金屬加工工藝學(xué) 第四篇

第四章 焊 接 概 述 一 、 金屬焊接成形 用加熱、加壓等工藝措施，使兩分離表面產(chǎn)生原子間的結(jié) 合與擴(kuò)散作用，從而獲得不可拆卸接頭的材料成形方法。 二、焊接成形的分類 1熔化焊： 2壓力焊： 3釬焊： 電弧焊 （手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、氣體保護(hù)焊）、 電渣焊、電子束焊、激光焊、等離子弧焊等 電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、爆炸焊、高頻焊、擴(kuò)散焊等 軟釬焊、硬釬焊 三、焊接成形的特點(diǎn) 1接頭 牢固、封性好。 2可化大為小、以小拼大。 3可實(shí)現(xiàn)異種金屬的連接。 4重量輕、加工裝配簡(jiǎn)單。 5焊接應(yīng)力變形大，接頭易產(chǎn)生裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。 1-1 焊條（手工）電弧焊的焊接過(guò)程 第一節(jié) 金屬焊接成形工藝原理 一 、 手工電弧焊的特點(diǎn) 1 . 設(shè)備簡(jiǎn)單 、 應(yīng)用靈活方便 。 2 . 勞動(dòng)條件差 、 生產(chǎn)率低 、 質(zhì)量不穩(wěn)定 。 二、手工電弧焊焊接過(guò)程 引弧 形成熔池 形成焊縫 三、焊接電弧 1 . 焊接電弧的概念 焊條 工件 焊接電弧 具備兩個(gè)條件 使氣體電離 陰極發(fā)射電子 接觸電阻： R 短路電流： I 電阻熱： Q=I2Rt E=V/d d 在焊條末端和工件兩極之間的氣體介 質(zhì)中，產(chǎn)生強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。 + - d 焊接電弧的穩(wěn)定燃燒 就是帶電粒子產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、復(fù)合、產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。 熱電離 碰撞電離 2 . 電弧的構(gòu)造及熱量分布 陰極區(qū)： 陽(yáng)極區(qū)： 弧柱區(qū)： 2400k 36% 2600k 42% 50008000k 21% 3 . 電弧的極性 直流電源 正接極 ： 直流電源 反接極 ： 工件 正極（陽(yáng)極）；焊條 負(fù)極（陰極）。 工件 負(fù)極（陰極）；焊條 正極（陽(yáng)極）。 用于薄板金屬的焊接 1-2 焊接冶金過(guò)程與電焊條 一、熔焊冶金過(guò)程特點(diǎn) 1 . 熔池溫度 2 . 反應(yīng)過(guò)程短 熔池金屬冷卻快，處于液態(tài)的時(shí)間短 焊接鋼材時(shí)，熔池溫度在 16 00 以上 使金屬元素強(qiáng)烈蒸發(fā)、燒損。 10s 化學(xué)成分不均勻；焊縫區(qū)易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。 3 .冶金條件差 空氣、鐵銹、油污等對(duì)焊縫的影響嚴(yán)重 O2 O Fe+ O FeO Mn+ O MnO Si+ O SiO2 C+O CO 1） O2 ： 氧化的結(jié)果 合金元素被燒損； 焊縫產(chǎn)生夾渣的缺陷； 形成 CO氣孔。 2） N2 ： Fe+N Fe4N、 Fe2N 使接頭的塑性、韌性下降。 3） H2 ： 氫氣孔 氫脆 二、熔焊冶金過(guò)程中必須采取的工藝措施 1. 對(duì)焊接區(qū)域采取保護(hù)措施 減少有害氣體進(jìn)入熔池； 2. 對(duì)熔池進(jìn)行冶金處理 滲入合金元素、清 除 已進(jìn)入熔池的有害元素。 N N2 H H2 三、電焊條 1. 電焊條的組成及作用 電焊條 焊條芯 藥皮 焊縫的 填充材料 填充焊縫 電極 傳導(dǎo)電流 導(dǎo)電 機(jī)械保護(hù) 的作用 冶金 的作用 穩(wěn)定電弧 的作用 焊條芯 藥皮 氧化鈦型； 氧化鈦鈣型； 鈦鈣型； 氧化鐵型； 高纖維素型； 低氫鉀型； 低氫鈉型； 石墨型； 鹽基型。 2. 電焊條的分類 結(jié)構(gòu)鋼焊條 J； 鉬和鉻耐熱鋼焊條 R； 低溫鋼焊條 W； 不銹鋼焊條 A； 堆焊焊條 D； 鑄鐵焊條 Z； 鎳及鎳合金焊條 Ni ； 銅及銅合金焊條 T； 鋁及鋁合金焊條 L； 特殊用途焊條 TS J 4 2 2 藥皮種類（鈣鈦型） 抗拉強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)鋼焊條 E 5 0 15 藥皮種類（低氫型）和電流種類 抗拉強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)鋼焊條 全位置焊接 酸性焊條： 堿性焊條： 在熔渣中以酸性氧化物為主 （ TiO2、 SiO2、 Fe2O3） 在熔渣中以堿性氧化物為主 （ K2O、 Na2O、 CaO、 MnO） 三、電焊條的選用 1.等強(qiáng)度原則 根據(jù)被焊工件的強(qiáng)度選用 2.等化學(xué)成分原則 根據(jù)被焊工件的化學(xué)成分選用 3. 根據(jù)被焊工件工作條件和結(jié)構(gòu)選用 4. 低成本原則 一、 焊接熱循環(huán) 焊接接頭 焊縫區(qū) 焊接熱影響區(qū) 1） 焊縫區(qū) 熔池金屬冷卻結(jié)晶所形成的鑄態(tài)組織。 2） 焊接熱影響區(qū) 二、 焊接接頭金屬組織與性能的變化 焊縫兩側(cè)的母材，由于焊接熱的作用， 其組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域 。 1-3 焊接接頭金屬的組織與性能 熔合區(qū) 是焊縫和母材金屬的交界區(qū)。（ 0.1-1mm） 加熱溫度： T液 T固 強(qiáng)度、塑性、韌性極差，是裂紋和局部脆斷的發(fā)源地。 過(guò)熱區(qū) 加熱溫度： T固 1100 塑性和韌性很低，是裂紋的發(fā)源地。 在熱影響區(qū)內(nèi)具有過(guò)熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。（ 1-3mm） 正火區(qū) 加熱溫度： 1100 AC3 在熱影響區(qū)內(nèi)相當(dāng)于受到正火處理的區(qū)域。（ 1.2-4mm） 力學(xué)性能優(yōu)于母材。 部分相變區(qū) 在熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生部分相變的區(qū)域。 加熱溫度： AC3AC1 力學(xué)性能較母材稍差。 力學(xué)性能最差的區(qū)域： 熔合區(qū) 和 過(guò)熱區(qū) 3. 焊接參數(shù) 小電流、快速焊接； 4. 熔合比 (sm/(sm+st) ??； 5. 焊后熱處理 正火 1-4 焊接應(yīng)力與變形 一、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的根本原因是： 焊件 (工件）在焊接過(guò)程中受到局部加熱和快速冷卻。 三、影響焊接接頭性能的因素 1. 焊劑與焊芯； 2. 焊接方法 采用先進(jìn)的焊接方法 ； L0 焊接應(yīng)力狀態(tài)： 焊縫區(qū)域 拉應(yīng)力 兩側(cè)冷金屬 壓應(yīng)力 焊接變形： 焊件整體縮短 L 二、焊接變形的基本形式 1 . 收縮變形 2 . 角變形 3 . 彎曲變形 4 . 扭曲變形 5 . 波浪形變形 三、減小焊接應(yīng)力與變形的措施 1 . 焊接應(yīng)力的防止及消除措施 1）設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫不要密集交叉，截面和長(zhǎng)度也應(yīng)盡可能小。 2）合理選擇焊接順序。 （ ） （ ） （ ） 1 2 3）錘擊或碾壓焊縫 4）加熱“減應(yīng)區(qū)”法 5）焊前預(yù)熱（ 150 450 ）、焊后緩冷 6）焊后進(jìn)行 去應(yīng)力退火 可消除應(yīng)力 80%左右 2 . 焊接變形的防止及矯正措施 1）設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫不要密集交叉，截面和長(zhǎng)度也應(yīng)盡可能小。 2）合理選擇焊接順序。 1 2 3 4 1 4 3 2 1 2 3 4 3）加裕量法。 4）反變形法。 1 2 3 4 5 6 1 4 5 2 3 6 1 2 3 4 5）采用焊前剛性固定法。 6）采用合理的焊接規(guī)范（小電流、快速焊接）。 7）焊接變形的矯正 機(jī)械矯正 火焰矯正 第二節(jié) 常用焊接成形方法 2-1 熔化焊 一、埋弧焊 焊接電源 控制箱 焊接小車 焊接熱源：電弧熱 溶池保護(hù)：焊劑（氣、渣 ） 1. 埋弧自動(dòng)焊設(shè)備及焊接過(guò)程 2. 埋弧自動(dòng)焊工藝 1）焊前準(zhǔn)備 2)采取防漏措施 雙面焊；手工電弧焊封底；焊劑墊；采用鎖底坡口；水冷銅墊板。 板厚在 2025mm以下的工件可不開(kāi)坡口；但在實(shí)際生產(chǎn)中，板厚在 1422mm應(yīng)開(kāi) Y型坡口， 板 厚在 2250mm， 可開(kāi)雙 Y型坡口或 U型坡口。 3)要有引弧板和引出板 環(huán)焊縫：焊絲起弧點(diǎn)應(yīng)與環(huán)的中心偏離一定距離 a；（ a=2040mm） 。直徑小于 250mm一般不采用埋弧焊。 3. 埋弧自動(dòng)焊工藝特點(diǎn) 1）生產(chǎn)率高（手弧焊的 510倍） 2）焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定。 3）節(jié)約金屬材料、生產(chǎn)成本低。 4）勞動(dòng)條件好。 5）只能在水平位置焊接。 應(yīng)用 ： 主要用于較厚鋼板的長(zhǎng)直焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫焊接。 如壓力容器的環(huán)焊縫和直焊縫、鍋爐冷卻壁的長(zhǎng)直焊縫、船舶和潛艇殼體、起重機(jī)械、冶金機(jī)械（高爐爐身）等的焊接。 二、氬弧焊 利用氬氣作為保護(hù)性介質(zhì)的電弧焊方法。 焊接熱源： 電弧熱 保護(hù)介質(zhì)： Ar Ar 不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 不產(chǎn)生夾渣缺陷 不溶解于液體金屬中 不產(chǎn)生氣孔缺陷 比重大于空氣（ 25%） “ 陰極霧化 ” 作用 1）熔化極氬弧焊 25mm以下的工件 2）非熔化極氬弧焊 適于 6mm以下工件的焊接 熔化極亞弧焊 非熔化極亞弧焊 3）氬弧焊的特點(diǎn)及應(yīng)用 機(jī)械保護(hù)效果好，焊縫金屬純凈，焊縫成形美觀， 焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。 電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小。 焊接熱影響區(qū)和變形小。 可進(jìn)行全位置焊接。 氬氣昂貴，設(shè)備造價(jià)高。 應(yīng)用： 適用于易氧化的有色金屬及合金鋼材料的焊接。如：鋁、鎂、鈦及其合金和耐熱鋼、不銹鋼等。 適用所有金屬材料的焊接。 以 CO2氣體作為保護(hù)性介質(zhì)的電弧焊方法 。 焊接熱源： 電弧熱 保護(hù)介質(zhì)： CO2 CO2 與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生夾渣缺陷 溶解于液體金屬中 產(chǎn)生 CO 氣孔缺陷 比重大于空氣（ 25%） 氧化嚴(yán)重； 氣孔傾向大（ CO）； 飛濺嚴(yán)重。 1) 存在問(wèn)題 三、 CO2氣體保護(hù)焊 生產(chǎn)率高（是手弧焊的 13倍）。 成本低（是手弧焊的 40%） 。 焊接熱影響區(qū)和變形小。 可進(jìn)行全位置焊接 。 飛濺嚴(yán)重，焊縫成形差。 應(yīng)用： 適用于低碳鋼和強(qiáng)度級(jí)別不高的低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接。 目前廣泛用于造船、機(jī)車車輛、汽車制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。 2） CO2氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)及應(yīng)用 四、電渣焊 利用電流通過(guò)液態(tài)熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱，同時(shí)加熱熔 化焊絲和金屬母材的焊接方法。 焊接熱源： 電阻熱 保護(hù)介質(zhì)： 液態(tài)熔渣 1. 焊接過(guò)程 2. 焊接特點(diǎn)及應(yīng)用 1）大厚度工件可一次焊成。 單絲 4060mm；單絲擺動(dòng) 60150； 三絲擺動(dòng) 450mm；板極電渣焊 2）生產(chǎn)率高，成本低。 3）焊接質(zhì)量好。 不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。 4）熱影響區(qū)大。 焊后熱處理。 應(yīng)用 ： 適用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料 ； 適用于厚大工件。厚度大于40mm的大型結(jié)構(gòu)件。 2-2 壓力焊 一、電阻焊 通過(guò)加壓、或同時(shí)加熱加壓，使焊件產(chǎn)生塑性變形， 并經(jīng)再結(jié)晶和擴(kuò)散作用，使兩部分金屬達(dá)到原子間的 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。 1. 點(diǎn)焊 工藝參數(shù) 電極壓力 焊接電流 通電時(shí)間 適中 對(duì)組合焊件經(jīng)電極加壓，利用電流通過(guò)焊接接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，實(shí)現(xiàn)焊接。 焊點(diǎn)距離 太近 分流現(xiàn)象嚴(yán)重 太遠(yuǎn) 強(qiáng)度不夠 應(yīng)用： 4mm以下的薄板搭接。 2 . 縫焊 應(yīng)用： 3mm以下的薄板搭接。 如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。 3 . 對(duì)焊 主要用于棒料的對(duì)接。 1）電阻對(duì)焊 應(yīng)用： 用于斷面簡(jiǎn)單，直徑（或邊長(zhǎng)）小于 20mm或強(qiáng)度要求不太高的工件。 2）閃光對(duì)焊 應(yīng)用： 用于重要工件的焊接?？珊赶嗤饘?， 也可焊異種金屬（鋁 鋼、鋁 銅等）。 工件直徑 0.01mm200mm。 2-3 釬焊 是將 釬料 熔化，利用液態(tài)釬料濕潤(rùn)母材，填充接頭間隙并與母材 相互擴(kuò)散 ，冷凝后實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。 一、釬焊的種類 1. 軟釬焊 2. 硬釬焊 釬料的熔點(diǎn)在 450 以下。 接頭強(qiáng)度低，一般為 60190MPa，工作溫度低于 100 釬料的熔點(diǎn)在 450 以上。 接頭強(qiáng)度高，在 200MPa以上，工作溫度較高。 釬料的作用 連接 填充 釬料的種類 軟釬料： 硬釬料： 錫鋁合金（焊錫） 鋁基、銅基、銀基、鎳基合金等。 2. 溶劑 溶劑的作用 清理作用 降低表面張力 保護(hù)作用 去除表面氧化皮 改善液態(tài)釬料對(duì)焊件的濕潤(rùn)性，增強(qiáng)毛細(xì)管作用 。 二、釬料和溶劑 1. 釬料 2. 可焊同種、異種金屬和厚薄懸殊的工件。 3. 生產(chǎn)率高。易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 4. 設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)投資費(fèi)用少。 應(yīng)用： 主要焊接精密、微型、復(fù)雜、多焊縫異種金屬 的焊接。 目前： 軟釬焊廣泛用于電子、電器、儀表等行業(yè)；硬釬焊 用于硬質(zhì)合金刀具、鉆探鉆頭、換熱器的焊接。 三、釬焊的特點(diǎn)及應(yīng)用 1. 加熱溫度低，接頭組織、性能變化?。缓附幼冃涡?， 工件尺寸精確。 1. 金屬材料的焊接性 指被焊金屬在一定的工藝條件下（焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式），獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 焊接性 工藝焊接性： 使用焊接性： 焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向。尤其指出現(xiàn)各種 裂紋 的可能性 焊接接頭在使用中的可靠性。包括力學(xué)性能及其它特殊性能 2. 影響焊接性的因素 1）焊接方法 4） 工藝參數(shù) 2）焊接材料 3）焊件化學(xué)成分 第三節(jié) 常用金屬材料的焊接 3-1 材料的焊接性 3. 焊接性的評(píng)定方法 1）實(shí)驗(yàn)法 十字接頭試驗(yàn)法、 Y型坡口試驗(yàn)法、“小鐵研”試驗(yàn)法等。 2）碳當(dāng)量估算法 C 影響最顯著 基本元素 折合成 碳 的 相當(dāng)含量 對(duì)焊接性的影響 其它元素 CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 CE0.6% 具有 良好的焊接性 焊接性 較差 焊接性 差 3-2 碳鋼的焊接 1. 低碳鋼的焊接 低碳鋼： C0.60% 焊接性差。 CE 0.60% 問(wèn)題 焊縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋 熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋 措施 焊前預(yù)熱（ 250350 ），焊后緩冷。 選用低氫型（堿性）焊條。 焊件開(kāi)坡口，且采用細(xì)焊條、小電流、多層焊。 避免 選用高碳鋼作為焊接 結(jié)構(gòu)件。 焊補(bǔ) 措施 焊前預(yù)熱（ 150250 ），焊后緩冷。 選用低氫型（堿性）焊條。 焊件開(kāi)坡口，且采用細(xì)焊條、小電流、多層焊。 3-3 合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接 合金結(jié)構(gòu)鋼 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼 （調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼） （壓力容器、鍋爐、橋梁、車輛、船舶等結(jié)構(gòu)。） 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼： 低強(qiáng)度普通低合金結(jié)構(gòu)鋼： 高強(qiáng)度普通低合金結(jié)構(gòu)鋼： s400MPa CE 0.4%0.5% 焊接性良好 。 焊接性較差。 15MnVN、 18MnMoNb、 14MnMoV 焊前預(yù)熱（ 250350 ），焊后緩冷； 選用低氫型（堿性）焊條；焊件開(kāi)坡口，且采用細(xì)焊條、小電流、多層焊。 3-4 鑄鐵的焊補(bǔ) 一、鑄鐵焊補(bǔ)的特點(diǎn)（困難） 1. 熔合區(qū)易產(chǎn)生白口組織和淬硬組織； 2. 焊縫區(qū)易產(chǎn)生裂紋； 3. 焊縫區(qū)易產(chǎn)生氣孔； 4. 熔池金屬易流失； 二、鑄鐵焊補(bǔ)的方法 1. 熱焊法 焊前將焊件整體或局部預(yù)熱至 600700 并施焊，焊后緩冷。 用于形狀復(fù)雜，焊后需要機(jī)械加工的重要件。 如汽缸體、汽缸蓋、機(jī)床導(dǎo)軌等 2. 冷焊法 焊前不預(yù)熱或低溫預(yù)熱（ 400 ）的焊補(bǔ)方法。 焊條 鋼芯鑄鐵焊條： 適用于非加工表面的焊補(bǔ) 石墨化鑄鐵焊條： 高釩鑄鐵焊條： 鎳基鑄鐵焊條： 銅基鑄鐵焊條： 適用于較大灰口鑄鐵件的焊補(bǔ) 主要用于一般鑄鐵件的焊補(bǔ) 主要用于重要件加工表面的焊補(bǔ) 可進(jìn)行機(jī)械加