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1、第四篇 焊接第一章 电弧焊,第一节 焊接电弧 一.焊接概述 Outline of Welding 1.概念：经加热或加压，使两部分金属靠得足够近, 实现原子间结合。 2.分类(Classes)： 1）熔化焊: Flow welding 电弧焊、电渣焊和气焊等； Electro-slag 、 Gas Welding 2）压力焊: Pressure Welding 电阻焊、摩擦焊等， Resistance Welding Friction welding 3）钎焊：Soldering Welding 软钎焊和硬钎焊。,焊接电弧：是电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象。 一般电弧热量在阳极区产生
2、的较多，约占总热量的43%，阴极约36%，弧柱约21%。 温度：用钢焊条焊钢材时，阳极区-2600K；阴极区-2400K；电弧中心-60008000K。,3特点：(Characteristics),(1)以小拼大，简化铸造、锻压和切削工艺； (2)联接性能好； (3)节省材料和工时，成本低； (4)重量轻； (5)缺点：不可拆、产生应力、粗晶等缺陷。,二.焊接过程 Welding Process （1）宏观过程 a.引燃电弧 b.焊件边缘和焊条熔化形成熔池。 c.熔池凝固形成焊缝。 （2）冶金过程： A.空气在电弧下为原子态：O、N、H、 O与金属反应，生成FeO 、MnO 、 SiO2 等，
3、降低机械性能；N和H则形成气孔使 材料变脆。 B.为保证焊缝性能不低于母材，采取措施： 1）阻止空气侵入焊区药皮、焊剂和保护 气体。 2）添加有益元素：锰、硅等。 3）对熔池脱氧、脱磷和脱硫。,使用直流电源焊接时有正接、反接两种： 正接：正极接工件工件温度可稍高一些。 反接：负极接工件，工件温度可稍低一些。 对碱性焊条、熔化极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊及薄板的焊接，采用反接。 交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。 焊机的空载电压就是焊接时引弧电压，一般为5090V，电弧稳定燃烧时电压为电弧电压。电弧长度越大，电弧电压也越高，一般为16 35V。,第二节 焊接接头的组织与性能,一、焊接工
4、件上温度的变化与分布 各点处由：常温较高温度常温 固态 液态 固态 温度变化如4-3图 二、焊接接头组织与性能 1.接头组成及热循环 a）组成：焊缝+熔合区+热影响区 b）热循环：接头某点在焊接过程中温度随时间 变化。 以低碳钢为例 P132 图4-4中，左图是焊件的横截面，右图是铁碳状态图的一部分,a)组织：铸态组织； b)性能：没有缺陷前提下，性能不低于母材。 3.熔合区和热影响区组织和性能 (1)熔合区（0.1-1.0mm） a)组织：被加热到固相线和液相线之间，部分 熔化后结晶、部分组织过热。 b)性能：成分不均，晶粒粗大，性能严重降低。,2.焊缝组织和性能 Structure and
5、 Property of Joint,低碳钢焊缝组织变化,焊缝柱状树枝晶组织,焊缝宏观偏析与成形系数关系,(2)热影响区 Zone of Heat Affecting,a)低碳钢热影响区：过热区+正火区+部分相变区 1）过热区Overheated Zone 组织：被加热1100以上，形成粗大过热组 织； 性能：大大降低其塑性和冲击韧性，热影响区 中性能最差区域。 2）正火区Normalized Zone 组织：被加热到Ac3-1100之间，相当于进行 正火处理； 性能：综合机械性能优于母材。,3)部分相变区 Partial Phase Transformation Zone,组织：被加热到Ac
6、1-Ac3，部分组织转变，组织 不均 性能：组织不均，性能也较差。 b)易淬火钢热影响区（淬火区+部分淬火区） 1)淬火区 组织：被加热Ac3线以上，淬火后形成马氏体； 性能：机械性能严重下降，易引起冷裂。 2)部分淬火区 组织：加热在Ac1-Ac3之间，部分形成马氏体； 性能：脆性增加，机械性能下降。 对低碳钢，接头熔合区和过热区性能最差。,注意：,焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度：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。 增加焊接速度或减少焊接电流都能减少焊接热影响区 。,表4-1焊接热影响区的平均尺寸,三、改善焊接热影响区组织和性能的方法 焊接热影响区在电弧焊焊接
7、接头中是不可避免的。 用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行热处理即可使用。 对焊后不能进行热处理金属材料或构件，则只能在正确选择焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热影响区的范围。 但对重要的碳钢构件、合金钢构件、电渣焊焊接的构件为消除热影响区影响，一般采用焊后正火处理。,第三节 焊接应力与变形,注意：焊接过程中，焊缝被加热处于液态，相邻的金属加热到很高的温度，然后再快速冷却下来，各点处温度不同，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。 焊缝是靠一个移动的点热源加热，然后逐次冷却下来形成的，因此应力的形成、大小和分布状
8、况较复杂。,假定整条焊缝同时形成，则应力分布如图4-5。 注意：在焊接过程中，和焊接结束后受力是不一样的。焊接过程中旁边的金属阻碍焊缝金属膨胀；焊后，阻碍收缩。 注意：焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能，承载能力大为降低，对于接触腐蚀性介质的焊件，应力腐蚀现象加剧，减少使用期限。,注意：对于承受重载的重要构件、压力容器等，焊接应力的防止和消除，方法： 选择塑性好的材料。（结构设计时） 避免焊缝密集交叉，焊缝过长，截面过大。（结 构设计时） 预热减小温差，减小应力较为有效。（焊前） 合理的焊接次序。（施焊中） 小能量焊接或锤击焊缝。（施焊中） 去应力退火，去应力较为彻底。（焊后） 水压试验或
9、振动法。（焊后）,焊接变形：由焊接应力引起。 变形种类：收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形（图4-7 ）,焊件产生变形主要由焊接应力引起的，预防焊接应力的措施对防止焊接变形有时是有效的。 当对焊件的变形有较高的限定时防止变形措施： a.结构设计中应采用：对称结构或大刚度结构、焊缝对称分布结构。 b.施焊中：采用反变形措施或刚性夹持方法（刚性夹持不适于淬硬性较大的钢结构和铸铁 件）。 c.焊后：机械校正、火焰加热矫正,图4-8 平板焊接的反变形,焊接应力过大的严重后果是焊件（工件）产生裂纹，危害极大，对重要工件焊后应探伤。 焊接裂纹与下列因素有关： a.焊接材料的成分（如硫、磷含量高
10、）有关； b.焊缝金属的结晶特点（结晶区间要小）有关； c.含氢量的多少有关。 防止裂纹焊接中应：合理选材、采取措施减少应力、选用合理的焊接工艺、焊接参数，如：采用碱性焊条、小能量焊接、预热、合理的焊接次序等,第四节 焊条电弧焊,焊条电弧焊（即手工电弧焊）适于高强度钢、铸钢、铸铁、和非铁合金，其焊接接头可与工件的强度相近，是焊接生产中应用最广泛的焊接方法。 一、焊条电弧焊的焊接过程 电弧在工件和焊条之间燃烧，产生高温，电弧热使工件、焊芯同时熔化，形成熔池。同时药皮熔化和分解。 过程：药皮熔化进入熔池发生反应形成熔渣保护熔化金属；药皮分解CO2,CO,H2等气体围绕在电弧周围保护熔化金属。,焊缝
11、质量有很多因数决定，如母材 金属和焊条质量、焊前的清理程度、焊时电弧的稳定情况、焊接参数、焊接操作技术、焊后冷却速度、以及 焊后热处理等。 二、电焊条 焊芯：起导电和填充焊缝作用，直径最小为1.6，最大为8。常用3.2 5。,焊条药皮 主要作用：提高电弧稳定性；防止空气对熔化金属的有害 作 用；对溶池脱氧，加入合金元素，以保证焊 缝金属的化学成分和力学性能。注意：药皮中含有锰可增加强度，减少硫的热脆影响（脱硫）。 焊条的种类、型号和牌号 焊条有七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜焊条、铝焊条 焊条的型号、牌号关系 东工机械零件设计手册 P682 表8-39 碳钢焊
12、条,例：,注意： 焊条型号是国家标准中的焊条代号 焊条牌号是焊接行业的焊条代号，注意型号和牌号的对应关系 按熔渣性质，焊条可分为两类： a.酸性焊条：药皮熔渣中的酸性氧化物较多，适于各种电源，成本低，但焊缝的塑性、韧性稍差，操作性好， 渗合金作用弱不宜焊接受动载荷和要求高强度的 重要结构件 b.碱性焊条：熔渣中碱性氧化物多，一般采用直流电源。焊缝塑性、韧性好，抗冲击能力强，价格较高，操作 性差，故只适于焊接重要结构件。,焊条选用原则 选用焊条通常是根据焊件化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀性、以及耐高温性能等要求选用相应的焊条种类。 (1)低碳钢、普通低合金钢构件 焊缝与母材等强度。 注意：钢
13、材按屈服强度定等级，结构钢焊条的等级是指焊缝金属抗拉强度最低保证值。 (2)同一强度等级酸碱性焊条的选用 碱性焊条：要求塑性好、冲击韧性高、抗裂性好、低温性好。,酸性焊条：受力不复杂，母材质量较好，尽量选用较便宜的酸性焊条。 (3)低碳钢与低合金钢焊接，按接头中强度较低者选焊条。 (4)铸钢易裂一般应选碱性，且采用适当工艺，如预热。 (5)特殊性能要求钢，选相应焊条，以保证焊缝主要化学成分、性能与母材相同。,第五节 埋弧焊,一、埋弧焊的焊接过程 焊丝不断地被送丝机构送入 电弧区，并保持选定的弧长。 焊接时焊机移动或工件移动， 焊剂从漏斗中不断流出洒在 被焊部位，电弧在焊剂下燃 烧，熔化后形成熔
14、渣覆盖在 焊缝表面。,电弧燃烧后，工件和焊丝形成较大体积的熔池，熔池金属被电弧气体排挤向后堆积形成焊缝。由于高温焊剂被熔化成熔渣，与熔池金属发生物理化学作用。部分焊剂被蒸发形成气体，将电弧周围熔渣排开，形成一个封闭的熔渣泡。它具有一定粘度，能承受一定压力，保护熔 池，不与空气接触，又防止了金属飞溅。 焊丝上没有涂料，允许提高电流密度，电流密度增加，电弧吹力也增 加，同时热量也增加，熔池深度大，熔池体积也大。,二、埋弧焊特点 生产率高：电流大可使生产率提高；更换焊丝的时间较节约。 焊接质量高而稳定：电弧区保护严密，熔池保持液态时间较长，冶金过程进行较完善焊接参数能自动控制。 节省金属材料：因熔池
15、较大，2025mm以下的工件可不开坡口进行焊接。 改善了劳动条件：看不见弧光，烟雾很少，可改善了劳动条件 ，可进行自动焊接。 设备费用较贵，工艺装备较复杂。只适于焊接长的直线焊缝，较大直径环形和纵向焊缝。厚板为主，薄板焊接受到限制。,三、焊丝与焊剂 埋弧焊剂可分为熔炼焊丝和陶质焊剂两大类。熔炼焊剂又可分为高锰、中锰低锰和无锰几种。大批大量常用熔炼焊剂。,专用碳素钢：（多用于压力容器）A3gA3R15g20g，冲击韧性好，金属表面和内部缺陷少,四、埋弧焊工艺 要求：下料、坡口加工要求较严，以保证组装间隙均匀，焊前将焊缝两侧5060mm内一切污垢和铁锈除掉，以免产生气孔。 一般在平焊位置焊接。对2
16、0mm以下工件可单面焊，如有要求可双面焊。 对20mm以上工件可双面焊，或开坡口单面焊。焊缝两头应加引弧板和引出板，焊后去除。,为保持焊缝成型和防止烧穿，焊接时要用焊剂垫。埋弧焊主要用于长缝焊接。,第六节 气体保护焊,一、氩弧焊 氩弧焊以氩气作保护气体的电弧焊，焊接质量较高。因为氩气是惰性气体，在高温下不与金属起化学反应，也不溶于金属，所以氩弧焊的质量比较高。 按所用的电极不同， 氩弧焊可分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。,1.不熔化极氩弧焊： 铈钨棒作电极，只适于厚度6mm以下工件焊接3mm以下薄件时，常用卷边（弯边）直接焊接。焊接较厚工件时，需添加填充金属。 焊接钢材时， 多用直流正接以减少钨极的烧损。 焊接铝、镁及其合金时则希望用直流反接或交流电源。 2.熔化极氩弧焊： 以连续送进的焊丝作为电极进行焊接。此时可用较大电流焊接厚度 25mm以下工件。对氩气要求纯度9
