金属工艺学(焊接上课).ppt

金属工艺学 主讲 周洁安农大工学院 第四篇焊接 一 概念焊接是两种或两种以上的材料 同种或异种 通过原子或分子之间的结合和扩散造成永久性联接的工艺过程 二 分类1 熔化焊 将工件焊接处局部加热到熔化状态 形成熔池 通常还加入填充金属 冷却结晶后形成焊缝 被焊工件结合为不可分离的整体 2 压力焊 在焊接过程中无论加热与否 均需要加压的焊接方法 3 钎焊 采用熔点低于被焊金属的钎料 填充金属 熔化之后 填充接头间隙 并与被焊金属相互扩散实现连接 钎焊过程中被焊工件不熔化 且一般没有塑性变形 钎焊 软钎焊 硬钎焊 三 生产特点1 节省金属材料 结构重量轻 2 以小拼大 化大为小 制造重型 复杂的机器零部件 简化铸造 锻造及切削加工工艺 获得最佳技术经济效果 3 焊接接头具有良好的力学性能和密封性 4 能够制造双金属结构 使材料的性能得到充分利用 四 应用 焊接技术在机器制造 造船工业 建筑工程 电力设备生产 航空及航天工业等应用十分广泛 第一章电弧焊第二章其它常用焊接方法第三章常用金属材料的焊接第四章焊接结构设计 第一章电弧焊 电弧焊 是利用电弧热来局部熔化被焊工件及填充金属 然后凝固成坚实接头的焊接方法 电弧焊是现代焊接方法中应用最为广泛 最为重要的一类焊接方法 电弧焊在焊接生产劳动总量中所占比例一般在60 以上 第一节焊接电弧第二节焊接接头的组织与性能第三节焊接应力与变形第四节焊条电弧焊第五节埋弧焊第六节气体保护焊 第一节焊接电弧 一 实质电弧实质上是在一定条件下电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象 或者说是在两电极之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象 二 产生过程引燃焊接电弧时 通常是将两电极 一极为工件 另一极为填充金属丝或焊条 接通电源 短暂接触并迅速分离 两极相互接触时发生短路 形成电弧 这种方式称为接触引弧 电弧形成后 只要电源保持两极之间一定的电位差 即可维持电弧的燃烧 焊接电弧分为阳极区 阴极区和弧柱区 如图4 1所示 图4 1 三 特点电弧的热量与焊接电流和电弧电压的乘积成正比 电流越大 电弧产生的总热量就越多 一般情况下 阳极获得的能量略多于阴极 电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料不同而有所不同 一般来说 电弧中心区温度最高 由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异 因此使用直流电源焊接时 有正接和反接两种接线方法 正接是将工件接到电源的正极 焊条 或电极 接到负极 反接是将工件接到电源的负极 焊条 或电极 接到正极 如下图所示 正接时工件的温度相对高一些 如果焊接时使用的是交流弧焊机 则两极加热温度一样 因而不存在正接和反接问题 第二节焊接接头的组织与性能 一 焊接接头的组织与性能图4 3低碳钢焊接接头的组织1 焊缝因结晶时各个方向的冷却速度不同 从而形成柱状的铸态组织 由铁素体和少量珠光体组成 焊接时 晶粒有所细化 同时由于焊接材料的渗合金作用 焊缝金属的性能可能不低于母材金属的性能 2 焊接热影响区焊接热影响区是指焊缝两侧金属因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域 由于焊缝附近各点受热情况不同 热影响区可分为 1 熔合区 是焊缝和基体金属的交界区 也称半熔化区 因其强度 塑性和韧性都下降 而且此处接头断面变化 易引起应力集中 故熔合区对焊接接头性能影响不利 2 过热区 塑性及韧性降低 故对焊接接头性能也有不利影响 3 正火区 冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织 其力学性能优于母材 4 部分相变区 力学性能比正火区稍差 焊接热影响区的大小和组织性能变化的程度 决定于焊接方法 焊接参数 接头形式和焊后冷却速度等因素 同一焊接方法使用不同焊接参数时 热影响区的大小也不相同 在保证焊接质量的条件下 增加焊接速度或减少焊接电流都能减小焊接热影响区 第三节焊接应力与变形 一 焊接应力的产生与防止焊缝是靠一个移动的点热源加热 然后逐次冷却下来形成的 当焊缝及其相邻区金属处于加热阶段时都会膨胀 但受到焊件冷金属的阻碍 不能自由伸长而受压 形成压应力 该压应力使处于塑性状态的金属产生压缩变形 随后再冷却到室温时 其收缩又受到周边冷金属的阻碍 不能缩短到自由收缩所应达到的位置 因而产生残余拉应力 焊接应力 下图为平板对接焊缝和圆筒环形焊缝的焊接应力分布状况 a 纵向应力b 横向应力c 径向应力 焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能 其承载能力大为降低 甚至在外载荷改变时出现脆断的危险后果 对于接触腐蚀性介质的焊件 由于应力腐蚀现象加剧 将减少焊件使用期限 甚至产生应力腐蚀裂纹而报废 对于承受重载的重要结构件 压力容器等 焊接应力必须加以防止和消除 防止措施如下 1 在结构设计时 应选用塑性好的材料 应避免使焊缝密集交叉 避免使焊缝截面过大和焊缝过长 2 选择合理的焊接顺序 1 尽量使焊缝能自由收缩 这样产生的残余应力较小 图4 5为一大型容器底板的焊接顺序 若先焊纵横向焊缝3 再焊横向焊缝1和2 则焊缝1和2在横向和纵向的收缩都会受到阻碍 焊接应力增大 焊缝交叉处和焊缝上都极易产生裂纹 图4 5大型容器底板的拼焊顺序 2 采用分散对称焊工艺 长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接 这样加热时间短 温度低且分布均匀 可减小焊接应力和变形 如图4 6 图4 7所示 图4 6分散对称的焊接顺序图4 7长焊缝的分段焊a 退焊b 跳焊 3 焊前预热 即在焊前将工件加热到350 400 的高温 然后再进行焊接 预热可使焊缝区金属和周围金属的温差减小 焊后又可比较均匀地同时缓慢冷却 从而显著减小焊接应力 4 焊接中采用小能量焊接方法或锤击焊缝 5 当需较彻底地消除焊接应力时 可采用焊后去应力退火 二 焊接变形及其防止1 基本类型 2 防止措施 1 结构设计时 采用对称结构或大刚度结构 焊缝对称分布结构 2 反变形 焊接前预测焊接变形量和变形方向 在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向进行人为的变形 以达到抵消焊接变形的目的 如图所示 3 加裕量法 根据经验 在工件下料尺寸上加一定裕量 通常为0 1 0 2 以补充焊后的收缩 4 刚性夹持法 利用夹具 胎具等强制手段 以外力固定被焊工件来减小焊接变形 如图所示 该法能有效地减小焊接变形 但会产生较大的焊接应力 所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构 3 矫正方法 1 机械矫正 利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形 如图所示为工字梁弯曲变形的机械矫正 这种方法适用于塑性较好 厚度不大的焊件 2 火焰矫正 利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形 这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢 图示为T形梁上拱变形的火焰矫正方法 三 裂纹的产生与防止焊接应力过大的严重后果是使焊件产生裂纹 焊接裂纹存在于焊缝或热影响区的熔合区中 而且往往是内裂纹 危害极大 因此 对重要焊件 焊后应进行焊接接头的内部探伤检查 防止措施 合理选材 选用合理的焊接工艺和焊接参数 第四节焊条电弧焊 焊条电弧焊 即手工电弧焊 是利用焊条与工件间产生电弧热 手工操作将工件和焊条熔化而进行焊接的方法 焊条电弧焊是最常用的焊接方法 优点 设备简单 操作方便 灵活 并可实现全方位焊接 尤适用于形状复杂 尺寸小 焊缝短或弯曲及难以实现自动化焊接的焊件 一 焊接过程电弧在焊条与被焊工件之间燃烧 电弧热使工件和焊芯同时熔化形成熔池 同时也使药皮熔化和分解 焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用过渡到熔池当中 与母材的一部分共同成为焊接金 即形成焊缝 当电弧向前移动时 工件和焊条不断熔化汇成新的熔池 原来的熔池则不断冷却凝固 构成连续的焊缝 覆盖在焊缝表面的熔渣也逐渐凝固成为固态渣壳 二 电焊条电焊条由金属芯 即焊芯 和外层涂敷的药皮两部分组成 焊条可按熔渣性质分为酸性焊条和碱性焊条两大类 1 酸性焊条 药皮熔渣中酸性氧化物比碱性氧化物多的焊条 缺点 1 焊缝质量较低 力学性能较低 2 脱O S P能力差 氧化程度较高 优点 1 工艺性较好 2 内部气孔和杂质较少 3 成本较低 主要用于非重要构件 2 碱性焊条 熔渣中碱性氧化物比酸性氧化物多的焊条 由于用碱性焊条焊接时焊缝中含氢量极低 故又称低氢焊条 优点 焊缝质量高 抗冲击能力强缺点 1 操作性差 焊前需烘干焊件 仔细清理焊件坡口 不允许残留有油 锈和氧化皮等脏物 2 电弧不稳定 3 价格高适合于焊接重要结构件 第五节埋弧焊 一 焊接过程电弧埋在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称埋弧焊 也称溶剂层下电弧焊 如图所示为埋弧焊的纵截面图 焊接时 光焊丝插入粒状焊剂中 引弧后自动焊机头带着焊丝自动均匀地向前移动 或是焊机不动 工件相对运动 在焊丝前面 焊剂不断从送料斗中流动 撒在工件表面 电弧燃烧后 工件与焊丝被熔化成较大体积的熔池 由于电弧向前移动 熔池金属被电弧气体排挤向后堆积形成焊缝 二 特点1 优点 1 生产率高 由于电流较大 单位时间内焊丝的熔化量显著增加 焊缝的熔深也增加 从而提高了生产率 2 焊缝质量好 由于焊剂对电弧空间的有效保护 防止了空气的侵入 焊缝的化学成分和性能较均匀 此外由于熔深较大 不易产生未焊透的缺陷 同时也消除了手工焊中因更换焊条而容易引起的一些缺陷 因此埋弧焊焊缝表面光洁平直 3 节省材料 埋弧焊由于焊剂保护 金属飞溅少 还消除了手工焊中焊条头的损失 4 改善劳动条件 埋弧焊消除了弧光对人体的有害作用 放出的有害气体较少 自动焊机减轻了工人的劳动强度 2 缺点 1 主要使用于水平焊缝焊接 2 只适于长焊缝的成批生产 3 不适合焊接厚度小于1mm的薄板 4 难以焊接铝 钛等氧化性强的金属及其合金 三 工艺 埋弧焊要求更仔细地下料 开坡口和装配 焊前应将焊缝两侧50 60mm内的一切污垢和铁锈除掉 以免产生气孔 埋弧焊一般在平焊位置焊接 用以焊接对接和丁字形接头的长直线焊缝和对接接头环形焊缝 由于引弧处和断弧处质量不易保证 焊前应在焊缝两端焊上引弧板和引出板 如图所示 为了保持焊缝成形和防止烧穿 生产中常采用各种类型的焊剂垫和垫板 或者先用焊条电弧焊封底 第六节气体保护焊 气体保护焊是利用气体流保护电弧及熔池 以保证焊缝质量的一种电弧焊工艺 常用的保护气体有氩气 氦气 氢气 氮气和CO2气体 也有使用混合气体保护的 一 氩弧焊氩弧焊按所用电极的不同 可分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种 1 不熔化极氩弧焊不熔化极氩弧焊以高熔点的铈钨棒作为电极 焊接时 铈钨棒不熔化 只起导电与产生电弧的作用 但因电极所能通过的电流有限 所以只适合焊接厚度6mm以下的工件 焊接钢材时 多用直流电源正接 以减少钨极的烧损 焊接铝 镁及其合金时 则用直流反接或交流电源 因极间质量很大的氩气正离子撞击工件熔池表面 可使氧化膜破碎 有利于焊件金属熔合和保证焊接质量 氩弧焊这种去除氧化膜的作用称为 阴极破碎 作用 2 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊焊丝本身作为电极 焊接电流可以大大提高 因而母材熔深大 焊丝熔敷速度快 提高了劳动生产率 所以在中等厚度以上的铝及其合金 钛合金 不锈钢等焊接中 熔化极氩弧焊获得了较为广泛的应用 熔化极氩弧焊一般采用直流反接法 不仅电弧稳定 而且焊铝时可清除焊缝表面的氧化膜 3 特点 1 由于用惰性气体作保护 故适于焊接各类合金钢 易氧化的非铁金属及稀有金属 2 电弧稳定 飞溅小 焊缝致密 表面没有熔渣 成形美观 3 电弧和熔池区受气流保护 明弧可见 便于操作 容易实现全位置自动焊接 4 电弧在气流压缩下燃烧 热量集中 熔池较小 焊接速度较快 焊接热影响区较窄 因而工件焊后变形小 由于氩气价格较高 氩弧焊目前主要用于焊接铝 镁 钛及其合金 也用于焊接不锈钢 耐热钢和一部分重要的低合金结构钢焊件 二 CO2气体保护焊CO2气体保护焊和熔化极氩弧焊的工作原理及焊接过程基本相同 就是保护气体采用的是CO2 CO2具有强烈的氧化性 使合金元素氧化 所以目前CO2气体保护焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等金属 为防止焊缝产生氢气孔 焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈 尽可能使用含水分低的CO2气体 采用直流反接法 优点 1 成本低 CO2气体来源广 价格低 2 生产率高 由于焊丝送进是机械化或自动化进行 电流密度较大 电弧热量集中 故焊接速度较快 3 操作性能好 CO2气体保护焊是明弧焊 焊接中可清楚地看到焊接过程 容易发现问题并及时调整处理 CO2保护焊如同焊条电弧焊一样灵活 适合于各种位置的焊接 CO2保护焊主要用于焊接30mm以下厚度的低碳钢和部分低合金结构钢焊件 尤其适宜于薄板焊接 第二章其它常用焊接方法 第一节电阻焊第二节摩擦焊第三节钎焊 第一节电阻焊 电阻焊是利用电流通过焊件及其接触处产生的电阻热 将连接处加热到塑性状态或局部熔化状态 再施加压力形成接头的焊接方法 属于压力焊 电阻焊时产生的热量可根据焦耳 楞次定律计算 Q I2Rt式中 Q 电阻热 I 焊接电流 R 工件总电阻 包括接触电阻和内部电阻 t 通电时间 电阻焊分为点焊 缝焊和对焊三种型式 一 点焊1 概念 利用柱状电极加压通电 在搭接工件接触面之间焊成一个个焊点的一种焊接方法 2 焊接过程 点焊时 焊接电流接通以前 应预加一定的电极压力 使电极与焊件间 焊件与焊件间保持一定的接触电阻 预加压力后即可接通电流 焊件通电后 两电极接触表面间的金属圆柱内电流密度最大 产生的电阻热最多 在正常情况下 只有电流密度最大 电阻热最多的焊件接触面上才被加热到熔化状态 形成熔化核心 并在电极压力下形成焊点 当焊点加热结束后 焊接电流切断后 电极压力应继续保持 使焊件在电极压力作用下产生挤压变形 消除应力 裂纹和缩孔 此时电极所加的压力叫作顶锻压力 3 分流现象电阻接触焊接时 绕过焊接区的一部分电流叫作分流 分流使焊接处电流减小 影响焊接质量 影响分流的因素包括点距和工件厚度 随着点距的增加 使分路电阻增大 因此分流程度减小 随着焊件厚度的减小 分流程度也随之减小 4 焊接规范参数不同的焊接电流和通电时间相配合 可得到以加热速度快慢为主要特点的两种不同规范 即硬规范和软规范 硬规范是在较短的时间内通以较大的焊接电流 它生产率高 电极磨损少 热影响区小 焊接变形小 但由于焊接电流大 对通电时间必须精确控制 否则可能引起加热不足或过烧飞溅等缺陷 对于象铝合金这样高导电性和高导热性的材料 必须采用硬规范 软规范则是在较长时间内通以较小的焊接电流 由于加热时间长 所以散失的热量也较多 因此对于高导电性和高导热性的金属不适用 而对焊后容易产生淬硬组织倾向的金属较为合适 处于硬规范和软规范之间的焊接电流与通电时间的配合称为中等规范 焊接参数还包括电极压力 焊件表面状态和接头形式 点焊焊件都采用搭接街头 如图所示为几种典型的点焊接头形式 5 适用范围 主要用于焊接各种薄板 冲压结构及钢筋 目前已广泛应用于制造汽车 飞机及车箱等轻型结构 二 缝焊缝焊与点焊相似 只是电极是旋转的滚盘 焊件在旋转滚盘的带动下前进 如图所示 当电流连续或断续地通过焊件时 形成一个个彼此重叠的焊点 构成一条连续的焊缝 因此称为缝焊 缝焊的焊接接头形式也是搭接 由于焊点重叠 故分流现象较严重 因此焊件厚度一般不超过2mm 缝焊时 焊点相互重叠50 以上 密封性良好 主要用于要求气密性的薄壁容器上 如汽车的油箱等 三 对焊 把两工件相对放置 利用电阻热使两个工件在整个端面上加热 在顶锻压力作用下 对接起来的焊接方法 根据焊接过程的不同 可分为电阻对焊和闪光对焊 1 电阻对焊 如图所示 先加预压 使两焊件的端面紧密接触 再通电加热 接触处升温至塑性状态 然后断电同时施加顶锻力 使接触处产生一定的塑性变形而焊合 特点 操作简单 接头外观光滑 毛刺小 但对焊件端面加工和清理要求较高 电阻对焊一般仅用于断面简单 截面积小于250mm2和强度要求不高的杆件对接 材料以碳钢 纯铝为主 2 闪光对焊如图所示 先接通电源 再使焊件靠拢接触 开始接触时为点接触 电流通过接触点产生很大的电阻热 使接触点迅速熔化 并在电磁力作用下爆破飞出 产生闪光 保持一定时间后 端面达到均匀半熔化状态 并在一定范围内形成一塑性层 而且多次闪光将端面的氧化物清除干净 于是断电并加压顶锻 挤出熔化层 并产生大量塑性变形而使焊件焊合 特点 接头中夹杂少 质量高 常用于焊接重要件 闪光对焊可焊接的材料较多 不仅能焊接同种金属 还能焊接异种金属 但闪光对焊时焊件烧损较多 且焊后有毛刺需要清理 闪光对焊焊接单位面积焊件所需的焊机功率较电阻对焊小 有利于焊接大截面的焊件 闪光对焊用于杆状件对接 如刀具 管子 钢筋 钢轨 车圈等 第二节摩擦焊 一 概念 将工件接触表面之间进行机械摩擦 使接头处温度升高达到塑性状态时 再施加压力所完成的焊接方法 二 形式1 一侧焊件旋转法 一个焊件固定不动 另一个作旋转运动 如图所示 是最简单的方法 主要用于长度不大的焊件 2 两侧焊件旋转法 两个焊件作相反方向旋转 其后两端同时加压 如图所示 用于要求快速加热的情况 PP 三 焊接规范摩擦焊受被焊件形状的限制 即其中至少有一个焊件是旋转体 接头一般是等端面的 也可以是不等断面的 接头形式必须是圆柱形或圆环形的 四 特点与应用1 特点 1 节省电能 2 设备简单 易于实现机械化 自动化 生产率高 3 适用金属范围广 适用于很多金属与非金属 特别是异种金属的焊接和高导电性及高导热性金属的焊接 2 应用 目前已广泛应用于管子 圆形棒料等焊件的焊接中 第三节钎焊 一 概念钎焊是采用与母材不同的且熔点较低的材料作为填充金属 利用填充金属与母材之间的扩散作用 把两工件连接起来的焊接方法 钎焊中 把填充金属称作钎料 二 特点1 钎焊时只有钎料熔化 而母材处于固体状态 2 熔化的钎料依靠润湿和毛细作用吸入或保持在零件的间隙内 3 依靠液态钎料和固态钎焊金属 母材 的相互扩散而形成金属结合 三 优缺点及适用范围1 优点 1 焊件质量好 2 适用范围广 可焊接性能差异很大的异种金属 甚至可焊接金属与非金属 此外 钎焊对工件厚度的差别也没有严格限制 3 生产率很高 工件整体加热钎焊时 可同时钎焊多条接缝组成的复杂形状构件 因此提高了生产率 4 设备简单 投资费用少 2 缺点 一般情况下 钎焊缝的强度和耐热能力都较母材低 因较多采用搭接接头形式 从而增加了结构重量 3 应用 适宜于连接精密 微型 复杂 多钎缝及异种金属的焊接 四 分类 根据钎料熔点不同 可分为硬钎焊与软钎焊两种 1 硬钎焊 钎料熔点在450 以上 接头强度高 适于钎焊受力较大或工作温度较高的工件 如刀具的焊接 2 软钎焊 钎料熔点在450 以下 接头强度较低 适于钎焊受力不大或工作温度较低的工件 如在常温下工作的仪表 导电元件等 第四节电渣焊 一 概念电渣焊 是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源来熔化电极和焊件 从而形成焊缝的焊接方法 是一种厚板焊接技术 二 焊接过程焊接时 先将颗粒状焊剂装入接头空间至一定高度 然后焊丝在引弧板上引燃电弧 将焊剂熔化形成渣池 当渣池达到一定深度时 电弧被淹没而熄灭 电流通过渣池产生电阻热 进入电渣焊过程 渣池温度将焊丝和焊件边缘迅速熔化 形成熔池 随着熔池液面的升高 冷却滑块也向上移动 渣池则始终浮在熔池上面作为加热的前导 熔池底部结晶 形成焊缝 1 工件2 焊丝3 渣池4 熔池5 冷却铜滑块6 焊缝7 8 冷却水进 出管 三 特点1 生产率高 对大厚度的焊件可一次焊成 不仅提高了生产率 而且可用铸 锻 焊组合结构来代替重型机械上巨大的铸 锻整体结构 大大简化了大型结构的制造工艺 且使特大型设备的制造称为可能 2 焊接材料消耗少 大厚度的焊件不需开坡口 只要使焊件的焊接面之间保持20 40mm的间隙就可焊接 减少了加工坡口时母材的损耗 焊剂的消耗比埋弧焊少15 20 用来熔化焊剂的电能消耗也大大减少 3 焊缝质量好 焊缝金属比较纯净 夹杂物少 且热影响区不易产生淬硬组织 第三章常用金属材料的焊接 第一节金属材料的焊接性第二节碳钢的焊接第三节合金结构钢的焊接第四节铸铁的补焊第五节非铁金属及其合金的焊接 第一节金属材料的焊接性 一 概念焊接性 在采用一定焊接方法 焊接材料 工艺参数及结构形式的条件下 获得优质焊接接头的难易程度 即其对焊接加工的适应性 焊接性一般包括两个方面 1 接合性能 工艺焊接性 在给定的焊接工艺条件下 形成完好焊接接头的能力 特别是接头对产生裂纹的敏感性 2 使用性能 使用焊接性 已焊成的焊接接头在使用条件下安全运行的能力 包括焊接接头的力学性能和其它特殊性能 如耐高温 耐腐蚀 抗疲劳等 二 钢材焊接性的估算方法影响钢材焊接性的主要因素是化学成分 在各种元素中 碳的影响最为明显 其它元素的影响可折合成碳的影响 因此可用碳当量法来估算被焊钢材的焊接性 碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为 生产实践表明 碳当量越大 焊接性越差 一般认为 wCE0 6 时 钢的淬硬和冷裂倾向严重 焊接性很差 一般不用于生产焊件 第二节碳钢的焊接 一 低碳钢的焊接低碳钢含碳量低 wC 0 25 塑性很好 淬硬倾向小 不易产生裂纹 所以焊接性最好 焊接时 任何焊接方法和最普通的焊接工艺即可获得优质的焊接接头 但由于施焊条件 结构形式不同 焊接时还需注意以下问题 1 在低温环境下焊接厚度大 刚性大的结构时 应该进行预热 否则容易产生裂纹 2 重要结构焊后要进行去应力退火以消除焊接应力 低碳钢对焊接方法几乎没有限制 应用最多的是手工电弧焊 埋弧焊 气体保护电弧焊和电阻焊 二 中碳钢的焊接中碳钢含碳量在0 25 0 60 之间 有一定的淬硬倾向 焊接接头容易产生低塑性的淬硬组织和冷裂纹 焊接性较差 中碳钢的焊接结构多为锻件和铸钢件 或进行补焊 焊接方法 手工电弧焊 焊接时 应采取焊前预热 焊后缓冷等措施以减小淬硬倾向 减小焊接应力 三 高碳钢的焊接高碳钢含碳量大于0 60 其焊接特点与中碳钢基本相同 但淬硬和裂纹倾向更大 焊接性更差 一般这类钢不用于制造焊接结构 大多是用手工电弧焊或气焊来补焊修理一些损坏件 焊接时 应注意焊前预热和焊后缓冷 第三节合金结构钢的焊接 合金结构钢分机械制造用合金结构钢和低合金结构钢两类 焊接结构中 用得最多的是低合金结构钢 又称低合金高强钢 强度级别 400MPa的低合金结构钢 wCE0 4 存在淬硬和冷裂问题 其焊接性与中碳钢相当 焊接时需要采取一些工艺措施 如焊前预热 预热温度150 左右 可以降低冷却速度 避免出现淬硬组织 适当调节焊接工艺参数 可以控制热影响区的冷却速度 保证焊接接头获得优良性能 焊后热处理能消除残余应力 避免冷裂 低合金结构钢含碳量较低 对硫 磷控制较严 手工电弧焊 埋弧焊 气体保护焊和电渣焊均可用于此类钢的焊接 以手工电弧焊和埋弧焊较常用 第四节铸铁的焊补 铸铁含碳量高 组织不均匀 塑性很低 属于焊接性很差的材料 因此不应用铸铁设计和制造焊接构件 但铸铁件常出现铸造缺陷 铸铁零件在使用过程中有时会发生局部损坏或断裂 用焊接手段将其修复 具有很大的经济性 所以 铸铁的焊接主要是焊补工作 铸铁的焊接特点 1 熔合区易产生白口组织 2 易产生裂纹 3 易产生气孔 此外 铸铁的流动性很好 立焊时熔池金属容易流失 所以一般只应进行平焊 根据铸铁的焊接特点 采用气焊 焊条电弧焊进行补焊较为合适 铸铁补焊的方法有 1 热焊及半热焊 焊前将焊件预热到一定温度 400 以上 采用同质焊条 选择大电流连续补焊 焊后缓冷 其特点是焊接质量好 生产率低 成本高 劳动条件差 2 冷焊 采用非铸铁型焊条 焊前不预热 焊接时采用小电流 分散焊 减小焊件应力 焊缝的强度 颜色与母材不同 加工性能较差 但焊后变形小 劳动条件好 成本低 第五节非铁金属及其合金的焊接 一 铜及铜合金的焊接存在问题 1 难熔合 2 裂纹倾向大 3 焊接应力和变形较大 4 容易产生气孔 此外 焊接黄铜时 会产生锌蒸发 一方面使合金元素损失 造成焊缝的强度 耐蚀性降低 另一方面 锌蒸汽有毒 对焊工的身体造成伤害 焊接方法 氩弧焊 气焊和手工电弧焊 其中氩弧焊是焊接紫铜和青铜最理想的方法 黄铜焊接常采用气焊 此外 因为铜的电阻极小 因此不适合电阻焊 为保证焊接质量 在焊接铜及铜合金时还应采取以下措施 1 为了防止Cu2O的产生 可在焊接材料中加入脱氧剂 如采用磷青铜焊丝 即可利用磷进行脱氧 2 清除焊件 焊丝上的油 锈 水分 减少氢的来源 避免气孔的形成 3 厚板焊接时应以焊前预热来弥补热量的损失 改善应力的分布状况 焊后锤击焊缝 减小残余应力 焊后进行再结晶退火 以细化晶粒 破坏低熔共晶 二 铝及铝合金的焊接存在问题 1 铝及铝合金表面极易生成一层致密的氧化膜 其熔点远远高于纯铝的熔点 在焊接时阻碍金属的熔合 且由于密度大 容易形成夹杂 2 易在焊缝中形成气孔 3 焊接应力很大 对于厚度大或刚性较大的结构 焊接接头容易产生裂纹 4 铝及铝合金高温时强度和塑性极低 很容易产生变形 且高温液态无显著的颜色变化 操作时难以掌握加热温度 容易出现烧穿 焊瘤等缺陷 焊接方法 氩弧焊 电阻焊 气焊 其中氩弧焊应用最广 电阻焊应用也较多 气焊在薄件生产中仍在采用 电阻焊焊接铝合金时 应采用大电流 短时间通电 焊前必须清除焊件表面的氧化膜 如果对焊接质量要求不高 薄壁件可采用气焊 焊前必须清除工件表面氧化膜 焊接时使用焊剂 并用焊丝不断破坏熔池表面的氧化膜 焊后应立即将焊剂清理干净 以防止焊剂对焊件的腐蚀 第四章焊接结构设计 在焊接结构的生产制造中 除考虑使用性能之外 还应考虑制造时焊接工艺的特点及要求 才能保证在较高的生产率和较低的成本下 获得符合设计要求的产品质量 焊接件的结构工艺性应考虑到各条焊缝的可焊到性 焊缝质量的保证 焊接工作量 焊接变形的控制 材料的合理应用 焊后热处理等因素 第一节焊接结构件材料的选择第二节焊接接头的工艺设计 第一节焊接结构件材料的选择 焊接结构在满足工作性能要求的前提下 首先要考虑选择焊接性较好的材料 低碳钢和碳当量小于0 4 的低合金钢都具有良好的焊接性 设计中应尽量选用 含碳量大于0 4 的碳钢 碳当量大于0 4 的合金钢 焊接性不好 设计时一般不宜选用 若必须选用 应在设计和生产工艺中采取必要措施 焊接同种金属时 在选择焊接材料时 通常总是力求使它的成分尽量接近基体金属的成分 只有在要求提高焊缝金属的机械强度时 才允许焊接材料的成分与基体金属略有不同 异种金属的焊接 必须特别注意它们的焊接性及其差异 一般要求接头强度不低于被焊钢材中的强度较低者 并应在设计中对焊接工艺提出要求 按焊接性较差的钢种采取措施 如预热或焊后热处理等 对不能用熔焊方法获得满意接头的异种金属应尽量不选用 一 焊缝布置1 尽可能分散布置焊缝 如图所示 焊缝集中分布容易使接头过热 材料的力学性能降低 两条焊缝的间距一般要求大于三倍或五倍的板厚 且不小于100mm a 不合理 b 合理 第二节焊接接头的工艺设计 2 尽量减少焊缝数量 采用型材 管材 冲压件 锻件和铸钢件等作为被焊材料 这样不仅能减小焊接应力和变形 还能减少焊接材料消耗 提高生产率 如图所示箱体构件 如采用型材 图b 或冲压件 图c 焊接 可较板材 图a 减少两条焊缝 a b c 3 尽可能对称分布焊缝 如图所示 焊缝的对称布置可以使各条焊缝的焊接变形相抵销 对减小梁柱结构的焊接变形有明显的效果 a 不合理 b 合理 4 焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位 如图所示 以防止焊接应力与外加应力相互叠加 造成过大的应力而开裂 不可避免时 应附加刚性支承 以