14版-11焊接成形剖析

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1、第十二章 焊接,焊接是现代工业生产中不可缺少的一种金属连接方法。它不同于螺钉连接，铆钉连接等机械连接方法，它是利用加热或加压，使分离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子间的结合。这就是焊接的实质。,按焊接过程的特点可分为三大类,气焊 电弧焊：手工电弧焊、埋弧自动焊 气体保护焊：氩弧焊、二氧化碳气体保护焊、等离子弧焊、 电渣焊、电子束焊、激光焊,电阻焊：点焊、缝焊、对焊 感应焊：高频焊、中频焊、摩擦焊、爆炸焊、超声波焊、 扩散焊、冷压焊,软钎焊：锡焊 硬钎焊：铜焊、银焊,焊接主要用于制造金属结构件，如：锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆、桥梁、飞机、火箭、起重机、海洋，冶金等结构设备等。

2、 它也用来制造机器零件部件和工具等，如重型机械和冶金，锻压机械的机架与轴、齿轮、锻模、刀具等。几乎所有工业部门都需要焊接。世界上一些主要工业国家，每年生产的焊接结构约占钢产量的45。,焊接的主要优点：,1. 连接性能好 焊缝具有良好的机械性能，能耐高压，能耐 低温，具有良好的密封性，导电性，耐腐蚀性和 耐磨性等。,例如：120万千瓦核电站锅炉，外径6400毫米，壁厚200毫米，高1300毫米，工作参数为17.5Mpa，350。要求焊缝不能泄漏放射性物质，这只有采用焊接方法才能制造出来。,2. 省料省工成本低 采用焊接方法制造金属结构，一般比铆接节 省金属材料1020。焊接加工快，工时少， 生产

3、周期短。,此外，还可采用焊接方法修复已磨损或损坏的零件、部件，如汽缸、机座、轴，锻模等，可大量节省金属材料和工时，有重大的经济意义。,采用焊接方法可以制成双金属结构， 如不锈钢或钛衬里、堆焊锻模、刀具等，可获得优良的使用性能，又能节省大量的昂贵合金材料。,3. 重量轻 采用焊接方法制造桥梁、船舶车辆等运输工具 可以减轻自重、提高运输能力，是非常有意义的。,4. 简化工艺 可以采用焊接方法如以小拼大等制造重型、复杂 的机器零件、部件，简化铸造、锻造工艺，简化切削 加工工艺。,如万吨水压机的横梁、立柱、工作缸、塔式齿轮等机器零件， 可采用焊接工艺来简化加工工艺。,焊接的缺点,总之，有时焊接质量问题

4、会成为一个突出的问题。由于焊接接头存在焊接缺陷，接头性能下降，焊接接头有残余应力，使焊接接头往往成为锅炉应力容器和桥梁船舶等重要结构件的薄弱环节。 这是值得重视的一个问题。,第一节 焊接工程理论基础,1、熔焊冶金过程,熔化焊的冶金过程,热过程，冶金过程和结晶过程,从母材和焊条的加热熔化，熔滴的产生和过渡，到 熔池的形成、停留和结晶，要发生一系列化学冶金反应， 影响焊缝的化学成分和性能。,（1）空气中的氮气和氧气，在电弧高温的作用下会 发生分解，成为氮原子和氧原子并与金属发生反应。,Fe O FeO ； Mn O MnO； Si 2O SiO2； 2Cr 3O Cr2O3； 2Al 3O Al2

5、O3；,例如，焊丝H08含氧量为0.010.02， 光焊丝焊接的焊缝金属含氧量可达0.150.30。 焊丝H08含氮量为0.03， 光焊丝焊接的焊缝金属含氮量达0.080.23。,焊缝金属的含氧量大大增加。严重降低焊缝金属的 性能，强度、塑性和韧性都显著下降。尤其是低温冲击韧性 急剧下降，引起冷脆。氧还使焊缝中合金元素烧损，影响焊 缝的性能,（2）空气里的水汽，特别是工件表面的锈、油和水， 在电弧高温下也发生分解，H2O 2H O。,氢原子也能大量溶于金属液体。如同氮一样，在熔池 结晶时，氢的溶解度也急剧下降，同样要产生气孔。 氢还要引起金属脆化即氢脆、白点等和冷裂纹。,焊缝中含氢量增加，其延

6、伸率明显下降。,两大措施保证焊缝质量,药皮形成熔渣保护和气体保护,壳渣保护,药皮： 稳弧 造渣 添加合金元素， 减少烧损,渣保护作用,气体保护作用,作电极传导电流，产生电弧 作填充金属（调整成分）,机械保护作用(气体和熔渣) 冶金处理（熔渣） 改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定）,2、电焊条, 焊条的组成:,焊芯的作用：,药皮的作用：,专用焊接金属丝,由多种矿石粉铁合金配成,碳钢焊条 低合金钢焊条 不锈钢焊条 铸铁焊条 堆焊焊条 镍和镍合金焊条 铜和铜合金焊条 铝和铝合金焊条,酸性焊条（SiO2、MnO等） 碱性焊条（CaO、FeO等）, 焊条的种类、型号与牌号,种类,按用途分类,按熔渣性质分类

7、,记住： 焊什么 用什么焊条,记住： 焊条分酸碱性, 焊条的型号：,碳钢焊条 (GB5117-85): E 4 3 0 3 , E 5 0 1 5 , E 5 0 1 6 .,药皮类型（酸、碱），电流种类,焊接位置（平、横、立、仰）,抗拉强度 430 MPa,焊条, 焊条牌号（结构钢焊条）： J422 ( E4303 ) , J507 (E5015) , J506 (E5016),15为酸性焊条，67为碱性焊条,碱性焊条和酸性焊条的特性,机械性能好（韧性高，抗裂性好）； 焊接工艺性能差；（需用直流电） 对油污、锈、水敏感性大；（需要清洗、烘干） 排出有毒烟尘 H F 。（需要通风良好）,碱性焊

8、条：,酸性焊条与碱性焊条相反,焊条的选用,不绣钢、耐热钢焊条 按相同成分选择焊条 结构钢焊条 按等强原则选相同强度等级焊条,焊缝和母材具有 相同水平的使用性能。,选用原则：,例：16 Mn ,抗拉强度520 Mpa , 可选用E5003 (J502), E5015 (J507), E5016 (J506),3 焊 接 接 头 的 组 织 和 性 能,焊接热循环：在焊接热源作用下，焊接接头上某点的温度随时间变化。纵坐标：温度；横坐标：时间,1熔合区,2过热区,3正火区,4部分相变区,离焊缝越近温度越高，反之越低,热循环的主要特点：加热速度和冷却速度都很快。对淬透性较好的钢，可能造成空气中淬火，焊

9、后产生马氏体组织，引起裂纹。,熔池,母材,焊缝与母材交界线：熔合线,熔合区,热影响区,焊缝的组织和性能,焊缝中晶体的结晶方向指向熔池中心的柱状晶体,熔池凝固就是一次液态金属结晶过程 容易产生结晶偏析,1焊缝区，2熔合区，3热影响区，4母材,B/H为焊缝成形系数，B：焊道宽度，H：计算厚度,宽焊缝：偏析聚集在上部，可防止中心裂纹 窄焊缝：偏析沿中心线聚集，中心易产生裂纹,部分相变区：晶粒大小不均匀，性能较差,过热区：晶粒粗大性能最差,熔合区：成分不均匀晶粒粗大，性能最差,熔合区和热影响区的组织和性能,低碳钢,正火区：晶粒细小性能优于母材,焊接材料、焊接方法和焊接工艺均影响焊接接头组织和性能。 焊

10、接工艺：焊接电流、电弧电压、焊接速度、 热输入等。,1、合理选择焊接方法和焊接参数，减小热影响区,2、加强对焊缝的保护合理：药皮，气体等,3、焊后局部或整体热处理,4、焊接应力与变形,焊接变形和残余应力的不利影响,造成焊件的尺寸、形状变化； 矫正变形会使性能降低，成本增加； 焊接应力会降低承载能力； 引起焊接裂纹； 应力衰减会产生变形。,当金属杆不受刚性约束时， 在均匀加热和均匀冷却过程 中，可以完全自由膨胀和收缩,冷却后，杆件和加热前长度相同，没有残留变形，也没有内应力。,加热时，杆件产生伸长变形L,冷却时，产生缩短变形L；,当杆件受到一定刚性约束时，加热和冷却过程中不能自由膨胀和自由收缩，

11、 加热时，不能从向自由膨胀那样伸长到A实际伸长L2，,由于受到刚性约束阻碍产生压缩变形L1，杆件内产生压应力。,冷却后杆件不能自由收缩到位置B 实际缩短L3，内部产生残余拉应力,以上模型假设：杆件不发生弯曲，它和刚性约束之间没有热传导，且刚性约束不产生变形。,焊接变形的基本形式,焊前预热及焊后热处理； 选择合理的焊接次序； 刚性固定法； 反变形法； 锤击焊缝法； 采用机械矫正和火焰矫正。,减少焊接应力与变形的工艺措施,反变形,刚性固定法,焊接顺序,用于塑性好，没有淬硬倾向的钢,用于塑性好的低碳钢和普通合金钢,机械矫正与火焰矫正,第二节 常用焊接方法, 手工电弧焊 埋弧自动焊 气体保护焊 电渣焊

12、 电阻焊 钎焊,一、焊条电弧焊,1、焊接电弧,电弧的温度,阴极区 2100 ， 弧柱 57007700 ， 阳极区 2300 ,气体电离 电极发射电子,电弧区热量,阳极占43%, 阴极区占36%, 弧 柱区占21%。,正接法: 工件接正极, 焊条接负极,2、焊接过程,手工电弧焊,(3) 当电弧向前移动时, 熔池冷却凝固而新的熔池不断产生, 形成连续的焊缝。,(1)电弧在焊条与被焊件之间 燃烧, 电弧热使工件和焊条同时熔化成熔池;,(2) 电弧使焊条的药皮熔化或燃烧, 产生熔渣和气体, 对熔化金属和熔池起保护作用；,3、手工电弧焊的特点,手工电弧焊,手工电弧焊有何特点？使用哪种设备？,优点：,设

13、备简单，操作灵活，适应性强。,缺点：,生产效率低，劳动强度大，质量不易保证。,电焊机：,直流电焊机： 交流电焊机：,引弧容易，电弧稳定，焊接质量好 结构简单，使用可靠，维修方便,二、埋弧自动焊,1. 埋弧自动焊的焊接过程,自动焊焊接动作由机械装置自动完成。 埋弧焊电弧在颗粒状焊剂层下燃烧进行焊接。,焊车,焊丝,焊剂,埋弧自动焊,自动焊小车,埋弧焊生产,2. 埋弧自动焊的特点与应用,生产效率高 （比手弧焊提高510倍） 焊接质量好 （ 焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观） 成本低 （省工、省时、省料） 劳动条件好 （无弧光,、飞溅, 劳动强度低） 适应性差 （平焊、长直焊缝和较大直径的环缝） 焊接设备

14、复杂，焊前准备工作严格,应用：,成批生产、中厚板结构的长直焊缝和较大直径的环缝，如锅炉、压力容器、船舶等。,特点：,压力容器环缝和纵缝的埋弧自动焊,纵缝,环缝,压力容器焊接生产,三、气体保护焊,1、氩弧焊及其特点,保护气体,氩气 CO2,氩弧焊,CO2气体保护焊,钨极,金属极, 钨极氩弧焊,焊接电流不能过大，只能焊4mm以下的薄板； 焊接钢材板：直流正接法； 焊铝、镁合金：直流反接法或交流电源。,气体保护焊,钨极熔点高， 发射电子能力强,直流正接 ： 钨极烧损小。 直流反接 ： 钨极烧损大， 电弧不稳，但有“阴极破碎” 作用（焊铝时有利）。,应用, 熔化极氩弧焊,气体保护焊,1、以连续送进的金

15、属丝做 电极并填充焊缝； 2、焊接电流较大,生产效率高， 适用焊接较厚的焊件； （板厚为825mm） 3、采用直流反接，电弧稳定，焊铝时有“阴极 破碎”作用; 4、 可采用自动焊或半自动焊。, 氩弧焊特点,气体保护焊,1) 保护效果好，电弧稳定，焊接质量好； 2) 电弧热量集中，热影响区小，焊后变形小； 3) 可全方位焊接，便于观察、易于自动控制； 4) 氩气成本高，一般情况下不采用。,应用：,用于焊接易氧化的有色金属、合金钢和不锈钢。,2、 CO2气体保护焊, CO2气体保护焊的焊接过程,CO2,电弧,CO + O,使金属氧化，合金元素烧损，不能焊接有色金属和合金钢。,应用：,用于低碳钢、低

16、合金钢薄板的焊接。必须采用含脱氧剂的焊丝H08Mn2SiA，直流反接。,气体保护焊, CO2气体保护焊的特点,成本低 （为埋弧焊和手弧焊的40%50%） 效率高 （电流密度大，熔深大，焊接速度快） 焊接质量好 （有气流冷却，热影响区小，变形小） 采用气体保护，能全位置焊接 焊缝成形差，飞溅大 设备使用维修不方便,气体保护焊,四、电渣焊,生产率高 （板厚 40mm的焊接一次焊成） 焊缝缺陷少,焊接质量好 （不易产生气孔、夹渣和裂纹） 成本低 （省电和省熔剂） 焊件需正火热处理 (热影响区较大,组织粗大),1. 电渣焊工艺过程,2. 电渣焊的特点,五、电阻焊,电阻焊分为：点焊、缝焊、对焊。,利用焊件接触面的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，在压力下形成接头的焊接方法。,闪光对焊,电阻对焊,缝焊,点焊,电阻焊特点,焊接电压低，电流大，生产率高； 不需