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1、机械制造基础础金工教研室 制造科学与工程学院 2005年春季学期第四讲讲：焊焊接工艺艺常识识 机械制造基础础第四讲讲：焊焊接工艺艺常识识 焊接工艺 永久性连接 起源于一次世界大战后（凡尔赛公约） 现代工业的基础工艺 造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车 基本焊接方法 电弧焊：属于熔化焊 其他焊接方法：压力焊、钎焊机械制造基础础本讲讲内容 一、电弧焊工艺常识 二、焊条电弧焊 三、特种焊接工艺方法 四、金属材料的焊接性 五、焊接结构设计 六、连接技术机械制造基础础一、电电弧焊焊工艺艺常识识 1、焊接电弧 气体介质中导电现象机械制造基础础焊焊接电电弧的热热量 热量来源于 阳极43 阴极36 弧柱21
2、热量扩散 6585 加热熔化金属 其余 散失在电弧周围 飞溅的金属液机械制造基础础2、正接和反接 温度： 阳极：2600K 阴极：2400K 电弧中心：6000K 8000K 直流焊接 正接法：工件温度高 反接法 交流焊接：两极温度均 为2500K 引弧电压：5090V 电弧电压：1635V机械制造基础础3、焊焊接接头头的组织组织与性能 焊接工件上温度的变化与分布机械制造基础础焊焊接接头组织头组织低碳钢钢焊缝焊缝焊焊接热热影响区机械制造基础础4、焊缝焊缝 从熔池底向中心凝固 各个方向凝固速度不同 柱状铸态组织 铁素体少量珠光体 杂质集中在焊缝中心， 影响焊缝质量机械制造基础础焊缝焊缝的热热影响
3、区 1融合区 0.11mm，关键 2过热区 脆性比融合区更大 3正火区 力学性能优于母材 4部分相变区 比正火区稍差 不同焊接方法热影响区 宽度不同 焊后正火改善接头性能机械制造基础础5、焊焊接应应力与变变形 极不平衡的热循环过 程 应力分布规律 先冷受压，后冷受拉机械制造基础础消除焊焊接应应力 提高母材塑性 避免焊缝交叉 避免焊缝过宽过长 合理焊接顺序 先焊短焊缝 后焊长焊缝 预热焊件、振动焊缝 焊后退火机械制造基础础焊焊接变变形 收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形机械制造基础础防止焊焊接变变形 减小焊接应力 提高结构刚度 对称焊缝分布 焊前反变形机械制造基础础防止焊焊接变变形
4、合理焊接操作 平衡温度分布 利用变形机械制造基础础防止焊焊接变变形 焊后校正机械制造基础础二、焊焊条电电弧焊焊 焊条电弧焊过程 药皮燃烧： 电弧周围气体：CO2 、CO、H2 熔池中熔渣，冷却形 成渣壳 保护熔池中的熔化金 属机械制造基础础1、电焊电焊条 焊芯 导电和填充焊缝 焊接用钢丝 低碳钢、合金结构钢、不锈钢 药皮 焊接过程顺利进行 焊缝化学成分、力学性能机械制造基础础焊焊条药药皮 作用 提高电弧燃烧的稳定性 防止空气对熔化金属的有害作用 对熔池脱氧、加入合金元素 保证焊缝金属的化学成分和力学性能 稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、稀渣、粘接原料种类原料名称作用稳弧剂碳酸钾、碳酸钠、长石、大
5、理石、钛白粉、 钠水玻璃、钾水玻璃改善引弧性能、提高电弧燃烧的稳定性造气剂淀粉、木屑、纤维素、大理石造成一定量的气体，隔绝空气，保护焊接 熔滴与熔池造渣剂大理石、长石、萤石、菱苦石、锰矿、钛铁 矿、粘土、钛白粉、金红石造成具有一定物理化学性能的熔渣，保护 焊缝，碱性渣中的CaO可脱硫、磷机械制造基础础焊焊条药药皮的作用机械制造基础础焊焊条种类类 按化学成分分成七大类 碳钢、低合金钢、不锈钢、堆焊、铸铁、铜 及铜合金、铝及铝合金 焊条型号 E4303： E碳钢焊条 43：焊缝抗拉43 kgf/mm2 0：(0/1)全位置焊接、(2)平焊、(4)向下立焊 03：3、4为组合表示焊接电流种类和药皮类
6、型 ，03为钛钙型药皮、交流或直流机械制造基础础焊焊条种类类 焊条牌号 J422、J507 J：结构钢焊条（奥氏体不锈钢A、铸铁Z） 42：抗拉强度等级MPa（50、55、60、70、80） 2：药皮和电流种类机械制造基础础焊焊条种类类 按熔渣性质 酸性焊条 酸性氧化物比碱性氧化物多 适合各种电源、易操作、电弧稳定、成本低 焊缝塑性韧性差、不宜用于重要构件 碱性焊条 焊缝塑性韧性好、抗冲击能力强 要求直流电源、操作性差、电弧不够稳定、价 格高，适于重要构件机械制造基础础焊焊条选选用原则则 选择依据：根据焊件 化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀耐高温性能 结构形状、受力情况、焊接设备条件 低碳钢
7、和低合金钢构件：根据强度（两构件强 度较低者为准） 酸性/碱性：根据重要性 铸铁：碱性焊条和适当工艺（预热） 不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条机械制造基础础2、埋弧焊焊埋弧焊焊演示机械制造基础础埋弧焊焊特点 大电流（1000A）、生产率高 焊接质量高且稳定 节约金属 热量集中、可无坡口、无焊条头、飞溅少 改善劳动条件 无弧光、烟雾 自动化程度高 工艺装备复杂，适合批量生产机械制造基础础焊丝焊丝与焊剂焊剂 焊丝焊剂决定焊缝化学成分、力学性能 熔炼焊剂、陶质焊剂机械制造基础础埋弧焊焊工艺艺 仔细下料、准备（清理）坡口、装配 引弧板与引出板焊后去掉机械制造基础础防止烧烧穿焊剂垫焊剂垫、垫垫板机械制造基
8、础础环缝焊环缝焊接机械制造基础础3、气体保护焊护焊氩氩弧焊焊机械制造基础础气体保护焊护焊CO2保护焊护焊机械制造基础础4、等离子弧焊焊接与切割 电弧压缩 机械压缩 热压缩 电磁收缩 中心区域温 度极高 16000K 焊接/切割 熔点很高的 金属 不锈钢 钛、钨机械制造基础础5、焊焊接自动动化 数控轨迹控制 焊接质量监控机械制造基础础焊焊接机器人焊焊接机器人演示机械制造基础础用电电弧焊焊焊焊接钢钢板的问题问题 如图拼焊一张大钢板 焊缝布置合理吗？ 如何改进？ 对称，错开 如何合理安排焊缝顺序？ 先短后长12345678机械制造基础础三、特种焊焊接工艺艺方法 简略了解其它焊接方法 电阻焊、摩擦焊、
9、钎焊、电渣焊 真空电子束焊接、激光焊接 讨论 可以用于焊接的能源形式机械制造基础础1、电电阻焊焊 电阻热 Q=I2Rt 特点 生产率高、焊接变形小 操作简便、易实现自动（汽车外壳焊接） 设备复杂、耗电量大 接头形式、工件厚度受到限制 点焊、缝焊、对焊机械制造基础础点焊焊 局部高温焊合 分流现象 焊点的分布最小距离限制机械制造基础础点焊焊的接头头形式 硬规范 软规范 电极压力 表面清洗 接头形式机械制造基础础缝焊缝焊机械制造基础础对焊对焊机械制造基础础对焊对焊接头头形式机械制造基础础讨论这讨论这个问题问题 铜及铜合金可以采用电阻焊吗？机械制造基础础2、摩擦焊焊机械制造基础础摩擦焊焊的接头头形式机
10、械制造基础础3、钎焊钎焊 焊接过程示意图毛细管作用机械制造基础础钎焊钎焊 硬钎焊 450以上、接头强度200MPa以上 自行车架、工具、刀具 软钎焊 450以下、接头强度70MPa以下 仪表、导电元件、各种低载荷构件 加热方式 烙铁、火焰、电阻、感应机械制造基础础钎焊钎焊的常见见接头头形式机械制造基础础钎焊钎焊接头头的比较较机械制造基础础4、电电渣焊焊机械制造基础础5、真空电电子束焊焊接机械制造基础础6、激光焊焊接机械制造基础础题题外话话：关于铝热剂铝热剂 什么是铝热剂 通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂 用某些金属氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等) 代替氧化铁也可以做铝热剂 有什么
11、特性 难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放 出大量热 有什么用？机械制造基础础焊焊接钢轨钢轨 原理 铝热反应公式示例：使用铝粉可还原氧化铁 Fe2O3 + 2 Al = 2Fe + Al2O3 还原反应产生大量的热能，无需外部的能源 ，就能熔化金属，可以用来焊接钢轨 优点 这些原料完全彻底地和合金元素混合在一起 形成铝热剂，它可以组成与钢轨化学、冶金 、和机械方面相匹配的焊接接头机械制造基础础焊焊接钢轨钢轨 过程 铝热剂被投入到一个耐火坩 埚中，用点火器点燃，开始 铝热反应。 反应结束后，液态钢自动从 坩埚底部释放到耐火模具， 从而连接钢轨的两端。 模具带有几何形状特征，能 控制铸造和固化的
12、过程。 当铝热钢冷却下来后，进行 进一步的热处理来提高它的 机械特性。 机械制造基础础铝热焊设备铝热焊设备机械制造基础础其它用途 冶炼难熔金属 军事用途 在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分，可极 大地提高杀伤力。 在前苏联科学家编写的火箭炮一书中， 谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分。 在中国人民革命军事博物馆里，展品中就有 美军的钢盔、卡宾枪、被烧熔在一起，除了 火箭弹以外，其它炸弹没有如此大的能量。机械制造基础础选择焊选择焊接方法 自行车车架 钢窗 家用液化气罐主缝 自行车圈 电子线路板 锅炉壳体 钢轨对接 不锈钢储罐硬钎焊（盐浴） 硬钎焊、对焊、电弧焊 缝焊 缝焊外边、闪光对焊 软钎焊 埋
13、弧焊、电渣焊 闪光对焊、铝热焊 等离子弧焊接、氩弧焊机械制造基础础四、金属材料的焊焊接性 焊接性概念 设定相同（焊接方法、材料、参数、结构） 易焊、难焊：获得优质焊接接头的难易程度 焊接性并非一定 焊接方法、焊接材料、焊接工艺 评定方法 工艺焊接性：出现工艺缺陷的倾向 使用焊接性：使用中的可靠性（力学、特殊 性能要求）机械制造基础础钢钢材焊焊接性的估算 碳当量计算公式 计算结果 0.6% ：焊接性不好机械制造基础础小型抗裂实验实验法机械制造基础础碳钢焊钢焊接 低碳钢（C% 应力、变形开裂 焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊 电阻焊 保证焊接接头与母材等强度 焊条：E4313(J421) E
14、4303(J422) E4315(J427)等 埋弧焊丝/焊剂：H08A(H08MnA) / 431机械制造基础础碳钢焊钢焊接 中碳钢：C% （0.25% 0.6%） 焊接性变差、淬硬倾向变大 工艺特点： 容易开裂：冷裂纹、热裂纹 必须预热，减小工件各个部分的温差 细焊条、小电流、开坡口多层焊接 焊条电弧焊、电渣焊（厚件） 选择抗裂能力较强的低氢型焊条、等强度 焊条：E5016(J506)、 E6015D1(J607)机械制造基础础合金钢焊钢焊接 合金结构钢焊接件较少 工艺与中碳钢近似 低合金结构钢焊接工艺特点 热影响区的淬硬倾向：合金含量大小 焊接接头的裂纹倾向： 冷裂纹倾向大小：含氢量、淬硬程度、应力 热裂纹倾向不大（我国合金都含Mn） 强度级别决定工艺 低：同低碳钢 低温大厚度高刚度构件：大电流、慢速、低氢焊条、退火 高：焊前预热、焊后先消氢处理，再退火处理机械制造基础础铸铁补焊铸铁补焊 铸铁焊接性很差，只能进行补焊 焊接特点 焊缝易形成白口、难以切削加工 易开裂、易产生气孔 流动性好，只能进行平焊 热焊法（600700）： 防止开裂，补焊后可切削加工 冷焊法（450以下）机械制造基础础非铁铁金属及其合金的焊焊接 铜及铜合金 困难 导热性太好，容易焊不透 易氧化、易开裂、易形成气孔 电阻很小，难以采用电阻焊 铜合金比纯铜更难焊接 氩弧焊（紫铜、青铜） 气焊（黄铜）、
