材料成型技术基础3

1、第四篇 焊接 Welding Fabrication,焊接定义,可拆式连接：螺纹联接、键连接 不可拆式连接：焊接、粘接、铆接,接头牢固，密封性好，省工省料：比铆接省1220% 能化大为小, 拚小为大 可以制造双金属结构,节省贵重金属 生产率高 便于实现机械化,自动化 焊接应力变形大,接头易产生缺陷（裂纹,夹渣,气孔）,利用加热或者同时加热加压的方法，使分离的金属零件形成原子间的结合，从而形成新的金属结构 join the metal permanently through atom combining or diffusing by the mean of heating or pressin

2、g,焊接成形的特点,焊接方法分类及主要应用,焊接方法分类,主要应用,金属结构件（压力容器、船体、冶金设备、各种车厢车身、各种机架等） 有时采用锻焊结构或铸焊结构，进行特大型零件和毛坯的单件，简化工艺，降低成本 双金属构件：车刀, 硬质合金刀片+金刚石膜 也可以用于铸造缺陷的补焊,熔化焊：局部加热将焊接接头加热熔化,并形成共同的熔池,冷却结晶形成牢固接头 压力焊：利用加压力(或同时加热)的方法,使两工件结合面紧密接触在一起,并产生一定的塑性变形或熔化,使他们的原子组成新的结晶（电阻焊 摩擦焊 冷压焊等） 钎焊：对工件和钎料进行适当的加热,工件不熔化,钎料被熔化后，填在工件之间，与固态的金属互相扩

3、散,钎料凝固后,将两工件焊接在一起（铜焊 银焊 锡焊）,第一章 电弧焊,第一节 焊接电弧,1. 电弧：电极与工件之间在气体介质中长时间放电现象 arc: a phenomena of discharging in the gas between electrode collars,电阻热：Q=I2Rt,E=V/d,d,热电离,碰撞电离,焊接电弧的稳定燃烧 就是带点粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。,电弧温度与热量取决于电极材料和焊接电流,问：薄壁工件的焊接，采用何种接法？,阴极区 弧柱 阳极区 热量 36% 21% 43 % 温度 2400K 60008000K 2600K,3. 电弧

4、的极性,2. 电弧构造,正接法 工件接正极 焊条接负极 反接法工件接负极 焊条接正极,电弧构造与极性,第二节 焊接接头的组织与性能,焊缝以及附近金属都经过快速升温和冷却 不同点达到的最高温度不同,2. 焊接接头的组织和性能,冶金过程：形成熔池，与气体熔渣反应 凝固过程：快速冷却，结晶，析气，收缩 铸态组织，F+少量P, 中心区域偏析严重,焊缝 welding seam,组织：熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织 性能：一般优于母材,1. 焊接工件上温度的变化与分布,2. 焊接接头的组织和性能,焊缝welding seam 冶金过程：形成熔池，与气体熔渣反应 凝固过程：快速冷却，结晶，析气，收缩 铸

5、态组织，F+少量P, 中心区域偏析严重 性能一般优于母材 焊接热影响区heat affect zone 焊缝周围金属因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域 不同区域相当于进行了不同规范的热处理,焊接热影响区heat affect zone,根据焊接过程达到的最高温度，焊接热影响区可以划分为熔合区、过热区、 正火区和 部分相变区,熔合区, 过热区, 正火区, 部分相变区,熔合区weld bond： 焊缝与基体金属的交界区 ，0.11mm 铸态组织+过热粗晶；，；应力集中 过热区overheated zone ：AC3以上100200 过热粗晶，塑韧性差，脆性大 正火区normalized zon

6、e：AC3至AC3 +100200 晶粒细化，性能优于母材 部分相变区part phase changed zone：AC1至AC3 组织不均匀：性能低于正火区域,3. 改善焊接热影响区组织和性能的方法,焊接参数，接头形式和焊后冷却都影响热影响区，不同焊接方法热影响区见P133 table 4-1 Heat affect zone is unavoidable. 合理的焊接方法和焊接规范 合理的焊接方法 焊条电弧焊或埋弧焊，热影响区窄，危害性小，用于焊接一般低碳钢 奥氏体不锈钢的焊接，采用氩弧焊 对特别重要的接头，用激光焊或电子束焊,3. 改善焊接热影响区组织和性能的方法（续）,合适的焊接规范

7、 在保证焊接质量的前提下，减小焊接电流或提高焊接速度，都减小焊接热影响区 热处理正火处理 对重要结构，中碳钢焊接件，合金钢焊接件，特别是电渣焊焊接件 对合金钢接头，如何焊接？ 选用小能量多层焊接,第三节 焊接应力与变形welding stress and distortion,焊接: 极不平衡热循环过程 焊件各部分的加热温度，冷却速度不同 热胀冷缩，不一致，形成应力 进一步，可能形成变形，裂纹 裂纹形成于焊缝或者熔合区，内裂纹，危害大，要探伤排查 inspection 裂纹产生取决于化学成分(特别是焊条中的S，P)、凝固区间、氢脆和焊接应力 焊接: 不完全的冶金过程，快速凝固 来不及析气，产生

8、气孔,1. 焊接应力的产生 Welding Stress,点热源加热 逐次冷却 分析极复杂 假定 点热源加热 逐次冷却,焊缝受拉应力，远离焊缝处受压应力 内应力：承载能力下降，应力腐蚀 减小焊接应力,2. 焊接变形的产生及形式welding distortion,焊接应力引起焊件变形，变形的形式有,内应力：承载能力下降，应力腐蚀 变形：影响使用效果 构件厚大、刚性好：内应力大，变形小 主要考虑减小焊接内应力 焊件塑性好、刚性小：变形大、内应力小 主要考虑防止、减小变形，或矫正变形,3. 减少焊接应力的工艺措施：,一防、二减、三补救 预防措施： 合理的焊接件结构，合理的焊缝结构 工件预热至350

9、-400，焊后缓冷 选择合理的焊接次序 焊接措施：小能量焊接或者锤击焊缝 补救措施：焊后去应力 退火：焊后加热至600-650，保温1h以上 振动时效： 水压试验,应力引起变形，预防应力措施对防变形有效 先矫、一防、二减、三补救 反变形法: 先矫,4. 防止和减少焊接变形的工艺措施,预防和减小,刚性夹持法：一防 不适合铸铁补焊，淬硬性大的钢 合理的焊接次序：二减,补救,机械矫正法、火焰矫正法：三补救,第四节 焊条电弧焊electrode arc welding,手工电弧焊 应用最广泛 特点： 适用于各种环境和位置 适用于各种材料 焊接接头性能接近母材 设备简单，焊钳小,1. 焊条电弧焊的焊接过

10、程,引弧 电弧燃烧产生高温 焊条金属和工件同时熔化，形成熔池 药皮燃烧，产生大量气体，如CO2，保护熔池，防止氧化及氮的侵入,药皮熔化，进入熔池，脱氧、脱硫、脱磷形成熔渣 药皮熔化，合金元素进入熔池提高焊缝基体强度 焊条电弧焊很关键一点：焊条welding electrode,2. 电焊条组成及作用,焊条组成：焊芯+药皮 焊芯core wire 组成焊缝的最主要材料 焊条（焊芯）直径：最小0.4mm，最大9mm 作用：导电、生弧，填充焊缝 结构钢焊芯牌号GB1300-77，碳素钢p137表4-2 成分要求 含碳量要低，一定的Mn量 含P,S量低 合金钢和不锈钢焊接用相应焊芯,3. 焊条的种类、

11、型号和编号,按化学成分分7类 碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条 按熔渣性质分为酸性电焊条和碱性焊条,焊条药皮作用 稳定电弧，改善熔滴过渡，减少飞溅，保证成形 K, Na, Ca等化合物 保护焊缝: 造气，造渣 保证焊缝的化学成分和机械性能 脱氧：硅铁、锰铁；加入合金元素,3.1 酸性及碱性电焊条,酸性电焊条(acid electrode) 熔渣为酸性氧化物（如SiO2，TiO2，Fe2 O3） 交直流两用，电弧稳定，操作简单，成本低 但焊缝机械性能差 碱性焊条(basic electrode) 熔渣为碱性氧化物（如CaO, MnO, Fe

12、O, Na2 O） 采用直流电源，飞溅大，操作复杂，成本高 焊缝机械性能好，抗裂性能好 碱性焊条适合焊接与重要结构件,3.2 焊条型号是国家标准中的焊条代号,2.3 焊条牌号行业统一的焊条代号,大写拼音首字母加上三位数字表示 拼音字母表示焊条大类 J: 结构钢 A: 奥氏体不锈钢 Z: 铸铁 前两位数：大类中的小类 结构钢焊条小类为抗拉强度等级 第3位药皮类型和电流种类 2_酸性药皮，交直流两用 7_碱性、低氢型，直流 例如: (结) J 4 2 2 (结) J 5 0 7,例子,4. 焊条的选用原则,等强度原则：焊缝与母材强度相等b s 低碳钢和普通低合金钢构件，异种钢焊接 按强度低的等级选

13、择 同成分原则 特殊钢（耐热钢、不锈钢、低温钢）_专用焊条 抗裂性要求 易裂的结构、材料，低温使用的结构，铸钢的焊接选碱性（低氢型）焊条，焊前预热 难清理、易产生气孔的焊件，酸性焊条 低成本原则 一般结构优先选择酸性焊条,第二章 常用焊接方法welding method,焊接方法分类：熔化焊、压力焊、钎焊 电弧焊是应用最广泛的熔化焊，包括 手工电弧焊(焊条电弧焊)electrode arc welding 埋弧自动焊submerged arc welding 气体保护焊 惰性气体保护焊inert gas shielded arc welding 二氧化碳保护焊carbon-dioxide ar

14、c welding 等离子弧焊接与切割plasma arc welding and cutting,其它焊接方法,其它熔（化）焊 气焊和气割 电渣焊 electro-slag welding 电子束焊 electron bean welding 激光焊 laser welding 压焊 电阻焊 resistance welding 摩擦焊 friction welding 钎焊brazing 硬钎焊 软钎焊 内容多，除埋弧自动焊，重点掌握工艺特点和应用,埋弧自动焊submerged arc welding,埋弧自动焊也称熔剂层下电弧焊,埋弧电弧埋在焊剂下，弧光不外露 自动焊 引燃电弧， 送焊丝

15、，移动电弧，最后灭弧 焊丝 当于焊芯 焊剂相当于药皮,自动焊机头将光焊丝自动送入保证弧长 电弧在焊剂下燃烧靠焊机移动(或工件动) 焊剂从漏斗中不断流出，撒在焊丝前工件上，焊剂熔化成熔渣，部分未熔可回收,埋弧自动焊特点,生产率高, 比手工高510倍 焊接质量高， 冷却速度慢，有利于气体、杂质上浮 焊区保护好 规范控制好 热量集中，熔深大，节省金属材料 2025mm以下的工件，不开坡口，直接焊透 没焊条头，金属飞溅少 劳动条件好 看不到弧光，焊接烟雾少，机械操作 埋弧自动焊缺点：设备及装备复杂 并且不适合薄板焊接，不适合狭窄位置的焊缝,埋弧自动焊工艺,下料，准备坡口，装配要严格准确 焊前除油、除锈

16、，以免产生气孔 除去焊缝两侧5060mm内的一切油污、铁锈 一般适于规则焊缝 长平焊缝、对接、搭接、丁字接头，规则环 主要应用：碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢，中、厚板平焊长直缝，大直径 d250mm 环缝 焊接前，焊缝两端应焊上引弧板和引出板 埋弧自动焊筒体对接焊缝时，筒体要旋转,埋弧自动焊工艺举例,为保证焊缝成形，防止烧穿，一般使用焊剂和垫板，也使用焊条电弧焊封底,埋弧自动焊筒体对接焊缝时，筒体要旋转,焊接前，焊缝两端应焊上引弧板和引出板,气体保护焊gas shielded arc welding,1. 惰性气体保护焊 inert gas shield arc welding,惰性气体保护

17、焊、二氧化碳保护焊,也称氩弧焊：用氩气做保护气体，电弧发生在电极和焊件之间，在电弧周围通以氩气 不熔化电极氩弧焊 tungsten inert gas shield arc welding TIG：也称钨极氩弧焊、铈钨棒做电极，不熔化 适用6mm以下薄板焊接 熔化电极氩弧焊 metal inert gas shield arc welding MIG ：焊丝做电极，填充焊缝 适用25mm以下工件焊接,氩弧焊,TIG：一般直流正接 why? 3mm以下薄板，卷边接头直接熔合 较厚接头，手工添加金属 焊接铝镁合金，用反接或者交流电源why? MIG：多直流反接 电弧稳定，自动、半自动焊接 =325

18、mm均可焊,氩弧焊特点及应用,主要适合铝、镁、钛等易氧化的金属及合金 也用于不锈钢、耐热钢 和部分重要低合金结构钢焊件 特点 焊区保护，焊接质量好：易氧化的有色金属 电弧稳、飞溅少，焊缝致密，没有熔渣，成形美观 电弧在压缩气流下燃烧，热量集中，熔池小 热影响区小，焊接变形小 明弧可见，便于操作，可自动全位置焊接 缺点 焊前工件清理严格，设备价高，氩气贵，成本高 只在室内（防保护气流破坏）,2. 二氧化碳保护焊carbon-dioxide arc welding,气体保护焊gas shielded arc welding,CO2保护焊适用于低碳钢和部分低合金钢焊接，特别适用于薄板焊接 成本低 生

19、产率高 操作性好 质量较好 热量集中，热影响区小,焊丝作电极，CO2保护,CO2具有氧化作用，熔滴飞溅严重，焊缝不光滑，易产生气孔，弧光强，焊缝不美观 CO2保护焊有时用药芯焊丝,等离子弧焊接与切割plasma arc welding and cutting,使自由电弧的弧柱受到压缩，弧柱中的气体完全电离，产生比自由电弧温度高得多的等离子电弧,带电粒子在弧柱中的运动，会产生电磁力，使带电粒子相互靠近,机械压缩(喷嘴压缩) 热压缩效应 弧柱外围受冷，带电粒子向弧心移动 电磁收缩效应,等离子弧焊接与切割的特点,等离子弧能量密度高，弧柱温度高，穿透能力强 温度达24005000K，效率高，12mm不

20、开坡口 焊接热影响区小，质量好 电弧稳定性（电流可小到0.1A）、挺度、可控性好 适用于各种材料和微型器件、丝材和箔材焊接 等离子弧焊用氩气做电离气 用氩气保护 等离子弧切割用富氮的氮氢混合气做电离气 不保护,其它熔（化）焊,1. 气焊和气割氧+乙炔中性焰、氧化焰、碳化焰 特点：焊接温度低，热影响区大，手工操作 2. 电渣焊 electro-slag welding 厚大件主要焊接方法，三丝摆动450mm 3. 电子束焊 electron bean welding 高能束加热，焊缝窄，质量好，成本高 4. 激光焊 laser welding 热影响区极小，用于精密焊接,电渣焊,用液态熔渣的电阻

21、热为热源的焊接方法 主要用于重型机器制造的以小拼大,主要特点 一次焊接很厚的工件 生产率高，成本低 焊缝金属纯净 焊接应力小 但热影响区大，晶粒粗需要正火,真空电子束焊接和激光焊接,都利用高能束热源，可控性好，都用于精密焊接 电子束：难熔金属(钨、钼、钽、铌、钛) 激光束：多用焊薄板、细丝和电子器件,压（力）焊,电阻焊、摩擦焊 电阻焊 resistance welding 点焊 spot welding 缝焊 seam welding 对焊 电阻对焊 upset butt welding 闪光对焊 flash butt welding 摩擦焊 friction welding 摩擦焊广泛圆形零

22、件，棒料及管料焊接 可焊异种金属，设备复杂，一次性投资大,电阻焊 resistance welding,利用电流通过焊件接头的接触面及其邻近区域所产生的电阻热，将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在压力下形成焊接接头的焊接方法 电阻热作热源，加热迅速，热影响区小，易自动化 影响电阻的因素多，接头质量不稳定，不用于重要的受力构件,点焊:焊件表面必须清理，焊点间距不能太小,特点：生产率高、易自动化、焊接变形小 设备复杂，焊前要严格清理工件表面 应用：薄件、钢筋 4mm,电极:柱状 工件:搭接 焊接过程 电极压紧工件通电加热 断电保持原压力（加大）去压 分流现象 两点之间距离小，分流大,缝焊:采用滚轮电

23、极对焊件进行通电和加压,焊接过程 与点焊相似 滚动盘状电极代替柱状电极 形成连续焊点,特点 焊点重迭50%以上，故密封性好 分流严重，适于3mm以下薄板,对焊,电阻对焊 对正、夹紧、予压力通电塑性状态增大压力、断电 闪光对焊： 对正、通电点接触面接触熔化加压、断电,用电阻热使对接接头在整个断面上连接起来的电阻焊,电阻对焊与闪光对焊,电阻对焊 特点：易操作、接头外形光滑、毛刺少、接触面质量影响焊后质量 应用：断面简单、强度要求不高的件 闪光对焊： 特点：接头质量好(飞溅、挤出杂质、夹渣少) 金属损耗多、工件尺寸留较大余量，毛刺多 应用：刀具、钢轨、管子等 同种、异种金属均可，形状尽量相同,摩擦焊

24、,利用工件接触摩擦生热，将工件端面加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接,焊接过程 加压旋转其一，接触的生热塑性状态，停转加压塑性变形，完成焊接,摩擦焊特点及应用,接头质量好 杂质和氧化皮挤出、不易产生气孔、夹渣 焊接金属广泛，尤其性能差别大的异种金属 如：碳钢+镍基合金、铝+钢 操作简单、易自控、生产率高 耗电少（只有闪光焊1/101/15） 设备复杂、一次性投资大 用于圆形工件、棒料及管类件焊接,钎焊brazing,定义：用比母材熔点低钎料作为填充金属，润湿并填满母材连接的缝隙处，形成钎缝 钎料与母材相互扩散，熔解而结合 焊料熔化，工件不熔化 硬钎焊：焊料熔点450 强度200MPa 使用铜

25、基、银基、镍基钎料，用于受力较大的钢铁和铜合金构件焊接，工具刀具焊接 软钎焊：焊料熔点450 强度70MPa 使用锡铅合金，也称锡焊，常温仪表、导电元件、受力不大件的焊接,钎焊特点,焊接过程 清理工件、搭接，钎料放在装配间隙处 加热钎料，使之熔化，(毛细作用)使钎料进入间隙内，与金属相互扩散，凝固形成钎焊接头 加热方法：烙铁、火焰、电阻、感应炉 使用钎剂：松香、氧化锌(软)；硼酸、氧化物(硬) 清除母材表面的氧化膜及其它杂质 改善钎料流入间隙的性能（湿润性） 保护钎料及母材免于氧化 特点 温度低，变形小，尺寸精确；同、异种金属均能焊；设备简单、易控制；整体加热，可焊多条焊缝，生产率高 接头强度

26、低，耐温差； 焊前清理严格,第三章 常用金属材料的焊接welding of the metal,第一节 金属材料的焊接性weldability,焊接性(可焊性)的概念 被焊金属在一定焊接方式、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度 工艺焊接性 获得完整焊接接头(无缺陷，特别是无裂纹)的能力 使用焊接性 接头在使用过程中安全运行的能力（可靠性）,钢材焊接性的估算方法,可焊性好 用最简单的最普遍的焊接工艺条件，便可以得到优质的焊接接头 可焊性差 要用特殊、复杂工艺条件下才得到优质的焊接接头 钛合金的焊接曾是很困难的，但氩弧焊的出现，解决了可焊性问题,影响焊接性的主要因素是化

27、学成分 不同元素对焊缝组织性能、夹杂物分布、热影响区淬硬程度和裂纹倾向影响不同，碳的影响最明显 其它元素的影响折合成碳的影响，称为碳当量,碳当量carbon equivalent,经验公式 C当=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%) 碳当量高，合金塑性差，淬硬倾向大，焊接省差，容易产生焊接裂纹 精确评定焊接性，需要进行焊接接头抗裂性试验和使用性试验,第二节 碳钢的焊接,1. 低碳钢的焊接(C0.25%),塑性好，可焊性好，可用任何方法焊接 焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊等 一般不需采取特殊工艺措施， 厚度50mm的钢板大电流多层焊 焊后去应力退火或正火，防

28、内应力变形、开裂 低温下焊接大刚度结构，尤其-10以下 焊前预热,2. 中、高碳钢的焊接,中碳钢：含碳0.250.6%C 当碳含量0.4%时，淬硬性焊接性 焊接特点 热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹 why? 马氏体，内应力大 焊缝金属热裂纹倾向大 why? 母材中的C、S、P 一般不用于结构件，主要焊接铸件和锻件,中碳钢焊接,焊前预热，减小焊接应力，降低淬硬倾向 一般采用焊条电弧焊 开坡口、细焊条、小电流、多层焊 厚零件用电渣焊，焊后热处理 选用抗裂能力强的低氢型焊条 表面清理，防止油水份产生氢气 高碳钢（含碳0.6% ) 焊接性更差，不采用焊接作为生产手段 只用焊条电弧焊进行修补工作,第三节

29、 合金结构钢的焊接,1. 焊接特点 热影响区的淬硬倾向 与合金元素的种类、数量有关 一般不大，强度级别高时，可能产生马氏体 焊接接头形成裂纹的倾向 强度级别高的钢，冷裂倾向大why? 氢脆、淬硬组织、残余应力 一般热裂倾向不大热裂why? 与S、P含量有关,2. 焊接采取的措施,合金钢的焊接性可以用碳当量估算 对强度级别低的低合金钢同低碳钢 在低温下焊接(大刚度，大厚度) 采用大焊接电流，低焊接速度，选用低氢型焊条，必要时预热 重要结构件(锅炉、受压容器)，焊接后热处理 强度级别高的低合金钢同中碳钢 焊前预热，焊后热处理或除氢处理 焊前清理，选用低氢焊条,第四节 铸铁的补焊,1. 铸铁的焊接特点,铸铁可焊性不好，铸铁焊接主要是焊补铸件的铸造缺陷或损坏的铸件,焊接接头易产生白口组织和淬火组织 易产生裂纹 焊缝易产生气孔和夹渣 只适合于平焊 p160,焊接冷速远高于铸造，白口和淬火组织，硬，难加工 铸铁强度低、塑性差，白口、淬硬；铸铁中的S、P V冷，铸铁焊接时，C氧化产生的CO不能排出气孔 焊接时硅氧化产生的硅酸盐溶渣