41焊接成形技術(shù)

1、第四章 焊接成形技術(shù) 焊接是指通過加熱或加壓的手段通過加熱或加壓的手段，使分離的焊件通過原子擴(kuò)散與結(jié)合從而形成永久性連接的加工方法。 焊接的優(yōu)點(diǎn)成形方便：方法靈活多變，工藝簡(jiǎn)單，能在較短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)。結(jié)合大型、復(fù)雜零件時(shí)，可結(jié)合鑄件、鍛件、沖壓件，化大為小，化雜為簡(jiǎn)。適應(yīng)性強(qiáng)：微型、大型和復(fù)雜金屬構(gòu)件；高溫高壓等化工設(shè)備；單件及各種批量生產(chǎn)。成本低廣泛應(yīng)用于車輛、船舶、航空航天、電機(jī)電器等，及重大工程建設(shè)中。焊接的分類熔熔焊焊氣氣 焊焊電弧焊電弧焊電渣焊電渣焊等離子焊等離子焊電子束焊電子束焊激光焊激光焊熱劑焊熱劑焊焊條電弧焊焊條電弧焊埋弧焊埋弧焊氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊壓壓焊焊電阻焊

2、電阻焊摩擦焊摩擦焊氣壓焊氣壓焊冷壓焊冷壓焊超聲波焊超聲波焊高頻焊高頻焊爆炸焊爆炸焊點(diǎn)點(diǎn) 焊焊縫縫 焊焊對(duì)對(duì) 焊焊釬釬焊焊軟釬焊軟釬焊硬釬焊硬釬焊熔化焊：利用外加熱源使焊件局部加熱至熔化狀態(tài)，一般同時(shí)熔入填充金屬，然后冷卻結(jié)晶成一體的焊接方法。 特點(diǎn)：加熱溫度較高，焊件易變形。但接頭表面的清潔程度要求不高，操作方便，適用于各種常用金屬焊接，應(yīng)用廣。壓力焊：對(duì)焊件加壓或同時(shí)加熱，使其接頭處緊密接觸并發(fā)生塑性變形，從而形成原子間結(jié)合的焊接方法。只適用于塑性較好的金屬材料的焊接。 釬焊：加熱僅使熔點(diǎn)低于焊件金屬的填充料即釬料熔化，填充到接頭間隙后冷卻凝固而完成焊接的方法。 特點(diǎn)：不僅適于同種或異種金屬

3、的焊接，而且適于金屬與玻璃、陶瓷等非金屬的焊接。目 錄第一節(jié) 焊條電弧焊 第二節(jié) 其它常用焊接方法 第三節(jié) 常用金屬材料的熔焊特點(diǎn) 第四節(jié) 焊件的選材和結(jié)構(gòu)工藝性 第一節(jié) 焊條電弧焊一、焊接電弧和焊接冶金過程一、焊接電弧和焊接冶金過程1焊接電弧焊接電弧定義：焊接時(shí)母材和焊條之間的氣體介質(zhì)被電離而產(chǎn)生的強(qiáng)烈的連續(xù)、持久放電現(xiàn)象。電子流由陰極陽極。焊接電弧的組成 焊接電弧包括陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱三部分。陰極區(qū)陰極區(qū)因發(fā)射大量電子而消耗一定能量，產(chǎn)生熱量少；溫度約為2400k；陽極陽極表面受高速電子撞擊，傳入較多能量，因而產(chǎn)生熱量較多。溫度約為2600k；弧 柱:中心的溫度可達(dá)6000k8000k。

4、焊接電弧的產(chǎn)生 電焊機(jī) 焊條 陰極區(qū) 陽極區(qū) 弧柱 av圖4-1 焊接電弧的產(chǎn)生陰極區(qū)：2400k 陽極區(qū)：2600k 弧柱區(qū)中心：6000k8000k焊接方式直流正接：直流正接： 直流電焊機(jī)工件為正極工件為正極（接陽極），焊條為焊條為負(fù)極負(fù)極（接陰極） ；電弧熱量主要集中于焊件，利于其熔化，適于焊接較厚工件。直流反接：直流反接： 直流電焊機(jī)工件為負(fù)極，焊條為正極工件為負(fù)極，焊條為正極。適于焊接有色金屬及薄鋼板，以免燒穿焊件。電弧的極性與應(yīng)用直流電源焊接時(shí)的正接和反接自流電焊機(jī)焊鉗焊條工件（a） 正接（+）（）自流電焊機(jī)焊鉗焊條工件（b） 反接（）（+）采用交流電焊機(jī)焊接時(shí)，因正負(fù)極交替變化，

5、故無正、反接之分。2 2焊接的冶金過程特點(diǎn)焊接的冶金過程特點(diǎn) 進(jìn)行電弧焊時(shí)，被熔化的金屬、熔渣和氣體之間進(jìn)行著一系列的物理化學(xué)反應(yīng)。如金屬的氧化與還原，氣體的溶解與析出，雜質(zhì)去除等。因此焊池可視為一個(gè)微型冶金爐。 但焊接的冶金過程不同于一般的冶煉過程。存在以下特點(diǎn)：焊條電弧焊的焊接過程焊條電弧焊的焊接過程焊條電弧焊的焊接過程金屬熔滴金屬熔滴焊件焊件焊縫焊縫熔池熔池焊條芯焊條芯液態(tài)熔渣液態(tài)熔渣固態(tài)渣殼固態(tài)渣殼焊條藥皮焊條藥皮氣體氣體焊接冶金過程特點(diǎn)焊接冶金過程特點(diǎn) a.冶金過程短：熔化速度快熔化速度快，凝固時(shí)間短凝固時(shí)間短（10s），各種化學(xué)反應(yīng)不充分化學(xué)反應(yīng)不充分，因此焊縫中化學(xué)成分不夠化學(xué)成

6、分不夠均勻均勻。 b.冶金溫度高：焊接碳素結(jié)構(gòu)鋼和普通低合金鋼時(shí)，熔滴的平均溫度約2300，熔池在1600 以上，易造成合金元素的燒損與蒸發(fā)。c.冶金條件差：o、h、n等氣體分子易與熔池中的fe、mn、si等有益元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成合造成合金元素的燒損金元素的燒損,使焊縫塑性和韌性顯著下降。使焊縫塑性和韌性顯著下降。 空氣中的水分、油、銹等，高溫分解出氫原子融入液態(tài)金屬，使焊縫中h，產(chǎn)生產(chǎn)生“氫脆氫脆”，從而引起冷裂紋和形成氣孔。 由于冷卻較快，熔入高溫氣體和雜質(zhì)來不及析出，易于形成氣孔和夾渣形成氣孔和夾渣。 保證焊接質(zhì)量措施 防止周圍有害氣體侵入金屬熔池； 控制焊縫金屬的化學(xué)成分，補(bǔ)充易燒

7、損的合金元素； 進(jìn)行脫o、s、p，減少焊接缺陷。二、焊接接頭的組織和力學(xué)性能二、焊接接頭的組織和力學(xué)性能 1焊接接頭焊接接頭焊縫金屬區(qū)域、熔合區(qū)和因焊接熱而產(chǎn)生的影響區(qū)稱為焊接接頭。 焊縫金屬溫度最高，熱影響區(qū)溫度由內(nèi)至外逐漸降低。焊縫金屬焊縫金屬熱影響區(qū)熱影響區(qū)母材母材圖圖4-2 4-2 焊接接頭焊接接頭熔合區(qū)熔合區(qū)2焊接接頭的組織和力學(xué)性能焊接接頭的組織和力學(xué)性能 熔化焊使焊縫及其附近的母材經(jīng)歷了一個(gè)快速加熱和冷卻的過程。由于溫度分布不均，焊縫受到一次復(fù)雜的冶金過程，焊縫附近的金屬受到一次不同規(guī)范的熱處理，因而會(huì)發(fā)生相應(yīng)的組織與性能的變化，直接影響焊接質(zhì)量。（1）焊縫金屬區(qū)焊縫金屬區(qū) 加熱

8、時(shí)焊縫處溫度高于液相線，母材與填充金屬形成共同熔池，冷凝時(shí)液態(tài)金屬自熔合區(qū)向焊縫中心方向結(jié)晶，最后形成柱狀晶粒組織；柱狀晶粒組織；雜質(zhì)、氣泡和裂紋易產(chǎn)生于中心部位。 冷速快，金屬晶粒細(xì)，因此焊縫區(qū)的金屬?gòu)?qiáng)度焊縫區(qū)的金屬?gòu)?qiáng)度不低于母材不低于母材。 焊縫金屬的結(jié)晶示意圖焊縫金屬的結(jié)晶示意圖焊件晶粒焊件晶粒熔合線熔合線柱狀晶粒柱狀晶粒熔池熔池（2）熔合區(qū)熔合區(qū) 溫度介于液、固相線之間，為焊縫和母材的過渡區(qū)。已熔金屬結(jié)晶為鑄態(tài)組織，未熔晶粒受高溫影響晶粒粗大，力學(xué)性能很差。寬度不大（0.10.4mm），卻是產(chǎn)生裂紋和局部脆性破壞的發(fā)源地。低碳鋼的焊接接頭組織圖圖4-3 低碳鋼的焊接接頭組織低碳鋼的焊接

9、接頭組織正火區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)部分相變區(qū)熔合區(qū)熔合區(qū)過熱區(qū)過熱區(qū)焊縫金屬焊縫金屬1100tm（3 3）熱影響區(qū)）熱影響區(qū) 因焊接熱而使焊縫附近區(qū)域的母材產(chǎn)生組織變化的部位稱為熱影響區(qū)熱影響區(qū)。 根據(jù)距離焊縫區(qū)的遠(yuǎn)近，分為三個(gè)區(qū)域：過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)。低碳鋼的焊接接頭組織圖圖4-3 低碳鋼的焊接接頭組織低碳鋼的焊接接頭組織正火區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)部分相變區(qū)熔合區(qū)熔合區(qū)過熱區(qū)過熱區(qū)焊縫金屬焊縫金屬熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭的組織和性能最差的部位的組織和性能最差的部位。 1100tm熱影響區(qū). .過熱區(qū)過熱區(qū) 1100ctm，粗大的過熱組織，塑性和韌性顯著下降。易產(chǎn)生易產(chǎn)

10、生焊接裂紋。焊接裂紋。. .正火區(qū)正火區(qū) ac31100c，相當(dāng)于正火熱處理，冷卻獲得細(xì)小的亞共析鋼組織。力學(xué)性能優(yōu)于母材。 . .部分相變區(qū)部分相變區(qū) ac1ac3，加熱時(shí)組織為f晶粒+粗大a，冷卻后ap，f保持粗大晶粒。晶粒大小不均，力學(xué)性能低于正火區(qū)。 3影響焊接接頭性能的主要因素影響焊接接頭性能的主要因素 注意：注意：熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭的組織熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭的組織和性能最差的部位和性能最差的部位，其寬度越大，越易產(chǎn)，其寬度越大，越易產(chǎn)生焊接裂紋生焊接裂紋。 影響焊接接頭性能的主要因素有母材、焊接方法、焊接工藝參數(shù)、接頭與坡口形式和焊后冷卻速度等。 表4-1 不同方法焊接低

11、碳鋼時(shí)熱影響區(qū)的平均尺寸 焊接方法焊接方法各各 區(qū)區(qū) 平平 均均 尺尺 寸寸熱影響區(qū)熱影響區(qū)總寬度總寬度過熱區(qū)過熱區(qū)正火區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)部分相變區(qū)焊條電弧焊焊條電弧焊2.23.02.23.01.52.51.52.52.23.02.23.05.98.55.98.5埋弧自動(dòng)焊埋弧自動(dòng)焊0.81.20.81.20.81.70.81.70.71.00.71.02.33.92.33.9電電 渣渣 焊焊182018205.07.05.07.02.03.02.03.025302530氣氣 焊焊21214.04.02.02.02727三、焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形 1焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生 焊接過程中對(duì)焊件

12、進(jìn)行不均勻加熱和冷卻是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。無論膨脹還是收縮，焊縫區(qū)金屬的變化程度均大于母材，產(chǎn)生應(yīng)力，繼而發(fā)生變形。 l l(+) (-) (a) 加熱時(shí)的應(yīng)力和變形加熱時(shí)的應(yīng)力和變形圖圖4-44-4 平板對(duì)焊時(shí)應(yīng)力和變形的平板對(duì)焊時(shí)應(yīng)力和變形的形成原理示意圖形成原理示意圖 l l(+) (-) (b) 冷卻時(shí)的應(yīng)力和變形冷卻時(shí)的應(yīng)力和變形焊接變形的基本形式縱向和橫向縱向和橫向收縮變形收縮變形角變形角變形彎曲變形彎曲變形扭曲變形扭曲變形波浪變形波浪變形圖圖4-54-5 焊接變形的基本形式焊接變形的基本形式焊接應(yīng)力不可避免，當(dāng)焊接應(yīng)力s時(shí)，焊件產(chǎn)生變形。應(yīng)力b時(shí)，焊件將會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷

13、裂。 焊接應(yīng)力對(duì)零件使用性能的影響 焊接應(yīng)力的存在，對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、使用性能及焊后機(jī)械加工精度都有很大影響，從而影響焊件的使用壽命，甚至導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件斷裂而報(bào)廢。 因此設(shè)計(jì)和制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減少焊接應(yīng)力與變形。 2減小焊接應(yīng)力和變形的措施 1）合理設(shè)計(jì)焊件結(jié)構(gòu) 盡量減少焊縫長(zhǎng)度和截面積，避免密集交叉的焊縫，焊縫盡量分散、并對(duì)稱分布。2）合理選擇焊接順序.應(yīng)該使焊接時(shí)焊縫的縱向和橫向都能自由收縮，以避免焊縫交叉處應(yīng)力過大產(chǎn)生裂紋。先焊錯(cuò)開的短焊縫，再焊直通長(zhǎng)焊縫。 焊接順序不合理焊接順序不合理 1 a 2焊接順序合理焊接順序合理 1 22）合理選擇焊接順序.當(dāng)焊縫較長(zhǎng)時(shí)，可采用分段退焊法或跳焊法等

14、進(jìn)行焊接，使溫度分布較均勻，減少焊接應(yīng)力和變形。 分段逆焊法分段逆焊法總焊接方向總焊接方向1 2 3 4 5 6分段跳焊法分段跳焊法總焊接方向總焊接方向 1 3 5 2 4 62）合理選擇焊接順序.若焊件具有對(duì)稱布置的焊縫，應(yīng)采用對(duì)稱焊接的順序。 厚板的焊接厚板的焊接 6 3 2 4 1 5工字梁的焊接工字梁的焊接 2 4 1 33）焊前預(yù)熱 預(yù)熱后焊接可減少工件各部位溫差，焊后冷卻時(shí)，加熱區(qū)與焊縫同時(shí)收縮，以減小應(yīng)力與變形。 焊前焊前焊后焊后加熱區(qū)加熱區(qū)4）采用反變形法 焊前將工件放在與焊接變形方向相反的位置上或焊前將工件反向變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形，使結(jié)構(gòu)得到正確形狀。 焊前焊后焊后焊前

15、5）剛性固定法 采用夾具將工件剛性固定或臨時(shí)點(diǎn)焊在工作臺(tái)上，然后進(jìn)行焊接的一種方法。此法焊接可有效的防止薄板的波浪變形，但焊接殘余應(yīng)力較大，只適于塑性好的低碳鋼結(jié)構(gòu) 。 臨時(shí)焊點(diǎn)焊件平臺(tái)壓鐵減小焊接應(yīng)力和變形的措施6 6）錘擊焊縫）錘擊焊縫 每焊一道焊縫后，用圓頭小錘對(duì)紅每焊一道焊縫后，用圓頭小錘對(duì)紅熱狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行均勻迅速的錘熱狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行均勻迅速的錘擊，使金屬產(chǎn)生塑性變形延伸，抵擊，使金屬產(chǎn)生塑性變形延伸，抵消一部分焊接收縮變形，從而減少消一部分焊接收縮變形，從而減少焊接應(yīng)力和變形焊接應(yīng)力和變形 。7）焊后熱處理 焊后立即采取去應(yīng)力退火的方法，將焊后立即采取去應(yīng)力退火的方法，將焊件整

16、體或局部加熱到焊件整體或局部加熱到600650c ，保，保溫一定時(shí)間后，緩慢冷卻，可消除焊接溫一定時(shí)間后，緩慢冷卻，可消除焊接殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力80%90%。3焊接變形的矯正 若焊件變形量超過允許值，應(yīng)對(duì)焊件進(jìn)行矯正。機(jī)械矯正法：利用外力如通過壓力機(jī)、錘擊等方法矯正塑性較好、厚度較小的焊件。 機(jī)械矯正法機(jī)械矯正法壓頭壓頭支撐支撐pl焊接變形的矯正火焰矯正法：利用火焰對(duì)焊件的某些部位進(jìn)行局部加熱，冷卻后焊件上部沿縱向產(chǎn)生較大的塑性變形，來抵消構(gòu)件在該部分已產(chǎn)生的變形，從而使焊件得以矯正。加熱位置、加熱溫度、加熱面積的選擇需有經(jīng)驗(yàn)可考。 圖圖4-64-6 火焰矯正法火焰矯正法加熱區(qū)加熱區(qū)上拱上拱四、

17、電焊條 1電焊條的分類和型號(hào) 組成：一般電弧焊所使用的電焊條由焊芯焊芯和藥皮藥皮兩部分。 焊芯：導(dǎo)電、熔化后作為填充金屬 藥皮：提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，保護(hù)溶池，脫氧，補(bǔ)充合金元素，提高焊縫的力學(xué)性能。 （1）焊條的分類 .酸性焊條：熔渣以酸性氧化物（tio2、sio2、fe2o3、p2o5）為主。優(yōu)點(diǎn)：電弧穩(wěn)定，易脫渣，飛濺小，對(duì)油、銹、水的敏感性小，不易形成氣孔，焊接電源可采用交流或直流等； 缺點(diǎn)：熔渣氧化性強(qiáng)，c、si、mn等合金元素?zé)龘p大，焊縫金屬雜質(zhì)多，故塑性和韌性差，抗裂性差。 應(yīng)用：低碳鋼和不重要結(jié)構(gòu)件的焊接。 .堿性焊條：熔渣以堿性氧化物（cao、mno、na2o、mgo）為主。

18、優(yōu)點(diǎn)：焊縫金屬中mn含量多，有害元素（s、p等）比酸性焊條少，故焊縫金屬的塑性、韌性好，抗裂性強(qiáng)； 缺點(diǎn)：電弧穩(wěn)定性差，易飛濺，不易脫渣，對(duì)油、銹、水的敏感性大，工藝性與抗氣孔性差。 應(yīng)用：用直流電源，重要結(jié)構(gòu)件的焊接，如船舶、壓力容器等。 （2）焊條的型號(hào) 碳鋼焊條的型號(hào)(gb/t511795)示意如下:e e 電源種類和藥皮類型電源種類和藥皮類型 焊縫的空間位置焊縫的空間位置 熔敷金屬的熔敷金屬的b最小值最小值 kgf/mm2 電極焊條電極焊條碳鋼焊條的型號(hào)、焊接位置碳鋼焊條的型號(hào)、焊接位置第三位數(shù)字表示焊接位置 “0”和“1”適用于全位置焊接（平、立、仰、橫）； “2”適用于平焊和平角焊

19、； “4”適用于向下立焊； 碳鋼焊條的藥皮類型、電流種類碳鋼焊條的藥皮類型、電流種類第三位和第四位數(shù)字組合表示焊接電源種類和藥皮類型。其中“03”為鈦鈣型藥皮，適于交流或直流正、反接電源； “15”為低氫鈉型藥皮，適于直流反接電源； “22”為氧化鐵型，交流或直流正接。常見碳鋼焊條牌號(hào)： e4303、e5015、e5016等。 碳鋼焊條的型號(hào)、藥皮類型、焊接位置及電流種類碳鋼焊條的型號(hào)、藥皮類型、焊接位置及電流種類 標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)商用牌號(hào)商用牌號(hào)藥藥 皮皮 類類 型型焊焊 接接 位位 置置電電 流流 種種 類類e000特殊型特殊型不規(guī)定不規(guī)定交流或直流正、反接交流或直流正、反接e013鈦鐵礦

20、型鈦鐵礦型平、立、仰、橫平、立、仰、橫交流或直流正、反接交流或直流正、反接e032氧化鈦鈣型氧化鈦鈣型平、立、仰、橫平、立、仰、橫交流或直流正、反接交流或直流正、反接e10-高纖維鈉型高纖維鈉型平、立、仰、橫平、立、仰、橫直流反接直流反接e115高纖維鉀型高纖維鉀型平、立、仰、橫平、立、仰、橫交流或直流反接交流或直流反接e12-高鈦鈉型高鈦鈉型平、立、仰、橫平、立、仰、橫交流或直流正接交流或直流正接e131高鈦鉀型高鈦鉀型平、立、仰、橫平、立、仰、橫交流或直流正、反接交流或直流正、反接e157低氫鈉型低氫鈉型平、立、仰、橫平、立、仰、橫直流反接直流反接標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)商用牌號(hào)商用牌號(hào)藥藥 皮皮 類類 型型焊焊 接接 位位 置置電電 流流 種種 類類e204氧化鐵型氧化鐵型平角焊平角焊交流或直流正接交流或直流正接e22平平交流或直流正、反接交流或直流正、反接e232鐵鐵鈦粉鈦鈣型鈦粉鈦鈣型平、平角焊平、平角焊交流或直流正、反接交流或直流正、反接e241鐵鐵鐵粉鈦型鐵粉鈦型交流或直流正接交流或直流正接e274鐵鐵鐵粉氧化鐵型鐵粉氧化鐵型交流或直流反接交流或直流反接e186鐵鐵鐵粉低氫型鐵粉低氫型平、立、仰、橫平、立、仰、橫交流或直流反接交