机械制造基础培训教材

机械制造基础金工教研室制造科学与工程学院2005年春季学期第四讲：焊接工艺常识

©2004金工教研室机械制造基础第四讲：焊接工艺常识焊接工艺永久性连接起源于一次世界大战后（凡尔赛公约）现代工业的基础工艺造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车基本焊接方法电弧焊：属于熔化焊其他焊接方法：压力焊、钎焊©2004金工教研室机械制造基础本讲内容一、电弧焊工艺常识二、焊条电弧焊三、特种焊接工艺方法四、金属材料的焊接性五、焊接结构设计六、连接技术©2004金工教研室机械制造基础一、电弧焊工艺常识1、焊接电弧气体介质中导电现象©2004金工教研室机械制造基础焊接电弧的热量热量来源于阳极43％阴极36％弧柱21％热量扩散65％～85％加热熔化金属其余散失在电弧周围飞溅的金属液©2004金工教研室机械制造基础2、正接和反接温度：阳极：2600K阴极：2400K电弧中心：6000K－8000K直流焊接正接法：工件温度高反接法交流焊接：两极温度均为2500K引弧电压：50－90V电弧电压：16－35V©2004金工教研室机械制造基础3、焊接接头的组织与性能焊接工件上温度的变化与分布©2004金工教研室机械制造基础焊接接头组织低碳钢焊缝焊接热影响区©2004金工教研室机械制造基础4、焊缝从熔池底向中心凝固各个方向凝固速度不同柱状铸态组织铁素体＋少量珠光体杂质集中在焊缝中心，影响焊缝质量©2004金工教研室机械制造基础焊缝的热影响区1－融合区0.1~1mm，关键2－过热区脆性比融合区更大3－正火区力学性能优于母材4－部分相变区比正火区稍差不同焊接方法热影响区宽度不同焊后正火改善接头性能©2004金工教研室机械制造基础5、焊焊接应应力与与变形形极不平平衡的的热循循环过过程应力分分布规规律先冷受受压，，后冷冷受拉拉©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础消除除焊焊接接应应力力提高高母母材材塑塑性性避免免焊焊缝缝交交叉叉避免免焊焊缝缝过过宽宽过过长长合理理焊焊接接顺顺序序先焊焊短短焊焊缝缝后焊焊长长焊焊缝缝预热热焊焊件件、、振振动动焊焊缝缝焊后后退退火火©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊接接变变形形收缩缩变变形形角变变形形弯曲曲变变形形扭曲曲变变形形波浪浪变变形形©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础防止止焊焊接接变变形形减小小焊焊接接应应力力提高高结结构构刚刚度度对称称焊焊缝缝分分布布焊前前反反变变形形©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础防止止焊焊接接变变形形合理理焊焊接接操操作作平衡衡温温度度分分布布利用用变变形形©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础防止止焊焊接接变变形形焊后后校校正正©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础二、、焊焊条条电电弧弧焊焊焊条条电电弧弧焊焊过过程程药皮皮燃燃烧烧：：电弧弧周周围围气气体体：：CO2、CO、、H2熔池池中中熔熔渣渣，，冷冷却却形形成成渣渣壳壳保护护熔熔池池中中的的熔熔化化金金属属©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础1、、电电焊焊条条焊芯芯导电电和和填填充充焊焊缝缝焊接接用用钢钢丝丝低碳碳钢钢、、合合金金结结构构钢钢、、不不锈锈钢钢药皮皮焊接接过过程程顺顺利利进进行行焊缝缝化化学学成成分分、、力力学学性性能能©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊条条药药皮皮作用用提高高电电弧弧燃燃烧烧的的稳稳定定性性防止止空空气气对对熔熔化化金金属属的的有有害害作作用用对熔熔池池脱脱氧氧、、加加入入合合金金元元素素保证证焊焊缝缝金金属属的的化化学学成成分分和和力力学学性性能能稳弧弧、、造造气气、、造造渣渣、、脱脱氧氧、、合合金金、、稀稀渣渣、、粘粘接接原料种类原料名称作用稳弧剂碳酸钾、碳酸钠、长石、大理石、钛白粉、钠水玻璃、钾水玻璃改善引弧性能、提高电弧燃烧的稳定性造气剂淀粉、木屑、纤维素、大理石造成一定量的气体，隔绝空气，保护焊接熔滴与熔池造渣剂大理石、长石、萤石、菱苦石、锰矿、钛铁矿、粘土、钛白粉、金红石造成具有一定物理化学性能的熔渣，保护焊缝，碱性渣中的CaO可脱硫、磷©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊条条药药皮皮的的作作用用©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊条条种种类类按化化学学成成分分分分成成七七大大类类碳钢钢、、低低合合金金钢钢、、不不锈锈钢钢、、堆堆焊焊、、铸铸铁铁、、铜铜及及铜铜合合金金、、铝铝及及铝铝合合金金焊条条型型号号E4303：：E碳碳钢钢焊焊条条43：：焊焊缝缝抗抗拉拉43kgf/mm20：：(0/1)全全位位置置焊焊接接、、(2)平平焊焊、、(4)向向下下立立焊焊03：：3、、4为为组组合合表表示示焊焊接接电电流流种种类类和和药药皮皮类类型型，，03为为钛钛钙钙型型药药皮皮、、交交流流或或直直流流©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊条条种种类类焊条条牌牌号号J422、、J507J：：结结构构钢钢焊焊条条（（奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢A、、铸铸铁铁Z））42：：抗抗拉拉强强度度等等级级MPa（（50、、55、、60、、70、、80））2：：药药皮皮和和电电流流种种类类©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊条条种种类类按熔熔渣渣性性质质酸性性焊焊条条酸性性氧氧化化物物比比碱碱性性氧氧化化物物多多适合合各各种种电电源源、、易易操操作作、、电电弧弧稳稳定定、、成成本本低低焊缝缝塑塑性性韧韧性性差差、、不不宜宜用用于于重重要要构构件件碱性性焊焊条条焊缝缝塑塑性性韧韧性性好好、、抗抗冲冲击击能能力力强强要求求直直流流电电源源、、操操作作性性差差、、电电弧弧不不够够稳稳定定、、价价格格高高，，适适于于重重要要构构件件©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础焊条条选选用用原原则则选择择依依据据：根根据据焊焊件件化学学成成分分、、力力学学性性能能、、抗抗裂裂性性、、耐耐腐腐蚀蚀耐耐高高温温性性能能结构构形形状状、、受受力力情情况况、、焊焊接接设设备备条条件件低碳碳钢钢和和低低合合金金钢钢构构件件：根根据据强强度度（（两两构构件件强强度度较较低低者者为为准准））酸性性/碱碱性性：根根据据重重要要性性铸铁铁：碱碱性性焊焊条条和和适适当当工工艺艺（（预预热热））不锈锈钢钢和和耐耐热热钢钢：特特殊殊、、专专用用焊焊条条©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础2、、埋埋弧弧焊焊埋弧弧焊焊演演示示©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础埋弧弧焊焊特特点点大电电流流（（1000A））、、生生产产率率高高焊接接质质量量高高且且稳稳定定节约金属属热量集中中、可无无坡口、、无焊条条头、飞飞溅少改善劳动动条件无弧光、、烟雾自动化程程度高工艺装备备复杂，，适合批批量生产产©2004金金工教教研室机械制造造基础焊丝与焊焊剂焊丝焊剂剂决定焊焊缝化学学成分、、力学性性能熔炼焊剂剂、陶质质焊剂©2004金金工教教研室机械制造造基础埋弧焊工工艺仔细下料料、准备备（清理理）坡口口、装配配引弧板与与引出板板－焊后后去掉©2004金金工教教研室机械制造造基础防止烧穿穿－焊剂剂垫、垫垫板©2004金金工教教研室机械制造造基础环缝焊接接©2004金金工教教研室机械制造造基础3、气体体保护焊焊－氩弧弧焊©2004金金工教教研室机械制造造基础气体保护护焊－CO2保保护焊©2004金金工教教研室机械制造造基础4、等离离子弧焊焊接与切切割电弧压缩缩机械压缩缩热压缩电磁收缩缩中心区域域温度极极高16000K焊接/切切割熔点点很高的的金属不锈钢钛、钨©2004金金工教教研室机械制造造基础5、焊接接自动化化数控轨迹迹控制焊接质量量监控©2004金金工教教研室机械制造造基础焊接机器器人焊接机器器人演示示©2004金金工教教研室机械制造造基础用电弧焊焊焊接钢钢板的问问题如图拼焊焊一张大大钢板焊缝布置置合理吗吗？如何改进进？对称，错错开如何合理理安排焊焊缝顺序序？先短后长长12345678©2004金金工教教研室机械制造造基础三、特种种焊接工工艺方法法简略了解解其它焊焊接方法法电阻焊、、摩擦焊焊、钎焊焊、电渣渣焊真空电子子束焊接接、激光光焊接讨论可以用于于焊接的的能源形形式©2004金金工教教研室机械制造造基础1、电阻阻焊电阻热Q=I2Rt特点生产率高高、焊接接变形小小操作简便便、易实实现自动动（汽车车外壳焊焊接）设备复杂杂、耗电电量大接头形式式、工件件厚度受受到限制制点焊、缝缝焊、对对焊©2004金金工教教研室机械制造造基础点焊局部高温温焊合分流现象象焊点的分分布最小小距离限限制©2004金金工教教研室机械制造造基础点焊的接接头形式式硬规范软规范电极压力力表面清洗洗接头形式式©2004金金工教教研室机械制造造基础缝焊©2004金金工教教研室机械制造造基础对焊©2004金金工教教研室机械制造造基础对焊接头头形式©2004金金工教教研室机械制造造基础讨论这个个问题铜及铜合合金可以以采用电电阻焊吗吗？©2004金金工教教研室机械制造造基础2、摩擦擦焊©2004金金工教教研室机械制造造基础摩擦焊的的接头形形式©2004金金工教教研室机械制造造基础3、钎焊焊焊接过程程示意图图－毛细细管作用用©2004金金工教教研室机械制造造基础钎焊硬钎焊450℃以上、、接头强强度200MPa以上上自行车架架、工具具、刀具具软钎焊450℃以下、、接头强强度70MPa以下仪表、导导电元件件、各种种低载荷荷构件加热方式式烙铁、火火焰、电电阻、感感应©2004金金工教教研室机械制造造基础钎焊的常常见接头头形式©2004金金工教教研室机械制造造基础钎焊接头头的比较较©2004金金工教教研室机械制造造基础4、电渣渣焊©2004金金工教教研室机械制造造基础5、真空空电子束束焊接©2004金金工教教研室机械制造造基础6、激光光焊接©2004金金工教教研室机械制造造基础题外话：：关于铝铝热剂什么是铝铝热剂通常把铝铝粉和氧氧化铁的的混合物物叫铝热热剂用某些金金属氧化化物(如如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替替氧化铁铁也可以以做铝热热剂有什么特特性难熔的金金属氧化化物与混混合物中中的铝反反应时放放出大量量热有什么用用？©2004金金工教教研室机械制造造基础焊接钢轨轨原理铝热反应应公式示示例：使使用铝粉粉可还原原氧化铁铁Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3还原反应应产生大大量的热热能，无无需外部部的能源源，就能能熔化金金属，可可以用来来焊接钢钢轨优点这些原料料完全彻彻底地和和合金元元素混合合在一起起形成铝铝热剂，，它可以以组成与与钢轨化化学、冶冶金、和和机械方方面相匹匹配的焊焊接接头头©2004金金工教教研室机械制造造基础焊接钢轨轨过程铝热剂被被投入到到一个耐耐火坩埚埚中，用用点火器器点燃，，开始铝铝热反应应。反应结束束后，液液态钢自自动从坩坩埚底部部释放到到耐火模模具，从从而连接接钢轨的的两端。。模具带有有几何形形状特征征，能控控制铸造造和固化化的过程程。当铝热钢钢冷却下下来后，，进行进进一步的的热处理理来提高高它的机机械特性性。©2004金金工教教研室机械制造造基础铝热焊设设备©2004金金工教教研室机械制造造基础其它用途途冶炼难熔熔金属军事用途途在炮弹导导弹弹头头一但装装进铝热热剂成分分，可极极大地提提高杀伤伤力。在前苏联联科学家家编写的的《火箭箭炮》一一书中，，谈到火火箭炮弹弹头装药药就有铝铝热剂的的成分。。在中国人人民革命命军事博博物馆里里，展品品中就有有美军的的钢盔、、卡宾枪枪、被烧烧熔在一一起，除除了火箭箭弹以外外，其它它炸弹没没有如此此大的能能量。©2004金金工教教研室机械制造造基础选择焊接接方法自行车车车架钢窗家用液化化气罐主主缝自行车圈圈电子线路路板锅炉壳体体钢轨对接接不锈钢储储罐硬钎焊（（盐浴））硬钎焊、、对焊、、电弧焊焊缝焊缝焊外边边、闪光光对焊软钎焊埋弧焊、、电渣焊焊闪光对焊焊、铝热热焊等离子弧弧焊接、、氩弧焊焊©2004金金工教教研室机械制造造基础四、金属属材料的的焊接性性焊接性概概念设定相同同（焊接接方法、、材料、、参数、、结构））易焊、难难焊：获获得优质质焊接接接头的难难易程度度焊接性并并非一定定焊接方法法、焊接接材料、、焊接工工艺评定方法法工艺焊接接性：出出现工艺艺缺陷的的倾向使用焊接接性：使使用中的的可靠性性（力学学、特殊殊性能要要求）©2004金金工教教研室机械制造造基础钢材焊接接性的估估算碳当量计计算公式式计算结果果<0.4%：：良好0.4%～0.6%：：相对较较差>0.6%：：焊接性性不好©2004金金工教教研室机械制造造基础小型抗裂裂实验法法©2004金金工教教研室机械制造造基础碳钢焊接接低碳钢（（C%<0.25%）焊接性好好、淬硬硬倾向小小、无需需特别处处理大于50mm多多层焊接接－>应应力、变变形开裂裂焊条电弧弧焊、埋埋弧焊、、电渣焊焊、气体体保护焊焊电阻焊焊保证焊接接接头与与母材等等强度焊条：E4313(J421)E4303(J422)E4315(J427)等埋弧焊丝丝/焊剂剂：H08A(H08MnA)/431©2004金金工教教研室机械制造造基础碳钢焊接接中碳钢：：C%＝＝（（0.25%～～0.6%）焊接性变变差、淬淬硬倾向向变大工艺特点点：容易开裂裂：冷裂裂纹、热热裂纹必须预热热，减小小工件各各个部分分的温差差细焊条、、小电流流、开坡坡口多层层焊接焊条电弧弧焊、电电渣焊（（厚件））选择抗裂裂能力较较强的低低氢型焊焊条、等等强度焊条：E5016(J506)、E6015－－D1(J607)©2004金金工教教研室机械制造造基础合金钢焊焊接合金结构构钢焊接接件较少少工艺与中中碳钢近近似低合金结结构钢焊焊接工艺艺特点热影影响响区区的的淬淬硬硬倾倾向向：：合合金金含含量量大大小小焊接接接接头头的的裂裂纹纹倾倾向向：：冷裂裂纹纹倾倾向向大大小小：：含含氢氢量量、、淬淬硬硬程程度度、、应应力力热裂裂纹纹倾倾向向不不大大（（我我国国合合金金都都含含Mn））强度度级级别别决决定定工工艺艺低：：同同低低碳碳钢钢低温温大大厚厚度度高高刚刚度度构构件件：：大大电电流流、、慢慢速速、、低低氢氢焊焊条条、、退退火火高：：焊焊前前预预热热、、焊焊后后先先消消氢氢处处理理，，再再退退火火处处理理©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础铸铁铁补补焊焊铸铁铁焊焊接接性性很很差差，，只只能能进进行行补补焊焊焊接接特特点点焊缝缝易易形形成成白白口口、、难难以以切切削削加加工工易开开裂裂、、易易产产生生气气孔孔流动动性性好好，，只只能能进进行行平平焊焊热焊焊法法（（600～～700））：：防止止开开裂裂，，补补焊焊后后可可切切削削加加工工冷焊焊法法（（450以以下下））©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础非铁铁金金属属及及其其合合金金的的焊焊接接铜及及铜铜合合金金困难难导热热性性太太好好，，容容易易焊焊不不透透易氧氧化化、、易易开开裂裂、、易易形形成成气气孔孔电阻阻很很小小，，难难以以采采用用电电阻阻焊焊铜合合金金比比纯纯铜铜更更难难焊焊接接氩弧弧焊焊（（紫紫铜铜、、青青铜铜））气焊焊（（黄黄铜铜））、、碳碳弧弧焊焊、、钎钎焊焊©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础非铁铁金金属属及及其其合合金金的的焊焊接接铝及及铝铝合合金金也比比较较困困难难极易易氧氧化化、、Al2O3阻碍碍金金属属熔熔和和、、易易夹夹渣渣导热热性性较较好好，，需需预预热热、、使使用用大大功功率率热热源源容易易产产生生气气孔孔（（易易吸吸收收H2）高温温下下强强度度塑塑性性很很低低，，焊焊缝缝塌塌陷陷氩弧弧焊焊、、气气焊焊、、点点焊焊、、缝缝焊焊、、钎钎焊焊©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础选择择焊焊接接方方法法－－圆圆筒筒低低压压容容器器Q235钢钢板板20mm批批量量生生产产埋弧弧自自动动焊焊20钢钢板板2mm批批量量生生产产缝焊焊45钢钢板板6mm单单件件生生产产焊条条电电弧弧焊焊紫铜铜板板4mm单单件件生生产产氩弧弧焊焊铝合合金金板板20mm单单件件生生产产氩弧弧焊焊不锈锈钢钢板板10mm小小批批生生产产氩弧弧焊焊©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础讨论论焊焊接接工工艺艺问问题题如图图铸铸件件补补焊焊后后还还是是开开裂裂，，怎怎么么样样补补焊焊才才能能既既不不开开裂裂，，又又能能切切削削加加工工？？©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础五、、焊焊接接结结构构设设计计焊接接结结构构件件材材料料的的选选择择应选选碳碳当当量量小小于于0.4的的金金属属材材料料优选选强强度度等等级级低低的的低低合合金金结结构构钢钢优选选镇镇静静钢钢（（脱脱氧氧完完全全））异种种金金属属间间焊焊接接以焊焊接接性性较较差差的的金金属属材材料料设设计计焊焊接接工工艺艺各种种金金属属材材料料的的焊焊接接性性能能可可查查表表©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础1、、合合理理选选用用型型材材减减少少焊焊缝缝数数量量©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础2、、焊焊接接接接头头设设计计分散散布布置置焊焊缝缝©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础3、、对对称称布布置置焊焊缝缝©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础对称称布布置置焊焊缝缝©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础对称称布布置置焊焊缝缝©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础4、、避避开开应应力力集集中中的的位位置置©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础避开开应应力力集集中中的的位位置置©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础避开开应应力力集集中中的的位位置置©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础5、、避避开开机机械械加加工工位位置置©2004金金工工教教研研室室机械械制制造造基基础础6、、便便于于电电弧弧焊焊的的设设计计©2004