第十一章-焊接

第十一章焊接通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子间结合的一种连接方法。焊接的种类第一节焊条电弧焊采用手工操纵焊条，利用焊条和焊件之间建立起来的稳定燃烧电弧，使焊条和焊件局部熔化，冷却后形成焊缝而获得牢固的焊接接头。一、焊接电弧电极与工件之间的气体介质中长时间的放电现象。（一）焊接电弧的产生（二）焊接电弧的组成①阴极区电弧中靠近负电极的区域。碳钢焊条焊接时，该区的平均温度为2400K。②阳极区电弧中靠近正电极的区域。用碳钢焊条焊接时，该区的平均温度为2600K。③弧柱区阴极区和阳极区之间的部分，弧柱区温度较高，约为6000~8000K。（三）电弧的极性直流电源焊接时，有两种极性的接法：①正接法焊件接直流电源正极，焊条接负极。②反接法焊件接直流电源负极，焊件接正极。二、电弧焊的冶金过程焊接的冶金过程的特点：①金属熔池的体积很小，各种冶金反应进行得不充分；②熔池温度高，使金属元素产生强烈的熔损和蒸发，同时，熔池周围又被冷的金属所包围，使焊缝处产生应力和变形，严重时甚至会开裂。三、焊条（一）焊条的组成及作用1.焊芯焊条中被药皮包覆的金属芯。焊芯作为电极，起导电作用，产生电弧，提供焊接热量；作为填充金属，与熔化的被焊工件共同组成焊缝。2.药皮压涂覆在焊芯表面的涂料层。主要作用：①改善焊接工艺性②机械保护作用③冶金作用（二）焊条的种类、型号和牌号1.焊条的分类①酸性焊条②碱性焊条2.焊条的型号和牌号①焊条型号国家标准代号。

②焊条牌号行业统一代号。3.焊条的选用一般应考虑以下几个因素：①母材的力学性能和化学成分等成分原则。②结构的使用条件和特点③焊条的工艺性④焊接设备条件四、焊接接头由焊缝、熔合区和焊接热影响区三部分组成（一）焊接接头的组织与性能1.焊缝的组织和性能由母材和焊条熔化形成的熔池在冷却结晶后形成的结合部分。2.熔合区的组织和性能熔合区温度处于液相线与固相线之间，是焊缝金属到母材金属的过渡区域。焊接接头中力学性能最低的部位。3.热影响区的组织和性能

在焊接过程中，材料因受热影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。①过热区粗大的过热组织，强度、塑性和韧性明显下降。②正火区力学性能优于母材。③部分相变区（二）影响焊接接头性能的因素主要因素有焊接材料（焊条、焊丝、焊剂等）、焊接方法、焊接工艺参数、坡口形式、焊后冷却速度和焊后热处理等。（三）改善焊接接头组织和性能的措施①尽量选择低碳，且硫、磷含量低的钢材作为焊接结构材料。②使热影响区的冷却速度适当。③采用多层焊。④进行焊后热处理，焊后进行退火或正火处理可以细化晶粒，改善焊接接头的力学性能。五、焊接应力与变形（一）焊接应力与变形产生的原因在焊接过程中，对焊件局部进行不均匀的加热和冷却是产生焊接应力与变形的根本原因。

（二）焊接变形的基本形式（三）减少焊接应力和变形的措施1.焊前预热2.选择合理的焊接顺序：3.加热减应区4.锤击焊缝5.焊后热处理（四）焊接变形的防止和矫正1.加余量法2.反变形法3.刚性固定法4.机械矫正法5.火焰矫正法第二节其他熔焊方法一、埋弧焊电弧埋在焊剂层下燃烧并进行焊接的方法。（一）埋弧自动焊的焊接过程（二）埋弧焊的焊接材料（三）埋弧自动焊的特点及应用埋弧自动焊的优点：①生产效率高②焊接质量好③劳动条件好④节省焊接材料埋弧自动焊一般只适用于水平位置的长直焊缝和直径250mm以上的环形焊缝。二、气体保护电弧焊用外加气体将电弧、熔化金属与周围的空气隔离，以保护电弧区的熔化金属和焊缝的电弧焊。（一）氩弧焊以氩气作为保护气体的气体保护焊。1.不熔化极氩弧焊2.熔化极氩弧焊氩弧焊的特点：①焊缝金属纯净，可用于各种合金钢、易氧化的非铁合金及稀有金属。②焊接过程稳定，所有焊接参数都能精确控制，明弧操作，容易实现机械化、自动化生产。③电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，周围气流对焊缝有冷却作用，因此焊接接头的热影响区小，焊后变形小，可对3mm以下薄板进行焊接。④氩气价格较贵，焊件成本高。（二）CO2气体保护焊（简称CO2焊）采用CO2作为保护气体的电弧焊。

CO2气体保护焊的特点：①成本低②生产效率高③质量好④操作性能好

CO2气体保护焊的缺点是飞溅大，成形较差，烟雾多，弧光强烈，容易产生气孔。三、气焊利用可燃气体与助燃气体氧混合燃烧形成的火焰作为热源进行熔化焊的一种方法。（一）气焊过程（二）气焊火焰的种类及应用（三）气焊的特点①气焊设备简单，不需电源，灵活方便。②气焊火焰温度低，加热缓慢，工件受热面积大，热影响区较宽，因此焊接变形大。③火焰对熔池保护差，焊缝易产生气孔、夹渣等缺陷。④生产效率低，不适合大批量生产。四、电渣焊利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热熔化母材和填充金属进行焊接的方法。（一）电渣焊焊接过程电渣焊的特点：①焊接厚板时，生产效率高，成本低②焊缝金属洁净③热影响区宽，晶粒较粗大五、等离子弧焊等离子弧的产生原理等离子弧焊的特点：①等离子弧焊具有能量密度大、弧柱温度高、穿透能力强、电弧稳定的优点，②等离子弧焊的生产率高，焊后的焊缝宽度和高度均匀一致，焊缝表面光洁。③电弧稳定燃烧，具有良好的挺直度和方向性。④等离子弧焊设备复杂，气体消耗大，焊接成本较高。第三节压焊与钎焊一、压焊在焊接过程中，对焊件施加一定压力（加热或不加热）以实现焊接的方法。（一）电阻焊利用电流通过焊件及其接触面产生的电阻热作为热源，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在外界压力作用下形成焊接接头的一种焊接方法。1.点焊将工件装配成搭接接头，并压紧在柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属形成焊点的电阻焊方法。2.缝焊3.对焊①电阻对焊②闪光对焊（二）摩擦焊利用两工件焊接端面之间相互摩擦而产生的热量将工件端面加热到塑性状态后，在压力作用下使它们连接起来的一种压焊方法。1.摩擦焊原理2.摩擦焊的特点：①焊接接头质量高接头不易产生气孔、夹渣等缺陷。②适用范围广③生产效率高④摩擦焊操作简单，容易实现自动控制。二、钎焊采用比母材熔点低的金属材料做钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料的熔点，但低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材、填充间隙，并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。①软钎焊钎料熔点在450℃以下的钎焊。②硬钎焊钎料熔点在450℃以上的钎焊。第四节常用金属材料的焊接一、金属材料的焊接性（一）焊接性的概念材料在限定的施工条件下焊接成满足设计要求的构件，并达到预期使用要求的能力。材料的焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性（二）金属焊接性的评定方法通常是检测金属材料焊接时产生裂纹倾向的程度。碳钢和普通低合金钢可以用碳当量等来粗略预测其焊接性的好坏。国际焊接学会推荐碳钢和普通低合金钢焊接的碳当量（CE）计算公式为：CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

当CE<0.4%时，钢的焊接性良好。当CE=0.4~0.6%时，钢的焊接性较差。当CE>0.6%时，钢的焊接性差。

表11-6常见金属材料的可焊性比较二、碳钢的焊接（一）低碳钢的焊接低碳钢的含碳量小于0.25%，一般没有淬硬、冷裂倾向，所以低碳钢的焊接性良好。

（二）中碳钢的焊接中碳钢的碳当量在0.4%以上，淬硬倾向增大，焊接时一般要预热到150~250℃左右。（三）高碳钢的焊接高碳钢的含碳量大于0.60%，焊接性更差。这类钢一般不用来制作焊接结构件。三、合金钢的焊接（一）低合金高强度结构钢的焊接含碳量低，合金元素含量也较低，焊接性良好，焊接时一般不需要预热。对于强度级别大于390MPa的低合金高强度结构钢，一般都要进行预热。（二）不锈钢的焊接1.奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢具有较好的焊接性，一般不需要采取特殊的工艺措施。2.铁素体不锈钢的焊接主要问题是过热区晶粒长大引起的脆化和裂纹。3.马氏体不锈钢的焊接焊接性较差，其主要问题是焊接接头冷裂纹和淬硬倾向较大。四、铸铁的焊补（一）热焊把工件整体或局部预热到600~700℃，在焊接过程中保持预热温度，焊后缓慢冷却的焊接方法。（二）冷焊铸铁在冷焊时一般不预热或采用较低的温度预热。（一）铝及铝合金的焊接五、有色金属的焊接氩弧焊是熔焊中焊接铝及铝合金较为理想的焊接方法。（二）铜及铜合金的焊接焊接铜和铜合金常用的焊接方法有氩弧焊、气焊、埋弧焊和钎焊。氩弧焊是焊接铜和铜合金应用最广的熔焊方法。（三）钛及钛合金的焊接应用最多的是钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊，第五节焊接件的结构工艺性一、焊接结构材料的选择（一）载荷条件如果承受冲击载荷，应选择韧性较好的材料。（二）工作环境主要包括工作温度、工作介质情况。（三）体积和重量要求对体积和重量有要求的焊接结构，应选用比强度高的材料。（四）工艺性能包括金属的焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。（五）经济性二、焊接接头形式的确定焊接接头的基本形式：对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头。三、焊缝的布置根据焊缝在空间的位置不同，焊缝可分为平焊、横焊、立焊和仰焊等四种类型。焊接时，应尽量使焊缝处于平焊位置。3.焊缝应尽可能对称分布，尽量避免密集和交叉4.尽量减少焊缝的数量和焊缝的总长度5.焊缝应避开切削加工表面6.不同厚度的焊件在焊接时，应使接头处平滑过渡布置焊缝时考虑以下原则：1.焊缝位置应便于焊接操作2.焊缝应避开应力最大或者应力集中的部位第六节焊接件中常见的缺陷一、焊接缺陷概述优质的焊接接头应具备的条件：一是使用性能不低于母材；二是没有技术条件中规定不允许存在的缺陷。焊接过程中，在焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象，称为焊接缺陷。二、常见焊接缺陷的产生原因和防止措施（一）焊接裂纹1.焊接热裂纹2.焊接冷裂纹（二）未焊透填充金属与母材金属未熔合的缺陷。（三）