上課版焊接成形

第十二章焊接焊接是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一種金屬連接方法。它不同于螺釘連接，鉚釘連接等機械連接方法，它是利用加熱或加壓，使分離的兩部分金屬靠得足夠近，原子互相擴散，形成原子間的結(jié)合。這就是焊接的實質(zhì)。按焊接過程的特點可分為三大類1熔化焊利用局部加熱方法，把工件的焊接處加熱到熔化狀態(tài)，形成熔池，然后冷卻結(jié)晶，形成焊縫，將兩部分金屬連接成為一個整體。這類僅靠加熱工件到熔化狀態(tài)實現(xiàn)焊接的工藝方法，叫熔化焊。氣焊電弧焊：手工電弧焊、埋弧自動焊氣體保護焊：氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護焊、等離子弧焊、電渣焊、電子束焊、激光焊2壓力焊在焊接過程中需要加壓的一類焊接方法稱為壓力焊。電阻焊：點焊、縫焊、對焊感應(yīng)焊：高頻焊、中頻焊、摩擦焊、爆炸焊、超聲波焊、擴散焊、冷壓焊3釬焊利用熔點比母材低的填充金屬熔化之后，填充接頭間隙并與固態(tài)的母材相互擴散實現(xiàn)連接的一種焊接方法。軟釬焊：錫焊硬釬焊：銅焊、銀焊

焊接主要用于制造金屬結(jié)構(gòu)件，如：鍋爐、壓力容器、管道、船舶、車輛、橋梁、飛機、火箭、起重機、海洋，冶金等結(jié)構(gòu)設(shè)備等。它也用來制造機器零件部件和工具等，如重型機械和冶金，鍛壓機械的機架與軸、齒輪、鍛模、刀具等。幾乎所有工業(yè)部門都需要焊接。世界上一些主要工業(yè)國家，每年生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)約占鋼產(chǎn)量的45％。焊接的主要優(yōu)點：1.連接性能好焊縫具有良好的機械性能，能耐高壓，能耐低溫，具有良好的密封性，導(dǎo)電性，耐腐蝕性和耐磨性等。例如：120萬千瓦核電站鍋爐，外徑6400毫米，壁厚200毫米，高1300毫米，工作參數(shù)為17.5Mpa，350℃。要求焊縫不能泄漏放射性物質(zhì)，這只有采用焊接方法才能制造出來。2.省料省工成本低采用焊接方法制造金屬結(jié)構(gòu)，一般比鉚接節(jié)省金屬材料10－20％。焊接加工快，工時少，生產(chǎn)周期短。此外，還可采用焊接方法修復(fù)已磨損或損壞的零件、部件，如汽缸、機座、軸，鍛模等，可大量節(jié)省金屬材料和工時，有重大的經(jīng)濟意義。采用焊接方法可以制成雙金屬結(jié)構(gòu)，如不銹鋼或鈦襯里、堆焊鍛模、刀具等，可獲得優(yōu)良的使用性能，又能節(jié)省大量的昂貴合金材料。3.重量輕采用焊接方法制造橋梁、船舶車輛等運輸工具可以減輕自重、提高運輸能力，是非常有意義的。4.簡化工藝可以采用焊接方法如以小拼大等制造重型、復(fù)雜的機器零件、部件，簡化鑄造、鍛造工藝，簡化切削加工工藝。如萬噸水壓機的橫梁、立柱、工作缸、塔式齒輪等機器零件，可采用焊接工藝來簡化加工工藝。焊接的缺點1.焊接結(jié)構(gòu)是不可拆卸的，要更換修理部分零件、部件不便。2.焊接接頭的組織和性能往往變壞。3.產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接變形，影響零件、部件與金屬結(jié)構(gòu)的形狀，尺寸，增加工作時的應(yīng)力，降低承載能力。4.產(chǎn)生焊接缺陷，如裂紋，未焊透，夾渣，氣孔等，引起應(yīng)力集中，降低承載能力，縮短使用壽命，甚至造成斷裂。總之，有時焊接質(zhì)量問題會成為一個突出的問題。由于焊接接頭存在焊接缺陷，接頭性能下降，焊接接頭有殘余應(yīng)力，使焊接接頭往往成為鍋爐應(yīng)力容器和橋梁船舶等重要結(jié)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)。這是值得重視的一個問題。第一節(jié)焊接工程理論基礎(chǔ)1、熔焊冶金過程熔化焊的冶金過程熱過程，冶金過程和結(jié)晶過程

從母材和焊條的加熱熔化，熔滴的產(chǎn)生和過渡，到熔池的形成、停留和結(jié)晶，要發(fā)生一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，影響焊縫的化學(xué)成分和性能。（1）空氣中的氮氣和氧氣，在電弧高溫的作用下會發(fā)生分解，成為氮原子和氧原子并與金屬發(fā)生反應(yīng)。Fe＋O

FeO；Mn＋O

MnO；Si＋2O

SiO2；2Cr＋3O

Cr2O3；2Al＋3O

Al2O3；例如，焊絲H08含氧量為0.01－0.02％，光焊絲焊接的焊縫金屬含氧量可達(dá)0.15－0.30％。焊絲H08含氮量為0.03％，光焊絲焊接的焊縫金屬含氮量達(dá)0.08－0.23％。

焊縫金屬的含氧量大大增加。嚴(yán)重降低焊縫金屬的性能，強度、塑性和韌性都顯著下降。尤其是低溫沖擊韌性急劇下降，引起冷脆。氧還使焊縫中合金元素?zé)龘p，影響焊縫的性能（2）空氣里的水汽，特別是工件表面的銹、油和水，在電弧高溫下也發(fā)生分解，H2O

2H＋O。氫原子也能大量溶于金屬液體。如同氮一樣，在熔池結(jié)晶時，氫的溶解度也急劇下降，同樣要產(chǎn)生氣孔。氫還要引起金屬脆化即氫脆、白點等和冷裂紋。

焊縫中含氫量增加，其延伸率明顯下降。

兩大措施保證焊縫質(zhì)量1減少有害元素進(jìn)入熔池。其措施是機械保護2清除已進(jìn)入熔池的有害元素，增加合金元素。其措施是冶金處理

藥皮形成熔渣保護和氣體保護殼渣保護藥皮：穩(wěn)弧造渣添加合金元素，減少燒損渣保護作用氣體保護作用作電極傳導(dǎo)電流，產(chǎn)生電弧作填充金屬（調(diào)整成分）機械保護作用(氣體和熔渣)冶金處理（熔渣）改善焊接工藝性（引弧容易燃燒穩(wěn)定）2、電焊條

焊條的組成:焊芯的作用：藥皮的作用：專用焊接金屬絲由多種礦石粉鐵合金配成碳鋼焊條低合金鋼焊條不銹鋼焊條鑄鐵焊條堆焊焊條鎳和鎳合金焊條銅和銅合金焊條鋁和鋁合金焊條酸性焊條（SiO2、MnO等）堿性焊條（CaO、FeO等）

焊條的種類、型號與牌號種類按用途分按熔渣性質(zhì)分記?。汉甘裁从檬裁春笚l記?。汉笚l分酸堿性

焊條的型號：碳鋼焊條(GB5117-85):

E

43

03,E5015,E5016.藥皮類型（酸、堿），電流種類焊接位置（平、橫、立、仰）抗拉強度≥430MPa焊條

焊條牌號（結(jié)構(gòu)鋼焊條）：J422(E4303),J507(E5015),J506(E5016)1－5為酸性焊條，6－7為堿性焊條堿性焊條和酸性焊條的特性機械性能好（韌性高，抗裂性好）；焊接工藝性能差；（需用直流電）對油污、銹、水敏感性大；（需要清洗、烘干）排出有毒煙塵HF。（需要通風(fēng)良好）堿性焊條：酸性焊條與堿性焊條相反焊條的選用不繡鋼、耐熱鋼焊條——按相同成分選擇焊條結(jié)構(gòu)鋼焊條——按等強原則選相同強度等級焊條焊縫和母材具有相同水平的使用性能。選用原則：例：16Mn,抗拉強度520Mpa,可選用E5003(J502),E5015(J507),E5016(J506)3

焊

接

接

頭

的

組

織

和

性

能焊接熱循環(huán)：在焊接熱源作用下，焊接接頭上某點的溫度隨時間變化?？v坐標(biāo)：溫度；橫坐標(biāo)：時間1熔合區(qū)2過熱區(qū)3正火區(qū)4部分相變區(qū)離焊縫越近溫度越高，反之越低熱循環(huán)的主要特點：加熱速度和冷卻速度都很快。對淬透性較好的鋼，可能造成空氣中淬火，焊后產(chǎn)生馬氏體組織，引起裂紋。熔池母材焊縫與母材交界線：熔合線熔合區(qū)熱影響區(qū)焊縫的組織和性能焊縫中晶體的結(jié)晶方向指向熔池中心的柱狀晶體熔池凝固就是一次液態(tài)金屬結(jié)晶過程容易產(chǎn)生結(jié)晶偏析1焊縫區(qū)，2熔合區(qū)，3熱影響區(qū)，4母材B/H為焊縫成形系數(shù)，B：焊道寬度，H：計算厚度

寬焊縫：偏析聚集在上部，可防止中心裂紋窄焊縫：偏析沿中心線聚集，中心易產(chǎn)生裂紋

結(jié)論1

焊縫為鑄態(tài)組織，組織不好：晶粒粗大、成分偏析、組織不致密。但是，熔池很小，冷卻快，又有焊條藥皮所含金屬的補充，其成分優(yōu)于母材，硫磷含量低，容易達(dá)到強度要求。Ⅳ部分相變區(qū)：晶粒大小不均勻，性能較差Ⅱ過熱區(qū)：晶粒粗大性能最差Ⅰ熔合區(qū)：成分不均勻晶粒粗大，性能最差熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織和性能低碳鋼Ⅲ正火區(qū)：晶粒細(xì)小性能優(yōu)于母材焊接材料、焊接方法和焊接工藝均影響焊接接頭組織和性能。焊接工藝：焊接電流、電弧電壓、焊接速度、熱輸入等。結(jié)論2

熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭處力學(xué)性能最差的部位。

焊接過程中總會產(chǎn)生一定尺寸的熔合區(qū)和過熱區(qū)，要采取措施改善組織和性能。1、合理選擇焊接方法和焊接參數(shù)，減小熱影響區(qū)2、加強對焊縫的保護合理：藥皮，氣體等3、焊后局部或整體熱處理4、焊接應(yīng)力與變形焊接變形和殘余應(yīng)力的不利影響造成焊件的尺寸、形狀變化；矯正變形會使性能降低，成本增加；焊接應(yīng)力會降低承載能力；引起焊接裂紋；應(yīng)力衰減會產(chǎn)生變形。當(dāng)金屬桿不受剛性約束時，在均勻加熱和均勻冷卻過程中，可以完全自由膨脹和收縮冷卻后，桿件和加熱前長度相同，沒有殘留變形，也沒有內(nèi)應(yīng)力。加熱時，桿件產(chǎn)生伸長變形△L冷卻時，產(chǎn)生縮短變形△L；當(dāng)桿件受到一定剛性約束時，加熱和冷卻過程中不能自由膨脹和自由收縮，加熱時，不能從向自由膨脹那樣伸長到A實際伸長△L2，由于受到剛性約束阻礙產(chǎn)生壓縮變形△L1，桿件內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。冷卻后桿件不能自由收縮到位置B實際縮短△L3，內(nèi)部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力以上模型假設(shè)：桿件不發(fā)生彎曲，它和剛性約束之間沒有熱傳導(dǎo)，且剛性約束不產(chǎn)生變形。焊接變形的基本形式焊前預(yù)熱及焊后熱處理；選擇合理的焊接次序；剛性固定法；反變形法；錘擊焊縫法；采用機械矯正和火焰矯正。

減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施反變形剛性固定法焊接順序用于塑性好，沒有淬硬傾向的鋼用于塑性好的低碳鋼和普通合金鋼機械矯正與火焰矯正第二節(jié)常用焊接方法

手工電弧焊

埋弧自動焊

氣體保護焊

電渣焊

電阻焊

釬焊一、焊條電弧焊1、焊接電弧電弧的溫度陰極區(qū)2100℃，弧柱5700~7700℃，陽極區(qū)2300℃氣體電離電極發(fā)射電子電弧區(qū)熱量陽極占43%,陰極區(qū)占36%,弧柱區(qū)占21%。正接法:工件接正極,焊條接負(fù)極2、焊接過程手工電弧焊(3)當(dāng)電弧向前移動時,熔池冷卻凝固而新的熔池不斷產(chǎn)生,形成連續(xù)的焊縫。(1)電弧在焊條與被焊件之間燃燒,電弧熱使工件和焊條同時熔化成熔池;(2)電弧使焊條的藥皮熔化或燃燒,產(chǎn)生熔渣和氣體,對熔化金屬和熔池起保護作用；3、手工電弧焊的特點手工電弧焊手工電弧焊有何特點？使用哪種設(shè)備？優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作靈活，適應(yīng)性強。缺點：生產(chǎn)效率低，勞動強度大，質(zhì)量不易保證。電焊機：直流電焊機：交流電焊機：引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，維修方便二、埋弧自動焊1.埋弧自動焊的焊接過程自動焊——焊接動作由機械裝置自動完成。埋弧焊——電弧在顆粒狀焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接。焊車焊絲焊劑埋弧自動焊自動焊小車埋弧焊生產(chǎn)2.

埋弧自動焊的特點與應(yīng)用生產(chǎn)效率高（比手弧焊提高5～10倍）焊接質(zhì)量好（焊縫內(nèi)氣孔、夾渣少，焊縫美觀）成本低（省工、省時、省料）勞動條件好（無弧光,、飛濺,勞動強度低）適應(yīng)性差（平焊、長直焊縫和較大直徑的環(huán)縫）焊接設(shè)備復(fù)雜，焊前準(zhǔn)備工作嚴(yán)格應(yīng)用：成批生產(chǎn)、中厚板結(jié)構(gòu)的長直焊縫和較大直徑的環(huán)縫，如鍋爐、壓力容器、船舶等。特點：壓力容器環(huán)縫和縱縫的埋弧自動焊縱縫環(huán)縫壓力容器焊接生產(chǎn)三、氣體保護焊1、氬弧焊及其特點保護氣體氬氣CO2氬弧焊CO2氣體保護焊鎢極金屬極鎢極氬弧焊焊接電流不能過大，只能焊4mm以下的薄板；焊接鋼材板：直流正接法；焊鋁、鎂合金：直流反接法或交流電源。氣體保護焊鎢極熔點高，發(fā)射電子能力強直流正接：鎢極燒損小。直流反接：鎢極燒損大，電弧不穩(wěn)，但有“陰極破碎”作用（焊鋁時有利）。應(yīng)用熔化極氬弧焊氣體保護焊1、以連續(xù)送進(jìn)的金屬絲做電極并填充焊縫；2、焊接電流較大,生產(chǎn)效率高，適用焊接較厚的焊件；（板厚為8~25mm）3、采用直流反接，電弧穩(wěn)定，焊鋁時有“陰極破碎”作用;4、可采用自動焊或半自動焊。氬弧焊特點氣體保護焊1)

保護效果好，電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好；2)電弧熱量集中，熱影響區(qū)小，焊后變形??；3)可全方位焊接，便于觀察、易于自動控制；4)氬氣成本高，一般情況下不采用。應(yīng)用：

用于焊接易氧化的有色金屬、合金鋼和不銹鋼。2、CO2氣體保護焊

CO2氣體保護焊的焊接過程CO2電弧CO+O

使金屬氧化，合金元素?zé)龘p，不能焊接有色金屬和合金鋼。應(yīng)用：

用于低碳鋼、低合金鋼薄板的焊接。必須采用含脫氧劑的焊絲H08Mn2SiA，直流反接。氣體保護焊

CO2氣體保護焊的特點成本低（為埋弧焊和手弧焊的40%～50%）效率高（電流密度大，熔深大，焊接速度快）焊接質(zhì)量好（有氣流冷卻，熱影響區(qū)小，變形?。┎捎脷怏w保護，能全位置焊接焊縫成形差，飛濺大設(shè)備使用維修不方便氣體保護焊四、電渣焊生產(chǎn)率高（板厚>40mm的焊接一次焊成）焊縫缺陷少,焊接質(zhì)量好（不易產(chǎn)生氣孔、夾渣和裂紋）成本低

（省電和省熔劑）焊件需正火熱處理

(熱影響區(qū)較大,組織粗大)

1.電渣焊工藝過程2.電渣焊的特點五、電阻焊電阻焊分為：點焊、縫焊、對焊。利用焊件接觸面的電阻熱，將焊件局部加熱到塑性或熔化狀態(tài)，在壓力下形成接頭的焊接方法。

閃光對焊電阻對焊縫焊點焊電阻焊特點焊接電壓低，電流大，生產(chǎn)率高；不需要填充金屬，焊接變形小；勞動條件好，操作簡單，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；焊接設(shè)備復(fù)雜，投資大；適用于大批量生產(chǎn)；對焊件厚度和接頭形式有一定限制。1、點焊電阻焊點焊過程：加壓通電斷電去除壓力形成熔核凝固防止分流：兩焊點間應(yīng)有一定距離。點焊接頭形式：分流現(xiàn)象

點焊主要適用于薄板沖壓結(jié)構(gòu)和鋼筋構(gòu)件。點焊的應(yīng)用電阻焊點焊過程手提點焊汽車點焊電阻焊2、縫焊電阻焊縫焊：與點焊相同，只是采用滾輪做電極，邊焊邊滾。特點：焊點互相重疊，分流現(xiàn)象嚴(yán)重。焊件厚度≤3mm。應(yīng)用：有密封要求的薄壁結(jié)構(gòu)3、對焊電阻對焊端面加工要求高質(zhì)量不易保證。閃光對焊對端面加工要求低，質(zhì)量較高用于重要零件的焊接電阻焊對焊生產(chǎn)電阻焊應(yīng)用：

桿狀零件的對接，如刀具、管子、鋼軌鋼筋、異種金屬。（端面形狀尺寸要相同或相近）六、釬焊利用低熔點的釬料作填充金屬，加熱熔化后滲入固態(tài)焊件間的間隙內(nèi)，將焊件連接起來的焊接方法。接頭形式1、焊接過程將工件和釬料適當(dāng)加熱（烙鐵、火焰、爐子、電阻、高頻加熱）；釬料熔化，借助毛細(xì)管的作用被吸入和充滿間隙；被焊金屬和釬料在間隙內(nèi)相互擴散；凝固后，形成釬焊接頭。釬焊2、釬焊分類種類特點軟釬焊（錫、鉛釬料）硬釬焊（銅基、銀基釬料）釬料熔點≤450℃＞450℃性能特點接頭強度≤100MPa工作溫度較低接頭強度＞200MPa工作溫度較高應(yīng)用用于受力不大的儀表、導(dǎo)電元件的焊接。用于受力較大的構(gòu)件、刀具、工具的焊接。3、釬焊特點加熱溫度低，變形也小。接頭光滑平整，工件尺寸精確；釬焊接頭強度低；可焊接性能差異很大的異種金屬,對工件厚度無限制；可整體加熱，同時釬焊由多條焊縫組成的復(fù)雜形狀構(gòu)件，生產(chǎn)率高；釬焊設(shè)備簡單，生產(chǎn)投資費用少。焊接新工藝自動焊接焊接機械手超聲波焊機

大型氣割等離子切割機管子成形厚板切割

金屬材料的焊接性

碳素鋼和普低鋼的焊接

不銹鋼的焊接

鑄鐵的焊補

鋁及鋁合金的焊接第三節(jié)常用金屬材料的焊接

一、金屬材料的焊接性1、金屬材料焊接性的概念指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。金屬焊接性：焊接性形成焊接缺陷的敏感性（裂紋）使用性能（機械性能）影響焊接性的因素：金屬材料本身性質(zhì)焊接方法、焊接材料、焊接工藝2、鋼的焊接性評價方法——（1）碳當(dāng)量法CE＜0.4%時，冷裂紋傾向不明顯,焊接性良好；CE＝0.4%～0.6%時，冷裂傾向明顯，焊接性較差；CE＞0.6%時，冷裂傾向很強,焊接性很差。碳、合金元素含量焊接性碳當(dāng)量：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15碳鋼及低合金鋼碳當(dāng)量越高，焊接性越差碳當(dāng)量只考慮了鋼材化學(xué)成分對焊接性的影響，而沒有考慮板厚即剛性拘束、焊縫含氫量等重要因素的影響。日本有人通過200多種鋼大量的實際試驗，得出鋼材焊接時冷裂紋敏感系數(shù)計算公式：2、鋼的焊接性評價方法——（2）冷裂紋敏感系數(shù)法Pc＝C＋Si/30＋Mn/20＋Cu/20＋Ni/60＋Cr/20＋Mo/15＋V

10＋5B＋h/600＋H/60（％）式中h－板厚，H－焊縫金屬中擴散氫含量（cm3/100g）Pc公式的適用范圍如下：C：0.07－0.22％，Si：0－0.6％，Mn：0.40－1.40％Cu：0－0.50％，Ni：0－1.20％，Cr：0－1.20％，Mo：0－0.70％，V：0－0.20％，Nb：0－0.04％，Ti：0－0.05％，B：0－0.005％，h：19－50mm，H：1.0－5.0cm3/100g用Pc值判斷和對比鋼材在焊接時產(chǎn)生冷裂紋的敏感性比碳當(dāng)量值更好。通過斜Y型坡口對接裂紋試驗還得出了防止裂紋所要求的最低預(yù)熱溫度的公式：Tp＝1440Pc－392（℃）二、碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接1、碳鋼的焊接CE＜0.4%，焊接性良好。無需保護措施，各種焊接方法都能獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。低碳鋼：中碳鋼：CE＞0.4%，冷裂傾向很強，焊接性較差。措施：焊前預(yù)熱150℃～250℃，焊后緩冷，采用細(xì)J507（E5015）焊條、小電流、開坡口、多層多道焊，降低焊縫的含碳量。焊接裂紋產(chǎn)生？內(nèi)部條件：碳當(dāng)量CE

外部條件：