第四章-常用金属材料的焊接精讲.ppt

金属材料的焊接,碳钢的焊接耐热钢和不锈钢的焊接有色金属的焊接合金结构钢的焊接铸铁的补焊异种金属的焊接,碳钢的焊接,一、低碳钢的焊接低碳钢含碳量0.25，其塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，焊接性好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需进行热处理(电渣焊除外)。厚度大于50mm的低碳钢结构，常用大电流多层焊，焊后应进行消除内应力退火。低温环境下焊接刚度较大的结构时，由于焊件各部分温差较大，变形又受到限制，焊接过程容易产生较大的内应力，有可能导致结构件开裂，因此应进行焊前预热。,低碳钢可以用各种焊接方法进行焊接。应用最广泛的：焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。熔焊法焊接结构钢时，焊接材料及工艺的选择主要应保证焊接接头与工件材料等强度。焊条电弧焊焊接一般低碳钢结构，可选用E4313(J421)、E4303(J422)、E4320(J424)焊条。焊接动载荷结构、复杂结构或厚板结构时，应选用E4316(J426)、E4315(J427)或E5015(J507)焊条。埋弧焊时，一般采用H08A或H08MnA焊丝配焊剂431进行焊接。,二、中、高碳钢的焊接中碳钢含碳量在0.250.6之间。随着含碳量的增加，淬硬倾向越加明显，焊接性逐渐变差。实际生产中，主要是焊接各种中碳钢的铸件与锻件。中碳钢的焊接特点：(1)热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。中碳钢属淬火钢，热影响区金属被加热超过淬火温度区段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，势必出现马氏体等淬硬组织。当焊件刚性较大或工艺不当时，就会在淬火区产生冷裂纹，即焊接接头焊后冷却到相变温度以下或冷却到室温后产生裂纹。(2)焊缝金属产生热裂纹倾向较大。,二、中、高碳钢的焊接中碳钢含碳量在0.250.6之间。随着含碳量的增加，淬硬倾向越加明显，焊接性逐渐变差。实际生产中，主要是焊接各种中碳钢的铸件与锻件。中碳钢的焊接特点：(1)热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。(2)焊缝金属产生热裂纹倾向较大。焊接中碳钢时，因工件基体材料含碳量与硫、磷杂质含量远远高于焊芯，基体材料熔化后进入熔池，使焊缝金属含碳量增加，塑性下降，加上硫、磷等杂质的存在，焊缝及熔合区在相变前就可能因内应力而产生裂纹。,焊接前：焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差小，以减小焊接应力，同时减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织：一般情况下，35钢和45钢的预热温度可选为150250。结构刚度较大或钢材含碳量更高时，预热温度应再提高些。焊接后：由于中碳钢主要用于制造各类机器零件，焊缝一般有一定的厚度，但长度不大：焊接中碳钢多采用焊条电弧焊。厚件可考虑采用电渣焊，但焊后要进行相应的热处理。,焊条选择焊接中碳钢焊件，应选用抗裂能力较强的低氢型焊条：要求焊缝与工件材料等强度时，可根据钢材强度选用E5016(J506)、E5015(J507)、E6016D1(J606)、E6015D1(J607)焊条。若不要求等强度时，可选用E4315(J427)型强度低些的焊条，以提高焊缝的塑性。不论用哪种焊条焊接中碳钢件，均应选用细焊条、小电流，开坡口进行多层焊，以防止工件材料过多地熔入焊缝，同时减小焊接热影响区的宽度。,高碳钢的焊接：特点：高碳钢的焊接特点与中碳钢基本相似。由于含碳量更高，焊接性变得更差。工艺：进行焊接时，应采用更高的预热温度、更严格的工艺措施。应用：实际上，高碳钢的焊接一般只限采用焊条电弧焊进行修补工作。,耐热钢和不锈钢的焊接,珠光体耐热钢：以Cr，Mo为基础的低、中合金钢碳当量数值约为0.45%0.90%，焊接性较差焊条电弧焊：选用与母材成分相近的焊条，预热温度150400，焊后应及时进行高温回火处理。低温钢：含Ni量较高的5Ni，9Ni钢等焊前不需预热焊条成分要与母材匹配焊接线能量输入要小焊后回火注意避开“回火脆性区”耐蚀钢：除P含量较高的钢以外，其它耐蚀钢焊接性较好，不需预热或焊后热处理等。选择与母材相匹配的耐蚀焊条。,奥氏体型不锈钢：Cr，Ni元素含量较高，C含量低焊接性良好，焊接时一般不需要采取工艺措施。焊条、焊丝和焊剂的选用应保证焊缝金属与母材成分类型相同采用小电流、快速不摆动焊，焊后加大冷速接触腐蚀介质的表面应最后施焊铁素体型不锈钢热影响区中的铁素体晶粒易过热粗化焊前预热温度应在150以下采用小电流、快速焊等工艺，以降低晶粒粗大倾向。马氏体型不锈钢：焊后淬硬倾向大，易出现冷裂纹焊前预热温度200400焊后要进行热处理，否则应选用奥氏体不锈钢焊条,有色金属的焊接,1铜及铜合金的焊接,铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，其原因是：铜的导热性很高（紫铜约为低碳钢的8倍），焊接时热量极易散失。因此，焊前工件要预热，焊接时要选用较大电流或火焰，否则容易造成焊不透缺陷。铜在液态易氧化，生成的Cu2O与铜组成低熔点共晶，分布在晶界形成薄弱环节；又因铜的膨胀系数大，凝固时收缩率也大，容易产生较大的焊接应力。因此，焊接过程中极易引起开裂。,铜在液态时吸气性强，特别容易吸氢。凝固时气体从熔液中析出，来不及逸出就会生成气孔。铜的电阻极小，不适于电阻焊接。铜合金中的合金元素有的比铜更易氧化，使焊接的困难增大。例如黄铜（铜锌合金）中的锌沸点很低，极易烧蚀蒸发并生成氧化锌（ZnO）。改变接头化学成分、降低接头性能，而且形成氧化锌烟雾易引起焊工中毒。铝青铜中的铝，焊接时易生成难熔的氧化铝，增大熔渣粘度，生成气孔和夹渣。,铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、碳弧焊、钎焊等方法进行焊接。采用氩弧焊是保证紫铜和青铜焊接质量的有效方法。,2铝及铝合金的焊接,工业上用于焊接的主要是纯铝（熔点658）、铝锰合金、铝镁合金及铸铝。铝及铝合金的焊接也比较困难，其焊接特点是：,铝与氧的亲和力很大，极易氧化生成氧化铝（Al2O3）。氧化铝组织致密，熔点高达2050，它覆盖在金属表面，能阻碍金属熔合。此外，氧化铝密度大，易使焊缝夹渣。铝的导热系数较大，要求使用大功率或能量集中的热源，厚度较大时应考虑预热。铝的膨胀系数也较大，易产生焊接应力与变形，并可能导致裂缝的产生。,液态铝能吸收大量的氢，铝在固态时又几乎不溶解氢，因此在溶池凝固时易生成气孔。铝在高温时强度及塑性很低，焊接时常由于不能支持熔池金属而引起焊缝塌陷，因此常需采用垫板。,目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。不论采用哪种焊接方法焊接铝及铝合金，焊前必须彻底清理焊件的焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污，清理质量的好坏将直接影响焊缝性能。,合金结构钢的焊接,合金结构钢分类：机械制造用合金结构钢低合金结构钢用于机械制造的合金结构钢零件(包括调质钢、渗碳钢)，一般都采用轧制或锻造的坯料，焊接结构较少。如需焊接，因其焊接性与中碳钢相似，所以其焊接工艺措施与中碳钢基本相同。,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。其焊接特点如下：(1)热影响区的淬硬倾向低合金结构钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，则焊后热影响区的淬硬倾向越大。如300MPa级的09Mn2、09Mn2Si等钢材的淬硬倾向很小，其焊接性与一般低碳钢基本一样。350MPa级的Q345(即16Mn)钢淬硬倾向也不大，但当实际含碳量接近允许上限或焊接参数不当时，过热区也完全可能出现马氏体等淬硬组织。强度级别较大的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体组织，硬度明显增高，塑性和韧度则下降。,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。其焊接特点如下：(2)焊接接头的裂纹倾向随着钢材强度级别的提高，产生冷裂纹的倾向也加剧。影响冷裂纹的因素主要有三个方面：焊缝及热影响区的含氢量；热影响区的淬硬程度；焊接接头的应力大小。对于热裂纹，由于我国低合金结构钢系统其含碳量低，且大部分含有一定的锰，对脱硫有利。因此产生热裂纹的倾向不大。,根据低合金结构钢的焊接特点，生产中可分别采取以下措施进行焊接。对于强度级别较低的钢材：在常温下焊接时与对待低碳钢基本一样。在低温或在大刚度、大厚度构件上进行小焊脚、短焊缝焊接时，应防止出现淬硬组织，要适当增大焊接电流、减慢焊接速度、选用抗裂性强的低氢型焊条。必要时需采用预热措施。对锅炉、受压容器等重要构件，当厚度大于20mm时，焊后必须进行退火处理，以消除应力。,根据低合金结构钢的焊接特点，生产中可分别采取以下措施进行焊接。对于强度级别高的低合金结构钢件：焊前一般均需预热。焊接时，应调整焊接参数，以控制热影响的冷却速度不宜过快。焊后还应进行热处理以消除内应力。不能立即热处理时，可先进行消氢处理，即焊后立即将工件加热到200350，保温26h，以加速氢扩散逸出，防止产生因氢引起的冷裂纹。,铸铁的补焊,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，经济效益是很大的。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。由于焊接时为局部加热，焊后铸铁件上的焊补区冷却速度远比铸造成形时快得多，因此很容易形成白口组织，其硬度很高，焊后很难进行机械加工。(2)易产生裂纹。铸铁强度低，塑性差。当焊接应力较大时，就会在焊缝及热影响区内产生裂纹，甚至使焊缝整体断裂。当采用非铸铁组织的焊条或焊丝冷焊铸铁件时，铸铁因碳及硫、磷杂质含量高，基体材料过多熔入焊缝中，易产生裂纹。(3)易产生气孔。铸铁含碳量高，焊接时易生成CO和CO2气体，铸铁凝固中由液态转变为固态所经过的时间很短，熔池中的气体来不及逸出而形成气孔。(4)铸铁的流动性好。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(个别大件可采用电渣焊)进行焊补较为适宜。按焊前是否预热，铸铁的补焊可分为热焊法和冷焊法两大类。(1)热焊法焊前将工件整体或局部预热到600700，焊补后缓慢冷却。优点：热焊法能防止工件产生白口组织和裂纹，焊补质量较好，焊后可进行机械加工。缺点：热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差。应用：一般用于焊补形状复杂、焊后需进行加工的重要铸件。如床头箱、汽缸体等。,焊接方法：用气焊进行铸铁热焊比较方便。气焊火焰还可以用于预热工件和焊后缓冷。填充金属：应使用专制的铸铁棒，并配以CJ201气焊焊剂，以保证焊接质量。也可用铸铁焊条进行焊条电弧焊焊补，药皮成分主要是石墨、硅铁、碳酸钙等，以补充焊补处碳和硅的烧损，并造渣清除杂质。,(2)冷焊法焊补前工件不预热或只进行400以下的低温预热。焊补时主要依靠焊条来调整焊缝的化学成分以防止或减少白口组织和避免裂纹。优点：冷焊法方便、灵活、生产率高、成本低，劳动条件好。缺点：焊接处切削加工性能较差。应用：生产中多用于焊补要求不高的铸件以及不允许高温预热引起变形的铸件。工艺：焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道(每段不大于50mm），并在焊后及时锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。,焊接方法：冷焊法一般采用焊条电弧焊进行焊补。焊条选择：根据铸铁性能、焊后对切削加工的要求及铸件的重要性等来选定焊条。常用的有：钢芯或铸铁芯铸铁焊条，适用于一般非加工面的焊补；镍基铸铁焊条，适用于重要铸件的加工面的焊补；铜基铸铁焊条，用于焊后需要加工的灰铸铁件的焊补。,异种金属的焊接性分析,异种金属焊接通常要比同种金属的焊接困难，因为除了金属本身的物理化学性能对焊接有影响外，两种金属材料性能的差异会更大程度上影响它们之间的焊接。,结晶化学性的差异物理性能的差异熔点线膨胀系数导热率和比热金属的氧化性金属间化合物焊缝与母材不等强性,为了获得优质的异种金属焊接接头，除合理地选用焊接方法和填充材料，正确地制定焊接工艺外，还可采取如下一些工艺措施：,尽量缩短被焊金属在液态下相互接触时间，以防止或减少生成金属间化合物。熔焊时要很好地保护被焊金属，防止金属与周围空气的相互作用。采用与两种被焊金属的焊接性都很好的中间层或堆焊中间过渡层，以防止生成金属间化合物。在焊缝中加入某些合金元素，以阻止金属间化合物相的产生和增长。,异种金属的焊接方法,熔焊采用熔焊最大特点是控制稀释率和金属间化合物的产生。因此，为了减少稀释率，降低熔合比或控制不同金属母材的熔化量，常可选用热源能量密度较高的电子束焊、激光焊、等离子弧焊等方法。解决母材金属稀释问题，可