工程材料及成形工艺 课件 第8章 金属焊接成形

工程材料及成形工艺第1章金属结构及性能第2章金属结晶及相图第3章金属热处理及工艺第4章钢铁材料及性能第5章非铁金属与非金属材料第6章金属铸造成形第7章金属锻压成形第8章金属焊接成形第9章机械零件材料及工艺选择第8章金属焊接成形8.1.1常用熔焊方法8.1.1.1焊条电弧焊（1）焊条电弧的引燃如图8-1a所示，焊接前将焊件与焊条分别接到焊接电源的两极，将焊条与焊件瞬时碰击或擦划接触短路，造成接触点处电流密度瞬间增至相当大值并产生相当大的电阻热，迅速将焊条药皮和两极金属熔化并蒸发。（2）电弧的构造及温度焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成，如图8-2a所示。8.1焊接成形方法（3）电弧的极性及应用由于电弧产生的热量在阳极区和阴极区有一定差异，因此在使用直流焊机焊接时，有正接和反接两种接线方法。8.1焊接成形方法8.1.1.2埋弧焊（1）埋弧焊工艺过程埋弧焊又称焊剂层下电弧焊，是指将粒状焊剂均匀堆覆在装配好的焊件上形成焊缝的过程。（2）埋弧焊机及应用埋弧焊时引燃电弧、送丝、电弧移动及焊剂回收等过程完全由埋弧焊自动焊机来完成。8.1焊接成形方法（3）埋弧焊特点及应用埋弧焊焊接电流（630~1000A）比焊条电弧焊高6~8倍，可连续送进焊丝，热量集中、熔深大，并且焊缝区保护严密，焊接参数可自动控制调正，所以焊接参数稳定，焊接质量高，焊缝成形美观。8.1焊接成形方法8.1.1.3CO2气体保护焊（1）CO2焊治金CO2气体在电弧高温作用下可分解成CO和O2，氧分子继续分解成氧原子，氧原子有强烈氧化作用，可将焊接熔滴和熔池中Fe、C、Si、Mn等元素，氧化成相应FeO、CO、SiO2、MnO等氧化物，并以熔渣和气体形式浮出熔池。8.1焊接成形方法（3）自动CO2焊自动CO2焊的焊机是由带控制箱的焊接小车和硅整流器两大部分组成。8.1.1.4氩气保护焊（1）氩气保护焊类型氩气保护焊是利用氩气作为保护气体的电弧焊，简称为氩弧焊。8.1焊接成形方法（2）钨极氩弧焊钨极氩弧焊属于非熔化极氩弧焊，是利用钨电极与焊件间产生电弧热熔化母材和填充金属的焊接方法，多以高熔点铈钨棒为电极，采用直流反接或交流电源进行，煤接时铈钨极不熔化，只起导电与产生电弧作用。（3）熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊是以连续送进的焊丝作电极，并熔化成为填充金属，可采用较大的焊接电流，适宜于焊接板厚≤25mm的铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金和不锈钢、耐热钢等几乎所有金属材料。8.1焊接成形方法8.1.1.5氧乙炔气焊（1）气焊火焰及应用气焊时若氧气和乙炔气的比例为1.0~1.2，将正好调到氧和乙快同时耗尽，则火焰为正常的中性焰，由焰心、内焰和外焰三部分构成，内焰温度最高，可达3000~3200°C（见图8-8b），可用于焊接低碳钢、中碳钢、不锈钢、纯铜、铝及铝合金的薄板件。（2）气焊工艺及特点气焊治金过程与电弧焊相似，如图8-9a所示。8.1焊接成形方法8.1.2高能束熔焊方法8.1焊接成形方法8.1.2.1等离子弧焊接（1）等离子弧形成原理等离子电弧实际是由“自由电弧”压缩而成的高能密度电弧（见图8-10a）。（2）等离子弧焊接等离子弧焊实质上是具有压缩效应的钨极气体保护焊。8.1焊接成形方法8.1.2.2电子束焊接（1）电子束焊接装置电子枪是产生电子束的关键部件，其电极系统由阴极、偏压极和阳极组成，改变偏压极位置及形状，即可控制电子束流的大小和形状，一般焊接电流为。（2）电子束焊特点及应用真空电子束焊具有不使用填充材料，焊透能力强，焊缝深而窄，热影响区很小，基本上不产生焊接变形，还可焊接其他工艺方法难以焊接的材料，如易氧化、高熔点金属或异种金属，广泛应于航天、航空及一般机器制造业。但焊件尺寸受真空室容积限制。8.1焊接成形方法8.1.2.3激光束焊接（1）激光焊基本原理激光是由某些物质的原子在轨道（称能级）上受到光或电的激励，由高能级粒子向低能级自发跃迁，激发出能级粒子并放射出频率与波长相同、方向一致、亮度和强度很高的单色光。（2）激光焊性能特点激光焊接加热过程极短（以ms计）、焊点小（几十至几百微米）、精度高、热影响区窄，焊接变形小，可用反光镜改变激光束方向，适于一般焊法难以焊接的部位，并易于实现异种金属或金属与非金属的焊接。8.1焊接成形方法8.1.3压焊与钎焊方法8.1.3.1压焊（1）点焊工艺及特点点焊是在两悍件搭接处利用柱状电极轴向加压通电，使其接触面之间形成许多单独焊点，而将其连接在一起的焊接方法。8.1焊接成形方法8.1焊接成形方法（2）缝焊工艺及特点缝焊又称滚焊，是在两个焊件搭接接头的接触面之间形成许多连续的焊点，而将两工件连接起来的焊接方法，如图8-13a所示。8.1焊接成形方法（3）电阻对焊过及特点电阻对焊是使两焊件沿整个接触面产生塑性变形而连接起来的焊接方法。（4）闪光对焊过程及特点按操作方法不同，分为连续闪光对焊和预热闪光对焊。8.1焊接成形方法8.1.3.2超声波电阻焊8.1焊接成形方法8.1.3.3钎料熔渗焊接（1）钎焊工艺过程钎焊时先将两焊件接触表面清洗干净，并以搭接形式进行装配，然后将钎料放于装配间隙或附近。8.1焊接成形方法（2）钎焊分类及应用根据钎料熔点不同分为硬钎焊和软钎焊。（3）钎焊工艺特点钎焊与熔焊相比，加热温度低，对母材组织性能影响小，易于保证焊件尺寸精度，可实现异种金属或合金、金属与非金属的连接。8.1焊接成形方法8.2.1熔焊冶金与质量8.2.1.1熔焊治金过程（1）分解氧化反应空气中的氧气O2和氮气N2，在电弧高温作用下，将会发生分解，成为氧原子和氮原子而侵入电弧和熔滴，氧原子要与熔化金属发生下列反应：8.2熔焊工艺基础（2）治金还原反应在高温电弧作用下，形成的焊接熔池金属温度高达1800°C以上，金属元素强烈氧化、烧损，电弧区气氛全部分解呈原子态，大大增加了气体的活泼性，更促使金属烧损或形成氧化物与有害杂质。8.2熔焊工艺基础8.2.1.2治金质量及措施（1）造成气渣保护由于电弧和熔池均暴露于空气中，为了减少有害元素进入熔池，必须采用机械保护措施，如采用焊条药皮、埋弧焊粒状焊剂、CO2及氩保护气体等，使电弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进入熔池。（2）渗入合金元素在熔池结晶时渗入合金元素以保证焊缝的化学成分，如在焊条药皮或粒状煤剂中加入Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe、A12O3，等合金剂，或在焊丝内加入Si、Mn、Ti、Al等合金元素。（3）脱除有害杂质钢铁材料焊接时，在药皮或焊剂中加入Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe、AL2O，等脱氧剂，脱硫、磷剂（Mn-Fe、CaCO3）和脱氢剂（CaF2），最大限度地除去有害杂质O、S、P、H，从而保证和调整焊缝化学成分，其反应如下：8.2熔焊工艺基础8.2.2熔焊组织与性能8.2.2.1焊接热循环温度8.2熔焊工艺基础8.2.2.2焊接接头组织及性能（1）焊缝组织与性能焊接热源移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶。（2）热影响区组织与性能热影响区是指焊缝附近因热源作用而发生组织和性能变化的区域，亦称近缝区。8.2.2.3影响熔焊接头性能的因素8.2熔焊工艺基础8.2.3熔焊应力与变形8.2.3.1应力与变形产生的原因（1）热应力与伸长变形焊接加热时，焊缝和近焊缝区金属被加热到很高温度，离焊缝越远则温度愈低，因此焊件各个区中因温度不同，将产生大小不等的纵向膨胀。（2）焊接应力与收缩变形焊件冷却过程中，由于焊缝中心部分在高温下已经产生了压缩塑性变形，不能再恢复原状，并若能自由收缩时，冷到室温应较其他区域缩得更短些，如图8-19b中虚线位置。8.2熔焊工艺基础8.2.3.2熔焊变形基本形式8.2熔焊工艺基础8.2熔焊工艺基础8.2.3.3防止变形的工艺措施（1）选择合理的焊接顺序对于开双V形坡口的厚大断面构件对接焊，应双面交叉对称施焊；对称断面的工字梁和矩形梁焊接应对称交叉焊，如图8-20a所示。8.2熔焊工艺基础（2）采取反变形法反变形法是指在焊前装配时，先将平板焊件处于与焊接变形相反方向变形的位置（见图8-21a），或在焊前将工形梁的上、下翼板反向预压成一定角度成反变形状，然后再组装焊接（见图8-21b），均抵消焊接变形。（3）采用刚性固定法刚性固定法是指焊前将自身刚度不足的构件，采用强制措施或借助于刚度强的夹具，强行固定夹紧，起到限制和减小焊后变形程度的作用。8.2熔焊工艺基础8.2.3.4消除应力的工艺措施（1）焊前预热焊前预热可使焊缝金属和周围金属的温差减小，在焊后又可较均匀地同时冷却收缩，因此可显著减小煤接应力和变形。（2）焊后热处理最常用的方法是对焊件进行去应力退火，即将焊件均匀加热到600~650°C，保温2~3h，再随炉缓冷至200°C出炉空冷。这种办法一般可消除焊接残余应力80%左右，大多用于重要件或精密构件的消应力处理。8.2熔焊工艺基础8.2熔焊工艺基础8.2.4焊接材料与性能8.2.4.1焊条及性能（1）焊条组成及作用焊条由焊芯和药皮两部分组成。8.2熔焊工艺基础（2）焊条分类及型号焊条按用途分为十大类（见表8-6），按熔渣性质分为两大类，熔渣以酸性氧化物SiO2、TiO，等主的焊条为酸性焊条，而熔渣以碱性氧化物CaCO3和氟石CaF2为主的焊条则为碱性焊条。8.2熔焊工艺基础（3）碱性焊条与酸性焊条比较在同一强度等级的结构钢焊条中，碱性焊条焊缝的塑性和韧性比酸性高得多（见表8-7），由于碱性焊条焊缝金属中有益元素（如Mn）比酸性多，有害元素（如S、P、H、O、N）比酸性少，并且药皮中有较多的CaO和CaF2等强脱硫、脱磷、脱氢物质，故焊缝抗裂性好。8.2熔焊工艺基础（4）焊条的选用原则低碳钢和低合金结构钢件选用时，应根据其抗拉强度等级，按“等强”原则选用相同强度等级的焊条，并同时考虑焊缝金属的韧性和塑性。8.2.4.2焊丝焊剂及其性能8.2熔焊工艺基础8.2.4.3焊件材料及性能（1）焊件材料焊接性评定焊接性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，也是评定焊接接头中出现各种裂纹及其他缺陷的可能性。（2）碳素结构钢的焊接性低碳钢中碳的质量分数低（≤0.25%）、塑性好、冷裂倾向小，焊接性良好，焊前一般不需预热，焊后也不需热处理。（3）低合金结构钢的焊接性低合金结构钢中强度级别较低（𝜎s<392MPa）的Q295（09Mn2）、Q345（16Mn）和Q390（15MnV）等，合金含量少、碳当量低（CE<0.4%），焯接性能良好，一般不需预热。（4）铸铁的焊接性由于铸铁中含S、P杂质多，焊接过程中产生热裂纹的倾向很大，再加上焊后冷却速度快，不利于石墨化，且C、Si等元素的大量烧损，使焊接接头极易产生白口及淬硬组织，塑性很差，焊接应力很大，会造成边焊边裂，使焊接过程难以继续进行，因此铸铁的焊接性差，不宜作焊接结构件，而只适宜采用气焊、焊条电弧焊作热源补焊铸铁件，补焊方法一般可分为热8.2熔焊工艺基础煤法和冷焊法。（5）铜及铜合金的焊接性铜及铜合金的焊接性比低碳钢差得多，焊接过程中由于导热性好、热容量大，母材和填充金属不能很好熔合，易造成焊接缺陷。（6）铝及铝合金的焊接性铝及铝合金焊接性能差，极易氧化成熔点高（约2050°C）、密度大（3.85g/cm3）的A12O3，覆盖在铝液表面，阻碍铝的导电和熔合并易产生夹渣。8.2熔焊工艺基础8.3焊接工艺拟定8.3.1接头形式确定8.3焊接工艺拟定8.3焊接工艺拟定8.3.2焊接方法选择8.3.2.1低碳钢和低合金钢焊接方法（1）薄板结构件焊法焊缝无密封要求的薄板结构件可采用点焊，焊缝有密封要求的薄壁容器可采用缝焊，焊缝短且处于不同空间位置或单件小批量生产构件，可采用焊条电弧焊，可焊接板厚力2mm以上的各种金属结构件。（2）中厚板结构件焊法板厚为6~30mm的中等厚度焊件，需采用焊条电弧焊、埋弧焊或气体保护焊，尤其是CO2气体保护焊，高效、节能、成本低、变形小，是最佳的焊接方法。（3）大厚件、大截面件焊法对于35mm以上的大厚度件、大批量生产的长直焊缝和环焊缝，可采用自动埋弧焊；但对于特大厚度、大截面的轴及立柱件则需采用电渣焊，可以小拼大，实现以焊代锻、以焊代铸的工艺方法。8.3.2.2合金钢、不锈钢和非铁金属焊接方法8.3焊接工艺拟定8.3.2.3稀有金属和高熔点金属焊接方法8.3焊接工艺拟定8.3焊接工艺拟定8.3.3焊接材料选择8.3.3.1按焊件力学性能选材8.3.3.2按焊件化学成分选材（1）不锈钢件焊接根据不锈钢件工作温度及腐蚀介质，应选用与焊件成分相近的焊接材料。（2）耐热钢件焊接在高温（＜600°C）和轻腐蚀介质中工作的珠光体耐热钢（15CrMo和2.25Cr-1Mo），应选用ES515-B2（R307）、E6000-3（F400）和E6015-B3焊条，或相应成分铬钼钢焊丝配HJ251焊剂。（3）非铁金属件焊接焊条电弧焊焊接铜及铜合金时均选用低氢型焊条，纯铜选用TCu焊条、铜硅合金选用TCuSi焊条、铜铝合金选用TCuA1焊条。8.3.3.3按焊件使用性能及条件选材8.3焊接工艺拟定8.3.4焊接参数确定8.3.4.1焊条电弧焊焊接参数（1）焊条直径的选择焊条直径的选择主要根据焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层数等选择。8.3焊接工艺拟定（2）焊接电流的选择焊接电流的大小主要取决于焊条直径和焊件厚度，平悍低碳钢和低合金钢件时，可参考表8-12所列数据选择，也可按公式计算得出。（3）焊接层数的选择在焊件厚度较大时，考虑到焊缝厚度对金属塑性和焊缝质量的影响，通常需采用多层焊，每层厚度应小于4~5mm。（4）电弧电压和焊接速度电弧电压主要取决于弧长，一般弧长控制在1~4mm之间，相应电弧电压会在16~25V之间，否则电弧过长会引起电弧不稳定，金属飞溅，焊缝成形不良、产生气孔，且热影响区较大。8.3.4.2埋弧焊焊接参数8.3焊接工艺拟定8.3.4.3气体保护焊焊接参数及工艺规范（1）CO2焊焊接参数由于CO2气体保护焊的保护介质来源丰富、价格低廉，电流密度大，生产效率高，广泛应用于中等厚度以下的低碳钢和低合金钢焊接。8.3焊接工艺拟定（2）氩弧焊焊接参数及工艺规范熔化极氩弧焊主要焊接参数和工艺规范有焊接电流、电弧电压、焊接速度及氩气流量等。8.3焊接工艺拟定8.3.4.4焊接热处理工艺规范（1）焊前预热温度碳钢和低合金钢焊前预热温度，通常按钢碳当量范围确定。（2）焊后热处理常用金属材料焊后均需消应力热处理，各种金属材料的焊后处理温度范围见表8-15，而珠光体耐热钢则需进行高温回火热处理，并且材料成分不同，焊后回火温度范围也不同，见表8-16。8.3焊接工艺拟定8.4.1焊件材料选择8.4.1.1一般结构件材料选择8.4.1.2承重结构件材料选择8.4焊接结构设计8.4.1.3异质结构件材料选择（1）异质钢结构件选材采用不同强度和性能的钢材拼焊而成的复合结构件中，由于各组成零部件的钢号、状态及化学成分不同，选材时必须考虑两种不同钢材的焊接性。（2）异种金属连接件选材焊接结构由性能差别大的异种金属构成，如低碳钢与纯铜、低碳钢与铝合金等，由于二者化学成分、物理性能和金属组织等差别很大，焊接性能很差，不能用熔焊方法获得满意的接头，只能用钎焊才能焊在一起，但钎焊强度低、成本高，因此仅适用于一般连接件。8.4.1.4型材和管材优先选择8.4.2焊缝位置设计8.4焊接结构设计8.4.2.1焊缝分散布置设计8.4焊接结构设计8.4.2.2焊缝对称布置设计8.4.2.3便于焊接操作设计8.4.2.4避开最大应力位置设计8.4焊接结构设计8.4焊接结构设计8.4焊接结构设计8.4焊接结构设计8.4.2.5远离机械加工表面设计8.4焊接结构设计8.4.3焊接接头设计8.4.3.1接头形式设计（1）卷边接头的选用对于薄板气焊或钨极氩弧焊，避免烧穿或省去添加填充焊丝，常采用卷边接头、卷边锁接头或卷边搭接头、卷圆搭接头等，如图8-31所示。（2）对接接头的选用对接接头受力比较均匀，是应用最多的接头形式，尤其对于熔焊成形的重要受力焊缝，更应该尽量选用。8.4焊接结构设计8.4焊接结构设计（3）搭接接头的选用搭接接头的接缝通常采用正面角焊缝、侧面角焊缝、正面与侧面联合焊缝等形式，如图8-33a和图8-33b所示。8.4焊接结构设计8.4.3.2坡口形式设计（1）煤条电弧焊焊条电弧焊焊件板厚小于6mm时，一般不开坡口。8.4