第四篇 焊接第一章电弧焊

课前提问判断并改正1、板料冲压落料工序中的凸凹模的间隙是影响冲压件剪断质量的关键。凸凹模间隙越小，则冲压毛刺越小，精度越高。2、板料弯曲时，弯曲后两边所夹的角度越小，则弯曲部分的变形程度越大。3、拉深过程中坯料的侧壁受拉应力。拉应力的大小与拉深系数有关，拉深系数越大，则侧壁所受的拉应力越大。4、受翻边系数的限制，一次翻边达不到零件凸缘高度要求时，则可以进行多次翻边。

5、厚1mm直径φ350的钢板经拉深制成外径为φ150的杯形冲压件。由手册中查得材料的拉深系数ml＝0.6，m2＝0.80，m3＝0.82，m4＝0.85。该件要经过几次拉深才能制成？6．设计冲孔凸模时，其凸模刃口尺寸应该是（）。A冲孔件孔的尺寸；B冲孔件孔的尺寸＋2z（z为单侧间隙）C冲孔件孔的尺寸－2z；D冲孔件尺寸－z7、如图所示冲压件，采用厚1.5mm低碳钢板进行批量生产。试确定冲压的基本工序？（1）落料（2）拉深（3）冲孔（4）翻边第四篇

焊接焊接定义：通过加热或加压；或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。

焊接工艺的发展历史

焊接技术是随着铜铁等金属的冶炼生产、各种热源的应用而出现的。古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊、锻焊、铆焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折，接合良好。

春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船锚。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊、钎焊和铆焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具、生活器具和武器。

19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885～1887年,俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊。也成为现代焊接工艺的发展开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊。1957年美国的盖奇发明等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊；60年代又出现激光焊等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。焊接的应用焊接的应用焊接的应用焊接的应用焊接的分类1.1焊接电弧1、焊接电弧：在电极与工件之间的气体介质中长时间的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。电极可以是金属丝、钨丝、碳棒或焊条。第一章电弧焊分解电离M2————2M—————M++e-(放出热能、光能和机械能)电弧产生过程电弧放电的实质：

把电能转换为热能、光能和机械能的能量转换过程。电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料不同而有所不同，用钢焊条焊接钢材时，阳极区温度约2600K，阴极区约2400K，电弧中心区温度最高，可达6000~8000K。电弧热量：电弧引燃放出大量热能和强烈的光。Q=UIT电弧热量在阳极区产生的较多43％；因放出大量电子，消耗了一部分能量，阴极区相对较少36％；弧柱中产生热量21％。焊条电弧焊只有65％～85％的热量用于加热和熔化金属，其余的热量散失在电弧周围和飞溅的金属液中。2.焊接电弧构造及温度分布3.直流电源焊接的两种接法直流正接：将工件接到电源的正极，焊条（或电极）接到负极。工件温度相对高一些，多用于焊厚板和高熔点金属；直流反接：将工件接到电源的负极，焊条（或电极）接到正极。用低氢型焊条，焊薄板或低熔点金属时常用此接法。交流电源：两极加热温度一样，都在2500K左右，不存在正接和反接问题。4、焊接的冶金过程焊接的冶金过程如图所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：电弧电压：电弧稳定燃烧时的电压。与电弧长度有关，也就是焊条与工件的距离，电弧长度越大，电弧电压也越高。一般为16～35V。

空载电压：焊接时的引弧电压。一般为50～90V。引弧电压不能过低，过低引不起弧，也不能过高，过高焊条会连接在工件上。1.2焊接接头的组织和力学性能一、焊接工件上温度的变化与分布焊接时，电弧随着工件逐渐移动并对工件局部加热。

各点处由常温—较高温度—常温

固态

液态

固态焊缝区各点温度变化情况因为离焊缝中心距离不同。各点最高温度不同因为热传导需要一定的时间。各点在不同的时间达到该点最高温度在焊接过程中，焊缝的形成是一次冶金过程，焊缝及附近区域金属相当于受到一次不同规范的热处理，必然会产生组织和性能的变化。二、焊接接头的组织和性能焊接接头：用焊接方法连接的接头，简称接头。焊接接头包括焊缝和热影响区。焊缝：熔化焊焊缝是由熔池结晶后形成的焊件结合部分。焊缝的性能决定于焊缝的化学成分和组织。1．焊缝的组织和性能14231—母材；2—热影响区；3—焊缝；4—熔合区焊接接头形成焊接接头组织1）焊缝的结晶过程和组织焊缝的结晶过程：从熔池底部开始向中心成长的。因结晶时各个方向的冷却速度不同从而形成柱状晶粒。焊缝组织是粗大的柱状晶粒。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。（冲击、拉伸试验中断裂区一般不在焊缝处，一般出现在热影响区。）1．熔化金属2．熔合区

3．过热区4．正火区

5．部分相变区

6．母材

2、焊接热影响区指焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域；熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。由于焊缝附近各点受热情况不同，热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。低碳钢焊接接头的组织变化1）熔合区焊缝与基体金属的交接过渡区。温度处于固相线和液相线之间，由于焊接过程中母材部分熔化，也称半熔化区。化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。熔合区熔合区很大程度上决定着焊接接头的性能。过热区正火区部分相变区母材2）过热区：最高加热温度在11000C以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降。3）正火区：最高加热温度在Ac3至11000C的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好，性能要优于母材。4）部分相变区：最高加热温度在Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒有长大趋势；冷却后晶粒不均匀，性能比正火区差。

影响焊接接头性能的因素

1）焊接材料、焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分。2）焊接方法，一方面影响组织粗细，一方面影响有害杂质含量。

低碳钢焊接接头的性能分布3）焊接工艺。焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫焊接工艺参数。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。4）接头形式、工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。在焊接过程中，热影响区在焊接接头中必然存在，是不利影响，应尽量减少。3、改善焊接热影响区组织和性能的方法

正确选择焊接方法与焊接工艺。采用焊后正火处理，使焊缝和焊接热影响区的组织转变成为均匀的细晶结构，以改善焊接接头的性能。焊接方法过热区宽度/mm热影响区总宽度/mm焊条电弧焊埋弧自动焊手工钨极氩弧焊气焊电子束焊接2.2~3.508.~1.22.1~3.221—6.0~8.52.3~4.05.0~6.2270.05~0.75表4-1焊接热影响区的平均尺寸数值焊接过程是一个不平衡的热循环过程，加热后焊件各部分的温度不同，随后的冷却速度也各不相同。因而焊件各部位在热胀冷缩和塑性变形的影响下，必将产生内应力、变形或裂纹。1.3焊接应力与变形一、焊接应力影响焊接构件的使用性能，引起焊件的变形；引起应力集中，降低承载能力；引起裂纹，缩短焊件使用寿命，造成脆断。1．后果2、产生过程焊缝及其相邻区金属处于加热阶段时膨胀，受到焊件冷金属的阻碍，不能自由伸长而受压，形成压应力；随后再冷却到室温时，其收缩又受到周边冷金属的阻碍，不能缩短到自由收缩所达到的位置，产生残余拉应力。焊接应力焊接应力的存在将影响焊件的使用性能，是其承载能力大为降低，甚至在外载荷改变时会出现脆断的危险后果。对于接触腐蚀性的焊件（如容器），由于应力腐蚀现象加剧，将减少焊件的使用寿命，甚至产生应力腐蚀裂纹而报废。对于承载大、压力容器等重要结构件，焊接应力必须加以防止和消除。设计时应选用塑性好的材料，要避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大和焊缝过长。3．防止措施在施焊中应确定正确的焊接次序。焊前对焊件预热，这样可减弱焊件各部位间的温差，从而显著减小焊接应力。焊接中采用小能量焊接方法（小电流、低电压、慢焊速）或锤击焊缝可减小焊接应力。采用焊后去应力退火方法。二、焊接变形1、后果：影响使用，过大的变形量将使焊件报废。焊接变形的基本形式2．防止措施结构设计：采用对称结构或大刚度结构、焊缝对称分布结构。施焊中，采用反变形措施或刚性夹持方法。刚性夹持法不适合焊接淬硬性较大的钢结构件和铸铁件。正确选用焊接参数和焊接次序，使温度分布更加均衡，变形相互抵消。不合理的焊接次序合理的焊接次序采用机械矫正法或火焰加热矫正法消除小变形。机械矫正火焰加热矫正焊接应力过大的严重后果是焊件产生裂纹，焊件裂纹存在于焊缝或热影响区的熔合区，而且往往是内裂纹，危害极大。因此，对重要焊件，焊后应进行焊接接头的内部探伤检查。焊件产生裂纹也与焊件材料的成分（如硫、磷含量）、焊缝金属的结晶特点（结晶区间）及含氢量有关。焊缝金属的硫、磷含量过高时，它们的化合物与Fe形成低熔点共晶体存在于基体金属的晶界处，在应力作用下被撕裂形成热裂纹。金属的结晶区间大，形成液态层的可能性大，焊件容易产生裂纹，钢中的含氢量高，焊后经过一段时间，析出的氢分子集中起来会形成很大的局部压力，造成工件产生裂纹。在焊接过程中应合理选材，采取措施减少应力，并应用合理的焊接工艺和焊接参数（如选用碱性焊条、小能量焊接、预热、合理选择焊接次序等）进行焊接，确保焊接质量。焊条电弧焊(即手工电弧焊)：利用焊条与工件间产生电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的方法。1.4焊条电弧焊一、焊条电弧焊的焊接过程电弧在焊条与被焊工件之间燃烧。电弧热使工件和焊芯同时熔化形成熔池，同时也使焊条的药皮熔化和分解。二、电焊条焊芯(埋弧焊时为焊丝)是组成焊缝金属的主要材料。它的化学成分和非金属夹杂物的多少将直接影响焊缝质量。1．焊芯焊芯的作用：导电：作为电极，产生电弧；填充焊缝：作为填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝金属；焊接低合金钢和不锈钢时应选用相应的低合金钢和不锈钢钢丝作为焊芯。

是用矿石粉、合金粉这些原料按一定比例配制后，压涂在焊芯外面。2．焊条药皮药皮的作用：提高电弧燃烧的稳定性，减少飞溅，同时改善焊缝的成形；机械保护作用，熔化后形成气体和熔渣用来保护溶质金属和焊条熔化后形成的熔滴，防止氧化和氮气熔到液态金属中；冶金处理作用，去除有害元素，增加有用合金元素，即脱氧、去氢、除硫、渗合金等。种类：我国按化学成分分七大类——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、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条等。型号：是国家标准中规定的各种系列品种的焊条代号。3．焊条的种类、型号和牌号

例如碳钢焊条型号E4303、E5015、E5016等。“E”表示焊条；前两位数字表示焊缝金属的抗拉强度等级；第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接(平、立、仰、横)，“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型，如“03”为钛钙型药皮．交流或直流正、反接，“15”为低氢钠型药皮，直流反接，“16”为低氢钾型药皮，交流或直流反接。牌号：是焊条行业统一规定的各种系列品种的焊条代号。焊条牌号一般用一个大写拼音字母和三个数字表示，如J422、J507等。拼音字母表示焊条的大类，如“J”表示结构钢焊条(碳钢焊条和普通低合金钢焊条)，“A”表示奥氏体不锈钢焊条，“Z”表示铸铁焊条等；前两位数字表示各大类中若干小类，如结构钢焊条前两位数字表示焊缝金属抗拉强度等级，其等级有42、50、55、60、70、75、85等，分别表示其焊缝金属的抗拉强度大于或等于420、500、550、600、700、750和850MPa；最后一个数字表示药皮类型和电流种类。碱性焊条的焊缝性能好（焊缝强度高，抗冲击能力强）而焊条工艺性能较差（电弧不稳定，成本高）；酸性焊条工艺性能好（电弧稳定，成本低）而焊缝性能一般（焊缝强度低）不适用于重载荷和高强度的重要结构件。因此不能用酸性焊条代替碱性焊条。酸性焊条和碱性焊条特性（熔渣性质）：在性能上有很大差别。酸性氧化物：SiO2、TiO2、Fe3O2碱性氧化物：CaO、FeO、MnO母材的力学性能和化学成分。焊接低碳钢和低合金高强度钢时，根据母材的抗拉强度按“等强”原则选用相同强度等级的结构钢焊条；焊接不锈钢时，选用与母材化学成分类型相同的不锈钢焊条；对于碳、硫、磷含量多的淬硬倾向大的容易裂的母材，应选用碱性焊条。焊件的工作条件和结构特点。

对于承受交变载荷、冲击载荷的或其它性能要求高的重要结构，或形状复杂、厚度大、刚性大的容易裂的焊件应选用碱性焊条。

焊接设备和施工条件。焊接现场缺少直流弧焊机而又必须用碱性焊条时，应选用交、直流两用的低氢钾型药皮的碱性焊条。4．焊条的选用基本原则：保证焊缝金属与母材具有同等水平的性能。三、主要特点灵活方便，适应性强。它可以在各种焊接位置和各种焊接结构的各个部位进行焊接。设备简单，便宜。生产率低。对焊工操作技术要求高。四、应用范围一般适用于单件、小批生产，厚度2mm以上，各种常用金属材料，各种焊接位置的焊缝和短的、不规则的焊缝。课后习题焊接电弧是怎样的一种现象？电弧中各区的温度有多高？用滞留和交流焊接效果一样吗？何谓焊接热影响区？低碳钢焊接时热影响区分为那些区段？各区段对焊接接头性能有何影响？减小热影响区有何办法？产生焊接应力和变形的原因是什么？焊接应力是否一定要消除？消除焊接应力有哪些办法？课后习题4.如图所示，拼接大块钢板是否合理？为什么？为减少焊接应力与变形，应怎样改变？其合理的焊接次序是什么？

5.试分析厚件多层焊时，为什么要用小锤对红热状态的焊缝进行敲击？6.焊接变形有哪些基本形式？焊前，为预防和减小焊接变形有哪些措施？7.焊接药皮起什么作用？111111221.5埋弧焊一．焊接工艺过程①用颗粒状焊剂取代焊条药皮；②用连续自动送进的焊丝取代焊芯；③用自动焊机取代焊工的手工操作。埋弧焊：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。焊剂：焊接时能够熔化形成焊渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质。

二、埋弧焊的特点生产率高。由于焊丝没有药皮，焊丝嘴的伸出长度短，焊接电流大，工件熔深大，可以不开坡口或坡口开得小一点。生产率比手工电弧焊提高5～10倍。焊接质量高而且稳定。这是因为埋弧自动焊的保护效果好，而且采用机器操作，焊接工艺参数稳定，焊接质量好，焊接成形也比较美观。节省金属材料。埋弧焊热量集中，熔深大，20～25mm以下的工件可不开坡口进行焊接，而且没有焊条头的浪费，飞溅很小，所以能节省大量金属材料。改善了劳动条件。埋弧焊看不到弧光．焊接烟雾也很少，焊接时只要焊工调整、管理焊机就可自动进行焊接，劳动条件得到很大改善。三、埋弧焊工艺埋弧焊要求更仔细地下料、准备坡口和装配。焊接前，应将焊缝两侧50～60mm内的一切污垢与铁锈除掉，以免产生气孔。埋弧焊一般在平焊位置焊接，用以焊接对接和丁字形接头的长直线焊缝和对接接头环形焊缝。对接厚20mm以下工件时，可以采用单面焊接。工件厚度超过20mm时，可进行双面焊接，或采用开坡口单面焊接。由于引弧处和断弧处质量不易保证，焊前应在接缝两端焊上引弧板与引出板，焊后再去掉。为了保持焊缝成形和防止烧穿，生产中常采用各种类型的焊剂垫和垫板，或者先用焊条电弧焊封底。焊接筒体对接焊缝时，工件以一定的焊接速度旋转，焊丝位置不动。为防止熔池金属流失，焊丝位置应逆旋转方向偏离焊件中心线一定距离a，其大小视筒体直径与焊接速度等而定。埋弧自动焊工艺厚度≥4mm的中、厚板。因为熔深大，焊薄板容易烧穿。平焊或平角焊位置焊缝；长直径或较大直径的环缝等规则焊缝；成批生产。不一定是焊件的数量多，只要同类焊缝的数量多就可以认为是成批生产。四、埋弧焊的应用范围1.6气体保护焊一、氩弧焊使用氩气作为保护气体的气体保护电弧焊。氩气是惰性气体，不和工件发生化学反应，也不溶解于液态金属中，是理想的保护气体，焊接质量好。1）用高熔点的钨或钨合金作为电极，焊丝作为填充金属的焊接方法。2）氩气流：隔离空气，对焊接区金属进行保护。3）钨极氩弧焊时为防止电极烧损，电流不宜过大，熔深较浅，多用于焊接厚度＜6mm薄壁工件。

4）焊接钢材时，多用直流电源正接，以减少钨极的烧损。5）焊接铝、镁及其合金时，则希望用直流反接或交流电源。1、钨极氩弧焊(TIG)2、熔化极氩弧焊(MIG)用焊丝作电极，焊丝熔化后作焊缝填充金属。焊接电流大，熔深大，生产率高。通常用于比较厚的工件焊接。焊接厚度为3～25mm的工件。4、应用

适用于焊接各种有色金属、稀有金属、合金钢，如铝、镁、铜、钼、钛及其合金、不锈钢、耐热钢及对焊接质量要求较高的重要结构。焊件的厚度一般＜25mm。适于焊接各类合金钢、易氧化的非铁金属及稀有金属。电弧很稳定，保护效果好，焊缝金属纯净，焊接质量很好，焊缝形状美观。焊接热影响区小，焊接变形小。这是因为电弧热量比较集中。由于气体保护没有焊渣而且采用明弧焊接，所以可进行全位置焊，容易实现机械化自动化；氩气比较贵，所以焊接成本高。3.氩弧焊的特点二、CO2气体保护焊利用焊丝作电极，用CO2作保护气，靠焊丝和焊件之间产生的电弧熔化工件与焊丝，熔池凝固后成为焊缝。1、焊接过程

CO2是保护气体，但有氧化性，要氧化金属，烧损合金元素，因此CO2焊不能用于焊接不锈钢和有色金属，但可以用来焊接低、中碳钢和低合金结构钢。焊丝要用合金钢H08Mn2SiA，通过Mn、Si脱氧和渗合金等合金处理。标准CO2焊丝H08Mn2SiA适用于焊接低、中碳钢和抗拉强度在600MPa以下的低合金高强度钢。2.CO2焊的特点

成本低。CO2气体价格很低，其成本是手工电弧焊或埋弧焊的40％～50％。生产率高。电流密度大，焊件的熔深大，焊丝熔化快，焊接速度也比较快。采用气体保护，不需要清除焊渣，生产率比手工电弧焊提高1～4倍。操作性能好。是明弧焊，焊接中可清楚地看到焊接过程，容易发现问题并及时调整处理。适合于各种位置的焊接。质量较好。由于电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，因而焊接热影响区较小，变形和产生裂纹的倾向性小。

CO2焊适于焊接厚度1mm以上的低、中碳钢和低合金结构钢。不适于焊接不锈钢和易氧化的有色金属。既可用于缝焊，还可用于点焊，在车辆、船舶生产中，CO2保护焊机器人正在发挥重要作用。3、CO2保护焊的应用自由电弧：电弧区内的气体尚未完全电离，能量也未