船舶焊接工艺船舶材料与焊接第五章1,2,3节

第五章、船舶焊接方法教学目标:１．主要介绍造船工业中常用的焊条电弧焊（SMAW)、埋弧焊自动焊(SAW)及气体保护焊(GSAW)等焊接方法.２．对其它焊接方法作简要介绍。第一节焊条电弧焊•一、焊条电弧焊的原理及特点•（一）焊条电弧焊的基本原理•焊条电弧焊（也称手工电弧焊）是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。它利用电弧产生的高温熔化焊条和焊件，使两块分离的金属熔合在一起，从而获得牢固的接头，其原理如图5-1所示。图5-1焊条电弧焊的原理示意图手工电弧焊的焊接过程手工电弧焊的焊接过程手工电弧焊焊接手工电弧焊焊接过程示意图过程示意图焊缝附近基体金属焊条药皮焊芯熔渣熔化焊缝CO2↑保护熔池电弧电弧•（二）焊条电弧焊的特点•1.设备简单、操作灵活•2.待焊接头装配要求低•3.可焊金属材料种类多•4.焊接生产率低•5.焊缝质量依赖性强•二、电焊条•（一）电焊条分类、组成和作用•分类：•（1）焊条按熔渣的化学性质分为两大类•1）酸性焊条：熔渣呈酸性，药皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化物。•2）碱性焊条：熔渣呈碱性，药皮的主要成分为CaCO3•和CaF2。•（2）焊条按用途共分为十大类：•结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条等，其中应用最广的是结构钢焊条。•组成：由药皮和焊芯两部分组成。•作用：焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又熔化•填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属。•药皮是压涂在焊条芯表面上的涂料层，焊接时形成熔渣及气体。药皮的主要作用是：(1)保护作用；•(2)冶金作用•(3)改善焊接工艺性能•（二）焊条的型号•主要介绍常用的低碳钢和低合金钢焊条型号的编制方法。•1、低碳钢焊条型号的编制(1)型号的第一字母“E”表示焊条(electrode)；(2)“E”后面的两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa；(3)“E”后面的第三位数字表示焊条的焊接位置；(4)“E”后面的第三位和第四位数字组合时表示焊接药皮类型及电流种类;(5)“E”后面的第五位有时附加“R”表示耐吸潮焊条；附加“M”表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；附加“-1”表示冲击韧性有特殊规定的焊条。低碳钢焊条型号举例：2、低合金钢焊条型号（1）“E”后面的两位数字焊条系列有50、55、60、70、75、85六种，分别表示熔敷金属抗拉强度的最小值490MPa（50Kgfmm2）、540MPa（55Kgfmm2）、590MPa（60Kgfmm2）、690MPa（70Kgfmm2）、740MPa（75Kgfmm2）、830MPa（85Kgfmm2）；；（2）“E”后面的第五位为后缀字母，表示熔敷金属的化学成分分类代号。A1表示碳钼钢焊条；B1、B2、B3、B4、B5表示铬钼钢焊条；D1、D2、D3表示锰钼钢焊条；G、M、M1、W表示其它合金焊条；（3）“E”后面的第六位为附加的化学元素符号，如不具有化学成分时，该项省略；（4）对于E50××—×、E55××—×、E60××—×型低氢焊条的熔敷金属的化学成分分类后缀字母，或附加化学成分后面加字母“R”时，表示耐吸潮焊条。•（三）常用焊条牌号的编制•主要介绍最常用的第一大类焊条，即结构钢焊条。•结构钢焊条（包括碳钢焊条和低合金焊条）的牌号用“J”字表示，“J”后面的第一、第二位数字表示焊缝金属的抗拉强度等级，其系列见表5-2；第三位数字表示焊条药皮类型和焊接电源种类，见表5-3；数字后面的符号表示焊条的特殊性能见表5-4，常用焊条牌号和型号的对照见表5-5。造船行业专用结构钢焊条通常在其牌号前加“C”，即“造船专用”，如CJ322,CJ422,CJ506等。（四）焊条的选用和保管1、选用原则（1）考虑母材的力学性能、化学成分和物理性能（2）考虑船体结构和构件受力情况（3）考虑结构的工作条件和使用性能（4）考虑劳动条件和劳动生产率2、保管干燥、避免受潮。特别是碱性焊条，每次使用前都要经烘干处理后才能使用。•三、焊条电弧焊工艺现代的钢质船舶都采用焊接结构。船体的板与板、骨架与骨架、板与骨架的连接组成了各种形式的焊接接头。•（一）焊接接头和焊缝的形式及坡口形式的选择•1.焊接接头的形式•焊接接头形式有：对接接头、T形接头、角接接头、搭接接头、十字接头、端接接头、套接接头、卷边接头、锁底接头及塞焊接头等几种。其中常用的焊接接头形式有：对接接头、角接接头、T形接头以及搭接接头四种。a）对接接头b）角接接头c)T形接头d)搭接接头•2.焊缝的形式•（１）按焊缝在空间位置的不同可分为平焊缝、立焊缝、横焊缝及仰焊缝等四种形式如图5-5所示。•（２）按焊缝结合形式不同可分为对接焊缝、角焊缝及塞焊缝三种形式；如图5-6所示。••（３）按焊缝断续情况可分为连续焊缝和断续焊缝两种，断续焊缝又可分为交错式焊缝和并列式焊缝两种如图5-7所示。•3.船体焊接坡口形式的选择•开坡口是为保让电弧能深入焊缝根部，使根部焊透，获得较好的焊缝成形。•1）坡口形式主要根据接头形式、钢板厚度、焊接方法、施工方便性、经济性及加工坡口的设备条件等因素来选择。按照构件厚度和坡口准备的不同，对接接头一般有I形、V形、X形、U形、双U形、单边V形、单边U形、k形坡口等几种形式。常用的坡口形式及其适用板厚如图5-3所示。•图5-3对接焊缝坡口形式•2）船体结构中的角焊缝一般均不开坡口，但对承受较大的载荷、高应力及对结构强度有特殊要求的角焊缝（例如主机基座及舷顶列板与强力甲板边板的角焊缝）则应根据“规范”规定或设计要求开单边V形或K形坡口。•••3）厚度为6～30mm钢板的对接可选用V形坡口；厚度为12～60mm钢板的对接可选用X形坡口；U形坡口基于加工困难，必要时仅在厚度大于40mm钢板及铸钢件的对接时使用。•4）在胎架或船台上装焊的板缝，当选用V形坡口时，开坡口的一则一般应位于没有骨架的一面。带仰焊的板缝，可选用不对称的X形坡口或预先用焊条电弧焊打底的自动焊接头形式，对坡口尺寸的选定应考虑尽量减小手工仰焊的工作量，并为气刨、焊接的操作提供方便。•（二）焊接规范参数•焊条电弧焊的焊接规范，主要是对焊接电流的大小和焊条直径的选择，至于焊接速度和电弧长度，通常由焊工根据焊条牌号和焊缝所在空间的位置，在施焊过程中适度调节。•1.焊条直径的选择•焊条直径主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置、焊层（道）数等因素。根据焊件厚度平焊时焊条的选用原则：一般当焊件板厚t≤4mm时，焊条直径d=t；当t4mm时，常采用多层焊，焊条直径为4mm-6mm。立焊时，焊条直径一般不超过5mm；仰焊时则不应超过4mm。•2.焊接电流的选择•焊接电流大小根据焊条直径来选择。焊接电流选择亦可用经验公式进行估算，估算公式为：I=（30～55）d，式中I-焊接电流（A）；d-焊条直径（mm）；总之，在保证焊缝质量的前提下，应尽量采用较粗的焊条，较大的焊接电流，并适当提高焊接速度，以提高生产率。•（三）焊条电弧焊设备•焊条电弧焊的电源设备分三类：包括交流电弧焊电源、直流弧焊电源、逆变弧焊电源。•（四）高效焊条电弧焊•下面介绍目前我国造船厂已推广应用的几种高效焊条电弧焊的方法。•1.高效焊条和专用焊条•1）高效率铁粉焊条•2）立向下焊专用焊条•2.高效率重力焊接法•3.焊条电弧焊单面焊双面成形第二节埋弧自动焊•埋弧自动焊是船舶建造中使用最广泛的一种生产率较高的机械化焊接方法。本节将主要介绍埋弧自动焊的原理、特点及应用范围；埋弧自动焊所用的焊接材料及焊接工艺；最后简要介绍高效埋弧自动焊方法。•一、埋弧自动焊的原理、特点及应用范围•（一）埋弧自动焊的焊接过程及原理•电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊。图5－11埋弧焊纵向截面图图5-12埋弧焊过程示意•埋弧自动焊：是利用专门的机械设备自动完成手工电弧焊中的•引燃电弧、送进焊条以及移动电弧等焊接动作，•并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。•焊接过程：埋弧焊的焊接过程可概括为：自动送丝；引弧；焊剂•自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。•（二）埋弧焊的特点及应用范围•1．埋弧焊的主要优点：•（1）焊接生产率高•（2）焊缝质量好•（3）焊接成本较低•（4）焊件变形小•（5）劳动条件好•2．埋弧焊的主要缺点：•（1）难以在空间位置施焊•（2）由于埋弧焊所用焊剂的主要成分是SiO2、MnO等，难以用于焊•接铝、钛等易氧化的金属及其合金。•（3）对焊件装配质量要求高•（4）不适合焊接薄板和短焊缝•3．应用范围•总之，埋弧焊适用于低碳钢及合金结构钢中厚板水平长焊缝的焊接•二、埋弧自动焊焊接材料焊丝与焊剂焊丝与焊剂焊接材料焊剂焊丝熔炼焊剂陶瓷焊剂相当于焊芯相当于药皮熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产；陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。•三、埋弧自动焊工艺•（一）埋弧焊的焊前准备•埋弧焊的焊前准备包括焊件的坡口加工、焊件的清理与装配、焊丝表面清理及焊剂烘干、焊机检查与调整等工作。•（二）埋弧自动焊的工艺方法•1．对接接头的埋弧焊•（1）双面埋弧焊•1）不留间隙双面焊；•2）预留间隙双面焊，如图•5－13所示；•3）开坡口双面焊；•4）焊条电弧焊封底双面焊。图5－13焊剂垫结构原理1－焊件；2－石棉板；3－焊剂；4－充气橡皮管；5－熔渣。•（2）单面埋弧焊(单面焊双面成形自动焊)•1）在铜衬垫上焊接，如图5－14所示；•2）在焊剂垫上焊接；•3）在热固法焊剂垫上焊接。•（3）对接接头环缝埋弧焊图5－14铜衬垫法a)铜衬b)焊剂—铜垫图5－17环缝埋弧焊焊丝偏移位置示意图•2．T形接头和搭接接头的埋弧焊•T形接头和搭接接头的焊缝均是角焊缝，用埋弧焊时可采用船形焊和横角焊两种形式,如图5－22所示。小焊件及焊件易翻转时则用船形焊；大焊件及焊件不易翻转时则用横角焊。图5－18T形接头和搭接接头的埋弧焊a)船形焊缝埋弧焊示意图b)横角焊缝埋弧焊示意图•（三）埋弧自动焊的工艺参数•1．焊接电流•当其它条件不变时，焊接电流的增加，则焊缝熔深和余高都增加，而焊缝宽度几乎保持不变（或略有增加）。电流是决定熔深的主要因素。焊接电流对焊缝成形的影响B-熔宽；H-熔深；a-余高•2．焊接电压•其它工艺参数不变时，焊接电压对焊缝成形影响是电弧电压增大，则焊缝宽度显著增加而焊缝熔深和余高略有减少，所以焊接电压是决定熔宽的主要因素。电弧电压对焊缝成形的影响B-熔宽；H-熔深；a-余高•3．焊接速度•其它参数不变时，焊接速度增加时，焊缝熔深和焊缝宽度都大为下降。•4．焊丝直径与伸出长度•焊接电流不变时，减少焊丝直径，因电流密度增加，熔深增大，焊缝成形系数减少。焊丝伸出长度增加时，熔敷速度和熔敷金属增加。•5．焊丝倾角•单丝焊时焊件放在水平位置，焊丝与工件垂直，当采用前倾焊时，焊缝成形系数增加，熔深浅，焊缝宽，一般适用于薄板焊接，焊丝后倾时，焊缝成形不良，一般只用于多丝焊的前导焊丝。•6．焊件位置的影响•当进行上坡焊时，与焊丝前倾作用相同；下坡焊的情况正好相反。•四、埋弧自动焊设备•埋弧自动焊机主要由焊接电源、控制箱、焊接小车三部分组成，适合于水平位置或水平面倾斜不大于15°的各种对接、角接和搭接接头的焊接，也可借助滚轮转胎焊接圆筒形焊件的内外环逢。目前国内使用最普通的埋弧焊机是MZ-1000型和MZ1-1000型两种。图5－19MZ-1000型埋弧自动焊小车•第三节气体保护焊•主要介绍船厂常用的二氧化碳气体保护焊和氩弧焊•一、CO2气体保护焊•（一）CO2气体保护焊的原理、特点及应用•二氧化碳气体保护焊（也称CO2焊）在我国造船行业已经发展成为一种重要的焊接方法，并已逐步取代焊条电弧焊。•1．CO2焊的基本原理•CO2焊是用CO2作为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种电弧焊接法。图5－26CO2焊的基本原理示意图•2、CO2焊的特点及应用优点：（1）焊接成本低；（2）生产率高；（3）抗锈能力强；（4）焊接变形小；（5）操作性能好；（6）适用范围广。不足：（1）金属飞溅较多，