《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第11章

第11章焊接成形11.1焊接成形理論基礎(chǔ)11.2常用焊接方法11.3常用金屬材料的焊接11.4焊接結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)11.5焊接質(zhì)量檢驗(yàn)11.6工程應(yīng)用案例———低壓儲(chǔ)氣罐焊接工藝習(xí)題與思考題11

焊接是用加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結(jié)合與擴(kuò)散作用，使分離的金屬材料牢固地連接起來，形成不可拆卸接頭的材料成形方法。焊接與金屬切削加工、壓力加工、鑄造、熱處理等其他材料成形方法一起構(gòu)成工程材料的成形技術(shù)，在機(jī)械制造、建筑、車輛、石油化工、原子能、航空航天等部門得到廣泛運(yùn)用。

焊接成形的特點(diǎn)：

(1)能以小拼大，化大為小，簡化了復(fù)雜的機(jī)器零部件，可獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

(2)能制造多金屬結(jié)構(gòu)，充分利用了材料性能。

(3)焊接接頭的密封性好。

(4)節(jié)省金屬，材料利用率高。

(5)不可拆卸，維修不方便，焊接應(yīng)力和變形較大，且接頭的組織性能不均勻，會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，如裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等。

焊接方法的種類很多，按焊接過程特點(diǎn)可分為三大類：

(1)熔焊：將焊件的被連接處局部加熱至熔化狀態(tài)形成熔池，待其冷卻結(jié)晶后形成焊縫，使構(gòu)件連成一體的方法。

(2)壓焊：利用摩擦、擴(kuò)散和加壓等方法使兩個(gè)連接件表面上的原子相互接近到晶格距離，從而在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)的連接方法。

(3)釬焊：利用某些熔點(diǎn)低于母材的填充金屬(釬料)熔化后，填入接頭間隙并與固態(tài)母材通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的方法。

焊接方法及其分類如圖11－1所示。圖11－1焊接方法分類

11.1焊接成形理論基礎(chǔ)

11.1.1焊接電弧1.焊接電弧的產(chǎn)生焊接電弧是在焊條與工件之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈、持久又穩(wěn)定的氣體放電現(xiàn)象。

當(dāng)焊條的一端與焊件接觸時(shí)，造成短路，產(chǎn)生高溫，使相接觸的金屬很快熔化并產(chǎn)生金屬蒸汽。當(dāng)焊條迅速提起2~4mm時(shí)，在電場的作用下，陰極表面開始產(chǎn)生電子發(fā)射。這些電子在向陽極高速運(yùn)動(dòng)的過程中，與氣體分子、金屬蒸汽中的原子相互碰撞，造成介質(zhì)和金屬的電離。由電離產(chǎn)生的自由電子和負(fù)離子奔向陽極，正離子則奔向陰極。在它們運(yùn)動(dòng)過程中以及到達(dá)兩極時(shí)不斷碰撞和復(fù)合，使動(dòng)能變?yōu)闊崮埽a(chǎn)生了大量的光和熱。其宏觀表現(xiàn)是強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象，即電弧。

2.焊接電弧的結(jié)構(gòu)

焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)三部分組成，如圖11－2所示。圖11－2電弧的結(jié)構(gòu)示意

(1)陰極區(qū)：在陰極的端部，是向外發(fā)射電子的部分。發(fā)射電子需消耗一定的能量，因此陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量不多，放出熱量占電弧總熱量的36%左右，平均溫度為2400K。

(2)陽極區(qū)：在陽極的端部，是接收電子的部分。由于陽極受電子轟擊和吸入電子，獲得很大能量，因此陽極區(qū)的溫度和放出的熱量比陰極高些，約占電弧總熱量的43%左右，平均溫度為2600K。

(3)弧柱區(qū)：是位于陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的氣體空間區(qū)域，長度相當(dāng)于整個(gè)電弧長度。它由電子、正負(fù)離子組成，產(chǎn)生的熱量約占電弧總熱量的21%左右，弧柱中心溫度可達(dá)6000~8000K。弧柱區(qū)的熱量大部分通過對流、輻射散失到周圍的空氣中。

11.1.2焊接原理和焊接冶金過程

1.焊接原理

將兩電極接通電源，短暫接觸并迅速分離，接觸時(shí)發(fā)生短路，產(chǎn)生極大的短路電流，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生大量的熱，電極表面迅速升溫，兩者均熔化；分離時(shí)大量電子放射，形成電弧。

2.焊接冶金過程

電弧焊的焊接過程，如同一座微型電弧煉鋼爐在煉鋼一樣，要進(jìn)行一系列的冶金反應(yīng)過程。焊條電弧焊的冶金過程如圖11－3所示，母材、焊條受電弧高溫作用熔化形成金屬熔池，將進(jìn)行熔化、氧化、還原、造渣、精煉及合金化等物理、化學(xué)過程。圖11－3焊條電弧焊的冶金過程

金屬與氧的作用對焊接質(zhì)量影響最大，氧與多種金屬發(fā)生氧化反應(yīng)：

能夠溶解在液態(tài)金屬中的氧化物(如氧化亞鐵)，冷凝時(shí)因溶解度下降而析出，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，如圖11－4所示。而大部分金屬氧化物(如硅、錳化合物)不溶于液態(tài)金屬，可隨渣浮出，凈化熔池，提高焊縫質(zhì)量。圖11－4氧(氧化亞鐵)對低碳鋼力學(xué)性能的影響

氫易溶入熔池，在焊縫中形成氣孔，或聚集在焊縫缺陷處造成氫脆。其次空氣中的氮?dú)庠诟邷貢r(shí)大量溶于液體金屬，冷卻結(jié)晶時(shí)，氮溶解度下降，如圖11－5所示。析出的氮在焊縫中形成氣孔，部分還以針狀氮化物(Fe4N)的形式析出。焊縫中含氮量提高，使焊縫的強(qiáng)度和硬度增加，但塑性和韌性劇烈下降。圖11－5氫、氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系

焊縫的冶金過程與一般冶金過程比較，具有以下特點(diǎn)：

(1)金屬熔池體積小，熔池處于液態(tài)時(shí)間短，冶金反應(yīng)不充分。

(2)熔池溫度高，使金屬元素強(qiáng)烈的燒損和蒸發(fā)，冷卻速度快，易產(chǎn)生應(yīng)力和變形，甚至開裂。

為保證焊縫質(zhì)量，可從兩方面采取措施：

(1)減少有害元素進(jìn)入熔池，主要采用機(jī)械保護(hù)，如焊條藥皮、埋弧焊的焊劑和氣體保護(hù)焊的保護(hù)氣體(CO2

、氬氣)等。

(2)清除已進(jìn)入熔池的有害元素，增加合金元素。如在焊條藥皮里加合金元素進(jìn)行脫氧、去氫、去硫、滲合金等。

11.1.3電弧焊機(jī)

電弧焊機(jī)按產(chǎn)生電流種類不同，可分為交流弧焊機(jī)和直流弧焊機(jī)兩類。

交流弧焊機(jī)實(shí)際上是符合焊接要求的降壓變壓器，如圖11－6所示。圖11－6交流弧焊機(jī)

為了適應(yīng)焊接電弧的特殊需要，電焊機(jī)應(yīng)具有降壓特性，這樣才能使焊接過程穩(wěn)定。未起弧時(shí)的空載電壓為60~90V，起弧后自動(dòng)降到20~30V，滿足電弧正常燃燒的需要。它能自動(dòng)限制短路電流，不怕起弧時(shí)焊條與工件的瞬間接觸短路，還能供給焊接時(shí)所需要的幾十安培到幾百安培電流，并且這個(gè)焊接電流還可根據(jù)焊件的厚薄和焊條直徑的大小來調(diào)節(jié)。電流調(diào)節(jié)分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩級(jí)，粗調(diào)通過改變輸出線頭的接法來大范圍調(diào)節(jié)；細(xì)調(diào)用搖動(dòng)調(diào)節(jié)手柄改變電焊機(jī)內(nèi)可動(dòng)鐵芯或可動(dòng)線圈的位置來小范圍調(diào)節(jié)。交流弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，噪聲小，使用可靠，維修方便。但電弧穩(wěn)定性較差，有些種類的焊條使用受到限制。在我國交流弧焊機(jī)使用非常廣泛。

直流弧焊電源輸出端有正、負(fù)極之分，焊接時(shí)電弧兩端極性不變?；『笝C(jī)正、負(fù)兩極與焊條、焊件有兩種不同的接線法：將焊件接到弧焊機(jī)正極，焊條接至負(fù)極，這種接法稱為正接，又稱正極性；反之，將焊件接到負(fù)極，焊條接至正極，稱為反接，又稱反極性，如圖11－7所示。

圖11－7直流弧焊機(jī)的不同極性

焊接厚板時(shí)，一般采用直流正接，這是因?yàn)殡娀≌龢O的溫度和熱量比負(fù)極高，采用正接能獲得較大的熔深。焊接薄板時(shí)，為了防止燒穿，常采用反接。在使用堿性低氫鈉型焊條時(shí)，均采用直流反接。

1.旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)

旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)是由一臺(tái)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)直流弧焊發(fā)電機(jī)組成的，又稱為弧焊發(fā)電機(jī)。圖11－8所示是旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)的外形。它的特點(diǎn)是能夠得到穩(wěn)定的直流電，因此，引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量較好。但這種直流弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格比交流弧焊機(jī)貴得多，維修較困難，使用時(shí)噪音大?，F(xiàn)在，這種弧焊機(jī)已停止生產(chǎn)，處于淘汰中。圖11－8旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)外形

2.整流式直流弧焊機(jī)

整流式直流弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在交流弧焊機(jī)上加上整流器，從而把交流電變成直流電。它既彌補(bǔ)了交流弧焊機(jī)電弧穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)，又比旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，消除了噪音。它已逐步取代旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)。

3.逆變式弧焊變壓器

逆變是指將直流電變?yōu)榻涣麟姷倪^程。逆變式弧焊變壓器可通過逆變改變電源的頻率，得到想要的焊接波形。其特點(diǎn)是提高了變壓器的工作頻率，使主變壓器的體積大大縮小，方便移動(dòng)；提高了電源的功率因數(shù)；有良好的動(dòng)特性；飛濺小，可一機(jī)多用，可完成多種焊接。逆變電源的基本原理框圖如圖11－9所示。

圖11－9逆變電源的基本原理框圖

11.1.4焊條

焊條是指涂有藥皮的供電弧焊使用的熔化電極。它是由焊芯和藥皮兩部分組成。焊條結(jié)構(gòu)如圖11－10所示圖11－10焊條結(jié)構(gòu)示意圖

1.焊芯

焊芯是組成焊縫金屬的主要材料。其主要作用是：傳導(dǎo)焊接電流，產(chǎn)生電?。蛔鳛樘畛浣饘?，熔化后填充焊縫。它的化學(xué)成分和非金屬夾雜物的多少將直接影響焊縫質(zhì)量。因此，結(jié)構(gòu)鋼焊條應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T149571994《熔化焊用鋼絲》的要求。常用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊芯的牌號(hào)和成分如表11－1所示。

焊芯具有較低的含碳量和一定的含錳量，含硅量控制較嚴(yán)，硫、磷的含量則應(yīng)低。焊芯牌號(hào)中帶“A”的，其硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.03%。焊芯的直徑稱為焊條直徑。最小直徑為?1.6mm，最大直徑為?8mm，其中以直徑?3.2mm~?5mm的焊條應(yīng)用最廣。

2.焊條藥皮

焊條藥皮在焊接過程中的主要作用是：提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，防止空氣對熔化金屬的侵害，保證焊縫金屬的脫氧和加入合金元素，以保證焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能。焊條藥皮原料的種類、名稱及其作用如表11－2所示。

3.焊條的種類及型號(hào)

1)焊條的種類

由于焊接方法應(yīng)用的范圍越來越廣泛，因此為適應(yīng)各個(gè)行業(yè)、各種材料和達(dá)到不同的性能要求，焊條品種非常多。根據(jù)不同情況，焊條有三種分類方法：按焊條的用途分類、按焊條藥皮的主要化學(xué)成分分類、按焊條藥皮熔化后熔渣的特性分類。

按焊條的用途，可以將焊條分為結(jié)構(gòu)鋼焊條、耐熱鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、鎳和鎳合金焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條以及特殊用途焊條。

按焊條藥皮的主要化學(xué)成分來分類，可以將焊條分為氧化鈦型焊條、氧化鈦鈣型焊條、鈦鐵礦型焊條、氧化鐵型焊條、纖維素型焊條、低氫型焊條、石墨型焊條及鹽基型焊條。

按焊條藥皮熔化后熔渣的特性來分類，可將焊條分為酸性焊條和堿性焊條。藥皮中含有多量酸性氧化物(TiO2、SiO2等)的焊條稱為酸性焊條。藥皮中含有多量堿性氧化物(CaO、Na2O等)的焊條稱為堿性焊條。酸性焊條能交、直流兩用，焊接工藝性能較好，但焊縫的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度較差，適用于一般低碳鋼和強(qiáng)度較低的低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接，是應(yīng)用最廣的焊條。堿性焊條脫硫、脫磷能力強(qiáng)，藥皮有去氫作用。其焊接含氫量很低，故又稱為低氫型焊條。堿性焊條的焊縫具有良好的抗裂性和力學(xué)性能，但工藝性能較差，一般用直流電源施焊，主要用于重要結(jié)構(gòu)(如鍋爐、壓力容器和合金結(jié)構(gòu)鋼等)的焊接。

2)焊條型號(hào)

由國家標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定各類焊條的型號(hào)編制方法。如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳鋼焊條型號(hào)為E××××，其中，字母E表示焊條；前二位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值；第三位數(shù)字表示焊接位置，取值為0及1表示焊條適用于全位置(平焊、立焊、橫焊、仰焊)焊接，2表示為平焊及平角焊，4表示焊條適用于向下立焊；第三位和第四位數(shù)字組合時(shí)，表示焊接電流種類及藥皮類型。在第四位數(shù)字后附加R則表示耐吸潮焊條；附加M則表示耐吸潮和力學(xué)性能有特殊規(guī)定的焊條；附加-1則表示沖擊性能有特殊規(guī)定的焊條。

4.焊條的選用原則

焊條的選用必須在確保焊接結(jié)構(gòu)安全、使用可靠的前提下，根據(jù)被焊材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、板厚及接頭形式、焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)使用條件對焊縫性能的要求、焊接施工條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益等綜合考慮后，有針對性地選用焊條，必要時(shí)還需進(jìn)行焊接性試驗(yàn)。

(1)考慮焊縫金屬力學(xué)性能和化學(xué)成分。

對于普通結(jié)構(gòu)鋼，通常要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度，應(yīng)選用熔敷金屬抗拉強(qiáng)度等于或稍高于母材的焊條。對于合金結(jié)構(gòu)鋼，有時(shí)還要求合金成分與母材相同或接近。焊接異種結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，按強(qiáng)度等級(jí)低的鋼種選用焊條。在焊接結(jié)構(gòu)剛性大、接頭應(yīng)力高、焊縫易產(chǎn)生裂紋的不利情況下，應(yīng)考慮選用比母材強(qiáng)度低的焊條。當(dāng)母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高時(shí)，焊縫中容易產(chǎn)生裂紋，應(yīng)選用抗裂性能好的堿性低氫型焊條。

(2)考慮焊接構(gòu)件使用性能和工作條件。

對承受載荷和沖擊載荷的焊件，除滿足強(qiáng)度要求外，主要應(yīng)保證焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和塑性，可選用塑、韌性指標(biāo)較高的低氫型焊條。接觸腐蝕介質(zhì)的焊件，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)及腐蝕特征選用不銹鋼類焊條或其他耐腐蝕焊條。在高溫、低溫、耐磨或其他特殊條件下工作的焊接件，應(yīng)選用相應(yīng)的耐熱鋼、低溫鋼、堆焊或其他特殊用途的焊條。

(3)考慮焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力條件。

對結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、剛性大的厚大焊接件，由于焊接過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，易使焊縫產(chǎn)生裂紋，應(yīng)選用抗裂性能好的堿性低氫焊條。對受力不大、焊接部位難以清理干凈的焊件，應(yīng)選用對鐵銹、氧化皮、油污不敏感的酸性焊條。對受條件限制不能翻轉(zhuǎn)的焊件，應(yīng)選用適于全位置焊接的焊條。

(4)考慮施工條件和經(jīng)濟(jì)效益。

在滿足產(chǎn)品使用性能要求的情況下，應(yīng)選用工藝性好的酸性焊條。在狹小或通風(fēng)條件差的場合，應(yīng)選用酸性焊條或低塵焊條。對焊接工作量大的結(jié)構(gòu)，有條件時(shí)應(yīng)盡量采用高效率焊條，如鐵粉焊條、高效率重力焊條等，或選用底層焊條、立向下焊條之類的專用焊條，以提高焊接生產(chǎn)率。

11.1.5焊接接頭的組織和性能

熔焊使焊縫及其附近的母材經(jīng)歷了一個(gè)加熱和冷卻的熱過程，由于溫度分布不均勻，焊件受到一次復(fù)雜的冶金過程，焊縫附近區(qū)域受到一次不同規(guī)范的熱處理，因此必然引起相應(yīng)的組織和性能的變化，直接影響焊接質(zhì)量。

1.焊接熱循環(huán)

焊接熱循環(huán)是指在焊接加熱和冷卻過程中，焊接接頭上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過程。如圖11－11所示。不同的點(diǎn)，其熱循環(huán)不同，即最高加熱溫度、加熱速度和冷卻速度均不同。

在焊接熱循環(huán)中，影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù)有最高加熱溫度Tm1

、高溫(1100℃以上)停留時(shí)間t過1

和冷卻速度等。冷卻速度中起關(guān)鍵作用的是從800℃到500℃的速度，通常用t8/5來表示。其特點(diǎn)是加熱和冷卻速度都很快，每秒一百攝氏度以上，甚至可達(dá)每秒幾百攝氏度。因此，對易淬火鋼，焊后發(fā)生空冷淬火，使其他材料易產(chǎn)生焊接變形、應(yīng)力及裂紋。圖11－11焊接熱循環(huán)曲線

2.焊接接頭金屬組織與性能的變化

以低碳鋼為例，說明焊接過程造成金屬組織和性能的變化，如圖11－12所示。受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材組織或性能發(fā)生變化的區(qū)域，叫做焊接熱影響區(qū)。熔焊焊縫和母材的交界線叫做熔合線。熔合線兩側(cè)有一個(gè)很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)，叫做熔合區(qū)。焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。圖11－12低碳鋼焊接接頭的組織變化

1)焊縫區(qū)

焊接熱源向前移去后，熔池液體金屬迅速冷卻結(jié)晶，結(jié)晶從熔池底部未熔化的半個(gè)晶粒開始，垂直熔合線向熔池中心生長，呈柱狀枝晶，如圖11－13所示。在結(jié)晶過程中將在最后結(jié)晶部位產(chǎn)生成分偏析。同時(shí)焊縫組織是從液體金屬結(jié)晶的鑄態(tài)組織，晶粒粗大，成分偏析，組織不致密。但由于熔池小，冷卻快，化學(xué)成分控制嚴(yán)格，碳、硫、磷都較低，并含有一定合金元素，故可使焊縫金屬的力學(xué)性能不低于母材。圖11－13焊縫柱狀枝晶

2)熔合區(qū)

化學(xué)成分不均勻，組織粗大，往往是粗大的過熱組織或粗大的淬硬組織，使強(qiáng)度下降，塑性、韌性極差，產(chǎn)生裂紋和脆性破壞，其性能是焊接接頭中最差的。

3)熱影響區(qū)

熱影響區(qū)各點(diǎn)的最高加熱溫度不同，其組織變化也不相同。如圖11－12所示，熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)和再結(jié)晶區(qū)。

(1)過熱區(qū)：最高加熱溫度在1100℃以上的區(qū)域，晶粒粗大，甚至產(chǎn)生過熱組織。塑性和韌性明顯下降，是熱影響區(qū)中力學(xué)性能最差的部位。

(2)正火區(qū)：最高加熱溫度在Ac3至1100℃的區(qū)域，焊后空冷得到晶粒較細(xì)小的正火組織，力學(xué)性能較好。

(3)部分相變區(qū)：最高加熱溫度在Ac1至Ac3的區(qū)域，只有部分組織發(fā)生相變，晶粒不均勻，性能較差。

低碳鋼焊接接頭的組織、性能變化如圖11－14所示，熔合區(qū)和過熱區(qū)性能最差，熱影響區(qū)越小越好，其影響因素有焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式等。

圖11－14低碳鋼焊接接頭的性能分布

3.影響焊接接頭性能的因素

焊接接頭的力學(xué)性能取決于它的化學(xué)成分和組織。具體如下：

(1)焊接材料、焊絲和焊劑均會(huì)影響焊縫的化學(xué)成分。

(2)焊接方法。一方面影響組織粗細(xì)，另一方面影響有害雜質(zhì)含量。

(3)焊接工藝。在焊接時(shí)，為保證焊接質(zhì)量而選定的諸物理量(如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等)的總稱，叫做焊接工藝參數(shù)。線能量指熔焊時(shí)焊接能源輸入到單位長度焊縫上的能量。顯然焊接工藝參數(shù)，影響焊接接頭輸入能量的大小，影響焊接熱循環(huán)，從而影響熱影響

區(qū)的大小和接頭組織的粗細(xì)。

(4)焊后熱處理。如正火，能細(xì)化接頭組織，改善性能。

(5)接頭形式、工件厚度、施焊環(huán)境溫度和預(yù)熱等均會(huì)影響焊后冷卻速度，從而影響接頭的組織和性能。

4.改善焊接接頭組織與性能的措施

(1)盡量選擇低碳和硫、磷含量較低的鋼材作為焊接結(jié)構(gòu)材料。

(2)加快焊接速度，減小焊接電流。

(3)對較大的焊縫采用多層焊，利用后層對前層的回火作用，使前層的組織和性能得到改善。

(4)焊后進(jìn)行熱處理，消除應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善接頭的力學(xué)性能。

11.1.6焊接應(yīng)力與變形

1.焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因

焊件在焊接過程中受到局部加熱和冷卻是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的主要原因。圖11－15所示是低碳鋼平板對接焊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的示意圖。

平板焊接時(shí)，要產(chǎn)生熱脹冷縮。加熱時(shí)，若為自由膨脹，則如圖11－15(a)中虛線所示，但由于受到阻礙，產(chǎn)生同樣伸長，故高溫處產(chǎn)生壓應(yīng)力，低溫處產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩者平衡。冷卻后，由于冷卻速度不同，高溫處冷卻慢，收縮大。同樣，最后在高溫處產(chǎn)生拉應(yīng)力，低溫處產(chǎn)生壓應(yīng)力。圖11－15平板對接焊的應(yīng)力和變形示意圖

殘留在焊接構(gòu)件中的焊接應(yīng)力(又稱為焊接殘余應(yīng)力)會(huì)降低接頭區(qū)實(shí)際承受載荷的能力。特別是當(dāng)構(gòu)件承受動(dòng)載疲勞載荷時(shí)，有可能發(fā)生低應(yīng)力破壞。對于厚壁結(jié)構(gòu)的焊接接頭、立體交叉焊縫的焊接區(qū)或存在焊接缺陷的區(qū)域，由于焊接殘余應(yīng)力，使材料的塑性變形能力下降，會(huì)造成構(gòu)件發(fā)生脆性破裂。焊接殘余應(yīng)力在一定條件下會(huì)引起裂紋，有時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品返修或報(bào)廢。如果在工作溫度下材料的塑性較差，由于焊接拉伸應(yīng)力的存在，則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，縮短使用壽命。

2.焊接變形的基本形式

焊接過程中焊件產(chǎn)生的變形稱為焊接變形。焊接后，焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。焊接殘余變形有縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形等六種，如圖11－16所示。其中，焊縫的縱向收縮變形和橫向收縮變形是基本的變形形式，在不同的焊件上，由于焊縫的數(shù)量和位置分布不同，這兩種變形又可表現(xiàn)為其他幾種不同形式的變形。圖11－16常見焊接變形的基本形式

通常，焊件的焊接殘余變形和殘余應(yīng)力是同時(shí)存在的，有時(shí)焊接殘余變形的危害比殘余應(yīng)力的危害還要大。焊接殘余變形使焊件或部件的尺寸改變，降低裝配質(zhì)量，甚至使產(chǎn)品直接報(bào)廢。矯正變形是一件費(fèi)時(shí)的事，會(huì)增加制造成本，降低焊接接頭的性能。另外，由于角變形、彎曲變形和扭曲變形使構(gòu)件承受載荷時(shí)產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而會(huì)降低構(gòu)件的實(shí)際承載能力，導(dǎo)致發(fā)生斷事故。

3.焊接應(yīng)力和變形的防止

焊接應(yīng)力的防止及消除措施：

(1)焊前預(yù)熱可減少工件溫差，減少殘余應(yīng)力。在焊接之前，把工件全部或局部進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，然后進(jìn)行焊接。一般的預(yù)熱溫度為150~350℃。該方法主要適用于塑性較低，容易產(chǎn)生裂縫的材料。例如，中碳鋼、中碳合金鋼、鑄鐵等。

(2)焊后熱處理。對于受力復(fù)雜的重要焊件，以及有精度要求的零件，焊接之后應(yīng)進(jìn)行除去應(yīng)力退火，一般溫度為600~650℃，可消除焊件中80%~90%的殘余應(yīng)力。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要避免焊縫密集交叉，焊縫截面和長度要盡可能小。

(4)采取合理的焊接順序，使焊縫較自由的收縮，如圖11－17所示。通常，先焊收縮量較大的焊縫或工作時(shí)受力較大的焊縫；先焊錯(cuò)開的短焊縫，后焊直通的長焊縫。

(5)焊縫仍處在較高溫度時(shí)，錘擊或輾壓焊縫使金屬伸長，減少殘余應(yīng)力。

(6)采用小線能量焊接，多層焊，減少殘余應(yīng)力。圖11－17合理安排焊接順序

焊接變形的防止和消除措施：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要避免焊縫密集交叉，焊縫截面和長度要盡可能小，與防止應(yīng)力一樣，這也是減少變形的有效措施。

(2)焊前組裝時(shí)，采用反變形法。平板對接焊反變形如圖11－18所示。圖11－18平板對接焊反變形

(3)采用剛性固定法，但會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，如圖11－19所示。圖11－19剛性固定防止變形

(4)采用合理的焊接規(guī)范。

(5)選用合理的焊接順序，如圖11－17所示的焊接順序和圖11－20所示的分段退焊。圖11－20長焊縫的分段退焊

(6)采用機(jī)械或火焰矯正法來減少變形，如圖11－21和圖11－22分別所示機(jī)械矯正法和火焰矯正法。圖11－21機(jī)械矯正法圖11－22火焰矯正法

11.2常用焊接方法

11.2.1熔焊1.焊條電弧焊焊條電弧焊是利用電弧作為熱源，手工操縱焊條進(jìn)行焊接的方法，又稱為手工電弧焊。

焊條電弧焊具有設(shè)備簡單，易于維護(hù)，操作靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)，且焊接性好，對焊接接頭的裝配尺寸無特殊要求，可在各種條件下進(jìn)行各種位置的焊接，適于多種鋼材和有色金屬等，是應(yīng)用最廣泛的焊接方法。但是，焊條電弧焊焊接時(shí)有強(qiáng)烈弧光和煙塵污染，勞動(dòng)條件差，生產(chǎn)率低，對工人技術(shù)水平要求較高，焊縫短而且不連續(xù)，焊縫寬度不均，焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，它主要應(yīng)用于單件小批量生產(chǎn)中焊接碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼和對鑄鐵的補(bǔ)焊等，適宜板厚為3~20mm。

2.埋弧焊

電弧在焊劑層下燃燒的電弧焊方法稱為埋弧焊。若引弧、焊絲送進(jìn)、移動(dòng)電弧以及收弧等均由機(jī)械完成，則稱為埋弧自動(dòng)焊。

1)埋弧焊設(shè)備

埋弧焊設(shè)備由焊接電源、焊車、控制箱三部分組成。其中，焊車由送絲機(jī)頭、行走小車、控制盤、焊絲盤和焊劑漏斗等組成，如圖11－23所示。圖11－23埋弧焊設(shè)備

2)埋弧焊的焊接過程及工藝

埋弧焊焊接過程如圖11－24所示；埋弧焊焊縫形成過程示意圖如圖11－25所示。埋弧焊焊絲從導(dǎo)電嘴深處長度較短，故可采用大電流焊接，它比手工電弧焊高4倍，故適宜焊接較厚材料，也可焊接大直徑筒體。環(huán)焊縫埋弧焊示意圖如圖11－26所示。圖11－24埋弧焊焊接過程圖11－25埋弧焊焊縫成形過程示意圖圖11－26環(huán)焊縫埋弧焊示意圖

3)埋弧焊的特點(diǎn)及應(yīng)用

埋弧焊的特點(diǎn)：

(1)焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定。

(2)熔深大，節(jié)省焊接材料。

(3)無弧光，無金屬飛濺，焊接煙霧少。

(4)自動(dòng)化操作，生產(chǎn)效率高。

(5)設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜。

(6)只能在水平位置焊接。

埋弧焊主要用于較厚鋼板的長直焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫焊接。如壓力容器的環(huán)焊縫和直焊縫、鍋爐冷卻壁的長直焊縫、船舶和潛艇殼體、起重機(jī)械、冶金機(jī)械(高爐爐身)等的焊接。

3.氣體保護(hù)焊

氣體保護(hù)焊是用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧區(qū)的熔滴和熔池及焊縫的電弧焊。常用的保護(hù)氣體有惰性氣體(氬氣、氦氣和混合氣體)和活性氣體(二氧化碳?xì)?兩種，分別稱為惰性氣體保護(hù)焊和CO2焊。

1)惰性氣體保護(hù)焊

(1)保護(hù)氣體和電極材料。

保護(hù)氣體有氬氣(Ar)和氦氣(He)及其混合氣體，分別稱為氬弧焊和氦弧焊及混合氣體保護(hù)焊。

氬弧焊分為鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊，如圖11－27所示。鎢極氬弧焊的電極材料可用純鎢或鎢合金，一般采用鈰鎢極，其在焊接過程中不熔化，故需采用焊絲。鎢極氬弧焊的焊接電流較小，適于薄板焊接。熔化極氬弧焊采用焊絲作為電極，可使用大電流，適用于中厚板焊接。圖11－27氬弧焊示意圖

氬弧焊設(shè)備由送絲系統(tǒng)、主電路系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、焊槍等組成，如圖11－28所示。

圖11－28氬弧焊設(shè)備組成示意圖

(2)電源種類和極性。

鎢極氬弧焊一般采用直流正接，以減少鎢極燒損；但焊接鋁、鎂金屬時(shí)，為去除氧化物，而利用“陰極破碎”作用可采用直流反接。熔化極氬弧焊一般采用直流反接。

(3)惰性氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)及應(yīng)用。

惰性氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)：

①可焊化學(xué)性質(zhì)活潑的非鐵金屬及其合金或特殊性能鋼。

②電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺小，表面無熔渣，焊縫成形美觀，質(zhì)量好。

③電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，焊縫周圍氣流冷卻，熱影響區(qū)小，焊后變形小，適于

薄板焊接。

④電弧為明弧，操作方便，易于自動(dòng)控制焊縫。

⑤氬氣、氦氣價(jià)格較貴，焊件成本高。

惰性氣體保護(hù)焊適用于焊接鋁、鎂、鈦及其合金，稀有金屬鋯、鉬、不銹鋼、耐熱鋼、低合金鋼等。

2)CO2氣體保護(hù)焊

CO2焊采用CO2為保護(hù)氣體，其焊接過程如圖11－29所示。CO2在高溫下會(huì)分解氧化金屬，故不能焊接易氧化的非鐵金屬和不銹鋼。同時(shí)需采用能脫氧和滲合金的特殊焊絲。

CO2焊可分為自動(dòng)CO2焊和半自動(dòng)CO2焊(送絲自動(dòng)，電弧移動(dòng)手工)。其設(shè)備包括主電路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、焊槍、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。圖11－29CO2焊示意圖

CO2焊的特點(diǎn)：

(1)生產(chǎn)率高，電流大，易于自動(dòng)化，無渣殼。

(2)成本低，無需涂料焊條和焊劑，CO2價(jià)廉。

(3)焊縫質(zhì)量較好。

(4)采用氣體保護(hù)，能全位置焊接，易于自動(dòng)控制。

(5)焊縫成形差，飛濺大。

(6)不能焊接易氧化的非鐵金屬和不銹鋼。

(7)設(shè)備較復(fù)雜，使用和維修不方便。

CO2焊適于焊接低碳鋼和強(qiáng)度級(jí)別不高的普通低合金結(jié)構(gòu)鋼。

4.電渣焊

電渣焊是利用電流通過熔渣產(chǎn)生的熔渣電阻熱加熱熔化母材與電極(填充金屬)的一種焊接方法。按電極形狀，電渣焊可分為絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊和熔管電渣焊。

絲極電渣焊過程如圖11－30所示。焊接過程為先引弧，形成渣池，電弧過程變?yōu)殡娫^程，熔化金屬凝固成形。圖11－30電渣焊過程示意圖

電渣焊的特點(diǎn)：

(1)可一次焊成很厚的焊縫。

(2)生產(chǎn)率高，焊接材料消耗少，不需開坡口。

(3)焊縫金屬較純凈，渣池覆蓋住熔池，保護(hù)良好，有利于氣體和雜質(zhì)浮出。

(4)接頭金屬在高溫下停留時(shí)間長，過熱區(qū)大，接頭金屬組織粗大，焊后應(yīng)進(jìn)行正火處理。

電渣焊主要用于厚壁壓力容器和鑄—焊、鍛—焊、厚板拼焊等大型構(gòu)件的制造，厚度應(yīng)大于40mm的碳鋼、合金鋼和不銹鋼等。

5.高能束焊

高能束焊是利用高能量密度的束流，如等離子弧、電子束、激光束等作為焊接熱源的熔焊方法。

1)等離子弧焊和切割

等離子弧是一種電離度很高的壓縮電弧，溫度高，能量密度大，其發(fā)生裝置如圖11－31所示。在三個(gè)壓縮作用下形成等離子弧。

(1)機(jī)械壓縮效應(yīng)。

(2)熱壓縮效應(yīng)。

(3)電磁壓縮效應(yīng)。溫度可達(dá)24000~50000K。

等離子弧焊用于航空航天等軍工和尖端工業(yè)技術(shù)的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鉬等金屬的焊接。

等離子切割是利用能量密度高的高溫、高速的等離子流，將切割金屬局部熔化并隨即吹除，形成整齊的切口。它常用于切割不銹鋼、鋁、銅、鈦、鑄鐵及鎢、鋯等難熔金屬和非金屬材料。

2)電子束焊

電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的方法。真空電子束產(chǎn)生原理如圖11－32所示。電子束焊不需要加焊絲。電子束焊可分為：

(1)真空電子束焊。把工件放在真空室內(nèi)，利用在真空室內(nèi)產(chǎn)生的電子束經(jīng)聚焦和加速，撞擊工件后動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的一種熔化焊。需嚴(yán)格除銹和清洗。

(2)低真空電子束焊。使電子束通過隔離閥及氣阻孔道進(jìn)入焊接工作室。工作室的真空度保持在1~13Pa。

(3)非真空電子束焊，將真空條件下形成的電子束流經(jīng)過充氦的氣室，然后與氦氣一起進(jìn)入大氣的環(huán)境中施焊。圖11－32真空電子束產(chǎn)生原理

電子束焊的特點(diǎn)：

(1)保護(hù)效果極佳，焊接質(zhì)量好。

(2)能量密度大；106~108W/cm2。

(3)焊接變形小。

(4)焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。

(5)設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高，焊件尺寸受真空室限制。

電子束焊用于原子能、航空航天等軍工尖端技術(shù)部門的特殊材料和結(jié)構(gòu)的焊接；也可用于大批量生產(chǎn)和流水線生產(chǎn)，如齒輪組合件、軸承等。

3)激光焊與切割

(1)激光焊。

激光焊是利用聚焦后的激光束的高能量密度(1013W/cm2)，對工件進(jìn)行焊接。它分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接。激光焊設(shè)備的示意圖如圖11－33所示。圖11－33激光焊設(shè)備示意圖

激光焊的特點(diǎn)：

①能量密度大，適合于高速加工，能避免熱損傷和焊接變形。

②靈活性比較大。

③激光輻射放出能量極其迅速，不僅焊接生產(chǎn)率高，而且被焊材料不易氧化，可以在大氣中焊接，不需真空環(huán)境或氣體保護(hù)。

④裝置復(fù)雜，效率較低。

激光焊常用于精密零件、熱敏感性材料，異種金屬異種材料的焊接。

(2)激光切割。

激光切割是利用聚焦后的激光束使工件材料瞬間氣化而形成割縫。它可切割各種金屬和非金屬材料。根據(jù)切割機(jī)理，激光切割可分為：

①激光蒸發(fā)切割，適于極薄材料。

②激光熔化吹氣(氬、氦、氮等)切割，適于非金屬材料。

③激光反應(yīng)氣體(純氧，壓縮空氣)切割，適于金屬材料。

激光切割的優(yōu)點(diǎn)：

①切割質(zhì)量好，效率高。

②切割速度快。

③切割成本低。

11.2.2壓焊

壓焊是指在加熱或不加熱狀態(tài)下對組合焊件加壓，使其產(chǎn)生塑性變形，并通過再結(jié)晶和擴(kuò)散等作用，使兩個(gè)分離表面的原子達(dá)到形成金屬鍵而連接的焊接方法。常用的有電阻焊和摩擦焊。

1.電阻焊

電阻焊是利用電流通過焊接接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，把焊件加熱到塑性或局部熔化狀態(tài)，再在電極壓力作用下形成接頭的一種焊接方法。電阻焊可分為點(diǎn)焊、縫焊、對焊。

1)點(diǎn)焊

點(diǎn)焊是利用電流通過兩圓柱形電極和搭接的兩焊件產(chǎn)生電阻熱，將焊件加熱并局部熔化，形成一個(gè)熔核(其周圍為塑性狀態(tài))，然后在壓力下熔核結(jié)晶，形成一個(gè)焊點(diǎn)的焊接方法。點(diǎn)焊示意圖如圖11－34所示。

點(diǎn)焊的主要焊接參數(shù)是電極壓力、焊接電流和通電時(shí)間。若電極壓力過大，焊接電流過小，則會(huì)使熱量少，焊點(diǎn)強(qiáng)度下降；若電極壓力過小，焊接電流大，則會(huì)使熱量大而不穩(wěn)定，易飛濺，燒穿。圖11－34點(diǎn)焊示意圖

2)縫焊

縫焊與點(diǎn)焊同屬于搭接電阻焊，焊接過程與點(diǎn)焊相似。它采用滾盤作電極，邊焊邊滾，相鄰兩個(gè)焊點(diǎn)重疊一部分，形成一條有密封性的焊縫，主要用于有密封性要求的薄板件。電阻縫焊如圖11－35所示。圖11－35電阻縫焊

3)對焊

對焊是利用電阻熱將焊件斷面對接焊合的一種電阻焊。它可分為電阻對焊和閃光對焊。對焊示意圖如圖11－36所示。對焊的應(yīng)用實(shí)例如圖11－37所示。圖11－36對焊示意圖圖11－37對焊應(yīng)用實(shí)例

(1)電阻對焊：先加預(yù)壓，使兩端面壓緊，然后通電加熱，使待焊處達(dá)到塑性溫度后，再斷電加壓頂鍛，產(chǎn)生一定塑性變形而焊合。它適于截面簡單、直徑小于20mm和強(qiáng)度要求不高的桿件。

(2)閃光對焊：兩焊件不接觸，先加電壓，再移動(dòng)焊件使之接觸，由于接觸點(diǎn)少，其電流密度很大，接觸點(diǎn)金屬迅速達(dá)到熔化、蒸發(fā)、爆破，呈高溫顆粒飛射出來，稱為閃光；經(jīng)多次閃光加熱后，端面均勻達(dá)到半熔化狀態(tài)，同時(shí)多次閃光把端面的氧化物也清除干凈，于是斷電加壓頂鍛，形成焊接接頭。

對焊斷面形狀應(yīng)相近，以保證斷面均勻加熱。其焊接質(zhì)量較高，常用于重要零件的焊接。

4)電阻焊特點(diǎn)及應(yīng)用

電阻焊的特點(diǎn)及應(yīng)用：

(1)加熱迅速，溫度較低，焊接熱影響區(qū)及變形小，易獲得優(yōu)質(zhì)接頭。

(2)不需外加填充金屬和焊劑。

(3)電阻對焊無弧光，噪聲小，煙塵、有害氣體少，勞動(dòng)條件好。

(4)焊件結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、氣密性好，易于獲得形狀復(fù)雜的零件。

(5)易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，生產(chǎn)率高。

(6)焊接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。

(7)焊機(jī)復(fù)雜，造價(jià)較高。

點(diǎn)焊適于低碳鋼、不銹鋼、銅合金、鋁鎂合金，厚度4mm以下的薄板沖壓結(jié)構(gòu)及鋼筋的焊接。縫焊適于板厚3mm以下，焊縫規(guī)則的密封結(jié)構(gòu)的焊接。對焊主要用于制造封閉形零件，軋制材料接長、異種材料制造的焊接。

2.摩擦焊

摩擦焊是利用工件金屬焊接表面相互摩擦產(chǎn)生的熱量，將金屬局部加熱到塑性狀態(tài)，然后在壓力下完成焊接的一種熱壓焊接方法。

1)摩擦焊的工藝過程

摩擦焊工藝過程如圖11－38所示。摩擦焊分為連續(xù)驅(qū)動(dòng)式和儲(chǔ)能式。圖11－38摩擦焊工藝過程

2)摩擦焊接頭形式

接頭一般是等斷面，也可為不等斷面，但其中必須有一個(gè)為圓形。如圖11－39所示。圖11－39摩擦焊接頭形式

3)摩擦焊的特點(diǎn)及應(yīng)用

(1)接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定。

(2)生產(chǎn)率高、成本低。

(3)適用范圍廣。

(4)生產(chǎn)條件好。

摩擦焊適用于圓形工件、棒料管子的對接。

11.2.3釬焊

釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料濕潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。釬焊按釬料熔點(diǎn)可分為軟釬焊、硬釬焊。釬劑能除去氧化膜和油污等雜質(zhì)，保護(hù)母材接觸面和釬料不受氧化，并增加釬料濕潤性和毛細(xì)流動(dòng)性。

1.軟釬焊

釬料熔點(diǎn)在450℃以下的釬焊，常用錫鉛釬料，松香、氯化鋅溶液作釬劑。其接頭強(qiáng)度低，工作溫度低，具較好的焊接工藝性，用于電子線路的焊接。

2.硬釬焊

釬料熔點(diǎn)在450℃以上的釬焊，常用銅基和銀基釬料，硼砂、硼酸、氯化物、氟化物組成釬劑。其接頭強(qiáng)度較高，工作溫度也高，用于機(jī)械零部件的焊接。

3.釬焊接頭及加熱方式

釬焊的接頭形式有板料搭接、套件鑲接等，如圖11－40所示。

釬焊的加熱方式有火焰加熱、電阻加熱、感應(yīng)加熱、爐內(nèi)加熱、鹽浴加熱和烙鐵加熱等。

圖11－40釬焊接頭形式

4.釬焊特點(diǎn)及應(yīng)用

釬焊的特點(diǎn)：

(1)采用低熔點(diǎn)的釬料作為填充金屬，釬料熔化，母材不熔化。

(2)工件加熱溫度較低，接頭組織、性能變化小，焊件變形小，接頭光滑平整，焊件尺寸精確。

(3)可焊接異種金屬，焊件厚度不受限制。

(4)生產(chǎn)率高，可整體加熱，一次焊成整個(gè)結(jié)構(gòu)的全部焊縫，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。

(5)釬焊設(shè)備簡單，生產(chǎn)投資費(fèi)用少。

釬焊主要用于焊接精密、微型、復(fù)雜、多焊縫、異種材料的焊件。

11.3常用金屬材料的焊接

11.3.1金屬材料的焊接性1.金屬焊接性的概念金屬焊接性是指某一種金屬材料采用一定焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式的條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，即其對焊接加工的適應(yīng)性。

焊接性一般包括兩個(gè)方面：一是接合性能，主要指在給定的焊接工藝條件下，形成完好焊接接頭的能力，特別是接頭對產(chǎn)生裂紋的敏感性。二是使用性能，指在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭在使用條件下安全運(yùn)行的能力，包括焊接接頭的力學(xué)性能和其他特殊性能(如耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等)。

焊接性是金屬的工藝性能在焊接過程中的反映，了解及評價(jià)金屬材料的焊接性，是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確定焊接方法、制定焊接工藝的重要依據(jù)。

2.焊接性的評定方法

金屬焊接性可以從金屬的物理特性、化學(xué)成分、合金晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、CCT圖或SHCCT圖結(jié)構(gòu)件形狀、焊前狀態(tài)、使用要求等因素來綜合評價(jià)，一般通過估算或試驗(yàn)方法評定。焊接性試驗(yàn)包括抗裂試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)等，通過試驗(yàn)可以評定某種金屬材料焊接性的優(yōu)劣。下面介紹通常采用的估算方法：碳當(dāng)量法(CarbonEquivalent)。

在各種合金元素中，碳對淬硬和冷裂影響最大。在粗略估計(jì)碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性能時(shí)，把鋼中的合金元素(包括碳)的含量按其對焊接性影響程度換算成碳的相當(dāng)含量，其總和叫做碳當(dāng)量(CE)。以CE值的大小來評估價(jià)焊接性的好與壞。

式中，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都取其成分范圍的上限。

碳當(dāng)量越高，裂紋傾向越大，鋼的焊接性越差。一般認(rèn)為，當(dāng)CE<0.4%時(shí)，鋼的淬硬和冷裂傾向不大，焊接性良好；當(dāng)CE=0.4%~0.6%時(shí)，鋼的淬硬和冷裂傾向逐漸增加，焊接性較差，焊接時(shí)需要采取一定的預(yù)熱、緩冷等工藝措施，以防止產(chǎn)生裂紋；當(dāng)CE>0.6%時(shí)，鋼的淬硬和冷裂傾向嚴(yán)重，焊接性很差，一般不用于生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)。

值得注意的是，鋼材的焊接性還受結(jié)構(gòu)剛度、焊后應(yīng)力條件、環(huán)境溫度的影響，故應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行抗裂試驗(yàn)及使用焊接性試驗(yàn)。

11.3.2碳素鋼的焊接

1.低碳鋼的焊接

Q235、10、15、20等低碳鋼是應(yīng)用最廣泛的焊接結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)槠浜剂康陀?.25%，塑性很好，淬硬傾向小，不易產(chǎn)生裂紋，所以焊接性最好。焊接時(shí)，任何焊接方法和最普通的焊接工藝即可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。但由于施焊條件、結(jié)構(gòu)形式的不同，因此焊接時(shí)還需注意以下問題：

(1)在低溫環(huán)境下焊接厚度大、剛性大的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行預(yù)熱，否則容易產(chǎn)生裂紋。

(2)重要結(jié)構(gòu)焊后要進(jìn)行去應(yīng)力退火，以消除焊接應(yīng)力。

低碳鋼常用的焊接方法是焊條電弧焊、埋弧焊、電阻焊、電渣焊和氣體保護(hù)焊。一般結(jié)構(gòu)常使用酸性焊條，如E4303、E4320、E4301、E4310等；對于承受重載或低溫下工作的重要構(gòu)件，以及厚度大、剛度大的構(gòu)件可采用低氫型焊條，如E5015、E5016、E4316等。埋弧焊一般采用H08A或H08MnA焊絲，配以HJ431焊劑進(jìn)行焊接。

2.中碳鋼的焊接

含碳量在0.25%~0.60%之間的中碳鋼，有一定的淬硬傾向，焊接接頭容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。中碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)多為鍛件和鑄鋼件，通過補(bǔ)焊修理損壞件。焊接方法通常采用手工電弧焊，焊條選用抗裂性好的低氫型焊條(如E5015，E5016、E4316等)，當(dāng)焊縫有等強(qiáng)度要求時(shí)，選擇相當(dāng)強(qiáng)度級(jí)別的焊條。對于補(bǔ)焊或不要求等強(qiáng)度的接頭，可選擇強(qiáng)度級(jí)別低、塑性好的焊條，以防止裂紋的產(chǎn)生。焊接時(shí)，應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷等措施以減小淬硬傾向，減小焊接應(yīng)力。接頭處開坡口進(jìn)行多層焊，采用細(xì)焊條小電流，可以減少母材金屬的熔入量，降低裂紋傾向。

3.高碳鋼的焊接

高碳鋼的含碳量大于0.60%，其焊接特點(diǎn)與中碳鋼基本相同，但淬硬和裂紋傾向更大，焊接性更差。一般這類鋼不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，大多是用手工電弧焊或氣焊來補(bǔ)焊修理一些損壞件。焊接時(shí)，應(yīng)注意焊前預(yù)熱和焊后緩冷。

11.3.3低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

低合金結(jié)構(gòu)鋼按其屈服強(qiáng)度可以分為九級(jí)：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。強(qiáng)度級(jí)別≤400MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，CE<0.4%，焊接性良好，其焊接工藝和焊接材料的選擇與低碳鋼基本相同，一般不需采取特殊的工藝措施。只有焊件較厚、結(jié)構(gòu)剛度較大和環(huán)境溫度較低時(shí)，才進(jìn)行焊前預(yù)熱，以免產(chǎn)生裂紋。

強(qiáng)度級(jí)別≥450MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，CE>0.4%，存在淬硬和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當(dāng)，焊接時(shí)需要采取一些工藝措施，如焊前預(yù)熱(預(yù)熱溫度150℃左右)可以降低冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織。適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，可以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，保證焊接接頭獲得優(yōu)良性能；焊后熱處理能消除殘余應(yīng)力，避免冷裂。

低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴(yán)，手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和電渣焊均可用于此類鋼的焊接，其中以手工電弧焊和埋弧焊較常用。選擇焊接材料時(shí)，通常從等強(qiáng)度原則出發(fā)，為了提高抗裂性，盡量選用堿性焊條和堿性焊劑；對于不要求焊縫和母材等強(qiáng)度的焊件，亦可選擇強(qiáng)度級(jí)別略低的焊接材料，以提高塑性，避免冷裂。

11.3.4奧氏體不銹鋼的焊接

不銹鋼中都含有不少于12%的鉻，還含有鎳、錳、鉬等合金元素，以保證其耐熱性和耐腐蝕性。按組織狀態(tài)，不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等，其中以奧氏體不銹鋼的焊接性最好，廣泛用于石油、化工、動(dòng)力、航空、醫(yī)藥、儀表等部門的焊接結(jié)構(gòu)中，常見牌號(hào)有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等。

1.奧氏體不銹鋼的焊接性

奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐蝕，其原因是焊接時(shí)，在450~850℃溫度范圍停留一定時(shí)間的接頭部位，在晶界處析出高鉻碳化物(Cr23C6)，引起晶粒表層含鉻量降低，形成貧鉻區(qū)。在腐蝕介質(zhì)的作用下，晶粒表層的貧鉻區(qū)受到腐蝕而形成晶間腐蝕。這時(shí)被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時(shí)則會(huì)沿晶界斷裂，幾乎完全失去強(qiáng)度。為防止和減少焊接接頭處的晶間腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫金屬的含碳量，采用超低碳的焊接材料和母材。采用含有能優(yōu)先與碳形成穩(wěn)定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止貧鉻現(xiàn)象的產(chǎn)生。

奧氏體不銹鋼焊接的另一個(gè)問題是熱裂紋。它產(chǎn)生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強(qiáng)，有利于S、P等元素的低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)物的形成和聚集。另外，此類鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小(約為低碳鋼的1/3)，線脹系數(shù)大(比低碳鋼大50%)，所以焊接應(yīng)力也大。防止的辦法是選用含碳量很低的母材和焊接材料，采用含適量Mo、Si等鐵素體形成元素的焊接材料，使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，減少偏析。

2.奧氏體不銹鋼的焊接工藝

一般熔焊方法均能用于奧氏體不銹鋼的焊接，目前生產(chǎn)上常用的方法是手工電弧焊、氬弧焊和埋弧焊。在焊接工藝上，主要應(yīng)注意以下問題：

(1)采用小電流、快速焊，可有效地防止晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生。一般焊接電流應(yīng)比焊接低碳鋼時(shí)低20%。

(2)焊接電弧要短，且不作橫向擺動(dòng)，以減少加熱范圍。避免隨處引弧，焊縫盡量一次焊完，以保證耐腐蝕性。

(3)多層焊時(shí)，應(yīng)在前面一層冷至60℃以下，再焊后一層。進(jìn)行雙面焊時(shí)，先焊非工作面，后焊與腐蝕介質(zhì)接觸的工作面。

(4)對于晶間腐蝕，在條件許可時(shí)，可采用強(qiáng)制冷卻。必要時(shí)可進(jìn)行穩(wěn)定化處理，消除產(chǎn)生晶間腐蝕的可能性。

11.3.5鑄鐵的補(bǔ)焊

鑄鐵在制造和使用中容易出現(xiàn)各種缺陷和損壞。鑄鐵補(bǔ)焊是對有缺陷鑄鐵件進(jìn)行修復(fù)的重要手段，在實(shí)際生產(chǎn)中具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

1.鑄鐵的焊接性

鑄鐵的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接過程中易產(chǎn)生白口組織和裂紋。白口組織是由于在鑄鐵補(bǔ)焊時(shí)，碳、硅等促進(jìn)石墨化元素大量燒損，且補(bǔ)焊區(qū)冷速快，在焊縫區(qū)石墨化過程來不及進(jìn)行而產(chǎn)生的。白口鑄鐵硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的鑄鐵焊接材料或鎳基合金、銅鎳合金、高釩鋼等非鑄鐵焊接材料，或補(bǔ)焊時(shí)進(jìn)行預(yù)熱緩冷使石墨充分析出，或采用釬焊，均可避免出現(xiàn)白口組織。

裂紋通常發(fā)生在焊縫和熱影響區(qū)，產(chǎn)生的原因是鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低，塑性很差(400℃以下基本無塑性)，而焊接應(yīng)力較大，且接頭存在白口組織時(shí)，由于白口組織的收縮率更大，裂紋傾向更加嚴(yán)重，甚至可使整條焊縫沿熔合線從母材上剝離下來。防止裂紋的主要措施：采用純鎳或銅鎳焊條、焊絲，以增加焊縫金屬的塑性；加熱減應(yīng)區(qū)以減小焊縫上的拉應(yīng)力；采取預(yù)熱、緩冷、小電流、分散焊等措施減小焊件的溫度差。

2.鑄鐵補(bǔ)焊方法及工藝

鑄鐵補(bǔ)焊采用的焊接方法參見表11－3。補(bǔ)焊方法主要根據(jù)對焊后的要求(如焊縫的強(qiáng)度、顏色、致密性，焊后是否進(jìn)行機(jī)加工等)、鑄件的結(jié)構(gòu)情況(大小、壁厚、復(fù)雜程度、剛度等)及缺陷情況來選擇。手工電弧焊和氣焊是最常用的鑄鐵補(bǔ)焊方法。

11.3.6非鐵金屬的焊接

1.銅及銅合金的焊接

(1)銅及銅合金在焊接時(shí)面臨的主要問題：

①難熔合。銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接時(shí)散熱快，要求焊接熱源集中，且焊前必須預(yù)熱；否則，易產(chǎn)生未焊透或未熔合等缺陷。

②裂紋傾向大。銅在高溫下易氧化，形成的氧化亞銅(Cu2O)與銅形成低熔共晶體(Cu2O+Cu)分布在晶界上，容易產(chǎn)生熱裂紋。

③焊接應(yīng)力和變形較大。這是因?yàn)殂~的線脹系數(shù)大，收縮率也大，且焊接熱影響區(qū)寬。

④容易產(chǎn)生氣孔。氣孔主要是由氫氣引起的，液態(tài)銅能夠溶解大量的氫，冷卻凝固時(shí)，溶解度急劇下降，來不及逸出的氫氣即在焊縫中形成氫氣孔。

此外，焊接黃銅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鋅蒸發(fā)(鋅的沸點(diǎn)僅907℃)，一方面使合金元素?fù)p失，造成焊縫的強(qiáng)度、耐蝕性降低；另一方面，鋅蒸汽有毒，對焊工的身體造成傷害。

(2)焊接方法。

焊接方法有氬弧焊、氣焊和手工電弧焊。其中，氬弧焊是焊接紫銅和青銅最理想的方法。黃銅焊接常采用氣焊，因?yàn)闅夂笗r(shí)可采用微氧化焰加熱，使熔池表面生成高熔點(diǎn)的氧化鋅薄膜，以防止鋅的進(jìn)一步蒸發(fā)；或選用含硅焊絲，可在熔池表面形成致密的氧化硅薄膜，既可以阻止鋅的蒸發(fā)，又能對焊縫起到保護(hù)作用。

(3)為保證焊接質(zhì)量，在焊接銅及銅合金時(shí)還應(yīng)采取以下措施：

①為了防止Cu2O的產(chǎn)生，可在焊接材料中加入脫氧劑，如采用磷青銅焊絲，即可利用磷進(jìn)行脫氧。

②清除焊件、焊絲上的油、銹、水分，減少氫的來源，避免氣孔的形成。

③厚板焊接時(shí)應(yīng)以焊前預(yù)熱來彌補(bǔ)熱量的損失，改善應(yīng)力的分布狀況。焊后錘擊焊縫，減小殘余應(yīng)力。焊后進(jìn)行再結(jié)晶退火，以細(xì)化晶粒，破壞低熔共晶。

2.鋁及鋁合金的焊接

鋁具有密度小、耐腐蝕性好、很高的塑性和優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及良好的焊接性等優(yōu)點(diǎn)，因而鋁及鋁合金在航空、汽車、機(jī)械制造、電工及化學(xué)工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

(1)鋁及鋁合金在焊接時(shí)面臨的主要問題：

①鋁及鋁合金表面極易生成一層致密的氧化膜(Al2O3)，其熔點(diǎn)(2050℃)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鋁的熔點(diǎn)(657℃)，在焊接時(shí)阻礙金屬的熔合，且由于其密度大，容易形成夾雜。

②液態(tài)鋁可以大量溶解氫，鋁的高導(dǎo)熱性又使金屬迅速凝固，因此液態(tài)時(shí)吸收的氫氣來不及析出，極易在焊縫中形成氣孔。

③鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率很大，導(dǎo)熱性很好，因而焊接應(yīng)力很大，對于厚度大或剛性較大的結(jié)構(gòu)，焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋。

④鋁及鋁合金高溫時(shí)強(qiáng)度和塑性極低，很容易產(chǎn)生變形，且高溫液態(tài)無顯著的顏色變化，操作時(shí)難以掌握加熱溫度，容易出現(xiàn)燒穿、焊瘤等缺陷。

(2)焊接方法。

焊接方法有氬弧焊、電阻焊、氣焊。其中，氬弧焊應(yīng)用最廣，電阻焊應(yīng)用也較多，氣焊在薄件生產(chǎn)中仍在采用。電阻焊焊接鋁合金時(shí)，應(yīng)采用大電流、短時(shí)間通電，焊前必須清除焊件表面的氧化膜。如果對焊接質(zhì)量要求不高，薄壁件可采用氣焊，焊前必須清除工件表面氧化膜，焊接時(shí)使用焊劑，并用焊絲不斷破壞熔池表面的氧化膜，焊后應(yīng)立即將焊劑清理干凈，以防止焊劑對焊件的腐蝕。

(3)為保證焊接質(zhì)量，鋁及鋁合金在焊接時(shí)應(yīng)采取以下工藝措施：

①焊前清理，去除焊件表面的氧化膜、油污、水分，便于焊接時(shí)的熔合，防止氣孔、夾渣等缺陷。

②對厚度超過5~8mm的焊件，預(yù)熱至100~300℃，以減小焊接應(yīng)力，避免裂紋，且有利于氫的逸出，防止氣孔的產(chǎn)生。

③焊后清理殘留在接頭處的焊劑和焊渣，防止其與空氣、水分作用，腐蝕焊件?？捎?0%的硝酸溶液浸洗焊件，然后用清水沖洗、烘干。

11.4焊接結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)

焊接工藝設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)性質(zhì)和技術(shù)要求，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際條件，運(yùn)用現(xiàn)代焊接技術(shù)知識(shí)和先進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定焊接生產(chǎn)方法和程序的過程。在焊接結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造中，除考慮使用性能之外，還應(yīng)考慮制造時(shí)焊接工藝的特點(diǎn)及要求，才能保證在較高的生產(chǎn)率和較低的成本下，獲得符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品質(zhì)量。

焊接工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)件工作時(shí)的負(fù)荷大小和種類、工作環(huán)境、工作溫度等使用要求，合理選擇結(jié)構(gòu)材料、焊接材料和焊接方法，正確設(shè)計(jì)焊接接頭、制定工藝和焊接技術(shù)條件等。

11.4.1焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇

(1)根據(jù)工藝性能選擇焊接材料。優(yōu)先選用含碳量低于0.25%的碳鋼或碳當(dāng)量低于0.4%的合金鋼，這類材料的焊接性能、切削性能等都比較好。

(2)根據(jù)焊接件結(jié)構(gòu)選擇焊接材料。在滿足承載能力等工作條件的前提下，考慮體積、重量、經(jīng)濟(jì)性等因素，盡量選用型材和管材，以減少焊縫數(shù)量，簡化焊接工藝。

(3)根據(jù)焊接方法選擇焊接材料，如表11－4所示。

表11－4根據(jù)焊接方法選擇焊接材料

11.4.2焊接方法的選擇

選擇焊接方法時(shí)應(yīng)根據(jù)下列原則：

(1)焊接接頭使用性能及質(zhì)量要符合結(jié)構(gòu)技術(shù)要求。

(2)提高生產(chǎn)率，降低成本。

11.4.3焊接接頭工藝設(shè)計(jì)

1.焊縫布置

焊縫位置對焊接接頭的質(zhì)量、焊接應(yīng)力和變形以及焊接生產(chǎn)率均有較大影響，因此在布置焊縫時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

(1)焊縫位置應(yīng)便于施焊，有利于保證焊縫質(zhì)量。

焊縫可分為平焊縫、橫焊縫、立焊縫和仰焊縫四種。焊縫的空間位置如圖1－41所示。其中，施焊操作最方便、焊接質(zhì)量最容易保證的是平焊縫，因此在布置焊縫時(shí)應(yīng)盡量使焊縫能在水平位置進(jìn)行焊接。圖11－41焊縫的空間位置

除焊縫空間位置外，還應(yīng)考慮各種焊接方法所需要的施焊操作空間。圖11－42所示為考慮手工電弧焊施焊空間時(shí)，對焊縫的布置要求。圖11－43所示為考慮點(diǎn)焊或縫焊施焊空間(電極位置)時(shí)的焊縫布置要求。圖11－42手工電弧焊對操作空間的要求圖11－43電阻點(diǎn)焊或縫焊時(shí)的焊縫布置

另外，還應(yīng)注意焊接過程中對熔化金屬的保護(hù)情況。氣體保護(hù)焊時(shí)，要考慮氣體的保護(hù)作用，如圖11－44所示。埋弧焊時(shí)，要考慮接頭處有利于熔渣形成封閉空間，如圖11－45所示。圖11－44氣體保護(hù)焊時(shí)的焊縫布置圖11－45埋弧焊時(shí)的焊縫布置

(2)焊縫布置應(yīng)有利于減少焊接應(yīng)力和變形。

通過合理布置焊縫來減小焊接應(yīng)力和變形主要有以下途徑：

①盡量減少焊縫數(shù)量。采用型材、管材、沖壓件、鍛件和鑄鋼件等作為被焊材料。這樣不僅能減小焊接應(yīng)力和變形，還能減少焊接材料消耗，提高生產(chǎn)率。如圖11－46所示箱體構(gòu)件，如果采用型材或沖壓件(參見圖11－46(b))焊接，則較板材(參見圖11－46(a))減少兩條焊縫。圖11－46減少焊縫數(shù)量

②盡可能分散布置焊縫。如圖11－47所示，焊縫集中分布容易使接頭過熱，材料的力學(xué)性能降低，兩條焊縫的距離一般要求大于三倍或五倍的板厚。圖11－47分散布置焊縫

③盡可能對稱分布焊縫。如圖11－48所示，焊縫的對稱布置可以使各條焊縫的焊接變形相抵消，對減小梁柱結(jié)構(gòu)的焊接變形有明顯的效果。圖11－48對稱分布焊縫

(3)焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中部位。

如圖11－49所示，以防止焊接應(yīng)力與外加應(yīng)力相互疊加，造成過大的應(yīng)力而開裂。若其不可避免，應(yīng)附加剛性支承，以減小焊縫承受的應(yīng)力。圖11－49焊縫避開最大應(yīng)力集中部位

(4)焊縫應(yīng)盡量避開機(jī)械加工面。

一般情況下，焊接工序應(yīng)在機(jī)械加工工序之前完成，以防止焊接損壞機(jī)械加工表面。此時(shí)焊縫的布置也應(yīng)盡量避開需要加工的表面，因?yàn)楹缚p的機(jī)械加工性能不好以及焊接殘余應(yīng)力會(huì)影響加工精度。如果焊接結(jié)構(gòu)上某一部位的加工精度要求較高，又必須在機(jī)械加工完成之后進(jìn)行焊接工序時(shí)，應(yīng)將焊縫布置在遠(yuǎn)離加工面處，以避免焊接應(yīng)力和變形對已加工表面精度的影響，如圖11－50所示。圖11－50焊縫遠(yuǎn)離機(jī)械加工表面

2.焊接接頭形式的選擇與設(shè)計(jì)

1)接頭形式

根據(jù)GB/T985.12008規(guī)定，手工電弧焊焊接碳鋼和低合金鋼的基本焊接接頭形式有對接接頭、角接接頭、T形接頭和搭接接頭四種，分別如圖11－51所示。其中，對接接頭是焊接結(jié)構(gòu)中使用最多的一種形式，接頭上應(yīng)力分布比較均勻，焊接質(zhì)量容易保證，但對焊前準(zhǔn)備和裝配質(zhì)量要求相對較高。角接接頭便于組裝，能獲得美觀的外形，但其承載能力較差，通常只起連接作用，不能用來傳遞工作載荷。

T形接頭也是一種應(yīng)用非常廣泛的接頭形式，在船體結(jié)構(gòu)中約有70%的焊縫采用T形接頭，在機(jī)床焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也十分廣泛。搭接接頭便于組裝，常用于對焊前準(zhǔn)備和裝配要求簡單的結(jié)構(gòu)，但焊縫受剪切力作用，應(yīng)力分布不均，承載能力較低，且結(jié)構(gòu)重量大，不經(jīng)濟(jì)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)形狀、使用要求、焊件厚度、變形大小、焊接材料的消耗量、坡口加工的難易程度等因素，以確定接頭形式和總體結(jié)構(gòu)形式。

2)坡口形式

為保證厚度較大的焊件能夠焊透，常將焊件接頭邊緣加工成一定形狀的坡口。坡口除保證焊透外，還能起到調(diào)節(jié)母材金屬和填充金屬比例的作用，由此可以調(diào)整焊縫的性能。坡口形式的選擇主要根據(jù)板厚和采用的焊接方法，同時(shí)兼顧焊接工作量大小、焊接材料消耗、坡口加工成本和焊接施工條件等，以提高生產(chǎn)率和降低成本。焊條電弧焊常采用的坡口形式有不開坡口(I形坡口)、Y形坡口、雙Y形坡口、U形坡口等，如圖11－51所示。圖11－51手弧焊接頭形式及坡口形式圖11－51手弧焊接頭形式及坡口形式

手工電弧焊板厚6mm以上對接時(shí)，一般要開設(shè)坡口。對于重要結(jié)構(gòu)，板厚超過3mm就要開設(shè)坡口。厚度相同的工件常有幾種坡口形式可供選擇，Y形和U形坡口只需一面焊，可焊到性較好，但焊后角變形大，焊條消耗量也大些。雙Y形和雙面U形坡口兩面施焊，受熱均勻，變形較小，焊條消耗量較小，在板厚相同的情況下，雙Y形坡口比Y形坡口節(jié)省焊接材料1/2左右，但必須兩面都可焊到，所以它有時(shí)受到結(jié)構(gòu)形狀的限制。U形和雙面U形坡口根部較寬，容易焊透，且焊條消耗量也較小，但坡口制備成本較高，一般只在重要的受動(dòng)載的厚板結(jié)構(gòu)中采用。

如果采用兩塊厚度相差較大的金屬材料進(jìn)行焊接，則接頭處會(huì)造成應(yīng)力集中，而且接頭兩邊受熱不勻易產(chǎn)生焊不透等缺陷。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對于不同厚度鋼板對接的承載接頭，當(dāng)兩板厚度差δ-δ1不超過表11－5所示的規(guī)定時(shí)，焊接接頭的基本形式和尺寸按厚度較大的板確定；反之，則應(yīng)在厚板上作出單面或雙面斜度，有斜度部分的長度L≥3(δ-δ1)，如圖11－52所示。

圖11－52不同厚度鋼板的對接

11.5焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

11.5.1焊接缺陷及分類焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象稱為焊接缺陷。

常見的焊接缺陷：

(1)焊縫尺寸不符合要求。它主要指焊縫寬窄不一、高低不平、余高不足或過高等。焊縫尺寸過小，會(huì)降低焊接接頭的強(qiáng)度；尺寸過大，將增加結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，造成應(yīng)力集中，還增加焊接工作量。

(2)咬邊。在工件上沿焊縫邊緣所形成的凹陷叫做咬邊。它不僅減少了接頭工作截面，而且在咬邊處造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

(3)焊瘤。焊接過程中，熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上，所形成的金屬瘤叫做焊瘤。焊瘤不僅影響焊縫外表的美觀，而且焊瘤下面常有未焊透缺陷，易造成應(yīng)力集中。

(4)燒穿。焊接過程中，熔化金屬自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷稱為燒穿。燒穿常發(fā)生于打底焊道的焊接過程中。

(5)未焊透。未焊透是指工件與焊縫金屬或焊縫層間局部未熔合的一種缺陷。未焊透減弱了焊縫工作截面，造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，大大降低接頭強(qiáng)度，它往往成為焊縫開裂的根源。

(6)未熔合。未熔合是指焊接時(shí)，焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全熔化結(jié)合的部分；或是指點(diǎn)焊時(shí)，母材與母材之間未完全熔化結(jié)合的部分。未熔合的危害大致與未焊透相同。

(7)凹坑、塌陷及未焊滿。凹坑指在焊縫表面或焊縫背面形成的低于母材表面的局部低洼部分。塌陷指單面熔化焊時(shí)，由于焊接工藝不當(dāng)，造成焊縫金屬過量透過背面，使焊縫正面塌陷，背面凸起的現(xiàn)象。由于填充金屬不足，在焊縫表面形成的連續(xù)或斷續(xù)的溝槽，這種現(xiàn)象即未焊滿。上述缺陷削弱了焊縫的有效截面，容易造成應(yīng)力集中，并使焊縫的強(qiáng)度嚴(yán)重減弱。

(8)夾渣。焊縫中夾有非金屬熔渣，即稱為夾渣。夾渣減少了焊縫工作截面，造成應(yīng)力集中，會(huì)降低焊縫強(qiáng)度和沖擊韌性。

(9)氣孔。焊縫金屬在高溫時(shí)，吸收了過多的氣體(如H2)或由于溶池內(nèi)部冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體(如CO)，在溶池冷卻凝固時(shí)來不及排出，而在焊縫內(nèi)部或表面形