常用金属材料焊接及焊接结构设计

常用金属材料焊接及焊接结构设计第一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六一、金属材料的焊接性1、焊接性：在一定的焊接工艺条件(焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式等)下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包括两个方面的内容：

1）接合性能：即在给定的焊接工艺条件下，对产生焊接缺陷的敏感性，尤其是对产生裂纹的敏感性

2）使用性能：即在给定的焊接工艺条件下，焊接接头对使用要求的适应性、可靠性。第二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六2、焊接性的评定在焊接结构中最常用的金属材料是钢材。影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。碳当量：将钢中合金元素的含量按其对焊接性的影响程度换算成碳的相当含量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。式中各元素的含量都取其成分范围的上限。第三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六

当ωCE＜0.4%时，焊接性优良，焊前一般不需预热；当ωCE＝0.4~0.6%时，焊接性较差，需要预热、缓冷；当ωCE＞0.6%时．焊接性很差，需要严格的工艺措施。第四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六利用碳当量法估算钢材焊接性是粗略的，因为钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因素的影响。在实际生产中，金属材料的焊接性除了按碳当量进行估算外，还需根据实际情况进行抗裂性实验，并配合进行接头使用性能试验，以制定正确的焊接工艺。第五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六二、碳钢及低合金钢的焊接1、低碳钢的焊接低碳钢含碳量＜0.25％，其塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，焊接性好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需进行热处理。2、中、高碳钢的焊接因含碳量较高，焊接接头易产生淬硬组织和冷裂纹，焊接性较差。焊接这类钢常选用手弧焊，焊前应预热，焊件选用抗裂性能好的低氢型焊条，焊时，采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，尽量防止母材金属过多地熔入焊缝。焊后缓冷，防止产生冷裂。第六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六3、低合金结构钢的焊接低合金结构钢的含碳量均属于低碳钢范围，但由于其它化学成分不同，故焊接性有明显差别。强度等级在300~400MPa的低合金结构钢，塑性和韧性好，碳当量ωCE＜0.40%，焊接性良好。常用的方法是手弧焊和埋弧自动焊，通常不需采取特殊工艺措施。强度等级＞450MPa的低合金结构钢，碳当量ωCE＞0.40%，焊接性较差。焊前一般需预热(预热温度＞150℃)。焊接时，应调整焊接规范来严格控制热影响区的冷却速度，焊后应及时进行热处理以消除应力。第七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六

三、高合金不锈钢的焊接

高合金不锈钢中应用最广泛的是奥氏体耐蚀钢(如18—8型铬镍奥氏体不锈钢)。焊接性能良好。焊接时，一般不需要采取特殊的工艺措施。

手弧焊时，选用与母材化学成分相同的焊条；氩弧焊和埋弧自动焊时，选用的焊丝应保证焊缝化学成分与母材相同。焊接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀和热裂纹。第八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六四、铸铁的焊接

铸铁含碳量高，焊接性很差，所以铸铁焊接只用于修补铸件缺陷。焊接铸铁的主要问题是易出现白口组织和裂纹。

(1)热焊焊前将焊件整体或局部预热到500一700℃，焊补过程中温度不低于400℃，焊后缓冷，从而防止白口组织和裂纹的产生。热焊焊补质量较好，但工艺复杂，生产率低、劳动条件差。一般仅用于焊后要求机械加工的铸铁件。如机床导轨、汽缸体等。

(2)冷焊焊前对焊件不预热或预热温度较低(400℃以下)。冷焊比热焊生产率高，成本低，劳动条件好，但焊补质量有时不易保证。焊接时应尽量用小电流、分段焊，短弧焊等工艺，焊后立即轻轻锤击焊缝，以减少焊接应力，防止产生裂纹。第九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六五、非铁金属及其合金的焊接1、铝及铝合金的焊接焊接铝及其合金的主要困难是：

(1)易氧化铝极易被氧化形成难熔的氧化铝(A12O3)薄膜，熔点为2050℃，它覆盖在金属表面，阻碍金属熔合；且氧化铝密度大，难于排除，易形成夹渣缺陷。

(2)易产生缺陷液态铝能大量溶解氢，而在固态时几乎不溶解氢，因此易生成气孔，高温时铝的强度、塑性很低，热膨胀系数大，易产生较大的焊接应力、变形和裂纹；铝及铝合金由固态加热到液态时无颜色变化，故操作时难以掌握加热温度，易烧穿。

氩弧焊是焊接铝和铝合金最为理想的焊接方法。第十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六2、铜及铜合金的焊接铜和铜合金的焊接性较差，主要存在的问题是：

(1)铜的热导性好，焊接时要求热源集中，焊前要预热，否则易产生未焊透或末熔合等缺陷。

(2)铜的线胀系数大，凝固时收缩率也大，因此焊接应力与变形大。

(3)铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜(Cu2O)，它与铜形成低熔点共晶体(Cu2O—Cu)，分布在晶界上，易产生热裂纹。

(4)铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度急剧下降，易形成气孔。

(5)焊接黄铜时会产生锌的蒸发，使黄铜焊缝的强度和耐蚀性下降。锌蒸气有毒，对人体有害。

氩弧焊是焊接紫铜和青铜的有效方法。焊接黄铜常用气焊，锌的蒸发较少，而且由于气焊可采用轻微氧化焰和含硅焊丝相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，保护效果强，焊接质量高。第十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六10.4焊接结构设计第十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六设计焊接结构，除应考虑结构的使用性能要求外，还应考虑结构焊接工艺的要求，以保证焊接质量，力求高生产率、低成本。

焊接结构设计一般包括:焊接结构材料的选择焊接接头的工艺设计（包括焊缝布置、接头型式、坡口形式等）第十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六一、焊接结构材料的选择在满足结构使用性能要求的前提下，应尽可能选用焊接性良好的材料来制造焊接结构件。第十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等型材，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的部分，还可以选用铸钢件、锻件或冲压件来焊接。第十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六二、焊接接头的工艺设计(一)焊缝的布置按焊缝在空间位置的不同，可分为平焊、横焊、立焊和仰焊。其中平焊操作方便，易于保证焊接质量，故焊接时，应尽量使焊绝处于平焊位置。第十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六1）焊缝位置应便于焊接操作布置焊缝时，要考虑到有足够的焊接操作空间，以满足焊接运条的需要。第十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六1）焊缝位置应便于焊接操作（续）布置焊缝时，要考虑到焊接工艺方法的要求。第十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六2）应避免密集和交叉的焊缝焊缝密集或交叉会使接头处严重过热，力学性能下降，并将增大焊接应力。一般两条焊缝的间距要大于三倍的钢材厚度。第二十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六3）尽可能使焊缝对称焊缝对称布置可使各条焊缝产生的焊接变形相互抵消，这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。第二十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4）焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置大跨度横梁，最大应力在跨度中间。横梁由两焊件焊成，焊缝在中间使结构承载能力减弱。修改后的结构，虽增加了一条焊缝，但改善了焊缝受力情况，提高了横梁的承载能力。

对压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处位置。第二十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处位置。第二十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六5）焊缝转角处应平滑过接焊缝转角处易产生应力集中，尤其在尖角处集中效应更为严重，应平滑过渡。第二十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六6）焊缝应尽量避开机械加工表面有些焊接结构是一些零件，需要进行机械加工。其焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面远一些。第二十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（二）接头形式的选择与设计１、接头形式：

对接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接结构中应用最多的一种接头型式，但对焊前准备和装配要求较高。

搭接接头常用于对焊前准备和装配要求简单的板状类部件结构中，但因两焊件不在同一平面上，受力时将产生附加弯曲应力，降低接头强度，且不经济，故搭接接头是薄板焊件的基本接头型式。

角接接头一般只起连接作用，不能用来传递工作载荷。

T形接头应用较广泛，在船体结构中，约70%的焊缝是采用这种接头型式。第二十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六２、接头坡口形式开坡口的目的是：为了保证焊缝根部焊透，便于清除熔渣，获得较好的焊缝形状，并且坡口能起到调节母材金属和填充金属的比例作用。

（1）手弧焊板厚＜6mm时，一般不开坡口。

（2）板厚在6—26mm时，开Y形坡口，这种坡口便于加工，但焊后焊件易变形。第二十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（3）板厚在12—60mm时，可采用双Y形按口。在相同厚度情况下，双Y形坡口比Y形坡口能减少焊条消耗量约1／2左右，焊件变形较小。（4）带钝边U形坡口焊着金属量更少，焊件变形也更小，但加工坡口较困难，一般用于较重要的焊接结构件。第二十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六手弧焊常用的焊缝坡口基本形式与标注方法

第二十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六手弧焊常用的焊缝坡口基本形式与标注方法

（续1）第三十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六手弧焊常用的焊缝坡口基本形式与标注方法

（续2）第三十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六３、接头过渡形式

设计焊接构件最好采用相等厚度的金属材料，以便获得优质的焊接接头。当两块厚度相差较大的金属材料进行焊接时，接头处会造成应力集中。而且接头两边受热不匀易产生焊不透等缺陷。

不同厚度金属材料对接时，允许的厚度差如表所示。如果超过表中规定值，应在较厚板料上开出单面或双面斜边的过渡形式。第三十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六10.5焊缝质量的检验第三十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六1、磁粉检验2、超声波检验第三十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六3、X射线检验第三十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六例题第三十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第三十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第三十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第三十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六焊接结构实例

——压力容器生产工艺过程第四十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六一、压力容器简介压力容器示意图第四十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六压力容器实物图第四十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六二、压力容器生产工艺过程压力容器生产工艺过程实物图第四十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六压力容器生产工艺流程框图

第四十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六1.封头生产工序（1）下料第四十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（2）拉深（3）消除应力退火第四十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（4）切边（5）缩口第四十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六2.筒体节生产工序（1）下料（2）加工坡口第四十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（3）卷圆第四十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（5）焊接双面纵焊缝（4）装配及定位焊第五十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六筒体节纵焊实物图第五十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（