课件2-3(焊接概述)

1、焊接成型基础武汉钢结构焊接培训中心2014年11月第一讲：焊接工艺常识焊接工艺永久性连接现代工业的基础工艺造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车（焊接工业）基本焊接方法:按焊接过程的特点分类熔化焊压力焊钎焊将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法. .主要有电弧焊主要有电弧焊,气焊气焊,电渣焊电渣焊,等离子弧焊等离子弧焊,电子束焊电子束焊,激光焊等激光焊等.通过加压和加热的综合作用通过加压和加热的综合作用, ,以实现金属接合的焊接方法以实现金属接合的焊接方法. .主要包括电阻焊主要包括电阻焊,摩擦焊摩擦焊,爆炸焊等爆炸焊等.以熔点低于被焊金属熔点的焊料填

2、充接头形成焊缝的焊接以熔点低于被焊金属熔点的焊料填充接头形成焊缝的焊接方法方法. .主要包括软钎焊和硬钎焊主要包括软钎焊和硬钎焊.第一讲：焊接工艺常识焊接工艺特点焊接工艺特点l接头牢固、密封性好接头牢固、密封性好、焊接结构不可拆卸、焊接结构不可拆卸 。l可化大为小、以小拼大。可化大为小、以小拼大。l可实现异种金属的连接。可实现异种金属的连接。l重量轻、加工装配简单。重量轻、加工装配简单。l焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。本讲内容一、电弧焊二、其他常用焊接方法三、金属材料的焊接性四、焊接结构工艺设计一、电弧焊电弧焊焊接过程焊接电

3、弧由焊接电源供给的、具有一定电压的两电极间或电极与焊件间、在气体介质中产生的强烈而持久稳定的放电现象。引弧形成熔池形成焊缝焊接电弧与熔池控制电弧的热量n热量来源于阳极43阴极36弧柱21n热量扩散6585n加热熔化金属其余n散失在电弧周围n飞溅的金属液4336211、焊接电弧用钢焊条焊钢材时温度： 阳极区： 2600K， 阴极区： 2400K， 电弧中心： 6000-8000K 。 直流电源焊接时： 正接：正极接工件工件温度可稍高一些。 反接：负极接工件，工件温度可稍低一些。 交流焊机,无正反接特点，温度均为2500K引弧电压：5090V电弧电压：1635V2、焊接接头的组织和性能焊接工件上温

4、度的变化与分布熔池工件焊缝渣壳电弧焊条焊钳焊机焊接电缆各点的各点的焊焊接接热热循循环环不同不同 加加热热速度和冷却速度速度和冷却速度快快2、焊接接头的组织和性能低低碳钢碳钢焊缝焊缝焊焊接接接接头头焊缝区焊缝区焊接热影响区焊接热影响区1 1、2 2、3 3、4 42、焊接接头的组织和性能焊缝 从熔池底向中心凝固、结晶各个方向凝固速度不同柱状铸态组织铁素体少量珠光体杂质集中在焊缝中心， 影响焊缝质量2、焊接接头的组织和性能焊接热影响区n1熔合区熔合区 0.11mm强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。n2过热区过热区 1-3mm在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域脆性比熔合区更大

5、，塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。n3正火区正火区 1.2-4mm力学性能优于母材n4部分相变区部分相变区比正火区稍差各点的焊接热循环各点的焊接热循环不同不同加热速度和冷却速度加热速度和冷却速度快快2、焊接接头的组织和性能热影响区的大小和组织性能变化的因素焊接方法焊接参数接头形式焊后冷却速度改善焊接热影响区组织和性能的方法 焊后正火改善接头性能 小电流、快速焊接；小电流、快速焊接； 采用先进的焊接方法；采用先进的焊接方法； 焊前预热、焊后热处理（正火）焊前预热、焊后热处理（正火）3、焊接应力与变形极不平衡的热循环过程应力分布规律先冷受压，后冷受拉焊接应力状态：焊接应力状态：焊缝区域焊缝区域拉应

6、力拉应力两侧冷金属两侧冷金属压应力压应力消除焊接应力提高母材塑性避免焊缝密集交叉避免焊缝过宽、过长合理施焊顺序先焊短焊缝后焊长焊缝预热焊件、振动焊缝焊后去应力退火变形形式变形形式示意图示意图产生原因产生原因收缩变形收缩变形 由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起 角角 变变 形形 由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起收缩不均引起 弯曲变形弯曲变形 焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大引起缩较大引起 扭

7、曲变形扭曲变形 由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭曲出现扭曲 波浪变形波浪变形 薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起起 焊接变形焊接变形与焊件结构、焊缝布置、焊接工艺及分布等因素有关焊接变形与焊件结构、焊缝布置、焊接工艺及分布等因素有关防止焊接变形减小焊接应力提高结构刚度对称焊缝分布焊前反变形防止焊接变形合理焊接操作平衡温度分布利用变形防止焊接变形焊后校正对重要工件焊后应探伤与焊接裂纹有关 1、焊接材料成分（如硫、磷含量高） 2、焊缝金属的结晶特点（结晶区间要小） 3、含氢量防止措施： 1、合理选材 2、

8、采取措施减少应力 3、选用合理的焊接工艺、焊接参数 （如：采用碱性焊条、小能量焊接、预热、合理的焊接次序等。用电弧焊焊接钢板的问题如图拼焊一张大钢板焊缝布置合理吗？如何改进？对称，错开如何合理安排焊缝顺序？先短后长12345678焊接接头的组织和性能熔焊过程 - 焊接化学冶金过程热裂纹、冷裂纹 给焊缝金属带来一些有害元素（氮、氧、氢、硫、磷等） - 焊接热过程 应力、变形和裂纹 引起焊接接头组织和性能的变化 焊接热循环：各点的焊接热循环不同 加热速度和冷却速度快 - 焊缝结晶过程 热裂纹 偏析焊接接头的主要缺陷气孔气孔焊接时熔池中的气泡焊接时熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸在焊缝凝固时未能逸出而

9、形成的空穴。出而形成的空穴。夹渣夹渣夹渣是焊后残留在夹渣是焊后残留在焊缝中的熔渣。焊缝中的熔渣。未焊透未焊透未焊透是焊接接头未焊透是焊接接头根部未完全熔透的根部未完全熔透的现象。现象。焊接裂纹焊接裂纹是由于焊接残余应力是由于焊接残余应力较大而在焊缝或热影较大而在焊缝或热影响区产生的裂纹。响区产生的裂纹。 未焊透焊件质量影响焊件质量的因素 - 焊接材料焊接材料 - 焊接方法焊接方法 不同焊接方法，热影响区宽度不同 - 焊接工艺焊接工艺 合理选择焊接参数 - 焊后热处理焊后热处理 焊后正火改善接头性能 - 其他其他 接头形式、工件厚度、预热等4、焊条电弧焊焊条电弧焊过程 药皮燃烧：药皮燃烧：电弧周

10、围气体：CO2、CO、H2熔池中熔渣，冷却形成渣壳保护熔池中的熔化金属焊条电焊条电弧弧焊焊演示演示工件工件焊芯焊芯熔化熔化焊缝焊缝熔池熔池熔池工件焊缝渣壳电弧焊条焊钳焊机焊接电缆 电焊条焊芯导电和填充焊缝焊接用焊丝低碳钢、低合金结构钢、不锈钢药皮焊接过程顺利进行焊缝化学成分、力学性能焊条芯焊条芯药皮药皮焊条药皮作用作用提高电弧燃烧的稳定性防止空气对熔化金属的有害作用对熔池脱氧、加入合金元素保证焊缝金属的化学成分和力学性能稳弧、造气、造渣、脱氧、渗合金、稀渣、粘接原料种类原料名称作用稳弧剂碳酸钾、碳酸钠、长石、大理石、钛白粉、钠水玻璃、钾水玻璃改善引弧性能、提高电弧燃烧的稳定性造气剂淀粉、木屑、

11、纤维素、大理石造成一定量的气体，隔绝空气，保护焊接熔滴与熔池造渣剂大理石、长石、萤石、菱苦石、锰矿、钛铁矿、粘土、钛白粉、金红石造成具有一定物理化学性能的熔渣，保护焊缝，碱性渣中的CaO可脱硫、磷焊条药皮的作用焊条种类 碳钢焊条碳钢焊条J低合金钢焊条低合金钢焊条J 不锈钢焊条不锈钢焊条A； 堆焊焊条堆焊焊条D； 铸铁焊条铸铁焊条Z； 铜及铜合金焊条铜及铜合金焊条T； 铝及铝合金焊条铝及铝合金焊条L；n按熔渣性质按熔渣性质n按化学成分分按化学成分分: : 酸性焊条酸性焊条: 酸性氧化物比碱性氧化物多 适合各种电源、易操作、电弧稳定 成本低 焊缝塑性韧性差、不宜用于重要构件 碱性焊条碱性焊条: 焊

12、缝塑性韧性好、抗冲击能力强 适于重要构件 要求直流电源、操作性差、电弧不够稳定、 价格高，焊条种类型号型号 国标国标J 4 2 2电流种类及药皮类型电流种类及药皮类型（钙钛型）抗拉强度等级结构钢焊条牌号牌号 行标行标J 5 0 7电流种类及药皮类型电流种类及药皮类型（低氢型）抗拉强度等级结构钢焊条J422E4303J507E5015J506E5016碳钢焊条碳钢焊条熔敷金属抗拉强度的最小值熔敷金属抗拉强度的最小值 bminbmin=430MPa=430MPaE 43 03 03电流种类及药皮类型电流种类及药皮类型表示焊条的焊接位置表示焊条的焊接位置“0”或或“1”全位置焊全位置焊“2”平焊或平

13、角焊平焊或平角焊“4”向下立焊向下立焊焊条选用原则选用依据选用依据：根据焊件化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀耐以及高温性能 焊条种类 结构形状、受力情况、焊接设备条件 型号低碳钢和低合金钢构件：根据强度（两构件强度较低者为准）低碳钢和低合金钢构件：根据强度（两构件强度较低者为准）酸性酸性/ /碱性：根据重要性碱性：根据重要性铸钢：碱性焊条和适当工艺（预热）铸钢：碱性焊条和适当工艺（预热）不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条2、埋弧焊埋弧埋弧焊焊演示演示埋弧焊特点大电流（1000A）、生产率高焊接质量高且稳定节约金属热量集中、可无坡口、无焊条头、飞溅少改善劳动条件无弧光

14、、烟雾自动化程度高工艺装备复杂，适合批量生产焊丝与焊剂焊丝、焊剂决定焊缝化学成分、力学性能熔炼焊剂、陶质焊剂埋弧焊工艺仔细下料、准备（清理）坡口、装配引弧板与引出板焊后去掉防止烧穿焊剂垫、垫板环缝焊接环焊缝：环焊缝：焊丝起弧点应与环焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距的中心偏离一定距离离a(a=2040mm),直径小于直径小于250mm一一般不采用埋弧焊。般不采用埋弧焊。埋弧焊应用主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、起重机械、冶金机械压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却

15、壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、起重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。（高炉炉身）等的焊接。3、气体保护焊氩弧焊氩氩弧弧焊焊演示演示对氩气要求纯度99.7以上，焊前必须把接头表面清理干净。氩弧焊的特点与应用适于焊接各类合金钢，易氧化的非铁金属以及锆、钽、钼等稀有金属电弧稳定、飞溅小、焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观便于操作，容易实现全位置自动焊接电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊接速度快、热影响区窄，焊后变形小氩气成本高，用于焊接铝、镁、钛合金脉冲氩弧焊周期性脉冲式的焊接电流，包括基值电流和脉冲电流。脉冲电流是用来熔化焊丝和焊件的。原理： 焊接时产生大而明亮的脉冲电弧，和基值电流产生的小而暗淡

16、的基值电弧交替作用在焊件上，当每一次脉冲电流通过时 ，焊件上就形成一个点状熔池，待脉冲电流停歇后，由于热量减少，点状熔池结晶形成一个焊点。如此循环，最后形成一条呈鱼鳞纹形的，由许多焊点连续搭接成的链状焊缝。气体保护焊CO2保护焊CO2保保护焊护焊演示演示CO2保护焊的特点及应用成本低，仅埋弧焊和焊条焊接的40生产率高，自动化程度高操作性好，明弧，便于观察质量较好，焊接热影响区和变形小。应用：广泛用于造船、车辆、农用机械等工业部门；主要用于30mm以下的碳钢、低合金结构钢缺点：氧化、飞溅严重，气孔倾向大，焊缝成形差缺点：氧化、飞溅严重，气孔倾向大，焊缝成形差4、等离子弧焊接与切割n电弧压缩机械压

17、缩热压缩电磁收缩n中心区域温度极高16000Kn焊接/切割熔点很高的金属不锈钢钛、钨等离子弧等离子弧焊焊演示演示等离子弧焊的特点及应用等离子弧能量密度大（105106W/CM2），弧柱温度高（24000K以上），穿透能力强。10 12mm厚钢材可不开坡口，一次焊透双面成型，焊接速度快，生产率高，应力变形小。对焊缝成形的影响较小，焊缝成形，表面光洁。电流小到0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，能保持良好的挺直度与方向性，所以可焊接很薄的箔材。应用：特别是国防工业及尖端技术所用的铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封焊以及飞机上一些薄壁容器

18、均可用等离子弧焊接。缺点：等离子弧焊接设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。三、其他常用焊接方法简略了解其它焊接方法电阻焊、摩擦焊、钎焊真空电子束焊接、激光焊接、高频焊电渣焊讨论可以用于焊接的能源形式1、电阻焊电阻热Q=I2Rt特点生产率高、焊接变形小操作简便、易实现自动（汽车外壳焊接）设备复杂、耗电量大接头形式、工件厚度受到限制点焊、缝焊、对焊电电阻阻焊焊演示演示点焊局部高温焊合分流现象焊点的分布最小距离限制点焊的接头形式硬规范软规范电极压力表面清洗接头形式适合厚度4mm的薄板、冲压结构和线材的焊接缝焊适合3mm厚度的薄板结构。应用于要求密封性能好的薄壁结构。如油箱、小型容器和管道等。对

19、焊对焊应用：1）电阻对焊使用于截面简单、直径（或边长）20mm和强度要求不高的工件；2）闪光对焊可焊接同种金属也可焊接异种金属，被焊件可以是直径小于0.01mm的金属丝，也可以是截面大到20000mm2的金属棒或金属型材。主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条等的焊接主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条等的焊接对焊接头形式2、摩擦焊搅拌摩擦焊摩擦焊的接头形式 摩擦焊接头至少有一个焊件是圆形或管状摩擦焊接头至少有一个焊件是圆形或管状3、钎焊焊接过程示意图毛细管作用钎焊硬钎焊450以上、接头强度200MPa以上自行车架、工具、刀具软钎焊450以下、接头强度70MPa以下仪表、导电元件、各

20、种低载荷构件加热方式烙铁、火焰、电阻、感应钎焊钎焊演示演示钎焊的常见接头形式钎焊接头的比较4、真空电子束焊接特点：特点：1）焊缝金属纯度高，无气孔和）焊缝金属纯度高，无气孔和 夹杂。夹杂。2）焊接热影响区小，不变形。）焊接热影响区小，不变形。3）焊接时不加填充金属、不开）焊接时不加填充金属、不开 坡口。坡口。4）焊接过程的控制灵活，适应）焊接过程的控制灵活，适应 性好。性好。真真空空电电子束演示子束演示5、激光焊接特点：1）速度快，生产率高, 不需气体保护2）热影响区小、不变形适用于热敏感材料的焊接3）焊接材料广泛4）可通过透明材料壁进行 聚焦；焊接一般焊法难以 接近或无法安置的焊点5）适合微

21、型、精密元件的焊接激光激光焊焊接接6、高频焊n集肤效应（控制电流密度）（现象、频率、电阻率、磁导率）n邻近效应（控制位置、路径）6、高频焊高频焊特点速度高、无跳焊现象热影响区小清理要求低高频对设备人体危害振荡器件寿命短HF高频电源；高频电源；IC感应圈；感应圈；T工件移动方向工件移动方向6、高频焊7、电渣焊电渣焊的特点：电渣焊的特点：1）可一次焊接很）可一次焊接很厚的工件。厚的工件。2）成本低，生产）成本低，生产率高。率高。3）焊缝金属较纯）焊缝金属较纯净。净。4）焊接应力小。）焊接应力小。5）热影响区宽，）热影响区宽，晶粒粗大。晶粒粗大。电电渣渣焊焊演示演示题外话：关于铝热剂什么是铝热剂通常

22、把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂用某些金属氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替氧化铁也可以做铝热剂有什么特性难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放出大量热焊接钢轨原理铝热反应公式示例：使用铝粉可还原氧化铁Fe2O3 + 2 Al = 2Fe + Al2O3 还原反应产生大量的热能，无需外部的能源，就能熔化金属，可以用来焊接钢轨优点这些原料完全彻底地和合金元素混合在一起形成铝热剂，它可以组成与钢轨化学、冶金、和机械方面相匹配的焊接接头焊接钢轨过程铝热剂被投入到一个耐火坩埚中，用点火器点燃，开始铝热反应。反应结束后，液态钢自动从坩埚底部释放到耐火模具，从而连接钢轨的两端。模具带有几何形状

23、特征，能控制铸造和固化的过程。当铝热钢冷却下来后，进行进一步的热处理来提高它的机械特性。 铝热焊设备其它用途冶炼难熔金属军事用途在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分，可极大地提高杀伤力。在前苏联科学家编写的火箭炮一书中，谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分。在中国人民革命军事博物馆里，展品中就有美军的钢盔、卡宾枪、被烧熔在一起，除了火箭弹以外，其它炸弹没有如此大的能量。四、金属材料的焊接性焊接性概念设定相同（焊接方法、材料、参数、结构）易焊、难焊：获得优质焊接接头的难易程度焊接性并非一定焊接方法、焊接材料、焊接工艺评定方法工艺焊接性：出现工艺缺陷的倾向使用焊接性：使用中的可靠性（力学、特殊性能要求）

24、材料焊接性的评定评定方法： 各种焊接试验。 C当量 评定碳钢和普低钢的焊接性。 小型抗裂实验法钢材焊接性的估算碳当量计算公式计算结果(%)1556CuNiVMoCrMnCCE式中元素符号为钢中该元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。当当 0.4%时，时， EC塑性良好，塑性良好， 淬硬和冷裂倾向小，淬硬和冷裂倾向小， 焊接性好，焊接性好， 当当 =0.40.6%时，时， EC塑性下降，塑性下降， 淬硬及冷裂倾向明显，淬硬及冷裂倾向明显， 焊接性较差。焊接性较差。 焊前适当预热，焊后缓慢冷却。焊前适当预热，焊后缓慢冷却。 当当 0.6%时，时， EC塑性较差。塑性较差。 淬硬和冷裂倾向严重

25、，淬硬和冷裂倾向严重， 焊接性很差，焊接性很差， 焊前需要高温预热，焊前需要高温预热， 焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施，焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施， 焊后需要进行适当热处理等。焊后需要进行适当热处理等。 一般焊件不会产生裂纹。一般焊件不会产生裂纹。 钢材焊接性的估算碳当量计算公式计算结果0.6% ：焊接性不好碳钢焊接低碳钢（C% 应力、变形开裂焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊电阻焊保证焊接接头与母材等强度焊条：E4313(J421)、 E4303(J422) 、E4315(J427)等埋弧焊丝/焊剂：H08A(H08MnA) / 431碳钢焊接中碳钢：C%

26、 （0.25% 0.6%）焊接性变差、淬硬倾向变大工艺特点：容易开裂：冷裂纹、热裂纹必须预热，减小工件各个部分的温差细焊条、小电流、开坡口多层焊接焊条电弧焊、电渣焊（厚件）选择抗裂能力较强的低氢型焊条、等强度焊条：E5016(J506)、 E6015D1(J607)高碳钢： 含碳量高，导热性差，淬硬倾向大， 一般不用于制造焊接结构， 仅对损坏的机件进行焊补。 焊补时也要采取与中碳钢类似的工艺措施，以避免产生裂纹。 合金钢焊接合金结构钢焊接件较少工艺与中碳钢近似低合金结构钢焊接工艺特点热影响区的淬硬倾向：合金含量大小焊接接头的裂纹倾向：冷裂纹倾向大小：含氢量、淬硬程度、应力热裂纹倾向不大（我国合

27、金都含Mn）强度级别决定工艺低：同低碳钢低温大厚度高刚度构件：大电流、慢速、低氢焊条、退火高：焊前预热、焊后先消氢处理，再退火处理铸铁补焊铸铁焊接性很差，只能进行补焊焊接特点焊缝易形成白口、难以切削加工易开裂、易产生气孔流动性好，只能进行平焊热焊法（600700 ）：防止开裂，补焊后可切削加工用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件 如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等。冷焊法（不预热或低温预热450 ） 依靠焊条来调整焊缝的化学成分，增强焊缝的石墨化能力， 以防止或减少白口和裂纹的产生。 用于易变形件焊补。非铁金属及其合金的焊接铜及铜合金困难导热性太好，容易焊不透易氧化、易开裂、易形成气孔电阻很小，难以采用电阻焊铜合金比纯铜更难焊接氩弧焊（紫铜、青铜）气焊（黄铜）、碳弧焊、钎焊非铁金属及其合金的焊接铝及铝合金也比较困难极易氧化、Al2O3阻碍金属熔和、易夹渣导热性较好，需预热、使用大功率热源容易产生气孔（易吸收H2）高温下强度塑性很低，焊