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1、第三篇 材料的焊接成形工艺第十章 熔焊工艺10-1 概述一、焊接成形原理及特点1成形原理其过程实质是用加热或加压等手段，借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的材料牢固地连接起来不可拆连接。2成形特点可将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊；如：汽车车身的焊装生产过程；可实现不同材料间的连接成形；如：气门杆的复合结构特殊结构的生产；如：核电站锅炉只有焊接结构重量轻但不可折，更换零件不便，且易产生残余应力、裂纹、夹渣、气孔等。我国焊接在新中国成立后才发展起来，小到集成电路基片与引脚，大到720吨大型水轮机、工作轮、汽车、飞机、火箭、飞船、卫星等。二、焊接工艺分类根据焊接过程的工艺特点，分为：熔
2、焊、压焊、钎焊及封粘熔焊： 电弧焊（手弧焊、气体保护焊、埋弧焊） 电渣焊电子束焊激光焊等离子弧焊压焊： 电阻焊 摩擦焊 超声波焊 爆炸焊 扩散焊 高频焊锌焊及封粘：软钎焊 硬钎焊 封接 粘接三、应用1金属结构的焊接（如锅炉汽包的焊接结构）2机械零件的焊接如：焊接齿轮 （管板焊接）10-2 熔焊原理及过程一、熔焊的本质及特点本质小熔池熔炼与冷凝，是金属熔化与结晶的过程（图10-2）熔焊过程示意图图a 熔池的形成温度达到材料熔点，母材、焊丝熔化形成溶池图b 热影响区形成母材受到热影响，组织和性能发生变化，形成热影响区。图c 熔池结晶热源移走后，熔池结晶成柱状晶。 熔池存在时间短，温度高，冶金过程不
3、充分，氧化严重，热影响巨大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。二、熔焊的三要素合适的热源能量要集中，温度要高，快速熔化良好的熔池保护渣保护、气保护、渣气联合保护焊缝填充金属焊芯、焊丝（一）热源1电弧两电极之间强烈而持久的气体放电现象（图10-3）气体放电曲线图气体放电： 非自持放电 自持放电 暗放电 辉光放电 电弧放电其中，电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强，故将此作热源，既安全，加热效率也高。2等离子弧将电弧的弧柱区压缩，使弧柱的能量密度、温度和等离子流速度显著增大电弧变成等离子弧（图10-5）温度达2400050000k能量密度105106w/cm23电渣热金属盐和氧化物熔
4、融时，正负离子产生定向移动而导电，并释放热量（图10-6）4电子束W加热2600k，产生大量电子电子加速（km/s）能量密度比电弧能量密度大1000倍使金属瞬间熔化或气化（图10-7a），穿透能力强，可焊200mn钢板5激光束具有单波长、单色性、方向性强，使金属瞬间熔化或气化，但光热效应只在表层，穿透能力较差（图10-7 b）焊薄壁件、小件。（二）熔池的保护1渣保护（图10-8）熔池上覆盖一层熔渣 防止金属氧化、吸气（使熔池与空气隔离） 向熔池过渡合金元素，提高焊接性能减少散热，提高生产率2气保护（保护熔池和熔滴）惰性气体，高温下不分解（氩气），或是低氧化性的不溶于液态金属的双原子气体（如CO
5、2）（图10-9）3渣气联合保护渣保护和气保护联合作用（图10-10）如：焊条的药皮及二氧化碳加药芯造渣剂、造气剂 单-CO2气保护易产生飞溅、气孔和合金元素氧化烧损。（三）填充金属焊芯与焊丝焊缝较宽时，采用焊丝补充填满焊缝为提高性能，用焊丝和焊芯（填充金属）过渡合金元素常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝、不锈钢丝（表10-5）焊条钢芯牌号及应用（表10-6）焊丝牌号、特点及应用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10-3 焊接接头的组织与性能一、焊接热循环在焊接加热和冷却过程中，焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化的过程，称焊接热循环。（图10-11）焊
6、接热循环特征。*焊接热影响区受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域称焊接热影响区 *焊接接头的组成：焊缝区 热影响区二、焊缝的组织和性能 小熔池炼钢冷却快化学成分控制严格焊缝金属的强度与母材相当（等强度）一次结晶从熔池液态金属凝固为焊缝金质的结晶过程如：低碳钢一次冷却结晶奥氏体二次结晶其后的冷却过程中固态的焊缝金属继续发生组织转变，叫二次结晶。如：奥氏体（二次结晶）珠光体+铁素体三、热影响区的组织和性能（图10-13）四、影响焊接接头性能的因素 1焊剂与焊丝焊缝的化学成分2焊接方法焊缝性能不同3焊接工艺参数影响输入焊接接头热量的大小4熔合比（图10-14） 焊缝化学成分 S
7、m/（StSm）Sm母材所占面积 St 填充金属所占面积5焊后热处理正火细化组织、改善接头性能10-4 焊接变形和焊接应力构件焊接以后，内部会产生焊接残余应力，同时产生焊接变形，当构件承受外载后，焊接应力与外载应力相迭加，造成局部区域应力过高，使构件产生新的塑性变形、生成裂缝，甚至导致整个构件断裂。故设计和制造焊接结构时，必须设法减小焊接应力和防止变形超过允许值。一、焊接应力与变形产生的原因（图10-15）加热和冷却时的应力与变形图a 自由状态无应力和变形图b 刚性夹持加热时，产生塑性压缩变形 冷却时，只有残余应，而无残余变形图c 非刚性夹持加热时，产生一定量压缩变形冷却时，残余应力，残余变形
8、即拘束很大（刚性夹持大平板对接）有残余应力，无残余变形，拘束较小（小板对接焊）既有残余应力，又有残余变形，二、焊接变形与应力的危害对结构的制造和使用产生不到，从而影响焊件质量，且焊件变形会产生附加应力，降低承载能力。引起裂纹、甚至脆断，且使构件尺寸不稳定。三、焊接应力和变形的防止1焊接应力的防止及消除残余应力局部加热或冷却受阻而产生 （图10-16）焊接残余应力的分布措施：2焊接变形的防止和消除因焊接而产生的变形是多种多样的，最常见的有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丁字梁焊接时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向
9、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变形（翘曲变形）矫正 机械矫正法（图10-25） 火焰矫正法（图10-26）10-5 焊接缺陷主要有：焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔、外观缺陷等危害最大焊接裂纹和气孔一、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 （图10-27）焊道下裂纹热影响
10、区内形成焊趾裂纹应力集中的焊趾处，扩展焊根裂纹焊缝根部形成特征无分支，通常穿晶型，表面冷裂纹无氧化色彩最常见延迟裂纹（延迟一段时间才发生）（2）延迟裂纹产生原因（3）防止延迟裂纹的措施二、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 一氧化碳气体 氮气孔防止办法烘干焊条、焊剂、（采用碱性焊条）等10-6 焊接检验保证焊接接头质量，防止有缺陷焊缝投入使用一、焊接检验过程焊前检验、焊接生产中的检验、焊后成品检验 外观检验 x光检验，水压试验二、外观检验三、无损检验 磁粉
11、检验 着色检验 超声波检验 X射线、射线检验四、力学性能试验拉伸试验、冲击试验、弯曲及压扁硬度、疲劳试验五、密封性检验容器或管道静气压试验煤油检验水压试验10-7 熔焊方法及工艺一、手弧焊（手工电弧焊）1手弧焊的原理药皮和焊芯为电极，工件为另一电极，短路引燃电弧 电弧高温下 药皮产生大量气体和熔渣（气-渣联合保护），焊芯熔化后形成焊缝（保证化学成分和力学性能）2手弧焊的工艺（1）直流手弧焊（10-32）直流正接工件接正极，（厚板的焊接）直流反接焊条正极，（薄板的快速焊接）（2）交流手弧焊50Hz 工频交流电，工件和焊条每秒交换正负极100次，两极不存在温度差酸性焊条的焊接（3）焊条的型号和牌号
12、型号国际通用标准型号 EEElectrode电焊条 熔敷金属的最小抗拉强度（MPa）焊接位置电流种类、药皮类型牌号我国行业标准JxxxJ（结构钢）AxxxA（奥氏体钢）ZxxxZ（铸铁）注焊条牌号应符合相应的焊条型号如：J422 符合E4303 J507符合E5015（4）酸性焊条与碱性焊条酸性药皮不含CaF 气体 H2 、Co 脱S，P能力差，韧性差碱性大量CaCO3和CaF 气体 CO、CO2，脱S、P能力强，韧性好 适用场合手弧焊主要用于低碳钢（焊接性好）特点生产率低，金属浪费大，只用于单件，小批量短焊缝二、埋弧焊1原理及特点埋弧自动焊用焊剂进行渣保护，焊丝为电极，在焊剂层下引燃电弧燃烧
13、。（图10-33）可实现大电流高速焊接金属利用率高，焊接质量好，劳动条件好，适合于平直长焊缝、环焊缝2埋弧焊的工艺（1）焊前准备I型坡口板厚14mm Y型坡口1422mm 双Y型坡口2250mm（或U型坡口）（2）平板时接焊 （图10-35）双面焊 （图10-35）a 最常用（3）环焊缝（图10-36）（4）多丝埋弧焊3埋弧焊的应用 压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接等。三、气体保护焊1氩弧焊利用氩气保护电弧热源及焊缝区钨极氢弧焊（图10-37）熔化极氩弧焊（图10-38）脉冲氩弧焊（图10-39）特点应用易氧化的非铁金属和合金钢的焊接（Al、 Ti、不锈钢）2CO2焊（CO2气体保护焊）以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢，薄板的焊接。四、电
