熱加工工藝基礎(chǔ)部分第三章焊接

1、第三章第三章 焊接焊接 概述 1、焊接的概念 2、焊接的方法分類（熔焊、壓焊、釬焊表表 3-13-1） 釬焊：采用比母材金屬熔點低的金屬材料作 為釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、 低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材， 填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實現(xiàn)連接焊 件的方法） 第一節(jié)第一節(jié) 焊接的基本原理焊接的基本原理 一、焊接的實質(zhì) 使兩個分離的物體通過加熱成加壓，或兩 者并用，在用或不用填充材料的條件下借 助原子間的聯(lián)系與質(zhì)點的擴(kuò)散作用形成一 個整體的過程。 分離物體永久結(jié)合條件：兩物體相互接近 到0.3-0.5nm，使之達(dá)到原子間的力能達(dá)到 相互作用的程度,而加熱、加壓或兩者并用， 來

2、克服妨礙原子結(jié)合因素，以達(dá)到永久牢 固連接。（如圖（如圖3-23-2） 圖3-2 焊接純鐵時所必需的溫度和壓力 高壓焊接區(qū)電阻焊接區(qū)熔焊區(qū) 不能實現(xiàn)焊接的區(qū)域 二、焊接冶金過程及其對焊接質(zhì) 量的影響 焊接冶金過程，指熔焊時焊接區(qū)各種物質(zhì)之間在焊接冶金過程，指熔焊時焊接區(qū)各種物質(zhì)之間在 高溫下相互作用的過程，其實質(zhì)是焊接條件下的高溫下相互作用的過程，其實質(zhì)是焊接條件下的 再熔煉過程。再熔煉過程。 （1 1）焊接電?。海┖附与娀。壕哂幸欢妷旱膬蓸O間或電極與具有一定電壓的兩極間或電極與 母材間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)裂而持久的放電母材間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)裂而持久的放電 現(xiàn)象。現(xiàn)象。 電弧特性：電

3、弧特性： 1 1）焊接電弧由陰極區(qū)，陽極區(qū)和弧柱三部分組）焊接電弧由陰極區(qū)，陽極區(qū)和弧柱三部分組 成（陰極區(qū)成（陰極區(qū)24002400K K、陽極區(qū)陽極區(qū)26002600K K、弧柱區(qū)弧柱區(qū)6000-6000- 800800K K） 2 2）總熱量總熱量Q=KIQ=KI2 2U U 直流電焊機(jī)（正接直流電焊機(jī)（正接 焊件正、焊件正、 電極負(fù)電極負(fù) 、反接）、交流電焊機(jī)、反接）、交流電焊機(jī) （2 2）焊接的冶金特點）焊接的冶金特點 1）熔池中冶金反應(yīng)不充分，常發(fā)生偏析、 夾雜等缺陷 2）氧、氫、氮等氣體分子吸收電弧熱量易 分解成活潑原子和離子。 熔滴過渡時與氣體和熔渣接觸面積超過普 通煉鋼過程。

4、 電弧長度越大、氫、氧、氮等氣體侵入機(jī) 會多。 3）滲合金、補(bǔ)充燒損元素，起脫氧作用。 4）焊縫中硫和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.04% 時，容易產(chǎn)生裂紋。應(yīng)選用含硫和磷低的 焊接原材料。 三、焊接熱過程對焊接接頭組織、 性能影響 （一）焊接熱循環(huán)，焊件上某點的溫度隨（一）焊接熱循環(huán)，焊件上某點的溫度隨 時間變化的過程（圖時間變化的過程（圖3-43-4） 圖3-4 焊件上不同點的焊接熱循環(huán) 焊件材質(zhì)為20Mn鋼=20mm、v=150mm/min、I=170A,U=25V （二）焊縫區(qū)的金屬組織與性能（如圖（二）焊縫區(qū)的金屬組織與性能（如圖3-53-5） 圖3-5 冷軋低碳鋼焊接接頭溫度分布和各區(qū)劃分

5、1 1、焊縫金屬區(qū)、焊縫金屬區(qū) 2 2、熔合區(qū)、熔合區(qū) 焊縫與母材交接的過渡區(qū)， 即熔合線處微觀顯示的母材半熔化區(qū) （0.1-0.4mm）（危險區(qū)或） 3 3、熱影響區(qū)、材料因受熱的影響、熱影響區(qū)、材料因受熱的影響（但未 熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的 區(qū)域。 過熱區(qū)（危險較大）、細(xì)晶區(qū)、不完全再 結(jié)晶區(qū)、再結(jié)晶區(qū) 四、焊接應(yīng)力與變形 原因：焊件不均勻局部加熱和冷卻是導(dǎo)致 焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的根本原因 （一）焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生（如圖（一）焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生（如圖3-83-8、 3-93-9、3-103-10） 圖3-8 平板對焊時應(yīng)力和變形的形成原理示意圖 a)加熱時的應(yīng)力和變形b)

6、冷卻時的應(yīng)力和變形 圖3-9 焊縫縱向收縮引起的變形和應(yīng)力 溫度分布正常伸長曲線實際伸長曲 線加熱時應(yīng)力分布曲線冷卻后應(yīng)力 分布曲線 圖3-10 焊縫先后冷卻引起的橫向應(yīng)力 a)從一端向另一端直通單向焊b)從兩頭向 中心施焊c)從中心向兩端施焊 （二）焊接裂紋與焊接變形形式（如圖（二）焊接裂紋與焊接變形形式（如圖3-3- 1111、3-123-12） s時，產(chǎn)生變形 b時，產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂 圖3-12焊接變形的基本形式 a)收縮（縱向、橫向）變形b)角變形c)彎曲變形d)波浪變形e) 扭曲變形f)錯邊（長度方向、厚度方向）變形 （三）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力及變形的措施（三）預(yù)防和減小焊接應(yīng)力及變

7、形的措施 1、合理設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)（減少焊縫長度和截 面積、盡量采用對稱焊縫、避免交叉焊縫） 2、焊前預(yù)熱（焊后冷卻時，加熱區(qū)與焊縫 同時收縮。此法稱為加熱減應(yīng)區(qū)法）（如（如 圖圖3-133-13） 圖3-13 加熱減應(yīng)區(qū)法 a)焊前b)焊后 3、反變形法（如圖（如圖3-143-14） 圖3-14 反應(yīng)形法 a)、c)焊前b)、d)焊后 4、剛性固定法（如圖（如圖3-153-15） 圖3-15 用剛性固定法拼接薄板 5、選擇合理焊接順序（如圖（如圖3-163-16） 圖3-16 合理的焊接順序 a)焊接順序應(yīng)能使焊件自由收縮b)對稱焊接法c)長焊縫的分段焊 法d)工字梁的焊接方法e) 6、錘擊焊縫

8、法（如圖（如圖3-173-17） （四）焊接變形的矯正（四）焊接變形的矯正 1、機(jī)械矯正法（如圖（如圖3-193-19） 圖3-19 機(jī)械械矯正法 a)壓力矯正b)錘擊矯正變形的步驟 2、火焰矯正法（如圖（如圖3-203-20） 圖3-20 火焰矯正法 a）T形梁的火焰矯正b)薄板波浪變形的火焰 矯正 第二節(jié)第二節(jié) 焊條電弧焊焊條電弧焊 電弧焊利用電弧作為熱源的熔焊方法。 焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊 接的電弧焊方法。 一、焊條電弧焊電源 1、對焊條電弧焊電源的要求 適當(dāng)?shù)目蛰d電壓和較高的引弧電壓， 以利于引弧，保證安全； 電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流增大，電 弧電壓應(yīng)急劇下降； 短路電流不應(yīng)

9、太大； 焊接電流應(yīng)能靈活調(diào)節(jié)。 2、電源種類 （1）交流弧焊機(jī) （2）直流弧焊機(jī)（直流焊機(jī)有正接和反接） 二、焊條 1、焊條的組成和作用 組成： 藥皮（透氣，保護(hù)作用；冶金作用； 穩(wěn)弧、脫渣作用） 焊芯（填充材料；電極） 2、焊條的分類 （1）按焊條熔渣的化學(xué)性質(zhì)分：酸性焊 條 堿性焊條 （2）按焊條用途分為十一大類 （3）焊條型號（由國家標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定各類 焊條的型號編制） 方法：碳鋼焊條的型號E4315(E表示焊條、 43表示焊敷金屬的最低b為420Mp、1表 示施焊適于全位置焊接、15表示低氫鈉型 藥皮，直流反接使用) 3、焊條選用 根據(jù)焊條性能特點，并考慮焊件的結(jié)構(gòu)特點，工 作條件、生產(chǎn)

10、批量、施工條件及經(jīng)濟(jì)性等因素合 理選用焊條。 主要考慮因素： （1）按強(qiáng)度等級和化學(xué)成分選用焊條 a、一般結(jié)構(gòu)，一般選用與焊件強(qiáng)度等級相同的焊 條； b、焊接異種結(jié)構(gòu)鋼，按強(qiáng)度等級低的鋼種選用； c、焊接特殊性能鋼，應(yīng)選用與焊件化學(xué)成分相同 或相近的特種焊條； d、焊件碳、硫、磷分?jǐn)?shù)較大，應(yīng)選用堿性焊條； e、焊接鑄造碳鋼成合金鋼，一般選用堿性焊條。 （2）按焊件的工況情況 a、焊接承受動載，交變載荷及沖擊載荷， 應(yīng)選用堿性焊條； b、焊接承受靜載荷的結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)選用 酸性焊條 c、焊件表面有油污、銹等難以清理的結(jié) 構(gòu)件，應(yīng)選用酸性焊條； d、焊接在特殊條件工作的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選 用特殊用途焊條

11、（3）按焊件形狀、剛度及焊接位置選用焊 條 三、焊條電弧焊焊接工藝規(guī)范 焊接工藝規(guī)范：指焊件所有有關(guān)的加工和實踐要求的 細(xì)則文件，可保證熟練工操作時質(zhì)量的再現(xiàn)性。 包括：焊條型號（牌號）、焊條直徑、焊接電流、坡 口形式、焊接層數(shù) 1、焊條直徑的選擇 4mm d=；4mm采用多 層焊 2、焊接電流的選擇 焊接電流I = k d 立、橫、仰焊時，焊接電流比平焊時減少10-20% K=經(jīng) 驗系數(shù)（30-40A/mm） 3、焊層數(shù) n=/d 第三節(jié)第三節(jié) 其它焊接方法其它焊接方法 一、埋弧焊（電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行的 焊接方法如圖圖3-213-21） 圖3-21埋弧焊示意圖 1焊件 2焊劑 3焊劑漏斗

12、 4焊盤絲 5 焊絲 6焊接機(jī)頭 7導(dǎo)電嘴8焊縫 9渣殼 （一）焊接過程 電弧引燃后，焊絲盤中的光焊絲通過導(dǎo) 電嘴不斷送入電弧區(qū)；電弧則隨著焊接小 車的前進(jìn)而勻速向前移動，焊劑從漏斗中 流出撒在焊縫表面。電弧在焊劑層下的光 焊絲和焊件之間燃燒。 （二）埋弧焊的特點和應(yīng)用 1、生產(chǎn)率高 2、焊接質(zhì)量高而穩(wěn)定 3、節(jié)約金屬材料 4、改善勞動條件 缺點： 1）埋弧焊對接頭加工要求高； 2）設(shè)備貴 3）不能焊接空間焊縫 4）窄、薄板不適宜 二、氣體保護(hù)電弧焊 （一）氬弧焊（用氬氣作為保護(hù)氣體 如 圖圖3-243-24） 圖3-24 氬弧焊示意圖 a) 熔化極氬弧焊b)鎢極氬弧焊 1送絲滾輪 2焊絲 3

13、導(dǎo)電嘴 4噴嘴 5保護(hù)氣體 6電弧及熔滴 7母材 8鎢極 保護(hù)電極和熔化金屬不受空氣的有害作用， 同時氬氣又不溶于液體金屬。 1、熔化極電氬弧焊 以連續(xù)送進(jìn)的焊絲 作為電極，同時又起填充金屬作用。通常 適用于焊接較厚的焊件，如板厚8mm以上的 鋁容器。 2、鎢極氬弧焊 常用高熔點的鎢或鎢合金 作為電極，焊接時需加填充金屬，填充金 屬可以是焊絲，也可以是焊接接頭中附加 填充金屬條或采用卷邊接頭等。 氬弧焊特點： 1）保護(hù)作用； 2）便于操作； 3）熱量集中，熱影響區(qū)小，應(yīng)力和變形小 4）電弧穩(wěn)定，飛濺小 （二）二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（如（如 圖圖3-253-25） 圖3-25 CO2 氣體保護(hù)焊示意

14、圖 1直流弧焊機(jī) 2導(dǎo)電嘴 3焊柜噴嘴 4 送絲軟管 5送絲機(jī)構(gòu) 6焊絲盤 7CO2 氣瓶 8減壓器 9流量計 它用焊絲作電極，送絲機(jī)構(gòu)自動送絲。 特點： 1、電流密度大、熔深大、焊速快、焊后 無需清渣； 2、由于保護(hù)氣體的壓縮作用，電弧熱量 集中，焊接熱影響區(qū)較小，加上CO2氣流 的冷卻作用，產(chǎn)生變形和裂紋的傾向小。 3、焊縫氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，接頭抗裂性好 （其他熔焊的工藝方法同學(xué)自學(xué)）（其他熔焊的工藝方法同學(xué)自學(xué)） 第四節(jié)第四節(jié) 壓焊與釬焊壓焊與釬焊 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 方法稱為壓焊。 一、電阻焊 工件組合后通過電極施加壓力，利用電 流通過接頭的接

15、觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的 電阻熱進(jìn)行焊接的方法稱為電阻焊。 電阻焊利用低電壓（2-10V)、大電流 （幾千安-幾萬安），焊接時間極短，生 產(chǎn)率高，焊件變形小，無需填充金屬， 操作簡單，勞動條件較好，易實現(xiàn)機(jī)械 化和自動化。 （一）對焊（是使用兩個被焊工件沿整 個接觸面焊合的電阻焊工藝） 1、電阻對焊 電阻對焊是將工件裝配成對 接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱 加熱至塑性狀態(tài)，然后用迅速施加頂鍛力 完成焊接的方法。（如圖（如圖3-303-30） 2、閃光對焊 工件裝配成對接接頭，接通 電源，并使其端面逐漸移近達(dá)到局部接觸， 利用電阻熱加熱這些接觸點，使端面熔化， 直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定

16、溫度時， 迅速施加預(yù)鍛力完成焊接的方法。（如圖（如圖3-3- 3131） 特點：焊接接頭 質(zhì)量高，端面 清理不要求嚴(yán) 格 （二）電阻點焊 電阻點焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓 緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材 金屬，形成焊點的電阻焊方法。電阻電 焊的工藝過程（如圖（如圖3-323-32） 焊接時，先加壓后通電，被緊密壓合的兩 焊件柱狀電極接觸處，由于電阻熱溫度急 速升高被熔化形成熔核，周圍金屬材料并 呈塑性狀態(tài)，斷電后，繼續(xù)保持或稍加大 壓力，封密在塑性材料中間的熔核在壓力 下凝固結(jié)晶，獲得組織致密的焊點。 焊第二點時，部分電流會流經(jīng)已焊好的焊 點，這種現(xiàn)象稱為分流現(xiàn)象，分流會使焊 接處電流變

17、小，影響焊接質(zhì)量，故兩焊點 間應(yīng)有一定距離，其大小與焊件材料及厚 度有關(guān)，導(dǎo)電性越強(qiáng)，厚度越大，分流起 嚴(yán)重，點距應(yīng)該越大。 點焊通常采用搭接接頭。 三、釬焊 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，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤 濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散 實現(xiàn)連接焊件的方法。 釬焊種類： 1、硬釬焊使用硬釬料（450C）進(jìn) 行的釬焊稱為硬釬焊。 釬料銅基、銀基、鋁基、等合金。 釬劑硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。 加熱方法火焰加熱，爐內(nèi)加熱 2、軟釬焊使用軟釬料（450C）進(jìn) 行的釬焊 釬料錫、鉛 釬劑松香、酒精溶液、氯化鋅溶液 加熱方法常用烙鐵

18、加熱 釬焊特點：加熱溫度低、焊件應(yīng)力、變形 小，同種異種金屬均可焊接。 第六節(jié) 常用金屬材料的焊接 一、金屬材料的焊接性能 金屬材料的焊接性能是指材料在限定的 施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計要求的 構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。 焊接性受材料、焊接方法、構(gòu)件類型及 使用要求四個因素影響。 焊接性的好壞主要從兩個方面衡量： 焊接工藝性的優(yōu)劣；焊接接頭在使用過 程中的可靠性。 （一）影響金屬材料焊接性的主要因素 1、材料因素； 2、工藝因素； 3、結(jié)構(gòu)因素； 4、工作環(huán)境、載荷性質(zhì)、工作溫度、 工作介質(zhì)等。 （二）焊接性的評定 金屬的焊接性可以通過估算或試驗的方法 來評定 1、用碳當(dāng)量法估算鋼材的

19、焊接性 碳當(dāng)量是把鋼中合金元素（包括碳）的含 量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量。 %100 1556 cuNVMCM CC iorn E CE越高，鋼材的焊接性越差。 CE0.4% 熱影響區(qū)淬硬及冷裂傾向不大， 焊接性優(yōu)良； CE=0.4-0.6%時，熱影響區(qū)的淬硬及冷裂 傾向逐漸增大，焊接性較差； CE0.6%時，熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向 嚴(yán)重，焊接性很差。 2、焊接性試驗 裂紋試驗 接頭力學(xué)性能試驗 接頭腐蝕性試驗 二、碳素鋼的焊接 1、低碳鋼的焊接 低碳鋼塑性好，一般沒有淬裂傾向， 對焊接熱過程不敏感，具有良好的焊 接性。 低碳鋼可以用各種焊接方法進(jìn)行焊 接。 2 2、中、高碳鋼、中、高碳鋼

20、 中、高碳鋼屬于淬火鋼，隨著 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其淬硬性 逐漸增強(qiáng)，焊接性明顯變差。 通常焊接中碳鋼的鑄件或鍛件， 焊接時一般從兩方面注意。 選用適當(dāng)?shù)暮笚l 采用一定的工藝措施 三、低合金鋼的焊接 1、低合金鋼焊接經(jīng)常出現(xiàn)的問題 （1）熱裂紋（其原因主要是銅、硼、氮等 元素形成裂紋的敏感元素） （2）冷裂紋（其原因是接頭的剛度大，造 成局部應(yīng)力大、或是冷卻過程中氫析出 后聚集） （3）白點在焊縫金屬拉斷面上，出現(xiàn) 的如魚目狀的一種白色圓形斑點。 2、低合金鋼的焊接工藝特點 應(yīng)根據(jù)等強(qiáng)度原則 四、不銹鋼的焊接 不銹鋼中應(yīng)用最為廣泛的是鉻鎳奧氏 體不銹鋼，其焊接性能良好，常采用 焊條電弧焊和鎢極

21、電弧焊。 五、鑄鐵的補(bǔ)焊 補(bǔ)焊為修補(bǔ)工件（鑄件、鍛件、機(jī)械加 工件或焊接結(jié)構(gòu)件）的缺陷而進(jìn)行的焊接稱 為補(bǔ)焊。 鑄鐵焊接時，極易形成白口組織和裂紋 1、避免白口和裂紋的措施 緩慢冷卻，調(diào)整熱循環(huán)，使碳元素可以 自由的游離出來 調(diào)整焊縫金屬的化學(xué)成分，加入促進(jìn)石 墨化的元素。 采取必要的工藝措施 2 2、補(bǔ)焊方法和補(bǔ)焊材料、補(bǔ)焊方法和補(bǔ)焊材料 （1）鑄鐵補(bǔ)焊方法：熱焊法 （ 5 0 0 - 7 0 0） 、 半 熱 焊 法 （400）、冷焊法（低于400 （2）鑄鐵的補(bǔ)焊材料 采用鑄鐵焊條：焊縫金屬為鑄鐵 組織的焊條、焊縫組織為非鑄鐵 組織的焊條 六、有色金屬的焊接 （一）銅及銅合金的焊接 1、

22、特點：導(dǎo)熱性強(qiáng)膨脹系數(shù)大液態(tài)時易 形成cu2o，結(jié)晶時和銅形成低熔點的共晶體液 態(tài)時吸氣性強(qiáng)電阻極小，故不適宜采用電阻焊。 2、銅及銅合金的焊接工藝 氣焊 焊條電弧焊 手工氬弧焊： 純銅用 HSCu焊絲 黃銅用 HSCuZn焊絲 白銅用 HSCuNi 或HSCuZnNi焊絲 （二）鋁及鋁合金的焊接 1、鋁及鋁合金的焊接特點 鋁的熱導(dǎo)率大 鋁的氧化性強(qiáng)(夾渣和氣孔） 鋁的熔點低 2、鋁及鋁合金的焊接工藝 氣焊適用于薄壁小件 手工氬弧焊采用反接極性對熔池表 面氧化膜產(chǎn)生“陰極破碎”作用，有利于 保護(hù)焊縫。 第七節(jié)第七節(jié) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇 原則，在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的條

23、件 下，盡量選擇焊接性能較好的材料， 同一構(gòu)件焊接時，盡量采用同種金屬， 異種金屬難焊接。 二、焊接方法的選擇 焊接方法選擇的主要依據(jù)是：綜合考 慮材料的焊接性，工件的結(jié)構(gòu)形式， 厚度及各種焊接方法的適用范圍。 三、焊接接頭設(shè)計 （一）焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用型材成沖壓件 （如圖（如圖3-443-44） 圖3-44 合理選材與減少焊縫 a)用四塊鋼板焊成b)用兩根槽鋼焊成c)用兩根鋼板彎曲 后焊成d)容器上的鑄鋼件法蘭 （二）合理布置焊縫 焊縫布置應(yīng)盡量分散（如圖（如圖3-453-45） 圖3-45 焊縫分散布置的設(shè)計 a)、b)、c)不合理d)、e)、f)合理 焊縫和位置應(yīng)盡量對稱布置（如圖（如圖3-463-46） 圖3-46 焊縫對稱布置的設(shè)計 a)、b)不合理c)、d)、e)合理 盡量減少構(gòu)件或焊接接頭部位的應(yīng)力集