第四篇-材料的连接成形-概述-熔焊工艺

焊接：是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合的一种方法。焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用：（1）制造金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。焊接的方法:(1)熔化焊:根据焊接的过程可分为三类:将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法.主要有电弧焊,气焊,电渣焊,等离子弧焊,电子束焊,激光焊等.(2)压力焊:(3)钎焊:通过加压和加热的综合作用,以实现金属接合的焊接方法.以熔点低于被焊金属熔点的焊料填充接头形成焊缝的焊接方法.主要包括电阻焊,摩擦焊,爆炸焊等.主要包括软钎焊和硬钎焊.焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手工电弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊气门芯4.1熔焊工艺

一、熔焊原理及过程二、焊接接头的组织与性能三、焊接变形和焊接应力四、熔焊方法及工艺本节重点：熔化焊焊接接头的组织性能本节难点：焊接应力与变形一、熔焊原理及过程熔焊的本质及特点熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。熔化焊的三要素热源

能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。熔池的保护

可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。焊接电弧

电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧的三个区

阴极区、阳极区和弧柱区焊接电弧的温度和热量分布

温度K热量分布阳极区：260043％弧柱区：6000～800021％阴极区：240036％

由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板）直流反接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性焊条）二、焊接接头的组织与性能

熔焊热源的高温集中融化焊缝区金属，并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。熔合区——熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。热影响区---受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域（过热区、正火区、部分相变区）。

热影响区中的过热区，对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。

熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。

在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。

焊接热循环的特点是加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导致马氏体相变；对其它材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。焊缝热影响区焊缝的组织和性能

热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始冷却结晶，以垂直熔合线的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶。低熔点物质将会被推向焊缝最后结晶部位，形成成分偏析。三、焊接应力和焊接变形焊接应力与变形产生的原因：焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。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。假定整条焊缝同时形成，则应力分布如图4-5

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。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。

焊接变形与应力的危害工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。焊接应力的防止及消除采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（图a）。而图b因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊

接局部加热，从而减少焊接应力。

采用小能量，多层焊，也可减少焊缝应力。

焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也能减少焊接残余应力。焊后进行消除应力的退火可消除残余应力。焊接变形的防止和消除焊缝对称布置

采用反变形方法采用对称焊和分段倒退焊采用多层多道焊，能减少焊接变形采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。四、熔焊方法及工艺1.手工电弧焊2.埋弧焊3.气体保护焊4.电渣焊5.等离子弧焊6.电子束焊7.激光焊1.手工电弧焊(1)焊接过程

手工电弧焊是熔焊一种,它是用手操作焊条,利用焊条与被焊金属工件间产生的电弧热量加热并熔化金属,随后形成焊缝,获得牢固接头的焊接方法.

焊接时,焊工手握夹着焊条的焊钳进行焊接,焊条和工件之间产生电弧将工件局部加热到熔化状态形成熔池,焊条作为一个电极,其端部在电弧的作用下不断被熔化,形成熔滴进入熔池,随着电弧的向前移动,熔池尾部液态金属逐步冷却结晶,最终形成焊缝.(其过程如图)

手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。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。渣保护

为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣。一方面防止金属氧化和吸气另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能。同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射。渣-气联合保护(2)电焊条

焊条在焊接过程中一是作为电极传导电流及产生电弧，二是作为填充材料。焊条是手工电弧焊接必须使用的焊接填充材料。作用：组成：

焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊芯：其作用是传导电流、产生电弧和填充金属的作用。药皮：由多种矿石粉、铁合金粉、有机物和粘结剂等组成。其作用是：稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。

焊芯的直径即称为焊条直径，最小为1.6mm，最大为8mm，以直径为3.2～5mm的焊条应用最广。焊接合金结构钢、不锈钢用的钢条、应采用相应的合金结构钢、不锈钢的焊接钢丝作焊芯。焊条的种类和编号种类：结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、钛及钛合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条。编号：以结构钢焊条为例：Ｊ422

其中：Ｊ——结构钢焊条４２——焊缝金属抗拉强度大于等于４２０ＭＰ２——药皮类型（钛钙型）和电源种类（交直流）Ｊ5077——低氢钠型，直流酸性药皮与碱性药皮两者的性质酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差。碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高。碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以提高焊缝金属的抗裂性。碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气孔。电焊条的选用原则等强度原则：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定。低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。直流电焊机交流电焊机交流电焊机交流电焊机2.埋弧焊(1)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。

(2)埋弧焊特点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。(3)焊丝与焊剂埋弧焊剂可分为熔炼焊剂和陶质焊剂两大类。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。

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。以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中(4)埋弧焊的工艺为保持焊缝成型和防止烧穿，焊接时要用焊剂垫。

3.气体保护焊(1)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。气保护用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体，并在高温下不分解，或是低氧化性的不溶于金属液体的双原子气体(如Ar或CO2)。喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。(2)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

a.成本低CO2

的价格低。

b.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。

c.操作性能好明弧焊接，易于观察。适于各种位置的焊接。

d.质量较好焊接热影响区较小，变形和产生裂纹的倾向小。

e.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。

以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。CO2气体

CO2气体密度大，高温体积膨胀大，保护效果好。但CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2纯度要大于99.8%。CO2焊时的飞溅

CO2+Fe=F