常用金属材料焊接及焊接结构设计3

1、安徽工业大学AHUT10.3 10.3 常用金属材料的焊接常用金属材料的焊接安徽工业大学AHUT一、金属材料的焊接性一、金属材料的焊接性 1、焊接性：、焊接性： 在一定的焊接工艺条件在一定的焊接工艺条件(焊接方焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式等法、焊接材料、工艺参数及结构形式等)下，获下，获得优质焊接接头的难易程度。得优质焊接接头的难易程度。 焊接性包括两个方面的内容：焊接性包括两个方面的内容： 1）接合性能接合性能：即在给定的焊接工艺条件下，：即在给定的焊接工艺条件下，对产生焊接缺陷的敏感性，尤其是对产生裂纹对产生焊接缺陷的敏感性，尤其是对产生裂纹的敏感性的敏感性 2）使用性能使用性能

2、：即在给定的焊接工艺条件下，：即在给定的焊接工艺条件下，焊接接头对使用要求的适应性、可靠性。焊接接头对使用要求的适应性、可靠性。安徽工业大学AHUT2、焊接性的评定、焊接性的评定在焊接结构中最常用的金属材料是在焊接结构中最常用的金属材料是钢材钢材。影响钢材焊接性的主要因素是影响钢材焊接性的主要因素是化学成分化学成分。碳当量碳当量：将钢中合金元素的含量按其对：将钢中合金元素的含量按其对焊接性的影响程度换算成碳的相当含量。它焊接性的影响程度换算成碳的相当含量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。式中各元素的含量都取其成分范围的上限。式中各元素的含量都取其成分范

3、围的上限。%100)1556(CuNiVMoCrMnCCE安徽工业大学AHUT 当当CE0.4%时，焊接性时，焊接性优良优良，焊前一般不需，焊前一般不需预热；预热； 当当CE0.40.6%时，焊接性时，焊接性较差较差，需要预热、，需要预热、缓冷；缓冷； 当当CE0.6%时焊接性时焊接性很差很差，需要严格的工，需要严格的工艺措施。艺措施。安徽工业大学AHUT利用碳当量法估算钢利用碳当量法估算钢材焊接性是粗略的，因为材焊接性是粗略的，因为钢材的焊接性还受结构刚钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境度、焊后应力条件、环境温度等因素的影响。温度等因素的影响。在实际生产中，金属在实际生产中，金属材

4、料的焊接性除了按碳当材料的焊接性除了按碳当量进行估算外，还需根据量进行估算外，还需根据实际情况进行实际情况进行抗裂性实验抗裂性实验，并配合进行并配合进行接头使用性能接头使用性能试验试验，以制定正确的焊接，以制定正确的焊接工艺。工艺。安徽工业大学AHUT二、二、 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接1、低碳钢的焊接、低碳钢的焊接 低碳钢含碳量低碳钢含碳量0.25，其塑性好，一般没有淬硬倾，其塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，焊接性好。焊这类钢时，不需要向，对焊接过程不敏感，焊接性好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需进行热处理。采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不

5、需进行热处理。2、中、高碳钢的焊接、中、高碳钢的焊接 因含碳量较高，焊接接头易产生淬硬组织和冷裂纹，因含碳量较高，焊接接头易产生淬硬组织和冷裂纹，焊接性较差。焊接这类钢常选用手弧焊，焊接性较差。焊接这类钢常选用手弧焊，焊前焊前应预热，焊应预热，焊件选用抗裂性能好的低氢型焊条，件选用抗裂性能好的低氢型焊条，焊时焊时，采用，采用、，尽量防止母材金属过多地熔入焊，尽量防止母材金属过多地熔入焊缝。缝。焊后焊后缓冷，防止产生冷裂。缓冷，防止产生冷裂。安徽工业大学AHUT3、低合金结构钢的焊接、低合金结构钢的焊接低合金结构钢的含碳量均属于低碳钢范围，低合金结构钢的含碳量均属于低碳钢范围，但由于其它化学成分

6、不同，故焊接性有但由于其它化学成分不同，故焊接性有明显差别明显差别。强度等级在强度等级在300400 MPa的低合金结构钢，的低合金结构钢，塑性和韧性好，碳当量塑性和韧性好，碳当量CE0.40%，焊接性良好。，焊接性良好。常用的方法是手弧焊和埋弧自动焊，通常不需采常用的方法是手弧焊和埋弧自动焊，通常不需采取特殊工艺措施。取特殊工艺措施。 强度等级强度等级450 MPa的低合金结构钢，碳当的低合金结构钢，碳当量量CE 0.40%，焊接性较差。焊前一般需预热，焊接性较差。焊前一般需预热(预热温度预热温度150)。焊接时，应调整焊接规范来。焊接时，应调整焊接规范来严格控制热影响区的冷却速度，焊后应及

7、时进行严格控制热影响区的冷却速度，焊后应及时进行热处理以消除应力。热处理以消除应力。安徽工业大学AHUT 三、高合金不锈钢的焊接三、高合金不锈钢的焊接 高合金不锈钢中应用最广泛的是高合金不锈钢中应用最广泛的是奥氏体奥氏体耐蚀耐蚀钢钢(如如188型铬镍奥氏体不锈钢型铬镍奥氏体不锈钢)。 焊接性能良好。焊接时，一般不需要采取特焊接性能良好。焊接时，一般不需要采取特殊的工艺措施。殊的工艺措施。 手弧焊手弧焊时，选用与母材化学成分相同的焊条；时，选用与母材化学成分相同的焊条；氩弧焊和埋弧自动焊氩弧焊和埋弧自动焊时，选用的焊丝应保证焊缝时，选用的焊丝应保证焊缝化学成分与母材相同。化学成分与母材相同。 焊

8、接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀焊接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀和热裂纹。和热裂纹。安徽工业大学AHUT四、铸铁的焊接四、铸铁的焊接 铸铁含碳量高，焊接性很差，所以铸铁焊接只用于铸铁含碳量高，焊接性很差，所以铸铁焊接只用于修补修补铸件缺陷。焊接铸铁的主要问题是易出现铸件缺陷。焊接铸铁的主要问题是易出现白口白口组织和组织和裂纹裂纹。 (1)热焊热焊 焊前将焊件整体或局部预热到焊前将焊件整体或局部预热到500一一700，焊，焊补过程中温度不低于补过程中温度不低于400，焊后缓冷，从而防止白口组织和，焊后缓冷，从而防止白口组织和裂纹的产生。裂纹的产生。 热焊焊补质量较好，但工艺复杂，生产率低、

9、劳动条件热焊焊补质量较好，但工艺复杂，生产率低、劳动条件差。一般仅用于差。一般仅用于焊后要求机械加工焊后要求机械加工的铸铁件。如机床导轨、的铸铁件。如机床导轨、汽缸体等。汽缸体等。 (2)冷焊冷焊 焊前对焊件不预热或预热温度较低焊前对焊件不预热或预热温度较低(400以下以下)。 冷焊比热焊生产率高，成本低，劳动条件好，但焊补质量冷焊比热焊生产率高，成本低，劳动条件好，但焊补质量有时不易保证。焊接时应尽量用小电流、分段焊，短弧焊等有时不易保证。焊接时应尽量用小电流、分段焊，短弧焊等工艺，焊后立即轻轻锤击焊缝，以减少焊接应力，防止产生工艺，焊后立即轻轻锤击焊缝，以减少焊接应力，防止产生裂纹。裂纹。

10、安徽工业大学AHUT安徽工业大学AHUT五、非铁金属及其合金的焊接五、非铁金属及其合金的焊接1 1、铝及铝合金的焊接、铝及铝合金的焊接 焊接铝及其合金的主要困难是：焊接铝及其合金的主要困难是： (1)易氧化易氧化 铝极易被氧化形成难熔的氧化铝铝极易被氧化形成难熔的氧化铝(A12O3)薄膜，薄膜，熔点为熔点为2050，它覆盖在金属表面，阻碍金属熔合；且氧化，它覆盖在金属表面，阻碍金属熔合；且氧化铝密度大，难于排除，易形成夹渣缺陷。铝密度大，难于排除，易形成夹渣缺陷。 (2)易产生缺陷易产生缺陷 液态铝能大量溶解氢，而在固态时几乎不溶解氢，因此液态铝能大量溶解氢，而在固态时几乎不溶解氢，因此易生成

11、易生成气孔气孔， 高温时铝的强度、塑性很低，热膨胀系数大，易产生较高温时铝的强度、塑性很低，热膨胀系数大，易产生较大的焊接大的焊接应力应力、变形和裂纹变形和裂纹； 铝及铝合金由固态加热到液态时铝及铝合金由固态加热到液态时无颜色变化无颜色变化，故操作时，故操作时难以掌握加热温度，易烧穿。难以掌握加热温度，易烧穿。 氩弧焊氩弧焊是焊接铝和铝合金最为理想的焊接方法是焊接铝和铝合金最为理想的焊接方法。2、铜及铜合金的焊接、铜及铜合金的焊接 铜和铜合金的焊接性较差，主要存在的问题是：铜和铜合金的焊接性较差，主要存在的问题是： (1)铜的热导性好，焊接时要求热源集中，焊前要预热，铜的热导性好，焊接时要求热

12、源集中，焊前要预热，否则易产生未焊透或末熔合等缺陷。否则易产生未焊透或末熔合等缺陷。 (2)铜的线胀系数大，凝固时收缩率也大，因此焊接应铜的线胀系数大，凝固时收缩率也大，因此焊接应力与变形大。力与变形大。 (3)铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜(Cu2O)，它与铜，它与铜形成低熔点共晶体形成低熔点共晶体(Cu2OCu)，分布在晶界上，易产生热，分布在晶界上，易产生热裂纹。裂纹。 (4)铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度急剧下铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度急剧下降，易形成气孔。降，易形成气孔。 (5)焊接黄铜时会产生锌的蒸发，使黄铜焊缝的强度和焊接黄铜时会

13、产生锌的蒸发，使黄铜焊缝的强度和耐蚀性下降。锌蒸气有毒，对人体有害。耐蚀性下降。锌蒸气有毒，对人体有害。 氩弧焊氩弧焊是焊接是焊接紫铜紫铜和和青铜青铜的有效方法。焊接的有效方法。焊接黄铜黄铜常用常用气焊气焊，锌的蒸发较少，而且由于气焊可采用轻微氧化焰和，锌的蒸发较少，而且由于气焊可采用轻微氧化焰和含硅焊丝相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，含硅焊丝相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，保护效果强，焊接质量高。保护效果强，焊接质量高。安徽工业大学AHUT10.4 10.4 焊接结构设计焊接结构设计安徽工业大学AHUT设计焊接结构，除应考虑结构的设计焊接结构，除应考虑结构的使用性使用

14、性能能要求外，还应考虑结构焊接要求外，还应考虑结构焊接工艺的要求工艺的要求，以保证焊接质量，力求高生产率、低成本。以保证焊接质量，力求高生产率、低成本。 焊接结构设计一般包括焊接结构设计一般包括: :焊接结构材料的选择焊接结构材料的选择焊接接头的工艺设计（焊接接头的工艺设计（包括焊缝布置、包括焊缝布置、接头型式、坡口形式等接头型式、坡口形式等）安徽工业大学AHUT一、一、 焊接结构材料的选择焊接结构材料的选择在满足结构使用性能要求的前提下，应尽可能在满足结构使用性能要求的前提下，应尽可能选用焊接性良好的选用焊接性良好的材料材料来制造焊接结构件。来制造焊接结构件。安徽工业大学AHUT设计焊接结构

15、时，应多采用设计焊接结构时，应多采用工字钢工字钢、槽钢槽钢、角钢角钢和和钢管钢管等等型材型材，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的部分，还可以选用部分，还可以选用铸钢件铸钢件、锻件锻件或或冲压件冲压件来焊接。来焊接。安徽工业大学AHUT二、二、 焊接接头的工艺设计焊接接头的工艺设计(一一) 焊缝的布置焊缝的布置 按焊缝在按焊缝在空间位置空间位置的不同，可分为的不同，可分为平焊平焊、横焊横焊、立焊立焊和和仰焊仰焊。其中。其中平焊平焊操作方便，易于保证焊接质量，操作

16、方便，易于保证焊接质量，故焊接时，应尽量使焊绝处于平焊位置。故焊接时，应尽量使焊绝处于平焊位置。安徽工业大学AHUT1）焊缝位置应便于焊接操作焊缝位置应便于焊接操作布置焊缝时，要考虑到有足够的焊接布置焊缝时，要考虑到有足够的焊接操作空操作空间间，以满足焊接运条的需要。，以满足焊接运条的需要。安徽工业大学AHUT1）焊缝位置应便于焊接操作（续）焊缝位置应便于焊接操作（续）布置焊缝时，要考虑到焊接工艺方法的要求。布置焊缝时，要考虑到焊接工艺方法的要求。安徽工业大学AHUT2 2）应避免密集和交叉的焊缝）应避免密集和交叉的焊缝焊缝密集或交叉会使接头处焊缝密集或交叉会使接头处严重过热严重过热，力学性能

17、，力学性能下降，并将增大焊接应力。一般两条焊缝的间距要大下降，并将增大焊接应力。一般两条焊缝的间距要大于三倍的钢材厚度。于三倍的钢材厚度。安徽工业大学AHUT3 3）尽可能使焊缝对称）尽可能使焊缝对称焊缝对称布置可使各条焊缝产生的焊接变形相互焊缝对称布置可使各条焊缝产生的焊接变形相互抵消抵消，这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。安徽工业大学AHUT4 4）焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置）焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置大跨度横梁，最大应力在跨度中间。横梁由两焊件大跨度横梁，最大应力在跨度中间。横梁由两焊件焊成，焊缝在焊成，焊缝在中间

18、中间使结构承载能力减弱。修改后的结构，使结构承载能力减弱。修改后的结构，虽增加了一条焊缝，但改善了焊缝受力情况，提高了横虽增加了一条焊缝，但改善了焊缝受力情况，提高了横梁的承载能力。梁的承载能力。 对压力容器应使焊缝避开对压力容器应使焊缝避开应力集中应力集中的转角处位置。的转角处位置。压力容器压力容器应使焊缝避开应使焊缝避开应力集中应力集中的转角处位置。的转角处位置。安徽工业大学AHUT5 5）焊缝转角处应平滑过接）焊缝转角处应平滑过接焊缝转角处易产生应力集中，尤其在焊缝转角处易产生应力集中，尤其在尖角尖角处集中处集中效应更为严重，应平滑过渡。效应更为严重，应平滑过渡。安徽工业大学AHUT6

19、6）焊缝应尽量避开机械加工表面）焊缝应尽量避开机械加工表面有些焊接结构是一些零件，需要进行机械加工。其有些焊接结构是一些零件，需要进行机械加工。其焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面远一些远一些。安徽工业大学AHUT（二）接头形式的选择与设计（二）接头形式的选择与设计、接头形式：、接头形式： 对接对接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接结构中结构中应用最多应用最多的一种接头型式，但对焊前准备和装配要求较高。的一种接头型式，但对焊前准备和装配要求较高。 搭接搭接接头常用于对焊前准备和装配要求简

20、单的板状类部件结构中，接头常用于对焊前准备和装配要求简单的板状类部件结构中，但因两焊件不在同一平面上，受力时将产生附加弯曲应力，降低接头强但因两焊件不在同一平面上，受力时将产生附加弯曲应力，降低接头强度，且不经济，故搭接接头是度，且不经济，故搭接接头是薄板焊件薄板焊件的基本接头型式。的基本接头型式。 角接角接接头一般接头一般只起连接只起连接作用，不能用来传递工作载荷。作用，不能用来传递工作载荷。 T形接形接头应用较广泛，在头应用较广泛，在船体结构船体结构中，约中，约70%的焊缝是采用这种接的焊缝是采用这种接头型式。头型式。安徽工业大学AHUT、接头坡口形式、接头坡口形式开坡口的开坡口的目的目的

21、是是：为了保证焊缝根部：为了保证焊缝根部焊透焊透，便于，便于清除熔渣，获得较好的焊缝形状，并且坡口能起到调清除熔渣，获得较好的焊缝形状，并且坡口能起到调节母材金属和填充金属的比例作用。节母材金属和填充金属的比例作用。 （1）手弧焊板厚）手弧焊板厚6mm时，一般不开坡口。时，一般不开坡口。 （2）板厚在）板厚在626mm时，开时，开Y形坡口，这种坡口形坡口，这种坡口便于加工，但焊后焊件易变形。便于加工，但焊后焊件易变形。安徽工业大学AHUT（3）板厚在）板厚在1260mm时，可采用时，可采用双双Y Y形按口。在相形按口。在相同厚度情况下，双同厚度情况下，双Y形坡口比形坡口比Y形坡口能减少焊条消耗量约形坡口能减少焊条消耗量约12左右，焊件变形较小。左右，焊件变形较小。（4）带钝边带钝边U U形坡口焊着金属量更少，焊件变形也更形坡口焊着金属量更少，焊件变形也更小，但加工坡口较困难，一般用于较重要的焊接结构件。小，但加工坡口较困难，一般用于较重要的焊接结构件。手手弧弧焊焊常常用用的的焊焊缝缝坡坡口口基基本本形形式式与与标标注注方方法法手手弧弧焊焊常常用用的的焊焊缝缝坡坡口口基基本本形形式式与与标标注注方方法法（续续1）手手弧弧焊焊常常用用的的