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1、第三章 焊接工艺,熔焊工艺 压焊工艺 钎焊工艺 金属材料的焊接性 焊接结构设计,焊接成形原理：焊接是指用加热或加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而形成不可折卸接头的材料成形方法。 焊接成形特点：（1）可化大而复杂的结构为小而简单的坯料拼焊，简化了工艺，降低了成本。（2）可实现不同材料间的连接成形。,3.1 概述,（3）可实现特殊结构的生产。 （4）与铆接相比，焊接结构重量轻，可以减轻机器自重，提高运载能力和行驶性能。但不可拆卸，易引起残余应力，焊缝易产生裂纹、气孔等缺陷，因此，应特别注意焊缝品质的检验，否则易造成恶性事故。,焊接工艺的分类： 根据焊接过程的工艺特点，可将
2、焊接分为：熔化焊 压力焊 钎焊电弧焊 电阻焊 软钎焊电渣焊 摩擦焊 硬钎焊电子束焊 超声波焊激光焊 爆炸焊等离子弧焊 扩散焊高频焊,焊接在工业中的应用： （1）金属结构的焊接。如锅炉、压力容器、管道、桥梁、海洋平台和起重机等，船舶、车辆、飞机、火箭的梁架和外壳。,（2）机械零件的焊接。如轴、齿轮、锻模和刀具等。,3.2 焊接工艺的基本原理,熔焊原理及过程 焊接接头的组织与性能 焊接变形和焊接应力 焊接缺陷 焊接检验,3.2.1 熔焊原理及过程,1、熔焊本质及特点： 熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。, 熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。 冷
3、却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。 2、熔化焊的三要素： 1) 热源：能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。,3.2.1 熔焊原理及过程,2) 熔池的保护：可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。 3) 填充金属： 保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到机械性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。,3.2.1 熔焊原理及过程,热源： （1）电弧：是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。,3.2.1 熔焊原理及过程,电弧的温度： 弧柱区60008000K，阳极区2
4、600K，阴极区2400K。,2、熔池的保护渣保护：,1渣保护：,（2）气保护：,2、熔池的保护气保护：,2、熔池的保护渣气联合保护：,（3）渣气联合保护：利用渣的良好的冶金反应和焊缝成形特点，以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及CO2+药芯。,3、填充金属：,当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能填满焊缝，这时，必须用焊丝填满。另外，为了提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，必须用焊丝过渡合金元素。,手工电弧焊的焊条,药皮： 药皮成分：稳弧剂、合金化剂、脱氧剂、去氢剂、粘结剂等。 药皮类型：酸性药皮与碱性药皮。酸性药皮工艺性好，碱性药皮工艺性差；碱性药皮焊缝含氢量
5、低，焊接质量好。,常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。如H08、H08A、H08MnA。H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表含碳量的万分之几；A为高级优质钢；E代表特级优质钢。,第二节 焊接接头的组织与性能,一、焊接热循环： 焊接热循环-焊缝及其附近的母材经受的加热和冷却作用。 焊接热影响区-受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。 熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，也称半熔化区。 焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。,二、焊缝的组织和性能：,成分偏析：宏观偏析的分布与焊缝成型系数B/H有关。当
6、B/H很小时，易形成中心线偏析，产生热裂纹。 焊缝金属的宏观组织形态是柱状晶、晶粒粗、成分偏析严重、组织不致密。但由于焊接冷却快，化学成分控制严格，碳、磷、硫等含量低，通过渗合金调整焊缝的化学成分，使其有一定的合金元素，这样焊缝金属的强度可与母材相当。,a）B/H较大 b）B/H较小 图3-5 焊缝结晶过程,低碳钢的热影响区： 1）过热区：1100以上， 晶粒粗大，塑性差。 2）正火区：850-1100 晶粒细小，性能好。 3）部分相变区： 700-850，晶粒 大小不均，性能较差。,三、热影响区与熔合区的组织和性能：,熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
7、,三、热影响区与熔合区的组织和性能：,1）焊剂与焊丝：直接影响焊缝的化学成分。 2）焊接方法 ：不同的热源，温度高低和热量集中程度不同。 3）焊接工艺参数：电流、电压、焊接速度和线能量（单位长度焊缝上的能量E=IU/),直接影响输入焊接接头的热量大小。 4）熔合比(Fm/Ft)：是指母材在焊缝中所占的百分数，将影响焊缝的化学成分。 Fm Ft 5）焊后热处理：,四、影响焊接接头性能的因素：,第三节 焊接变形和焊接应力,一、焊接应力与变形产生的原因：,自由膨胀和收缩 刚性夹持 局部约束,焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩，当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，
8、无残余变形。当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产生残余变形。,第三节 焊接变形和焊接应力,第三节 焊接变形和焊接应力,焊件焊后的变形形式主要有尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。,二、焊接变形与应力的危害：,产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。 焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定。,三、焊接应力和变形的防止：,1、焊接应力的防止及消除： 焊缝不要有密集交叉截面，长
9、度也要尽可能小，以减小焊接局部加热，从而减少焊接应力。 采取合理的焊接顺序，使焊缝 能够自由地收缩，以减少应力 。 采用小线能量，多层焊，也可 减少焊缝应力。,三、焊接应力和变形的防止：, 焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。 焊后进行去应力退火可消除残余应力。 2、焊接变形的防止及消除： 焊缝不要有密集交叉，以减少焊接局部加热；还可对称布置焊缝，使变形互相抵消。 焊接工艺上，采用高能量密度的热源、采用小线能量焊接规范、分段倒退焊、多层多道焊都能减少焊接变形。,三、焊接应力和变形的防止：,采用反变形方法：,三、焊接应力和变形的防止：,采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会
10、产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。,三、焊接应力和变形的防止：,焊前预热，焊接过程中采用散热措施，锤击还处在高温的焊缝等都能减少焊接变形。,严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。,三、焊接应力和变形的防止：,第四节 焊接缺陷,焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷。,第四节 焊接缺陷,一、焊接裂纹： 1、热裂纹：特征：发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中形成，叫结晶裂纹。发生在热影响区，在加热到过热温度时因晶间低熔点杂质发
11、生熔化而产生，叫液化裂纹。裂纹沿晶间开裂，有氧化色彩。产生原因：晶间存在液态薄膜；接头存在拉应力。防止措施：控制低熔点杂质，S、P等；适当提高焊缝成形系数，防止中心偏析；碳含量应在0.10%以下；减小焊接应力。,2、冷裂纹：形态特征：焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最主要、最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。,第四节 焊接缺陷,延迟裂纹的产生原因： 焊接接头淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。 焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化。 存在较大的拉应力。因氢的
12、扩散需要时间，所以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。,第四节 焊接缺陷,防止延迟裂纹的措施： 选用碱性焊条或焊剂； 焊前严格清理，减少氢的来源。 试验：J507焊条： 使用前未经烘干，扩散氢含量：15.1cm3/100g 350烘干2小时，扩散氢含量：5.8cm3/100g 400烘干2小时，扩散氢含量：4.3cm3/100g 说明焊条烘干是非常有效和必要的。,第四节 焊接缺陷,防止延迟裂纹的措施： 工件焊前预热，焊后缓冷。 采取减小焊接应力的工艺措施。 焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250，保温26h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。 焊后进行清除应力
13、的退火处理。,第四节 焊接缺陷,二、气孔： 1、焊缝气孔的种类： 氢气孔。 一氧化碳气孔：当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：FeO+CFe+CO 此时，若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出，便产生CO气孔。,第四节 焊接缺陷,氮气孔：熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。,2、防止气孔的方法： 焊条、焊剂要烘干，焊丝和焊缝坡口及其两侧的母材要清除锈、油和水。焊接时采用短弧焊，采用碱性焊条。CO2焊时，采用药芯焊丝或低碳材料。,第四节 焊接缺陷,第五节 焊接检验,一、焊接检验过程： 焊接质量检验是焊接结构生产过程的重要组成部分。 焊接质量检验应包括焊前
14、检验、焊接生产中的检验和焊后成品检验。 二、外观检验 ： 用肉眼或低倍数（小于20倍）放大镜检查焊缝区有否可见的缺陷，如表面气孔、咬边、未焊透、裂缝等，并检查焊缝外形及尺寸是否合乎要求。,第五节 焊接检验,三、无损检验： 1磁粉检验： 2着色检验：,第五节 焊接检验,3超声波检验 4X射线和射线检验,第五节 焊接检验,四、机械性能试验： 为评定焊接接头或焊缝金属的机械性能，常做的试验是拉伸试验、冲击试验、弯曲及压扁试验、硬度试验和疲劳试验等。 五、密封性检验： 用于检验常压或受压很低的容器或管道的焊缝致密性，看其是否有穿透性缺陷，常采用以下的方法： (1)静气压试验(2)煤油检验(3)水压试验
15、,第六节 熔化焊的焊接方法及工艺,1、手工电弧焊的原理：利用药皮和焊芯为电极，而工件为另一电极，通过短路引燃电弧，在电弧的高温下，药皮产生大量的气体和熔渣，以实现气渣联合保护。焊芯熔化后形成焊缝，以保证焊缝的化学成分和机械性能。,一、手工电弧焊：,一、手工电弧焊：,2、手工电弧焊的工艺： （1）直流手工电弧焊：焊接电源为直流电源，分直流正接和直流反接。 直流正接是工件接电源的正极，焊条接负极，可获得较大的熔深，适于厚板的焊接。 直流反接与正接相反，焊条接正极，可实现薄板的快速焊接。,一、手工电弧焊,（2）交流手工电弧焊：电源为交流电源。两极不存在温度差。主要用于酸性焊条的焊接。 （3）焊条的型号和牌号：型号Exxxx其中E为Electrode的首写字母，xx为熔敷金属的最小抗拉强度（Kgf/mm2),第三位数x表示焊接位置。三、四两位数字组合表示焊接电流种类和药皮类型。 牌号Jxxx,Axxx,Zxxx其中J代表结构钢，A奥氏体钢，Z铸铁。,（4）酸性焊条与碱性焊条：,二、埋弧自动焊：,1、埋弧自动焊的原理及特点： 埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，热效率高； 焊丝为连续的盘状焊丝，焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高。 金属利用率高。焊接质量好。劳动条件好。 但只能用于长平直焊缝和环焊缝的焊接。,
