机械工程材料及成形工艺（第三版）-焊接课件

焊 接,焊接基础、常用焊接方法、焊件结构、焊接新技术,无锡职业技术学院,2014年08月28日,本章主要内容,焊接是应用广泛的永久性连接方法，可用于制造金属结构和机械零件，在机械、造船、化工、汽车、国防等行业起着极为重要的作用。本章主要介绍焊接基本工艺知识、常用焊接方法、焊接件的结构工艺性、焊接技术发展趋势等。,第一节 焊接基础知识 第二节 熔焊 第三节 压焊与钎焊 第四节 焊件的结构工艺性 第五节 焊接技术发展趋势,第一节 焊接基础知识,一、焊接的分类、特点及应用 二、金属的焊接性能 三、常用金属材料的焊接,一、焊接分类、特点,焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种永久连接方法,1、焊接特点 优点： 省工省料结构轻；接头部位连接牢固强度高；密封性好；可生产铸造等方法难以生产的构件 缺点： 焊接需加热，焊后易产生焊接应力，产生变形、裂纹，工艺不当会产生焊接缺陷,2、焊接分类,金属结构件自行车三角架、钢窗、锅炉、 压力容器、管道、船舶、车辆等； 机器部件轴、齿轮、刀具等。,3、焊接应用,压力容器 车辆,二、金属的焊接性能,1、金属材料焊接性的概念,是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，包含二个方面：一是工艺焊接性；二是使用焊接性,焊接性,工艺焊接性：形成焊接缺陷的敏感性使用性能使用焊接性：接头部位的力学性能,影响因素,金属材料化学成分 焊接方法、焊接材料、焊接工艺,wCE 0.4%时，冷裂纹倾向不明显, 焊接性良好； wCE 0.4%0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差； wCE 0.6%时，冷裂倾向很强, 焊接性很差。,碳当量越高，裂纹倾向就越大，焊接性越差 焊接性较差或很差的材料，焊前需预热，焊后需缓冷,碳当量钢焊接性的评定依据,碳当量wCE的计算公式：,焊接性良好。适宜各种焊接方法。 注意：低温环境下焊接时可预热，重要构件焊后去应力,1、低碳钢的焊接,2、中碳钢的焊接,焊接性较差，有冷裂倾向很强 需采取工艺措施：采用抗裂性好的低氢型焊条，焊前必须先预热，焊后缓冷；焊缝开坡口，采用多层多道焊等,三、常用金属材料的焊接,高碳钢焊接性差，不建议作为焊接结构用材料,3、低合金高强度结构钢的焊接,化学成分（碳当量wCE ）的高低决定焊接性能 （1）当wCE0.4% 时， 焊接性良好 常温下焊接时和低碳钢基本相同 工件厚度较大或环境温度较低时，要预热，适当增大焊接电流，减慢焊接速度，选用抗裂性好的低氢型焊条 （2）当wCE 0.4% 时， 焊接性较差 需采取工艺措施防裂： 焊前需预热 焊后应及时进行热处理，消除焊接应力,奥氏体：焊接性能良好 铁素体：焊接性较差（过热晶粒引起脆化和裂纹） 马氏体：焊接性较差（冷裂纹和淬硬脆化）,不锈钢,4、不锈钢的焊接,焊接方法：适宜用焊条电弧焊、氩弧焊、埋弧自动焊 焊条：化学成分应与母材相同,5、铸铁的焊补,铸铁焊接性差，容易出现白口组织、裂纹、气孔等焊接缺陷 焊接方法：气焊和焊条电弧焊，用于修补；焊前整体或局部预热，焊后缓冷 焊条：为防焊缝出现白口，加入碳、硅等石墨化元素,5、铝及铝合金的焊接,焊接性能：较差 原因如下： （1）铝极易生成熔点很高的氧化铝薄膜，阻碍金属融合； （2）铝液吸苑收大量氢，凝固时易形成气孔； （3）铝的散热快，要求使用大功率热源； （4）铝的膨胀系数大，易变形； （5）铝及铝合金熔化时无明显颜色变化，焊接时容易烧穿 焊接方法：以氩弧焊较为主 工艺措施： 在焊口下放置垫板，以保焊透而不烧穿； 对于厚度超过58mm厚度的焊件焊前应预热,7、铜及其合金的焊接性,焊接性能：较差 原因及工艺措施如下： （1）铜的导热系数很高，需采用大功率热源，且焊前和焊接过程中要预热，否则易焊不透； （2）铜的线膨胀系数和收缩率大，变形严重，需采用适当焊接顺序、焊后要锤击，以减小应力； （3）铜在高温下易氧化、产生热裂纹； （4）铜在液态容易吸收氢，凝固时来不及逸出，易形成气孔，焊前应仔细清除工件、焊丝表面的油、锈和水分。 焊接方法： 以氩弧焊最为理想，也可采用气焊和焊条电弧焊等。,第二节 熔 焊,一、焊条电弧焊,二、其他熔焊方法,埋弧焊、气体保护焊、气焊与气割,一、焊条电弧焊,什么是熔焊（熔化焊）？ 是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。同时焊接部位需填充金属，待冷却凝固后焊合金属成整体,是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。它是利用焊条与焊件之间产生的电弧热，熔化焊件与焊条而进行焊接,1、焊接电弧,电弧实质：气体介质中产生的强烈而持久的放电现象 引弧方法：擦划或敲击，造成瞬时短路，迅速升温使间隙中空气电离，产生“正离子”和“自由电子”，形成电弧,引弧（高速摄影）,(3) 当电弧向前移动时, 熔池冷却凝固而新的熔池不断产生, 形成连续的焊缝。,(1)电弧在焊条与被焊件之间燃烧, 电弧热使工件和焊条同时熔化成熔池;,(2) 电弧使焊条的药皮熔化或燃烧, 产生熔渣和气体, 对熔化金属和熔池起保护作用；,焊接过程如下：,电弧的温度,阴极区 2100 ，热量占36%, 弧柱 57007700 ，热量占21% 阳极区 2300 ，热量占43%,这是正接法: 工件接正极, 焊条接负极,采用直流电焊接时，电弧有极性：,正接法：电源正极接工件，负极接焊条 反接法：电源正极接焊条，负极接工件,采用交流电焊接时，电弧无极性,2、焊接设备,直流弧焊机（弧焊发电机） 优点：焊接质量较好，适用于焊接较重要的工件 缺点：结构复杂，成本较高 交流弧焊机（弧焊整流器） 优点：效率较高，结构简单，制造方便，成本较低，使用可 靠，维护、保养简单。应用广泛 缺点：电弧不够稳定，不适宜焊接薄板,直流焊机,交流焊机,作电极传导电流，产生电弧 作填充金属（调整成分）,机械保护作用(气体和熔渣) 冶金处理（熔渣） 改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定）,焊条的组成:焊芯、药皮,焊芯的作用,药皮的作用,3、焊条,矿石粉、铁合金粉和粘结剂,金属丝,碳钢焊条 低合金钢焊条 不锈钢焊条 铸铁焊条 堆焊焊条 镍和镍合金焊条 铜和铜合金焊条 铝和铝合金焊条,酸性焊条（SiO2、MnO等） 碱性焊条（CaO、FeO等）,种类,按用途分,按熔渣性质分,焊条的种类、型号与牌号,碳钢焊条国标 (GB5117-2012， GB5118-2012): E 4 3 0 3,焊条的型号：,例1：,例2：5015 表示焊条熔敷金属的R 50kgfmm2（即490Mpa）， 适用于全位置焊接，药皮类型碱性，电流种类是直流反接,几种焊条的型号及适用范围,焊条的酸碱性,力学性能好（韧性高，抗裂性好）； 焊接工艺性能差；（用直流电）； 对油污、锈、水敏感性大；（清洗、烘干）； 排出有毒烟尘。（需通风良好）,碱性焊条：,酸性焊条：特性与碱性焊条相反,焊条的选用,（1）等强度原则：如焊接一般结构，如低碳钢、普通低合金钢构件时，采用等强度原则 （2）同成分原则：如不绣钢、耐热钢焊条，采用相同成分原则 （3）经济性与现实性原则：应考虑成本、焊接位置、焊接空间、操作难度等,选用原则：,例：焊接低合金高强度钢Q345,该钢的抗拉强度为520 Mpa 可选用E5003，E5015，E5016,4、焊条电弧焊工艺,工艺要点：接头形式、焊接位置、参数、焊接变形及预防,接头形式：对接、搭接、角接、T字接,对接接头的应力集中较小，能承受较大载荷，焊接结构中应用最多； 搭接接头内存在的是剪应力，因而承载能力低； 角接和形接头须开坡口以保证焊透,坡口形式：形、 形、 形、 形,开坡口的目的是为了得到在焊件厚度上全部焊透的焊缝 6mm，对接时，一般可不开坡口 工件尺寸大，需要开坡口,焊接空间位置,平焊、立焊、横焊和仰焊,焊接参数的选择, 焊条直径的选择：主要取决于工件厚度（见下表） 其他影响因素：接头形式、焊接位置、焊缝层数等, 焊接电流的选择：焊接电流（I）主要取决于焊条直径（d）,上式中K为常数：经验系数，一般为3050,焊接变形及预防措施,焊接应力的形成：焊件不均匀的局部加热和冷却，造成焊件的热胀冷缩不均匀和组织变化不一致，导致焊接应力和变形的产生,预防变形的工艺措施：合理设计结构、反变形法、固性固定法、合理的焊接次序、焊前预热，焊后处理,防变形措施举例,二、其他熔焊方法,埋弧焊、气体保护焊、气焊与气割,是电弧在焊剂层下燃烧的一种机械化焊接方法,埋弧焊是一种自动焊焊接动作由机械装置自动完成,1、埋弧焊：,焊接小车,焊接电源,埋弧自动焊的特点与应用,生产效率高 （比手弧焊提高510倍） 焊接质量好 （ 焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观） 成本低 （省工、省时、省料） 劳动条件好 （无弧光,、飞溅, 劳动强度低） 适应性差 （平焊、长直焊缝和较大直径的环缝） 焊接设备复杂，焊前准备工作严格,应用：,成批生产、中厚板结构的长直焊缝和较大直径的环缝，如锅炉、压力容器、船舶等。,特点：,纵缝,环缝,压力容器焊接生产,埋弧焊举例：压力容器环缝和纵缝的埋弧自动焊,纵缝,压力容器焊接生产,2、气体保护焊,氩弧焊 CO2气体保护焊,是一种利用电弧加热，并利用特定气体作为保护介质的电弧焊。,常用方法：,（1）氩弧焊,按所用电极分为,熔化极氩弧焊（金属极） 不熔化极氩弧焊（钨极）,焊接电流不能过大，只能焊4mm以下的薄板； 焊接钢材板：直流正接法； 焊铝、镁合金：直流反接法或交流电源。,钨极熔点高， 发射电子能力强,直流正接：钨极烧损小 直流反接：钨极烧损大,应用,钨极氩弧焊,1）以连续送进的金属丝做电极并填充焊缝； 2）焊接电流较大,生产效率高，适用焊接较厚的焊件 （板厚为825mm）； 3）采用直流反接，电弧稳定，焊铝时有“阴极破碎”作用； 4） 可采用自动焊或半自动焊。,熔化极氩弧焊,氩弧焊（自动脉冲送丝）,1) 保护效果好，电弧稳定，焊接质量好； 2) 电弧热量集中，热影响区小，焊后变形小； 3) 可全方位焊接，便于观察、易于自动控制； 4) 氩气成本高，一般情况下不采用。,应用,用于焊接易氧化的有色金属、合金钢、不锈钢。,氩弧焊特点,（2）CO 气体保护焊,它用焊丝作电极，靠焊丝与焊件之间产生的电弧热熔化焊件和焊丝的一种电弧焊，并用CO 气体保护,特点： 优点：焊接热量集中，焊件变形小；焊丝送进自动化，电流密度大，焊速快，生产率高；CO气体比较便宜，焊接成本低；操作简便，适用范围广 缺点： CO 气体有一定氧化作用，焊接时飞溅烟雾较多，弧光较强，很难用交流电源焊接，焊接设备比较复杂 应用：焊接低碳钢、低合金结构钢,3、气焊与气割,（1） 气焊 是利用气体火焰作热源的焊接方法，常用的是氧乙炔焊,按氧乙炔比例 产生不同火焰：,氧化焰（ 1.2） 中性焰（1.11.2） 碳化焰（1.1,温度升高,气焊的特点与应用,优点： 所使用的设备简单、搬运方便、不需电源； 火焰温度低，加热缓慢，生产率低； 缺点： 加热面积大，焊件变形大；接头晶粒较粗，力学性能较差； 手工操作，难于实现机械化 应用： 适用于焊接厚度小于 的薄板件、非铁金属及其合金和铸铁件的补焊。,（2） 气割,是利用气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使其燃烧并放出热量实现切割的方法,符合以下三个条件的金属适合气割： 金属的燃点应比熔点低。 金属燃烧生成的氧化物的熔点应低于金属本身的熔点，易于吹掉。 金属在氧气流中燃烧时能放出大量热量。 满足上述条件的金属： 纯铁、低碳钢、中碳钢、低合金结构钢,第三节 压焊与钎焊,一、压焊 二、钎焊,一、压焊,是指在焊接过程中必须对工件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。其中以电阻焊最常用,压焊的特点： 施加压力，不加填料； 多数方法不熔化金属，合金元素的烧损少，有害元素侵入少； 温度比熔化焊低，时间短，热影响区小，性能不受影响 压焊分类：,电阻焊,电阻焊分类,点焊 缝焊 对焊（电阻对焊、闪光对焊）,是利用焊件接触面的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，在压力下形成接头的焊接方法,电阻焊特点,焊接电压低，电流大，生产率高； 不需要填充金属，焊接变形小； 劳动条件好，操作简单，易于实现自动化生产； 焊接设备复杂，投资大； 适用于大批量生产； 对焊件厚度和接头形式有一定限制。,1、点焊,点焊过程：,加压,通电,断电,去除压力,形成熔核,凝固,防止分流：,两焊点间应有一定距离,点焊接头形式：,分流现象,是将工件装配成搭接接头，并压紧在两圆柱形电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法,汽车生产机器人点焊,点焊钳,工人在用点焊钳操作,点焊录像,特点： 焊点互相重叠，分流现象严重适用焊件厚度3mm,应用： 有密封要求的薄壁结构，,2、缝焊,是将工件装配成搭接接头，并置于两滚轮形电极之间，连续或断续通电，形成一条连续的焊缝,缝焊原理,缝焊,不锈钢管的缝焊,缝焊机,电阻对焊 端面加工要求高，质量不易保证。,闪光对焊 对端面加工要求低，质量较高，用于重要零件的焊接,应用：杆状零件的对接，如刀具、管子、钢轨、钢筋、异种金属。（端面形状尺寸要相同或相近）,3、对焊,电阻对焊,闪光对焊,是对接电阻焊，按焊接过程不同分电阻对焊和闪光对焊,电阻对焊示例,电阻对焊法兰,闪光对焊示例,闪光对焊钢筋,闪光对焊汽车轮圈,闪光对焊自行车轮圈,闪光对焊摩托车轮圈,二、钎焊,是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接工件的方法,钎焊过程： 将工件和钎料适当加热（烙铁、火焰、炉子、电阻、高频加热）； 钎料熔化，借助毛细管的作用被吸入和充满间隙； 被焊金属和钎料在间隙内相互扩散； 凝固后，形成钎焊接头。,2、钎焊分类,3、钎焊特点,加热温度低，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确； 钎焊接头强度低； 可焊接性能差异很大的异种金属, 工件厚度无限制； 可整体加热，同时钎焊由多条焊缝组成的复杂形状构件，生产率高； 钎焊设备简单，生产投资费用少。,钎焊应用举例,钎焊金刚石钻头,高频加热钎焊,硬质合金钎焊刀具,电子元件钎焊,三、焊接方法的选择,选择合适的焊接方法，能获得优良的接头，并且劳动生产率比较高 选择依据： 材料的焊接性 焊件厚度、产品的接头型式、结构型式 现有设备条件,一、焊件材料的选择,参考材料的焊接性能：参见第一节 金属材料一般均可焊接 焊接性能较好的材料是低碳钢和普通低合金钢,常用焊接方法的应用（表）,常用焊接方法的应用（续表）,第四节 焊件的结构设计,一、焊接结构材料的选择 二、焊缝的合理布置 三、焊缝的标注 四、焊接结构设计举例,2、焊缝的合理布置,布置焊缝时应考虑以下原则,应尽量采用平焊位置 要便于施焊（见下图）,尽量减小焊缝长度和数量,焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位,焊缝应尽量远离机械加工要求高的表面,焊缝应尽量对称布置，避免密集交叉,三、焊缝的标注,参见GB/T 985.1-2008,焊缝标注（续表）,四、焊接结构设计举例,例：压力管道1件（见下图），现有卷板机卷筒最大长度为200mm，试选择焊件材料并进行焊接工艺设计,选材：Q345 方法：焊条电弧焊 焊条：E5015,环形焊缝1条, 形60o坡口，对接,筒身纵焊缝2条，错开， 形60o坡口，对接,筒身与法兰2条， 形50o坡口，角接,第五节 焊接技术发展趋势,（） 针对新材料、新结构，开发新的焊接工艺方法 （） 提高焊接过程机械化、自动化水平，提高焊接 质量和生产率，扩大焊接应用范围，开展以焊代铸、以焊代锻等新工艺 （） 采用电子计算机控制焊接过程，大力推广焊接机器人、焊接中心。 （） 发展专用成套焊接设备。,一、超声波焊接,超声波焊接接件,超声波线束焊,超声波焊接接机,是利用超声波的高频振荡能对工件接头进行局部加热和表面清理，并施加压力实现焊接的一种压焊方法 应用：适合于厚度小于0.5mm 工件。在无线电、仪表、精密机械及航空工业等部门应用较广,二、爆炸焊,是利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件的迅速碰撞，将机械