第二章 铸造锻压和焊接工艺基础3

第二章铸造、锻压和焊接工艺基础

2.3焊接工艺基础

焊接定义：焊接是将二个分离的金属通过加热、加压（或加热的同时加压），产生原子的结合与扩散作用而形成永久性连接的工艺方法。按焊接原理分类:熔焊法、压焊法、钎焊法按焊接操作方法分类：手工焊、自动焊视频：焊接概述、自动焊接机器人5/5/20232（1）熔焊法利用局部加热，使焊件接头处熔化并加入填充金属，待冷却后连接成整体的焊接方法。如气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、激光焊等。气体保护电弧焊机激光焊机5/5/20233（2）压焊法利用加热或其他方法，使焊件接头处于半熔化或高塑性状态，在足够的压力下产生塑性变形，通过原子间的结合连接金属的焊接方法。如电阻焊、摩擦焊等。电阻焊机5/5/20234（3）钎焊法利用低熔点钎料在母材金属中被加热熔化，使之与母材相互扩散而形成焊接接头的焊接方法。高频钎焊机高频钎焊机的用途：

1、金刚石刀头的焊接，硬质合金锯片的焊接及金刚石刀具、磨具、钻具的焊接。

2、机械加工用硬质合金刀具的焊接。如车刀、刨刀、铣刀、铰刀等刃具的焊接。

3、矿山工具的焊接，如“一”字钎头、柱齿钎头、燕尾型煤钻头、铆杆钻头、各种采煤机截齿、各种掘进机截齿的焊接。

4、各种木工刀具的焊接，如各种木工刨刀、铣刀和各种木工钻头的焊接。

5/5/20235焊接与铆接的比较生产率高，生产周期短，接头质量好，节省材料，密封性好，导电、热、磁等。劳动强度低、便于机械化和自动化操作。5/5/202362.3.1手工电弧焊（手弧焊）手弧焊是发展最早、应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。视频：手工电弧焊：对接平焊5/5/20237一、焊接过程及其冶金特点手弧焊时在焊条与工件之间的气体介质中产生强烈而持久的放电现象。电弧引燃后，在电场力的作用下弧柱中充满高温电离物质，放出大量的热能和强烈的弧光。视频：焊接用具5/5/20238焊接温度高，合金元素强烈蒸发和烧损，氧化严重，严重影响焊缝质量。保证质量的措施：保护焊区使之与大气隔开，还原金属，清除有害元素，补充被烧损的合金元素。视频：引弧5/5/20239用直流电焊接时：阳极区——43%、2600K阴极区——36%、2400K弧柱区——21%、6000~8000K占总热量百分比和温度5/5/202310直流正接：工件接正极，焊条接负极。直流反接：工件接负极，焊条接正极。交流电：无正反接之分引弧电压（空载电压）：50—90V，工作电压（电弧电压）：16—35V电焊钳作用是夹持电焊条，焊接时传导焊接电流的器械。是与手弧焊机配套使用的，手工电弧焊时，用以夹持和操纵焊条，并保证与焊条电气连接的手持绝缘器具。一般工件金属熔化需较多热量，故接正极5/5/202311焊条由焊芯及药皮两部分构成。焊条是在金属焊芯外将涂料(药皮)均匀、向心地压涂在焊芯上。焊芯作用：电极、熔化后填充焊缝焊条药皮作用：气体保护、熔渣保护、还原反应、渗合金、稳弧。二、电焊条5/5/202312焊条按牌号熔渣化学性质分为酸性焊条和碱性焊条酸性焊条：熔渣呈酸性，焊缝含氧、氮多，脱硫能力差，含氢较多，焊缝塑性差、韧性差，易产生裂纹。但工艺性好，可交直流两用。常用于在求不高的一般结构的焊接。碱性焊条：熔渣呈碱性，熔渣氧化性小，脱氧、脱硫能力强，含氢少，抗裂性好。又称为低氢焊条。但对锈、水、油敏感，易产生气孔。常用直流电。常用于重要结构的焊接。5/5/202313焊条按牌号编制分为十大类：结构钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条等。焊条的牌号：结422（J422）——表示结构钢焊条，其最低抗拉强度为420MPa，第三位数字表示药皮种类和电源种类，2为钛钙类（属酸性焊条1~5）、交直流两用。牌号末位数字表示具体含义：0：不规定药皮类型，不规定适用电流类型1：氧化钛型药皮，交直流两用2：氧化钛钙型药皮，交直流两用3：钛钙型药皮，交直流两用4：氧化铁型药皮，交直流两用5：高纤维素型药皮，交直流两用6：低氢钾型药皮，交直流两用7：低氢钠型药皮，交直流两用8：石墨型药皮，交直流两用9：盐基型药皮，直流专用5/5/202314J422焊条是普通叫法，对应国际标准型号E4303直径从2.5mm到6.0mm不等，可以进行全位置焊接，交直流两用，熔敷金属抗拉强度的最小值43kg/mm2具有优良的焊接工艺性能和力学性能，电弧稳定，飞溅少，脱渣容易，焊缝成型美观。主要用途:用于焊接较重要的低碳钢结构和强度等级低的低合金钢，一般用于焊接钢结构和普通碳钢管道的焊接。5/5/202315焊条通常用型号和牌号来反映其主要性能特点及类别。焊条型号是以焊条国家标准为依据、反映焊条主要特性的一种表示方法。焊条牌号是根据焊条的主要用途及性能特点，对焊条产品的具体命名。由焊条厂家制定。5/5/202316碳钢焊条型号的编制方法：首位字母“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值(kgf/mm2)；第三位数字表示焊条的焊接位置：“0”和“1”表示焊条适用于全位置焊接；“2”表示焊条适用于平焊及平角焊；“4”表示焊条适用于向下立焊。第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。在第四位数字后面附加字母或数字：“R”表示耐吸潮焊条，“M”表示对吸潮和力学性能有特殊规定的焊条，“-1”表示冲击性能有特殊规定的焊条。5/5/202317焊条选用原则：（1）在焊接低碳钢和低合金钢时采用等强度原则（2）重要受力零件选用碱性焊条（6~9是碱性焊条）（3）易裂材料焊接选用碱性焊条（4）选用与母材化学成分相同的焊条5/5/202318三、焊接接头的组织和性能熔焊时，焊件局部加热和冷却，焊件各部分受热不同，产生的组织变化和性能也不同。焊接接头可分为焊缝区和热影响区。5/5/202319（1）焊缝区焊缝区的金属被加热熔化后进行冷却结晶，晶粒从底、侧面向中心生长，呈层片状的柱状晶粒，使晶粒细化，焊缝金属性能不低于母材。5/5/202320（2）热影响区焊缝两侧金属母材因焊接热作用而产生的组织和性能变化的区域为热影响区。熔合区过热区正火区部分相变区熔合区：0.1-1mm厚，金属半熔化，在固、液两相区熔化部分结晶为铸态组织，未熔部分为过热粗结晶。强度、塑性、韧性都下降。是最薄弱的区域。过热区：为加热到A氏体状态，形成过热粗晶组织，塑性、韧性都下降。也是最薄弱的区域，极易产生裂纹。正火区：相当于加热到正火温度晶粒细化，形成细小的珠光体和铁素体。部分相变区：珠光体和部分铁素体重结晶，得细化晶粒。一部分铁素体组织不变化晶粒粗大。整体晶粒大小不一，性能略差于母材。5/5/202321四、焊接应力与变形1、焊接应力产生原因和影响：焊接过程中对焊件的不均匀加热而产生的膨胀、冷却时产生的收缩，均受到周围金属的限制，使焊件产生应力和变形，应力会残留。焊接应力较大，整个焊件缩短。塑性好的材料产生变形，塑性差的材料容易产生裂纹。5/5/2023222、焊接变形的基本形式5/5/2023233、防止焊接变形和裂纹、减少内应力的工艺措施（1）焊前预热焊后热处理（2）选择合理的焊接顺序——使应力和变形相互抵消，焊缝自由收缩。5/5/202324（3）刚性固定法：固定夹紧焊件，利用材料的塑性变形来减小焊接过程中的变形。只能用于塑性好的材料，塑性差、焊接应力大的会产生裂纹。（4）反变形法（5）锤击焊缝法：轻击微量变形，减少应力若已变形用机械矫正法、火焰加热矫正法5/5/2023252.3.2其他焊接方法简介一、埋弧自动焊二、气体保护焊三、电渣焊四、等离子弧焊五、激光焊六、电阻焊七、摩擦焊八、钎焊5/5/202326一、埋弧自动焊埋弧焊是以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。5/5/202327主要特点：效率高、质量好、成本低、劳动条件好，准备工作严格。主要应用：焊接大型工件的直缝和环缝。视频：埋弧自动焊、实例5/5/202328二、气体保护焊利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接的。气体保护电弧焊通常用的保护气体有：氩气、氦气、CO2。二、气体保护焊（气电焊）5/5/202329氩保护性好，无冶金反应，明弧便于观察、控制、操作，变形小，质量高。可全方位焊接。氩气成本高，设备维修不便。主要用于不锈钢和有色金属等材料的焊接。1、氩弧焊视频：氩弧焊、实例5/5/2023302、二氧化碳气体保护焊变形小，质量好，生产率高，成本低，可全方位焊接需用直流电源。主要用于低碳钢或低合金钢的焊接。视频：二氧化碳气体保护焊5/5/202331三、电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。特点：生产率高、焊缝缺陷少、成本较低、焊后一般需要进行正火和回火热处理。应用：适宜用于厚大件的焊接。视频：电渣焊、实例5/5/202332四、等离子弧焊接和切割等离子弧是利用等离子弧发生装置使电弧经过喷嘴产生很细的能量高度集中的等离子电弧。既可用于焊接也可用于切割。焊接时离子气和保护气均为氩气。所用电极一般为钨极，有时还需填充金属（焊丝）。一般均采用直流正接法（钨棒接负极），故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。5/5/202333特点：1）能量密度大，温度高，穿透力强（焊、切厚度大）2）焊接电流、电弧可控性好（可焊0.025mm金属箔材）3）生产率高4）焊接质量高5）可焊接难熔、易氧化和热敏性强的材料6）焊接设备复杂、耗气量大、宜室内焊接应用：难焊接金属材料的焊接与切割，非金属材料的切割。视频：等离子弧焊接与切割、等离子切割机5/5/202334五、激光焊激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束，将光能转变为热能，使金属熔化形成焊接接头的方法。特点：生产率高变形小不易氧化质量好属非接触性焊接5/5/202335可焊精密微型零件和热敏感材料可焊异种金属，甚至可将金属与非金属焊在一起。应用：激光焊机视频：激光焊、激光焊接、全自动化激光焊接机5/5/202336六、电阻焊电阻焊是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法。

5/5/202337生产率高，变形小，劳动条件好，操作简便，易于实现自动化生产。设备复杂，耗电大适用于大批量生产。视频：电阻焊5/5/202338七、摩擦焊（属于压力焊）摩擦焊是利用焊件接触表面的摩擦热使金属加热到高温塑性状态，然后加压进行焊接的方法。摩擦焊的热量集中在接合面处，因此热影响区窄。两表面间须施加压力，多数情况是在加热终止时增大压力，使热态金属受顶锻而结合，一般结合面并不熔化。5/5/202339特点：可焊接同种材料也可焊接异种材料焊接设备简单、成本低、生产率较高、劳动条件好应用：主要用于圆形工件、棒料及管子对接也可用于非等截面和非圆截面的焊接视频：摩擦焊、实例、摩擦焊接机5/5/202340八、钎焊钎焊的能源可以是化学反应热，也可以是间接热能。它是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属作钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料及入到接头接触面的间隙内，润湿被焊金属表面，使液相与固相之间互扩散而形成钎焊接头。因此，钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。钎焊加热温度较低，母材不熔化，而且也不需施加压力。视频：钎焊、火焰钎焊5/5/202341软纤焊：钎料熔点低于450°C，接头强度低主要用于受力小，或工作温度低的工件硬纤焊：钎料熔点高于450°C，接头强度高主要用于受力大，或工作温度高的工件主要应用：仪表、仪器、电气零部件的焊接异种金属、刀具、换热器等复杂簿板结构的焊接精密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件的焊接5/5/2023422.3.3常用金属材料的焊接金属材料的焊接性碳钢的焊接低合金钢的焊接铸铁的补焊非铁金属的焊接5/5/202343一、金属材料的焊接性金属材料的焊接性是指在一定的工艺条件下金属材料获得优质焊接接头的难易程度。包括：1、工艺焊接性：金属对形成焊接缺陷

的敏感性要小。2、使用性能：金属的焊接接头适应使

用时的性能要求。金属材料的焊接性与金属材质、工艺条件、焊接方法有关。5/5/202344一般金属材料塑性好则焊接性好，强度高焊接性差。低碳钢、低合金钢采用任何焊接方法的焊接性能都很好铝合金采用手弧焊焊接性能不好，采用氩弧焊焊接性能良好由于钢材的化学成份直接影响钢材的组织、强度、塑性、韧性、淬硬物及夹杂物，因而影响到焊缝冷裂缝的形成，故在很大程度上决定了钢材的焊接性。5/5/202345将钢中各种元素对焊接性的影响都折算成与碳作用相当的量——碳当量CE表示焊接性。CE<0.4%——焊接性良好，一般不必采用特别措施0.4%=<CE<=0.6%——焊接性差，焊缝易开裂，要采用一定的工艺措施CE>0.6%——焊接性很差，焊缝很易开裂，要采用严格的工艺措施5/5/202346二、碳钢和低合金钢的焊接1、碳钢的焊接低碳钢：CE<0.4%，焊接性能好，可得优质焊接头。中碳钢：0.4%=<CE<=0.6%，焊接性差。在150-400°C下预热，用抗裂性好的低氢焊条、小电流、开坡口多层焊、缓冷、去应力处理。主要用于铸钢件和锻件。高碳钢：CE>0.6%，焊接性很差，一般进行焊补，不进行结构焊接。5/5/2023472、低合金钢的焊接合金含量小，CE<0.4%，强度低，塑性好，焊接性好，常温下焊接与低碳钢差不多。合金含量大，0.4%=<CE<=0.6%，强度高，焊接性变差。焊接前都要进行预热，焊时工艺措施要求严格，选用低氢焊条，焊后进行退火处理，以免产生裂纹和变形。5/5/202348三、铸铁的焊补铸铁由于含碳和硅的量高，塑性差，故焊接性很差。焊接时容易出现白口和淬火马氏体组织，容易出现裂纹、熔渣、气孔、夹渣等缺陷。不用于作焊接结构件。只用作焊补修复。焊补方法有热焊法和冷焊法。5/5/2023491、热焊法焊件在600~700ºC下均匀预热，缓慢冷却，缺陷少，焊补质量好，机械加工容易。但成本较高、劳动条件差，生产率低。采用手弧焊或气焊。用在需机械加工的形状复杂的和重要的铸件发动机气缸体、气缸盖等。5/5/2023502、冷焊法在400ºC以下预热焊补，采用手弧焊。采用细焊条小电流、短弧分段焊接工艺，焊后立即用小锤轻击焊缝，松弛焊接应力，防止裂纹对于焊补质量要求不高或不重要的铸件：用钢芯或铸铁芯焊条。焊后不能加工。对于焊补质量要求较高且焊后要加工的铸件：用镍基或铜基焊条。焊后可加工。5/5/202351四、非铁金属的焊接非铁金属的焊接性差主要原因：容易氧化吸气性大导热系数大线膨胀系数大5/5/202352铝合金常用氩弧焊、气焊、钎焊等焊接方式。以氩弧焊质量最好。铜合金常用氩弧焊、气焊、钎焊等焊接方式。以氩弧焊质量最好。黄铜一般采用气焊。5/5/2023