焊工工艺学教学(全部)

焊工工艺学,教师讲义,第一章焊接的基本知识,第一节焊接的概念和焊接方法的分类,一、焊接的概念金属焊接是指通过适当的手段，如通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而广泛应用于国民生产与人民生活的各个方面。二、常用焊接方法简介按焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接方法划分为三大类，即熔焊、压焊和钎焊。,一、焊条的组成与作用焊条由两部分组成，表面的药皮与内部的焊芯组成，如图1-1所示。图1-1,第二节焊条,二、焊条的分类、型号与选用1.焊条的分类（1）按用途分类。按原国家机械工业委员会在焊接材料产品样本中分为10大类：结构钢焊条（J）、钼及铬钼耐热钢焊条（R）、低温钢焊条（W）、不锈钢焊条（铬不锈钢焊条G、铬镍不锈钢焊条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）。（2）药皮熔化后熔渣酸碱性分类。按熔渣酸碱性可分为：酸性焊条（熔渣酸碱度小于1.5）与碱性焊条（熔渣酸碱度大于1.5）两类。,二、焊条的分类、型号与选用2.焊条的型号（1）碳钢焊条型号表示。（2）低合金钢焊条型号表示。根据国国家标准规定，低合金钢焊条型号用字母“E”与4位数字表示。,（3）不锈钢焊条型号表示。不锈钢焊条表示举例如图1-2与图1-3所示。图1-2不锈钢焊条型号,图1-3不锈钢焊条型号,3.焊条的牌号焊条的牌号是根据焊条的主要用途及性能特点对焊条产品具体命名的，并由焊条厂制定。焊条牌号是用1个汉语拼音字母及汉字与3位数字表示，拼音字母或汉字表示焊条各大类，后面的3位数字中，前两位数字表示各大类中的若干小类，第三位数字表示各种焊条牌号的药皮类型及焊接电源种类，其含义见表1-4。,4.焊条规格常用焊条的直径和长度规格见表1-5.,第三节电焊机的型号及分类一、电焊机的组成及作用电焊机一般由大功率电源变压器（10KW以上）、电抗器、引线电缆及焊钳等组成。电源变压器的作用是将电网电压降到60-70V低压，供安全操作用。二、电焊机代表符号电焊机的代表符号见表1-6。,三、型号编制举例AX-320为具有下降外特性的直流弧焊发电机，额定焊接电流为320A。ZX5-400为具有下降外特性晶闸管弧焊整流器，额定焊接电流为400A。ZX7-400为具有下降外特性逆变式弧焊整流焊机，额定焊接电流为400A。四、电焊机的分类电焊机是焊接用的主要设备，电焊机具体分类如图1-4所示。,图1-4电焊机的分类,第四节焊接设备的选用一、焊条电弧焊对焊机的要求（1）要求焊机能承受焊接回路短时间的持续短路，能限制短路电流值，使之不超过焊接电流的50%，防止焊接因短路过热而烧坏。（2）具有良好的动特性。短路时，电弧、电压等于零，要求恢复到工作电压的时间不超过0.05s。（3）具有足够的电流调节范围和功率。二、弧焊电源按弧焊电源输出的焊接电流波形形状将弧焊电源分为交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型。每种类型的弧焊电源，根据其结构特点不同又可分为多种形式。如图1-5所示。,二、弧焊电源图1-5弧焊电源的种类,三、焊条电弧焊设备1.焊条电弧焊的型号图1-6焊条电弧焊的型号的编制次序,2.焊条电弧焊设备焊条电弧焊设备的选用原则见表1-8。,四、埋弧焊设备1.埋弧焊机的分类埋弧焊机的分类见表1-9。,2.埋弧焊机的组成完整的自动埋弧焊机一般包括弧焊电源、送丝机构、行走机构、控制箱(盒)、焊(枪)头调整机构和易损件及辅助装置等组成。3.埋弧焊机实例ZD5-1000/1250晶闸管控制自动埋弧机,其中,Z代表弧焊整,D代表多特性;5代表晶闸管式,1000代表额定电流（1000）;可焊材料：碳钢、合金钢、不锈钢;焊接厚度：适合4mm以上厚度的材料;焊接位置：平板对接、T型角焊缝、船型角焊缝、圆周焊缝.使用行业：钢结构、造船、铁路、电建、冶金、锅炉、压力容器等。,五、熔化极气体保护焊设备图1-7气电立焊摆动机构,六、等离于弧焊设备图1-8等离子弧焊设备组成,七、激光焊接设备激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。两者优缺点比较见表1-11。,八、焊接设备的选用原则（1）根据焊接结构所选用材料的厚度、所需焊机容量等选用相应的焊接设备。（2）根据焊条类型、母材材质、焊接结构选择弧焊设备。（3）选用焊接设备时，应注意观察该设备铭牌上所标注的额定焊接电流值。（4）根据综合情况选择焊接设备。,第二章气焊与气割,第一节气体火焰,一、气焊与气割使用的气体,二、气体火焰生产中所采用的可燃气体多数是采用乙炔气体，助燃气体采用氧气，乙炔与氧气混合燃烧产生的火焰称为氧-乙炔焰。1.火焰的种类及特点根据氧气与乙炔的不同混合比例所产生的火焰分为：中性焰、碳化焰和氧化焰等，3种火焰的形式如图2-1所示。图2-1气体火焰,2.各种火焰的获得氧气与乙炔不同的混合比例燃烧所产生的火焰也不同，为了获得最好的焊接或切割效果，就需要根据不同工作条件调节正确气体火焰。（1）碳化焰（2）中性焰（3）氧化焰3.气体火焰异常现象与解决办法在现场工作中，气体火焰随时可能发生异常现象，这里列出常见异常现象及解决方案。（1）火焰熄灭或火焰强度不够.产生这种现象的原因可能有：乙炔管道内有水；压力调节器性能不良；回火保险性能不良。解决办法：清理乙炔皮管，排除集水；更换压力调节器；调整好回火保险器的水位。,（2）回火时有爆破声。产生这种现象的原因可能有：焊嘴或气割火焰喷嘴堵塞或嘴的孔径扩大与变形；气体流量不足；混合气体未完全排除；乙炔压力过低。解决办法：清理焊嘴或气割火焰喷嘴及射吸管积碳，更换焊嘴或气割火焰喷嘴；排除皮管中的水；排除焊炬或气割炬内的空气；检查乙炔发生器。（3）氧气倒流产生这种现象的原因可能有：火焰喷嘴堵塞，焊炬损坏无射吸力。解决办法：清理焊嘴；更换或修理焊炬。（4）回火有异样声响并伴有焊炬或气割炬手把发烫产生这种现象的原因可能有：乙炔供给不足；射吸力降低；焊嘴或气割火焰喷嘴离工件太近；焊嘴或气割火焰喷嘴过热、孔道污物堵塞、扩大、变形。解决办法：检查乙炔供给系统；检查焊炬或气割炬；使焊嘴或气割火焰喷嘴与工件保持适当距离；关闭氧气、乙炔，水冷焊炬或气割炬。,第二节气焊气焊是用气体火焰为热源的一种焊接方法。应用最多的是以乙炔气作燃料的氧乙炔火焰焊接。由于设备简单，操作方便，但气焊加热速度及生产率较低，热影响区较大，且容易引起较大的变形。气焊可用于很多黑色金属、有色金属及合金的焊接。一般适用于维修及单件薄板焊接。一、气焊的设备气焊是利用气体燃烧所产生的高温火焰来进行焊接的，如图2-2所示。火焰一方面把工件接头的表层金属熔化，同时把金属焊丝熔入接头的空隙中，形成金属熔池。当焊炬向前移动，熔池金属随即凝固成为焊缝，使工件的两部分牢固地连接成为一体。,1-焊丝2-焊嘴3-工件图2-2气焊,（1）氧气瓶。氧气瓶是运送和存储高压氧气的容器，常用的容积为40L，工作压力为15MPa，其结构如图2-3所示。图2-3氧气瓶与溶解乙炔气瓶,2.乙炔发生装置或存储器（1）乙炔发生器，如图2-4所示。图2-4乙炔发生器,（2）溶解乙炔气瓶，如图2-3（b)所示。（3）减压器，如图2-5所示。（4）回火保险器。图2-5减压器,（5）焊矩，如图2-6所示。图2-6氧-乙炔射吸式焊炬,1.气焊工艺（1）焊丝和焊剂。气焊所用的焊丝是没有药皮的金属丝；其成分与工件基本相同，原则上要求焊缝与工件达到相等的强度。焊丝的直径是根据工件的厚度而定。焊接厚度为3mm以下的工件时，所用的焊丝直径与工件的厚度基本相同。焊接较厚的工件时，焊丝直径应小于工件厚度。焊丝直径一般不超过6mm。焊接合金钢、铸铁和有色金属时，熔池中容易产生高熔点的稳定氧化物，如Cr2O3、SiO2和Al2O3等，使焊缝中夹渣。故在焊接时，使用适当的焊剂，可与这类氧化物结成低熔点的熔渣，以利浮出熔池。,二、气焊工艺,常用焊剂型号及性能见表2-4。,（2）气焊工艺参。气焊的接头型式和焊接空间位置等工艺问题的考虑，与焊条电弧焊基本相同，详见第二章焊条电弧焊讲解内容。气焊的焊接规范则主要是确定焊丝的直径、火焰类型及火焰能率、焊嘴的大小以及焊嘴对工件的倾斜角度、焊接速度等。不同材料气焊时K值见表2-5。,焊嘴的选择见表2-6。夹角的选择见表2-7与图2-7所示。,图2-7工件厚度与焊嘴倾角关系,2.气焊基本操作（1）基本操作。焊矩握法。点火、调节火焰与灭火。左焊法与右焊法，如图2-8所示。图2-8左焊法与右焊法,（2）平焊、立焊、横焊、仰焊操作。平焊。平焊操作图如图2-9所示。,图2-9平焊,立焊。立焊操作如图2-10所示。图2-10立焊,横焊。横焊操作如图2-11所示。图2-11横焊,仰焊。仰焊操作如图2-12所示。图2-12仰焊,一、气割过程利用可燃气体同氧混合燃烧所产生的火焰分离材料的热切割，又称氧气切割或火焰切割。气割时，火焰在起割点将材料预热到燃点，然后喷射氧气流，使金属材料剧烈氧化燃烧，生成的氧化物熔渣被气流吹除，形成切口，只要把割炬向前移动，就能把工件连续切开。气割设备主要是割炬和气源。割炬是产生气体火焰传递和调节切割热能的工具其结构影响气割速度和质量。采用快速割嘴可提高切割速度，使切口平直，表面光洁。气割过程如图2-13所示。,第三节气割,1-割缝2-割嘴3-氧气流4-工件5-氧气物6-预热火焰图2-13气割过程,气割的条件包括：一、金属的燃点应低于其熔点；二、金属氧化物的熔点应低于金属的熔点。常用金属及其氧化物熔点，见表2-8。,二、气割条件,三、气割工艺1.气割割炬（1）手工气割割矩，如图2-14所示。1-割嘴2-割嘴螺母3-割嘴接头4-氧气接头螺纹5-氧气螺母6-氧气皮管接头7-乙炔接头螺纹8-乙炔螺母9-乙炔皮管接头图2-14割炬,（2）机械气割工具。GCD2-100A半自动气割机如图2-15所示。数控龙门式火焰切割机如图2-16所示。图2-15GCD2-100A半自动气割机,图2-16数控龙门式火馅切割机,2.气割工艺参数（1）气割割嘴到工件表面的距离（L）（2）预热时间（3）气割时氧气的压力（4）气割速度（5）割嘴与被割件的倾角。,一、气焊与气割的安全分析气焊与气割所应用的乙炔、液化石油气、氢气和氧气等都是易燃易爆气体；氧气瓶、溶解乙炔气瓶、液化石油气瓶和乙炔发生器都属于压力容器。在焊接燃料容器和管道时，还会遇到其他许多易燃易爆气体和压力容器接触，同时又使用明火，如果焊接设备的安全装置有缺陷，或者违反安全操作规程，都可能造成爆炸和火灾。在气焊与气割火焰的作用下，尤其是气割时氧气射流的喷射，使火星、熔滴和溶渣四处飞溅，容易造成人员灼烫；较大的火星，熔滴和熔渣能飞到距操作点5米以外的地方，若引燃易燃易爆物品，可造成火灾和爆炸。高处作业时，还存在高处坠落以及落下的火星引燃地面的可燃物品。,第四节气焊与气割作业安全技术,二、气焊与气割作业安全规定（1）焊接工、切割工必须参加消防培训，经考试取得合格证后，方能上岗作业。（2）在氧气瓶嘴上安装减压器之前，应进行短时间吹除，以防瓶嘴堵塞。（3）乙炔发生器内、氧气瓶嘴部和开氧气瓶的扳手上均不得沾有油脂。（4）乙炔发生器（溶解乙炔气瓶）和氧气瓶均应距明火10米以上。（5）乙炔发生器与焊炬之间均应有可靠的回火防止器。（6）乙炔发生器和氧气瓶均应放置在空气流通的地方，不得在烈日下曝晒，不得靠近火源与其它热源。（7）开启电石桶时，不得猛力敲打，以防止发生火花而引起爆炸。（8）使用焊割炬前，必须检查喷射情况是否正确。,（9）在通风不良的地点或在容器内作业时，焊割炬应先在外面点好火。（10）点火时应开乙炔少许，点燃后迅速调节氧气和乙炔气，按工作需要选取火焰。11操作完毕后，停止使用焊炬与割炬时，应先关乙炔阀，后关氧气阀，以防止火焰倒吸或焊、割炬内产生烟灰。（11）对可燃气体的容器、管道进行焊、割时，可将惰性气体（如氮气、二氧化碳）、蒸汽或水注入焊、割的容器、管道内，把残存在里面的可燃气体置换出来。（12）在易燃易爆生产区域内动火，应按规定办理动火审批手续。（13）气焊与电焊在同一点作业时，氧气瓶应垫有绝缘物，以防止气瓶带电。（14）工作结束后，应将乙炔发生器内的电石篮取出，并将容器冲洗干净。（15）工作结束后，应将乙炔发生器内的电石篮取出，并将容器清洗干净；将焊、割矩挂在安全的地方，并把所有的阀门关闭，严防漏气。,第三章焊条电弧焊,第一节焊条电弧焊的原理和特点,一、焊条电弧焊的原理焊条电弧焊回路由焊接电源、焊接电弧、焊接电缆、焊钳、焊条、工件构成。其中焊接电源是焊条电弧焊的主要设备，其作用是为焊接电弧稳定燃烧提供合适的电弧电压和焊接电流。焊接电弧是负载、是在焊条端部和工件之间建立的稳定燃烧的电弧。焊接电缆是用于连接焊接电源、焊钳和工件。二、焊条电弧焊的焊接过程焊条电弧焊的焊接过程如图3-1所示。,图3-1焊条电弧焊的焊接过程,三、焊条电弧焊的基本操作焊条电弧焊是在面罩下观察和进行操作的。由于视野不清，工作条件较差。因此要保证焊接质量，不仅要求有较为熟练的操作技术，还应注意力高度集中。焊条电弧焊的基本操作包括引弧、运条及收尾等基本操作。1.引弧引弧是焊接过程中反复进行的动作，引弧技术的好坏直接影响到焊接的质量。（1）焊条与工件表面接触要轻微，运动的速度要适中。（2）焊条提起的高度应控制在3mm-4mm。（3）引弧应在离焊缝起点10mm处的待焊部位上，电弧引燃后移至焊缝起点处，再沿焊接方向进行继续焊接。,2.运条运条是焊接过程中最重要的环节，它直接影响焊缝的外表成形和内在质量。电弧引燃后，一般情况下焊条有三个基本运动（如图3-2所示）。图3-2焊条有三个基本运动,四、焊条电弧焊的特点（1）对待焊接头的装配要求较低。（2）易于通过改变工艺操作来控制焊接变形和改善接头应力状况。（3）焊接1mm以下的薄板不宜用焊条电弧焊。（4）能焊多种材料的金属。（5）与气体保护焊、埋弧焊等焊接方法比较，生产成本较低。（6）生产效率较低，焊工劳动强度较大。（7）对焊工的操作技术水平要求较高。,一、焊接接头类型焊接接头即用焊接方法联结的接头。在焊条电弧焊中，由于产品结构形状、材料厚度和工件质量要求的不同，需要采用不同型式的接头进行焊接。焊接接头主要有四种类型，即对接接头、搭接接头、T型接头和角接接头，如图4-3所示。图3-3焊接接头的基本类型,第二节焊接接头类型及焊缝型式,1.对接接头两工件端面相对平行的接头称为对接接头。这种接头能承受较大的载荷，是焊接结构中最常用的一种接头型式，接头上应力分布比较均匀，容易保证焊接质量，但对焊前准备和装配质量要求相对较高。2.角接接头两工件端面间构成大于30，小于135夹角的接头称为角接接头。角接接头便于组装、能获得美观的外形、但焊缝的承载能力不高，所以通常只起连接作用，不能用来传递工作载荷，一般多用于箱形构件等不重要的焊接结构中。,3.搭接接头两工件重叠放置或两工件表面之间的夹角不大于30构成的端部接头称为搭接接头。搭接接头便于组装，常用于对焊前准备和装配要求简单的结构，但焊缝受剪切力作用，应力分布不均，承载能力较低，且结构重量大，在结构设计中应尽量避免采用塔接接头。4.T型接头一工件端面与另一工件表面构成直角或近似直角的接称为T型接头。这种接头承受动载荷的能力较强，在船体结构中约有70%的焊缝都采用T型接头。另外也常应用于机床焊接的结构中。,二、焊接接头的组织和性能焊接接头由焊缝金属、熔合区和焊接热影响区组成。1.焊接接头的组织和性能焊缝金属是由母材和焊条熔化形成的熔池冷却结晶而成的。2.焊接接头的组织和性能根据加热温度可以分为熔合区、过热区、正火区、不完全结晶区和再结晶区等。三、焊接坡口的形式1.焊接坡口的形式常用的形式有I型、V型、X型、Y型、双Y型、带钝边U型、双U型、J型坡口。2.焊条电弧焊常用的坡口形式焊条电弧焊常用的坡口形式有不开破口、Y型坡口、双Y型坡口和U型坡口等。,四、焊接位置1.焊接位置熔焊时，工件焊逢所处的空间位置，叫做焊接位置。按照焊逢在空间的位置不同，焊接方法可分为平焊、立焊、横焊和仰焊，如图3-9所示。图3-64种焊接方法,2.各种焊接位置的操作技术（1）平焊典型的操作方法，如图3-7所示。图3-7平焊典型的操作方法,（2）立焊时的焊接角度，如图3-8所示。图3-8立焊时的焊接角度,（3）不开坡口对接横焊的焊条角度，如图3-9所示。图3-9不开坡口对接横焊的焊条角度,五、焊接衬垫与引出板1.焊接衬垫背面要求焊透、但施焊又有困难的接头，可采用焊接衬垫。使用焊接衬垫目的是为了避免在施焊第一层熔敷金属时，该层熔化金属从接头根部穿漏。常用的衬垫有衬条、铜衬垫，打底焊缝和非金属衬垫等。2.引出板引出板是为了填满焊缝两端的坡口须使用的金属附件，实际上引出板是使坡口延长到焊件接缝以外的工具，如图3-15所示。结构重要的焊缝一般都需要使用引出板。,六、焊接缺陷1.咬边由于操作不正确，或焊接工艺参数选择不正确，在沿着母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷，称为咬边。,图3-15引出板,2.气孔焊接时，熔池中的气体在凝固时未能逸出而残留在焊缝中所形成的空穴，称为气孔。3.未焊透焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透。4.未熔合熔焊时，焊道与焊道之间或焊道与母材之间，未完全熔化结合的部分，称为未熔合。5.烧穿焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷，称为烧穿。6.焊瘤焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤，称为焊瘤。,七、焊缝型式焊缝是指焊接后工件中所形成的结合部分。1.焊缝的形式焊逢按照结合形式，可分为对接焊逢、角焊逢、塞焊逢和端接焊逢。2.焊缝成形系数熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度（c）与焊缝计算厚度（s）的比值称为焊缝成形系数，即：焊缝成形系数用C/S表示。焊缝成形系数的大小直接影响到焊缝的质量。焊缝成形系数小时就会形成窄而深的焊缝，但在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，抗热裂纹性能差，所以焊缝形成系数值又不能太小。,第三节焊缝符号和焊接方法代号一、焊缝符号为了使焊接结构图样清晰，并减轻绘图工作量，一般不按图示法画出焊缝，而是采用一些符号对焊缝进行标注。在图样上标注焊接方法、焊缝型式和焊缝尺寸的代号称为焊缝符号。根据GB324-88焊缝符号表示法的规定，焊缝符号一般由基本符号与指引线组成。必要时还可以加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。1.基本符号表示焊缝横截面形状的符号称为基本符号，常用的基本符号见表3-2（摘录GB/T3241988）。,2.指引线指引线一般由带有箭头的箭头线和两条基准线（一条为细实线，另一条为虚线）两部分组成，如图3-22所示。图3-22指引线的组成,3.辅助符号表示焊缝表面形状特征的符号称为辅助符号，见表3-3。焊缝表面的形状不需要确切地说明时，可以不用辅助符号。,4.补充符号补充符号是为了补充说明焊缝的某种特征而采用的符号，见表3-4。,5.焊缝尺寸符号焊缝尺寸符号的表示，见表3-5。,二、焊接方法代号1.基本符号相对基准线的位置基本符号相对基准线的位置，如图3-24所示。图3-24基本符号相对基准线的位置,2.焊逢尺寸符号标注位置焊逢尺寸符号标注位置如图3-25所示。图3-22焊缝尺寸符号标注位置,三、焊接方法在图样的表示几种主要焊接方法的数字表示见表3-6。,一、焊前准备1.焊前清理2.焊条烘干3.基础准备工作二、焊接工艺参数焊接工艺参数（过去又称焊接规范）是指焊接时，为保证焊接质量而选定的各物理量的总称。焊条电弧焊的焊接工艺参数主要包括焊条直径、焊接电流、电弧长度、焊接速度和预热温度等。,第四节焊接工艺参数,1.焊条直径根据工件厚度选择焊接直径时，可参考表3-7。2.焊接电流常用的各种直径的焊条所合适的焊接电流值见表3-8。,3.电弧电压电弧电压主要由电弧长度决定。4.焊接速度焊接速度是指焊接过程中焊条沿焊接方向移动的速度，即单位时间内完成的焊逢长度。5.焊缝层数焊逢层数视工件厚度而定。焊逢层数越多，越有利于提高焊逢金属的塑性和韧性。6.预热温度预热是指焊前对工件整体或局部进行适当加热的工艺措施。7.后热与焊后热处理焊后立即对工件的局部或全部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施称为后热。后热的目的是避免形成硬脆组织，使扩散氢逸出焊逢表面，从而防止产生裂纹。,一、焊条电弧堆焊的基本知识1.焊条电弧堆焊的作用焊条电弧堆焊是用焊接的方法在工件的任意部位焊敷一层具有一定性能的特殊合金面的焊接工艺。其目的不是为了连接工件，而是要提高工作面的耐磨损、耐腐蚀、耐热等性能。另外对提高工件的使用寿命，合理使用材料，提高产品性能，降低成本有显著的经济效益。但堆焊工作及工作条件十分复杂，堆焊时必须根据不同要求选用合适的焊条；即不同的工件和堆焊焊条要采用不同的堆焊工艺，才能获得满意的堆焊效果。2.焊接缺陷最常见的焊接缺陷是开裂。3.预热温度预热温度依据所用焊条的碳当量来估算。,第五节焊条电弧堆焊,4.影响堆焊效果的因素堆焊效果指焊层硬度、耐热及耐磨等性能，其性能好坏与下列因素有关：（1）焊接电流大小、电弧长短。电流大、电弧长，但合金元素易烧损，反之，电流小更有利合金元素过渡。（2）预热温度和缓冷条件都决定堆焊层的质量，因此一定要严格把握这两个条件。二、焊条电弧堆焊的特点焊条电弧堆焊设备简单灵活、应用广泛、成本低，但生产效率比较低、劳动条件差。适合小批量的中小型零件的堆焊。,第四章金属熔化焊,焊条、焊丝的熔化与过渡特性以及熔池的物理参数，不仅对焊接工艺和生产率有很大影响，而且对焊接冶金也有显著影响，同时在冶炼条件方面给焊接冶金带来许多特点。一、焊条、焊丝的熔化几种国产焊条熔化系数与熔敷系数的实测数据见表4-1。,第一节焊条、焊丝及母材的熔化,二、母材的熔化与熔池的形成1.母材的熔化电弧焊时，母材局部熔化所需热量主要依靠电弧中阳极区(正接时)或阴极区(反接时)析出的那一部分，大约占电弧总热量的50以上，如图4-2所示焊条电弧焊的热量分配。图4-2焊条电弧焊的热量分配,2.熔池的形状与焊缝的形成（1）熔池的形成。（2）焊逢的形成。,焊接化学冶金是研究在熔化焊接过程中所发生的“气体熔渣金属”之间的物理、化学变化，熔化金属的结晶凝固，以及由于焊接热循环造成的焊接热影响区内金属的组织和性能的变化。一、焊接化学冶金反应特点无保护焊低碳钢时焊缝与母材性能比较见表4-2。,第二节焊接化学冶金过程,几乎每一种熔焊方法都是为了加强对焊接区保护而发展和完善起来的。表4-3归纳了目前熔焊方法中采用的几种保护方式。除自保护外，其余都是把空气与焊接区机械地隔离开来。,二、气相对金属的作用氮在铁中的溶解度与温度的关系，如图4-4所示。图4-4氮在铁中的溶解度与温度的关系,二、气相对金属的作用各种元素对1600时氮在铁中的溶解度的影响图4-5各种元素对1600时氮在铁中的溶解度的影响,焊条电弧焊时电弧电压读焊缝含氧和氮量的影响，如图4-6所示。图4-6焊条电弧焊时电弧电压读焊缝含氧和氮量的影响,一、焊缝金属结晶特点熔池结晶示意如图4-7所示。图4-7熔池结晶示意,第三节焊缝结晶过程,二、熔池结晶的一般规律1.形成晶核形成晶核的热力学条件是由过冷度而造成的自由能降低；形成晶核的动力学条件是自由能降低的程度。2.晶核长大依附于母材精粒现成表面而形成共同精粒的凝固方式，称为外延结晶或联生结晶，如图4-8所示。图4-8外延结晶示意,三、二次结晶一次结晶结束后，熔池就转变为固体的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的组织相变过程，这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。低碳钢焊缝金属二次结晶结束时，其组织为铁素体加珠光体。由铁碳合金状态图可知，其中铁素体约占82%，珠光体约占18%，焊缝金属的硬度约为83HBS。四、焊缝金属的凝固由于柱状晶的生长速度很快，熔池中即使存在着难熔质点，也很难作为晶核长大成等轴晶粒。这样，焊缝就具有柱状晶特征，如图4-9所示。,图4-9熔合区母材晶粒上正在生长的柱状晶,焊接（或切割）过程中，紧靠焊缝的母材因受热影响（但未熔化）而发生金相组织力性能变化的区域称为焊接热影响区（HAZ）。熔焊时，焊接接头由两个相互联系、而其组织和性能又有区别的两个部分，即焊缝区和热影响区所组成。焊接热影响区分为熔合区、过热区、正火区和不完全重结晶区，如图4-10和图4-11所示。实践表明，焊接接头的质量不仅决定于焊缝区，并且在相当程度上还决定于热影响区，有时热影响区存在的问题比焊缝区还要复杂，特别是合金钢焊接时更是如此。所以，研究、掌握热影响区在焊接过程中组织和性能的变化，有着十分重要的意义。,第四节焊接热影响区组织与性能,1-焊缝，2-熔合区，3-热影响区，4-母材图4-10焊接接头示意,1-熔合区2-过热区3-正火区4-不完全重结晶区图4-11热影响区示意,一、焊接热循环特点在焊接热流作用时,焊件上某一点P的温度随时间的变化过程叫作焊接热循环。如图4-12所示为单道焊接的热循环特性。Tmax峰值温度，tH在某一高温TH以上的停留时间，c在某一温度Tc时的瞬时冷却速度图4-12单道焊接的热循环特性,二、焊接热循环条件下的金属组织转变特点（1）加热速度对相变点的影响。（2）加热速度对奥氏体（A）均质化影响。（3）近缝区的晶粒长大在焊接条件下,近缝区由于强烈过热使晶粒发生严重长大,影响焊接接头塑性,韧性,韧性产生热裂纹,冷裂纹。不易淬火钢，如低碳钢和合金元素较少的低合金高强钢（16Mn、15MnTi、15MnV钢），在固态下合金中除了有同素异构转变外，还有成分变化和第二相析出，即共析转变和Fe3C的析出，其焊接热影响区可分为过热区、重结晶区、不完全重结晶区和再结晶区等4个区段，如图4-13所示。,（a)热影响区的组织分布，（b）铁碳相图，(c）热循环（图中Tm峰值温度，Tc-晶粒长大温度）图4-13焊接热影响区的温度分布与状态图关系,一、材料的匹配所谓等强度就是焊缝与母材的抗拉强度相等或相近，选用焊条应选择焊条抗拉强度与母材相同或稍高的，但是焊缝强度并不是比母材越高越好，因为焊缝强度的提高其塑性就会有所下降，反而对焊缝有害；对强度不等的两种金属的焊接，可按强度级别低的一侧母材选用焊条。化学成分相近原则。二、控制熔合比熔合比取决于焊接方法、母材性质、接头形式和板厚、工艺参数、焊接材料种类等因素。焊接工艺条件对低碳钢熔合比的影响见表4-2。,第五节控制和改善焊接接头性能的方法,三、焊接工艺方法的选用每种焊接工艺方法都具有自身特点，采用不同的工艺方法也必将导致焊接接头性能的不同，在焊接时我们应根据具体使用与生产实际需要选用适合的焊接工艺方法。1.气焊2.焊条电弧焊3.埋弧自动焊4.氩弧焊5.CO2气体保护焊四、焊接工艺措施1.预热温度2.后热与焊后热处理3.焊缝层数,第五章埋弧焊,一、埋弧焊的组成埋弧焊的组成，如图5-1所示。图5-1埋弧焊的组成,第一节埋弧焊的组成,二、埋弧焊的焊接过程埋弧焊的基本原理如图5-2所示。,当埋弧焊焊接过程中的焊丝送进和焊丝沿焊缝向前移动两种操作均由焊机自动完成时，这就是埋弧自动焊。埋弧自动焊的焊接过程如图5-3所示。,三、埋弧焊焊缝的形成焊接前，先把大约40-60mm厚的焊剂铺撒在焊缝上。焊接时，焊丝与焊件之间的电弧，就完全淹埋在40-60mm厚的焊剂层下燃烧。埋弧焊焊逢的形成过程如图5-4所示。,四、埋弧焊的分类埋弧焊按焊接过程中机械化程度分为自动埋弧焊和半自动埋弧焊。按焊丝的数目分为单丝埋弧焊和多丝埋弧焊。单丝埋弧焊在生产中应用最普遍，只使用一根焊丝；后者则采用双丝、三丝和更多焊丝，其目的是为了改善焊缝成形、提高生产率。按送丝方式可分为等速送丝埋弧焊和变速送丝埋强焊。按电极形状分为丝极埋弧焊、带板埋弧焊和带极埋弧焊。,五、埋弧焊的特点（1）焊接电流比焊条电弧焊大得多，可以高达1000A，效率高。（2）因熔池较大，20mm-25mm以下的工件可不开坡口进行焊接，节省金属材料。由于电弧被焊剂保护着，使电弧的热得到充分利用，从而节省了电能。（3）焊接速度快，且焊接过程可连续进行，无需频繁更换焊条，因此生产率比手工电弧焊高5-20倍。电弧区保护严密，熔池保持液态时间较长，焊接工艺参数稳定，焊缝成形美观，焊接质量稳定。（4）焊剂的保护效果好，特别是在有风的环境中施焊时效果更好。（5）特别适于焊接大型工件的直缝和环缝。而且多数采用机械化焊接，生产率高。（6）没有弧光辐射、烟雾少，改善了劳动条件，可进行自动焊接。（7）薄板焊接难度较大，且不适于焊接厚度小于1mm的薄板。（8）设备费用较贵，工艺装备较复杂。,六、埋弧焊的操作过程埋弧焊操作过程包括引燃电弧、焊接和熄弧三个阶段，若要实现埋弧焊焊接过程的自动化，则这三个阶段的操作必须通过机电控制系统来自动地完成。在引燃电弧中，一般操作是先使焊丝与焊件短路接触，焊机启动后焊丝立即自动地向上回抽而引燃电弧。电弧引燃后，要求焊机能自动地按预先选定的焊接电流、电弧电压、焊接速度等工艺参数进行焊接，要保证这些工艺参数在整个焊接过程中保持稳定。焊接即将结束时，要求焊机能先停止送丝。再切断焊接电源，即熄弧。这样操作后既能填满弧坑，又不致使焊丝与焊件粘住。,埋弧焊使用的焊接材料包括焊丝和焊剂。一、焊丝同一电流使用较小直径的焊丝时，可获得加大焊缝熔深、减小熔宽的效果。当工件装配不良时，宜选用较粗的焊丝。国产钢焊丝标准直径及允许偏差,见表5-4。,第二节埋弧焊的焊接材料,当工件装配不良时，宜选用较粗的焊丝。另外，焊丝表面最好镀铜（镀铜层既可起防锈作用，又可改善焊丝与导电嘴的接触状况）。但抗腐蚀和核反应堆材料焊接用的焊丝是不允许镀铜的。各种直径的普通钢焊丝埋弧焊使用的电流范围，见表5-5。一定直径的焊丝，使用的电流有一定范围，使用电流越大，熔敷率越高。而同一电流使用较小直径的焊丝时，可获得小熔宽焊缝的效果。,二、焊剂1.埋焊剂的分类通常按化学性质、颗粒结构等分类，具体分类如图5-6所示。图5-6焊剂的分类,2.埋焊剂的作用熔炼焊剂主要起保护作用，非熔炼焊剂除了保护作用外，还可以起脱氧、去硫、渗合金等冶金处理作用。我国目前使用的绝大多数焊剂是熔炼焊剂。总体来说，弧焊焊剂在焊接过程中起隔离空气、保护焊缝金属不受空气侵害和参与熔池金属冶金反应的作用。3.埋焊剂的型号国家标准规定钢用焊剂型号的标注方法如图5-11所示。图5-11钢用焊剂型号的标注方法,牌号前“HJ”表示埋弧焊用熔炼焊剂。其标注方法如图5-12。牌号中第一位数字表示焊剂中氧化锰的含量；牌号中第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的含量；牌号中第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号，按0、1、29顺序编排。同一牌号生产两种颗粒度时，在细颗粒焊剂号后面加。图5-12熔炼焊剂的标注方法,三、焊丝及焊剂的选配焊丝和焊剂是埋弧焊的焊接材料。从普通碳素钢到高级镍合金等多种金属材料的焊接都可以通过选用焊丝和焊剂的配合来进行埋弧焊接。低碳钢的焊接可选用高锰高硅型焊剂，同时配合H08MnA焊丝，或选用低锰、无锰型焊剂配H08MnA和H10MnZ焊丝。低合金高强度钢的焊接可选用中锰中硅或低锰中硅型焊剂配合与钢材强度相匹配的焊丝。耐热钢、低温钢的焊接可选用中硅或低硅型焊剂配合相应的合金钢焊丝。铁素体、奥氏体等高合金钢，为了降低合金元素的烧损及掺加较多的合金元素，一般选用碱度较高的熔炼焊剂或烧结、陶质焊剂。国产焊剂使用范围及配用焊丝见表5-12。,表5-12国产焊剂使用范围及配用焊丝,一、影响焊缝形状与性能的因素埋弧焊时，影响焊缝形状和性能的因素主要有焊接工艺参数、焊接工艺条件和结构等三个方面。1.焊接工艺参数的影响影响埋弧焊焊逢形状和性能的因素主要有焊丝直径、焊接电流、焊接电压和焊接速度等。2.埋弧焊技术（1）对接焊逢双面焊（2）多层焊（3）筒体对接环逢焊（4）角逢焊,第三节埋弧焊工艺,3.结构因素的影响结构因素对焊缝形状和性能的影响主要是指接头形式、坡口形状、装配间隙和工件厚度等的影响。（1）接头形式。埋弧焊接头是根据焊件厚度、材料特点和埋弧焊工艺特点综合考虑后进行设计的。常用的接头形式有对接接头、T形接头、搭接接头和角接头。（2）坡口形状。埋弧焊最经济的焊接方法是不开坡口的设计，又叫I形坡口的接头设计。这样的接头如果采用单道焊接的话，通过调节装配间隙和背面加不加衬垫，就可焊接不同厚度范围的钢板。,（3）装配间隙。如果不留间隙和背面不加衬垫进行单面单道焊，一般最高可焊14mm；进行双面单道焊一般可焊16mm的钢板。如果留一定间隙且背面采用某种形式的衬垫，单面单道焊的厚度可达12mm以上，随间隙加大一次可焊的厚度也随之增加。（4）引弧板与引出板。和焊条电弧焊一样在直的接缝始、末端焊接前要装配一块金属板，开始焊接用的板称引弧板（见图5-25），结束焊接用的板称引出板，用后再把它们割掉。通常始焊和终焊处容易产生如焊瘤、弧坑等焊接缺陷。为了避免这些缺陷落在接头的始末端，获得正常尺寸的焊缝截面、保证焊缝质量稳定均匀，通常要使用引弧板和引出板把焊缝两端向外延长。（5）工件厚度及散热条件。板厚及散热条件对焊缝熔宽和余高也有显著影响。,二、埋弧焊常见缺陷及防止由于所用焊接工艺参数不当，埋弧焊时可能产生的主要缺陷除了熔透不足、烧穿、成形不良、咬边、未焊透外，还有气孔、裂纹、夹渣等。埋弧焊缺陷产生原因和防止方法见表5-21，,第六章气体保护焊,一、气体保护焊原理非熔化极气体保护焊的焊接过程，如图6-1所示。图6-1非熔化极气体保护焊的焊接过程,第一节气体保护焊的原理及特点,二、气体保护焊分类（1）按保护气体不同可分为：二氧化碳气体保护焊、氩弧焊、氦弧焊、氮弧焊、氢原子弧焊及混合气体保护焊。（2）按电极材料的不同，气体保护电弧焊可分为两大类：一类是非熔化极气体保护焊；另一类是熔化极气体保护焊，以焊丝作为电极。（3）按机械化程度不同可分为：手工气体保护焊、半自动气体保护焊与自动气体保护焊。三、保护气体种类及用途焊接时用的保护气体主要有Ar、He、CO2、N2、（H2）及混合气体等。,一、CO2气体保护焊原理及特点1.CO2气体保护焊原理CO2气体保护焊示意图，如图6-2所示。图6-2CO2气体保护焊示意图,第二节二氧化碳气体保护电弧,2.CO2气体保护焊特点（1）CO2气体保护焊由于电弧穿透能力强，能形成较大接头熔深，焊丝熔化率高；生产效率比手工电弧焊高13倍。（2）二氧化碳气体价廉易得，而且消耗电能少，是一种既经济，又便于自动化生产的焊接方法。一般情况下，二氧化碳气体保护焊的成本仅为手工电弧焊的37%42%，为埋弧焊的40%。（3）CO2与手工电弧焊相比，CO2气体保护焊设备复杂，费用较高，操作不够灵活。（4）纯C02焊在一股工艺范围内不能达到射流过渡，实际上常用短路过渡和滴状过渡，加入混合气体后才有可能获得射流过渡；CO2气体呈喷射状，有助于熔滴过渡，飞溅较多。,二、CO2气体保护焊冶金特点C02焊接过程在冶金方面主要表现在C02是一种氧化性气体，在高温时进行分解，具有强烈的氧化作用，易造成合金元素氧化烧损或产生气孔与飞溅。1.直接氧化2.间接氧化3.气孔在熔池金属内部存在有溶解不了的或过饱和的气体，当这些气体来不及从熔池中逸出时，便随熔池的结晶凝固，而留在焊缝内形成气孔。C02焊时气流对焊缝有冷却作用，又无熔渣覆盖，故熔池冷却快。此外，所用的电流密度大，焊缝窄而深，气体逸出路程长，于是增加了产生气孔的可能性。可能产生的气孔有三种；一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。,4.熔滴过渡方式CO2气体保护焊中，为获得稳定的焊接过程，要选用合适的熔滴过渡形式。熔滴过渡形式有：细颗粒过渡、排斥过渡、爆炸过渡和短路过渡，几种过渡形态如图6-3。一般采用短路过渡和细颗粒过渡两种过渡形式。图6-3CO2几种熔滴过渡形式,5.飞溅问题在CO2焊中，大部分焊丝熔化金属可过渡到熔池，有一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外，飞到熔池之外的金属称为飞溅。特别是粗焊丝CO2气体保护焊大参数焊接时，飞溅更为严重，飞溅率可达20%以上，这时就不可能进行正常焊接工作了。飞溅是有害的，飞溅金属粘到导电嘴和喷嘴内壁上，会造成送丝和送气不畅而影响电强稳定和降低保护作用，恶化焊缝成形；粘到焊件表面上又增加焊后清理工序；它不但降低焊接生产率，增加了焊丝及电能消耗，影响焊接质量，而且使劳动条件变差。引起金属飞溅的原因很多，大致有以下两个方面：（1）熔滴自由过渡时的飞溅（2）熔滴短路过渡时的飞溅,三、CO2气体保护焊材料及设备1.CO2气体保护焊用材料（1）保护气体C02。CO2气体的性质，纯CO2是无色、无味的气体，密度为1.98kgm3，比空气重（空气为1.29kgm3），是空气的1.5倍。（2）焊丝。C02焊用的焊丝对化学成分有特殊要求，主要是：焊丝内必须含有足够数量的脱氧元素，以减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔；焊丝的含碳量要低。通常要求(c)O11，以减少气孔和飞溅；要保证焊缝具有满意的力学性能和抗裂性能。,2.CO2气体保护焊焊接设备CO2焊是熔化极气体保护电弧焊方法之，设备组成如图6-5所示，焊接设备及附件如图6-6所示。1-CO2气瓶2-预热器3-高压干燥器4-气体减压阀5-气体流量计6-低压干燥器7-气阀8-送丝机构9-焊枪10-可调电感11-焊接电源12-工件图6-5CO2气体保护焊焊接设备组成,图6-6CO2气体保护焊焊接设备及附件,（1）焊接电源。焊接电源的负载状态不断地在负载、短路、空截三态间转换。C02电弧的静特性是上升的，所以须选用平（恒压）的和下降外特性的电源。（2）送丝机构。送丝机构通常是由送丝机、送丝软管、焊丝盘等组成，几种送丝方式如图6-7所示。1-电动机2-焊丝盘3-送丝滚轮4-送丝软管5-焊枪图6-7几种送丝方式示意图,(3)焊枪。焊枪的作用是导电、导丝和导气。半自动焊枪有鹅径式（图6-8）和手枪式两种。1-喷嘴2-鹅颈管3-焊把4-扳机开关5-导电嘴6-电缆图6-8鹅颈式焊枪示意,（4）供气装置。CO2保护焊供气装置组成，如图6-9所示。1-钢瓶2-预热器3-高压干燥器4-减压阀5-气体流量计6-电磁气阀图6-9CO2保护焊供气装置,四、CO2气体保护焊的焊接工艺参数二氧化碳气体保护焊的工艺参数包括电源极性、焊丝直径、电弧电压、焊接电流、气体流量、焊接速度、焊丝伸出长度、直流回路电感等。1.电源极性二氧化碳气体保护焊焊接一般材料时，采用直流反接；在进行高速焊、堆焊和铸铁补焊时，应采用直流正接。2.焊丝直径二氧化碳气体保护焊的焊丝直径一般可根据焊接工件特点进行选择。3.电弧电压和焊接电流对于一定直径的焊丝来说，在二氧化碳气体保护焊中，采用较低的电弧电压，较小的焊接电流焊接时，焊丝熔化所形成的熔滴把母材和焊丝连接起来，呈短路状态称为短路过渡。,4.气体流量气体流量应随焊接电流的增大、焊接速度的增加和焊丝伸出长度的增加而加大。一般二氧化碳气体流量的范围为825Lmin5.焊接速度随着焊接速度的增大，则焊缝的宽度、余高和熔深都相应地减小。6.焊丝伸出长度焊接时焊丝伸出导电嘴的长度叫焊丝伸出长度。焊丝伸出长度增加，则使焊丝的电阻值增加，造成焊丝熔化速度加快。7.直流回路电感在焊接回路中，为使焊接电弧稳定和减少飞溅，一般需串联合适的电感。串联电感值大时，短路电流增长速度太慢，就会引起大颗粒的金属飞溅和焊丝成段炸断，造成熄弧或使起弧变得困难；串联电感值太小时，短路电流增长速度太快，会造成很细颗粒的金属飞溅，使焊缝边缘不齐，成形不良。,氩弧焊是利用氩气作为保护介质的一种电弧焊方法。如图6-10所示为氩弧焊示意图。1-焊件2-熔滴3-氩气4、10-喷嘴5、11-氩气喷管6-熔化极焊丝7、9-导电嘴8-非熔化极钨丝12-焊丝图6-10氩弧焊示意,第三节氩弧焊,一、非熔化极氩弧焊（TIG焊）1.非熔化极氩弧焊原理及特点非熔化极氩弧焊常采用熔点较高的钍钨棒或铈钨棒作为电极，所以又叫钨极氩弧焊。焊接过程如图6-11所示。1-喷嘴2-钨极3-电弧4-焊缝5-焊件6-熔池7-填充焊丝8-惰性气体图6-11非熔化极氩弧焊,2.分类根据焊接电流的不同TIG焊接又可分为直流TIG焊接与交流TIG焊接。（1）直流TIG焊接以直流电弧焊接电源作为焊接电源，以电极为负极、母材为正极的焊接方法，广泛应用于不锈钢、钛、铜以及铜合金等的焊接。（2）交流TIG焊接以交流电弧焊接电源为焊接电源，电极、母材正负极性相互变化。直流反接方式时，具有阴极破碎作用，可清除工件表面的氧化膜。铝及铝合金表面有一层致密得氧化膜（Al2O3，熔点2050，铝的熔点只有660）覆盖在熔池表面，容易造成夹渣及未熔合等缺陷，可利用反极性的阴极破碎作用加以清除。但直流反接时，钨极烧损严重，一般采用交流电弧焊接。交流电弧焊接一般应用于铝、镁等的焊接。,3.保护气体用于TIG焊的保护气体大致有三种。使用最广泛的是氩气。因此，通常我们习惯把TIG焊简称氩弧焊。其次是氦(He)气，由于氦气比较稀缺，提炼困难，价格昂贵，国内用得极少。最后一种是混合气体，由两种不同成分的气体按一定的配比混合后使用。4.焊接材料（1）钨极。钨极作为氩弧焊的电极，对它的基本要求是：发射电子能力要强；耐高温而不易熔化烧损；有较大的许用电流。（2）焊丝。用于TIG焊的焊丝与二氧化碳气体保护焊的焊丝要求相同，详细讲解请参看二氧化碳气体保护焊章节。,5.焊接设备（1）