材料的性能第八章課件

1、第八章 焊接成形 第一節(jié) 焊接成形基礎第二節(jié) 焊接方法第三節(jié) 焊接結構工藝設計第四節(jié) 焊接技術新發(fā)展 返回 焊接是利用加熱或加壓（或者加熱和加壓），使分離的兩部分金屬靠得足夠近，原子互相擴散，形成原子間的結合的連接方法。在機械制造、建筑、車輛、石油化工、原子能、航空航天等部門得到廣泛運用。焊接運用介紹 焊接的特點：優(yōu)點：1）連接性能好，密封性好，承壓能力高 ；2）省料，重量輕，成本低；3）加工裝配工序簡單，生產(chǎn)周期短 ；4）易于實現(xiàn)機械化和自動化。 缺點：1）焊接結構是不可拆卸的，要更換修理不便 ；2）焊接接頭的組織和性能往往要變壞；3）要產(chǎn)生焊接殘余應力和焊接變形； 4）會產(chǎn)生焊接缺陷，如裂

2、紋、未焊透、夾渣、氣孔等。 焊接方法可分為： 1）熔化焊：利用局部加熱的方法，把工件的焊接處加熱到熔化狀態(tài)，形成熔池，然后冷卻結晶，形成焊縫，將兩部分金屬連接稱為一個整體。2）壓力焊：用加熱和外加壓力的作用克服兩個構件表面的不平度，通過塑性變形擠走表面氧化膜及其他污染物，使兩個構件表面的原子相互接近到晶格距離，從而在固態(tài)條件下實現(xiàn)連接的方法。3）釬焊：利用熔點比母材低的填充金屬熔化后，填充接頭間隙并與固態(tài)的母材相互擴散實現(xiàn)連接的一種焊接方法。第一節(jié) 焊接成形基礎一、熔焊的冶金過程（一）焊接電弧 熔焊的焊接過程是利用熱源先把工件局部加熱到熔化狀態(tài)，形成熔池，然后隨著熱源向前移去，熔池液體金屬冷卻

3、結晶，形成焊縫。其焊接過程包括熱過程、冶金過程和結晶過程。根據(jù)熱源的不同可分為氣焊 、電弧焊、電渣焊、激光焊、電子束焊、等離子弧焊等，以下以電弧焊為例來分析。1、焊接電弧的產(chǎn)生 焊接電弧是在焊條與工件之間產(chǎn)生的強烈、持久又穩(wěn)定的氣體放電現(xiàn)象。焊接引弧時，焊條和工件瞬間接觸形成短路，強大的電流產(chǎn)生強烈電阻熱使接觸點熔化甚至蒸發(fā)，當焊條提起時，在電場作用下，熱的金屬發(fā)射大量電子，電子碰撞氣體使之電離，正、負離子和電子構成電弧。2、焊接電弧的結構 電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)三部分組成，如圖8-1所示。1）陰極區(qū)：電子發(fā)射區(qū)，熱量約占36%，平均溫度2400K；2）陽極區(qū)：受電子轟擊區(qū)域，熱量約占4

4、3%，平均溫度2600K；3）弧柱區(qū)：陰、陽兩極間區(qū)域，幾乎等于電弧長度，熱量21%，弧柱中心溫度可達6000-8000K。圖8-1 電弧結構（二）焊接冶金過程 焊接的冶金過程如圖8-2所示,母材、焊條受電弧高溫作用熔化形成金屬熔池，將進行熔化、氧化、還原、造渣、精煉及合金化等物理、化學過程。 金屬與氧的作用對焊接質量影響最大，氧與多種金屬發(fā)生氧化反應：圖8-2 焊條電弧焊過程圖8-2 焊條電弧焊過程 能溶解在液態(tài)金屬中的氧化物（如氧化亞鐵），冷凝時因溶解度下降而析出，嚴重影響焊縫質量，如圖8-3所示；而大部分金屬氧化物（如硅、錳化合物）不溶于液態(tài)金屬，可隨渣浮出，凈化熔池，提高焊縫質量。 氫

5、易溶入熔池，在焊縫中形成氣孔，或聚集在焊縫缺陷處造成氫脆。 其次空氣中的氮氣在高溫時大量溶于液體金屬，冷卻結晶時，氮溶解度下降，如圖8-4所示；析出的氮在焊縫中形成氣孔，部分還以針狀氮化物（Fe4N）形式析出；焊縫中含氮量提高，使焊縫的強度和硬度增加，塑性和韌性劇烈下降。 焊縫的冶金過程與一般冶金過程比較，具有以下特點：1）金屬熔池體積小，熔池處于液態(tài)時間短，冶金反應不充分；2）熔池溫度高，使金屬元素強烈的燒損和蒸發(fā)，冷卻速度快，易產(chǎn)生應力和變形，甚至開裂。 為保證焊縫質量，可從兩方面采取措施：1）減少有害元素進入熔池。主要采用機械保護，如焊條藥皮、埋弧焊焊劑、和氣體保護焊的保護氣體（CO2,

6、氬氣）等）。2）清除已進入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊條藥皮里加合金元素進行脫氧、去氫、去硫、滲合金等。 （三）焊接熱循環(huán) 焊接熱循環(huán)：在焊接加熱和冷卻過程中，焊接接頭上某點的溫度隨時間變化的過程如圖8-5所示。不同點，其熱循環(huán)是不同，即最高加熱溫度，加熱速度和冷卻速度均不同。對焊接質量起重要影響的參數(shù)有：最高加熱溫度、在過熱溫度1100以上停留時間和冷卻速度等。其特點是加熱和冷卻速度都很快。對易淬火鋼，焊后發(fā)生空冷淬火，對其他材料，易產(chǎn)生焊接變形、應力及裂紋。 圖8-5 焊接熱循環(huán)曲線 以低碳鋼為例，說明焊接過程造成金屬組織和性能的變化。如圖8-6所示，受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母

7、材組織或性能發(fā)生變化的區(qū)域，叫焊接熱影響區(qū)，熔化焊焊縫和母材的交界線叫熔合線，熔合線兩側有一個很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)，叫熔合區(qū)。焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。圖8-6 低碳鋼焊接接頭的組織變化(四）焊接接頭組織和性能1、焊縫區(qū) 焊接熱源向前移去后，熔池液體金屬迅速冷卻結晶，結晶從熔池底部未熔化的半個晶粒開始，垂直熔合線向熔池中心生長，呈柱狀樹枝晶，如圖8-7所示；結晶過程中將在最圖8-7 焊縫的柱狀樹枝晶后結晶部位產(chǎn)生成分偏析。同時焊縫組織是從液體金屬結晶的鑄態(tài)組織，晶粒粗大，成分偏析，組織不致密。但由于熔池小，冷卻快，化學成分控制嚴格，碳、硫、磷都較低，并含有一定合金元素，故

8、可使焊縫金屬的力學性能不低于母材。2、熔合區(qū)：化學成分不均勻，組織粗大，往往是粗大的過熱組織或粗大的淬硬組織，使強度下降，塑性、韌性極差，產(chǎn)生裂紋和脆性破壞，性能是焊接接頭中最差的。3、熱影響區(qū) ：熱影響區(qū)各點的最高加熱溫度不同，其組織變化也不相同。如圖8-6所示，熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)和再結晶區(qū)。 圖8-6 低碳鋼焊接接頭的組織變化1）過熱區(qū)：最高加熱溫度1100以上的區(qū)域，晶粒粗大，甚至產(chǎn)生過熱組織。塑性和韌性明顯下降，是熱影響區(qū)中機械性能最差的部位。2）正火區(qū)：最高加熱溫度從Ac3至1100的區(qū)域，焊后空冷得到晶粒較細小的正火組織，機械性能較好。3）部分相變區(qū)：最高加熱

9、溫度從Ac1至Ac3的區(qū)域，只有部分組織發(fā)生相變，晶粒不均勻，性能較差。 低碳鋼焊接接頭的組織、性能變化如圖8-8所示，熔合區(qū)和過熱區(qū)性能最差，熱影響區(qū)越小越好，其影響因素有焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式等。4、影響焊接接頭性能的因素 焊接接頭的力學性能決定于它的化學成分和組織。具體有：1）焊接材料，焊絲和焊劑都要影響焊縫的化學成分；2）焊接方法，一方面影響組織粗細，另一方面影響有害雜質含量；圖8-8 低碳鋼焊接接頭的性能分布3）焊接工藝，焊接時，為保證焊接質量而選定的物理量（如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等）的總稱，叫焊接工藝參數(shù)；線能量:指熔化焊時，焊接能源輸入給單位長度焊縫上的能量

10、。顯然焊接工藝參數(shù)，影響焊接接頭輸入能量的大小，影響焊接熱循環(huán)，從而影響熱影響區(qū)的大小和接頭組織粗細。4）焊后熱處理：如正火，能細化接頭組織，改善性能。5）接頭形式，工件厚度、施焊環(huán)境溫度和預熱等均會影響焊后冷卻速度，從而影響接頭的組織和性能。 二、金屬的焊接性能1、金屬焊接性的概念： 焊接性是金屬材料對焊接加工的適應性，主要指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。包括工藝焊接性，即在一定焊接工藝條件下，一定的金屬形成焊接缺陷的敏感性；使用焊接性，焊接接頭對使用要求的適應性，包括焊接接頭的力學及其他特殊性能。 焊接性能隨焊接方法、焊接材料和焊接工藝而變，不同條件下焊接性能有很大差

11、別。如鈦的手工電弧焊接性極差，但氬弧焊則好。2、金屬焊接性的間接評價方法 碳當量法：在粗略估計碳鋼和低合金結構鋼的焊接性能時，把鋼中的合金元素（包括碳）的含量按其對焊接性影響程度換算成碳的相當含量，其總和叫碳當量。其計算公式如下： 碳當量越高，焊接性越差。一般當CE0.6%時，冷裂傾向嚴重，焊接性差，需采用較高的預熱溫度和其他嚴格的工藝措施。 值得注意的是鋼材的焊接性還受結構剛度、焊后應力條件、環(huán)境溫度的影響；故應根據(jù)具體情況進行抗裂試驗及使用焊接性試驗。 三、焊接應力和變形1、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因 焊件在焊接過程中受到局部加熱和冷卻是產(chǎn)生焊接應力和變形的主要原因。圖8-9是低碳鋼平板對接

12、焊時產(chǎn)生應力和變形的示意圖。 平板焊接時，要產(chǎn)生熱脹冷縮；加熱時，如自由膨脹則如a）中虛線所示，但由于受到阻礙，產(chǎn)生同樣伸長；故高溫處產(chǎn)生壓應力，低溫處產(chǎn)生拉應力；兩者平衡。冷卻后，由于冷卻速度不同，高溫處冷卻慢，收縮大，同樣最后在高溫處產(chǎn)生拉應力，低溫處產(chǎn)生壓應力。圖8-9 平板對接焊的應力a) 焊接過程中b) 冷卻后 一般情況下，焊件塑性好，結構剛度小時，焊件收縮容易，焊件變形大，焊接應力??；反之焊接變形小，焊接應力大。焊接變形的基本形式如表8-1所示。 2、焊接應力與變形的危害焊接應力：1）增加結構工作時的應力，降低承載能力；2）引起焊接裂紋，甚至脆斷；3）促使產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。4）殘余

13、應力衰減會產(chǎn)生變形，引起形狀、尺寸不穩(wěn)定。 焊接變形：1）使工件形狀尺寸不合要求；2）影響組裝質量；3）矯正焊接變形很費工時，增加成本，降低接頭塑性；4）使結構形狀發(fā)生變化，并產(chǎn)生附加應力，降低承載能力。 3、焊接應力和變形的防止焊接應力的防止及消除措施1）結構設計要避免焊縫密集交叉，焊縫截面和長度要盡可能?。?2）采取合理的焊接順序，使焊縫較自由的收縮；如圖8-10所示；3）焊縫仍處在較高溫度時，錘擊或輾壓焊縫使金屬伸長，減少殘余應力；4）采用小線能量焊接，多層焊，減少殘余應力；5）焊前預熱可減少工件溫差，減少殘余應力；6）焊后進行去應力退火，消除焊接殘余應力。 焊接變形的防止和消除措施1）

14、結構設計要避免焊縫密集交叉，焊縫截面和長度要盡可能小，與防止應力一樣也是減少變形的有效措施；2）焊前組裝時，采用反變形法 ，如圖8-11，8-12，8-13所示；3）剛性固定法，但會產(chǎn)生較大的殘余應力，如圖8-14所示；4）采用合理的焊接規(guī)范；5）選用合理的焊接順序，如圖8-10的對稱焊，圖8-15的分段退焊。6）采用機械或火焰矯正發(fā)來減少變形。如圖8-16，8-17所示。 四、焊接缺陷 由于焊接產(chǎn)生的焊接接頭不完好的現(xiàn)象叫焊接缺陷，主要有焊接裂紋，未焊透，未熔合、夾渣，氣孔，咬邊，焊瘤等。1、焊接缺陷的危害 1）產(chǎn)生應力集中，增加焊接結構工作時的應力，降低承載能力；2）引起裂紋，縮短使用壽命

15、；3）造成脆斷。2、焊接裂紋：一是熱裂紋，指在固相線附近的高溫產(chǎn)生的裂紋；二是冷裂紋，對鋼指在馬氏體開始轉變溫度以下產(chǎn)生的裂紋。 1）熱裂紋：經(jīng)常發(fā)生在焊縫區(qū)，在結晶過程中產(chǎn)生的叫結晶裂紋；在熱影響區(qū)的過熱區(qū)，晶間低熔點雜質發(fā)生熔化，產(chǎn)生液化裂紋。其特征都是沿晶間開裂，有氧化色。 產(chǎn)生原因有：a)晶間存在液態(tài)間層即硫磷低熔點共晶，焊縫結晶時，低熔點雜質偏析；b)存在焊接拉應力，將晶界液態(tài)間層拉裂。 防止措施：a）限制鋼材和焊條、焊劑的低熔點雜質，如硫磷含量；b）控制焊接規(guī)范，適當提高焊縫成形系數(shù)；c）調(diào)整焊縫化學成分，加錳可避免低熔點共晶，縮小結晶溫度范圍，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，提高塑性

16、，減少偏析；d）采用能減少焊接應力的工藝措施；e）操作上填滿弧坑。2、冷裂紋：在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)均可能產(chǎn)生。冷裂紋的形態(tài)有：焊道下裂紋、焊趾裂紋、焊根裂紋，如圖8-18所示 ；其特點是無分支，為穿晶型，無氧化色。 圖8-18 焊接冷裂紋a焊道下裂紋 b焊趾裂紋c焊根裂紋產(chǎn)生原因：a)焊接接頭存在淬硬組織，接頭性能脆化；b）擴散氫的含量較多，使接頭性能脆化，并造成很大的局部壓力。c）存在較大的焊接拉伸應力。防止措施：a）選用堿性焊條，減少氫含量，提高焊縫金屬塑性； b）焊條和焊劑使用前嚴格烘干，去除水分，減少擴散氫含量；c）清除焊絲和坡口及兩側母材的銹、油、水，減少氫來源；d）焊前預熱，焊后緩冷

17、；e）采用合理的焊接順序和工藝措施，減少焊接應力；f)焊后立即進行消氫處理。g）焊后進行熱處理，消除殘余應力。 3、氣孔：在熔池液體金屬冷卻結晶時，產(chǎn)生氣體，氣體來不及逸出熔池表面而形成。焊接氣孔有：氫氣孔，一氧化碳氣孔，氮氣孔。防止措施：1）焊條焊劑烘干；2）清除焊絲和坡口及兩側母材的銹、油、水；3)采用短弧焊，注意操作技術，控制焊接速度。其它缺陷大多是由于焊接規(guī)范不當，操作不良。 4、焊接缺陷的檢查： 焊接缺陷按發(fā)生部位可分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷。 對表面缺陷：一般用眼睛或低倍放大鏡進行檢查，對表面微裂紋，用著色檢驗或磁粉探傷。1）著色檢驗：是一種滲透探傷法，使用噴罐式氣霧劑，先用清洗氣霧劑

18、清洗，再用滲透氣霧劑（紅色）滲透，再清洗，最后用顯像氣霧劑（白色）顯示。2）磁粉探傷：原理是利用外加磁場在焊件上產(chǎn)生的磁力線，遇有裂紋等缺陷時，會彎曲跑出焊件表面，形成漏磁場，產(chǎn)生極性，吸附磁粉，顯示裂紋等缺陷的形貌、部位和尺寸；如圖8-19所示。 對內(nèi)部缺陷：有射線探傷和超聲波探傷。3）射線探傷：有X-射線，-射線和高能射線；其原理是利用射線經(jīng)過裂紋等缺陷時，衰減較小，在底片感光較強，而顯示出缺陷的形狀、尺寸和位置。如圖8-20，8-21所示。4）超聲波探傷：其原理是向焊接接頭發(fā)出定向的超聲波，遇有缺陷時，在超聲波到達接頭底面之前，就返回接受器，在熒光屏上顯示出脈沖波形，從而判斷缺陷的位置和

19、大小，但不能判斷那種缺陷。如圖8-22所示。 思考題1、焊接接頭組織包括那幾個部分，低碳鋼焊接接頭各部分的性能如何？2、解釋下列名詞：焊接熱循環(huán)、金屬的焊接性、碳當量。3、焊接應力、變形和缺陷有哪些危害，產(chǎn)生原因是什么？第二節(jié) 焊接方法 焊接方法種類很多，按照焊接過程的物理特點可分為熔化焊、壓力焊和釬焊三類。常用焊接方法有: 熔化焊 堆焊與噴涂 高能焊 電渣焊 電弧焊 氣焊 激光焊 電子束焊 等離子弧焊 氣體保護焊 埋弧自動焊 焊條電弧焊 壓力焊 摩擦焊 擴散焊 電阻焊 超聲波焊 爆炸焊 對焊 點焊 縫焊 釬焊 真空釬焊 感應釬焊 爐中釬焊 電阻釬焊 鹽浴釬焊 火焰釬焊 烙鐵釬焊一、熔化焊（一

20、）焊條電弧焊 焊條電弧焊是利用電弧作為熱源，手工操縱焊條進行焊接的方法，又稱手工電弧焊。其連接方式有正接和反接兩種，如圖8-23所示。手工電弧焊的特點：1）設備簡單、操作靈活；2）可焊接多種金屬材料；3）室內(nèi)、外焊接效果相近；4）對焊工操作水平較高，生產(chǎn)率較低。（二）埋弧自動焊 埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，其電弧的引燃、焊條送進和電弧移動都采用機械來完成。1、埋弧焊設備：由焊接電源、焊車、控制箱三部分組成，焊車由送絲機頭、行走小車、控制盤、焊絲盤和焊劑漏斗等組成。 2、埋弧焊的焊接過程及工藝 埋弧焊焊接過程如圖8-24所示；埋弧焊焊縫形成過程如圖8-25所示；埋弧焊焊絲從導電嘴深

21、處長度較短，故可采用大電流焊接，比手工電弧焊高4倍；故適宜焊接較厚材料；也可焊接大直徑筒體，如圖8-26所示。生產(chǎn)過程3、埋弧焊特點及應用埋弧焊與手工電弧焊相比，具有如下優(yōu)點：1）生產(chǎn)率高、熱效率高（可達95%）、節(jié)省焊接材料，成本低 ；2）焊接質量好；3）勞動條件好。缺點：1）適應性較差 ，焊前準備工作量大，只適合俯位焊；2）焊接電流強度大，不適于3mm以下薄板；3）難以完成鋁、鈦等強氧化性金屬及合金的焊接；4）設備一次性投資較大。適于成批生產(chǎn)中、厚板結構的長直縫與直徑較大的環(huán)縫。 氣體保護焊是用外加氣體作為電弧介質并保護電弧區(qū)的熔滴和熔池及焊縫的電弧焊。常用保護氣體有惰性氣體（氬氣、氦氣和

22、混合氣體）和活性氣體（二氧化碳氣）兩種，分別成為惰性氣體保護焊和CO2焊。（三）氣體保護電弧焊1、惰性氣體保護焊（1）保護氣體和電極材料 保護氣體有氬氣（Ar）和氦氣（He），或其混合氣體，分別稱為氬弧焊和氦弧焊，混合氣體保護焊。 氬弧焊分為鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊；如圖8-27所示。 鎢極氬弧焊的電極材料可用純鎢或鎢合金，一般采用鈰鎢極；其在焊接過程中不熔化，故需采用焊絲；焊接電流較小，適于薄板焊接。 熔化極氬弧焊采用焊絲作為電極，可使用大電流，適于中厚板焊接。 氬弧焊設備由送絲系統(tǒng)、主電路系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、焊槍等組成。如圖8-28所示。（2）電源種類和極性 鎢極氬弧焊一般

23、采用直流正接，以減少鎢極燒損，但焊接鋁、鎂金屬時，為去除氧化物而利用“陰極破碎”可采用直流反接。 生產(chǎn)過程（3）惰性氣體保護焊的特點及應用1）可焊化學性質活潑的非鐵金屬及其合金或特殊性能鋼；2）電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺小，表面無熔渣，焊縫成形美觀，質量好。3）電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，焊縫周圍氣流冷卻，熱影響區(qū)小，焊后變形小，適于薄板焊接；4）電弧為明弧可見，操作方便，易于自動控制焊縫。5）氬氣、氦氣價格較貴，焊件成本高。 適于焊接鋁、鎂、鈦及其合金，稀有金屬鋯、鉬，不銹鋼，耐熱鋼、低合金鋼等。 2、CO2氣體保護焊 CO2焊采用CO2為保護氣體，其焊接過程如圖8-29所示。 CO2在高溫下會

24、分解氧化金屬，故不能焊接易氧化的非鐵金屬和不銹鋼；需采用能脫氧和滲合金的特殊焊絲。 可分為自動焊和半自動焊（送絲自動，電弧移動手工）。其設備包括：主電路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、焊槍、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。普通CO2氣體保護焊CO2焊的特點是：1）生產(chǎn)率高；電流大，易于自動化，無渣殼。2）成本低；無需涂料焊條和焊劑， CO2價廉；3）焊縫質量較好；4）采用氣體保護，能全位置焊接，易于自動控制 ；5）焊縫成形差，飛濺大 ；6）不能焊接易氧化的非鐵金屬和不銹鋼；7）設備較復雜，使用和維修不便。 適于焊接低碳鋼和強度級別不高的普通低合金結構鋼。 （四）電渣焊 電渣焊是利用電流通過熔渣產(chǎn)生的熔渣電阻熱加熱熔化母材

25、與電極（填充金屬）的一種焊接方法。按電極形狀可分為絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊和熔管電渣焊。 絲極電渣焊過程如圖8-30所示。焊接過程為先引弧，形成渣池，電弧過程變?yōu)殡娫^程，熔化金屬凝固成形。電渣焊的特點:1）可一次焊成很厚的焊縫；2）生產(chǎn)率高，焊接材料消耗少，不需開破口；3）焊縫金屬較純凈，渣池覆蓋住熔池，保護良好，有利于氣體和雜質浮出。4）接頭金屬在高溫下停留時間長，過熱區(qū)大，接頭金屬組織粗大，焊后應進行正火處理。 電渣焊主要用于厚壁壓力容器和鑄焊、鍛焊、厚板拼焊等大型構件的制造，厚度應大于40mm的碳鋼、合金鋼和不銹鋼等。（五）高能焊 高能焊是利用高能量密度的束流，如等離子弧、電

26、子束、激光束等作為焊接熱源的熔焊方法。 1、等離子弧焊和切割1）等離子弧的產(chǎn)生：等離子弧是一種電離度很高的壓縮電弧；溫度高，能量密度大；其發(fā)生裝置如圖8-31所示，在三個壓縮作用下形成等離子弧：1）機械壓縮效應；2）熱壓縮效應；3）電磁壓縮效應。溫度可達24000K50000K。2）等離子切割：它利用能量密度高的高溫高速的等離子流，將切割金屬局部熔化并隨即吹除，形成整齊的切口。常用于切割不銹鋼、鋁、銅、鈦、鑄鐵及鎢、鋯等難熔金屬和非金屬材料。 3）等離子弧焊接：需用等離子弧焊電源和等離子焊槍及填充金屬。分為 大電流等離子弧焊；又可分為穿孔型等離子弧焊和熔入型等離子弧焊； 微束等離子弧焊。其特點

27、有： 有小孔效應，能較好實現(xiàn)單面焊雙面自由成形； 微束等離子弧焊可焊接箔材和薄板。 能量集中，熱影響區(qū)小，焊接質量好，生產(chǎn)率高。 用于航空航天等軍工和尖端工業(yè)技術的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鉬等金屬的焊接。 2、電子束焊 電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生的熱能進行焊接的方法。電子束產(chǎn)生原理如圖8-32所示。設備如圖8-32A電子束焊不需要加焊絲；電子束焊可分為1）真空電子束焊，把工件放在真空室內(nèi)，利用在真空室內(nèi)產(chǎn)生的電子束經(jīng)聚焦和加速，撞擊工件后動能轉化為熱能的一種熔化焊；需嚴格除銹和清洗。2）低真空電子束焊，使電子束通過隔離閥及氣阻孔道進入焊接

28、工作室，工作室的真空度保持在113Pa；3）非真空電子束焊，將真空條件下形成的電子束流經(jīng)過充氦的氣室，然后與氦氣一起進入大氣的環(huán)境中施焊。電子束焊的特點1）保護效果極佳，焊接質量好 ；2）能量密度大 ；106-108W/cm2,3）焊接變形??；4）焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，適應性強 ；5）設備復雜，造價高，焊件尺寸受真空室限制。 用于原子能、航空航天等軍工尖端技術部門的特殊材料和結構的焊接；也用于大批量生產(chǎn)和流水線生產(chǎn)，如齒輪組合件、軸承等。 3、激光焊與切割 1）激光焊接：是利用聚焦后的激光束的高能量密度（1013W/cm2)，來對工件進行焊接。分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接。激光焊設備的結構

29、框圖如圖8-33所示。2）激光焊的特點 能量密度大，適合于高速加工，能避免熱損傷和焊接變形； 靈活性比較大； 激光輻射放出能量極其迅速，不僅焊接生產(chǎn)率高，而且被焊材料不易氧化，可以在大氣中焊接，不需真空環(huán)境或氣體保護。 但裝置復雜，效率較低。 常用于精密零件、熱敏感性材料，異種金屬異種材料的焊接。 3）激光切割： 利用聚焦后的激光束使工件材料瞬間氣化而形成割縫；可切割各種金屬和非金屬材料。根據(jù)切割機理可分為： 激光蒸發(fā)切割；適于極薄材料； 激光熔化吹氣（氬、氦、氮等）切割，適于非金屬材料； 激光反應氣體（純氧，壓縮空氣）切割，適于金屬材料。 4）激光切割的優(yōu)點：1）切割質量好，效率高；2）切割

30、速度快；3）切割成本低。4、堆焊與噴涂1）堆焊：為增大或恢復焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進行的焊接。有振動電弧堆焊、等離子弧堆焊、氣體保護堆焊和電渣堆焊等。2）堆焊加工的特點與應用 采用堆焊修復已失去精度或表面破損的零件，可節(jié)省材料、費用、工時，延長零件使用壽命； 堆焊層的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐熱、耐蝕等性能，發(fā)揮材料的綜合性能和工作潛力； 具有明顯的異種金屬焊接特點，對焊接工藝及其參數(shù)要求較高。 應用于機械產(chǎn)品的制造和維修，在冶金機械、重型機械、汽車、動力機械、石油化工設備等領域有廣泛應用。3）噴涂： 將金屬粉末或其他物質熔化，并用壓縮空氣將其以霧狀噴射到被加工

31、工件的表面上，形成覆蓋層的工藝方法。使材料表面具備防腐、導電、耐蝕、耐熱、外形美觀。 熱噴涂原理如圖8-34所示，熱源可采用氧乙炔、電弧、等離子弧、電子束、激光束等；噴涂材料可用低熔點金屬和高熔點金屬以及各種合金，金屬氧化物、碳化物、非金屬陶瓷、塑料等。 常用噴涂方法有氧乙炔焰噴涂、氫氧焰噴涂、等離子弧噴涂等。4）噴涂特點 加熱溫度較低，工件表面溫升較小，對工件組織和性能影響?。?可噴涂加工的對象廣泛，金屬和大部分非金屬均可； 操作工藝過程簡單，零件大小不受限制。二、壓力焊 壓力焊是指在加熱或不加熱狀態(tài)下對組合焊件加壓，使其產(chǎn)生塑性變形，并通過再結晶和擴散等作用，使兩個分離表面的原子達到形成金

32、屬鍵而連接的焊接方法。常用的有電阻焊和摩擦焊。 （一）電阻焊 電阻焊是利用電流通過焊接接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，把焊件加熱到塑性或局部熔化狀態(tài)，再在電極壓力作用下形成接頭的一種焊接方法 。可分為點焊、縫焊、對焊。 1、點焊 點焊：利用電流通過兩圓柱形電極和搭接的兩焊件產(chǎn)生電阻熱，將焊件加熱并局部熔化，形成一個熔核（其周圍為塑性狀態(tài)），然后在壓力下熔核結晶，形成一個焊點的焊接方法。如圖8-35所示，點焊的接頭形式如圖8-36所示，均為搭接接頭，焊接前應清理。 點焊的工作循環(huán)有如圖8-37所示的兩種方式。電焊的主要焊接參數(shù)是電極壓力、焊接電流和通電時間；壓力過大、電流過小，會使熱量少，焊

33、點強度下降；壓力過小、電流大會使熱量大而不穩(wěn)定，易飛濺，燒穿。 點焊時會發(fā)生點焊分流現(xiàn)象，如圖8-38所示，故焊點間距不宜過小。 點焊生產(chǎn)過程示例2、縫焊： 縫焊與點焊同屬于搭接電阻焊，焊接過程與點焊相似，采用滾盤作電極，邊焊邊滾，相鄰兩個焊點重疊一部分，形成一條有密封性的焊縫。焊接原理如圖8-39所示。焊接接頭形式如圖8-40所示。焊接分流現(xiàn)象較嚴重，故同等條件下焊接電流較大。主要用于有密封性要求的薄板件。 縫焊生產(chǎn)汽車油箱 滾焊過程 3、對焊 對焊是利用電阻熱將焊件斷面對接焊合的一種電阻焊，可分為電阻對焊和閃光對焊。如圖8-41所示；對焊的應用可見圖8-42所示。 1）電阻對焊：先加預壓，

34、使兩端面壓緊，再通電加熱，使待焊處達到塑性溫度后，再斷電加壓頂鍛，產(chǎn)生一定塑性變形而焊合。其工作過程如圖8-43所示。適于截面簡單，直徑小于20mm和強度要求不高的桿件。2）閃光對焊：兩焊件不接觸，先加電壓，再移動焊件使之接觸，由于接觸點少，其電流密度很大，接觸點金屬迅速達到熔化、蒸發(fā)、爆破，呈高溫顆粒飛射出來，稱為閃光；經(jīng)多次閃光加熱后，端面均勻達到半熔化狀態(tài)，同時多次閃光把端面的氧化物也清除干凈，于是斷電加壓頂鍛，形成焊接接頭，其工作過程如圖8-44所示。 對焊斷面形狀應相近，以保證斷面均勻加熱。常見對焊接頭形式如圖8-45所示；其焊接質量較高，常用于重要零件焊接。 閃光對焊生產(chǎn)示例4、電

35、阻焊特點及應用1）加熱迅速，溫度較低，焊接熱影響區(qū)及變形小，易獲得優(yōu)質接頭；2）不需外加填充金屬和焊劑；3）電阻對焊無弧光，噪聲小，煙塵、有害氣體少，勞動條件好；4）焊件結構簡單、重量輕、氣密性好，易于獲得形狀復雜的零件；5）易實現(xiàn)機械化、自動化，生產(chǎn)率高。6）焊接接頭質量不穩(wěn)定；7）焊機復雜，造價較高； 點焊適于低碳鋼、不銹鋼、銅合金、鋁鎂合金，厚度4mm以下的薄板沖壓結構及鋼筋的焊接?？p焊適于板厚3mm以下，焊縫規(guī)則的密封結構的焊接；對焊主要用于制造封閉形零件，軋制材料接長、異種材料制造的焊接。 摩擦焊是利用工件金屬焊接表面相互摩擦產(chǎn)生的熱量，將金屬局部加熱到塑性狀態(tài)，然后在壓力下完成焊接

36、的一種熱壓焊接方法。 （二）摩擦焊1、摩擦焊的工藝過程： 摩擦焊過程如圖8-46所示，分為連續(xù)驅動式和儲能式。2、摩擦焊接頭形式：接頭一般是等斷面，也可為不等斷面，但其中必須一個為圓形。如圖8-47所示。摩擦焊生產(chǎn)過程示例3、摩擦焊的特點及應用1）接頭質量好且穩(wěn)定；2）生產(chǎn)率高、成本低；3）適用范圍廣；4）生產(chǎn)條件好。摩擦焊用于圓形工件、棒料管子的對接。三、釬焊 釬焊是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)釬料濕潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接的焊接方法。釬焊按釬料熔點可分為軟釬焊、硬釬焊。釬劑能除去氧化膜和油污等雜質，保護母

37、材接觸面和釬料不受氧化，并增加釬料濕潤性和毛細流動性。 1、軟釬焊：釬料熔點在4500C以下的釬焊；常用錫鉛釬料，松香、氯化鋅溶液作釬劑。其接頭強度低，工作溫度低，具較好的焊接工藝性。用于電子線路的焊接。 錫焊生產(chǎn)2、硬釬焊：釬料熔點在4500C以上的釬焊；常用銅基和銀基釬料；硼砂、硼酸、氯化物、氟化物組成釬劑。接頭強度較高，工作溫度也高，用于機械零、部件的焊接。 釬焊焊接硬質合金刀具3、釬焊接頭及加熱方式： 釬焊的接頭形式有板料搭接、套件鑲接等，如圖8-48所示。 釬焊的加熱方式有：火焰加熱、電阻加熱、感應加熱、爐內(nèi)加熱、鹽浴加熱和烙鐵加熱。4、釬焊特點及應用1）采用低熔點的釬料作為填充金屬

38、，釬料熔化，母材不熔化；2）工件加熱溫度較低，接頭組織、性能變化小，焊件變形小，接頭光滑平整，焊件尺寸精確；3）可焊接異種金屬，焊件厚度不受限制；4）生產(chǎn)率高，可整體加熱，一次焊成整個結構的全部焊縫，易于實現(xiàn)機械化自動化。 5）釬焊設備簡單，生產(chǎn)投資費用少。 釬焊主要用于焊接精密、微型、復雜、多焊縫、異種材料的焊接。思考題1、埋弧自動焊和手工電弧相比有何特點，應用范圍怎樣？2、試簡要介紹電阻焊中的點焊、縫焊和對焊？3、釬焊和熔焊比有何根本區(qū)別？釬劑有何作用？第三節(jié) 焊接結構工藝設計 焊接工藝設計是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)性質和技術要求，結合生產(chǎn)實際條件，運用現(xiàn)代焊接技術知識和先進生產(chǎn)經(jīng)驗，確定焊接生產(chǎn)方

39、法和程序的過程。 焊接工藝設計的主要內(nèi)容是根據(jù)焊接結構工作時的負荷大小和種類、工作環(huán)境、工作溫度等使用要求，合理選擇結構材料、焊接材料和焊接方法，正確設計焊接接頭、制定工藝和焊接技術條件等。 焊接結構的主要生產(chǎn)工藝過程為： 備料裝配焊接焊接變形矯正質量檢驗表面處理。一、焊接材料 不同焊接方法，焊接材料不同，這里主要介紹焊條電弧焊和埋弧焊的焊接材料。（一）焊條電弧焊焊接材料1、焊條的組成的作用：焊條由焊芯和藥皮組成。1）焊芯：一方面作電極，起導電作用，產(chǎn)生電弧，提供焊接熱源；另一方面作為填充金屬，與熔化的母材共同組成焊縫金屬；焊芯采用焊接專用金屬絲。如H08C等。2）藥皮：焊條藥皮的主要作用有：

40、改善焊接工藝性；機械保護作用；冶金處理作用。焊條藥皮的組成物按其作用分有：穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、粘結劑、稀渣劑、增塑劑等。其原料和作用如表8-2所示。2、焊條的種類、型號、牌號1）焊條的種類 按用途分有：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、鑄鐵焊條、堆焊焊條、鎳和鎳合金焊條、銅合銅合金焊條、鋁和鋁合金焊條等。 按藥皮性質分：酸性焊條（酸性氧化物為主），堿性焊條（堿性氧化物和螢石CaF2為主）。 2）焊條型號：是國家標準中的焊條代號。如E4303，E表示焊條，43表示熔敷金屬抗拉強度最小值kgf/mm2；03表示焊接位置為全位置、電流種類為交直流及藥皮類型為鈦鐵礦型 。3）焊條

41、牌號：是焊條行業(yè)統(tǒng)一的焊條代號，用一個大寫漢語拼音字母和三個數(shù)字表示；如J422，J表示結構鋼焊條，42表示焊縫金屬抗拉強度等級kgf/mm2，2表示藥皮類型和電流種類。 4）堿性焊條和酸性焊條特性 兩者性能差別很大，使用時不能隨意互換。堿性焊條的特點有：機械性能好；工藝性能差；焊縫金屬抗裂性好；對銹、油、水的敏感性大，易出氣孔；有毒煙塵多。用于重要的結構鋼或合金鋼結構。酸性焊條機械性能較差，但工藝性能好；用于一般結構鋼。 3、焊條的選用：1）等強度原則；2）同成分原則；3）抗裂性要求；4）抗氣孔要求；5）低成本要求。焊條及焊條選擇（二）埋弧焊焊接材料 埋弧焊的焊接材料有焊絲和焊劑； 焊絲除作

42、電極和填充金屬外，還有滲合金、脫氧、去硫等冶金作用。 焊劑分為熔煉焊劑和非熔煉焊劑，前者主要起保護作用，后者還起滲合金、脫氧、去硫等冶金作用。使用前均需烘干。二、焊件材料（一）常用金屬材料的焊接性能1、碳素結構鋼和低合金結構鋼的焊接性能1）低碳鋼：焊接性能優(yōu)良，可采用任何一種焊接方法。2）中碳鋼：隨含炭量增加，焊接性能中等；焊縫易產(chǎn)生熱裂，熱影響區(qū)易產(chǎn)生脆硬組織甚至冷裂。常采用手工電弧焊和氣焊，須適當預熱。3）高碳鋼：焊接性能差，采用焊條電弧焊對其補焊；應預熱。4）低合金結構鋼：強度級別低的焊接性好，強度級別較高的焊接性較差。常用手工電弧焊和埋弧焊。2、鑄鐵的焊接性能：焊接性能差。1）焊接接頭

43、易產(chǎn)生白口和脆硬組織。2）裂紋傾向大。3）焊縫中易產(chǎn)生氣孔和夾渣。 鑄鐵不宜作焊接結構材料，只進行修復性補焊。可采用熱焊（4000C以上）和冷焊。焊接方法可采用電弧焊和氣焊。3、常用有色金屬及其合金的焊接性能（1）銅及銅合金 ：焊接性能比低碳鋼差。1）易產(chǎn)生焊不透現(xiàn)象；導熱性好，熱容量大。2）焊接應力或變形大；線膨脹系數(shù)大，凝固收縮率大。3）易生成氫氣孔；4）銅在高溫易氧化，引起熱裂紋。5）銅合金中的合金元素易氧化和蒸發(fā)，降低焊縫力學性能，易產(chǎn)生熱裂、氣孔和夾渣。 常采用氬弧焊、氣焊和釬焊，焊前預熱，焊后熱處理?？刹扇∪缦麓胧?）嚴格控制母材和填充金屬的有害成分，可采用脫氧銅。2）清除焊件、

44、焊絲等表面上的油、銹和水分，減少氫的來源。3）焊前預熱，焊后再結晶退火。（2）鋁及鋁合金：焊接特點如下：1）極易氧化，應清除氧化物，采用氬氣保護；2）容易形成氣孔；3）容易產(chǎn)生熱裂紋；4）易產(chǎn)生焊縫塌陷，須采用墊板。 常采用氬弧焊和氣焊。（3）鈦及鈦合金：1）焊接時易吸收氣體使接頭變脆。2）易產(chǎn)生裂紋。 常采用氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊、點焊。 常用金屬材料的焊接性能比較如表8-3所示。（二）焊件材料的選擇 焊接結構在選材時，總的原則是在滿足使用性能的前提下，選用焊接性好的材料。如低碳鋼和低合金鋼；對不同部位選用不同材料時，要考慮其焊接性的差異，對焊接性較差的材料可采用預熱和焊后熱處理。

45、并盡量采用型材。三、焊接接頭工藝（一）焊縫形式 焊縫形式由焊接接頭的形式而定，根據(jù)焊縫的截面形狀可分為：對接焊縫、角焊縫和塞焊縫等。（二）焊縫的布置 焊縫布置影響結構件的焊接質量和生產(chǎn)率，應考慮下列原則：1、焊縫應盡量處于平焊位置，立焊、橫焊次之，仰焊最差；2、焊縫要布置在便于施焊的位置。如圖8-49，圖8-50, 圖8-51所示。3、焊縫布置要有利于減少焊接應力與變形。1）盡量減少焊縫數(shù)量及長度，縮小不必要的焊縫截面尺寸。如圖8-52所示。2）焊縫布置應避免密集或交叉。如圖8-53所示。3）焊縫布置應盡量對稱；如圖8-54所示。4）焊縫布置應盡量避開最大應力位置或應力集中位置。如圖8-55所

46、示。5）焊縫布置應避開機械加工表面。如圖8-56所示。（三）焊接接頭設計 焊接接頭設計包括焊接接頭形式設計和坡口形式設計。1、焊接接頭形式設計 常用的基本接頭型式有對接接頭、蓋板接頭、搭接接頭、角接接頭、T形接頭、十字接頭和卷邊接頭等。如圖8-57所示。其選擇應根據(jù)結構的形狀和焊接生產(chǎn)工藝而定，要考慮易于保證焊接質量和盡量降低成本。 對于釬焊，電阻焊的點焊和縫焊采用搭接；對焊采用對接；熔化焊可采用對接、搭接，角接和T形接對比選擇；壓力容器一般采用對接，桁架結構一般采用搭接。對于氣焊和鎢極氬弧焊可采用卷邊接頭。 2、焊接接頭破口形式設計 開坡口的目的是為了使接頭根部焊透，使焊縫成形美觀，通過控制

47、坡口大小調(diào)節(jié)母材金屬和填充金屬的比例。加工方法有氣割、切削加工、碳弧氣刨等。坡口形式主要取決于板料厚度。1）對接接頭坡口形式設計 對接接頭的基本坡口形式有I形坡口、Y形坡口、雙Y形坡口、U形坡口等，如圖8-58所示。同樣板厚條件下：雙Y形坡口比V形坡口所需金屬少，焊接工時也少，焊接變形也??；U形坡口也比V形坡口省焊條，省工時，焊接變形也小。 2）角接接頭坡口形式設計 角接接頭基本坡口形式有I形坡口、錯變I形坡口、Y形坡口、V形坡口等，如圖8-59所示。3）T型接頭坡口形式設計 T型接頭基本坡口形式有I形坡口、V形坡口等，如圖8-60所示。4）對不同厚度的板材，接頭兩側板厚截面應盡量相同或相近，

48、如圖8-61所示。四、焊接方法的選擇 選擇焊接方法時應根據(jù)下列原則：1）焊接接頭使用性能及質量要符合結構技術要求。2）提高生產(chǎn)率，降低成本。 表8-4為常見焊接方法比較表，可供選擇時參考。五、焊接參數(shù)選擇 焊接時，為保證焊接質量而選定的諸物理量（如焊條直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等）的總稱，叫焊接工藝參數(shù) 。1、焊條直徑和焊接電流選擇 焊條直徑根據(jù)焊件厚度選擇，較薄選較細。焊接電流一般按I=（3060）d選取。并根據(jù)焊件厚度、接頭形式、焊接位置、焊條種類，通過試焊調(diào)整。2、焊接速度：根據(jù)焊縫形式確定，不宜過快，也不宜過慢。3、弧長：焊接電弧的長度，一般采用短弧操作。六、焊接實例例題 如圖8-62的低壓貯氣罐，壁厚8mm，壓力1.0MPa，常溫工作，壓縮空氣，大批量生產(chǎn)。圖8-62 低壓貯氣罐設計圖1、結構分析：筒體由筒節(jié)、封頭焊合；整個結構由筒體再加四個法蘭管座焊合成。如圖8-63所示。2、選擇母材材料：封頭需拉伸，筒節(jié)卷圓