第十三章焊接工藝基礎(chǔ)

2/4/2023螺紋連接（機(jī)械）鉚接（機(jī)械）粘接（物化連接）焊接（冶金連接）第4篇焊接材料連接的方法有螺紋連接、銷釘連接、鉚接及焊接等多種。2/4/2023本章重點：深刻地理解焊接工程的基本理論；對焊接接頭的組織與性能、焊接應(yīng)力與變形的形成過程有清楚的認(rèn)識；掌握防止和消除焊接變形的常用方法。第13章焊接工藝基礎(chǔ)13.1概述13.2電弧焊工藝基礎(chǔ)13.3焊接接頭的組織與性能13.4焊接應(yīng)力與變形焊接作業(yè)：P19913.6、13.72/4/2023焊接方法的應(yīng)用：

（1）制造金屬結(jié)構(gòu)件（2）制造機(jī)器零件和工具（3）修復(fù)13．1概述焊接：是通過加熱或加壓，或者兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件達(dá)到原子結(jié)合的一種方法。焊接方法：熔化焊、壓力焊、釬焊等。焊接的主要特點是：

（1）節(jié)省材料，減輕質(zhì)量；（2）簡化復(fù)雜零件和大型零件的制造；（3）適應(yīng)性好；可實現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)；（4）滿足特殊連接要求；可實現(xiàn)不同材料間的連接成型；（5）降低勞動強(qiáng)度，改善勞動條件。2/4/2023焊接方法壓力焊摩擦焊超聲波焊爆炸焊擴(kuò)散焊高頻焊釬焊及封粘軟釬焊硬釬焊封接粘接熔焊電弧焊電渣焊等離子弧焊電子束焊激光焊手弧焊氣體保護(hù)焊埋弧焊電阻焊2/4/2023氣門芯2/4/202313.2.1熔焊的本質(zhì)及特點熔化焊的本質(zhì)是小熔池熔煉與鑄造，是金屬熔化與結(jié)晶的過程。熔池存在時間短，溫度高；冶金過程進(jìn)行不充分，氧化嚴(yán)重；熱影響區(qū)大。冷卻速度快，應(yīng)力大，結(jié)晶后易生成粗大的柱狀晶。13．2電弧焊工藝基礎(chǔ)

2/4/2023熔化焊的三要素

熔池的保護(hù)可用渣保護(hù)、氣保護(hù)和渣-氣聯(lián)合保護(hù)。以防止氧化，并進(jìn)行脫氧、脫硫和脫磷，給熔池過渡合金元素。填充金屬保證焊縫填滿及給焊縫帶入有益的合金元素，并達(dá)到力學(xué)性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊絲。熱源能量要集中，溫度要高。以保證金屬快速熔化，減小熱影響區(qū)。滿足要求的熱源有電弧、等離子弧、電渣熱、電子束和激光。2/4/2023焊接電弧

電弧是指兩電極之間強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強(qiáng)。將電弧放電用作焊接熱源，既安全，加熱效率也高。電弧的三個區(qū)

陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)焊接電弧的溫度oC和熱量分布溫度oC熱量分布

陽極區(qū)：260043％

弧柱區(qū)：6000～800021％

陰極區(qū)：240036％2/4/2023由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽極和陰極上有一定的差異，在使用直流電焊機(jī)焊接時，有兩種接線方法：直流正接：焊件接正極，焊條接負(fù)極（厚板、酸性焊條）直流負(fù)接：焊件接負(fù)極，焊條接正極（薄板、堿性低氫焊條、低合金鋼和鋁合金）2/4/2023藥皮燃燒后與液體金屬起物理化學(xué)作用，所形成的熔渣和氣體可防止空氣中氧、氮的侵入，其保護(hù)熔化金屬的作用。13.2.2電弧焊的焊接過程：手工電弧焊是利用焊條與工件間產(chǎn)生的電弧熱，將工件熔化而進(jìn)行焊接的。電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件（基本金屬）和焊條同時熔化成為熔池，焊條金屬熔滴借重力和電弧氣體吹力的作用逐漸過渡到熔池當(dāng)中。2/4/2023電弧焊的冶金過程特點：電弧和熔池金屬溫度高于一般的冶煉溫度。使金屬元素強(qiáng)烈蒸發(fā)，導(dǎo)致金屬燒損或形成有害雜質(zhì)。金屬熔池體積小，熔池處于液態(tài)的時間很短，一般在１０秒左右。導(dǎo)致化學(xué)成分不夠均勻，氣體和雜質(zhì)來不及浮出，易產(chǎn)生氣孔和夾雜等缺陷。熔池不斷更新，有害氣體容易進(jìn)入熔池，形成氧化物、氣孔、雜質(zhì)等缺陷。2/4/2023

焊劑保護(hù)的效果形成熔融的液態(tài)焊劑薄膜，使熔池與空氣隔絕，大大減少焊縫中的含氣量，提高焊縫韌性。延長熔池存在時間，加強(qiáng)了冶金反應(yīng)，有利于氣孔、夾渣的析出。13.2.3熔池的保護(hù)焊劑是由SiO2，MnO、MgO及CaF等組成的硅酸鹽。2/4/2023渣保護(hù)

為了使熔池與空氣隔離，可在熔池上覆蓋一層熔渣一方面防止金屬氧化和吸氣另一方面向熔池過渡合金元素，提高焊縫性能同時，還可以減少散熱，提高生產(chǎn)率，防止強(qiáng)光輻射2/4/2023氣保護(hù)用于保護(hù)熔池和溶滴的氣體應(yīng)是惰性氣體，并在高溫下不分解，或是低氧化性的不溶于金屬液體的雙原子氣體(如Ar或CO2)。噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能使氣體以層流流出。2/4/2023CO2氣體CO2為無色無味氣體，密度是空氣的1.5倍，在常溫下很穩(wěn)定，但在高溫下易分解。CO2氣體密度大，受熱后體積膨脹大，所以在隔離空氣保護(hù)焊接熔池和電弧方面，效果良好。但CO2氣體為氧化性氣體，在高溫下將分解為CO和O2：

CO2

＝CO+O2所以二氧化碳在高溫時有強(qiáng)烈的氧化性。氬氣氬氣為惰性氣體，高溫下不溶入液態(tài)金屬，也不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，氬氣是一種理想的保護(hù)氣體。由于氬弧溫度高，因此一旦引燃，電弧就很穩(wěn)定。氬弧焊一般要求氬氣純度達(dá)99.9%氬弧焊對焊前的除油、去銹、去水等準(zhǔn)備工作要求嚴(yán)格2/4/2023渣-氣聯(lián)合保護(hù)利用渣的良好的冶金反應(yīng)和焊縫成型特點以及氣體的優(yōu)良電弧熱效率和穩(wěn)弧作用，可獲得良好的熔池保護(hù)效果。如焊條的藥皮及二氧化碳加藥芯。2/4/2023填充金屬填滿焊縫，提高焊縫性能，使焊縫與母材等強(qiáng)度，用焊絲和焊芯（填充金屬）過渡合金元素。常用的焊條鋼芯為碳素鋼絲、合金鋼絲和不銹鋼絲。2/4/202313.2.4電焊條電焊條的組成及作用組成：焊芯和藥皮作用：焊芯—填充金屬藥皮—穩(wěn)弧、造氣、造渣、脫氧、合金、粘結(jié)等。藥皮必須含有造氣劑和造渣劑。藥皮中還應(yīng)含有穩(wěn)弧劑和合金化劑，以及脫氧劑、脫硫劑和去氫劑等。焊條的種類和編號種類：結(jié)構(gòu)鋼焊條、鉬及鉻鉬耐熱鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、鈦及鈦合金焊條、鋁及鋁合金焊條、銅及銅合金焊條、特殊用途焊條。編號：以結(jié)構(gòu)鋼焊條為例：Ｊ422

其中：Ｊ——結(jié)構(gòu)鋼焊條４２——焊縫金屬抗拉強(qiáng)度大于等于４２０ＭＰ２——藥皮類型（鈦鈣型）和電源種類（交直流）Ｊ5077——低氫，直流2/4/2023酸性藥皮與堿性藥皮兩者的性質(zhì)堿性藥皮在高溫下，易生成較多的有毒物質(zhì)（HF等），因而應(yīng)注意通風(fēng)。堿性藥皮氧化性強(qiáng)，對銹、油、水的敏感性大，易產(chǎn)生飛濺和CO氣孔。堿性藥皮中因不含有機(jī)物，也稱低氫型藥皮。可以提高焊縫金屬的抗裂性。酸性藥皮工藝性好，而堿性藥皮工藝性差。堿性藥皮中有益元素多，能使焊接接頭力學(xué)性能提高。2/4/2023電焊條的選用原則焊接不銹鋼或耐熱鋼等有特殊性能要求的鋼材，應(yīng)選用相應(yīng)的專用焊條。低碳鋼與低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接，可按某一種鋼接頭中強(qiáng)度較低的鋼材來選用相應(yīng)的焊條。同一強(qiáng)度等級的酸性焊條和堿性焊條的選用。主要應(yīng)考慮：焊接件的結(jié)構(gòu)形狀、鋼板厚度、載荷性質(zhì)和抗裂性能而定。等強(qiáng)度原則：低碳鋼和普通低合金鋼構(gòu)件，一般都要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度，因此可根據(jù)鋼材強(qiáng)度等級來選用相應(yīng)的焊條。2/4/2023焊縫區(qū)的高溫向工件金屬傳導(dǎo)熱量，必然引起焊縫及附近區(qū)域金屬的組織和性能發(fā)生變化。焊縫區(qū)——在焊接接頭橫截面上測量的焊縫金屬的區(qū)域。熔合區(qū)——熔合線兩側(cè)有一個很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)。熱影響區(qū)---受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材因焊接熱作用發(fā)生組織或性能變化的區(qū)域（過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)）。熱影響區(qū)中的過熱區(qū)，對焊接接頭有不利影響，應(yīng)使之盡可能減小。熔合區(qū)成分不均，組織為粗大的過熱組織或淬硬組織，是焊接接頭中的最差的部位。

13.3焊接接頭的組織與性能

2/4/2023焊縫熱影響區(qū)在低碳鋼焊接接頭中，熔合區(qū)很窄，但因強(qiáng)度、塑性和韌性都下降，而且此處接頭斷面變化，引起應(yīng)力集中，在很大程度上決定焊接接頭的性能。2/4/2023焊縫的組織和性能熱源移走后，熔池焊縫中的液體金屬立刻開始冷卻結(jié)晶，以垂直熔合線的方式向熔池中心生長為柱狀樹枝晶。低熔點物質(zhì)將會被推向焊縫最后結(jié)晶部位，形成成分偏析。2/4/2023

焊接接頭熱循環(huán)的特點是：加熱和冷卻速度很快，對易淬火鋼，易導(dǎo)致馬氏體相變；對其它材料，易產(chǎn)生焊接變形、應(yīng)力及裂紋。2/4/2023焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因：焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。13.4焊接應(yīng)力與變形

2/4/2023焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生當(dāng)拘束很大時（如大平板對接），則會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，無殘余變形。當(dāng)拘束較小（如小板對接焊）時，既產(chǎn)生殘余應(yīng)力，又產(chǎn)生殘余變形。2/4/2023上次課內(nèi)容的回顧熔焊的本質(zhì)及特點：小熔池熔煉與鑄造、熔池存在時間短，溫度高；冷卻速度快熔化焊的三要素：熱源、熔池的保護(hù)、填充金屬直流正接與直流負(fù)接熔池的保護(hù)：渣保護(hù)、氣保護(hù)、渣-氣聯(lián)合保護(hù)電焊條：組成與作用酸性藥皮與堿性藥皮兩者的性質(zhì)電焊條的選用原則：等強(qiáng)度原則2/4/20232/4/2023焊件焊后的變形形式主要有：尺寸收縮、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等。2/4/202313.4.1焊接變形與應(yīng)力的危害產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。焊接殘余應(yīng)力會增加工件工作時的內(nèi)應(yīng)力，降低承載能力；還會引起裂紋，甚至造成脆斷，應(yīng)力的存在會誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋。殘余應(yīng)力是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下會衰減而產(chǎn)生一定的變形，使構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定，所以減少和防止焊接變形和應(yīng)力是十分必要的。2/4/202313.4.2焊接應(yīng)力的防止及消除采取合理的焊接順序，使焊縫能夠自由地收縮，以減少應(yīng)力（圖a）。而圖b因先焊焊縫1導(dǎo)致對焊縫2的拘束度增加，而增大殘余應(yīng)力。2/4/2023焊縫不要有密集交叉截面，長度也要盡可能小，以減小焊

接局部加熱，從而減少焊接應(yīng)力。

焊前預(yù)熱可以減少工件溫差，也能減少殘余應(yīng)力。2/4/2023當(dāng)焊縫還處在較高溫度時，錘擊焊縫使金屬伸長，也能減少焊接殘余應(yīng)力。焊后進(jìn)行消除應(yīng)力的退火可消除殘余應(yīng)力。2/4/202313.4.3焊接變形的防止和消除焊縫對稱布置采用反變形方法2/4/2023采用對稱焊和分段倒退焊采用多層多道焊，能減少焊接變形2/4/2023采用焊前剛性