焊接1上課講義

焊接1焊接焊接方法（根據(jù)原子間產(chǎn)生結(jié)合的方式不同）熔焊：焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。利用金屬溶化和凝固時的相互結(jié)晶而形成連接。壓焊：焊接過程中必須對焊件施加壓力(加熱或不加熱)，以完成焊接的方法。依靠壓力使接頭處的金屬材料產(chǎn)生塑性變形而形成原子間的結(jié)合。焊接焊接方法（根據(jù)原子間產(chǎn)生結(jié)合的方式不同）釬焊：采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點低于母材熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材互相擴散，實現(xiàn)連接焊件的方法。依靠低熔點金屬（釬料）溶化后，與高熔點被焊金屬在一定溫度下相互間產(chǎn)生一定的物理和化學(xué)作用，而形成原子間的連接。

焊接電弧焊焊接的基本原理焊條電弧焊埋弧焊氣體保護焊等離子弧焊接與切割其它常用焊接方法常用金屬材料的焊接焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計常見焊接缺陷產(chǎn)生原因分析及防治措施本篇內(nèi)容電弧焊焊接電?。ㄈ刍傅哪茉矗┒x：由焊接電源供給，在具有一定電壓的兩極間或電極與母材間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強烈而持久的放電現(xiàn)象，稱為焊接電弧。實質(zhì)：氣體導(dǎo)電現(xiàn)象，放出大量光和熱。組成：由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱三部分組成。特性：焊接電弧的熱量與焊接電流的平方和電壓的乘積成正比，電流愈大，產(chǎn)生的總熱量愈大。電弧焊——焊接的基本原理圖4-1焊接電弧電弧區(qū)的熱量和溫度分布電弧熱量，陽極區(qū)占總熱量的43％；陰極區(qū)因放出大量電子，消耗了一部分能量，約占36％；其余21％左右的熱量是在弧柱中產(chǎn)生的。65～85％溶化金屬，其余使陰極發(fā)射電子，保持弧柱區(qū)氣體電離，向周圍耗散等。圖4-1焊接電弧電弧焊——焊接的基本原理電弧區(qū)的熱量和溫度分布電弧中陽極區(qū)和陰極區(qū)的溫度因電極材料不同而不同。當(dāng)兩極材料相同時，陽極溫度比陰極高。如用鋼焊條焊接鋼材時，陽極區(qū)溫度約為2,600K，陰極區(qū)約為2,400K，電弧中心區(qū)溫度最高，可達6,000～8,000K。圖4-1焊接電弧電弧焊——焊接的基本原理焊接電弧的正接法和反接法由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽極和陰極上有一定差異及其它一些原因，使用直流電源焊接時，有正接和反接兩種接線方法。電弧焊——焊接的基本原理焊接電弧的正接法和反接法正接是將工件接到電源的正極，焊條接到負極；反接是將工件接到電源的負極，焊條接到正極。特性：正接時工件的溫度相對高一些。如果焊接時使用的是交流弧焊機，因為電極每秒鐘正負變化達一百次之多，所以兩極加熱溫度一樣，都在2,500K左右，因而不存在正接和反接問題。圖4-2直流電源時的正接與反接電弧焊——焊接的基本原理電弧焊視頻電弧焊——焊接的基本原理過程：加熱——溶化——冶金反應(yīng)——結(jié)晶（凝固＋重結(jié)晶）——固態(tài)相變——形成接頭。實質(zhì)：金屬在焊接條件下的再熔煉過程，包括化學(xué)變化和物質(zhì)在作用相之間的遷移和分布過程。特點：電弧反應(yīng)區(qū)溫度高，液體金屬蒸發(fā)，氣體分解，金屬凝固產(chǎn)生氣孔。熔池與母材溫差大，生成柱狀晶，接頭產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形。冷卻速度快，冶金反應(yīng)不平衡、不充分，焊縫金屬成分不均勻，偏析現(xiàn)象嚴(yán)重，液態(tài)中氣體來不及溢出，殘留焊縫中。電弧焊——焊接的基本原理焊接接頭的組織和性能焊接工件上的溫度變化與分布離焊縫越近的點，被加熱的溫度越高；越遠的點，被加熱的溫度越低；各點達到最高溫度的時間不同。加熱速度和冷卻速度快，易產(chǎn)生焊接裂紋。圖4-3焊縫區(qū)各點溫度變化情況在焊接過程中，焊縫的形成是一次冶金過程，焊縫附近區(qū)域金屬相當(dāng)于受到一次不同規(guī)范的熱處理，必然會產(chǎn)生相應(yīng)的組織與性能的變化。電弧焊——焊接的基本原理焊接接頭的組織與性能低碳鋼:焊縫和焊縫附近區(qū)域由于受到電弧不同程度的加熱而產(chǎn)生組織與性能的變化。如圖，左側(cè)下部是焊件的橫截面，上部是相應(yīng)各點在焊接過程中被加熱的最高溫度曲線。圖中1、2、3等各段金屬組織的獲得，可用右側(cè)所示的部分鐵-碳合金狀態(tài)圖來對照分析。

圖4-4低碳鋼焊接接頭的組織電弧焊——焊接的基本原理焊接接頭的組織與性能1.焊縫：由熔池金屬結(jié)晶得到的柱狀鑄造組織。結(jié)晶特點：熔池冷卻速度快，形成硬化組織和裂紋。金屬處于過熱狀態(tài)，合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，非自發(fā)晶核減少，柱狀組織發(fā)展。熔池中心和邊緣溫度梯度大，晶粒沿散熱相反方向向熔池中心長大，受晶粒阻礙不易得到等軸晶，柱狀晶發(fā)展。熔合線：焊縫和母材的交界線。熔合區(qū)：熔合線兩側(cè)很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)域。熱影響區(qū)：焊縫附近母材組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。焊接接頭：焊縫＋熔合區(qū)＋熱影響區(qū)電弧焊——焊接的基本原理焊縫的組織和性能凝固偏析：在整個焊縫內(nèi)合金中化學(xué)成分的不均勻性，稱為宏觀偏析。與焊縫成形系數(shù)（焊道的寬度與計算厚度之比）有關(guān)。寬焊縫，低熔點雜質(zhì)聚在焊縫上部，避免出現(xiàn)中心線裂紋。窄焊縫，柱狀晶的交界在中心，低熔點雜質(zhì)聚在中心線附近最后凝固，形成中心線偏析，易產(chǎn)生熱裂紋。電弧焊——焊接的基本原理焊縫的組織和性能焊縫性能：當(dāng)焊縫細柱狀晶時，其性能比粗柱狀晶好。粗柱狀晶降低焊縫的強度，降低其塑性和韌性。偏析越嚴(yán)重，焊縫的抗裂性能越差，機械性能和耐腐蝕性能的不均勻程度也越大。硫磷偏析嚴(yán)重，并集中在中心線，易產(chǎn)生熱裂紋。焊縫組織晶粒粗大，成分偏析，不致密。但熔池小，冷卻快，焊藥、焊劑或焊絲起到滲合金化效果，焊縫金屬中錳、硅等合金元素含量可能比母材高，焊縫金屬性能可能優(yōu)于母材。電弧焊——焊接的基本原理電弧焊2．焊接熱影響區(qū)

（1）熔合區(qū)熔化的金屬凝固成鑄態(tài)組織。溫度在固相和液相線之間，因加熱溫度過高而成為過熱粗晶，易引起應(yīng)力集中，所以熔合區(qū)在很大程度上決定著焊接接頭的性能

（2）過熱區(qū)加熱到1100°C以上至固相線溫度區(qū)域。奧氏體晶粒急劇長大，形成過熱組織，故塑性及韌性降低。對于易淬火硬化鋼材，此區(qū)脆性更大。

電弧焊——焊接的基本原理電弧焊2．焊接熱影響區(qū)（3）正火區(qū)（完全重結(jié)晶）加熱至AC3～1100℃，重結(jié)晶，轉(zhuǎn)為奧氏體，冷卻后細小鐵素體＋珠光體，力學(xué)性能優(yōu)于母材。

（4）部分相變區(qū)（不完全重結(jié)晶）珠光體和部分鐵素體發(fā)生重結(jié)晶，轉(zhuǎn)變成細小的奧氏體晶粒。部分鐵素體不發(fā)生相變，但其晶粒有長大趨勢。冷卻后晶粒大小不均，因而力學(xué)性能比正火區(qū)稍差。

熱影響區(qū)的大小和組織性能變化的程度，決定于焊接方法、焊接參數(shù)、接頭形式和焊后冷卻速度等因素。電弧焊——焊接的基本原理改善焊接熱影響區(qū)組織和性能的方法低碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)，用手工電弧焊或埋弧自動焊時，熱影響區(qū)尺寸較小，對焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響較小，焊后可不進行熱處理；對于低合金鋼焊接結(jié)構(gòu)或用電渣焊焊接的結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)較大，焊后必須進行熱處理，通?？捎谜鸬姆椒?，細化晶粒，均勻組織，改善焊接接頭的質(zhì)量；對于焊后不能進行熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，只能通過正確選擇焊接方法，合理制定焊接工藝來減小熱影響區(qū)，以保證焊接質(zhì)量。電弧焊——焊接的基本原理焊接應(yīng)力：焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。焊接變形：焊后焊件殘留的變形。產(chǎn)生機理：加熱時，焊縫區(qū)金屬熱膨脹量大，受兩側(cè)金屬制約不能自由伸長而被塑性壓縮，向厚度方向展寬；冷卻時，受兩側(cè)金屬制約而不能自由收縮，各部分收縮不一致，導(dǎo)致焊縫區(qū)乃至整個焊件產(chǎn)生應(yīng)力和變形。加熱時應(yīng)力和變形冷卻時應(yīng)力和變形焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力：（1）產(chǎn)生的原因：加熱不均勻及冷卻不均勻。（2）應(yīng)力分布：平板對接焊縫,圓筒環(huán)形焊縫的焊接應(yīng)力分布（圖4-5）。圖4-5對接焊縫、圓筒環(huán)形焊縫的焊接應(yīng)力分布（c）徑向應(yīng)力焊接應(yīng)力與變形（4）減小應(yīng)力的措施：

①減少焊縫數(shù)量，盡量減小焊縫截面尺寸和長度。②避免過分集中，保證足夠的距離，避免交叉，以免出現(xiàn)三向復(fù)雜應(yīng)力。③不要布置在高應(yīng)力區(qū)及斷面突變的地方，以避免應(yīng)力集中。焊接應(yīng)力與變形（4）減小應(yīng)力的措施：合理的焊接次序，在剛性較小的情況下施焊，以便自由收縮而降低焊接應(yīng)力。應(yīng)先焊錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫；焊對接長焊續(xù)時，由中央向兩端施捍法；應(yīng)先焊收縮量較大的焊縫；應(yīng)先焊在工作時受力較大的焊縫，使內(nèi)應(yīng)力合理分布。焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350～400℃,減弱各部位溫差，從而顯著減小焊接應(yīng)力。焊后熱處理：去應(yīng)力退火，加熱到600～650℃，保溫1小時以上，緩冷。圖4-6焊接次序?qū)?yīng)力的影響焊接應(yīng)力與變形焊接變形的基本形式：圖4.7

收縮變形：焊縫縱向、橫向收縮，使構(gòu)件縱向、橫向尺寸減小。

角變形：Y型坡口對接時，焊接次序不合理，焊縫橫向收縮不均勻引起的變形。

彎曲變形：焊縫不對稱，工藝不合理，焊接T形梁時，由于焊縫布置不對稱，焊縫縱向收縮引起的變形。

扭曲變形：焊接工字梁時，由于焊接順序和焊接方向不合理引起的變形。

波浪變形：焊接薄板時，由于焊縫收縮使薄板局部產(chǎn)生較大壓力而失去穩(wěn)定引起的變形。焊接應(yīng)力與變形預(yù)防變形的措施①焊前措施：反變形法：在焊前裝配時，將焊件向?qū)⒁冃蔚姆捶较驍[放，或人為地變形，控制得當(dāng)，可使焊件得到正確的形狀，防止留下殘余變形。圖4.8平板焊接的反變形

圖4.9防止殼體焊接局部塌陷的反變形焊接應(yīng)力與變形預(yù)防變形的措施①焊前措施：剛性夾持法：當(dāng)焊件剛性較小時，利用外加剛性約束以減小焊件焊后變形的方法。壓力容器和球罐焊接時的角變形，通常就采用局部剛性約束法來進行控制。焊接應(yīng)力與變形預(yù)防變形的措施①焊前措施：合理的焊接次序：把大型結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)胤殖蓭讉€部件，分別裝配焊接，然后再拼焊成整體。使不對稱的焊縫或收縮量較大的焊縫能自由收縮，控制和減少焊接變形。構(gòu)件對稱兩側(cè)都有焊縫，應(yīng)使兩側(cè)焊縫的收縮能互相抵消或減弱。圖4.11梁的焊接次序

圖4.10雙X型坡口焊接次序焊接應(yīng)力與變形圖4-6焊接次序?qū)?yīng)力的影響2.焊后措施：機械矯正法：將變形的構(gòu)件中尺寸較短的部分，通過機械力的作用，使之產(chǎn)生塑性延展而恢復(fù)原來形狀，或達到所要求的形狀。如輥床、壓力機、矯直機?；鹧婕訜岢C正法：利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形，使較長的部分在冷卻后縮短來消除變形。氧—乙炔火焰加熱壓應(yīng)力處（靠經(jīng)驗）冷卻收縮，消除變形圖4.13反變形法。3.焊接裂紋：（1）原因焊接應(yīng)力過大材料成分：S、P（2）預(yù)防選用堿性焊條，預(yù)熱，合理次序，小能量焊接。圖4－12機械矯正法圖4－13火焰矯正法焊接應(yīng)力與變形焊條電弧焊四.焊條電弧焊

用手工操縱焊條進行焊接的方法。優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作靈活，成本低。缺點：有強烈的弧光和煙塵，勞動條件差，生產(chǎn)率低，對工人技術(shù)水平要求高，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。適用：單件小批量生產(chǎn)，焊接碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼及鑄鐵的補焊等。焊條電弧焊一、焊條電弧焊的焊接過程原理：在藥皮焊條和母材間產(chǎn)生電弧，利用電弧熱融化焊條和母材的焊接方法。焊條外層覆蓋焊藥，遇熱融化，具有使電弧穩(wěn)定、形成溶渣、脫氧、精煉等作用。

焊縫質(zhì)量由很多因素決定，如母材金屬和焊條的質(zhì)量、焊前的清理程度、焊接時電弧的穩(wěn)定情況、焊接參數(shù)、焊接操作技術(shù)、焊后冷卻速度以及焊后熱處理等。圖4-14焊條電弧焊過程電弧焊焊條電弧焊焊接過程焊條

涂有藥皮的供手工電弧焊用的熔化電極，由藥皮和焊芯兩部分組成。焊芯

：在焊接過程中既是導(dǎo)電的電極，同時本身又熔化作為填充金屬，與熔化的母材共同形成焊縫金屬。藥皮：壓涂在焊芯表面的涂料層，主要作用是在焊接過程中造氣造渣，起保護作用，防止空氣進入焊縫，防止焊縫高溫金屬不被空氣氧化(表4-3)。焊條電弧焊焊條的分類（按熔渣的化學(xué)性質(zhì)分）

酸性焊條

優(yōu)點：焊渣呈玻璃狀，易脫渣；工藝性能較好，電弧穩(wěn)定。缺點：力學(xué)性能，尤其是塑性和韌性差，抗裂性低。典型型號：E4303堿性焊條優(yōu)點：焊接金屬塑性、韌性好，抗裂性強，合金元素損失少。缺點：對油、銹、污敏感；電弧不穩(wěn)定；熔渣為結(jié)晶狀，不易脫渣。焊條的分類（按用途分）焊條電弧焊焊條的選用（按強度等級和化學(xué)成分選用）焊接一般結(jié)構(gòu)．如低碳鋼、低合金鋼結(jié)構(gòu)件時，一般選用與焊件強度等級相同的焊條，而不考慮化學(xué)成分相同或相近。焊接異種結(jié)構(gòu)鋼時，按強度等級低的鋼種選用焊條。焊接特殊性能鋼種，如不銹鋼、耐熱鋼時，應(yīng)選用與焊件化學(xué)成分相同或相近的特種焊條。焊件的碳、硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，應(yīng)選用堿性焊條。焊接鑄造碳鋼或合金鋼時，因為碳和合金元素較高，鑄件厚度、剛度較大，形狀復(fù)雜，應(yīng)選用堿性焊條。焊條電弧焊焊條的選用（按焊件的工作條件選用）焊接承受動載、交變載荷及沖擊載荷的結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)選用堿性焊條。焊接承受靜載的結(jié)構(gòu)件時，可選用酸性焊條。焊接表面帶有油、銹、污等結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)選用酸性焊條。焊接在特殊條件（腐蝕、高溫）下工作的結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)選用特殊用途焊條。焊條電弧焊焊條的選用（按焊件的形狀、剛度及焊接位置選用）厚度、剛度大、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選用堿性焊條。厚度、剛度不大，形狀一般，尤其是均可采用平焊的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)乃嵝院笚l。除平焊外，立焊、橫焊、仰焊等焊接位置的結(jié)構(gòu)件應(yīng)選用全位置焊條。埋弧焊

1.埋弧焊過程

圖4-15埋弧焊原理

埋弧焊焊接材料焊劑焊絲熔煉焊劑陶瓷焊劑相當(dāng)于焊芯相當(dāng)于藥皮

熔煉焊劑：在熔煉爐中制備，成分均勻，適于大量生產(chǎn)；陶瓷焊劑：利用粉末冶金工藝制備，顆粒強度低。

焊絲與焊劑埋弧焊

1、焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定；2、熔深大，節(jié)省焊接材料；3、無弧光，無金屬飛濺，焊接煙霧少；4、自動化操作，生產(chǎn)效率高。5、設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，適于長的直線焊縫和圓筒形工件的縱、環(huán)焊縫的批量生產(chǎn)。

埋弧自動焊的特點埋弧焊埋弧焊工藝（1）工件的下料仔細、準(zhǔn)備坡口和裝配（點焊固定）（2）焊縫兩側(cè)50～60mm以內(nèi)，去除油污、鐵銹（3）工件厚，S<20～25mm時單面焊，S>20～25mm時，雙面焊（或開坡口單面焊接）（4）焊接前在焊縫兩端焊上引弧板與引出板，（圖16,保證引弧處和斷弧處質(zhì)量）圖4-16埋弧焊的引弧板與引出板埋弧焊埋弧焊工藝（5）防止燒穿和保持焊劑，焊接第一條焊道時，在焊縫下面放置焊劑墊和墊板（圖17）（6）大直徑（＞250mm）筒體環(huán)焊縫時，防止熔池金屬流失，焊絲位置應(yīng)逆旋轉(zhuǎn)方向偏離焊件中心線一定距離a，（圖18）。其大小視筒體直徑與焊接速度等而定。氣體保護焊氬弧焊

以氬氣（惰性氣體）作為保護氣體的電弧焊。（1）不熔化極氬弧焊：電極：鈰鎢棒不熔化，較厚工件需填充焊絲（圖19a）焊接厚度6mm以下的工件。（2）熔化極氬弧焊：連續(xù)送進焊絲（電極），不需填充金屬，可用較大電流，焊接厚度為25mm以下的工件，圖19(b)。氣體保護焊氬弧焊特點：機械保護效果好，焊縫金屬純凈，成形美觀，質(zhì)量好。電弧穩(wěn)定，小電流時也很穩(wěn)定。熔池溫度容易控制，單面焊雙面成形。采用氣體保護，電弧可見(稱為明弧)，易實現(xiàn)全位置自動焊接。電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，熔池小，焊速快，熱影響區(qū)小，焊接變形小。氫氣價格較高，因此成本較高。鎢極脈沖氬弧焊（不熔化極氬弧焊的一種）常用于薄板、管材和易淬火鋼、高強鋼(原理:圖20脈沖電流)氬弧焊特點及使用范圍：（1）電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小，焊縫致密、成形美觀，焊接質(zhì)量好；（2）有氣體保護，明弧可見，便于操作。（3）熱量集中，焊接速度快，焊接熱影響區(qū)較窄，工件變形小。（4）適用于各類合金鋼、不銹鋼、有色金屬（鋁、鎂、鈦等），稀有金屬（鋯、鉬、鉭等）的焊接。氣體保護焊氣體保護焊二氧化碳氣體保護焊以二氧化碳作為保護氣體，以焊絲作電極，以自動或半自動方式進行焊接。(原理:圖4.21)氣體保護焊二氧化碳氣體保護焊

特點：成本低

焊接成本僅是埋弧自動焊和手工電弧焊的40％左右。生產(chǎn)率高

焊絲送進自動化，電流密度大，電弧熱量集中，焊接速度快。焊后沒有熔渣，不需清渣，比手工電弧焊提高生產(chǎn)率1一3倍。操作性能好

電弧是明弧，可清楚看到焊接過程。焊接質(zhì)量較好

電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，熱影響區(qū)較小，變形和開裂傾向也小。焊縫成形差

飛濺大。煙霧較大，控制不當(dāng)易產(chǎn)生氣孔。設(shè)備使用和維修不便

送絲機構(gòu)容易出故障，需要經(jīng)常維修。等離子弧焊接與切割圖4-22離子電弧發(fā)生裝置原理等離子弧焊接與切割離子電弧:使自由電弧的弧柱受到壓縮，產(chǎn)生溫度比自由電弧高得多的等離子弧。(1)機械壓縮效應(yīng)：經(jīng)高頻振蕩使氣體產(chǎn)生電離形成的電弧通過噴嘴細孔道，弧柱被強迫壓縮。(2)熱壓縮效應(yīng)：是水冷噴嘴以及通入一定壓力的冷氣（氬氣、氮氣）使電弧外層冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中心收縮。(3)磁壓縮效應(yīng)：是無數(shù)根平行導(dǎo)線（帶電粒子在弧柱中的運動）所產(chǎn)生的自身磁場，使這些導(dǎo)線相互吸引，電弧被進一步壓縮。電弧在上述三種效應(yīng)的作用下，被壓縮得很細，能量高度集中，弧柱內(nèi)的氣體完全電離為電子和離子，稱為等離子弧，其溫度高達16,000K以上。圖4-22離子電弧發(fā)生裝置原理手工電弧焊和氣焊等離子弧焊接與切割離子電弧:

離子弧用于切割時，稱為等離子弧切割。比氧氣切割效率高1～3倍，可以切割不銹鋼、銅、鋁及其合金、難熔的金屬和非金屬材料。等離子弧用于焊接時，稱為等離子弧焊接。等離子弧焊特點：(1)等離子弧焊除具有氬弧焊的