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材料成型技术基础焊接成形技术(二)童幸生2004年8月电弧焊工艺基础知识电弧焊焊接材料电弧焊接的冶金过程焊接接头的组织与性能金属的焊接性焊接的应力与变形焊接变形的防止与矫正电弧焊焊接材料不同的焊接方法，其焊接材料是不同的。手工电弧焊的焊接材料是电焊条。埋弧自动焊的焊接材料是焊丝和焊剂。1、手工焊焊接材料：1）电焊条的组成与作用2）焊条的选择电焊规范选择（1）焊芯：是焊条中被药皮包覆的金属芯。手工焊时，焊芯既是电极，又是填充金属。焊芯材料是经过特殊冶炼，有专门牌号的材料,如结构钢焊芯的牌号为H08A。（2）药皮：是压涂在焊芯表面上的涂料层。是由多种矿石、铁合金、纤维素以及粘结剂组成，药皮的种类、名称及作用详见下表2）焊条的种类：按国家标准、将焊条按用途划分为十大类。详见下表3)焊条的选用：根据焊接规范进行选择4）焊条的酸、碱性：焊条按其药皮的性质分为酸性焊条、碱性焊条大类。药皮中含有多量酸性氧化物的焊条为酸性焊条.药皮中含有多量碱性氧化物的焊条为碱性焊条，（1）酸性焊条适合于焊接一般的结构钢，工艺性能好、机械性能差。（2）碱性焊条焊成的焊缝金属中有害元素（如`S、P）含量低，抗裂性好、强度高。适合于焊重要的结构钢与合金钢。但工艺性能差、抗气孔的能力差。因此，采用碱性焊条时，必须将焊件在焊缝处的油污、铁锈清除干净，并烘干焊条去除水分。2、埋弧焊焊接材料：（1）焊丝：除作为电极和填充金属外，还有渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。（2）焊剂：呈现玻璃状颗粒，主要起保护作用；还有渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。如表所示。电弧焊接的冶金过程焊接冶金过程一、焊缝金属氧化：在焊接冶金反应中，金属与氧的作用对焊接影响最大。焊接时，由于电弧高温作用，氧气分解为氧原子，氧原子要和多种金属发生氧化反应，如：Fe＋O→FeOMn＋O→MnOSi＋2O→SiO22Al＋3O→Al2O3在焊接过程中，我们将一定量的脱氧剂，如Ti、Si、Mn等加在焊丝或药皮中，进行脱氧使其生成的氧化物不溶于金属液而成渣浮出，提高焊缝质量。二、氢的影响：在焊接冶金反应过程中，氢易在焊缝中造成气孔。另外、固态焊缝中多余的氢也会在焊缝中的微缺陷处集中形成氢分子，这种氢的聚集往往在微小空间内形成局部的极大压力，使焊缝变脆（氢脆）。三、氮的影响：氮在液态金属中也会形成脆性氮化物，其中一部分以片状夹杂物的形式残留于焊缝中，另一部分则使钢的固溶体中含氮量大大增加，使焊缝严重脆化。四、焊缝的冶金特点：焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼的过程，它与炼钢和铸造冶金过程比较，有以下特点：1、金属熔池体积很小，熔池处于液态的时间很短（10s左右），各种冶金反应进行得不充分（例如冶金反应产生的气体来不及析出）。2、熔池温度高，使金属元素产生强烈的烧损和蒸发。同时，解池周围又被冷的金属包围，使焊缝处产生应力和变形，严重时甚至会开裂。五、保证焊缝质量采取的工艺措施：1、减少有害元素进入熔池。其主要措施是机械保护，如气体保护焊中的保护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及焊条药皮产生的气体和熔渣等，使电弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进入。此外，还应清理坡口及两侧的锈、水、油污；烘干焊条，去除水分等。2、清除已进人熔池中的有害元素，增添合金元素。主要通过焊接材料中的铁合金等，进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金，从而保护和调整焊缝的化学成分。焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能1、焊接接头的组成：焊接接头分为焊缝区与热影响区。2、焊缝区：是由熔池内的液态金属凝固而成的。它属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶。硫、磷等低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的强度一般不低于母材。3、热影响区：材料因受热的影响而发生金相组织和力学性能变化的区域，称为热影响区。它包括：熔合区、过热区、正火区、部分相变区。不同的区域有不同的组织，不同的性能。如图所示热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范和接头形式等因素。在热源热量集中、焊接速度快时，热影响区就小。所以电子束焊的热影响区最小总宽度一般小于1mm。气焊的热影响区总宽度一般达到27mm。金属的焊接性一、金属的焊接性的基本概念：指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。可焊性受焊接材料、焊接方法、构件类型及使用要求等四个方面因素的影响，它包含工艺焊接性和使用焊接性两方面内容。前者说明该金属材料能不能焊接问题，后者说明焊接后能不能使用问题。l）工艺焊接性：工艺焊接性是指在某一焊接工艺条件下，能得到优质焊接接头的能力。它不是金属材料所固有的性能，可随着新的焊接方法、焊接材料和工艺措施的不断出现及其完善而变化。某些原来不能焊接或不易焊接的金属材料也会变成能够焊接或易于焊接。如铝及铝合金，若采用焊条电弧焊或气焊时，难以获得优质焊接接头，此时该类金属的焊接性差，但改用氩弧焊焊接，则焊接接头质量良好，此时的焊接性好。工艺焊接性可由碳当量法来判定：碳当量是把钢中合金元素（包括碳）含量按其对淬硬、冷裂及脆化等的影响换算成碳的相当含量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标，用符号Ceq表示。国际焊接学会推荐的碳钢和低碳钢适用的碳当量计算公式为Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Mi+Cu)/15(%)式中化学元素的含量均为百分数。Ceq大，则钢的工艺焊接性越差。根据实践经验，当Ceq＜0．4时，钢的工艺焊接性良好；Ceq在O．4％－0．6％时，钢的工艺焊接性中等。Ceq＞o．6％时，钢的工艺焊接性较差。2）使用焊接性：是指整个焊接接头或整体结构满足技术条件规定的使用性能的程度。其中包括力学性能、缺口敏感性及耐腐蚀性能等。焊接的应力与变形1、产生的原因：焊接对焊缝区不均匀的加热和冷却是产生焊接应力和变形的根本原因。现以平板对接为例分析焊前与焊后的应力状况。焊接时，焊缝区被加热到很高的温度，离焊缝越远，温度越低。根据金属热胀冷缩的规律，如果各部分的金属能自由膨胀而不受周围金属的阻碍，则焊缝区将产生最大的纵向伸长量，但平板是一个整，不可能自由膨胀，平板端面只能均衡地伸长△L。于是焊缝区的高温金属就会被压缩而产生一定量的压缩塑性变形，同时存在一部分压缩弹性变形，即存在部分压应力。远离焊缝区的两侧金属则受到拉应力，而使构件应力处于平衡。冷却时，由于焊缝附近金属在焊接过程中已发生了不可恢复的压缩塑性变形，它同样受到两侧金属的约束。为保持整体的一致性，而均衡地收缩了△L‘，且焊缝区要产生一定量的弹性拉伸，两侧金属产生一定量的弹性压缩。于是在焊缝区及其附近的金属中就存在拉应力，在两侧金属中则存在压应力。构件中的应力处于平衡状态。由此可知，平板对接焊后比焊前缩短了△L’，同时焊缝区产生了拉应力，远离焊缝的两侧金属受压应力。即室温下保留下来的焊接应力与变形。2、变形的种类：１）收缩变形：２）角变形：３）弯曲变形：４）扭曲变形：５）波浪形变形：焊接变形的防止与矫正1、防止焊接变形的措施：（1）设计结构时，焊缝布置和坡口形式尽可能对称，焊缝截面和长度尽可能小，这样加热少，变形小。（2）焊前组装时采用反变形法。经验估算的焊接变形方向和大小，在组装时使工件反变形，以抵消焊接变形。（3）采用刚性固定法，限制产生焊接变形。但刚性固定会产生较大的应力。（4）采用合理的焊接顺序。2、矫正焊接变形的方法：矫正变形的基本原理是产生新变形抵消原来的焊接变形。1）机械矫正法：机械矫正法是用机械加压或锤击的冷变形方法，产生塑性变形来矫正焊接变形。2）火焰矫正法：火焰加热矫正法相反，它是利用火焰局部加热后的冷却收缩，来抵消该部分已产生的伸长变形。加热部位必须正确。火焰加热矫正的加热温度一般为600－800℃。3、减少和消除焊接残余应力的措施：①结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度也要尽可能小。②将焊件预热到350－400℃后再进行焊接，是一种减少焊接应力的有效方法。④去应力退火加热温度为550-650℃，该方法可消除残余应力的80﹪左右，是最常用最有效的方法。