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©2004金工教研室机械制造基础机械制造基础金工教研室制造科学与工程学院2005年春季学期第四讲：焊接工艺常识©2004金工教研室机械制造基础第四讲：焊接工艺常识•焊接工艺–永久性连接–起源于一次世界大战后（凡尔赛公约）•现代工业的基础工艺–造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车•基本焊接方法–电弧焊：属于熔化焊–其他焊接方法：压力焊、钎焊©2004金工教研室机械制造基础本讲内容•一、电弧焊工艺常识•二、焊条电弧焊•三、特种焊接工艺方法•四、金属材料的焊接性•五、焊接结构设计•六、连接技术©2004金工教研室机械制造基础一、电弧焊工艺常识•1、焊接电弧–气体介质中导电现象©2004金工教研室机械制造基础焊接电弧的热量•热量来源于–阳极43％–阴极36％–弧柱21％•热量扩散–65％～85％•加热熔化金属–其余•散失在电弧周围•飞溅的金属液阳极阴极弧柱©2004金工教研室机械制造基础2、正接和反接•温度：–阳极：2600K–阴极：2400K–电弧中心：6000K－8000K•直流焊接–正接法：工件温度高–反接法•交流焊接：两极温度均为2500K•引弧电压：50－90V•电弧电压：16－35V©2004金工教研室机械制造基础3、焊接接头的组织与性能•焊接工件上温度的变化与分布©2004金工教研室机械制造基础焊接接头组织低碳钢焊缝焊接热影响区©2004金工教研室机械制造基础4、焊缝•从熔池底向中心凝固–各个方向凝固速度不同–柱状铸态组织–铁素体＋少量珠光体–杂质集中在焊缝中心，影响焊缝质量©2004金工教研室机械制造基础焊缝的热影响区•1－融合区–0.1~1mm，关键•2－过热区–脆性比融合区更大•3－正火区–力学性能优于母材•4－部分相变区–比正火区稍差•不同焊接方法热影响区宽度不同•焊后正火改善接头性能©2004金工教研室机械制造基础5、焊接应力与变形•极不平衡的热循环过程•应力分布规律–先冷受压，后冷受拉©2004金工教研室机械制造基础消除焊接应力•提高母材塑性•避免焊缝交叉•避免焊缝过宽过长•合理焊接顺序–先焊短焊缝–后焊长焊缝•预热焊件、振动焊缝•焊后退火©2004金工教研室机械制造基础焊接变形•收缩变形•角变形•弯曲变形•扭曲变形•波浪变形©2004金工教研室机械制造基础防止焊接变形•减小焊接应力•提高结构刚度•对称焊缝分布•焊前反变形©2004金工教研室机械制造基础防止焊接变形•合理焊接操作–平衡温度分布–利用变形©2004金工教研室机械制造基础防止焊接变形•焊后校正©2004金工教研室机械制造基础二、焊条电弧焊•焊条电弧焊过程•药皮燃烧：–电弧周围气体：CO2、CO、H2–熔池中熔渣，冷却形成渣壳–保护熔池中的熔化金属©2004金工教研室机械制造基础1、电焊条•焊芯–导电和填充焊缝–焊接用钢丝•低碳钢、合金结构钢、不锈钢•药皮–焊接过程顺利进行–焊缝化学成分、力学性能©2004金工教研室机械制造基础焊条药皮•作用–提高电弧燃烧的稳定性–防止空气对熔化金属的有害作用–对熔池脱氧、加入合金元素•保证焊缝金属的化学成分和力学性能–稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、稀渣、粘接原料种类原料名称作用稳弧剂碳酸钾、碳酸钠、长石、大理石、钛白粉、钠水玻璃、钾水玻璃改善引弧性能、提高电弧燃烧的稳定性造气剂淀粉、木屑、纤维素、大理石造成一定量的气体，隔绝空气，保护焊接熔滴与熔池造渣剂大理石、长石、萤石、菱苦石、锰矿、钛铁矿、粘土、钛白粉、金红石造成具有一定物理化学性能的熔渣，保护焊缝，碱性渣中的CaO可脱硫、磷©2004金工教研室机械制造基础焊条药皮的作用©2004金工教研室机械制造基础焊条种类•按化学成分分成七大类–碳钢、低合金钢、不锈钢、堆焊、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金•焊条型号–E4303：•E碳钢焊条•43：焊缝抗拉43kgf/mm2•0：(0/1)全位置焊接、(2)平焊、(4)向下立焊•03：3、4为组合表示焊接电流种类和药皮类型，03为钛钙型药皮、交流或直流©2004金工教研室机械制造基础焊条种类•焊条牌号–J422、J507•J：结构钢焊条（奥氏体不锈钢A、铸铁Z）•42：抗拉强度等级MPa（50、55、60、70、80）•2：药皮和电流种类©2004金工教研室机械制造基础焊条种类•按熔渣性质–酸性焊条•酸性氧化物比碱性氧化物多•适合各种电源、易操作、电弧稳定、成本低•焊缝塑性韧性差、不宜用于重要构件–碱性焊条•焊缝塑性韧性好、抗冲击能力强•要求直流电源、操作性差、电弧不够稳定、价格高，适于重要构件©2004金工教研室机械制造基础焊条选用原则•选择依据：根据焊件–化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀耐高温性能–结构形状、受力情况、焊接设备条件•低碳钢和低合金钢构件：根据强度（两构件强度较低者为准）•酸性/碱性：根据重要性•铸铁：碱性焊条和适当工艺（预热）•不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条©2004金工教研室机械制造基础2、埋弧焊埋弧焊演示©2004金工教研室机械制造基础埋弧焊特点•大电流（1000A）、生产率高•焊接质量高且稳定•节约金属–热量集中、可无坡口、无焊条头、飞溅少•改善劳动条件–无弧光、烟雾•自动化程度高•工艺装备复杂，适合批量生产©2004金工教研室机械制造基础焊丝与焊剂•焊丝焊剂决定焊缝化学成分、力学性能•熔炼焊剂、陶质焊剂©2004金工教研室机械制造基础埋弧焊工艺•仔细下料、准备（清理）坡口、装配•引弧板与引出板－焊后去掉©2004金工教研室机械制造基础防止烧穿－焊剂垫、垫板©2004金工教研室机械制造基础环缝焊接©2004金工教研室机械制造基础3、气体保护焊－氩弧焊©2004金工教研室机械制造基础气体保护焊－CO2保护焊©2004金工教研室机械制造基础4、等离子弧焊接与切割•电弧压缩–机械压缩–热压缩–电磁收缩•中心区域温度极高–16000K•焊接/切割熔点很高的金属–不锈钢–钛、钨©2004金工教研室机械制造基础5、焊接自动化•数控轨迹控制•焊接质量监控©2004金工教研室机械制造基础焊接机器人焊接机器人演示©2004金工教研室机械制造基础用电弧焊焊接钢板的问题•如图拼焊一张大钢板–焊缝布置合理吗？–如何改进？•对称，错开–如何合理安排焊缝顺序？•先短后长12345678©2004金工教研室机械制造基础三、特种焊接工艺方法•简略了解其它焊接方法–电阻焊、摩擦焊、钎焊、电渣焊–真空电子束焊接、激光焊接•讨论–可以用于焊接的能源形式©2004金工教研室机械制造基础1、电阻焊•电阻热–Q=I2Rt•特点–生产率高、焊接变形小–操作简便、易实现自动（汽车外壳焊接）–设备复杂、耗电量大–接头形式、工件厚度受到限制•点焊、缝焊、对焊©2004金工教研室机械制造基础点焊•局部高温焊合•分流现象•焊点的分布最小距离限制©2004金工教研室机械制造基础点焊的接头形式•硬规范•软规范•电极压力•表面清洗•接头形式©2004金工教研室机械制造基础缝焊©2004金工教研室机械制造基础对焊©2004金工教研室机械制造基础对焊接头形式©2004金工教研室机械制造基础讨论这个问题•铜及铜合金可以采用电阻焊吗？©2004金工教研室机械制造基础2、摩擦焊©2004金工教研室机械制造基础摩擦焊的接头形式©2004金工教研室机械制造基础3、钎焊•焊接过程示意图－毛细管作用©2004金工教研室机械制造基础钎焊•硬钎焊–450℃以上、接头强度200MPa以上–自行车架、工具、刀具•软钎焊–450℃以下、接头强度70MPa以下–仪表、导电元件、各种低载荷构件•加热方式–烙铁、火焰、电阻、感应©2004金工教研室机械制造基础钎焊的常见接头形式©2004金工教研室机械制造基础钎焊接头的比较©2004金工教研室机械制造基础4、电渣焊©2004金工教研室机械制造基础5、真空电子束焊接©2004金工教研室机械制造基础6、激光焊接©2004金工教研室机械制造基础题外话：关于铝热剂•什么是铝热剂–通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂–用某些金属氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替氧化铁也可以做铝热剂•有什么特性–难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放出大量热•有什么用？©2004金工教研室机械制造基础焊接钢轨•原理–铝热反应公式示例：使用铝粉可还原氧化铁•Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3–还原反应产生大量的热能，无需外部的能源，就能熔化金属，可以用来焊接钢轨•优点–这些原料完全彻底地和合金元素混合在一起形成铝热剂，它可以组成与钢轨化学、冶金、和机械方面相匹配的焊接接头©2004金工教研室机械制造基础焊接钢轨•过程–铝热剂被投入到一个耐火坩埚中，用点火器点燃，开始铝热反应。–反应结束后，液态钢自动从坩埚底部释放到耐火模具，从而连接钢轨的两端。–模具带有几何形状特征，能控制铸造和固化的过程。–当铝热钢冷却下来后，进行进一步的热处理来提高它的机械特性。©2004金工教研室机械制造基础铝热焊设备©2004金工教研室机械制造基础其它用途•冶炼难熔金属•军事用途–在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分，可极大地提高杀伤力。–在前苏联科学家编写的《火箭炮》一书中，谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分。–在中国人民革命军事博物馆里，展品中就有美军的钢盔、卡宾枪、被烧熔在一起，除了火箭弹以外，其它炸弹没有如此大的能量。©2004金工教研室机械制造基础选择焊接方法•自行车车架•钢窗•家用液化气罐主缝•自行车圈•电子线路板•锅炉壳体•钢轨对接•不锈钢储罐硬钎焊（盐浴）硬钎焊、对焊、电弧焊缝焊缝焊外边、闪光对焊软钎焊埋弧焊、电渣焊闪光对焊、铝热焊等离子弧焊接、氩弧焊©2004金工教研室机械制造基础四、金属材料的焊接性•焊接性概念–设定相同（焊接方法、材料、参数、结构）–易焊、难焊：获得优质焊接接头的难易程度•焊接性并非一定–焊接方法、焊接材料、焊接工艺•评定方法–工艺焊接性：出现工艺缺陷的倾向–使用焊接性：使用中的可靠性（力学、特殊性能要求）©2004金工教研室机械制造基础钢材焊接性的估算•碳当量计算公式•计算结果–0.4%：良好–0.4%～0.6%：相对较差–0.6%：焊接性不好©2004金工教研室机械制造基础小型抗裂实验法©2004金工教研室机械制造基础碳钢焊接•低碳钢（C%0.25%）–焊接性好、淬硬倾向小、无需特别处理–大于50mm多层焊接－应力、变形开裂–焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊电阻焊–保证焊接接头与母材等强度•焊条：E4313(J421)E4303(J422)E4315(J427)等•埋弧焊丝/焊剂：H08A(H08MnA)/431©2004金工教研室机械制造基础碳钢焊接•中碳钢：C%＝（0.25%～0.6%）–焊接性变差、淬硬倾向变大–工艺特点：•容易开裂：冷裂纹、热裂纹•必须预热，减小工件各个部分的温差•细焊条、小电流、开坡口多层焊接–焊条电弧焊、电渣焊（厚件）–选择抗裂能力较强的低氢型焊条、等强度•焊条：E5016(J506)、E6015－D1(J607)©2004金工教研室机械制造基础合金钢焊接•合金结构钢焊接件较少–工艺与中碳钢近似•低合金结构钢焊接工艺特点–热影响区的淬硬倾向：合金含量大小–焊接接头的裂纹倾向：•冷裂纹倾向大小：含氢量、淬硬程度、应力•热裂纹倾向不大（我国合金都含Mn）–强度级别决定工艺•低：同低碳钢–低温大厚度高刚度构件：大电流、慢速、低氢焊条、退火•高：焊前预热、焊后先消氢处理，再退火处理©2004金工教研室机械制造基础铸铁补焊•铸铁焊接性很差，只能进行补焊•焊接特点–焊缝易形成白口、难以切削加工–易开裂、易产生气孔–流动性好，只能进行平焊•热焊法（600～700）：–防止开裂，补焊后可切削加工•冷焊法（450以下）©2004金工教研室机械制造基础非铁金属及其合金的焊接•铜及铜合金–困难•导热性太好，容易焊不透•易氧化、易开裂、易形成气孔•电阻很小，难以采用电阻焊•铜合金比纯铜更难焊接–氩弧焊（紫铜、青铜）–气焊（黄铜）、碳弧焊、钎焊©2004金工教研室机械制造基础非铁金属及其合金的焊接•铝及铝合金–