热加工工艺 第三章 焊接

第三章焊接一焊接生产的实质焊接，就是在两块金属之间，用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合力，使分离的金属连接成牢固整体的一种工艺方法。概述两个物体只有相互接近到0.3～0.5nm的距离，才有可能实现原子力的结合。二焊接方法的分类1熔化焊：利用热源，将焊件接头熔化，并加入填充金属，凝固后彼此焊合在一起。2压力焊：加热或不加热，接头受压力作用，产生塑性变形，使原子间产生结合力（组成新的晶格），将两工件连接起来。熔化焊、压力焊和钎焊3钎焊：接头只加热不加压，焊件不熔化，钎料加热到熔化状态扩散到接头中去。硬钎焊：软钎焊：钎料的熔点450℃以上。钎料的熔点450℃以下。二焊接生产的特点1省工省料，重量轻；2可以化大为小，以小拼大；3可以制造双金属结构，节省贵金属；4存在问题：影响质量的因素较多，易产生缺陷。

提高质量，消除缺陷是焊接生产的关键问题。

一焊接接头的组织和性能（低碳钢）焊缝1焊缝：(熔化区)组织特点：铸态组织，晶粒粗大，力学性能：不低于基本金属。2熔合区：(半熔化区)此区的高温组织为A+L，A体晶粒粗大，塑性差，易产生应力集中，出现裂纹，力学性能最差。3热影响区：焊缝两侧受焊接热循环作用而发生组织性能变化的区域。接头各点：加热→迅速冷却焊接接头熔合区(靠近焊缝的半熔化区)热影响区(临近熔合区)。§1焊接的基本原理过热区：最高加热温度1100℃～AE线。受高温影响，晶粒急剧长大，甚至产生过热组织。塑性、韧性明显下降，易出现裂纹，力学性能最差。正火区：最高加热温度Ac3～1100℃，相当受到正火处理。A体晶粒细小，冷却后组织细化，力学性能好。部分相变区：高温组织为F+A，相变不充分，晶粒不均，性能稍差。再结晶区：温度范围在AC1～500℃。工件焊经过冷塑性变形，在此区再结晶，细化晶粒，提高性能。加热温度AC1～AC3，组织发生部分相变。4影响焊接接头性能的因素焊接材料：焊丝和药皮，影响焊缝的化学成份。焊接方法：不同的焊接方法其热影响区的宽度不同。焊接工艺：焊接速度快，电流小，则热影响区窄。5改善接头性能的方法：采用合适的焊接材料，以保证焊缝的化学成份；焊接方法和工艺：采用热影响区小的焊接方法，工艺上可用细焊条，多层焊。调整焊接规范；减小焊接电流，加快焊接速度以减少热输入；焊后热处理。二焊接应力和变形1焊接应力和变形产生的原因：对工件进行了不均匀的加热和冷却。3减少和消除变形、应力的措施：a合理设计焊接结构:减少焊缝长度、数量和断面积；焊缝对称布置；2焊接变形的基本形式：避免交叉焊缝；收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形σ拉

σ压

σ压

b工艺措施：c矫正变形的方法反变形法；加余量法；刚性固定；合理的焊接顺序；机械矫正火焰加热矫正焊前预热，碳钢件可预热到350～400℃；消除应力的方法—焊后热处理。加0.1～0.2%的补缩量。先条后块原则§2常用熔化焊方法一焊条电弧焊（一）焊条1组成：焊条由焊丝（焊芯）和药皮两部分组成。2焊丝的作用：导电、填充焊缝金属。3药皮的作用：主要是保证焊缝质量。保护作用：药皮熔化，产生气体、熔渣，隔绝空气，保护熔滴和熔池。稳弧作用：药皮中的K、Na的盐类电离，提高电弧的稳定性。脱氧、脱硫磷、渗合金，提高焊缝金属的机械性能。4焊条的分类、型号与牌号：焊条的种类：按焊条的用途分十一大类：碳钢焊条、低合金焊条、耐热钢焊条、铸铁焊条、不锈钢焊条……按药皮的主要成份分八类：Ti型、TiCa型、钛铁矿型、氧化铁型、低氢钾型、低氢钠型……按熔渣的酸碱性分两类：酸性焊条：酸性氧化物（FeO、TiO2）多于碱性氧化物（CaO、CaF2）特点：氧化性强，合金烧损大，焊缝机械性能（δ、ak）低；焊接工艺性好，对接头的清理要求不高（好焊）；价格便宜。用途：广泛用于低碳钢、低合金钢和要求不高的结构件。碱性焊条：药皮以碱性氧化物和萤石为主的焊条。特点：药皮成份中CaCO3、CaF2、铁合金含量较多；有机物含量少（低氢）；焊缝的抗裂性能好（δ↑ak↑）；机械性能好（有益元素含量多）；工艺性能差，对接头清理要求较严格；价格较贵。用途：要求较高的易裂材料和结构；合金结构钢的焊接。焊条的型号：国家标准中的焊条代号。(以碳钢焊条为例)E××××焊接电流种类和药皮类型表示焊接位置焊缝金属抗拉强度的最小值表示碳钢焊条例：E4316表示为碳钢焊条，焊缝σb≥430MPa，用于全位置焊接，药皮为低氢钾型。焊条的牌号：焊条行业统一的焊条代号。用一个大写字母（或汉字）加三个数字来表示。如J422（结422）药皮类型（钛钙型）焊缝金属抗拉强度的最小值（σb≥430MPa）表示焊条的大类（结构钢焊条）5焊条的选用原则（以结构钢为例）按照使用要求选大类；焊接结构钢，使用结构钢焊条根据工作条件选强度，遵循等强度原则；根据载荷性质、焊件形状、刚度、结构本身的材质、环境等情况选焊条的酸碱性。受动载（冲击、交变）：结构形状复杂、厚度大、刚度大：碳、硫、磷含量高：环境温度低、脆性大、冷却速度快：碱性焊条除此之外：应选酸性焊条（二）特点：设备简单；操作灵活；生产率低；质量不稳定二埋弧自动焊1焊接过程：焊机将焊丝自动送入电弧区并保证选定的弧长（运条自动）；焊接电弧在焊剂层下面燃烧（埋弧）。滚轮2埋弧自动焊的特点和应用：生产率高：电流可以很大，常用到1000A，厚度小于25mm不开坡口。运条自动，辅助时间少。焊接质量好：保护比较严密，电弧稳定，热影响区窄，焊缝成型美观。金属消耗少：没有焊条头，熔深大，劳动条件好：看不到弧光，很少有烟雾。不能实现全位置焊接，位置窄时难焊。焊前装配要求高。设备复杂，一次性投资较大。应用：成批焊接厚度为6～60mm的长直焊缝、较大直径（D>250mm）的环形焊缝水平位置焊接。三气体保护焊：利用化学性质不活波的气体保护熔池和熔滴，免受空气有害作用的电弧焊。（一）氩弧焊用氩气（Ar）来保护熔化金属。1特点：保护效果好，焊接质量高；电弧稳定，温度易控制，单面焊双面成型；可进行全位置焊接；氩气成本高。2应用：焊接铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢等易氧化的有色金属和合金钢。只能在室内焊接。W极（二）二氧化碳气体保护焊：用CO2作为保护气体方法。1特点：成本低，仅为焊条电弧焊的45%；焊接质量较好（指低碳钢和低合金钢）；不用清渣，生产率高，可进行全位置焊接。电流过大时，金属飞溅较大，烟雾较多，焊缝成型差；2应用：焊接低碳钢和低合金钢，特别适合厚度小于3mm薄板。CO2在高温下具有氧化性，烧损合金元素！不能焊接有色金属和合金钢四电渣焊利用电流通过液态熔渣产生的电阻热熔化母材与电极1特点：厚大截面焊缝一次焊成，故生产率高，成本低；焊缝金属纯净；组织粗大，热影响区宽。焊后应热处理。2应用：用于厚板（厚度＞40mm）的立缝焊接，焊后热处理。引出板引入板引弧板焊药熔化→渣池工件和电极熔化→熔池熔池在下渣池在上§3压力焊与钎焊一电阻焊利用强大的电流（几千到几万A）通过焊件，在其接头处产生电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力的作用下形成焊接接头的焊接方法。1电阻焊的分类：点焊：在两块搭接工件接触面间形成焊点，而将工件焊在一起。点焊应用于不要求密封的薄板（小于4mm）的焊接。缝焊：采用滚盘作电极，边焊边滚，形成连续的焊缝。缝焊应用于厚度小于3mm的要求密封件，如油箱等。对焊：棒料对接，两工件的断面形状应尽量相同。包括电阻对焊和闪光对焊。2电阻焊的特点：节省焊接材料，成本低；热影响区小，时间短（0.01～几秒），变形小；生产率高；设备复杂，耗电量大。二摩擦焊利用两工件相互磨擦所产生的热，使工件端面达到热塑性状态，然后迅速加压完成焊接的一种压力焊方法。接头质量好；不用焊接材料；同种或异种金属都可以焊生产率高三钎焊：加热工件不熔化，钎料熔化。（三）特点：温度低，应力和变形小，接头非常美观；生产率高；同种、异种金属均可焊；接头强度较低，耐热温度较低。（四）应用：要求接头美观，对强度要求不高、形状复杂的电器和工具。分类钎料熔点钎料举例钎剂软钎焊＜450℃锡、铅松香、氯化锌硬钎焊＞450℃银、铜、铝、镍硼砂、硼酸、氯化物、氟化物§3常用金属材料的焊接一金属材料的焊接性（可焊性）（一）概念：被焊金属材料在一定焊接工艺条件下，获得优质接头的难易程度。

优质接头：接头缺陷少，最主要是焊后不裂。接头具有所要求的使用性能。（二）可焊性的影响因素1主要决定于化学成分：影响焊接性的主要因素。例如：钢中含碳量↑、合金元素↑→淬硬倾向↑，接头脆化↑，形成裂纹的倾向↑→焊接性↓凡是使材料发脆、易淬火的元素→可焊性↓3焊接工艺：焊件预热，可焊性提高；中、高碳钢焊前预热。板厚增加，可焊性下降；焊接材料(焊条等)（三）估算钢料可焊性的方法碳当量法：此公式由国际焊接学会推荐，用于碳钢和低合金钢。当C当＜0.4%时：冷裂倾向不大，焊接性良好，一般不需采取工艺措施。当C当=0.4～0.6%时：冷裂倾向明显，焊接性较差，需采用工艺措施来防止裂纹的产生。例如焊前预热，采用低氢型焊条。2焊接方法：焊接方法对金属材料的焊接性能有很大的关系。当C当＞0.6%时：冷裂倾向严重，可焊性更差。提高预热温度，采用碱性焊条，焊后缓冷。用碳当量法估计材料的可焊性是粗略的。因为可焊性除成分外，还受其它几方面因素的影响。在实际中，除用此方法初步估计外，还应进行抗裂性、可焊性试验，为制定合理的工艺方案提供依据。当C当＞0.6%时：冷裂倾向严重，可焊性更差。提高预热温度，采用碱性焊条，焊后缓冷。二常用金属材料的焊接特点（一）低碳钢C＜0.25%，焊接性良好，没有淬硬、冷裂倾向。1常用焊接方法：所有焊接方法都能焊好，常用手工电弧焊、埋弧自动焊。2工艺措施：一般情况下不需采取特殊措施，当板厚大于50mm，低温（0℃以下）焊接时，应预热到100～150℃。大刚度结构件低温焊接时，应考虑焊前预热或采用低氢型焊条。常用焊条牌号：J422、J427（二）中碳钢C=0.25%～0.6%C当＞0.4%焊接时易产生淬硬组织：过热区和正火区产生M体组织。冷裂和热裂倾向明显，焊接性能差。1常用焊接方法：手工电弧焊、气焊。2工艺措施：焊前预热，如45钢预热到150～250℃。焊后缓冷，如结构不允许预热，可用不锈钢焊条。采用碱性焊条，如J507、J607。细焊条、小电流、开坡口、多层多道焊。（三）高碳钢焊接性能更差，一般不采用这类钢做焊接结构。C当＞0.6%其焊接只用于工件的修补，焊接工艺措施和中碳钢相似。（四）合金结构钢焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢1常用焊接方法：焊条电弧焊、埋弧自动焊。2焊接特点：强度级别较低：淬硬倾向小，可焊性好，同低碳钢；强度级别较高：淬硬倾向较大，可焊性较差，形成淬火区，易产生冷裂纹。级别↑裂纹倾向↑。3工艺措施：强度级别低的同低碳钢；强度级别高的：焊前预热，预热温度T≥150℃；用碱性焊条；焊后回火，T回=600～650℃；消氢处理：加热200～300℃，保温2～6小时。（五）铸铁焊接性十分恶劣，主要用于铸铁件的修补。1特点：熔化区易产生白口，难于加工；易产生裂纹和气孔。2焊接工艺和方法：热焊法：焊件预热到600～700℃，焊后缓冷。焊条电弧焊：采用铸铁芯焊条（Z248）或钢芯石墨化铸铁焊条（Z208）。气焊：采用含硅高的铸铁焊条，C+Si=7%。热焊法成本高，劳动条件差，但质量能保证，焊后可加工。冷焊法：不预热或只预热到400℃以下。如焊后加工，采用镍基焊条，如Z308、Z508，有良好的抗裂性和加工性，但Ni比较贵重。如焊后不加工，则可采用结构钢焊条，如J507，亦可采用铜基铸铁焊条。薄小件可用气焊。设计焊接结构，需要做四方面的工作：一结构材料的选择在满足工作性能要求的前提下，尽可能选用焊接性好的材料。§4焊接结构设计结构材料的选择；焊接方法的选择；

焊缝的布置；