电弧焊工艺基础知识

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1、电弧焊工艺基础知识电弧焊焊接材料电弧焊接的冶金过程焊接接头的组织与性能焊接的应力与变形焊接变形的防止与矫正焊接检验金属的焊接性电弧焊焊接材料不同的焊接方法，其焊接材料是不同的。手工电弧焊的焊接材料是电焊条。埋弧自动焊的焊接材料是焊丝和焊剂。 1、手工焊焊接材料：1）电焊条的组成与作用2）焊条的选择 电焊规范选择 （1）焊芯：是焊条中被药皮包覆的金属芯。手工焊时 ，焊芯既是电极，又是填充金属。焊芯材料是经过特 殊冶炼，有专门牌号的材料。如结构钢焊芯的牌号为H08A。H焊接用钢丝，后面两位数字，含C万分之一， A：高级优质钢E：特级优质钢（2）药皮：是压涂在焊芯表面上的涂料层。 由多种矿石、铁合金

2、、纤维素以及粘结剂组 成，药皮的种类、名称及作用详见下表2）焊条的种类：按国家标准、将焊条按用途 划分为十大类。详见下表3）焊条的型号和牌号 型号国家通用标准 型号 EEElectrode电焊条 熔敷金属的最小抗拉强度（MPa） 焊接位置（0、1全位置，2平，4向下立焊） 电流种类、药皮类型（03钛钙型药皮，交流或直流正、反接 ） 牌号我国行业标准JxxxJ（结构钢）AxxxA（奥氏体钢）ZxxxZ（铸铁）4）焊条的酸、碱性焊条按其药皮的性质分为酸性焊条、碱性焊 条。药皮中含有多量酸性氧化物的焊条为酸性 焊条,药皮中含有多量碱性氧化物的焊条为碱性 焊条。（1）酸性焊条适合于焊接一般的结构钢，工

3、 艺性能好、机械性能差。（交、直流）（2）碱性焊条焊成的焊缝金属中有害元素（ 如S、P）含量低，抗裂性好、强度高。适合于 焊重要的结构钢与合金钢。但工艺性能差、抗 气孔的能力差。因此，采用碱性焊条时，必须 将焊件在焊缝处的油污、铁锈清除干净，并烘 干焊条去除水分。（直流）注焊条牌号应符合相应的焊条型号如：J422 符合E4303 J507符合E50155）焊条的选择原则 （1）考虑母材的力学性能和化学成分 焊接低碳钢和低合金结构钢时，应根 据焊接件的抗拉强度选择相应强度等级 的焊条，即等强度原则；焊接耐热钢、 不锈钢等材料时，则应选择与焊接件化 学成分相同或相近的焊条，即等成分原 则。 （2）

4、考虑结构的使用条件和特点 对于承受动载荷或冲击载荷的焊接 件或结构复杂、大厚度的焊接件，为保 证焊缝具有较高的塑性和韧度，应选择 碱性焊条。 （3）考虑焊条的工艺性对于焊前清理困难，且容易产生气孔 的焊接件，应当选择酸性焊条；如果母 材中含碳、硫、磷量较高，则应选择抗 裂性较好的碱性焊条。 （4）考虑焊接设备条件 如果没有直流焊机，则只能选择交直 流两用的焊条。 在确定了焊条牌号后，还应根据焊接 件厚度、焊接位置等条件选择焊条直径 。一般是焊接件愈厚，焊条直径应愈大 。 2、埋弧焊焊接材料（1）焊丝：除作为电极和填充金属外 ，还有渗合金、脱氧、去硫等冶金作 用。 （2）焊剂：呈现玻璃状颗粒，主

5、要起 保护作用；还有渗合金、脱氧、去硫 等冶金作用。埋弧焊焊剂有熔炼焊剂和非熔炼焊剂 两大类。 熔炼焊剂主要起保护作用，非熔炼焊 剂除了保护作用外，还可以起脱氧、去硫 、渗合金等冶金处理作用。我国目前使用的绝大多数焊剂是熔炼 焊剂。焊剂牌号为“焊剂” 或大写拼音 “HJ”和三个数字表示，如“焊剂430” 或“HJ430”。 埋弧焊的焊丝是直径1.66mm的实 芯焊丝，起电极和填充金属以及脱 氧、去硫、渗合金等冶金处理作用 。其牌号与焊条焊芯同属一个国家 标准(GB1300)。 为了获得高质量的埋弧焊焊缝 ，必须正确选配焊丝和焊剂。电弧焊接的冶金过程 一、焊缝金属氧化在焊接冶金反应中，金属与氧的

6、作 用对焊接影响最大。焊接时，由于电弧 高温作用，氧气分解为氧原子，氧原子 和多种金属发生氧化反应，如：Fe OFeO Mn OMnOSi 2OSiO2 2Al 3OAl2O3在焊接过程中，将一定量的脱氧剂，如 Ti 、Si、Mn等加在焊丝或药皮中， 进行脱氧使 其生成的氧化物不溶于金属液而成渣浮出， 提高焊缝质量。二、氢的影响在焊接冶金反应过程中，氢易在焊缝 中造成气孔。另外,固态焊缝中多余的氢 也会在焊缝中的微缺陷处集中形成氢分子 ，这种氢的聚集往往在微小空间内形成局 部的极大压力，使焊缝变脆（氢脆）。 三、氮的影响氮在液态金属中也会形成脆性氮化物， 其中一部分以片状夹杂物的形式残留于焊

7、缝中，另一部分则使钢的固溶体中含氮量 大大增加，使焊缝严重脆化。四、焊缝的冶金特点焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼的 过程，它与炼钢和铸造冶金过程比较，有 以下特点：1、金属熔池体积很小，熔池处于液态的时 间很短（10s左右），各种冶金反应进行 得不充分（如冶金反应产生的气体来不及 析出）。2、熔池温度高，使金属元素产生强烈的烧 损和蒸发。同时，熔池周围又被冷的金属 包围，使焊缝处产生应力和变形，严重时 甚至会开裂。五、保证焊缝质量采取的工艺措施1、减少有害元素进入熔池主要措施是机械保护，如气体保护焊中 的保护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及 焊条药皮产生的气体和熔渣等，使电弧空 间的熔滴和熔池

8、与空气隔绝，防止空气进 入。此外，还应清理坡口及两侧的锈、水 、油污；烘干焊条，去除水分等。2、清除进人熔池中的有害元素，增添合金 元素主要通过焊接材料中的铁合金等，进 行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金，从 而保护和调整焊缝的化学成分。焊接接头的组织与性能 1、焊接接头的组成：分为焊缝区与热影响区。 2、焊缝区：是由熔池内的液态金属凝固而成的。 它属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁 的柱状晶。硫、磷等低熔点杂质容易在焊 缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产 生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条， 通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的 强度一般不低于母材。 3、热影响区：母材因受热的影响而发生金相

9、组织和力学 性能变化的区域，称为热影响区。它包括：熔合区、过热区、正火区、部分 相变区。不同的区域有不同的组织，不同的性 能。如图所示热影响区的大小和组织性能变化的程 度取决于焊接方法、焊接规范和接头形式 等因素。在热源热量集中、焊接速度快时，热 影响区就小。如电子束焊的热影响区最小 总宽度一般小于1mm。气焊的热影响区总 宽度一般达到27mm。焊接的应力与变形 1、产生的原因：焊接对焊缝区不均匀的加热和 冷却是产生焊接应力和变形的根本原因。以平板对接为例分析焊前与焊后的应力状况 。低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成（a）焊接中 （b）冷却后平板对焊后的应力：焊缝区产生拉应力，两侧产生压应力，

10、 平板整体缩短了l。这种室温下保留在结构中的焊接应力 和变形，称为焊接残余应力和变形。l拘束很大（刚性夹持大平板对接）有残余应力， 无残余变形l拘束较小（小板对接焊） 既有残余应力， 又有残余变形2、变形的种类：）收缩变形）角变形）弯曲变形 ）扭曲变形）波浪形变形纵向和横向收缩变形纵、横向尺寸缩小 角变形V形坡口对接焊时，因焊缝截面 形状上、 下不对称，焊后横向收缩不均匀而引起 弯曲变形T形梁焊接时，由于焊缝布置不对称， 焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲 扭曲变形焊缝在横截面上布置不对称或工艺不合理，产生纵向扭曲变形 。 波浪形变形薄板在焊接应力作用下，在 厚度方向因丧失稳定性而引起波浪形

11、变形 （翘曲变形）焊接变形的防止与矫正1、防止焊接变形的措施（1）设计结构时，焊缝布置和坡口形 式尽可能对称，焊缝截面和长度尽可能小 ，这样加热少，变形小。（2）焊前组装时采用反变形法。（3）刚性固定法利用夹具、胎具等强制手段，以外力固 定被焊工件来减小焊接变形，如图所示。该法能有效地减小焊接变形，但会产生 较大的焊接应力，故一般只用于塑性较好 的低碳钢结构。 （4）采用合理的焊接顺序 1）尽量使焊缝能自由收缩，这样 产生的残余应力较小。2）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短 、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形分散对称的焊接顺序 长焊缝的分段

12、焊 a)退焊 b)跳焊分散布置焊缝 a）不合理 b）合理对称分布焊缝 a）不合理 b）合理焊缝避开最大应力集中部位a）不合理 b）合理焊缝远离机械加工表面 a）不合理 b）合理2、矫正焊接变形的方法基本原理是产生新变形抵消原来 的焊接变形。1）机械矫正法：用机械加压或锤击的冷变形方 法，产生塑性变形来矫正焊接变形 。适用于塑性较好、厚度不大的焊 件。2）火焰矫正法：利用火焰局部加热后的 冷却收缩，来抵消该部分已产生的伸长 变形。加热部位必须正确。 焰加热矫正的加热温度一般为600800 。3、减少和消除焊接残余应力的措施 锤击焊缝 焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤 击，可以延展焊缝，从而

13、使焊接应力得到一定 的释放。 焊前预热将焊件预热到350400后再进行焊接，是一种减少焊接应力的有效方法。 焊后热处理去应力退火加热温度为550-650，该方法可消除残余应力的80左右，是最常用最有效 的方法。缺陷 名称 示意图图 特征 产产生原因 气 孔 焊焊接时时，熔池中的过饱过饱和 H、N以及冶金反应产应产生的 CO，在熔池凝固时时未能逸 出，在焊缝焊缝中形成的空穴 焊焊接材料不清洁洁；弧长长太长长， 保护护效果差；焊焊接规规范不恰当， 冷速太快；焊焊前清理不当 裂 纹纹 热热裂纹纹：沿晶开裂，具有 氧化色泽泽，多在焊缝焊缝上， 焊焊后立即开裂 冷裂纹纹：穿晶开裂，具有 金属光泽泽，多在

14、热热影响区， 有延时时性，可发发生在焊焊后 任何时时刻 热热裂纹纹：母材硫、磷含量高； 焊缝焊缝冷速太快，焊焊接应应力大；焊焊 接材料选择选择不当 冷裂纹纹：母材淬硬倾倾向大；焊缝焊缝 含氢氢量高；焊焊接残余应应力较较大 夹夹 渣 焊焊后残留在焊缝焊缝中的非金 属夹杂夹杂物 焊焊道间间的熔渣未清理干净净；焊焊 接电电流太小、焊焊接速度太快； 操作不当 咬 边边 在焊缝焊缝和母材的交界处产处产 生的沟槽和凹陷 焊焊条角度和摆动摆动不正确；焊焊接 电电流太大、电电弧过长过长 焊焊 瘤 焊焊接时时，熔化金属流淌到 焊缝焊缝区之外的母材上所形成 的金属瘤 焊焊接电电流太大、电电弧过长过长、焊焊 接速度

15、太慢；焊焊接位置和焊焊条不 当 未 焊焊 透 焊焊接接头头的根部未完全熔 透 焊焊接电电流太小、焊焊接速度太快 ；坡口角度太小、间间隙过过窄、钝钝 边边太厚 常 见 焊 接 缺 陷焊接裂纹 1热裂纹 （1）结晶裂纹焊缝区，结晶过程中形 成液化裂纹热影响区，过热、晶间低 熔点杂质熔化特征沿晶界开裂，又称晶间裂纹， 有氧化色彩 （2）产生原因：晶间存在液态薄膜接头中存在拉应力 （3）防止（冶金和力的因素）2冷裂纹 （1）形态和特征焊道下裂纹热影响区内形成（图a）焊趾裂纹应力集中的焊趾处，扩展（图b）焊根裂纹焊缝根部形成（图c） 特征无分支，通常穿晶型，表面冷裂纹无氧化色彩 最常见延迟裂纹（延迟一段

16、时间才发生 ）延迟裂纹产生原因 淬火倾向严重，导致接头脆化。 含氢量较高，造成大的局部压力 ，使接头脆化。 存在较大的拉应力。因氢的扩散 需要时间，故冷裂纹在焊后需延迟 一段时间才出现。由于是氢所诱发 的，也叫氢致裂纹。 气孔在熔池液体金属冷却结晶时， 原来高温下溶解在焊缝液体金属 中大量的气体，随温度的下降产 生溶解度的降低而析出。在焊缝快速冷却下，气体来不 及逸出熔池表面，导致气孔产生 。种类：氢气孔熔池结晶时氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。 CO气孔当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，FeO+C Fe+CO 若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出 。 氮气孔熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。 防止气孔的方法：焊