金属工艺学(焊接)

1、2021-6-22 1 第四篇焊接第四篇焊接 概述：概述： 一、焊接的实质与特点：一、焊接的实质与特点： 实质实质：用加热或加压力等手段，借助于金属原子的结合：用加热或加压力等手段，借助于金属原子的结合 与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来，形成与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来，形成 金属原子间的结合。金属原子间的结合。 特点特点：、可将结构化大为小，化复杂为简单；、可：、可将结构化大为小，化复杂为简单；、可 用铸焊、锻焊工艺制造大型及复杂部件；、可制用铸焊、锻焊工艺制造大型及复杂部件；、可制 双金属结构。双金属结构。 二、应用：用于舰船船体、高炉炉壳、锅炉与受压容器、二、应用

2、：用于舰船船体、高炉炉壳、锅炉与受压容器、 车厢及家用电器壳体、拖拉机和农业机械的制造和修理车厢及家用电器壳体、拖拉机和农业机械的制造和修理。 2021-6-22 2 第一章电弧焊第一章电弧焊 第一节焊接电弧第一节焊接电弧 一、焊接电弧：一、焊接电弧： 是在电极与工件间的气体介质中是在电极与工件间的气体介质中 长时间而有力的放电现象。即在长时间而有力的放电现象。即在 局部介质中有大量电子流通过的局部介质中有大量电子流通过的 导电现象。导电现象。 、电弧产生过程的本质、电弧产生过程的本质： 电弧的产生和存在所需条件：电弧的产生和存在所需条件： 、有电源提供能量；、有电源提供能量； 、气体介质中要

3、存在大量电子和离子等带电质点。、气体介质中要存在大量电子和离子等带电质点。 引弧过程：就是使气体中产生电子及离子（即电离）的过程。引弧过程：就是使气体中产生电子及离子（即电离）的过程。 短路（产生高热）短路（产生高热） 气体电离气体电离 焊条提离（形成电场）焊条提离（形成电场） 形形 成电流（引燃电弧）成电流（引燃电弧） 2021-6-22 3 、电弧区的热量和温度分布、电弧区的热量和温度分布：电弧区气体中的带电质点由电场获：电弧区气体中的带电质点由电场获 得能量转换为动能，速度增高、碰撞两极及气体原子，又将动能转得能量转换为动能，速度增高、碰撞两极及气体原子，又将动能转 换为热和光。换为热和

4、光。 阳极约占阳极约占43% 约约2300 热量产生于阴极约占热量产生于阴极约占36% 约约2100 弧柱区约占弧柱区约占21% 约约57007700 熔化金属熔化金属 使阴极发射出电子约占使阴极发射出电子约占6585% 热量用于保持弧柱区气体电离热量用于保持弧柱区气体电离 向周围耗散向周围耗散 由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异，故电极的接法有由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异，故电极的接法有 正接正接与与反接反接两种。正接一般用于：高熔点、尺寸较大的焊件；反接两种。正接一般用于：高熔点、尺寸较大的焊件；反接 用于：薄件、有色金属、不锈钢、铸铁等焊件。用于：薄件、有色金属、不

5、锈钢、铸铁等焊件。 用交流电源时两极温度相等（约用交流电源时两极温度相等（约2200 ），无正反区别。），无正反区别。 2021-6-22 4 二、焊接电源：二、焊接电源： 、电源特性电源特性： ）、足够的空载电压：用直流焊时：）、足够的空载电压：用直流焊时：5090；用交流焊接时：；用交流焊接时： 6085； ）、适当的短路电流：不大于工作电流的）、适当的短路电流：不大于工作电流的1.5倍；倍； ）、电流大小可调：以适应不同材料、不同厚度焊件的焊接；）、电流大小可调：以适应不同材料、不同厚度焊件的焊接； ）、当弧长变化时，电流变化要小：以保证焊缝质量均匀。）、当弧长变化时，电流变化要小：以保

6、证焊缝质量均匀。 、焊接电源的分类焊接电源的分类（按供给焊接电流种类）：（按供给焊接电流种类）： ）、交流电源（是特殊的降压变压器，常称手弧焊机）：应用）、交流电源（是特殊的降压变压器，常称手弧焊机）：应用 广泛。电弧不很稳定，但结构简单、价格便宜、使用可靠、维护广泛。电弧不很稳定，但结构简单、价格便宜、使用可靠、维护 方便。方便。 ）、直流电源）、直流电源 A：发电机式：发电机式： （特殊的直流发电机普通的交（特殊的直流发电机普通的交 流电动机）：电弧较稳定，但笨重、价贵、不易修理。流电动机）：电弧较稳定，但笨重、价贵、不易修理。 B：整流式：硅整流直流焊机：体积小、重量轻、电弧稳定。：整流

7、式：硅整流直流焊机：体积小、重量轻、电弧稳定。 2021-6-22 5 第二节焊接接头的组织与性能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：一、焊接工件上温度的变化与分布： 由于各点离焊缝中心距离不同，所以各点的最高温度不同。由于各点离焊缝中心距离不同，所以各点的最高温度不同。 又因热传导需要一定时间，所以各点是在不同时间达到该又因热传导需要一定时间，所以各点是在不同时间达到该 点的最高温度。总的看来，点的最高温度。总的看来，焊缝受到一次冶金过程，焊缝焊缝受到一次冶金过程，焊缝 附近区相当于受到一次不同规范的热处理。附近区相当于受到一次不同规范的热处理。 2021-6-22

8、6 二、焊接接头的组织与性能（以低碳钢为例）：二、焊接接头的组织与性能（以低碳钢为例）： 1、组织与性能的变化、组织与性能的变化 ： A、焊缝金属：形成柱状铸态组织，低熔点的硫、磷、焊缝金属：形成柱状铸态组织，低熔点的硫、磷 杂质及杂质及FeO集中在焊缝中心区。集中在焊缝中心区。 性能：由于焊接材性能：由于焊接材 料渗合金，料渗合金，Si、Mn含量可高于基体金属，故焊缝性含量可高于基体金属，故焊缝性 能可不低于基体金属。能可不低于基体金属。 B、焊接热影响区焊接热影响区：是指焊缝两侧因焊接热作用而发：是指焊缝两侧因焊接热作用而发 生组织性能变化的区域。由于焊缝附近各点受热情况生组织性能变化的区

9、域。由于焊缝附近各点受热情况 不同，热影响区可分为：如下四个区域：不同，热影响区可分为：如下四个区域： 2021-6-22 7 名称名称范围范围组织组织性能性能 熔合区熔合区焊缝和基体金属焊缝和基体金属 的交界区的交界区T固 固T液液 之间（之间（0.11mm) 铸态铸态组织组织+粗晶粗晶b 、 ak均均 降低，且应力降低，且应力 集中集中 过热区过热区AC3+100200至至 T固 固之间 之间 过热组织过热组织b、 、 、 、 ak均均 降低降低 正火区正火区AC3至至 AC3+100200 发生重结晶，得均发生重结晶，得均 匀细小的匀细小的F+P 性能优于母材性能优于母材 部分相变区部分

10、相变区 AC1 AC3 之间之间F、P部分重结晶，部分重结晶， 晶粒大小不均晶粒大小不均 机性稍机性稍低于母低于母 材材 2、影响热影响区大小和组织变化的因素：、影响热影响区大小和组织变化的因素： A、焊接方法：通过加热时间长短、热量输入量多少来影响。、焊接方法：通过加热时间长短、热量输入量多少来影响。 B、焊接规范：焊条直径、焊接电流、焊接速度和电弧长度。、焊接规范：焊条直径、焊接电流、焊接速度和电弧长度。 C、接头型式：对接接头、搭接、角接、丁字接头。、接头型式：对接接头、搭接、角接、丁字接头。 D、焊后冷速。、焊后冷速。 2021-6-22 8 三三.改善焊接热影响区组织性能的方法：用手

11、弧焊、改善焊接热影响区组织性能的方法：用手弧焊、 埋弧焊焊一般低碳钢结构时，因热影响区窄、危害埋弧焊焊一般低碳钢结构时，因热影响区窄、危害 较小，焊后不进行处理即可使用。对中碳钢、合金较小，焊后不进行处理即可使用。对中碳钢、合金 钢构件或用电渣焊焊接的构件，一般需焊后正火钢构件或用电渣焊焊接的构件，一般需焊后正火/退退 火处理、焊前预热、焊后缓冷火处理、焊前预热、焊后缓冷. 2021-6-22 9 第五节焊接应力与变形第五节焊接应力与变形 焊接内应力与变形是伴随着焊接过程必然出现的又一特殊焊接内应力与变形是伴随着焊接过程必然出现的又一特殊 工艺问题。工艺问题。 一、焊接应力与变形产生的原因和典

12、型示例一、焊接应力与变形产生的原因和典型示例 用上图模拟实际焊缝用上图模拟实际焊缝,中间板条加热（中间板条加热（焊缝焊缝）至）至再 再， ， 处于塑性状态，然后冷至处于塑性状态，然后冷至 ，最后在 ，最后在 时，受拉， 时，受拉， 受压，在内应力作用下将引起变形（受压，在内应力作用下将引起变形（收缩收缩） 规律：近焊缝处受拉应力，远离焊缝处受压应力规律：近焊缝处受拉应力，远离焊缝处受压应力 T0 T0 TT T0 H 2021-6-22 10 二、变形形式：二、变形形式： 1、收缩变形（纵横向尺寸缩小）；、收缩变形（纵横向尺寸缩小）； 2、角变形（、角变形（V开坡口对接焊，横向收缩不均匀而引起

13、）开坡口对接焊，横向收缩不均匀而引起） 3、弯曲变形（丁字梁焊接时，焊缝分布不均，纵向收缩、弯曲变形（丁字梁焊接时，焊缝分布不均，纵向收缩 引起）；引起）； 4、扭曲变形（焊缝分布不均，焊接工艺不合理）；、扭曲变形（焊缝分布不均，焊接工艺不合理）； 、波浪形变形（焊薄板）。、波浪形变形（焊薄板）。 2021-6-22 11 三、焊接内应力与变形带来的危害：三、焊接内应力与变形带来的危害： 、变形使尺寸、形状达不到要求，影响外观，造成返修、变形使尺寸、形状达不到要求，影响外观，造成返修、 报废。报废。 、内应力使工件承载能力受影响，局部区域应力过高，、内应力使工件承载能力受影响，局部区域应力过高

14、， 使工件在较低载荷下导致损坏。使工件在较低载荷下导致损坏。 2021-6-22 12 四、减少焊接应力与变形的工艺措施：四、减少焊接应力与变形的工艺措施： 、防止和减少焊接变形的工艺措施、防止和减少焊接变形的工艺措施： 、反变形法；、反变形法； 、加裕量法，以补充收缩；、加裕量法，以补充收缩； 、刚性夹持法（对塑性好的材料）；、刚性夹持法（对塑性好的材料）； 、选择合理的焊接次序。、选择合理的焊接次序。 、矫正焊接变形的方法、矫正焊接变形的方法： 、机械矫正法；、机械矫正法； 、火焰加热矫正。、火焰加热矫正。 、减少焊接应力的工艺措施：、减少焊接应力的工艺措施： 、选择合理的焊接次序（避免收

15、缩受阻）；、选择合理的焊接次序（避免收缩受阻）； 、预热法；、预热法； 、焊后退火处理。、焊后退火处理。 2021-6-22 13 第四节第四节 焊条电弧焊焊条电弧焊 一、焊条电弧焊的焊接过程：一、焊条电弧焊的焊接过程： 基体金属熔化形成熔池基体金属熔化形成熔池 引弧引弧 熔化熔化焊条芯熔化焊条芯熔化 冷却冷却(形成焊缝形成焊缝) 药皮熔化药皮熔化 造渣造渣 药皮燃烧药皮燃烧 形成保护气体形成保护气体 2021-6-22 14 二、电焊条二、电焊条 1、电焊条的组成、电焊条的组成焊条芯：填充焊缝；导电焊条芯：填充焊缝；导电 药皮：保护焊缝；脱；渗合金；稳弧。药皮：保护焊缝；脱；渗合金；稳弧。

16、稳弧剂（稳弧剂（K2CO3、BaCO3、TiO2等）等） 造渣剂（造渣剂（MnO2、SiO2、Fe2O3等）等） 药皮的组成造气剂（淀粉、纤维等）药皮的组成造气剂（淀粉、纤维等） 脱氧剂（锰铁、硅铁、钛铁）脱氧剂（锰铁、硅铁、钛铁） 合金剂（锰铁、硅铁、钛铁）合金剂（锰铁、硅铁、钛铁） 粘结剂（水玻璃）粘结剂（水玻璃） 2021-6-22 15 2、焊条的种类、型号及牌号：、焊条的种类、型号及牌号： ）、）、焊条种类焊条种类：按化学成分划分七大类：即：碳钢焊条、：按化学成分划分七大类：即：碳钢焊条、 低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条及焊丝、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊

17、条及焊丝、 铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。 按药皮种类可分两大类：酸性焊条、碱性焊条（也称低氢焊按药皮种类可分两大类：酸性焊条、碱性焊条（也称低氢焊 条）。条）。 2）、焊条的型号（一字四数）、焊条的型号（一字四数） 3）、）、焊条牌号焊条牌号（一字三数法）（一字三数法）：如：结：如：结/(J) 422 A、用汉字或汉语拼音表示焊条种类；、用汉字或汉语拼音表示焊条种类； B、用数字表示焊缝最低抗拉强度、用数字表示焊缝最低抗拉强度(前二位前二位)及药皮种类及药皮种类(第三第三 位位)。 3、焊条的选用原则：、焊条的选用原则： 1）、低碳钢、低合金钢按强度等级选用

18、；）、低碳钢、低合金钢按强度等级选用；2）、特殊性能钢）、特殊性能钢 按化学成分选用；按化学成分选用；3 ）、受重载、冲击载荷的选低氢焊条；）、受重载、冲击载荷的选低氢焊条； 4）、按设备、工作条件选用。）、按设备、工作条件选用。 2021-6-22 16 埋弧自动焊是在手工电弧焊的基埋弧自动焊是在手工电弧焊的基 础上发展起来的，它们有许多共础上发展起来的，它们有许多共 同之处：、相同的热源；、同之处：、相同的热源；、 熔池的保护方式相同。但埋弧焊熔池的保护方式相同。但埋弧焊 的引弧、焊条送进和焊条移动由的引弧、焊条送进和焊条移动由 机械自动来完成。机械自动来完成。 第五节埋弧自动焊第五节埋弧

19、自动焊（焊剂层下自动焊）（焊剂层下自动焊） 2021-6-22 17 一、埋弧焊的焊接过程与特点：一、埋弧焊的焊接过程与特点： 、焊接过程：基本和手弧焊相同，只是由机械来完成、焊接过程：基本和手弧焊相同，只是由机械来完成 手工操作，以焊剂代替了焊条的药皮。手工操作，以焊剂代替了焊条的药皮。 、埋弧焊特点：、埋弧焊特点： 、生产率高：电流大，节省更换焊条时间性，比手弧、生产率高：电流大，节省更换焊条时间性，比手弧 焊生产率提高焊生产率提高10倍；倍； 、焊接质量高且稳定：保护严密，熔池保持液态时间、焊接质量高且稳定：保护严密，熔池保持液态时间 长；长； 、节省金属材料：热量集中，熔深大，、节省金

20、属材料：热量集中，熔深大，2025以下的以下的 工件可不开坡口，且没有焊条头的浪费，飞溅很少；工件可不开坡口，且没有焊条头的浪费，飞溅很少； 、改善劳动条件。、改善劳动条件。 缺点：缺点：、设备费用较贵，工艺准备复杂；、设备费用较贵，工艺准备复杂；、只限于、只限于 平焊长直线焊缝、圆筒形工件的纵、环焊缝；平焊长直线焊缝、圆筒形工件的纵、环焊缝；、狭窄、狭窄 位置焊缝以及薄板焊接受限制。位置焊缝以及薄板焊接受限制。 2021-6-22 18 二、自动焊的焊丝与焊剂：二、自动焊的焊丝与焊剂： 焊丝（相当于焊条芯）、焊剂（相当于药皮）是埋弧焊焊丝（相当于焊条芯）、焊剂（相当于药皮）是埋弧焊 与电渣焊

21、的焊接材料。选用时，焊丝与焊剂要相配套。与电渣焊的焊接材料。选用时，焊丝与焊剂要相配套。 三、自动焊工艺三、自动焊工艺 、需仔细下料，准备坡口和装配，装配时用优质点焊、需仔细下料，准备坡口和装配，装配时用优质点焊 焊条点固；焊条点固； 、焊缝两侧油污、铁锈需清理干净；、焊缝两侧油污、铁锈需清理干净； 、两端需引弧板和引出板；、两端需引弧板和引出板； 、采用焊剂垫、垫板、或手弧焊封底。、采用焊剂垫、垫板、或手弧焊封底。 2021-6-22 19 第三章常用金属材料的焊接第三章常用金属材料的焊接 第一节金属材料的可焊性第一节金属材料的可焊性 一、可焊性的概念：一、可焊性的概念： 可焊性可焊性：是指

22、在一定的焊接工艺条件下焊接时获得优质焊接：是指在一定的焊接工艺条件下焊接时获得优质焊接 头的可能性。也就是对某种材料好不好焊的一种评价，容易头的可能性。也就是对某种材料好不好焊的一种评价，容易 焊好就叫可焊性好焊好就叫可焊性好,否则叫可焊性差否则叫可焊性差.包括工艺可焊性和使用可包括工艺可焊性和使用可 焊性焊性. 二、影响可焊性的因素二、影响可焊性的因素： .焊接方法焊接方法;.焊接材料焊接材料;.焊件的化学成分，换算成焊件的化学成分，换算成当量 当量。 。 碳钢及低合金钢的碳当量经验公式为：碳钢及低合金钢的碳当量经验公式为： 当 当 n（Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%) 当

23、 当0.4%时，一般说来比较好焊（可焊性良好） 时，一般说来比较好焊（可焊性良好） 0.4% 当 当0.6%时，一般难焊（可焊性不好） 时，一般难焊（可焊性不好） 2021-6-22 20 三、可焊性的评定方法：三、可焊性的评定方法： 、碳当量法、碳当量法； 、可焊性试验、可焊性试验（常用刚性固定对接试验法）（常用刚性固定对接试验法） 可焊性试验原理：使焊缝纵、横向收缩受到很大阻可焊性试验原理：使焊缝纵、横向收缩受到很大阻 碍，导致较大的应力，通过观察焊缝裂纹，对照有碍，导致较大的应力，通过观察焊缝裂纹，对照有 关表定出可焊性。关表定出可焊性。 四、可焊性分级：按产生裂纹的难易及大小，一般四、

24、可焊性分级：按产生裂纹的难易及大小，一般 分四级：分四级： 良好良好（迅速冷却不裂）；（迅速冷却不裂）；较好较好（常温下自然冷却不（常温下自然冷却不 裂）；裂）；较差较差（事先预热至（事先预热至150200 再焊不裂）；再焊不裂）； 不好不好（焊前必须预热至（焊前必须预热至200 以上不裂）。以上不裂）。 2021-6-22 21 第二节碳钢的焊接第二节碳钢的焊接 一、低碳钢的焊接：一、低碳钢的焊接：45kg/mm2,且厚且厚 度较大时，焊接性能比较差。其原因是；度较大时，焊接性能比较差。其原因是；s ，热影响，热影响 区淬倾向区淬倾向，焊接接头的裂纹倾向，焊接接头的裂纹倾向。 、焊接可焊性差

25、的材料应取的措施：、焊接可焊性差的材料应取的措施：焊前预热焊前预热至至 (100250 );、用低氢焊条，需烘干用低氢焊条，需烘干; 、焊后焊后 550650退火退火。 2021-6-22 23 第四章焊接结构设计第四章焊接结构设计 进行焊接结构的设计应考虑的问题：进行焊接结构的设计应考虑的问题： 、使用性能要求。如载荷大小、性质、使用温度、使用环境等；、使用性能要求。如载荷大小、性质、使用温度、使用环境等； 、焊接结构的工艺性。如材料的选择、焊接方法的选择、焊接接、焊接结构的工艺性。如材料的选择、焊接方法的选择、焊接接 头的工艺设计等；头的工艺设计等； 、具体生产条件。如质量管理水平、产品检验技术等。、具体生产条件。如质量管理水平、产品检验技术等。 第一节焊接结构件材料的选择第一节