工学大学焊接

工学大学焊接第1页/共220页1焊接基础

1.1

焊接电弧

1.2焊接过程

1.3

焊接接头组织与性能第2页/共220页

一焊接电弧的产生：

(1)气体介质的电离（电离功）撞击电离、光电离、热电离

(2)金属的电子发射

（逸出功）光电发射、热发射、自发射、碰撞发射

焊接电弧：在电极与工件间气体介质中持久的、稳定的放电现象。

1.1焊接电弧

第3页/共220页第4页/共220页(3)电弧的产生过程

短路——空载——燃弧

短路：电极熔化

空载：电极表面产生热发射、自发射

燃弧：阴极发射的电子碰撞电离（与中性气体质点）

热电离（弧柱中心区的高温）

在热、光、碰撞作用下，加之强电场的作用，中性质点变成了电子和正离子，电子和正离子分别向两级运动，于是产生了电弧。第5页/共220页

二、焊接电弧的组成及特性（1）焊接电弧的组成：阴极区、阳极区、弧柱区1.阴极区

电位降Uk：Uk=Uj（气体介质电离势）长度：短10-5cm

电场强度：很大106V/cm，自发射斑点：与电极材料有关发出的热量：38%

温度：2200-3500K第6页/共220页2.阳极区

电压降：小，2.5V

长度：10-2cm–10-4cm

电场强度：小斑点：发出的热量：42%

温度：2600-4200K第7页/共220页3.弧柱区电压降：blh

长度：近似等于电弧长发出的热量：20％温度：5000-8000K

电弧的电压降：

Uh=Uk+Uz+Uy=a+blha=Uk+Uy

b：

lh:弧长第8页/共220页

（2）焊接电弧的静特性

静特性：在稳定状态下，

电流和电压之间的关系。

◆电流较小时，ab段◆正常焊接规范时，bc段◆电流较大时，cd段第9页/共220页

（3）电弧的稳定性

电弧——动负载。

电弧的稳定性：指电弧电压和焊接电流是否能保持相对稳定及在一定弧长下不偏吹、不熄灭。

影响因素：

1.焊接电源电源的种类空载电压电源极性

（正、反接）第10页/共220页

2.焊条药皮(Na,K等,氟化物)

3.气流

4.焊接处杂质（导电性、吸热）

5.电弧的磁偏吹

（焊条向偏吹的方向倾斜）第11页/共220页

1.2

焊接过程

CO,CO2,H2第12页/共220页

一、焊条和焊丝金属的熔化过渡

（一）金属熔滴上的作用力

作用：促进、阻碍熔滴过渡

1.熔滴的重力

2.气体的吹送力

3.表面张力

4.气体的压力

5.电磁力

6.带电质点的撞击力（极点压力)第13页/共220页

（二）熔滴的过渡形式

1.短路过渡

2.颗粒状过渡

3.射流过渡

第14页/共220页

▲冶金过程特点：（气、液、固相反应）

●

温度高：合金元素烧损

●

冷速大：化学成分不均匀；气孔、夹渣

▲措施：

●

造成有效的保护；

●渗合金，保证焊缝的化学成分；

●进行脱氧、脱硫和脱磷（锰铁、硅铁，生成复合氧化物熔渣）二、冶金过程第15页/共220页§1.3焊接接头组织与性能

一、焊接工件上温度的变化与分布

热循环热处理第16页/共220页

二、焊接接头的组织与性能

以低碳钢为例焊接接头：焊缝+热影响区

热影响区：(HAZ)

指焊缝两侧金属因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。

第17页/共220页

1.焊缝

焊缝的结晶组织：细铸造组织性能：一般不低于母材（渗合金）缺陷：焊缝中心区

2.焊接热影响区

区域温度组织性能熔合区液–

固铸态、过热强度、塑性、韧性↓

过热区固–A3(100/200)过热塑性、韧性↓

正火区A3100/200

–

A3细晶力学性能优于母材

部分相变区A3

–A1细晶P、粗晶F比正火区稍差

Ac3,Ar第18页/共220页三.改善焊接热影响区组织和性能的方法

焊接热影响区的大小和组织性能变化的程度,决定于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。

▲

选择焊接方法

▲选择焊接参数（电流、电压、焊接速度）

▲

热处理第19页/共220页2手工电弧焊2.1

手工电弧焊的接头形式与坡口准备2.2手工电弧焊焊接工艺2.3电焊条2.4手工电弧焊电源设备第20页/共220页

2手工电弧焊手工电弧焊(即焊条电弧焊)：

是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。手工电弧焊特点：

●可焊接各种焊缝；（室内、外，各种空间位置焊缝）

●设备简单，容易维护，焊钳小，使用灵便；

●可焊接各种金属材料.第21页/共220页

2.1.1

焊接接头形式一、对接接头

•

不开坡口

•

V形坡口

•X形坡口

•

U形坡口2.1

手工电弧焊的接头形式与坡口准备第22页/共220页二、T形接头•

连续填角焊缝•

间断填角焊缝全熔透、小焊脚填角焊(a)(b)、(c)、（d)第23页/共220页

三、角接接头第24页/共220页四、搭接接头和塞焊接头第25页/共220页2.1.2

坡口的清理、装配和定位焊一、坡口清理

•

按规定加工（尺寸、表面）

•

焊前清理

•

清理后及时焊接二、装配和定位焊

•

装配间隙、错边

•

定位焊第26页/共220页

2.2手工电弧焊焊接工艺2.2.1各种位置焊接一、平焊

●熔滴过渡

●焊缝成形

●焊接工艺：大电流粗焊条焊条前倾

第27页/共220页

二、横焊

●熔滴过渡：●焊缝成形：咬边、焊瘤、未焊透●焊接工艺：小电流、细焊条、焊条下倾15°，前倾70°

三、立焊

●熔滴过渡：

●焊缝成形：

●焊接工艺：小电流、细焊条、短弧、焊条下倾15°

第28页/共220页四、仰焊

●熔滴过渡：

●焊缝成形：

●焊接工艺：小电流、细焊条、短弧、焊条后倾80°五、角焊与船形角焊●熔滴过渡：

●焊缝成形：

●焊接工艺：平角焊、船形角焊第29页/共220页

2.2.2焊接工艺参数的选择一、焊条直径的选择焊条直径：焊芯直径影响：

◆焊接电流◆焊接质量选择依据：据板厚。多层焊、平焊、角焊第30页/共220页

二、焊接电流的选择

电流↑→效率、飞溅、药皮开裂，脱落、烧损↑电流↓→效率↓、引弧难、未焊透↑选择依据：据焊条直径、焊接位置、板厚◆碱性焊条用电流：为酸性的90％◆立焊、横焊用电流：比平焊小10~15％◆仰焊用电流：比平焊小5~10％第31页/共220页

三、电弧电压的选择电弧↑→电弧电压↑

不作规定

◆V形坡口或角焊缝第一层焊道

◆间隙小的焊缝

◆碱性焊条四、电源极性

◆酸性焊条→交、直流两用

◆碱性焊条→直流反接

◆厚板→直流正接（发热量）>短弧第32页/共220页

五、焊接速度的选择

过快→焊缝凹陷、咬边过慢→烧穿、溢满六、焊条倾角的选择

通常前倾

65°

~80°

前倾角焊时，电弧把熔化的金属吹向熔池后端，使电弧深入母材，增大熔深，熔宽减少。第33页/共220页

2.3电焊条

2.3.1电焊条的组成组成：焊芯+药皮(涂料)焊芯的作用：导电和填充金属药皮的作用：

●保证焊接顺利进行（电弧稳定燃烧）；

●防止空气对熔化金属的有害作用；

●保证焊缝的化学成分和力学性能。

第34页/共220页

一、焊芯

焊芯(埋弧焊时为焊丝)是组成焊缝金属的主要材料。

▲成分

：符合国标（如表）

◆具有较低的含碳量和一定的含锰量,含硅量

◆控制较严,硫、磷含量则应低。

▲直径：即为焊条直径（1.6~8mm)(3.2

~5mm)第35页/共220页第36页/共220页

二、药皮

成分与作用：如表第37页/共220页

2.3.2焊条的分类和牌号一、焊条的分类

1.按用途分类十大类。（按国标和原机械部标准）表2-4.

结构钢焊条－－碳钢、低合金钢焊条第38页/共220页第39页/共220页2.按药皮主要成分分类表2-5.第40页/共220页

3.按熔渣酸碱度分类

◊

酸性焊条：

酸性氧化物>碱性氧化物◊碱性焊条（低氢型）：碱性氧化物>酸性氧化物

▲酸碱性焊条比较：

酸性焊条

碱性焊条

保护气体H2、CO,H2占50%H2、CO、CO2,H2<5%

工艺各种电源、电弧稳定直流反接、电弧不稳焊缝性能塑、韧性差，裂纹塑、韧性好，抗冲击应用一般件重要结构件第41页/共220页

二、电焊条型（牌）号

据熔敷金属的抗拉强度、焊接位置、药皮类型和焊接电流种类划分。

国家标准1.碳钢焊条型号（GB/T5117-95)

表示焊条适合全位置焊E43

11

表示焊条药皮为高纤维素钾型，采用交流或直流反接表示熔敷金属抗拉强度最小值（420MPa)

表示焊条第42页/共220页

2.低合金钢焊条型号（GB/T5118-95)

表示焊条适合全位置焊E60

18-A1

表示熔敷金属化学成分的分类代号表示焊条药皮为铁粉低氢型，采用交流或直流反接表示熔敷金属抗拉强度最小值（590MPa)

表示焊条第43页/共220页

三、焊条的选用1.根据母材的物理、力学性能和化学成分

◆低、中碳钢和低合金钢，按母材与焊条等强匹配选择。

◆异种材料焊接时，采用相应焊条或过渡层。

◆母材中C,S,P等杂质高时，选用抗裂性、抗气孔的焊条

◆焊缝性能要求高，选用碱性焊条

2.根据工作条件和使用要求3.根据焊接结构的特点4.根据焊接施工场地和设备情况5.根据劳动条件和生产效益第44页/共220页

2.4手工电弧焊电源设备

2.4.1对弧焊电源的要求一、一定的空载电压空载电压↓→引弧难空载电压↑→设备功率大、能耗大

要求：交流手工电弧焊电源：U0=55V-70V

直流手工电弧焊电源：U0=45V-70V

>合适第45页/共220页二、下降的外特性电源的外特性：一定的电源，改变负载，电压与电流之间的关系。一般负载对电源的要求：

平的外特性电弧负载对电源的要求：

下降的外特性（缓降）第46页/共220页

三、电源的调节性能（调外特性）

四、良好的电源动特性

2.4.2手工电弧焊机种类

●弧焊变压器

●直流弧焊发电机

●硅弧焊整流器

●弧焊逆变器

第47页/共220页3埋弧焊

3.1埋弧焊的焊缝形成过程

3.2埋弧焊的焊接工艺

3.3埋弧焊焊接材料

3.4埋弧焊设备第48页/共220页

3埋弧焊埋弧焊：焊剂层下焊接。

3.1埋弧焊的焊缝形成过程

3.1.1焊缝的形成◆气泡◆电弧(弧柱倾斜)◆能量第49页/共220页

埋弧焊的特点

(1)生产率高

Ih>1000A,比焊条电弧焊高6～8倍,同时节省了更换焊条的时间,所以比焊条电弧焊提高生产率5～10倍。

(2)焊接质量高而且稳定电弧区保护严密,

熔池保持液态时间较长焊接参数能自动控制调整。

(3)节省金属材料熔深大,20～25mm以下的工件可不开坡口,

没有焊条头的浪费,飞溅很小

(4)改善了劳动条件

应用：常用来焊接长的直线焊缝和较大直径的环形焊缝。

第50页/共220页

3.1.2基本金属的熔化和焊丝金属的过渡一、基本金属的熔化

●火口：埋弧焊焊接熔池前部因电弧的作用而形成的深洼。

●熔深↑→火口深↑

●造成火口的力：电弧压力、电弧吹力等。平衡－－与液态金属及熔化的焊剂压力

●焊接电流↑→电弧压力↑→熔深↑

●电弧的活动性↑→熔宽↑游荡现象第51页/共220页

二、电极金属（焊丝）向熔池的过渡◆熔滴起泡：焊丝端液态金属脱氧，

FeO+C=Fe+CO

生成CO时体积膨胀◆熔滴过渡的力：电磁力重力电弧压力（P’-弧柱倾斜,P”）第52页/共220页

3.1.3各种焊接条件下焊缝成形特征

焊缝成形取决于：电弧压力、液态金属压力、液态金属和焊剂的流动、弧柱活动性一、在倾斜面上焊接

◆下坡焊：熔深↓、熔宽↑

◆上坡焊：熔深↑、熔宽↓

第53页/共220页环形焊缝的焊接如图。下坡焊。第54页/共220页

二、倾斜电极焊接◆后倾焊：图(a)左、(b,c)

类似上坡焊倾角↑→熔深↑熔宽↓◆前倾焊：类似下坡焊倾角↑→熔深↓熔宽↑

第55页/共220页三、高速焊接四、三相电弧焊接五、分离电弧焊接第56页/共220页

3.2埋弧焊焊接工艺

第57页/共220页3.2.1焊缝的形状和焊接规范对焊缝成形

的影响一、焊缝的形状成形系数：φ=B/H0.5-10

适宜的：1.3－2

二、焊接规范对焊缝成形的影响第58页/共220页第59页/共220页

3.2.2单面焊缝焊接技术

板材厚度在20mm以下，通常以单面焊缝形式焊接。一、焊前准备

•

边缘加工与清理：坡口、除锈、油、水等

•

钢板的装配：错位、间隙、引弧板、熄弧板（150mm)

•

装配间隙：第60页/共220页二、焊剂垫上单面焊(RF法)焊剂垫的作用：从下方托住待焊板的焊缝处，防止焊接熔池中的熔化金属流出。焊剂的承托力：第61页/共220页

三、垫板上的单面焊•

焊剂铜垫板上焊接(FCB法)：•

钢垫板焊接：10mm以下薄板•

锁口焊接：环焊缝第62页/共220页

四、柔性焊剂垫上焊接

五、强制成形焊接第63页/共220页

3.3埋弧焊焊接材料埋弧焊焊接材料：焊丝、焊剂

3.3.1焊丝

◆焊丝的作用：导电；填充金属。

◆焊丝的成分：碳素结构钢：GB/T3429-94

合金结构钢：GB/T14957-95

第64页/共220页

3.3.2焊剂

一、焊剂的作用

相当于电焊条的药皮。稳弧、保护、参加冶金反应。二、焊剂分类

◆

按用途分：埋弧焊剂、堆焊焊剂、电渣焊焊剂

◆

按焊接材料分：低碳钢用、低合金钢用、高合金钢用、铜及铜合金用、钛及钛合金用等。

◆

按制造方法分：熔炼型、粘结（陶质）、烧结

◆

按化学成分分：SiO2

硅（高、中、低、无）

MnO锰

CaF氟第65页/共220页

◆按焊剂渣系分：MnO-SiO2系、CaO-SiO2系等。

◆按化学性质分：焊剂的碱度：(IIW)

▲酸性焊剂：B<1.0

▲中性焊剂：B=1.0-1.5

▲碱性焊剂：B>1.5第66页/共220页三、焊剂型号

GB12470-90，表3-2、3-3、3-4。第67页/共220页

3.4埋弧焊设备根据送丝原理和控制方法保证电弧电压与电流的稳定。一、等速送丝

电弧静特性是上升的－－尽可能采用平外特性电源。二、变速送丝电弧静特性是平的－－尽可能采用下降外特性电源。第68页/共220页

第2、3章复习题：电焊条的药皮起什么作用？为什么药皮成分中一般都有锰铁？在埋弧焊中，用什么代替药皮的作用？低氢型焊条因何得名，用低氢型焊条焊接时，一般采用何种电源？焊条的选用原则是什么？手工焊电源一般需要怎样的外特性？埋弧焊时，电源的外特性又有何要求？第69页/共220页5、如下图所示用埋弧焊焊大直径环缝时，为什么焊丝和焊件中心线要偏离一定距离a？如果焊丝在焊件中心线的右侧偏离而不是左侧，焊接效果相同吗？为什么？第70页/共220页4.其它焊接方法

4.1氩弧焊

4.2CO2气体保护焊

4.3电渣焊

4.4电子束焊

4.5爆炸焊接

4.6电阻焊

4.7钎焊第71页/共220页

4.其它焊接方法

4.1氩弧焊▲氩弧焊：以氩气作为保护气体的电弧焊。▲氩气：纯度应大于99.7%▲氩弧焊特点:

(1)

适于焊接各类合金钢、易氧化的非铁金属及锆、钽、钼等稀有金属材料。

(2)

氩弧焊电弧稳定,飞溅小,焊缝致密,表面没有熔渣,成形美观。

(3)

电弧和熔池区受气流保护,明弧可见,便于操作,

容易实现全位置自动焊接。

(4)

电弧在气流压缩下燃烧,热量集中,熔池较小,焊接速度较快,焊接热影响区较窄,因而工件焊后变形小。第72页/共220页

4.1.1钨极氩弧焊(TIG)

钨极氩弧焊：如图。一、电极材料

要求：耐高温电子发射能力强

材料：钨(W)(3500C)(电子发射逸出功高）钍钨(WTh)

铈钨(WCe)

第73页/共220页

二、钨极氩弧焊的电弧特点▲

直流钨极氩弧焊：直流正接时，钨极发射电子有冷却作用，允许的电流大反接时，允许的电流小

通常，采用直流反接极焊接。

“阴极清除”：正离子撞击阴极，清除工件上氧化膜▲

交流钨极氩弧焊：

通常，焊接铝及合金时，采用交流电源。第74页/共220页

三、氩弧焊的引弧▲引弧特点：

•氩弧引弧困难

(氩气的电离势高)；

•交流焊过零点时，须重新引弧；

•不允许采用接触法▲引弧：•高频振荡器

•脉冲引弧器第75页/共220页四、钨极氩弧焊机

▲直流钨极氩弧焊机：外特性：垂直下降；空载电压：>70V

正接：焊接不锈钢、耐热钢、钛及合金、铜及合金薄板反接：焊接铝、镁及其合金薄板

▲交流钨极氩弧焊机：焊接铝、镁及其合金薄板

▲方波交流焊机：电弧稳定，兼有交、直流焊接特点。第76页/共220页4.1.2熔化极氩弧焊(MIG)◆焊接过程：如图◆熔化极气体保护焊分类：第77页/共220页

一、冶金特点◆合金元素蒸发一般不氧化合金（沸点低、液态金属中饱和蒸气压高）易蒸发第78页/共220页◆氩气纯度的影响氩气中若含有氧、氮、水等杂质，焊接时会发生如下反应：

2H2O=2H2+O24Al+3O2=2Al2O34Fe+3O2=2Fe2O3

焊接缺陷：合金元素烧损、夹渣、气孔等第79页/共220页

二、焊接工艺因素

焊接电流电弧电压焊接速度三、熔化极氩弧焊机

半自动熔化极氩弧焊机焊铝及合金、不锈钢自动熔化极氩弧焊机焊铝及合金、铜及合金自动熔化极脉冲氩弧焊机薄板焊铝及合金、>

熔滴过渡、熔池结晶

第80页/共220页4.1.3脉冲氩弧焊一、钨极脉冲氩弧焊直流：用于焊接钢、耐热合金交流：用于焊接铝合金及轻金属二、工艺参数的选择频率：低（0.1-10)Hz、中(10-500)Hz、高(1-20)kHz

焊缝结晶频率、电弧挺度

电流：强规范：峰值电流高、基值电流低、脉冲持续时间短弱规范：峰值电流低、基值电流高、脉冲持续时间长

脉冲电流波形：第81页/共220页

4.2CO2气体保护焊

一、CO2气体保护焊优点

◆

成本低廉

◆

效率高

◆

明弧、气体保护

◆

不易产生冷裂纹二、CO2气体保护焊缺点◆飞溅

◆保护限制

◆设备较手工焊复杂第82页/共220页

4.2.1电弧和熔滴过渡的特点

CO2

气体保护焊◆焊接过程：如图。◆电弧：收缩◆熔滴受的力：

重力金属斑点蒸汽力电磁力带点质点的撞击力第83页/共220页

一、短路过渡◆短路过渡：如图。

•

细丝（0.8-1.2)mm焊接时。

•

电流：<250A

•

问题：飞溅、焊缝成型

◆解决措施：

•

短路峰值电流

•

送丝均匀

•

防止瞬时短路

第84页/共220页

二、射流过渡

•粗丝(1.6-3.2)焊接时。

三、电弧特点

•

细丝焊接时，小电流短路过渡，电弧电压>16V。

•

粗丝焊接时，大电流，射流过渡，过大电流，电弧形状改变。第85页/共220页

4.2.2冶金特点

一、CO2气体的氧化性

CO2==CO+1/2O2

Fe(液)+CO2(气)=FeO(液)+CO(液)(进入大气)Fe(液)+O(液)=FeO(液)FeO(液)+C(液)=Fe(液)+CO(液)(进入大气)二、焊接缺陷

•元素烧损

•飞溅CO造成熔池沸腾

•气孔：CO、H、N三、措施

脱氧：焊丝中加入锰、硅；减少碳含量。高温第86页/共220页

4.2.3焊接材料一、实芯焊丝

为防止气孔、飞溅等，需选用含硅、锰等的焊丝。

◆焊丝的化学成分、力学性能：如下表。二、药芯焊丝

◆药芯焊丝的种类及特性：

•

“O”形(管状)：

•折叠焊丝：第87页/共220页第88页/共220页

◆药芯焊丝型号：型号：焊丝代号＋焊缝力学性能第89页/共220页第90页/共220页

4.2.4焊接工艺

一、焊炬位置◆焊炬角度左焊法右焊法◆焊炬高度距离大保护不好距离小飞溅粘附喷嘴

第91页/共220页

二、焊接规范◆焊接电流：通过送丝速度进行调节。与焊丝直径、熔滴过渡形式有关。◆电弧电压：对焊缝形状的影响。◆焊接速度：对焊缝形状的影响。第92页/共220页

4.2.5焊接设备CO2焊机：弧焊电源、控制系统、CO2气路系统、送丝机构、焊炬、焊接小车、水冷系统等。对电源外特性要求：

◆电弧静特性：上升段。

◆焊丝直径<1.6mm，电源外特性选平的、缓升、降的；等速送丝

>2.0mm，电源外特性选下降的

变速送丝（电压反馈控制送丝）第93页/共220页

4.3

等离子弧焊接与切割

等离子弧：电弧区内的气体完全电离的电弧。

温度高达16000K以上

等离子弧的产生：如图。机械压缩效应热压缩效应电磁压缩效应

→等离子弧弧柱细能量集中第94页/共220页等离子弧切割：切割效率比氧气切割高1～3倍,

可切割不锈钢、铜、铝及其合金、难熔的金属和非金属材料。等离子弧焊接：一种具有压缩效应的钨极氩弧焊

微束等离子弧焊：焊0.025~2.5mm箔材、薄板

大电流：焊>2.5mm特点：除氩弧焊特点外，

①能量集中、温度高、穿透力强；变形小、生产率高②电弧稳定性好，焊箔材应用：第95页/共220页

4.4电渣焊

4.4.1电渣焊的原理和特点◆电渣焊原理：

利用电流通过熔化焊剂（熔渣）产生的电阻热作热源进行焊接。◆特点：

效率高成本低焊缝质量好晶粒粗大

第96页/共220页

目前使用的电渣焊：丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊

第97页/共220页特点：

(1)可一次焊接很厚的工件，铸焊、锻焊组合结构

(2)生产率高,成本低

(3)焊缝金属比较纯净

(4)焊接应力小、热影响区大、晶粒粗大焊接工艺：焊前：清理端面、加工侧面形“П马”焊接：引弧板、引入板、引出板焊后：切掉“马”、热处理应用：大型设备第98页/共220页

4.4.2电渣焊热过程一、电渣焊的热过程

◆热量发生及分布特点

高温锥体

◆母材金属及电极熔化特点电极与母材的熔化比例：

10-70%

（调节规范）

◆母材加热和冷却速度缓慢

第99页/共220页二、焊接规范及工艺因素的影响

•

焊接电流•

送丝速度•

焊接电压•

渣池深度•

焊丝直径•

焊丝干伸长•

焊丝的摆动速度•

焊剂的性能•

装配间隙熔宽、焊接过程第100页/共220页

三、丝极电渣焊规范的选择◆焊丝选择：直径：3mm焊丝干伸长：60-80mm

摆动速度：30-40m/h焊丝根数：◆装配间隙：25-35mm◆熔宽：2-5mm◆渣池深度：与焊剂导电性、送丝速度、板厚等有关。◆焊接电压与送丝速度：

第101页/共220页

4.4.3焊接材料与设备一、电渣焊焊剂的作用

热作用机械保护冶金作用二、对电渣焊焊剂的要求

保证电渣过程迅速建立：一定的导电率熔渣有一定的粘度熔渣有适当的表面张力第102页/共220页三、我国常用电渣焊焊剂熔炼型第103页/共220页

四、焊丝与焊剂的配用

碳素钢焊接：焊剂：HJ360或HJ170

焊丝：H08,H08A,H08MnA,H08MnSi,H08Mn2Si

低合金钢焊接：焊剂：HJ360,HJ252,HJ171

焊丝：H08Mn2Si,H12Mn2Cr,H08CrMoV,H08CrNi2Mo,H04Cr2MoA,H08CrMn2SiMo

中合金钢焊接：焊剂：焊丝：五、电渣焊设备第104页/共220页

4.5电子束焊

电子束焊：将发射极（钨阴极）加热至2000C左右，利用电子枪产生高能强流电子束轰击焊件接缝使之熔化的一种熔化焊方法.电子枪：由加热灯丝、阴极、

阳极及聚集装置等组成电子束：能量密度106~108W/cm2

比普通电弧大1000倍

工件熔化或汽化第105页/共220页

可焊接的接头型式:第106页/共220页电子束焊特点：

焊接质量高：不氧化或氮化、无缺陷（弧坑、气孔、夹渣）

热源能量高度集中：焊缝深而窄、可焊任何难熔合金。

不开坡口、一次焊成精度高:

准确控制焊接参数、变形小、热影响小

设备复杂接头型式、焊件尺寸受限要求良好的焊前准备工件的夹具要求为非磁性材料第107页/共220页

电子束焊接方法：

高真空电子束焊0.013-0.00133Pa

低真空电子束焊非真空电子束焊第108页/共220页

4.6爆炸焊接

爆炸焊：利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，实现连接焊件的一种压力焊方法。

4.6.1

爆炸焊原理及应用一、爆炸焊原理

焊接过程：如图。

能量：爆轰波、爆炸产物能量

冲击力→复板与基板高速撞击→塑变→紧密接触

热效应→金属流体→喷射→清洁表面（表面膜破裂）第109页/共220页第110页/共220页

二、爆炸焊应用

特点与要求：

•可连接同种或异种金属

•对合金强化所需的冷加工、弥散或沉淀效应均无明显影响

•快速焊接、操作方便、安全

•设备简单

•被焊金属须有足够的韧性和抗冲击能力

应用范围：

•特殊要求的复合板材。

•基板：厚度无限制复板：0.03-50.8mm

•焊件尺寸：<9mm2第111页/共220页

4.6.2工艺参数

一、碰撞速度

爆轰速度基覆板间角度

一般，爆轰速度应不超过被焊材料内部声速的120％

爆炸焊的形式：

•平行式：

Vp<Vs

•倾斜式：

Vp≥Vs>→碰撞速度Vp

第112页/共220页

二、覆板与基板的间距

被焊材料的体密度、冲击速度（炸药、覆板厚度）

4.6.3爆炸焊后工作

初步检查消除应力矫平切割和修边无损探伤破坏性检查第113页/共220页

4.7

电阻焊电阻焊:

利用电流通过焊件及其接触处所产生的电阻热,

将焊件局部加热到塑性状态,然后在压力下形成焊接接头的焊接方法。特点：生产率高焊接变形小不需另加焊接材料操作简便、劳动条件好设备复杂、耗电量大（电流几千到几万安培）适用的接头形式、板厚受到限制形式：点焊、缝焊、对焊

第114页/共220页一、点焊点焊：利用柱状电极加压通电,在搭接工件接触面之间焊成一个个焊点的焊接方法

过程：分流：影响点焊质量的因素：●

焊接电流

●通电时间

●

电极压力

●

工件表面清理情况

硬、软规范

大小合适第115页/共220页接头形式：搭接应用：<4mm的薄板、冲压结构及线材第116页/共220页

二、缝焊

缝焊：用旋转的圆盘状滚动电极代替了柱状电极。

过程：

焊点：相互重叠50%以上

分流：要求大电流

应用：用于制造要求密封性的、板厚<3mm薄壁结构，如油箱、小型容器和管道。第117页/共220页三、对焊对焊：利用电阻热使两个工件在整个接触面上焊接起来的一种方法,如图4-27所示。方法：电阻对焊和闪光对焊。

第118页/共220页电阻对焊

焊接过程：

工件装夹

——→

工件端面接触、压紧

——→

工件加热（塑性）

——→焊接

特点：操作简单、接头光滑。焊接清理严格。端面易氧化，质量不保证。

应用：焊接截面形状简单、直径（或边长）

<20mm和强度要求不高的工件。

预压力通电顶锻力、断电第119页/共220页(2)闪光对焊

过程：工件接触

通电接触点金属熔化爆破闪光（火花）保持闪光端面熔化顶锻力、断电焊接特点：接头中夹渣少,质量好,强度高；

金属损耗大，接头不光滑。应用：重要工件的焊接。可焊相同金属件,也可焊接一些异种金属(铝-铜、铝-钢等)。被焊工件直径可小到0.01mm的金属丝,也可焊断面大到

20000mm2的金属棒和型材。第120页/共220页

不论哪种对焊，焊件断面应尽量相同，圆棒直径、方钢边长和管子壁厚之差均不应超过15%。对焊主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条等的焊接。

第121页/共220页

4.8钎焊钎焊：利用熔点比焊件低的钎料作为填充金属,加热时钎料熔化而将焊件连结起来的焊接方法。钎焊的过程：

钎焊分类：据钎料熔点，一、硬钎焊

钎料熔点在450℃以上,接头强度在200MPa以上。钎料：铜基、银基和镍基钎料等。

应用：用于受力较大的钢铁和铜合金构件的焊接以及工具、刀具的焊接。

第122页/共220页

二、软钎焊

钎料熔点在450℃以下,接头强度不超过70MPa。

常用的钎料：锡铅合金（低于230℃）,通称锡焊。

应用：广泛用于焊接受力不大的常温下工作的仪表、导电元件以及钢铁、铜及铜合金等制造的构件。

第123页/共220页▲接头形式：采用板料搭接和套件镶接◆有较大的钎接面,以弥补钎料强度低的不足,保证接头有一定的承载能力。

◆接头之间应有良好的配合和适当的间隙。0.05–0.2mm.

第124页/共220页▲熔剂（钎剂）

作用:

●清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质,

●改善钎料流入间隙的性能(即湿润性),

●保护钎料及焊件不被氧化。

软钎焊的钎剂:松香或氯化锌溶液。

硬钎焊的钎剂:硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等。第125页/共220页▲特点：

●

接头组织和力学性能变化小，变形小。

●接头光滑平整，工件尺寸精确。

●

可焊异种、厚度差大的金属。

●可同时焊多条焊缝，生产率高

●设备简单▲应用：用于制造精密仪表、电气件、异种金属件及复杂薄板结构第126页/共220页

第4章复习题1.

氩弧焊方法有几种类型？焊接铝及其合金时，一般采用哪种电源极性？2.氩弧焊和CO2气体保护焊相比较有何异同？指出两种方法的应用范围。

3.CO2气体保护焊焊接时易出现的焊接缺陷有哪些？通常采取什么措施？4.

简述爆炸焊、电子束焊、电渣焊的焊接过程。

第127页/共220页5金属材料的焊接

5.1

金属性的可焊性及试验方法

5.2合金结构钢的焊接

5.3碳钢的焊接

5.4铝及铝合金的焊接第128页/共220页

5金属材料的焊接

5.1

金属的可焊性及试验方法

5.1.1金属的可焊性

可焊性:

指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、

工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

两个方面:

◆工艺焊接性产生工艺缺陷的倾向,尤其是出现各种裂纹的可能性；

◆使用焊接性指焊接接头的力学性能及其它特殊性能(如耐热、耐蚀性能等)。

第129页/共220页

5.1.2可焊性的评定方法

可焊性可通过估算和试验方法来确定。一、常用的可焊性估算方法

◆碳当量法：

碳当量↑→塑性↓、钢材淬硬倾向↑→焊接性↓

▲碳当量<0.25%时,焊接性良好。

▲碳当量=0.25%～0.45%时,焊接性能相对较差。

▲碳当量>0.45%时,焊接性不好。第130页/共220页◆裂纹敏感系数与裂纹敏感指数：日本人

•合金元素的裂纹敏感系数(Pcm)：

•裂纹敏感指数：式中，[H]-扩散氢含量（ml/100g)(GB3965-83或日本JIS甘油法)h-板厚(mm)R-拘束度(N/mm2)

•预热温度：

T=1440Pc–392(℃)Pc(Pw)<Pcr第131页/共220页

二、常用的可焊性试验方法

◆

Y型坡口裂纹试验

小铁研抗裂试验——评价热影响区冷裂纹倾向

试验条件：苛刻（焊接规范、重复试验、裂纹检查（24h后））

裂纹检查：

评估标准：裂纹率<20%,实际结构中不致发生裂纹第132页/共220页◆

菲斯柯裂纹试验(FISCO)

——评价热影响区热裂纹倾向

试件及装配图：裂纹率：第133页/共220页◆

插销试验

——评价冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂倾向试验原理及试件：第134页/共220页◆

Z向拉伸试验

——评价层状撕裂敏感性

拉伸试样：

焊接：高匹配；

保证焊缝无缺陷

试验结果：

Z向断面收缩率（φ）

>25%，不易产生层状撕裂

第135页/共220页

三、焊接接头使用性能试验

◆

塑性试验

▲纵向焊道弯曲试验

试件及试验示意图：

断口：纤维状

—塑性断裂结晶状

—脆性断裂

▲热影响区硬度试验第136页/共220页◆

韧性试验▲落锤试验—

测无塑性转变温度(NDT)

▲尼伯林克(Niblink)试验—

测缺口尖端的残余张开位移(COD)第137页/共220页

5.2合金结构钢的焊接

典型用钢：

第138页/共220页

5.2.1合金结构钢的焊接问题

一、热影响区的淬硬问题

•

强度级别↑→碳、合金元素含量↑→淬硬倾向↑

•HAZ过热区t8/5

→淬硬倾向↑

用热影响区的最高硬度来衡量淬硬程度的高低

二、焊接接头的裂纹问题

◆热裂纹：

形成：焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区间产生的焊接裂纹即热裂纹。又称结晶裂纹。

第139页/共220页产生部位：焊缝(90%)和热影响区(10%)

特征：断口呈蓝黑色，即金属在高温被氧化的颜色。裂纹总是产生在焊缝正中心或垂直于焊缝鱼鳞波纹。第140页/共220页产生的焊缝：杂质含量较多的钢、单相奥氏体钢、镍基合金、铝合金、钼合金等的焊缝金属中。促使形成热裂纹的因素有：

1.焊缝金属的化学成分：C、S、P、Mn2.焊缝横截面形状：熔宽、熔深

3.焊接应力防止产生热裂纹的方法：

1、控制焊缝金属中有害杂质的含量

2、预热.能减小焊接熔池的冷却速度，降低焊接应力。

3、采用碱性焊条和焊剂

4、适当调整焊接工艺参数：细丝、小电流

5、采用收弧板;焊接终了断弧时，由于弧坑冷却速度较快，常因偏析而在弧坑处形成热裂纹，即所谓的弧坑裂纹。第141页/共220页

◆冷裂纹形成：焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。

特征：延迟产生的接头：主要发生在中碳钢、高碳钢、低合金或中合金高强钢、及钛合金的焊接接头中。产生部位：焊缝(10%)和热影响区(90%)第142页/共220页分类：根据冷裂纹产生的部位，可将冷裂纹分为如下三种。焊道下裂纹：在靠近堆焊焊道的热影响区内所形成的焊接冷裂纹。其走向常与熔合线平行，但也有时垂直于熔合线。焊趾裂纹：沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷裂纹。其走向常与焊缝纵向平等，由焊趾的表面开始，向母材的深处延伸。焊根裂纹：沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹。其走向从焊缝根部开始，伸向热影响区或焊缝中。第143页/共220页形成冷裂纹的三大因素：①钢种的淬硬倾向②焊接接头的含氢量③结构的焊接应力产生机理：氢在金属中，溶解→扩散（聚集）→微裂纹→扩展→宏观裂纹防止产生冷裂纹的方法：1、控制焊缝金属的含氢量：采用碱性低氢型焊条和焊剂、烘干、焊前2、预热3、后热（消氢处理）：150～250℃、300～400℃4、采用较大的焊接线能量：减慢接头的冷却速度。（注意过热）5、采用奥氏体不锈钢焊条：

（奥氏体塑性好、溶氢多）第144页/共220页◆液化裂纹（一种热裂纹）

形成：由于焊接时的高温使近缝区晶间液化，加之随后冷却所出现的焊接应力的作用而引起沿晶开裂。

易产生的母材：含杂质量（如S、P和Si等）偏高的低强钢。

◆再热裂纹形成：焊后焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的裂纹称为再热裂纹。

产生部位：再热裂纹通常发生在熔合线附近的粗晶区中，从焊趾部位开始，延向细晶区停止。易产生的母材：钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素会促使形成再热裂纹，◆层状撕裂大型厚板结构件，特别是T型接头，角焊缝处，由于母材轧制时产生的层状偏析（主要是MnS）、各向异性等缺陷，在热影响区或在远离焊缝的母材中产生与钢板表面成梯形平行的裂纹，叫层状撕裂。第145页/共220页三、热影响区的性能变化问题

◆过热区脆化

原因：过热区组织：魏氏体、高碳马氏体、中间相碳化物混合组织、M-A组元等

影响因素：高温停留时间、焊接线能量、钢材

◆热应变脆化

原因：焊接过程中，在热和应变同时作用下产生的一种动态应变时效，由固溶氮引起的。◆热影响区软化

调质钢焊接时热影响区软化

第146页/共220页5.2.2热轧及正火钢的焊接

一、热轧及正火钢的可焊性分析

热裂纹：

热轧钢中

C↓、Mn↑、Mn/S↑→

热裂纹↓

冷裂纹：

钢材强度级别↑→含金元素含量↑→碳当量↑

→淬硬倾向↑→冷裂纹↑

再热裂纹：

C-Mn,Mn-Si系热轧钢中，强碳化物形成元素↓→

再热裂纹↓(16Mn)14MnVTiXtC→

再热裂纹↓

14MnMoV→

再热裂纹↑第147页/共220页

层状撕裂：

由于Z向拘束，板厚大于16mm时，可能产生。

热影响区的性能变化：

过热区脆化

C-Mn,Mn-Si系热轧钢，固溶强化→热敏感性↓

热应变脆化小二、热轧及正火钢的焊接工艺

焊接材料的选用：

考虑：机械性能：等强匹配

熔合比和冷速：决定焊缝化学成分与组织

焊后热处理：是否进行常用的焊接材料：见下表。

第148页/共220页第149页/共220页

焊接工艺参数的确定：

焊接线能量的确定：

取决于过热区的脆化与冷裂。

•

09Mn2,16Mn:脆化与冷裂小→线能量小

•含V,Nb,Ti钢→线能量小

•含碳、合金元素高的正火钢→线能量大

预热温度的确定：

•

目的:防止裂纹、改善焊缝性能

•

因素:材料、含氢量、冷速（环境温度、板厚）、结构的拘束度

•

几种钢材的预热温度和焊后热处理规范：见下表。第150页/共220页第151页/共220页

5.2.3低碳调质钢的焊接

一、低碳调质钢的可焊性分析

热裂纹：钢中S,P低，Mn高，裂纹倾向小热影响区的液化裂纹：出现在高Ni、低Mn的钢中冷裂纹：形成低碳马氏体，“自回火”，缓冷，冷裂倾向小再热裂纹：因加入Cr,