金属加工工艺学 第四篇

第四章 焊 接 概 述 一 、 金属焊接成形 用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结 合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。 二、焊接成形的分类 1熔化焊： 2压力焊： 3钎焊： 电弧焊 （手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、 电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等 电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等 软钎焊、硬钎焊 三、焊接成形的特点 1接头 牢固、封性好。 2可化大为小、以小拼大。 3可实现异种金属的连接。 4重量轻、加工装配简单。 5焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。 1-1 焊条（手工）电弧焊的焊接过程 第一节 金属焊接成形工艺原理 一 、 手工电弧焊的特点 1 . 设备简单 、 应用灵活方便 。 2 . 劳动条件差 、 生产率低 、 质量不稳定 。 二、手工电弧焊焊接过程 引弧 形成熔池 形成焊缝 三、焊接电弧 1 . 焊接电弧的概念 焊条 工件 焊接电弧 具备两个条件 使气体电离 阴极发射电子 接触电阻： R 短路电流： I 电阻热： Q=I2Rt E=V/d d 在焊条末端和工件两极之间的气体介 质中，产生强烈而持久的放电现象。 + - d 焊接电弧的稳定燃烧 就是带电粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。 热电离 碰撞电离 2 . 电弧的构造及热量分布 阴极区： 阳极区： 弧柱区： 2400k 36% 2600k 42% 50008000k 21% 3 . 电弧的极性 直流电源 正接极 ： 直流电源 反接极 ： 工件 正极（阳极）；焊条 负极（阴极）。 工件 负极（阴极）；焊条 正极（阳极）。 用于薄板金属的焊接 1-2 焊接冶金过程与电焊条 一、熔焊冶金过程特点 1 . 熔池温度 2 . 反应过程短 熔池金属冷却快，处于液态的时间短 焊接钢材时，熔池温度在 16 00 以上 使金属元素强烈蒸发、烧损。 10s 化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。 3 .冶金条件差 空气、铁锈、油污等对焊缝的影响严重 O2 O Fe+ O FeO Mn+ O MnO Si+ O SiO2 C+O CO 1） O2 ： 氧化的结果 合金元素被烧损； 焊缝产生夹渣的缺陷； 形成 CO气孔。 2） N2 ： Fe+N Fe4N、 Fe2N 使接头的塑性、韧性下降。 3） H2 ： 氢气孔 氢脆 二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施 1. 对焊接区域采取保护措施 减少有害气体进入熔池； 2. 对熔池进行冶金处理 渗入合金元素、清 除 已进入熔池的有害元素。 N N2 H H2 三、电焊条 1. 电焊条的组成及作用 电焊条 焊条芯 药皮 焊缝的 填充材料 填充焊缝 电极 传导电流 导电 机械保护 的作用 冶金 的作用 稳定电弧 的作用 焊条芯 药皮 氧化钛型； 氧化钛钙型； 钛钙型； 氧化铁型； 高纤维素型； 低氢钾型； 低氢钠型； 石墨型； 盐基型。 2. 电焊条的分类 结构钢焊条 J； 钼和铬耐热钢焊条 R； 低温钢焊条 W； 不锈钢焊条 A； 堆焊焊条 D； 铸铁焊条 Z； 镍及镍合金焊条 Ni ； 铜及铜合金焊条 T； 铝及铝合金焊条 L； 特殊用途焊条 TS J 4 2 2 药皮种类（钙钛型） 抗拉强度 结构钢焊条 E 5 0 15 药皮种类（低氢型）和电流种类 抗拉强度 结构钢焊条 全位置焊接 酸性焊条： 碱性焊条： 在熔渣中以酸性氧化物为主 （ TiO2、 SiO2、 Fe2O3） 在熔渣中以碱性氧化物为主 （ K2O、 Na2O、 CaO、 MnO） 三、电焊条的选用 1.等强度原则 根据被焊工件的强度选用 2.等化学成分原则 根据被焊工件的化学成分选用 3. 根据被焊工件工作条件和结构选用 4. 低成本原则 一、 焊接热循环 焊接接头 焊缝区 焊接热影响区 1） 焊缝区 熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。 2） 焊接热影响区 二、 焊接接头金属组织与性能的变化 焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用， 其组织和性能发生变化的区域 。 1-3 焊接接头金属的组织与性能 熔合区 是焊缝和母材金属的交界区。（ 0.1-1mm） 加热温度： T液 T固 强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。 过热区 加热温度： T固 1100 塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。 在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（ 1-3mm） 正火区 加热温度： 1100 AC3 在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（ 1.2-4mm） 力学性能优于母材。 部分相变区 在热影响区内发生部分相变的区域。 加热温度： AC3AC1 力学性能较母材稍差。 力学性能最差的区域： 熔合区 和 过热区 3. 焊接参数 小电流、快速焊接； 4. 熔合比 (sm/(sm+st) 小； 5. 焊后热处理 正火 1-4 焊接应力与变形 一、焊接应力与变形产生的原因 焊接应力与变形产生的根本原因是： 焊件 (工件）在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。 三、影响焊接接头性能的因素 1. 焊剂与焊芯； 2. 焊接方法 采用先进的焊接方法 ； L0 焊接应力状态： 焊缝区域 拉应力 两侧冷金属 压应力 焊接变形： 焊件整体缩短 L 二、焊接变形的基本形式 1 . 收缩变形 2 . 角变形 3 . 弯曲变形 4 . 扭曲变形 5 . 波浪形变形 三、减小焊接应力与变形的措施 1 . 焊接应力的防止及消除措施 1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。 2）合理选择焊接顺序。 （ ） （ ） （ ） 1 2 3）锤击或碾压焊缝 4）加热“减应区”法 5）焊前预热（ 150 450 ）、焊后缓冷 6）焊后进行 去应力退火 可消除应力 80%左右 2 . 焊接变形的防止及矫正措施 1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。 2）合理选择焊接顺序。 1 2 3 4 1 4 3 2 1 2 3 4 3）加裕量法。 4）反变形法。 1 2 3 4 5 6 1 4 5 2 3 6 1 2 3 4 5）采用焊前刚性固定法。 6）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。 7）焊接变形的矫正 机械矫正 火焰矫正 第二节 常用焊接成形方法 2-1 熔化焊 一、埋弧焊 焊接电源 控制箱 焊接小车 焊接热源：电弧热 溶池保护：焊剂（气、渣 ） 1. 埋弧自动焊设备及焊接过程 2. 埋弧自动焊工艺 1）焊前准备 2)采取防漏措施 双面焊；手工电弧焊封底；焊剂垫；采用锁底坡口；水冷铜垫板。 板厚在 2025mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板厚在 1422mm应开 Y型坡口， 板 厚在 2250mm， 可开双 Y型坡口或 U型坡口。 3)要有引弧板和引出板 环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离 a；（ a=2040mm） 。直径小于 250mm一般不采用埋弧焊。 3. 埋弧自动焊工艺特点 1）生产率高（手弧焊的 510倍） 2）焊接质量高且稳定。 3）节约金属材料、生产成本低。 4）劳动条件好。 5）只能在水平位置焊接。 应用 ： 主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。 如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、起重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。 二、氩弧焊 利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。 焊接热源： 电弧热 保护介质： Ar Ar 不与金属发生化学反应 不产生夹渣缺陷 不溶解于液体金属中 不产生气孔缺陷 比重大于空气（ 25%） “ 阴极雾化 ” 作用 1）熔化极氩弧焊 25mm以下的工件 2）非熔化极氩弧焊 适于 6mm以下工件的焊接 熔化极亚弧焊 非熔化极亚弧焊 3）氩弧焊的特点及应用 机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观， 焊接质量优良。 电弧燃烧稳定，飞溅小。 焊接热影响区和变形小。 可进行全位置焊接。 氩气昂贵，设备造价高。 应用： 适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。 适用所有金属材料的焊接。 以 CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法 。 焊接热源： 电弧热 保护介质： CO2 CO2 与金属发生化学反应 产生夹渣缺陷 溶解于液体金属中 产生 CO 气孔缺陷 比重大于空气（ 25%） 氧化严重； 气孔倾向大（ CO）； 飞溅严重。 1) 存在问题 三、 CO2气体保护焊 生产率高（是手弧焊的 13倍）。 成本低（是手弧焊的 40%） 。 焊接热影响区和变形小。 可进行全位置焊接 。 飞溅严重，焊缝成形差。 应用： 适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。 目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。 2） CO2气体保护焊的特点及应用 四、电渣焊 利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热，同时加热熔 化焊丝和金属母材的焊接方法。 焊接热源： 电阻热 保护介质： 液态熔渣 1. 焊接过程 2. 焊接特点及应用 1）大厚度工件可一次焊成。 单丝 4060mm；单丝摆动 60150； 三丝摆动 450mm；板极电渣焊 2）生产率高，成本低。 3）焊接质量好。 不易产生夹渣、气孔等缺陷。 4）热影响区大。 焊后热处理。 应用 ： 适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料 ； 适用于厚大工件。厚度大于40mm的大型结构件。 2-2 压力焊 一、电阻焊 通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形， 并经再结晶和扩散作用，使两部分金属达到原子间的 结合，实现连接的焊接方法。 1. 点焊 工艺参数 电极压力 焊接电流 通电时间 适中 对组合焊件经电极加压，利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，实现焊接。 焊点距离 太近 分流现象严重 太远 强度不够 应用： 4mm以下的薄板搭接。 2 . 缝焊 应用： 3mm以下的薄板搭接。 如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。 3 . 对焊 主要用于棒料的对接。 1）电阻对焊 应用： 用于断面简单，直径（或边长）小于 20mm或强度要求不太高的工件。 2）闪光对焊 应用： 用于重要工件的焊接。可焊相同金属， 也可焊异种金属（铝 钢、铝 铜等）。 工件直径 0.01mm200mm。 2-3 钎焊 是将 钎料 熔化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材 相互扩散 ，冷凝后实现连接的焊接方法。 一、钎焊的种类 1. 软钎焊 2. 硬钎焊 钎料的熔点在 450 以下。 接头强度低，一般为 60190MPa，工作温度低于 100 钎料的熔点在 450 以上。 接头强度高，在 200MPa以上，工作温度较高。 钎料的作用 连接 填充 钎料的种类 软钎料： 硬钎料： 锡铝合金（焊锡） 铝基、铜基、银基、镍基合金等。 2. 溶剂 溶剂的作用 清理作用 降低表面张力 保护作用 去除表面氧化皮 改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用 。 二、钎料和溶剂 1. 钎料 2. 可焊同种、异种金属和厚薄悬殊的工件。 3. 生产率高。易于实现自动化。 4. 设备简单，生产投资费用少。 应用： 主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属 的焊接。 目前： 软钎焊广泛用于电子、电器、仪表等行业；硬钎焊 用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。 三、钎焊的特点及应用 1. 加热温度低，接头组织、性能变化小；焊接变形小， 工件尺寸精确。 1. 金属材料的焊接性 指被焊金属在一定的工艺条件下（焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式），获得优质焊接接头的难易程度。 焊接性 工艺焊接性： 使用焊接性： 焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种 裂纹 的可能性 焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能 2. 影响焊接性的因素 1）焊接方法 4） 工艺参数 2）焊接材料 3）焊件化学成分 第三节 常用金属材料的焊接 3-1 材料的焊接性 3. 焊接性的评定方法 1）实验法 十字接头试验法、 Y型坡口试验法、“小铁研”试验法等。 2）碳当量估算法 C 影响最显著 基本元素 折合成 碳 的 相当含量 对焊接性的影响 其它元素 CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 CE0.6% 具有 良好的焊接性 焊接性 较差 焊接性 差 3-2 碳钢的焊接 1. 低碳钢的焊接 低碳钢： C0.60% 焊接性差。 CE 0.60% 问题 焊缝区易产生热裂纹 热影响区易产生冷裂纹 措施 焊前预热（ 250350 ），焊后缓冷。 选用低氢型（碱性）焊条。 焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。 避免 选用高碳钢作为焊接 结构件。 焊补 措施 焊前预热（ 150250 ），焊后缓冷。 选用低氢型（碱性）焊条。 焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。 3-3 合金结构钢的焊接 合金结构钢 机械制造用结构钢 普通低合金结构钢 （调质钢、渗碳钢） （压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。） 普通低合金结构钢： 低强度普通低合金结构钢： 高强度普通低合金结构钢： s400MPa CE 0.4%0.5% 焊接性良好 。 焊接性较差。 15MnVN、 18MnMoNb、 14MnMoV 焊前预热（ 250350 ），焊后缓冷； 选用低氢型（碱性）焊条；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。 3-4 铸铁的焊补 一、铸铁焊补的特点（困难） 1. 熔合区易产生白口组织和淬硬组织； 2. 焊缝区易产生裂纹； 3. 焊缝区易产生气孔； 4. 熔池金属易流失； 二、铸铁焊补的方法 1. 热焊法 焊前将焊件整体或局部预热至 600700 并施焊，焊后缓冷。 用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。 如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等 2. 冷焊法 焊前不预热或低温预热（ 400 ）的焊补方法。 焊条 钢芯铸铁焊条： 适用于非加工表面的焊补 石墨化铸铁焊条： 高钒铸铁焊条： 镍基铸铁焊条： 铜基铸铁焊条： 适用于较大灰口铸铁件的焊补 主要用于一般铸铁件的焊补 主要用于重要件加工表面的焊补 可进行机械加