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1、机械制造基础,肖 民（机械与动力工程学院） mxiao 42学时（理论）,ECUST,第四篇 焊接,焊接：永久性连接金属材料的工艺方法。 实质：利用加热或加压，或两者并用的手段，借助原子间的扩散和结合，使分离的金属牢固地连接起来。 特点：下料阶段：化大为小 拼小成大 化复杂为简单 拼简单成复杂 内容： 电弧焊 其它常用焊接方法 常用金属材料的焊接 焊接结构设计,焊接,电弧焊,焊接电弧 定义：由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象，称为焊接电弧。 组成：由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。 特性：焊接电弧的热量与焊接电流的平方和电压的乘积成正比，电
2、流愈大，产生的总热量愈大。,第一章 电弧焊,图4-1 焊接电弧,焊接电弧 电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料不同而有所不同。用钢焊条焊接钢材时，阳极区温度约为2,600K，阴极区约为2,400K，电弧中心区温度最高，可达6,0008,000K。,电弧热量在阳极区产生的较多，约占总热量的43；阴极区因放出大量的电子，消耗了一部分能量，所以产生的热量相对较少，约占36；其余21左右的热量是在弧柱中产生的。焊条电弧焊只有6585的热量用于加热和熔化金属，其余的热量则散失在电弧周围和飞溅的金属滴中。,电弧焊,图4-1 焊接电弧,电弧焊,焊接电弧的正接法和反接法 由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定
3、差异及其它一些原因，使用直流电源焊接时，有正接和反接两种接线方法。,图4-2 直流电源时的正接与反接,电弧焊,焊接电弧的正接法和反接法 正接是将工件接到电源的正极，焊条接到负极； 反接是将工件接到电源的负极，焊条接到正极。 特性：正接时工件的温度相对高一些。 如果焊接时使用的是交流弧焊机，因为电极每秒钟正负变化达一百次之多，所以两极加热温度一样，都在2,500K左右，因而不存在正接和反接问题。,图4-2 直流电源时的正接与反接,电弧焊,焊接接头的组织和性能 焊接工件上的温度变化与分布 离焊缝越近的点，被加热的温度越高；越远的点被加热的温度越低。,在焊接过程中，焊缝的形成是一次冶金过程，焊缝附近
4、区域金属相当于受到一次不同规范的热处理，必然会产生相应的组织与性能的变化。,图4-3 焊缝区各点温度变化情况,电弧焊,焊接接头的组织与性能 低碳钢:焊缝和焊缝附近区域由于受到电弧不同程度的加热而产生组织与性能的变化。如图，左侧下部是焊件的横截面，上部是相应各点在焊接过程中被加热的最高温度曲线。图中1、2、3等各段金属组织的获得可用右侧所示的部分铁-碳合金状态图来对照分析。,图4-4 低碳钢焊接接头的组织,焊接接头的组织与性能 1.焊缝 焊缝的结晶将影响焊缝的力学性能，应慎重选用焊条或其它焊接材料。焊接时，焊接材料的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素含量可能比母材金属高，焊缝金属的性能可能不
5、低于母材金属的性能。,电弧焊,电弧焊,2焊接热影响区 （1）熔合区 熔化的金属凝固成铸态组织，因加热温度过高而成为过热粗晶，易引起应力集中，所以熔合区在很大程度上决定着焊接接头的性能 （2）过热区 奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，故塑性及韧性降低。对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。 （3）正火区 加热时金属发生重结晶，转变为细小的奥氏体晶粒。冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材。 （4）部分相变区 珠光体和部分铁素体发生重结晶，转变成细小的奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变，但其晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而力学性能比正火区稍差。 焊接热影响区的大小和组织性能
6、变化的程度，决定于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。,电弧焊,电弧焊,2焊接热影响区 表4-1:低碳钢时不同焊接方法的焊接热影响区平均尺寸。,电弧焊,电弧焊,改善焊接热影响区组织和性能的方法 低碳钢的焊接结构，用手工电弧焊或埋弧自动焊时，热影响区尺寸较小，对焊接产品质量影响较小，焊后可不进行热处理； 对于低合金钢焊接结构或用电渣焊焊接的结构，热影响区较大，焊后必须进行热处理，通常可用正火的方法，细化晶粒，均匀组织，改善焊接接头的质量； 对于焊后不能进行热处理的焊接结构，只能通过正确选择焊接方法，合理制定焊接工艺来减小热影响区，以保证焊接质量。,焊接应力与变形 焊接过程中，焊缝被
7、加热处于液态，相邻的金属加热到很高的温度，然后再快速冷却下来，这时，各点处的温度不同，冷却速度也不相同，在热胀冷缩和塑性变形的影响下，必将产生内应力、变形或裂纹。 产生：加热时，焊缝区金属的热膨胀量较大，并受两侧金属所制约不能自由伸长而被塑性压缩，向厚度方向展宽；冷却时，同样受两侧金属制约而不能自由收缩，各部分收缩不一致，导致焊缝区乃至整个焊件产生应力和变形。 焊接应力：焊接构件由焊接而产生的内应力。 焊接变形：焊后焊件残留的变形。,电弧焊,焊接应力和变形 焊接应力： （1）产生的原因：加热不均匀及冷却不均匀。 （2）应力分布：平板对接焊缝, 圆筒环形焊缝的焊接应力分布（图4-5）。,电弧焊,
8、焊接应力和变形 焊接应力： （3）焊接次序对应力的影响：图4-6b中A区易产生裂缝。 （4）减小应力的措施： 合理的焊接次序，合理选材。 焊前预热，预热温度为350400,减弱各部位温差，从而显著减小焊接应力。 焊后热处理：去应力退火，加热到600650，保温1小时以上，缓冷。,电弧焊,图4-6 焊接次序对应力的影响,电弧焊,焊接变形的变形基本形式：图4.7 收缩变形：焊缝纵向、横向收缩，使构件纵向、横向尺寸减小。 角变形：Y型坡口对接时，焊接次序不合理，焊缝横向收缩不均匀引起的变形。 弯曲变形：焊缝不对称，工艺不合理，焊接T形梁时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起的变形。 扭曲变形：焊接
9、工字梁时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起的变形。 波浪变形：焊接薄板时，由于焊缝收缩使薄板局部产生较大压力而失去稳定引起的变形。,电弧焊,预防变形的措施 焊前措施： 反变形法：平板焊接的反变形(图4.8)，防止壳体焊接局部塌陷的反变形(图4.9)。,图4.8 平板焊接的反变形,图4.9 防止壳体焊接局部塌陷的反变形,电弧焊,预防变形的措施 焊前措施： 加裕量法：补偿焊后收缩，下料裕量0.10.2。 刚性夹持法：夹持，点固（塑性好的材料）。 合理的焊接次序：构件对称两侧都有焊缝，应使两侧焊缝的收缩能互相抵消或减弱。图4.1011为X型坡口及梁的焊接次序。,图4.11 梁的焊接次序,图4.10
10、双X型坡口焊接次序,电弧焊,2.焊后措施： 机械矫正法：利用机械外力作用来矫正变形，如辊床、压力机、矫直机， 图4.12。 火焰加热矫正法：氧乙炔火焰加热压应力处（考经验）冷却收缩，消除变形图4.13反变形法。 3.焊接裂纹： （1）原因 焊接应力过大 材料成分：S、P （2）预防 选用碱性焊条，预热，合理次序，小能量焊接。,焊条电弧焊,四. 焊条电弧焊 用手工操纵焊条进行焊接的方法。 优点：设备简单，操作灵活，成本低。 缺点：有强烈的弧光和烟尘，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求高，焊接质量不稳定。 适用：单件小批量生产，焊接碳素钢、低合金结构钢、不锈钢及铸铁的补焊等。,焊条电弧焊,一
11、、焊条电弧焊的焊接过程 原理：在药皮焊条和母材间产生电弧，利用电弧热融化焊条和母材的焊接方法。焊条外层覆盖焊药，遇热融化，具有使电弧稳定、形成溶渣、脱氧、精炼等作用。 焊缝质量由很多因素决定，如母材金属和焊条的质量、焊前的清理程度、焊接时电弧的稳定情况、焊接参数、焊接操作技术、焊后冷却速度以及焊后热处理等。,图4-14 焊条电弧焊过程,电弧焊,焊条电弧焊 焊接过程 焊条 涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。 焊芯 ：在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又熔化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属。 药皮：压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气造渣，起保护
12、作用，防止空气进入焊缝，防止焊缝高温金属不被空气氧化(表4-3)。,焊条电弧焊,焊条的分类（按熔渣的化学性质分） 酸性焊条 优点：焊渣呈玻璃状，易脱渣；工艺性能较好，电弧稳定。 缺点：力学性能，尤其是塑性和韧性差，抗裂性低。 典型型号：E4303 碱性焊条 优点：焊接金属塑性、韧性好，抗裂性强，合金元素损失少。 缺点：对油、锈、污敏感；电弧不稳定；熔渣为结晶状，不易脱渣。 焊条的分类（按用途分）,焊条电弧焊,焊条的选用（按强度等级和化学成分选用） 焊接一般结构如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选用与焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近。 焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条
13、。 焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条。 焊件的碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。 焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素较高，铸件厚度、刚度较大，形状复杂，应选用碱性焊条。,焊条电弧焊,焊条的选用（按焊件的工作条件选用） 焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条。 焊接承受静载的结构件时，可选用酸性焊条。 焊接表面带有油、锈、污等结构件时，应选用酸性焊条。 焊接在特殊条件（腐蚀、高温）下工作的结构件时，应选用特殊用途焊条。,焊条电弧焊,焊条的选用（按焊件的形状、刚度及焊接位置选用） 厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用
14、碱性焊条。 厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊的结构件，应选用适当的酸性焊条。 除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位置焊条。,埋弧焊,1.埋弧焊过程,图4-15 埋弧焊原理,埋弧焊,焊接材料,焊 剂,焊 丝,熔 炼焊 剂,陶 瓷焊 剂,相当于焊 芯,相当于药 皮,熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产； 陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。,焊丝与焊剂,埋弧焊,埋弧焊,埋弧焊工艺 （1）工件的下料仔细、准备坡口和装配（点焊固定） （2）焊缝两侧5060mm以内，去除油污、铁锈 （3）工件厚，S2025mm时，双面焊（或开坡口单面焊接） （4）焊接前
15、在焊缝两端焊上引弧板与引出板，（图16,保证引弧处和断弧处质量）,图4-16 埋弧焊的引弧板与引出板,埋弧焊,埋弧焊工艺 （5）防止烧穿和保持焊剂，焊接第一条焊道时，在焊缝下面放置焊剂垫和垫板（图17） （6）大直径（250mm）筒体环焊缝时，防止熔池金属流失，焊丝位置应逆旋转方向偏离焊件中心线一定距离a，（图18）。其大小视筒体直径与焊接速度等而定。,气体保护焊,氩弧焊 以氩气（惰性气体）作为保护气体的电弧焊。 （1）不熔化极氩弧焊：电极：铈钨棒不熔化，较厚工件需填充焊丝（图19a）焊接厚度6mm以下的工件。 （2）熔化极氩弧焊：连续送进焊丝（电极），不需填充金属，可用较大电流，焊接厚度为2
16、5mm以下的工件，图19(b)。,气体保护焊,氩弧焊 特点： 机械保护效果好，焊缝金属纯净，成形美观，质量好。 电弧稳定，小电流时也很稳定。熔池温度容易控制，单面焊双面成形。 采用气体保护，电弧可见(称为明弧)，易实现全位置自动焊接。 电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池小，焊速快，热影响区小，焊接变形小。 氢气价格较高，因此成本较高。,钨极脉冲氩弧焊（不熔化极氩弧焊的一种） 常用于薄板、管材和易淬火钢、高强钢 (原理:图20脉冲电流) 氩弧焊特点及使用范围： （1）电弧燃烧稳定，飞溅小，焊缝致密、成形美观，焊接质量好； （2）有气体保护，明弧可见，便于操作。 （3）热量集中，焊接速度快，焊接热影响区较窄，工件变形小。 （4）适用于各类合金钢、不锈钢、有色金属（铝、镁、钛等），稀有金属（锆、钼、钽等）的焊接。,气体保护焊,气体保护焊,二氧化碳气体保护焊 以二氧化碳作为保护气体，以焊丝作电极，以自动或半自动方式进行焊接。(原理:图4.21),气体保护焊,二氧化碳气体保护焊 特点： 成本
