机械制造基础：09电弧焊

1、第四篇 焊接,第四篇 焊接,焊接过程的实质是利用加热、加压等手段，借助金属的原子结合与扩散作用，使分离的金属牢固地结合起来的成形方法。焊接方法可分为： （1）熔焊：把工件的焊接处加热到熔化状态，然后冷却、结晶，将两部分金属连接成为一个整体的工艺方法； （2）压焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法； （3）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接头间隙，并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方法,第四篇 焊接,焊接方法分类如下图所示。焊接方法的种类很多，其中电弧焊是应用最普遍的焊接方法,第一章 电弧焊,焊接电弧：在电极与工件之间的气体介质中长时间的放电现象，如图4-1所示。 电弧中阳极

2、区和阴极区的温度因电极材料不同而有所不同。用钢焊条焊接钢材时，阳极区温度约为温度2600K，阴极区温度约为温度2400K，电弧中心处温度可达60008000K,图4-1 焊接电弧,第一节 焊接电弧,正接: 采用直流弧焊机时将工件接电源的正极，焊条接负极的连接方式；反之称为反接，如图4-2所示。正接时工件的温度相对高一些。 若采用交流电焊机(弧焊变压器)，两极都在2500K左右。 焊条电弧焊只有65%85%的热量用于加热和溶化金属,图4-2 直流电源时的正接与反接,第一节 焊接电弧,空载电压就是焊接时的引弧电压，一般为5090V。 电弧稳定燃烧时的电压称为电弧电压，它与电弧长度(即焊条与工件间的

3、距离)有关，电弧长度越大，电弧电压越高，一般为1635V,第二节 焊接接头的组织与性能,一、焊接工件上温度的变化与分布 图4-3为焊接时焊件横截面上不同点的温度变化情况。 焊缝的形成是一次冶金过程，焊缝附近的金属受到不同规范的热处理，所以必然会产生相应的组织和性能的变化,图4-3 焊缝区各点温度变化情况,第二节 焊接接头的组织与性能,二、焊接接头的组织与性能 以低碳钢为例，说明焊缝和焊缝附近区域产生的组织与性能的变化。如图4-4所示。 图中各段金属组织的获得,可从右侧所示的铁-碳合金状态图来对照分析,图4-4 低碳钢焊接接头的组织,第二节 焊接接头的组织与性能,结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开

4、始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图4-5所示,图4-5 焊缝的柱状树枝晶,最后结晶部位产生成分偏析，低熔点的硫、磷和氧化铁等易偏析，集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。 受电弧吹力和保护气体的吹动，晶体呈倾斜状，晶粒有所细化。同时焊接材料的渗合金作用，焊缝的性能不一定低于母材,第二节 焊接接头的组织与性能,1. 焊接热影响区 指焊缝附近因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域，可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。 （1）熔合区（半溶化区） 指焊缝和基体金属的交接过渡区，熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属成为过热粗晶。虽然该区很窄，但因其强度、塑性和韧性都下降，并且是应力

5、集中处，所以是焊接接头性能最薄弱的区域,第二节 焊接接头的组织与性能,2）过热区 奥氏体晶粒粗大，形成过热组织，故塑性及韧性降低。 （3）正火区 加热时，金属发生再结晶，转变为细小的奥氏体晶粒。冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，力学性能优于母材。 （4）部分相变区 珠光体和部分铁素体发生重结晶，变成细小的奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变，但其晶粒有长大趋势。力学性能比正火区稍差,第二节 焊接接头的组织与性能,三、改善焊接热影响区组织和性能的方法 一般采用焊后正火处理，使焊缝和焊接热影响区的组织转变成为均匀的细晶结构，以改善焊接接头的性能,第三节 应力与形变,一、焊件应力分布 应力与形变

6、原因：焊接过程中受到局部加热和冷却。图4-6所示为平板对接焊缝的焊接应力分布状况。焊接时膨胀（图4-6a），但由于受到阻碍，故高温处产生压应力，低温处产生拉应力，两者平衡。冷却后，高温处冷却慢，收缩大。最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力,图4-6 对接焊缝的焊接应力分布,第三节 应力与形变,二、预防和减少焊接应力措施 （1）选用塑性好的材料，避免焊缝密集交叉，避免焊缝截面过大和焊缝过长； （2）采用正确的焊接次序(图4-7b焊接次序不正确,图4-7 交叉平板焊接次序对应力的影响,第三节 应力与形变,图4-8 双Y型焊接次序对应力的影响,图4-9 梁的焊接次序,第三节 应力与形变,3）焊前

7、对焊件进行适当预热，以减小焊件各部位之间的温差； （4）采用小能量焊接或锤击焊缝，多层焊，减少焊接应力； （5）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。将焊件加热至500650左右，保温后缓慢冷却至室温,第三节 应力与形变,三、焊件的变形 焊接应力的存在，会引起焊件的变形，其基本类型如下图所示,第三节 应力与形变,四、防止和消除焊接变形措施 （1）预防和减小焊接应力的相关措施； （2）在结构设计中， 采用对称结构、大刚度结构或焊缝对称分布结构； （3）施焊中，采用反变形措施（图4-10、图4-11）或刚性夹持法,图4-10 平板焊接的反变形,第三节 应力与形变,4）对于焊后变形量不大，可以采用机

8、械矫正法（图4-12）或火焰加热矫正法消除焊接变形（图4-13,图4-11 防止壳体焊接局部塌陷的反变形,图4-12 机械矫正法,图4-13 火焰矫正法,第三节 应力与形变,五、焊接裂纹 （1）焊接裂纹存在于焊缝或熔合区； （2）对于重要焊件，焊后应进行焊接接头的内部探伤检查； （3）裂纹的产生与焊接材料的成分、焊缝金属的结晶特点和含氢量的多少有关。（氢气引起延迟裂纹,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,一、焊条电弧焊的焊接过程 焊条电弧焊的焊接过程如图4-14所示。 电弧热形成熔池药皮的物理化学反应（与液态金属） 药皮产生保护气体、熔渣上浮,图4-14 焊条电弧焊过程,第四节 焊条电弧焊（手工电

9、弧焊,二、电焊条 1、焊芯： 作为电弧电极和焊缝的填充金属；焊芯的直径即为焊条直径（1.68mm)，其中以3.25mm的焊条应用最广。一般长度为350-400mm 。国家标准GB/T 14957-1994熔化焊用钢丝。 焊芯具有较低的含碳量和一定的含锰量，含硅量控制较严，硫、磷含量则应低。常用的结构钢焊条焊芯的牌号和成分见表4-1,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,表4-1 碳素钢焊接钢丝的牌号和成分,A”字表示其硫、磷含量不超过0.03%。 焊接低合金钢、不锈钢用的焊条，应采用相应的低合金钢、不锈钢的焊接钢丝作焊芯,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,2、药皮：1）帮助引弧，使电弧稳定；2）产生熔

10、渣和气体，保护溶池金属不被氧化；3)向焊缝内渗入合金元素，提高焊缝强度,表4-2 焊条药皮原料的种类名称及其作用,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,3、焊条的种类及其型号 （1）焊条的种类： 按用途分可为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条及焊丝、堆焊焊条、铜和铜合金焊条、铝和铝合金焊条等七大类。 按药皮性质分为：酸性焊条（酸性氧化物为主）、碱性焊条（碱性氧化物和萤石CaF2为主）。 碱性焊条的特点：一般要求采用直流电源，焊缝强度高、抗冲击能力强。但操作性差、电弧不够稳定，故只适合焊接重要结构件。 酸性焊条的特点：适合各种电源，操作性好、电弧稳定，成本低。但焊缝强度稍弱，故不宜焊接重载和

11、高强度的重要结构件,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,2）焊条型号 国家标准中的焊条代号。E表示焊条，前两位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值（kgf/mm2 ）；第三位数字表示焊接位置，第三、四位数字组合表示电流种类及药皮类型，如,E 55 1 6,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,3）焊条牌号：焊条行业统一的焊条代号。以结构钢焊条为例： J 42 2,表4-3 焊条药皮类型和电源种类编号,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,4、电焊条的选用原则 根据工件化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀性以及高温性能等要求，选用相应的焊条种类。再考虑焊接结构形状、受力情况、焊接设备条件

12、和焊条售价来选定具体型号。 （1）低碳钢和低合金钢，按等强度原则（钢材强度s，焊条强度b）； （2）要求塑性好、冲击韧度高、抗裂能力强或低温性能好的结构，选用碱性焊条；构件受力不复杂、母材质量较好，尽量选用较经济的酸性焊条,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,3）低碳钢与低合金钢焊接，按强度要求较低的钢材来选用焊条； （4）铸钢件的含碳量高，一般选用碱性焊条，并采取适当的工艺措施（如预热）进行焊接； （5）焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，选用相应的专用焊条，以保证焊缝的主要化学成分和性能与母材相同,第四节 焊条电弧焊（手工电弧焊,三、手工电弧焊接特点及应用 （1）焊接质量受焊工技术水平、

13、施工条件等影响，变动幅度大； （2）操作简单、灵活，可焊接各种空间位置的焊缝； （3）应用最广泛的焊接方法； （4）适用于单件小批生产； （5）2mm以上厚度的各种常用金属、焊接位置及一些不规则的焊缝,第五节 埋弧焊,一、埋弧焊的焊接过程 焊接时，焊接机头将光焊丝自动送人电弧区并保持选定的弧长。电弧在颗粒状焊剂层下面燃烧，焊机与被焊工件作相对匀速运动，焊剂不断流出撒在被焊部位。其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。如图4-15所示,图4-15 弧埋焊过程示意图,第五节 埋弧焊,二、埋弧焊的特点 （1）生产率高：焊丝上没有涂料（电流可达1000A）；自动送丝，节省辅 助时间； （2）

14、焊接质量高而且稳定：焊剂供给充足，电弧区保护严密；熔池保持液态时间较长，冶金过程较为完善，气体与杂质易浮出；焊接参数实现自动控制； （3）节能、节材：厚度在20mm以下的工件可不开坡口进行焊接；没有焊头的浪费；很少金属溶滴飞溅，节材,第五节 埋弧焊,4）改善劳动条件：看不到弧光，烟雾也很少； （5）设备费用高，工艺装备复杂。 适合焊接批量、中等厚度的直线焊缝和较大直径的环形焊缝。不适于狭窄位置的焊缝以及薄板的焊接。可焊钢板厚度为660mm。 三、埋弧焊工艺 清除焊缝两侧5060mm内的铁锈和污垢，以免产生气孔； 焊接20 mm以下工件时，可以采用单面焊接；厚度超过20 mm时，可进行双面焊接，

15、或采用开坡口单面焊接,第五节 埋弧焊,引弧处和断弧区质量不易保证，应有引弧板和断弧板，如图3-16所示。 为保持焊缝成形和防止烧穿，常采用各种焊剂垫和垫板（图3-17），或先用焊条电弧焊封底,图4-16 引弧板与断弧板,图4-17 焊剂垫,第五节 埋弧焊,图4-18 环缝埋弧焊示意图,焊接筒体对接焊缝工艺如图4-18所示,第六节 气体保护焊,图4-19 氩弧焊示意图,一、氩弧焊 氩弧焊是以氩气作为保护气体的气体保护焊，高温下，氩气不与金属发生化学反应，也不溶于金属，故氩弧焊的质量较高。 分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊，如图4-19所示,第六节 气体保护焊,1、氩弧焊 钨极氩弧焊的电极材料一般采用

16、铈钨棒，电极不熔化，只起导电和产生电弧的作用，另有焊丝熔化充填熔池。因电极通过的电流有限，所以只适用于焊接厚度6mm以下的工件。钨极氩弧焊设备如图4-20所示。 熔化极氩弧焊以连续送进的焊丝作为电极进行焊接，因此可以采用较大的电流，适用于焊接厚度25mm以下的工件,第六节 气体保护焊,图4-20 氩弧焊设备示意图,第六节 气体保护焊,氩弧焊的主要特点： ）适用于焊接各类合金钢、易氧化的有色金属及稀有金属； ）氩弧焊电弧稳定，飞溅少，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观； ）电弧和熔池区用气流保护，明弧可见，便于操作和实现自动化焊接； ）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池小，焊接速度快，热影响区较

17、窄，工件焊接变形小。 由于氩气价格较高，氩弧焊主要用于铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、耐热钢的焊接和一部分重要的低合金结构钢焊件,第六节 气体保护焊,钨极脉冲氩弧焊： 钨极脉冲氩弧焊是近年来发展起来的新工艺，其特点有： 1）脉冲能量易于控制，可避免烧穿工件，适合焊接0.15mm的钢材或管材，并能实现单面焊双面成形，保证根部焊透。 2）适合各种空间位置的焊接； 3）焊接易淬火钢材和高强度钢，可减少裂纹倾向和焊接变形； 4）接头力学性能比普通氩弧焊高,第六节 气体保护焊,2、CO2保护焊 CO2保护焊是一种比较便宜的气体保护焊方法，常用于30mm以下厚度的低碳钢和低合金结构钢的焊接 ，如图4-21

18、所示,图4-21 CO2保护焊示意图,CO2在高温下会分解（Co），使C、Si、Mn等元素烧损，故常用H08MnSiA焊丝焊接低碳钢，选用H08Mn2SiA焊丝焊接低合金钢,第六节 气体保护焊,CO2焊的特点： 1）成本低：无需焊剂，焊接成本为埋弧焊和焊条电弧焊的40左右； 2）生产率高：比焊条电弧焊提高生产率13倍； 3）焊缝质量较好； 4）操作性较好：全位置焊接，易于自动控制； 5）焊缝不够光滑：氧化作用使飞溅严重； 6）易产生气孔,第七节 等离子弧焊和切割,机械压缩效应： 电弧在通过细孔道的喷嘴时，弧柱被强迫缩小现象。 热压缩效应： 离子气（通常为氩气）冷气流均匀地包围着电弧，使弧柱外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流(离子和电子)往弧柱中心集中现象。 电磁压缩效应： 带电粒子流所产生的电磁力使“导线”互相吸引靠近，弧柱被压缩现象,第七节 等离子弧焊和切割,等离子弧： 电弧在上述三种效应的作用下被压缩得很细，能量高度集中，弧柱内的气体完全电离为电子和离子，称为等离子弧，温度可达16000K以上。 等离子电弧的形成如图4-22所示,图4-22 等离子弧形成,第七节 等离子弧焊和切割,等离子弧焊接设备如图4-23所示。保护气体保护熔池和焊缝不受空气的有害作用，所以其实质为具有压缩效应的钨极气体保护焊,图4-23 等离子弧焊接设备,第七节 等离子