过程装备制造第5讲焊接方法和工艺

主讲：曲延鹏机械工程学院过控研究所(8#508)(88395100（O）13964066875Email：[e-mail]过程装备制造技术本讲主要内容CH5-2常用焊接方法及其焊接工艺1手工电弧焊2埋弧自动焊3气体保护焊4电渣焊5窄间隙焊6焊接材料的选择思考题1.手工电弧焊的设备、工艺和特点2.埋弧自动焊的设备、工艺和特点3.CO2气体保护焊的设备、工艺和特点4.钨极氩弧焊的设备、工艺和特点5.焊接材料的种类以及选择的原则常用焊接方法的代号焊接方法字母代号焊接方法字母代号手工电弧焊S冷压焊L氩弧焊A埋弧自动焊Z气焊Q埋弧半自动焊B电渣焊DCO2保护焊C手工电弧焊手工电弧焊手工电弧焊的基本原理手工电弧焊是利用电弧放电(俗称屯弧燃烧)所产生的热量，将焊条与工件熔化，冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的过程。在工件与焊条两极之间的气体介质中持续强烈的放电现象称为电弧。手工电弧焊焊接时，电弧中心部分的温度可达5000～8000℃，两极的温度可达3500～4200℃。手工电弧焊的焊接过程①引弧②形成熔池③形成焊缝设备-焊机三大类：孤焊变压器(交流电焊机)、弧焊发电机(直流电焊机)、弧焊整流器选择弧焊设备首先要考虑的是焊条涂层(药皮)类型和被焊接头、装备的重要性。设备-焊钳,焊接电缆选择焊钳,焊接电缆主要考虑的是允许通过的电流密度焊钳要绝缘好，轻便。焊接电缆应采用多股细铜线电缆,电缆截面可根据焊机额定焊接电流(如表)选择,电缆长度一般不超过30米设备-面罩是防止焊接时的飞溅,弧光及其辐射对焊工的保护工具,有手持和头盔式,面罩上的护目遮光镜片可按表选择焊条的组成1.电焊条的组成及作用电焊条焊条芯药皮焊缝的填充材料—填充焊缝电极传导电流—导电机械保护的作用冶金的作用稳定电弧的作用焊条芯药皮2.药皮的种类：①氧化钛型；②氧化钛钙型；③钛铁矿型；④氧化钛型；⑤纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。焊条的组成焊条=金属焊芯+表面药皮涂层焊芯：作为电极，产生电弧，并传导焊接电流，焊芯熔化后作为填充金属成为焊缝的一部分。钢焊条的焊芯采用专门的焊接用钢丝，焊条直径是由焊丝直径来表示的，一般为1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.0、8.0mm等规格，长度为300～450mm。药皮：压涂在焊芯表面的涂料层，它的主要作用是保证电弧稳定燃烧；造气、造渣以隔绝空气，保护熔化金属；对熔化金属进行脱氧、去硫、渗合金元素等。焊条药皮的组成物按其作用分为稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂等，由矿石、铁合金、有机物和化工产品四大类原材料粉末，如碳酸钾、碳酸钠、大理石、萤石、锰铁、硅铁、钾钠水玻璃等配成。焊丝焊条的种类根据熔渣化学性质不同，焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条：熔渣中以酸性氧化物为主，氧化性强，合金元素烧损大，故焊缝的塑性和韧度不高，且焊缝中氢含量高，抗裂性差，但酸性焊条具有良好的工艺性，对油、水、锈不敏感，交直流电源均可用，广泛用于一般结构件的焊接。碱性焊条（又称低氢焊条）：药皮中以碱性氧化物以莹石为主，并含较多铁合金，脱氧、除氢、渗金属作用强，与酸性焊条相比，其焊缝金属的含氢量较低，有益元素较多，有害元素较少，因此焊缝力学性能与抗裂性好，但碱性焊条工艺性较差，电弧稳定性差，对油污、水、锈较敏感，抗气孔性能差，一般要求采用直流焊接电源，主要用于焊接重要的钢结构或合金钢结构。2019/10/3国家标准局将焊条按化学成分划分若干大类，焊条行业统一将焊条按用途分为十类,如表所示2019/10/3焊条牌号行业统一代号。其表示方法为：以大写拼音字母或汉字表示焊条的类别，后面跟三位数字，前两位表示焊缝金属的性能，如强度、化学成分、工作温度等第三位数字表示焊条药皮的类型和焊接电源。焊条牌号举例如下：J422（结422）：“J”（“结”）表示结构钢焊条“42”表示熔敷金属的抗拉强度（σb）不低于420MPa（43kgf/mm2），“2”表示氧化钛钙型药皮，交流、直流电源均可使用。Z248（铸248）：“Z”（“铸”）表示铸铁焊条，“2”表示熔敷金属主要化学成分的组成类型（铸铁），“4”是牌号编号，“8”表示石墨型药皮，交流、直流电源均可使用。焊条药皮类型及焊接电源种类，见表2019/10/3焊条型号国家标准代号。碳钢焊条型号见国家标准GB5117-85，如E4303、E5015、E5016等，其编制方法是“E”表示焊条，前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度值（kgf/mm2）；第三位数字表示焊条使用的焊接位置：“0”、“1”均表示适用于全位置焊接，“2”表示适用于平焊和平角焊，“4”表示适用于向下立焊；第三、第四位数字组合表示焊接电流的种类和焊条药皮类型。2019/10/3焊条：焊芯+药皮P81表5-12节选2019/10/3焊条的选择原则（1）考虑母材的力学性能和化学成分焊接低碳钢和低合金结构钢时，应根据焊接件的抗拉强度选择相应强度等级的焊条，即等强度原则；焊接耐热钢、不锈钢等材料时，则应选择与焊接件化学成分相同或相近的焊条，即等成分原则。（2）考虑结构的使用条件和特点对于承受动载荷或冲击载荷的焊接件，或结构复杂、大厚度的焊接件，为保证焊缝具有较高的塑性和韧度，应选择碱性焊条（3）考虑焊条的工艺性对于焊前清理困难，且容易产生气孔的焊接件，应当选择酸性焊条2019/10/3焊接规范的选择-1焊接参数：为保证焊接质量而选定的参数焊接规范：焊接工艺过程中所选择的各个焊接参数的综合基本的焊接规范：焊接电流、焊接电弧电压、焊接速度（单位时间内焊接的焊缝长度）、焊接线能量、焊条（埋弧焊为焊丝）直径、多层焊的层数、焊接冷却时间、焊接预热温度等。2019/10/3焊接规范的选择-2焊条直径根据焊工件的厚度选择，还要考虑接头形式、焊接位置、焊接层数等影响水平焊对接时焊条直径的选择见表5-14作焊接工艺评定的重要焊接结构（JB4708-92）2019/10/3焊接规范的选择-３焊接电流：最主要工艺参数，焊接质量关键。根据焊条直径来选择焊接电流范围，同时还要考虑板厚、接头形式、焊接位置、施焊环境温度、工件材质等因素。适当采用较大的焊接电流，提高生产效率。焊接电弧电压：电弧长度决定电弧过长不稳定、熔深浅、熔宽增加，易产生咬边等缺陷，空气易侵入，易产生气孔，飞溅严重，浪费焊条、电能，效率低。尽量采用短弧焊接，电弧长度一般为2~6mm。焊接速度：保证焊缝熔透，尽量采用较大的焊接速度（可达60-70cm/min）2019/10/3焊接规范的选择-4焊条层数：n=δ/d焊接线能量焊接低碳钢时，没有具体规定焊接线能量的大小焊接低合金钢、不锈钢等，焊接线能量过大，接头性能可能不合格；太小时，对一些钢种易产生裂纹焊接冷却时间：利用钢的焊接连续冷却组织转变图(CCT图）、线算图来确定焊接工艺参数P88图5-142019/10/3手工电弧焊的特点1.设备简单、应用灵活方便。2.劳动条件差、生产率低、质量不稳定。手工电弧焊，由于其设备简单、操作方便、适合全位焊接等特点，在装备制造中是一种应用广泛的焊接方法。埋弧自动焊2019/10/3埋弧自动焊2019/10/32019/10/3埋弧自动焊-1埋弧焊电源：直流（弧焊发电机或弧焊整流器）、交流（弧焊变压器）或交直流并用。直流电源电弧稳定，常用于焊接工艺参数稳定性要求较高的场合。小电流范围、快速引弧、短焊缝、高速焊接。直流正接（焊丝接负极），焊丝的熔敷率高；直流反接，焊缝熔深大。交流电源焊丝的熔敷率和焊缝熔深介于直流正接和直流反接之间，而且电弧的磁偏吹小。多用于大电流埋弧焊和直流磁偏吹严重的场合。交流的空载电压在65V以上。为进一步加大熔深、提高生产率，多丝埋弧自动焊得到了越来越多的应用。应用较多的是双丝和三丝埋弧自动焊，电源可采用直流、交流或交、直流并用，电源的选用及连接有多种组合方式。2019/10/3埋弧自动焊-2P91图5-18P90图5-172019/10/3埋弧自动焊-3焊机分类：半自动焊机和自动焊机半自动焊机的焊接速度是由操作者来控制自动焊机完成送丝速度+焊接速度的调节埋弧自动焊的关键：送丝速度=焊接速度辅助设备：为调整焊接机头与工件的相对位置使接头处在最佳施焊位置，或为达到预期的工艺目的2019/10/3埋弧自动焊-4P92图5-192019/10/3埋弧自动焊-辅助设备焊接夹具：使被焊工件能准确定位并夹紧，以便焊接。可减少或免除定位焊缝，也可减少焊接变形，并达到其他工艺目的。焊接夹具常与其他辅助设备联用。工件变位设备：使工件旋转、倾斜，处于最佳施焊、装配位置等，保证焊接质量、提高生产效率、减轻劳动强度。有滚轮架、翻转机、万能变位装置等。焊机变位设备：将焊接机头准确地送到待焊位置。大多与工件变位机、焊接滚轮架等配合工作，完成各种形状复杂工件的焊接。其基本形式有平台式、悬臂式、伸缩式、龙门式等焊缝成形设备：为防止熔化金属流失、烧穿，并使焊缝背面成形，经常在焊缝背面加衬垫。常用设备有铜垫板和焊剂垫。焊剂垫有用于纵缝和环缝的两种形式焊剂回收输送设备：自动回收并输送焊接过程中的焊剂2019/10/3埋弧自动焊-焊剂熔炼焊剂：按配方比例称出所需原料→干混均匀→结化→注入冷水或激冷板→粒化→干燥、捣碎、过筛烧结焊剂：各种粉料组分混合均匀→加水玻璃调成湿料→750~1000℃烧结→破碎、过筛陶质焊剂：烧结焊剂的湿料→制成一定尺寸颗粒→350~500℃烘干2019/10/3埋弧自动焊-焊丝实芯焊丝：将热轧线材拉拔加工生产制造工艺成熟、质量好。表面处理—镀铜，有效防止焊丝锈蚀，改善焊丝的导电性和润滑性，有利于提高焊接工艺过程的稳定性。应用广、品种多，满足锅炉、压力容器用钢材的焊接要求。有低锰焊丝、中锰焊丝、高锰焊丝、Mn-Mo系列焊丝四种类型。药芯焊丝：将药粉包在薄钢带内卷成不同截面形状或填充在细管内，经轧拔加工制成。活性焊丝：向电弧中添加易电离的物质—活化剂（如K、Cs等）。增加电弧稳定性；减少阻碍熔滴脱落的电磁力，使熔滴易脱落；改变熔滴过渡性能，不形成大熔滴，呈细熔滴喷射过渡，减少飞溅；主要用于气体保护焊。2019/10/3埋弧自动焊-焊丝2019/10/3埋弧自动焊-焊接规范焊接电流：H=KmI电弧电压：电弧长度成正比焊接速度：熔深和熔宽影响明显P101图5-27P100图5-262019/10/3埋弧自动焊的特点优点：效率高成型好对人眼伤害小缺点：焊接过程不可见只能焊平焊或小角度倾斜位置气体保护电弧焊2019/10/3气保焊概述2019/10/3气体保护电弧焊定义：气体保护电弧焊(简称气电焊或者气保焊)是一种利用气体做焊接保护介质的电弧焊。原理：用气体将电弧、熔化金属与周围的空气隔离，防止空气与熔化金属发生冶金反应，以保证焊接质量。保护气体：主要有Ar、He、CO2、N2等。2019/10/3与埋弧焊相比，气体保护焊具有以下特点：（1）采用明弧焊，熔池可见性好，适用于全位置焊接，有利于焊接过程的机械化、自动化。（2）电弧热量集中，熔池小，热影响区窄，焊件变形小，尤其适用于薄板焊接。（3）可焊材料广泛，可用于各种黑色金属和非铁合金的焊接。气保焊特点2019/10/3气保焊分类分类依据：焊接过程中电极是否熔化非熔化极气体保护焊通常用钨棒或钨合金棒作电极，以惰性气体（氩气或氦气）作保护气体，焊缝填充金属（即焊丝）根据情况另外添加。应用较广的是钨极氩弧焊。熔化极气体保护焊以焊丝作为电极.根据采用的保护气不同，可分为熔化极惰性气体保护焊、熔化极活性气体保护焊应用较广的是熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊。2019/10/3熔化极气保焊采用可熔化的焊丝作电极，与工件之间产生的电弧作热源，熔化焊丝和母材金属，并利用气体作保护介质，以形成焊缝的焊接。英文简称GMAW。2019/10/3钨极氩弧焊2019/10/3钨极氩弧焊钨