热动工艺00 第4章

热动力机械制造基础沈阳航空工业学院动力与能源工程学院牛玲第四章焊接工艺基础知识焊接是将两个分离的金属通过加热或加热、加压，产生原子的结合与扩散作用而形成永久性连接的工艺方法。根据焊接原理可归纳为三大类：(1)熔焊利用局部加热，使焊件接头处熔化并加入填充金属，待其冷却凝固后连接成整体的焊接方法，如气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊和激光焊等。(2)压焊利用加热或其他方法使金属接头处于半熔化或高塑性状态，在足够的压力下产生塑性变形，通过原子间的结合连接金属的焊接方法，如电阻焊、摩擦焊等。(3)钎焊利用低熔点钎料被加热熔化，在焊件接头处与母材相互扩散而形成焊接接头的方法。钎焊可分为软钎焊和硬钎焊。第一节手弧焊一、焊接电弧焊接电弧是在焊条与工件之间的气体介质中所产生的强烈而持久的放电现象。电弧引燃后，在电场力的作用下，弧柱中充满高温电离物质，放出大量的热能和强烈的弧光。可用直流电，也可用交流电进行焊接。手弧焊(手工电弧焊)时，在焊条与工件之间产生高温电弧，使局部金属熔化形成小熔池，同时焊条不断熔化填充在焊缝内，冷却凝固后形成焊接接头。焊条药皮在熔化过程中产生保护气体和液态熔渣。保护气体起隔绝空气的作用，液态熔渣覆盖在熔池上，保护液态金属的冶金反应尽量充分，从而保证焊缝的性能，如图4—2所示。当电弧向前移动时，熔池冷却凝固而新的熔池不断产生，最终形成连续的焊缝。二、电焊条电焊条由药皮和焊芯两部分组成。在焊接时，焊芯作为电极和熔化后填充焊缝，药皮的作用是：容易引燃电弧和提高电弧的稳定性；造气、造渣包围和覆盖熔池，保护焊缝；提供合金元素渗入焊缝，以保证焊缝的力学性能和焊接工艺性能。焊条按牌号编制共有结构钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条等十大类。其中，结构钢焊条为最常用的焊条焊条按熔渣化学性质分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条应用十分广泛，常用于要求不高的一般结构的焊接。碱性焊条常用于重要结构的焊接。常用直流电焊接。焊条的种类和牌号很多，各有适用范围，选用时应考虑：①在焊接低碳钢和低合金钢时，根据母材的强度选用相等强度的焊条；②对承受交变载荷和冲击载荷，要求塑性、韧性较高以及厚度较大、形状复杂的焊件，应选用碱性焊条；③在焊接耐热钢、不锈钢等材料时，一般应选用与母材化学成分相同的焊条。三、焊接应力和变形焊接过程中对焊件进行不均匀加热而产生的膨胀、冷却时的收缩，均受到周围金属的限制，使焊件产生了应力和变形。为了防止焊接变形和裂纹、减少内应力的产生，经常采取的工艺措施如下：(1)焊前预热及焊后热处理(2)选择合理的焊接顺序，如图4-6所示。(3)刚性固定法(4)反变形法(5)锤击焊缝法第二节其他焊接方法一、埋弧自动焊整个焊接机构都装在焊接小车上，控制操纵盘上的开关使小车自动均匀地向前移动，同时焊剂由漏斗流出，均匀地堆敷在装配好的焊件上。自动焊机的焊丝在焊剂层下产生电弧，使工件与焊丝熔化形成熔池。电弧周围部分颗粒状焊剂被熔化成熔渣，与熔池金属产生冶金反应。金属和焊剂的蒸发气体使熔渣形成熔渣泡，隔绝空气、保护熔池：防止金属液滴飞溅、阻止弧光射出。随着小车的移动，熔池向前推进，后面的金属液冷却结晶成焊缝，而熔渣在焊缝表面冷却形成渣壳。埋弧自动焊的特点如下：(1)生产率高(2)焊接质量好(3)成本低(4)劳动条件好(5)适应性差通常只适合进行平焊直线长焊缝和较大直径的环形焊缝。不能焊薄的焊件，常用于焊接6～60mm厚的钢板。(6)焊前准备工作严格二、气体保护焊气体保护焊是利用外加气体进行保护电弧和焊缝的电弧焊。目前常用的保护气体是氩气和二氧化碳，称之为氩弧焊和二氧化碳保护焊。1．氩弧焊氩弧焊的保护气体氩气是惰性气体，在高温下，氩气不与金属起化学反应并保护电弧和熔池不受空气的有害作用。氩弧焊按所用的电极不同可分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。氩弧焊的特点如下：1)用氩气保护使焊接过程无冶金反应，金属只进行熔化。因此，该方法特别适用于焊接非铁金属和各种合金钢，焊接质量好。2)电弧在气流压缩下燃烧，热量集中、熔池小、热影响区小，所以焊接后变形小。3)焊接电弧稳定，金属飞溅少，焊接过程中无熔渣，焊缝美观。4)可进行全方位焊接，并且明弧操作，便于观察、控制和调整。5)氩气成本高，在一般情况下不宜采用。2．二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是以CO2作为保护气体，以连续送进的焊丝为电极的焊接方法。CO2是氧化性气体，故不适用于焊接非铁金属。二氧化碳气体保护焊的特点如下：1)CO2气体来源广、价格低。2)CO2保护焊焊缝含氢量低，抗裂性能好。3)生产率高。4)可进行全方位焊接，并可焊接1mm左右的薄钢板，生产中常焊接30mm以下的低碳钢和低合金结构钢。5)由于是氧化性气体保护，焊接时造成液滴飞溅大、焊缝成形后不平滑。而且焊接时需要采用直流电源。三、电渣焊电渣焊是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热为热源来进行焊接的方法。电渣焊的特点如下：1)生产率高。2)焊缝缺陷少。3)成本较低。4)焊件需要热处理。电渣焊工件必须进行焊后正火处理。四、等离子弧焊接和切割等离子弧焊接是利用等离子弧发生装置使电弧经过喷嘴的细孔道使电弧收缩(机械压缩效应)，由通入的等离子气(Ar或N2)冷气流迫使电弧被进一步压缩(热压缩效应)，电弧中带电粒子流在电弧自身磁场电磁力的作用下又一次被压缩(磁压缩效应)，产生很细的能量高度集中的等离子弧进行焊接的方法。等离子弧焊的特点如下：1)等离子弧能量密度大，穿透能力强，厚12mm的焊件可不开坡口，不留间隙，单面焊接双面成形。2)等离子弧可焊接厚度为0.025mm的金属箔材。3)焊接速度快，生产率高，焊缝质量高。4)可焊接难熔、易氧化和热敏感性强的材料，如钼、钨、钛、镍等合金和双金属焊接，也可焊接一般钢材。5)焊接设备复杂，气体消耗量大，宜在室内焊接。等离子弧切割是利用等离子弧的高温将被切割材料局部熔化并随即吹除，形成整齐切口的方法。它不仅可以切割钢材，比气割生产率提高1～3倍，还可以切割气割不能切割的材料，如铝、铜、钼、镍、钨、钛、不锈钢和铸铁，也可以切割非金属材料，如碳化硅、混凝土和花岗石等。五、激光焊激光焊是利用激光通过聚焦后产生的光斑，将光能转变为热能，使金属熔化形成焊接接头的方法。激光焊的特点如下：1)能量密度大，热量集中，焊接时间短(几毫秒)，生产率高，可焊接精密零件和热敏感材料。2)激光能量释放极其迅速，被焊材料不易氧化，可不需要保护直接在大气中焊接。3)激光可利用偏转棱镜和光导纤维使焦点到达一般焊接方法难以接近的部位进行焊接，也可透过透明材料和绝缘材料，对内部金属进行焊接。4)激光可焊接异种金属材料，甚至可将金属与非金属焊在一起。六、电阻焊电阻焊属于压焊的一种，是利用电流通过焊件接触面所产生的电阻热，将焊件局部加热高塑性或半熔化状态，并在压力下结晶凝固形成焊接接头的方法。电阻焊的生产率高，焊接变形小，不需要填充金属，劳动条件好，操作简便，易于实现自动化生产。但焊接设备复杂、耗电量大、对焊件厚度和接头形式有一定限制，通常适用于大批量生产。电阻焊的基本形式可分为点焊、缝焊和对焊。1．点焊将装配成搭接接头的焊件置于两个圆柱形电极间预压紧并通电加热。由于电极是通有冷却水的铜合金，在电极与焊件间的电阻热被迅速传走，而两焊件接触处热量集中将金属局部熔化形成熔核，然后断电，保持或增大压力使熔核金属在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。点焊主要适用于薄板结构(≤4mm)和钢筋构件。目前广泛应用于汽车、飞机、机车、电子仪表和日常生活用品等生产部门。2．缝焊缝焊的电极是一对旋转的圆盘(滚轮)，焊件在滚轮间一边随滚轮转动而送进，一边受压通过脉冲电流，得到连续的相互重叠的焊点组成的焊缝。缝焊只适用于3mm以下要求密封性好的薄壁结构。3．对焊对焊是用对接方式，在整个接触面上通电产生电阻热使焊件连接在一起的焊接方法。根据焊接过程的不同，可分为电阻对焊和闪光对焊。电阻对焊适用于截面简单、直径小于20ram的强度要求不高的焊件。闪光对焊常用于重要焊接件，如对焊刀具、涡轮轴、锅炉管道、发动机排气门等。可焊接截面从0.01mm2的金属丝到15000mm2的金属型材，也可焊接异种金属。七、摩擦焊摩擦焊是利用焊件接触表面的摩擦热使金属加热到高温塑性状态，然后加压进行焊接的方法，也属于压焊。焊接时将两焊件在一定的压力下顶紧，使其中一件高速旋转。焊件的接触面在压力下摩擦产生的摩擦热使接合面达到高温塑性状态后，旋转焊件立即停止转动并施加更大的压力进行顶锻，焊件产生塑性变形并接合成接头。摩擦焊焊接质量好，废品率极低；焊件尺寸精度高，焊接操作容易，生产率高，摩擦焊不仅可以焊接同种材料和普通异种钢材，而且可以焊接性能差别较大的异种合金，如铝～铜、铝～钢等；摩擦焊设备简单、加工费用低、能量消耗少、没有火花及有害气体、劳动条件好。一般摩擦焊广泛应用于圆形工件、棒料及管子的对接，也可以焊接非等截面和非圆截面的焊件。八、钎焊钎焊是将熔点比焊件低的钎料加热熔化后渗入固态焊件间的间隙内，将焊件连接起来的焊接方法。根据钎料的熔点不同钎焊可分为硬钎焊和软钎焊。(1)硬钎焊钎料熔点高，主要用于受力较大或工作温度较高的工件。硬钎焊主要用于受力较大的钢材、铜合金构件的焊接和刀具、工具的焊接。(2)软钎焊钎料熔点低，主要用于受力较小或工作温度较低的工件。软钎焊广泛用于受力不大的钢铁构件、铜合金构件和仪表、导电元件的焊接。钎焊的特点是焊件应力和变形小，可以保证焊件的尺寸；焊接接头光滑平整，无需再进行加工；钎焊可以焊接异种金属和厚薄不等的焊件；可同时焊接多条焊缝的复杂焊件，生产率很高；钎焊设备简单，投资较少。但钎焊强度较低，耐热能力差，对焊件清理要求严格，故不适用于较重要钢结构和重载、动载机件的焊接。钎焊主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件、复杂薄板结构等。在机电制造行业中应用也很广泛，如焊接硬质合金刀具、换热器、各种容器、导管、汽轮机叶片等。

第三节常用金属材料的焊接一、金属材料的焊接性金属材料的焊接性是指在一定的焊接工艺条件下金属材料获得优质焊接接头的难易程度。它包括两方面的内容，其一是工艺焊接性，即金属形成焊接缺陷的敏感性要小；其二是使用性能，即金属的焊接接头适应使用时的性能要求。这不仅与金属本身材质有关，也与焊接时采用的工艺条件、焊接方法有关。例如，低碳钢和低合金钢用任何焊接方法的焊接性都很好；铝合金采用手弧焊时焊接性不好，而采用氩弧焊较容易达到质量要求，即焊接性良好。二、碳钢及低合金钢的焊接1．碳钢的焊接低碳钢的碳含量少，焊接性良好。焊接过程中不需要任何特殊的工艺措施，几乎所有的焊接方法都能获得优质焊接接头。中碳钢随着碳含量增加焊接性变差。因此，应适当进行预热。高碳钢的碳含量高，焊接性很差，一般只对高碳钢工件进行焊补，而不进行结构焊接。2.低合金钢的焊接合金钢中作为焊接结构使用的一般是低合金结构钢。在低合金结构钢中，合金元素含量少，焊接性良好，含合金元素较多，焊接性较差；焊接前一般都要进行预热，焊接时工艺措施要求严格。三、铸铁的焊补铸铁碳、硅含量高，塑性很差，属于焊接性很差的材料。铸铁在焊接时容易产生的问题是：①焊接时焊接区域加热和冷却速度快，容易形成白口组织和淬火组织，硬度高而难以进行切削加工；②铸铁强度低、塑性差，焊接时产生的应力极易引起裂纹；③铸铁碳、硅含量高，焊接时极易产生CO、CO2和熔渣，造成气孔和夹渣缺陷；④铸铁熔化后流动性好，只适合平焊。因此，铸铁不考虑作为焊接结构件，而只能进行焊补。其目的是在铸造生产时产生的一些铸造缺陷或在使用过程中铸件产生的局部破损，使用焊补的方法进行修复；从而获得较好的经济效益。铸铁件的焊补常用手弧焊和气焊，焊补方法可分为热焊法和冷焊法。1．热焊法焊件焊接前预热到600--700℃，焊后缓慢冷却的方法称为热焊法。热焊法焊件受热比较均匀，冷却慢，可防止产生白口组织和马氏体组织，减少应力和裂纹，焊补质量好，机械加工容易。但是热焊法成本较高、劳动条件差、生产率低，一般用于焊补需要切削加工的形状复杂的铸件和重要铸件，如内燃机气缸盖和气缸体等。2．冷焊法采用冷焊法的焊件不预热或者预热温度在400℃以下进行焊补，主要用于焊补质量要求不高的铸件。四、非铁金属的焊接非铁金属的焊接性较差，其主要原因是：(1)容易氧化。(2)吸气性大。(3)导热系数大。(4)线膨胀系数大。铝合金的焊接常用氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。其中，以氩弧焊质量最好，对要求不高的焊件可采用气焊。铜合金的焊接常用氩弧焊、气焊、手弧焊和钎焊。同样，也是以氩弧焊质量最好。焊接黄铜一般采用气焊。第四节焊接件的结构工艺性设计焊接件时，不仅要考虑到焊件的使用性能，还要考虑焊件结构的工艺性能，使焊件生产简便、质量优良、成本低廉。焊件结构工艺性应包括结构材料的选择、接头形式、焊缝布置等方面。一、焊接结构材料的选择在满足焊接结构件使用性能的前提下，应尽量选用焊接性良好的材料。低碳钢和普通低合金钢的焊接性良好、价格低廉，焊接工艺简单、易于保证焊接质量，应优先选用。在采用两种不同材料进行焊接时，应注意它们焊接性的差异。低合金钢体系内的钢种，它们的化学成分和物理性能比较接近，这些异种钢材的焊接一般困难不大；而异种金属的焊接则要困难得多，有时往往无法用熔化焊的方法进行，应尽量避免。在设计焊接结构件时，应多采用工字钢、槽钢和钢管等成型材料，对于形状比较复杂的部分可采用铸钢、锻钢和冲压件来焊接。这样不仅可减少焊缝数量、简化焊接工艺，还可以增加结构件的强度和刚度，如图4-15所示。焊接结构件应尽量采用同等厚度的材料焊接，有利于避免应力集中、接头两边受热不匀而产生焊不透等缺陷。如采用厚度不等的材料焊接时，应在较厚的板材上加工出过渡形式，如图4—16所示。二、焊接接头形式熔化焊接头基本形式有对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头。接头形式的选择主要根据结构形状、使用要求和焊接生产工艺而定。对接接头应力分布均匀、接头质量容易保证、节省材料，是用得最多的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用。但焊前准备和装配要求较高。搭接接头不需开坡口、装配要求不高，常应用于受力不大的桁架结构，但搭接接头因工件不在同一平面，受力时产生附加弯矩，而且金属消耗量较大，一般应避免采用。当接头构成