工艺技术_材料成型原理与工艺之焊接部分总结

Chapter1焊接成形概述 第一篇连接成形理论基础 本章讲授目的 3 了解焊接熔池特征 焊接热循环的主要参数 2 掌握焊接接头的组织与性能 焊缝 热影响区 1 掌握焊接相关的概念 焊接 熔焊 压焊 钎焊 HAZ 焊接温度场 焊接电弧 联生结晶 焊接热循环 一 焊接定义 第1节焊接定义 分类和应用 通过加热或加压 或者两者并用 并且用或不用填充材料 使焊接件达到原子结合而形成永久性连接的一种方法 r0 物理本质 使两个独立的工件实现了原子间结合 只有当被连接金属原子间的距离接近rA 0 3 0 5nm 时 金属键才能起作用 这时金属原子之间的结合力最大 原子间作用力与距离关系1 斥力 2 引力 3 合力 如何使金属原子间的距离接近rA 使金属表面紧密接触的几种措施 1 对被焊接金属施加压力或不断地摩擦 破坏接触表面的氧化膜 使结合处紧密接触 2 将金属加热熔化或到塑性状态 增加原子的振动能 施加压力破坏接触面的氧化膜 促进扩散和结晶过程的进行 3 通过液态中间材料 如粘结剂或低熔点金属 将两个固态金属连接在一起 焊接方法分类 压焊 摩擦焊 超声波焊 爆炸焊 扩散焊 高频焊 钎焊及封粘 软钎焊 硬钎焊 封接 粘接 熔焊 电弧焊 电渣焊 等离子弧焊 电子束焊 激光焊 手弧焊 气体保护焊 埋弧焊 电阻焊 一 熔焊原理 手工电弧焊 熔焊 通过局部加热使连接处达到熔化状态 然后冷却结晶形成共同晶粒 1 熔焊本质及特点 熔焊的本质是小熔池熔炼与铸造 是金属熔化与结晶的过程 熔池存在时间短 温度高 冶金过程进行不充分 氧化严重 热影响区大 冷却速度快 结晶后易生成粗大的柱状晶 熔焊三要素热源能量要集中 温度要高 以保证金属快速熔化 减小热影响区 满足要求的热源有电弧 等离子弧 电渣热 电子束和激光 熔池的保护可用渣保护 气保护和渣 气联合保护 以防止氧化 并进行脱氧 脱硫和脱磷 给熔池过渡合金元素 填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素 并达到力学性能和其它性能的要求 主要有焊芯和焊丝 两种接线方法 在使用直流电焊机焊接时 电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异 直流正接 焊件接正极 焊条接负极 厚板 酸性焊条 直流反接 焊件接负极 焊条接正极 薄板 碱性低氢焊条 低合金钢和铝合金 阴极雾化 焊接过程涉及 加热 熔化 冶金反应 凝固结晶 固态相变直至形成焊接接头 归纳为三个相互交错联系的局部过程 焊接热过程 化学冶金 物理冶金 保护目的 使熔池与空气隔绝 大大减少焊缝中的含气量 提高焊缝韧性 延长熔池存在时间 加强了冶金反应 有利于气孔 夹渣的析出 熔池的保护 焊接接头主要由焊缝 weldmetal 热影响区 heataffectedzone HAZ 熔合区 fusionzone 组成 熔池凝固的特点联生结晶 交互结晶 外延结晶依附于母材晶粒的现成表面而形成共同晶粒的凝固方式择优成长并非 齐步前进 当散热最快的方向与晶体成长的结晶位向相同时 有利于柱状晶的成长 熔池凝固组织形态的多样性凝固组织的形态有柱状晶 平面晶 胞状晶 胞状树枝晶和树枝晶 及等轴晶等 焊缝金属的组织 固态相变 影响因素 化学成分 冷却条件 低碳钢焊缝 固态相变时 首先沿奥氏体晶界析出共析铁素体 然后发生共析转变 A P F Fe3C 得到铁素体加珠光体 焊缝金属过热时 奥氏体晶界或晶粒内部还会析出塑韧性差的网状魏氏组织 HAZ组织分布a 低碳钢及不易淬火的低合金钢 Q235 20 16Mn等 熔合 半熔化区 最高温度在固相线和液相线之间 局部熔化 成分与组织不均匀 塑性差过热区 粗晶区 固相线到1100 左右 塑韧性差相变重结晶区 正火区 1100 Ac3相当于正火组织 细晶F P 塑韧性好不完全重结晶区 Ac1 Ac3 部分细晶F P以及粗晶F 组织不均匀 2 焊接热影响区的组织和性能变化 b 易淬火钢 低碳调质钢 中碳钢 中碳调质钢 如 18CrMoNb 45 30CrMnSi等 与焊前热处理状态有关焊前正火或退火态 HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成 调质态 HAZ主要由完全淬火区 不完全淬火区和回火区组成 Chapter2金属材料的焊接性能 第一篇连接成形理论基础 返回 本章讲授目的 重点掌握 焊接性概念和评价方法 尤其是碳当量法利用焊接性分析材料在指定焊接工艺条件下可能出现的问题 金属材料的焊接性 碳钢的焊接 本章主要内容 有色金属的焊接 铸铁的焊补 焊接性 Weldability 指被焊金属在限定的施工条件 焊接方法 焊接材料 工艺参数及结构型式 焊接成按规定设计要求的构件 并满足预定服役要求的能力 即金属材料在一定的焊接工艺条件下 表现出的焊接难易程度 金属材料的焊接性 钢的焊接性评价方法 碳 合金元素含量 焊接性 国际焊接学会IIW 碳钢及低合金钢 碳对冷裂纹敏感性的影响最明显 其它元素的影响折合成碳的影响 间接方法 碳当量 CE 0 4 钢材塑性良好 淬硬和冷裂纹倾向不明显 可焊性良好 一般不会产生裂纹 但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热 CE 0 4 0 6 钢材塑性下降 淬硬和冷裂倾向明显 可焊性较差 需要焊前预热 焊后缓冷及一定的焊接工艺措施 CE 0 6 钢材塑性较低 淬硬和冷裂倾向很强 可焊性很差 焊前预热 减少焊接应力和防止开裂 焊后热处理 碳当量越高 焊接性越差 从一般焊接工艺焊后有无裂缝或裂缝多少 初步评定试板材料的可焊性 调整工艺再焊接试板 达到不裂 从而制订出合理的焊接工艺规程与规范 直接方法 针对钢材在焊接过程中出现的裂纹设计的 直观评价 焊接冷裂纹试验 焊接热裂纹试验 再热裂纹试验 层状撕裂试验 脆性断裂试验 Chapter3焊接过程中的冶金反应原理 一 第一篇连接成形理论基础 焊接方法 焊接材料 焊缝的成份 焊缝的性能 化学冶金过程 焊接过程中 高温液态金属会与气体和熔渣之间发生相互作用 冶金反应 通过本章的学习 了解影响焊件的性能的气体和熔渣的来源及其与金属的相互作用机制 本章讲授目的 本章主要内容 第1节连接成形的冶金反应特点 第2节液态金属与气体界面的反应 第4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响 第3节液态金属与熔渣的相互作用 连接成形的冶金反应特点 存在保护 分区域 药皮反应区 熔滴反应区和熔池反应区 进行 与焊接工艺有关 药皮反应区 温度低 钢焊条1200 水蒸发及药皮中固态物质的分解 造渣和造气 熔滴反应区 温度高 2100 2800 熔滴比表面积大 是焊接冶金反应最激烈的部位 气体分解和溶解 金属蒸发 氧化还原及焊缝金属合金化 熔池反应区 温度平均1770 左右 反应比溶滴区弱些 温度分布不均 不同部位冶金反应不同 头部金属熔化和吸气 尾部金属凝固和气体逸出 N2 H2 O2CO2和H2O 焊接区的气体 焊接材料 如 焊条药皮 焊剂 焊芯 高价氧化物及有机物母材坡口的油污 铁锈 水分空气中的气体 水分保护气体及其杂质气体 直接进入 间接分解 气体的来源与产生 1 有机物的分解和燃烧2 碳酸盐和高价氧化物的分解3 材料的蒸发4 气体的分解 气体的间接来源 气体的控制措施 限制气体的来源控制工艺参数冶金处理 限制气体的来源 氮主要来源于空气 它一旦进入液态金属 去除比较困难 因此 控制氮的首要措施是加强对金属的保护 防止空气与金属接触 限制措施 焊接时 采用渣保护 气保护或渣气联合保护 氢主要来源于水分 包括原材料 母材 焊接材料等 本身含有的水分 材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水 化合水等 材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源 限制措施 焊材存放中防吸潮 焊前烘干和去除杂质和油污 限制气体的来源 氧主要来源于焊材或矿石 在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时 应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料 如采用高纯度的惰性保护气体 采用低氧或无氧的焊条 焊剂等 控制工艺参数 增大电弧电压时 保护效果变差 液态金属与空气的接触机会增多 使焊缝中氮 氧的含量增加 因此 应尽量采用短弧焊 焊接电流增加时 熔滴过渡频率增加 气体与熔滴作用时间缩短 焊缝中氮 氧含量减少 此外 焊接方法 熔滴过渡特性 电流种类等也有一定的影响 冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮 脱氧 脱氢等除气处理 是降低金属中气体含量的有效方法 冶金法脱氮液态金属中加入Ti Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素 可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣 从而减少金属的氮含量 降低其形成气孔和时效脆化倾向 但要严格控制加铝量 焊接过程中的脱氢 1 在焊条药皮和焊剂中加入氟化物 2 控制焊接材料的氧化势 3 在药皮或焊芯中加入微量稀土元素 4 焊后消氢处理 熔渣的作用 1 机械保护作用2 冶金处理作用3 改善成形工艺性能作用 焊接熔渣的类型 1 按焊接熔渣的组成物分类 盐型熔渣盐 氧化物型熔渣氧化物型熔渣 2 按熔渣的性质分为酸性熔渣和碱性熔渣 熔渣的来源与构成 1 药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮2 埋弧焊 电渣焊过程中的熔渣与焊剂 熔渣碱度的分子理论 按照分子理论 熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值 表示为 碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO MnO FeO等 酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5等 考虑到氧化性强 弱差别 碱度表达式修正为 0 018CaO 0 015MgO 0 006CaF2 0 014 K2O Na2O 0 007 MnO FeO B1 0 017SiO2 0 005 Al2O3 TiO2 ZrO2 当B1 1为碱性渣 B1 1为酸性渣 B1 1为中性渣 2 熔渣碱度的离子理论 碱度 液态熔渣中自由氧离子的浓度 或氧离子的活度 渣中自由氧离子的浓度越大 其碱度越大 计算式为 Mi是渣中第I种氧化物的摩尔分数 ai是该氧化物的碱度系数 当B2 0时为碱性渣 B2 0为酸性渣 B2 0为中性渣 表8 4渣中常见氧化物的ai值 熔渣的物理性质 熔渣的凝固温度与密度熔渣的粘度熔渣的表面张力及界面张力 熔渣的凝固温度与密度 讨论 Why 熔渣的熔点 固体熔渣开始熔化的温度造渣温度 焊条药皮开始熔化的温度 药皮熔点 高 金属熔焊中 要求熔渣的熔点略低于母材金属 密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度 密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂 选用焊材时 首先要保证熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度 熔渣的粘度 粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速度 焊缝表面成形不良 易产生气孔 夹杂 粘度过小的熔渣容易流失 不能均匀覆盖焊缝影响对熔池 或焊缝 在全位置焊接时的成形和保护效果 根据熔渣粘度随温度变化的速率 熔渣分为 长渣 和 短渣 随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣 而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣 短渣在焊缝凝固后迅速凝固 可保证全位置焊缝外观成型 含SiO2多的酸性渣为长渣 碱性渣中离子尺寸小 粘度低 且随温度升高离子浓度增大 粘度迅速下降 因此碱性渣为短渣 加入CaF2可起到很好的稀释作用 熔渣的表面张力 SurfaceTension 及界面张力 熔渣与气相之间的界面张力 熔渣表面张力熔渣与液态金属间的界面张力 表面张力的影响因素 温度T 升高 表面张力减小 原子间键能 金属键的键能大 表面张力大 碱性渣表面张力较大 易造成熔滴粗化 飞溅增多 酸性焊条施焊时 过渡的熔滴颗粒较小 飞溅少 焊缝鱼鳞纹细密 外观成形好 活性熔渣对金属的氧化 扩散氧化置换氧化 脱氧处理 先期脱氧沉淀脱氧扩散脱氧 在焊接材料中加入合适的材料或铁合金 脱氧剂 锰铁 硅铁 钛铁和铝粉等 使之在冶金反应过程中夺取氧 将金属还原 1 应用合金焊丝或带极2 应用药芯焊丝或药芯焊条3 应用合金药皮或粘结焊剂4 应用合金粉未 合金化的方式 1 合金过渡系数 描述合金元素利用率高低 等于熔敷金属中的实际含量与原始含量之比 式中 Cd 合金元素在熔敷金属中含量Ce 合金元素原始含量Cco 合金元素在药皮中的含量Ccw 在焊芯中的含量Kb 焊条药皮的重量系数 合金化的效果 熔合比 焊缝中局部熔化的母材所占的比例 熔合比 式中 Ap为焊缝截面中母材所占的面积 Ad为焊缝截面中填充金属所占的面积 为熔合比 考虑合金元素在焊接中的损失 焊缝金属中某合金元素的实际含量Cw为 式中 Cb为某元素在母材中的质量分数 Cd为熔敷金属 即真正过渡到熔池中去的那部分焊条金属 中某元素的质量分数 为熔合比 Chapter4焊接材料WeldingConsumables 焊条Electrode 焊剂weldingflux 焊丝weldingwire 重点掌握 1 焊条分类及制备2 焊条 焊剂及焊丝的型号和牌号3 典型焊条的冶金性能4 焊剂的性能用途5 气保焊丝和药芯焊丝 Introduction 1 Definitionofweldingconsumables焊接材料是焊接时所消耗材料的通称 焊条 焊丝 焊剂 气体等 2 Functionofweldingconsumables焊条 焊丝是焊接过程的一个电极焊条 焊丝作为填充金属药皮 焊剂及保护气体 保证焊接质量及进行必要的冶金反应 焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的 以结构钢为例 型号编制法为字母 E 表示焊条 第一 二位表示熔敷金属最小抗拉强度 第三位数字表示焊条的焊接位置 0 及 1 表示焊条适用于全位置焊接 即可平 立 仰 横焊 2 表示焊条适用于平焊及平角焊 4 表示焊条适用于向下立焊 第三 四位数字表示焊接电流种类及药皮类型 焊条的型号与牌号 焊条型号举例如下 E4303 表示焊条药皮为钛钙型 并可交 直流焊接 表示焊条适用于全位置焊接 表示熔敷金属抗拉强度的最小值 kgf mm2 表示焊条 焊条的牌号以结构钢为例 牌号编制法 结XXX 结为结构钢焊条 第1 2位数 代表熔敷金属抗拉强度 第3位数代表药皮类型 焊接电流要求 有特殊性能和用途的 则在牌号后面加注起主要作用的化学元素符号或主要用途的拼音字母 1 以结构钢 包括碳钢和低合金钢 焊条为例 J422 其中 J 结构钢焊条42 熔敷金属的抗拉强度大于等于420MPa2 药皮类型 钛钙型 和电源种类 交直流 J507CuP 低氢型药皮 直流 熔敷金属抗拉强度不低于490MPa 结构钢焊条 以J507CuP焊条为例 用于焊接铜磷钢 有抗大气和耐海水腐蚀的特殊用途 作电极传导电流 产生电弧作填充金属 调整成分 机械保护作用 气体和熔渣 冶金处理 熔渣 改善焊接工艺性 引弧容易燃烧稳定 焊条的组成 焊芯的作用 药皮的作用 专用焊接金属丝 由多种矿石粉铁合金配成 电焊条的组成 引弧端 焊芯材料用量最多的是H08 H08A和H08E 电焊条的选用 不锈钢 耐热钢焊条 按相同成分选择焊条结构钢焊条 按等强原则选相同强度等级焊条 焊缝和母材具有相同水平的使用性能 选用原则 例 16Mn 抗拉强度520Mpa 可选用E5003 J502 E5015 J507 E5016 J506 焊剂 焊剂 焊接时能够熔化形成熔渣和气体 对熔化金属起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质 焊剂和焊丝都是埋弧焊 电渣焊时使用的焊接材料 焊剂相当于焊条药皮 焊丝相当于焊条药芯 熔炼焊剂形成 特点和分类 1 形成 块状组分 电弧炉1500 1550 熔炼 熔融态经水冷粒化 烘干 筛选 2 特点 多数为MnO SiO2 CaF2为主的酸性 中性焊剂 工艺性能好 不能含脱氧剂和合金剂 合金化能力差 抗潮性极强 可长期保存 用前不烘干 3 分类 成分 化学性质 颗粒结构 按制造方法分类 非熔炼焊剂熔炼焊剂 焊剂的类型 非熔炼焊剂的特点 形成和分类特点 可制成酸性 碱性 高碱性可加脱氧剂 合金剂 抗锈 合金化能力强 吸潮性强 不易保存分类和形成粘结焊剂 粉状组分 加水玻璃粘合 成团 粒化 经约400 烘干烧结焊剂 粉状组分 加水玻璃粘合 成团 粒化 经约1000 烘干 GB5293 1999 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂 型号中 F 表示焊剂 第一位数字表示焊丝 焊剂组合的熔敷金属抗拉强度的最小值 包括抗拉强度 屈服强度和延伸率 第二位字母表示试件的热处理状态 A 表示焊态 P 表示焊后热处理状态 第三位数字表示熔敷金属冲击吸收功不小于27J时的最低试验温度 后面表示焊丝牌号 完整的焊丝 焊剂型号示例如下 焊剂型号和牌号编制方法 熔炼焊剂的牌号字母 HJ 焊剂 表示埋弧焊及电渣焊焊剂 第一数字表示焊剂中MnO含量 HJ 无锰HJ 低锰HJ 中锰HJ 高锰 第 位数字表示焊剂中氧化硅 氟化钙含量焊剂 低硅低氟焊剂 中硅低氟焊剂 高硅低氟焊剂 低硅中氟焊剂 中硅中氟焊剂 高硅中氟焊剂 低硅高氟焊剂 中硅高氟焊剂 待发展 牌号第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号按 顺序排列对同一牌号焊剂生产两种粒度时 在细粒产品后加一个细字 X 例如 HJ431 焊剂431 表示埋弧焊及电渣焊所用焊剂 高锰高硅低氟型 烧结焊剂的牌号字母 SJ 焊剂 表示埋弧焊用烧结焊剂 第一位数字表示焊剂熔渣的渣系类型 第 3位数字表示同一渣系类型的烧结焊剂的不同牌号 按01 02 09顺序编排 焊丝的型号和牌号 1 气体保护焊用碳钢 低合金钢焊丝型号表示方法为ER ER 表示焊丝 ER后的两位数字表示熔敷金属的抗拉强度最低值 短划 后面的字母或数字表示焊丝化学成分分类代号 其他化学元素用元素符号表示 以短划 与前面数字分开 型号 实芯焊丝H08Mn2SiA药芯焊丝YJ422 1有色金属 铸铁焊丝HS221 牌号 焊条 焊丝及焊剂的选用 焊缝机械性能与基体金属一致 其次 在化学成分方面接近基体还应根据焊接位置及板厚确定药皮类型 Chapter5焊接结构设计 第一篇连接成形理论基础 重点和难点 焊接结构的设计要求和原则焊接接头的设计 接头 坡口等 焊接结构的设计案例 焊接结构设计的基本要求和遵循原则 基本要求 实用性 安全性 工艺性和经济性等 遵循原则 1 合理选择材料的种类 尽量采用标准件 通用件和型材 2 合理地设计结构形式 尽量采用简洁明快的结构构造形式 采用最简单和最合理的接头形式 并且种类越少越好 减少短而不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构 3 合理地布置焊缝 例如对称布置焊缝 避免焊缝交叉 密集 重要的工作焊缝要连续 次要的联系焊缝可用断续焊缝 这有利于焊接施工和减少焊接工作量 便于控制焊接应力和变形 4 施工方便并考虑改善工人劳动条件 设计结构时就要考虑到日后施工的很多问题 如可达性问题 保证各种施工必需的操作空间问题等 焊接接头形式 对接接头 角接接头及T字形接头 搭接接头 焊接接头形式 a 对接接头 b 角接接头 c 搭接接头焊接接头的三种形式 焊接坡口 为保证全熔透和焊接质量 减少焊接变形 施焊前 一般将焊件连接处预先加工成各种形状 不同的焊接坡口 适用于不同的焊接方法和焊件厚度 坡口形式 形 V型 单边V形 U形 J形 基本坡口形状 组合形状 坡口形状 特殊形状 坡口形式的选择 熔焊坡口形式根据其形状可分为三类 基本型 I形 V形和单V形 U形和单U形等 特殊型 如卷边的 带垫板的 锁边的和塞焊 开槽焊等 组合型 压焊接头电阻焊 摩擦焊 扩散焊 超声波焊和爆炸焊统称为压焊 其中电阻焊和摩擦焊应用最广 电阻焊和摩擦焊在汽车工业中应用很普遍 电阻焊中的点焊和缝焊多是采用搭接接头 摩擦焊接头通常采用对接接头 钎焊接头钎焊接头也有多种类型 但基本类型只有对接接头和搭接接头两种 坡口形式的选择 1 工厂的加工条件 采用双V形 Y形 单边V形 双单边V形 V形 I形等坡口可用气割 等离子弧切割或金属切削方法加工 但双U形 带钝边U形 带钝边J形 U形 Y形坡口一般需用刨边机加工 效率较热切割低 2 可达性的好坏 采用Y形 带垫板Y形 带垫板V形 VY形 上图g 带钝边的U形 上图h 等坡口的接头 施焊时 一般可不需翻转 内径较小的容器或管道 不便翻转的结构 为避免仰焊及不能从内侧施焊 可采用这种坡口和焊缝形式 坡口形式的选择 3 减小焊接材料的消耗量 一般熔敷金属量小 焊接材料消耗也小 也节省加工时间 同样板厚 Y形比双Y形坡口的熔敷金属量增加最大可达50 双U形或UY形则更加节省熔敷金属 因此 常用于大厚度的焊接接头 4 考虑焊接变形与应力 例如 单面焊可能引起角变形和焊缝根部的严重焊接残余应力 此时要考虑材料 母材 特点 采用适当的工艺和坡口形式 以便获得合格的接头 易于保证焊接质量 所有的纵向及环向焊接接头 凸形封头上的拼接焊接接头 必须采用对接接头外 其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头 焊接结构设计的基本原则 1 尽量采用对接接头 角焊缝 改用对接焊缝 图5