太原理工金属工艺学chapter4

第四篇焊接成形工艺第一章电弧焊第二章其他常用焊接方法第三章常用金属材料的焊接第四章焊接结构设计§1.1焊接电弧焊接电弧：是电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象。一般情况下，电弧热量在阳极区产生的较多，约占总热量的43%，阴极约36%，弧柱约21%。温度：用钢焊条焊钢材时阳极区—2600K

阴极区—2400K

电弧中心—6000~8000K使用直流电源焊接时有正接、反接两种：正接：正极接工件—工件温度可稍高一些。反接：负极接工件，工件温度可稍低一些。交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。焊机的空载电压就是焊接时引弧电压，一般为50~90V，电弧稳定燃烧时电压为电弧电压。电弧长度越大，电弧电压也越高，一般为16~35V§1.2焊接接头的组织与性能一、焊接工件上温度的变化与分布各点处由常温—较高温度—常温固态液态固态温度变化如4-3图

二、焊接接头组织与性能以低碳钢为例图4-4中，⒈焊缝焊缝的结晶是从熔池底壁开始向中心成长。焊缝两侧工件方向冷却较快，故形成的柱状的铸态组织，由铁素体和少量的珠光体组成，熔池中部最后结晶，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析物集中在焊缝中心，将影响焊缝的力学性能。

由于电弧吹力和保护气体吹动，熔池底壁柱状晶体成长受到干扰，柱状晶体呈倾斜状，晶粒有所细化。由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属性能可能不低于母材金属的性能。⒉焊接热影响区、熔合区、过热区、正火区、部分相变区等。⑴熔合区处于液相线、固相线之间，所以也称半熔化区。因温度过高而成为过热粗晶，强度、塑性和韧性都下降。此处接头断面变化，易引起应力集中。此区很大程度上决定着焊接接头的性能。

⑵过热区被加热到Ac3以上100～200°C至固相线温度区间。奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，故塑性、韧性降低，对易淬火钢，此区脆性更大⑶正火区被加热到Ac1到Ac3以上100～200°C区间。在此区温度范围内，加热时发生重结晶，转变为细小的奥氏体晶粒，冷却后为均匀而细小的铁素体和珠光体，其力学性能优于母材。⑷部分相变区相当于加热到Ac1～Ac3温度区间。珠光体和部分铁素体发生重结晶，转变成细小奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变，但晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而其力学性能比正火区稍差。

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。增加焊接速度或减少焊接电流都能减少焊接热影响区。

三、改善焊接热影响区组织和性能的方法焊接热影响区在电弧焊焊接接头中是不可避免的。用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行热处理即可使用。但对重要的碳钢构件、合金钢构件、电渣焊焊接的构件为消除热影响区影响，一般采用焊后正火处理。对焊后不能进行热处理金属材料或构件，则只能在正确选择焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热影响区的范围。§1.3焊接应力与变形焊接过程中，焊缝被加热处于液态，相邻的金属加热到很高的温度，然后再快速冷却下来，各点处温度不同，冷却速度也不相同，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。焊缝是靠一个移动的点热源加热，然后逐次冷却下来形成的，因此应力的形成、大小和分布状况较复杂。焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能，承载能力大为降低，对于接触腐蚀性介质的焊件，应力腐蚀现象加剧，减少使用期限。假定整条焊缝同时形成，则应力分布如图4-5对于承受重载的重要构件、压力容器等，焊接应力的防止和消除：①选择塑性好的材料。②避免焊缝密集交叉，焊缝过长，截面过大。③合理的焊接次序。图4-6a为正确。

④焊前预热，可减小温差，减少焊接应力较为效。⑤采用小能量焊接方法，或焊后立即捶击。⑥需较彻底地消除焊接应力时，焊后去应力退火。⑦采用水压试验或振动法消除焊接应力。焊接变形：由焊接应力引起。变形种类：图4-7收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形

焊件产生变形主要由焊接应力引起的，预防焊接应力的措施对防止焊接变形有时是有效的。当对焊件的变形有较高的限定时：结构设计中应采用：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（刚性夹持不适于淬硬性较大的钢结构和铸铁件）焊接应力过大的严重后果是焊件（工件）产生裂纹，危害极大，对重要工件焊后应探伤。焊接裂纹与：焊接材料的成分（如硫、磷含量高）有关；和焊缝金属的结晶特点（结晶区间要小）有关；含氢量的多少有关。所以焊接中应：合理选材、采取措施减少应力、选用合理的焊接工艺、焊接参数（如：采用碱性焊条、小能量焊接、预热、合理的焊接次序等

§1.4焊条电弧焊焊条电弧焊（即手工电弧焊）适于高强度钢、铸钢、铸铁、和非铁合金，其焊接接头可与工件的强度相近，是焊接生产中应用最广泛的焊接方法。一、焊条电弧焊的焊接过程电弧在工件和焊条之间燃烧，产生高温，电弧热使工件、焊芯同时熔化，形成熔池。同时药皮熔化和分解。药皮熔化→进入熔池发生反应→形成熔渣→保护熔化金属。药皮分解→CO2,CO,H2等气体→围绕在电弧周围→保护熔化金属。焊缝质量有很多因数决定，如母材金属和焊条质量、焊前的清理程度、焊时电弧的稳定情况、焊接参数、焊接操作技术、焊后冷却速度、以及焊后热处理等。二、电焊条⒈焊芯起导电和填充焊缝作用，直径最小为1.6，最大为8。常用φ3.2~φ5。

⒉焊条药皮主要作用：提高电弧稳定性；防止空气对熔化金属的有害作用；对溶池脱氧，加入合金元素，以保证焊缝金属的化学成分和力学性能。⒊焊条的种类、型号和牌号焊条有七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜焊条、铝焊条焊条的型号、牌号型号牌号关系东工机械零件设计手册P682表8-39碳钢焊条焊条型号牌号药皮类型焊接电源焊接位置用途E4303J422钛钙型交流或直流全位置焊接用于较重要的低碳钢及强度等级较低的低合金钢，如09Mn2等。J422GM适于海上平台、船舶、工程机械等表面装饰焊缝的焊接J422Fe适于较重要的低碳钢结构焊接E5016J506低氢钾型交流或直流全位置焊接用于中碳钢和低合金钢的焊接如：16Mn，9Mn2Si。摘自GB5117-85第3、4位组合表示焊接电流种类、药皮类型表示抗拉强度Kgf/mm2

E4303第3位表示焊接位置表示焊条例：J422——牌号（焊接行业中焊条代号）药皮类型、电流种类、1—5酸性、6、7碱性抗拉强度420MPa结构钢焊条。注意：

#焊条型号是国家标准中的焊条代号

#焊条牌号是焊接行业的焊条代号，注意型号和牌号的对应关系

#按熔渣性质，焊条可分为两类：酸性焊条：药皮熔渣中的酸性氧化物较多，适于各种电源，成本低，但焊缝的塑性、韧性差，操作性好，渗合金作用弱不宜焊接受动载荷和要求高强度的重要结构件碱性焊条：熔渣中碱性氧化物多，一般采用直流电源。焊缝塑性、韧性好，抗冲击能力强，价格较高，操作性差，故只适于焊接重要结构件。⒋焊条选用原则选用焊条通常是根据焊件化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀性、以及耐高温性能等要求选用相应的焊条种类。(1)低碳钢、普通低合金钢构件焊缝与母材等强度。注意：钢材按屈服强度定等级，结构钢焊条的等级是指焊缝金属抗拉强度最低保证值。(2)同一强度等级酸碱性焊条的选用碱性焊条：要求塑性好、冲击韧性高、抗裂性好、低温性好。酸性焊条：受力不复杂，母材质量较好，尽量选用较便宜的酸性焊条。(3)低碳钢与低合金钢焊接，按接头中强度较低者选焊条。

(4)铸钢易裂一般应选碱性，且采用适当工艺，如预热。(5)特殊性能要求钢，选相应焊条，以保证焊缝主要化学成分、性能与母材相同。§1.5埋弧焊一、埋弧焊的焊接过程焊丝不断地被送丝机构送入电弧区，并保持选定的弧长。焊接时焊机移动或工件移动，焊剂从漏斗中不断流出洒在被焊部位，电弧在焊剂下燃烧，熔化后形成熔渣覆盖在焊缝表面。

电弧燃烧后，工件和焊丝形成较大体积的熔池，熔池金属被电弧气体排挤向后堆积形成焊缝。由于高温焊剂被熔化成熔渣，与熔池金属发生物理化学作用。部分焊剂被蒸发形成气体，将电弧周围熔渣排开，形成一个封闭的熔渣泡。它具有一定粘度，能承受一定压力，保护熔池，不与空气接触，又防止了金属飞溅。焊丝上没有涂料，允许提高电流密度，电流密度增加，电弧吹力也增加，同时热量也增加，熔池深度大，熔池体积也大。二、埋弧焊特点P140生产率高电流大可使生产率提高；更换焊丝的时间较节约。焊接质量高而稳定电弧区保护严密，熔池保持液态时间较长，冶金过程进行较完善焊接参数能自动控制。节省金属材料因熔池较大，20～25mm以下的工件可不开坡口进行焊接。改善了劳动条件看不见弧光，烟雾很少，可改善了劳动条件看不见弧光，烟雾很少，可进行自动焊接。设备费用较贵，工艺装备较复杂。只适于焊接长的直线焊缝，较大直径环形和纵向焊缝。厚板为主，薄板焊接受到限制。

三、焊丝与焊剂埋弧焊剂可分为熔炼焊丝和陶质焊剂两大类。熔炼焊剂又可分为高锰、中锰低锰和无锰几种。大批大量常用熔炼焊剂。四、埋弧焊工艺要求：下料、坡口加工要求较严，以保证组装间隙均匀，焊前将焊缝两侧50~60mm内一切污垢和铁锈除掉，以免产生气孔。一般在平焊位置焊接。对20mm以下工件可单面焊，如有要求可双面焊。对20mm以上工件可双面焊，或开坡口单面焊。焊缝两头应加引弧板和引出板，焊后去除。为保持焊缝成型和防止烧穿，焊接时要用焊剂垫。

§1.6气体保护焊一、氩弧焊

★氩弧焊以氩气作保护气体的电弧焊，焊接质量较高。按所用的电极不同，氩弧焊可分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。

1.不熔化极氩弧焊：铈钨棒作电极，只适于厚度6mm以下工件。焊接3mm以下薄件时，常用卷边直接焊接。焊接较厚工件时，需添加填充金属。焊接钢材时，多用直流正接以减少钨极的烧损。焊接铝、镁及其合金时则希望用直流反接或交流电源。

2.熔化极氩弧焊：以连续送进的焊丝作为电极进行焊接。此时可用较大电流焊接厚度25mm以下工件。

★对氩气要求纯度99.7％以上，焊前必须把接头表面清理干净。。★特点：

1.适于各种合金钢、易氧化的非铁合金及镐、钼等稀有金属。

2.电弧稳定，飞溅小，表面没有熔渣，成型美观。

3.明弧可见，易于操作，易实现全位置自动焊接。

4.热影响区窄，因而工件变形小。目前主要用于：焊接铝、镁、钛及其合金，也用于焊接不锈钢、耐热钢、一些重要低合金钢二、二氧化碳气体保护焊★以CO2作为保护气体的电弧焊。焊丝作电极，焊丝的送进靠送丝机构实现。★特点

1.成本低CO2的价格低。

2.生产率高焊丝的送进是机械化或自动化；电流密度大，电弧热量集中，故焊接速度较快；焊后无渣壳，节约了清理时间。

3.操作性能好明弧焊接，易于观察。适于各种位置的焊接。

4.质量较好焊接热影响区较小，变形和产生裂纹的倾向小。

5.飞溅较严重，焊缝不够光滑，易有气孔。主要用于30mm以下低碳钢、部分低合金钢焊件，尤其适宜薄板。第一章电弧焊第二章其他常用焊接方法第三章常用金属材料的焊接第四章焊接结构设计一、点焊焊接时电极压紧工件，接通电流，电阻热使局部金属熔化形成熔核，断电后继续保持压力或加大压力，使熔核凝固形成焊点。分流现象：一个点焊好后，焊另一个点，有一部分电流流经已焊好的点处，称为分流现象。焊接质量的主要因素有焊接电流、通电时间、电极压力及工件表面清理情况等。工件越厚，焊件导电性越好分流现象越严重影响焊接质量。所以点焊有焊点间最小距离限制。第一节电阻焊

点焊焊接规范有硬规范和软规范。硬规范指在较短时间内通以大电流的规范，生产率高，焊件变变形小适合焊接导热性能较好的金属。软规范是指在较长的时间内通以较小的电流。生产率较低，适合焊接有淬硬倾向的金属。电极压力应选择适当，压力大时，可消除熔核凝固时可能产生的缩松缩孔，但电极和工件间的接触电阻减小，影响电阻热。工件表面状态对焊接质量影响很大，可对工件进行酸洗、喷砂或打磨处理。点焊主要适于厚度为4mm以下的薄板、冲压结构以及线材的焊接。每次焊一个或多个点。

二、缝焊缝焊和点焊过程相似，只是用旋转的圆盘状滚动电极代替柱状电极。盘状电极压紧焊件并滚动，同时也带动焊件向前移动配合断续通电，形成连续重叠的焊缝。焊点相互重叠50％以上，密封性好主要用于要求密封性好的薄壁结构。缝焊只适用于3mm以下的薄壁结构。三、对焊1.电阻对焊将两个工件装夹在对焊机的电机钳口中，使两个工件的端面接触，并压紧，然后通电，产生电阻热加热到塑性状态，再施以较大的力，并同时断电，使接头在高温下产生一定的塑性变形而焊接起来。对焊接头较光滑，对焊前应认真清理端面，否则易发生连接不牢现象。此外，高温端面易氧化，质量不易保证。电阻对焊一般只用于焊接截面形状简单，直径或边长小于20mm强度要求不高的工件。2.闪光对焊将两工件稍加清理后夹在电极钳口内，轻微接触，因工件表面不平，使某些点接触，通以电流，接触点的金属被迅速加热熔化，甚至蒸发，液体金属发生爆破，形成闪光，保持一定时间，迅速对焊件施加顶锻力，并切断电源焊件在压力作用下产生塑性变形而焊在一起。对焊质量好，强度高，闪光火化以玷污其他设备与环境。接头处焊后有毛刺需清理。闪光对焊常用于重要工件的焊接，可焊相同金属，也可焊异种金属，被焊工件小到0.01mm的金属丝，也可焊端面大到20000mm2的金属棒和金属型材。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25％。对焊主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链等的焊接第二节摩擦焊摩擦焊是利用工件之间相互摩擦产生的热量，同时加压而进行焊接的方法。方法是对工件施以压力并转动工件，产生热量，骤然停止转动工件并加大压力，使两焊件产生塑性变形而焊接起来。摩擦焊接头质量好而且稳定，可焊同种金属，也可焊异种金属，生产率高，电能消耗少，一次性投资大。摩擦焊广泛用于圆形工件、棒料及管件类焊接。实心焊件的直径为2mm～100mm，管类焊件外径最大可达150mm。第三节钎焊钎焊是利用熔点比焊件的钎料作为填充金属，加热时钎料熔化而将焊件连接起来的焊接方法。一、硬钎焊钎料熔点在450℃以上，接头强度在200Mpa以上。钎料有铜基、银基和镍基等。主要用于受力较大的钢铁和铜合金的焊件，如自行车架、带锯锯条等以及工具、刀具的焊接。二、软钎焊钎料熔点在450℃以下，接头强度较低，一般不超过70MPa。只用于焊接受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通常称锡焊。常用的焊剂为松香或氯化锌溶液，加热方法有烙铁加热、火焰加热电阻加热、感应加热、炉内加热等。主要用于制造精密仪表、电器部件异种金属构件复杂薄板构件等。钎焊一般不适于钢结构件、重载动载零件的焊接。第四节电渣焊★电渣焊：是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源进行焊接的方法。电渣焊一般都是在直立位置焊接，两个工件接头相距25～35mm，固态溶剂熔化后形成的渣池具有较大的电阻，当电流通过时产生大量的电阻热，使渣池温度保持在1700～2000℃焊接时焊丝不断被送进并被熔化，熔池和渣池逐渐上升，冷却块也同时配合上升，从而使立焊缝由下向上顺次形成。★电渣焊通常都是在垂直位置立焊，单丝不摆动可焊厚度40~60mm，单丝摆动可焊厚度为

60～150mm，三丝摆动可焊450mm工件★特点：1)可一次焊很厚的工件；

2)生产率高，成本低，工件不需要开坡口；

3)焊缝金属比较纯净，电渣焊的熔池保护严密，保持液态的时间较长冶金过程较完善，熔池中的气体和杂质有充分时间浮出；

4)焊接后冷却速度较慢，焊接应力较小，相应晶粒粗大。一般要焊后热处理，如正火处理。

★另外还有真空电子束焊接，激光焊接，见p154～155第一章电弧焊第二章其他常用焊接方法第三章常用金属材料的焊接第四章焊接结构设计一、焊接性的概念

★金属材料的焊接性是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。

★焊接性不是一成不变的，同一种金属材料，采用不同的焊接方法，焊接材料及焊接工艺，焊接性可有很大差别。★焊接性包括两个方面：一是工艺焊接性，二是使用焊接性（接头使用中的可靠性）§3.1金属材料的焊接性二、钢材焊接性的估算方法★影响钢材焊接性的主要因素是化学成分，碳的影响最为明显，其它元素影响可折合成碳的影响。计算公式见P157w(c)当量＝w(c)+w(Mn)/6+(w(Cr)+w(Mo)+w(v)]/5+[W(ni)+w(Cu)]/15(％)

式中各元素符号为钢中相应元素的质量百分数★根据经验

w(c)当量＜0.4％时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显