的熔渣 (FeO)原 因 焊接材料质量不好 焊接电流太小，焊接速度太快气 孔：熔池中气泡凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴原 因 焊件和焊接材料有油污、铁锈及其它氧化物 焊接区域保护不好 焊接电流过小，弧长过长，焊接速度过快焊接裂纹：原 因 焊缝及其母材的碳当量过高 or 焊缝冷却速度过快造成马氏体等硬相产生- 焊接应力过大二、焊接性评定1.间接判断法 (碳当量法)把钢中合金元素的含量，按其作用折算成碳的相当含量（以碳的作用系数为1）作为粗略地评定钢材焊接性的一种参考指标WCE焊接性措 施 0.6%差高温预热 or 极慢速缓冷2.直接试验法在正确控制焊接工艺参数条件下，按规定要求焊接工艺试板，然后检测焊接接头对裂纹、气孔、夹渣等缺陷的敏感性，来评定焊接性试验方法：Y形坡口对接焊缝裂纹试验（小铁研式试验） 刚性固定对接法三.常用金属材料的焊接 1.碳素钢的焊接低碳钢的焊接 通常情况下：低碳钢含碳量较少，WCE0.4，一般没有淬硬、冷裂倾向，因此焊接性良好，焊接时通常不需采取特殊的工艺措施，即能获得优质焊接接头特殊情况下：焊接较厚或刚性很大的构件 考虑焊后热处理低温环境下焊接刚性大的结构考虑焊前预热(在低于 0、焊接厚度大于50mm的钢板时，应将其预热至100150)适用的焊接方法：几乎可采用所有的焊接方法进行焊接，并都能保证焊接接头的良好质量 中碳钢的焊接随着含碳量的增加，中碳钢的焊接性降为中等，焊缝中易产生热裂，热影响区易产生淬硬组织甚至产生冷裂。热裂纹焊缝金属在高温状态下产生的裂纹。冷裂纹在焊后相当低的温度下（大约在钢Ms附近),有时甚至放置相当长的时间才产生。采取的措施：焊接时将焊件适当预热（150250），焊后要缓冷，都能防止焊接缺陷的产生 高碳钢的焊补高碳钢的含碳量大于0.6，其焊接性差。通常仅用手弧焊和气焊对其进行补焊。补焊 为修补工件的缺陷而进行的焊接采取的措施：为防止焊缝裂纹，应合理选用焊条，焊前应进行退火处理。采用结构钢焊条时，焊前必须预热（250350以上），焊后注意缓冷并进行消除应力退火。2. 低合金结构钢的焊接 3. 铸铁的焊补铸铁焊接特点焊接过程中C和Si等石墨化元素会大量烧损，不利于石墨化，焊接接头易出现白口及淬硬组织。铸铁中含有较多的C和Si，它们在焊接时被烧损后将形成CO气孔和硅酸盐熔渣，极易在焊缝中形成气孔和夹渣缺陷。裂纹倾向大。会在热影响区或焊缝中产生裂纹。鉴于铸铁的焊接性差，一般铸铁不宜作焊接结构件，在铸铁件出现局部损坏时往往进行焊补修复4.铸铁的焊补方法热焊法：指在焊接前将工件全部或局部加热到600700，并在焊接过程中保持一定温度，焊后在炉中缓冷。用热焊法时，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减小应力，防止产生裂纹。但热焊法成本高，工艺复杂，生产周期长，劳动条件差。冷焊法：是指工件在焊前不预热或预热温度较低（400以下）。此法可以提高生产率，降低焊补成本，改善劳动条件但焊补质量有时不易保证。焊后立即轻轻锤击焊缝，以减小应力防止产生裂纹 四.焊接件结构设计 设计焊接结构除应考虑结构的功能要求外，还应考虑结构的焊接工艺，以保证焊接质量，并力求做到高生产率，低成本。 材料选择 焊接件形状 焊缝布置 接头与坡口设计1. 材料选择：1）在满足结构功能要求的前提下，应尽可能选用焊接性良好的材料来制造焊接结构件。一般低碳钢和低合金结构钢都具有良好的焊接性，应尽量选用2)