电子课件《焊工工艺与技能训练(第二版)》A021048第九单元

1、第九单元常用金属材料的焊接课题 1金属材料焊接基础知识课题 2中碳钢焊接操作课题 3低合金高强度结构钢焊接操作课题 4珠光体耐热钢焊接操作课题 5奥氏体不锈钢焊接操作课题 6铸铁焊补操作课题 7承压钢管散热器焊接操作课题 1金属材料焊接基础知识焊接的常用金属材料包括碳素钢、普低钢、耐热钢、 不锈钢、铸铁等，由于不同金属材料的化学成分、使用性能、工作条件和淬硬倾向均不尽相同，因而在焊接过程中，如果采取的工艺措施不正确，常常会产生裂纹、气孔等缺陷，这就要求合理地选择焊接方法。正确地选用焊接材料，采取必要的预热、后热及焊后热处理等工艺方法来减少和防止这些缺陷，避免因此而所带来的危害。一、热裂纹、冷裂

2、纹及气孔裂纹是焊接结构最危险的缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故，在焊接生产中出现的裂纹形式多种多样。焊接接头裂纹分布形态示意图1纵向裂纹 2横向裂纹 3焊根裂纹 4焊趾裂纹 5焊道下裂纹 6层状撕裂 7火口裂纹1. 热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近高温区产生的裂纹称为热裂纹。热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，露出焊缝外表面的裂纹断面有明显的氧化色彩，热裂纹发生在晶界上，一般为沿晶裂纹。(1) 热裂纹产生的原因 由于焊接过程是一个局部加热的过程，焊缝金属从液态变成固体时，体积要缩小，同时凝固后的焊缝金属在冷却过程中体积也会收缩，而焊缝周围金属阻碍了上述这些收缩，

3、使焊缝受到一定的拉应力作用。焊缝中液体夹层的形成a) 结晶初期 b) 结晶后期(2) 影响生成热裂纹的因素1) 合金元素对生成热裂纹的影响 硫 碳 硅2) 一次结晶组织对热裂纹倾向的影响3) 力学条件对产生热裂纹的影响(3) 防止热裂纹产生的措施 1) 降低母材和焊丝的含硫量 2) 降低焊缝的含碳量 3) 提高焊丝的含锰量 4) 加变质剂 5) 形成双相组织 6) 采用适当的工艺措施2. 冷裂纹冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度(对于钢来说在Ms温度以下) 时产生的焊接裂纹。(1) 冷裂纹产生的原因1) 淬硬倾向2) 氢的作用3) 焊接应力(2) 防止冷裂纹产生的措施1) 焊前预热和焊后缓冷2)

4、 采用减少氢的工艺措施3) 合理选用焊接材料4) 采用适当的工艺参数5) 选用合理的装焊顺序6) 进行焊后热处理3. 气孔焊接时，熔池中的气泡在熔池金属凝固时未能及时逸出， 而残留下来所形成的空穴，称为气孔。(2) 防止气孔的措施1) 焊前仔细清理焊件，除锈、去污。2) 焊前将焊条或焊剂按规定进行烘干，焊丝不得生锈。3) 加强熔池保护，焊剂或保护气体送给不能中断。 4) 正确选择焊接工艺参数。5) 选用含碳量较低及脱氧能力强的焊条，并采用直流反接进行焊接。(1) 影响因素1) 铁锈和水分2) 焊接的冶金作用3) 熔池受到空气侵入4) 其他影响因素二、预热、 后热及焊后热处理1. 预热预热能降低

5、焊后冷却速度，而对于给定成分的钢种，焊缝及热影响区的组织和性能取决于冷却速度的大小。 2. 后热焊后，为防止焊件急冷，将焊件保温、缓冷，可以减缓焊缝和热影响区的冷却速度，起到与预热相似的作用。 3. 焊后热处理三、 焊条的选用依据1. 焊件的力学性能、化学成分(1) 低碳钢、中碳钢和低合金钢可按其强度等级来选用相应强度的焊条。在焊接结构刚性大、受力情况复杂时，应选用比钢材强度低一级的焊条；焊接一般合金结构钢时， 焊条的选用仍以强度等级为依据；焊接其余钢类材料(如耐热钢、不锈钢)时，焊条的选择应从保证焊接接头的特殊性能出发，要求焊缝金属的主要合金成分与母材相近或相同。(2) 焊条的强度确定后，需

6、要进一步确定焊条的性质，选用酸性焊条还是碱性焊条，这主要取决于焊接结构、钢材厚度(即刚性的大小)、焊件载荷的情况(静载还是动载)和钢材的抗裂性及得到直流电源的难易等。一般来说，如果焊缝要求塑性、冲击韧性和抗裂性能较高，且在低温条件下工作，应选用碱性焊条。如果低碳钢焊件受某种条件限制而无法清理坡口处的铁锈、油污和氧化皮等脏物，应选用对铁锈、油污和氧化皮敏感性小，抗气孔性能较强的酸性焊条。(3) 焊接低碳钢与低合金钢、不同强度等级的低合金钢等时，一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。2. 焊件的工作条件及使用性能(1) 如果焊件的工作环境有特定要求(如低温、水下等)，应选用相应条件的焊条(如低温

7、焊条、水下焊条等) 。(2) 珠光体耐热钢一般选用与钢材化学成分相似的焊条，或根据焊件的工作温度来选取。3. 简化工艺、提高生产率、降低成本(1) 薄板焊接或点焊宜采用E4313型焊条，焊件不易烧穿且易引弧。(2) 在满足焊件使用性能和焊条操作性能的前提下，应选用规格大、效率高的焊条。(3) 在使用性能基本相同时应尽量选择价格较低的焊条。四、手工堆焊及焊补1. 手工堆焊技术堆焊主要用来修复机械设备工作表面的磨损部分和金属表面的残缺部分，以恢复结构原来的尺寸，或堆焊耐磨、 耐蚀的特殊金属盖面层。堆焊时焊道的连接各堆焊层的排列方向堆焊顺序轴的堆焊顺序在垂直位置上的堆焊2. 铸钢件缺陷和裂纹的焊补技

8、术(1) 缺陷的焊补 铸钢件的缺陷一般有2种：一是明缺陷，焊接时电弧能直接作用到整个缺陷表面； 二是暗缺陷，焊接时只能在局部缺陷上进行焊补。(2) 裂纹的焊补 焊补前应彻底检查裂纹，并用錾削或碳弧气刨的方法将裂纹修成一定的坡口形式。裂纹两端的钻孔位置五、钢的焊接性1. 焊接性概念金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，主要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 它包括2个方面的内容：(1) 接合性能 即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性。(2) 使用性能 即在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。2. 影响焊接性的因素(1) 材料因素

9、(2) 工艺因素3. 焊接性的间接判断法(3) 结构因素(4) 使用环境课题 2中碳钢焊接操作一、中碳钢焊接工艺1. 中碳钢的焊接性与低碳钢相比，中碳钢含碳量较高，因此其强度较高，焊接性较差，常见的中碳钢有35钢、45钢及55钢等，其焊接性表现为：(1) 焊缝金属易产生热裂纹(2) 热影响区易产生冷裂纹2. 中碳钢焊接工艺要点(1) 尽量采用碱性焊条(2)预热 中碳钢的预热温度取决于材料的含碳量、焊件的大小和厚度、焊条类型、工艺参数及结构刚度等。(3) 焊接工艺措施1) 焊接坡口尽量开成U形，以减少焊件熔入量。2) 焊接第一层焊缝时，尽量采用小电流、低焊速，以减小焊件熔入焊缝金属中的比例(减小

10、熔合比)，防止热裂纹，但应注意将母材熔透，避免产生夹渣及未熔合等缺陷。3) 碱性焊条在焊前要按照要求烘干，烘干温度为350450，保温时间2h。4) 锤击焊缝，以减小焊接残余应力，细化晶粒。5) 焊接结束时，应将焊件放在石棉灰中或在炉中缓冷。6) 对含碳量高、厚度大和刚性大的焊件，焊接后应进行必要的热处理，以消除应力。二、中碳钢焊接技能训练中碳钢焊接的焊件图如图所示，焊件是工作压力为24MPa的高压管道， 材质为45钢。高压管道焊件图课题 3低合金高强度结构钢焊接操作低合金高强度结构钢是在碳钢基础上加入了含量少于 5的合金元素低合金高强度结构钢分为Q345、Q390、 Q420、Q460、Q5

11、00、Q550、Q620、Q690强度级别，低合金高强度结构钢的特点是强度高，塑性、韧性良好，焊接及其加工性能较好，广泛应用于压力容器、车辆、船舶、桥梁和其他各种金属结构。一、低合金高强度结构钢的焊接性低合金高强度结构钢的焊接性主要取决于化学成分，强度级别较低(300400MPa级)的低合金结构钢，由于钢中合金元素含量较少，因此焊接性较好，接近于普通低碳钢，随着钢材强度级别的提高，钢中合金元素含量相应提高，钢材的淬硬倾向增大，其所含的有些元素在焊接热循环作用下，促使形成低熔点物质，使焊缝金属和热影响区出现各种不利组织，造成焊接性变坏，并导致裂纹的产生，因而必须采取一定的工艺措施。 焊接时易出现

12、的主要问题是：1. 热影响区的淬硬倾向2. 焊接接头的冷裂纹3. 热裂纹二、低合金高强度结构钢焊接工艺要点1. 坡口加工、装配及定位焊坡口加工可采用机械加工，其加工精度较高。焊接件的装配间隙不能过大，避免强力装配定位，定位点固焊应选用与焊接同类型的焊接材料，也可选用强度等级稍低的焊条或焊丝。 2. 选择合适的焊接材料3. 正确选择焊接参数采取焊前适当预热和焊后缓冷的措施，来降低接头的淬硬倾向，改善显微组织，提高韧性。4. 焊后及时进行热处理低合金高强度结构钢制造的厚壁容器、刚度大的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，常常要求焊后及时热处理。三、低合金高强度结构钢焊接技能训练焊件为承压

13、管道，焊件材质为Q345。承压管道焊件图1. 焊接工艺分析在定位焊时使用与正式焊接时完全相同的焊条，严格遵守工艺规程，必要时应进行预热。 2. 焊接工艺参数3. Q345钢焊接操作4. 产品检验项目主要检验下列项目：(1) 焊件几何尺寸 由于焊件经过弯制、装配和焊接，容易引起变形，应根据图样测量圆管的圆度和法兰与圆管间的垂直度是否符合要求。(2) 焊缝的外观尺寸 检查焊缝的焊脚尺寸、焊缝宽度和焊缝余高应满足要求，焊缝接头应圆滑过渡，收尾处不应有弧坑。(3) 焊缝外观无缺陷 焊缝表面应均匀，接头处不应接偏，焊波不应有脱节现象，焊缝应无夹渣、气孔、未焊透等缺陷，焊缝无明显咬边。课题 4珠光体耐热钢

14、焊接操作高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢叫耐热钢，珠光体耐热钢是以铬、钼为主要合金元素的低合金钢。一、珠光体耐热钢的特性1. 高温强度普通碳素钢在超过400的温度下无法长时间工作，因此不能作为耐热材料使用，珠光体耐热钢中具有钼、钨、铌、铝、硼等多种合金元素后，其高温强度显著提高，在 500600仍能保持较高的强度。2. 高温抗氧化性由于铬和氧的亲和力比铁和氧的亲和力大，高温时在金属表面首先生成比较致密的氧化铬，相当于形成了一层保护膜，可以防止内部金属受到氧化，所以耐热钢中一般都含有铬。二、 珠光体耐热钢的焊接性由于珠光体耐热钢中主要元素是碳 并含有一定数量的铬和钼 还有的含有钒、 钨、硅、

15、钛、 硼等元素 这些合金元素的存在会使焊缝和热影响区具有淬硬倾向 焊后在空气中冷却时 珠光体耐热钢易产生硬而脆的马氏体 不仅影响焊接接头的力学性能 而且产生很大的内应力 再加上较高的扩散氢浓度 使焊缝和热影响区有冷裂倾向三、珠光体耐热钢焊接1. 预热预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施，可以有效地防止冷裂纹和再热裂纹。2. 保温焊和连续焊所谓保温焊是指整个焊接过程中，经常测量并使焊缝附近30100mm范围内保持足够的温度。连续焊就是指焊接过程不间断。3. 短道焊短道焊的目的是使焊缝及热影响区缓慢冷却，即如果要焊一条长焊缝，则每一道不要焊太长，使被焊的这一段在较短时间内重复受热。短道焊4. 减小

16、焊接约束力由于铬钼耐热钢裂纹倾向比较大，故在焊接时焊缝的约束度不能过大，以免造成过大的刚度。 5. 锤击焊缝每焊完1根或2根焊条就立即锤击，以消除焊接应力。 6. 焊后缓冷焊后缓冷是焊接铬钼耐热钢的重要工艺措施之一，一般是焊后立即用石棉布覆盖焊缝及近缝区，小零件可直接放在石棉灰中冷却。7. 焊后热处理厚壁容器及管道在焊后常进行高温回火，即将焊件加热至650750(低于Ac1)，保温一定时间，然后在静止空气中冷却。大型的焊接结构一般要进行消除应力退火， 即将焊件加热到500650范围，经保温后缓慢冷却。8. 焊条的选择焊接耐热钢的焊条主要应根据焊件的化学成分选择，而不是根据焊件在常温下的力学性能

17、选择。为了确保焊接接头的高温强度和高温抗氧化性不低于基体金属，焊条的合金含量应与焊件相当或者略高一些。一般用低氢型焊条铬钼耐热钢用焊条见上表。9. 焊接实例某火电厂的530 高压锅炉过热器管，材质为 15CrMo钢。 壁厚为16mm，采用焊条电弧焊，选用焊条E5515B2。0以上施焊时，焊前预热至150200。0以下施焊时，预热至250300。施焊时，选用直流反接电源，短弧焊接，焊后进行680720回火处理，对锅炉受热面管子进行焊后热处理时，焊缝应缓慢升温，加热速度应控制在100/min以下，保证内、外壁温差不大于50，冷却时用石棉布覆盖，让其缓慢冷却至300，然后在静止的空气中自然冷却。四、

18、珠光体耐热钢的焊接技能训练焊件为15CrMo钢管。15CrMo钢管的焊件图1. 焊接工艺分析(1) 珠光体耐热钢管采用钨极氩弧焊打底层，焊条电弧焊填充层、 盖面层。(2) 焊条使用前烘干，温度为350，保温1.5h。(3) 焊前预热温度为150300，加热的范围为坡口两侧100mm处。(4) 焊接时应严格控制参数，不允许超出规定范围。 (5) 热处理方法为电加热法2. 焊接工艺参数3. 15CrMo钢管焊接操作课题 5奥氏体不锈钢焊接操作一、不锈钢简介在不锈钢中， 奥氏体不锈钢比其他不锈钢具有更优良的耐腐蚀性、耐热性和塑性，且焊接性良好，因此应用最广泛。二、奥氏体不锈钢的焊接1. 奥氏体不锈钢

19、的焊接性奥氏体不锈钢虽具有良好的耐蚀性、耐高温性、塑性和焊接性，但施焊中如果焊接工艺选择不当，也会产生下列问题：(1) 晶间腐蚀问题在焊接奥氏体不锈钢时，可采用下列措施防止和减少焊件产生晶间腐蚀：控制含碳量；添加稳定剂；进行固溶处理；采用双相组织；加快冷却速度。(2) 焊接热裂纹防止热裂纹措施包括：使用碱性焊条，采用小电流、快焊速，焊接结束或中断时收弧慢且填满弧坑，或采用氩弧焊打底焊等来。2. 奥氏体不锈钢的焊接工艺(1) 焊条电弧焊焊条的选用 按照药皮性质的不同，奥氏体不锈钢焊条可以分为酸性钛钙型药皮焊条和碱性低氢型药皮焊条。 焊接工艺焊接时，应采用小电流、快焊速，焊条在横向上无摆动，一次焊

20、成的焊缝不宜过宽，宽度不应超过焊条直径的3倍。多层焊时，每一层焊完要彻底清除熔渣，并控制层间温度，待前层焊缝冷却后(60)再焊接下一层。焊接开始时，不要在焊件上随便引弧，以免损伤焊件表面，影响焊件的耐腐蚀性，焊后可采取强制冷却措施，加速接头冷却。(2) 氩弧焊 氩弧焊目前普遍用于不锈钢的焊接。 (3) 埋弧自动焊 奥氏体不锈钢的埋弧自动焊一般用于焊接中厚度(厚度为650mm)不锈钢板，采用埋弧自动焊不仅可以提高生产率，而且也能显著提高焊缝质量。(4) 气焊 由于气焊方便、灵活，不易烧穿，可焊各种空间位置的焊缝，因此可以用于焊接没有耐腐蚀要求的不锈钢薄板结构、薄壁管等。3. 焊接实例用奥氏体不锈

21、钢板制作三氯氢硅成品储槽，钢板厚度为5mm， 筒体直径为 1200mm，储槽总长3590mm。筒体纵、环焊缝均采用焊条电弧焊，焊条型号为E30816，直径3.2mm。焊接电流为90110A。焊前开钝边V形坡口，钝边高度为2mm，坡口向外。焊接时，正面先焊1条焊道，然后焊背面。背面 (与腐蚀介质接触的一面) 焊接时不需刨焊根，焊1道即成，以利于焊缝的耐腐蚀性。筒体纵、环焊缝焊接后，在设备上开孔，因板较薄， 可用碳弧气刨。开孔时，要从设备里面往外吹，支座加强板和人孔加强板为Q235钢板，与不锈钢筒体焊接时采用E30916焊条。焊接工作结束后，进行X射线检验，并进行充水试验。三、奥氏体不锈钢的焊接技

22、能训练焊材质为06Cr18Ni11Ti，钢管壁厚为3mm，属于薄壁管。奥氏体不锈钢管焊件图1. 焊接工艺分析奥氏体不锈钢管采用钨极氩弧焊接。(1) 焊接过程中要严格控制熔池温度，防止焊接接头出现过热现象，而影响焊件的耐腐性能。(2) 不锈钢管的液态金属比较黏稠、流动性差，可能会出现底层仰焊部位未焊透的缺陷。焊接时，要调整好焊枪角度，要等待形成熔孔后再填焊丝。(3) 要避免整体焊缝仰位超高、平位偏低等缺陷，焊接时，在仰位应该填丝少些，平位填丝应多些，立位时焊枪摆动速度应快些，平位时应慢些。5. 焊接工艺参数3. 奥氏体不锈钢钢管焊接操作课题 6铸铁焊补操作铸铁的焊接技术主要应用在铸造缺陷的焊补和

23、已损坏铸件的修复中，很少作为零部件生产的手段。铸铁是含碳量大于2的铁碳合金。按照碳在组织中存在的形式不同，铸铁可分为灰铸铁、白口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。1. 灰铸铁灰铸铁中的碳以片状石墨的形式分布于金属基体中，其断口呈暗灰色。 2. 白口铸铁白口铸铁中的碳全部以渗碳体(Fe3C)形式存在于金属中， 其断面呈银白色，故称白口铸铁。 3. 可锻铸铁可锻铸铁中的石墨呈团絮状，它是白口铸铁经长时间石墨化退火而成。 4. 球墨铸铁球墨铸铁中的石墨以球状分布。二、灰铸铁的焊接性灰铸铁的焊接性不良，特别是在电弧焊时，如果焊条选用不当，或者没有采取一些特殊的工艺措施，则会产生一系列的缺陷。 1. 焊后产生

24、白口组织(1) 产生白口组织的原因 主要是由于冷却速度快和石墨化元素不足。(2) 防止白口组织的方法1) 减慢焊缝的冷却速度2) 改变焊缝化学成分3) 采用钎焊方法进行焊补2. 产生裂纹(1) 产生裂纹的原因 灰铸铁的塑性接近零，抗拉强度低，因此焊接过程中局部快速加热和冷却时会形成较大的内应力，容易产生裂纹。 (2) 防止裂纹的方法1) 焊前预热和焊后缓冷2) 采用电弧冷焊减小焊接应力3) 其他措施三、 灰铸铁的焊补灰铸铁的焊补主要是采用电弧焊或气焊，也可采用钎焊或电渣焊。1. 电弧焊按照焊件在焊接前是否预热，焊条电弧焊可分为：(1) 冷焊法 焊件在焊前不预热，焊接过程中也不辅助加热的焊接方法

25、。(2) 热焊法 焊接前将焊件全部或局部加热到600700，并在焊接过程中保持一定温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。(3) 半热焊法 半热焊法是在焊前将焊件预热至300 400的焊接方法。 2. 气焊气焊火焰温度比电弧温度低得多，因而焊件的加热和冷却比较缓慢，这对防止灰铸铁在焊接时产生白口组织和裂纹很有利。所以，用气焊焊补的铸件质量一般比较好，因而气焊成为焊补铸铁的常用方法。但与电弧焊相比，气焊的生产率低，成本高，焊工的劳动强度大，焊件变形也较大，焊补大型铸件时难以焊透。因此，目前电弧焊已逐步代替气焊用于铸铁焊补。(1) 焊丝与气剂(2) 火焰 焊接火焰用中性焰或弱碳化焰，具体选用应根据焊补的情

26、况。 (3) 操作要点 焊接时，要在基体金属熔透后再加入填充金属，以防止熔合不良，发现熔池中有小气孔和白亮点夹杂物时，可以往熔池中加入少量气焊熔剂，有助于消除夹渣。但是，气焊熔剂不宜加入过多，否则容易引起夹渣、气孔，适当加大火焰能率，提高熔池铁水温度，有利于气体及夹杂物浮起，因而能减少气孔、夹渣。操作时，应使火焰始终盖住熔池，加入焊丝时，经常用焊丝轻轻搅动熔池，促使气体、熔渣浮出，焊补将要结束时，应使焊缝稍高于焊件表面，并用焊丝刮去杂质较多的盖面层。3. 钎焊钎焊加热温度低，焊接速度快，因此焊接应力小。焊补过程中，基体金属又不熔化，所以组织变化很小。常用铜合金及其他有色金属作钎料，钎缝塑性较好

27、，容易避免裂纹，除适于焊补一般缺陷外，钎焊更适于焊补面积较大而深度较浅的加工面及磨损面。四、球墨铸铁的焊接1. 球墨铸铁的焊接性与灰铸铁不同，球墨铸铁经过球化处理，其力学性能明显提高。它主要用于制造力学性能要求较高的铸件，还可以在一定范围内代替碳素钢或合金钢来制造强度较高、形状复杂的铸件，这就要求焊接球墨铸铁时既要保证不产生焊接缺陷，又要从等强度角度考虑，使焊缝有较好的强度和塑性。由于球墨铸铁本身的强度和塑性较好，一般在焊接时不易产生裂纹，但是其焊接质量的要求比灰铸铁高，相对来说焊接难度更大。2.球墨铸铁的焊条电弧焊球墨铸铁的电弧焊与灰铸铁相同，亦有冷焊法和热焊法。五、灰铸铁的焊补技能训练灰铸铁焊补的焊件图如图所示，焊件为开V形坡口的板料。材质为HT200，将铸件刨削成V形坡口，模拟铸件焊补。灰铸铁焊补的焊件图1. 焊接工艺分析(1)灰铸铁焊件焊补的核心问题就是要使碳以石墨形式析出，从而避免白口组织的产生，影响铸铁石墨化