武漢理工大學(xué),金屬工藝學(xué)第13章 焊接工藝基礎(chǔ)

板料沖壓的基本工序可分為分離工序和變形工序兩大類。

上次課內(nèi)容回顧

落料和沖孔沖裁變形和分離過程可分彈性變形、塑性變形、斷裂分離三個(gè)階段。板料分離后所形成的斷口區(qū)域包括:圓角、光亮帶、斷裂帶和毛刺等4部分。

沖裁件斷面質(zhì)量的優(yōu)劣、與沖模間隙、刃口鋒利程度和材料排樣方式密切相關(guān)。

凸凹模刃口尺寸的確定原則變形工序：彎曲和拉深拉深缺陷及預(yù)防措施第四篇焊接

材料連接方法有螺紋連接、銷釘連接、鉚接及焊接等多種。螺紋連接（機(jī)械）鉚接（機(jī)械）粘接（物化連接）焊接（冶金連接）第13章焊接工藝基礎(chǔ)13.1概述113.2焊接工藝基礎(chǔ)213.3焊接接頭組織與性能3本章主要內(nèi)容3、掌握防止和消除焊接變形的常用方法。本章重點(diǎn)1、較深刻地理解焊接工藝的基本理論；2、對(duì)焊接接頭的組織與性能、焊接應(yīng)力與變形的形成過程有清楚的認(rèn)識(shí)；13.4焊接應(yīng)力與變形413.1概述焊接：是通過加熱或加壓，或者兩者并用，并且用(或不用)填充材料，使焊接件達(dá)到原子結(jié)合的一種方法。焊接的主要特點(diǎn)：（1）節(jié)省材料，減輕質(zhì)量；（2）簡化復(fù)雜零件和大型零件的制造；（3）適應(yīng)性好；可實(shí)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)；（4）滿足特殊連接要求；可實(shí)現(xiàn)不同材料間的連接成型；焊接方法的應(yīng)用：（1）制造金屬結(jié)構(gòu)件；（2）制造機(jī)器零件和工具；（3）修復(fù)。焊接方法焊接方法：熔焊、壓焊、釬焊等。

1、熔焊——是一種將焊件接頭部位加熱至融化狀態(tài)，不加壓力完成的焊接方法。它采用局部加熱方法，使工件的焊接接頭部分出現(xiàn)局部熔化，通常還需填充金屬，共同構(gòu)成熔池。熔池經(jīng)冷卻結(jié)晶后，形成牢固的原子間結(jié)合，使分離的工件成為一體。

2、壓焊——是在焊接過程中必須對(duì)工件施加壓力，（加熱或不加熱）以完成焊接的方法。

3、釬焊——是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，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(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。焊接方法壓力焊摩擦焊超聲波焊爆炸焊擴(kuò)散焊高頻焊釬焊及封粘軟釬焊硬釬焊封接粘接熔焊電弧焊電渣焊高能束焊電子束焊激光焊焊條電弧焊氣體保護(hù)焊埋弧焊電阻焊等離子弧焊化學(xué)熱焊氣焊鋁熱焊13.2電弧焊工藝基礎(chǔ)13.2.1焊接電弧

焊接電弧是在具有一定電壓的電極與工件之間的氣體介質(zhì)中長時(shí)間的放電現(xiàn)象，即在局部氣體介質(zhì)中有大量的電子流過的導(dǎo)電現(xiàn)象。焊接電弧的溫度和熱量分布溫度K熱量分布陽極區(qū)：260043％弧柱區(qū)：6000～800021％陰極區(qū)：240036％

由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽極和陰極上有一定的差異，在使用直流電焊機(jī)焊接時(shí)，有兩種接線方法：直流正接：焊件接正極，焊條接負(fù)極（厚板、酸性焊條）直流負(fù)接：焊件接負(fù)極，焊條接正極（薄板、堿性低氫焊條、低合金鋼和鋁合金）

如果焊接時(shí)使用的是交流弧焊機(jī)，因?yàn)殡姌O每秒鐘正負(fù)變化達(dá)一百次之多，所以兩極加熱溫度一樣，都在2500K左右，因而不存在正接和反接問題。冷卻速度快，結(jié)晶后易生成粗大的柱狀晶。熔焊的本質(zhì)及特點(diǎn)：熔化焊的本質(zhì)是小熔池熔煉與鑄造，是金屬熔化與結(jié)晶的過程。熔池存在時(shí)間短，溫度高；冶金過程進(jìn)行不充分，氧化嚴(yán)重；熱影響區(qū)大。熔化焊的三要素?zé)嵩?/p>

能量要集中，溫度要高。以保證金屬快速熔化，減小熱影響區(qū)。滿足要求的熱源有電弧、等離子弧、電渣熱、電子束和激光。熔池的保護(hù)

可用渣保護(hù)、氣保護(hù)和渣-氣聯(lián)合保護(hù)。以防止氧化，并進(jìn)行脫氧、脫硫和脫磷，給熔池過渡合金元素。填充金屬保證焊縫填滿及給焊縫帶入有益的合金元素，并達(dá)到力學(xué)性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊絲。電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件（基本金屬）和焊條同時(shí)熔化成為熔池，焊條金屬熔滴借重力和電弧氣體吹力的作用逐漸過渡到熔池當(dāng)中。電弧熱還使焊條的藥皮熔化或燃燒。藥皮燃燒后與液體金屬起物理化學(xué)作用，所形成的熔渣和氣體可防止空氣中氧、氮的侵入，其保護(hù)熔化金屬的作用。電弧焊的焊接過程：

手工電弧焊是利用焊條與工件間產(chǎn)生的電弧熱，將工件熔化而進(jìn)行焊接的。電弧焊的冶金過程特點(diǎn)：電弧和熔池金屬溫度高于一般的冶煉溫度，使金屬元素強(qiáng)烈蒸發(fā)，導(dǎo)致金屬燒損或形成有害雜質(zhì)。金屬熔池體積小，熔池處于液態(tài)的時(shí)間很短，一般在１０秒左右，導(dǎo)致化學(xué)成分不夠均勻，氣體和雜質(zhì)來不及浮出，易產(chǎn)生氣孔和夾雜等缺陷。熔池不斷更新，有害氣體容易進(jìn)入熔池，形成氧化物、氣孔、雜質(zhì)等缺陷。熔池的保護(hù)

焊劑是由SiO2，MnO、MgO及CaF等組成的硅酸鹽。焊劑保護(hù)的效果形成熔融的液態(tài)焊劑薄膜，使熔池與空氣隔絕，大大減少焊縫中的含氣量，提高焊縫韌性。延長熔池存在時(shí)間，加強(qiáng)了冶金反應(yīng)，有利于氣孔、夾渣的析出。渣保護(hù)

為了使熔池與空氣隔離，可在熔池上覆蓋一層熔渣一方面防止金屬氧化和吸氣另一方面向熔池過渡合金元素，提高焊縫性能同時(shí)，還可以減少散熱，提高生產(chǎn)率，防止強(qiáng)光輻射氣保護(hù)用于保護(hù)熔池和溶滴的氣體應(yīng)是惰性氣體，并在高溫下不分解，或是低氧化性的不溶于金屬液體的雙原子氣體(如Ar或CO2)。噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能使氣體以層流流出。CO2氣體CO2為無色無味氣體，密度是空氣的1.5倍，在常溫下很穩(wěn)定，但在高溫下易分解。CO2氣體密度大，受熱后體積膨脹大，所以在隔離空氣保護(hù)焊接熔池和電弧方面，效果良好。但CO2氣體為氧化性氣體，在高溫下將分解為CO和O2：2CO2＝2CO+O2所以二氧化碳在高溫時(shí)有強(qiáng)烈的氧化性。氬氣氬氣為惰性氣體，高溫下不溶入液態(tài)金屬，也不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，氬氣是一種理想的保護(hù)氣體。由于氬弧溫度高，因此一旦引燃，電弧就很穩(wěn)定。氬弧焊一般要求氬氣純度達(dá)99.9%，我國生產(chǎn)的工業(yè)純氬，其純度可達(dá)99.9%，完全合乎氬弧焊的要求。氬弧焊對(duì)焊前的除油、去銹、去水等準(zhǔn)備工作要求嚴(yán)格，否則就會(huì)影響焊縫質(zhì)量。渣-氣聯(lián)合保護(hù)利用渣的良好的冶金反應(yīng)和焊縫成型特點(diǎn)以及氣體的優(yōu)良電弧熱效率和穩(wěn)弧作用，可獲得良好的熔池保護(hù)效果。如焊條的藥皮及二氧化碳加藥芯。填充金屬填滿焊縫，提高焊縫性能，使焊縫與母材等強(qiáng)度，用焊絲和焊芯（填充金屬）過渡合金元素。常用的焊條鋼芯為碳素鋼絲、合金鋼絲和不銹鋼絲。H代表焊接用鋼絲，其后的兩位數(shù)字代表含碳量的萬分之幾；A為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼；E代表特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。13.2.2電焊條一、電焊條的組成及作用涂有藥皮供手工電弧焊用的融化電極稱為焊條，它由焊芯和藥皮（涂料）兩部分組成。焊條縱截面1-焊條夾持端2-藥皮3-焊芯焊芯是由專門冶煉的焊條鋼經(jīng)軋制和拉拔而成的，主要起導(dǎo)電和填充焊縫金屬的作用。藥皮的作用：提高電弧燃燒的穩(wěn)定性；對(duì)焊接過程和焊縫起保護(hù)作用；控制焊縫金屬的化學(xué)成分。二、焊條的種類、型號(hào)和牌號(hào)焊條類別代號(hào)拼音漢字結(jié)構(gòu)鋼焊條J結(jié)鉬及鉻鉬耐熱鋼焊條R熱不銹鋼焊條G鉻A奧堆焊焊條D堆低溫鋼焊條W溫鑄鐵焊條Z鑄鎳及鎳合金焊條Ni鎳銅及銅合金焊條T銅鋁及鋁合金焊條L鋁特殊用途焊條TS特殊焊接的應(yīng)用范圍越來越廣泛，為適應(yīng)各個(gè)行業(yè)，各種材料和達(dá)到不同性能要求的焊條品種非常多。每種類型的焊條又因藥皮類型不同，可具有不同的焊接工藝性能和不同的焊縫力學(xué)性能。牌號(hào)藥皮類型適用電源備注××0不規(guī)定不規(guī)定酸性焊條××1氧化鈦型交直兩用××2氧化鈦鈣型交直兩用××3鈦鈣型交直兩用××4氧化鐵型交直兩用××5高纖維素型交直兩用××6低氫鉀型交直兩用堿性焊條××7低氫鈉型直流專用××8石墨型交直兩用××9鹽基型直流專用焊條的型號(hào)焊條型號(hào)是國家標(biāo)準(zhǔn)中的焊條代號(hào)。碳鋼焊條型號(hào)見GB5117—1995，如E4303、E5015、E5016等。1.“E”表示焊條；2.前兩位數(shù)字表示熔敷金屬（depositedmetal）抗拉強(qiáng)度的最小值，單位為Mpa；3.第三位數(shù)字表示焊條的焊接位置，“0”及“1”表示焊條適用于全位置焊接(平、立、仰、橫)，“2”表示焊條適用于平焊及平角焊，“4”表示焊條適用于向下立焊；4.第三位和第四位數(shù)字組合時(shí)表示焊接電流種類及藥皮類型，如“03”為鈦鈣型藥皮，交流或直流正、反接，“15”為低氫鈉型藥皮，直流反接，“16”為低氫鉀型藥皮，交流或直流反接。E

43

03E——表示焊條類別43——表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值為430Mpa0——表示焊條適用于全位置焊接03——表示焊條藥皮為鈦鈣型，交直兩用焊條E4303也稱J422碳鋼焊條，藥皮是鈦鈣型，藥皮中含30%以上氧化鈦和20%以下鈣或鎂的碳酸鹽礦，熔渣流動(dòng)性好，脫渣容易，電弧穩(wěn)定，熔深適中，飛濺小，焊波整齊，適用于全位置焊，電流為交、直流，正、反接，主要用于焊接較重要的低碳鋼結(jié)構(gòu)。

焊條的牌號(hào)拼音字母表示焊條的大類，如“J”表示結(jié)構(gòu)鋼焊條(碳鋼焊條和普通低合金鋼焊條），“A”表示奧氏體不銹鋼焊條，“Z”表示鑄鐵焊條等；

前兩位數(shù)字表示各大類中若干小類；

最后一個(gè)數(shù)字表示藥皮類型和電流種類。

焊條牌號(hào)是焊條行業(yè)統(tǒng)一的焊條代號(hào)。

焊條牌號(hào)一般用一個(gè)大寫拼音字母和三個(gè)數(shù)字表示，如J422、J507等。以結(jié)構(gòu)鋼焊條為例：Ｊ422其中：Ｊ——結(jié)構(gòu)鋼焊條４２——焊縫金屬抗拉強(qiáng)度大于等于４２０ＭＰ２——藥皮類型（鈦鈣型）和電源種類（交直兩用）酸性焊條與堿性焊條兩者的性質(zhì)酸性焊條的工藝性好，適用于各種電源，操作性好，電弧穩(wěn)定，成本低。但焊縫強(qiáng)度稍低，特別是沖擊韌度較差，滲合金作用弱，故不宜焊接承受重載和要求高強(qiáng)度的重要結(jié)構(gòu)件。堿性焊條一般要求采用直流電源，焊縫強(qiáng)度高、抗沖擊力強(qiáng)，但操作性差、電弧不夠穩(wěn)定、成本高，故只適合焊接重要結(jié)構(gòu)件。堿性焊條脫硫、脫磷能力強(qiáng)，藥皮有去氫作用，焊接接頭含氫量很低，故稱低氫型焊條，這種焊條具有良好的抗裂性和力學(xué)性能。

堿性藥皮氧化性強(qiáng)，對(duì)銹、油、水的敏感性大，易產(chǎn)生飛濺和CO氣孔。堿性藥皮在高溫下，易生成較多的有毒物質(zhì)（HF等），因而應(yīng)注意通風(fēng)。電焊條的選用原則等強(qiáng)度原則：低碳鋼和普通低合金鋼構(gòu)件，一般都要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度，因此可根據(jù)鋼材強(qiáng)度等級(jí)來選用相應(yīng)的焊條。同一強(qiáng)度等級(jí)的酸性焊條和堿性焊條的選用。主要應(yīng)考慮：焊接件的結(jié)構(gòu)形狀、鋼板厚度、載荷性質(zhì)和抗裂性能而定。低碳鋼與低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接，可按某一種鋼接頭中強(qiáng)度較低的鋼材來選用相應(yīng)的焊條。焊接不銹鋼或耐熱鋼等有特殊性能要求的鋼材，應(yīng)選用相應(yīng)的專用焊條。鑄鋼件的含碳量一般比較高，而且厚度較大，形狀復(fù)雜，易產(chǎn)生焊接裂紋，一般采用堿性焊條。13.3焊接接頭的組織與性能一、焊接工件上溫度的變化與分布

焊接時(shí)，電弧沿著工件逐漸移動(dòng)并對(duì)工件進(jìn)行局部加熱。因此在焊接過程中，焊縫及其附近的金屬都是由常溫狀態(tài)開始被加熱到較高的溫度，然后再逐漸冷卻到常溫。隨著各點(diǎn)金屬所在位置的不同，其最高加熱溫度是不同的。焊縫區(qū)各點(diǎn)溫度變化情況

電弧焊熱源的高溫集中融化焊縫區(qū)金屬，并向工件金屬傳導(dǎo)熱量，必然引起焊縫及附近區(qū)域金屬的組織和性能發(fā)生變化。整個(gè)焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)構(gòu)成。低碳鋼焊接接頭組織二、焊接接頭的組織與性能

焊縫的結(jié)晶是從熔池底壁開始向中心成長的。1、焊縫區(qū)因結(jié)晶時(shí)各個(gè)方向的冷卻速度不同，從而形成柱狀的鑄態(tài)組織，由鐵素體和少量珠光體所組成。因結(jié)晶是從熔池底部的半熔化區(qū)開始逐次進(jìn)行的，低熔點(diǎn)的硫磷雜質(zhì)和氧化鐵等易偏析物集中在焊縫中心區(qū)，將影響焊縫的力學(xué)性能。因此，應(yīng)慎重選用焊條或其它焊接材料。熔合區(qū)是焊縫和基體金屬的交界區(qū)。此區(qū)溫度處于固相線和液相線之間，由于焊接過程中母材部分熔化，所以也稱為半熔化區(qū)。在低碳鋼焊接接頭中，熔合區(qū)雖然很窄(0.1～1