金属工艺学—4焊接

金属工艺学第四篇焊接2019/10/31第四篇焊接金属工艺学第四篇焊接本章重点：深刻地理解焊接工程的基本理论；对焊接接头的组织与性能、焊接应力与变形的形成过程有清楚的认识；掌握防止和消除焊接变形的常用方法。第13章焊接工艺基础13.1概述13.2电弧焊工艺基础13.3焊接接头的组织与性能13.4焊接应力与变形作业：P19913.1、13.4、13.72019/10/32金属工艺学第四篇焊接2019/10/33焊接：通过加热或加压，或两者兼用，并且用或不用填充金属，使分离的两部分金属形成原子间结合的一种工艺方法。焊接是一种永久连接金属材料的工艺方法。第一节概述一、焊接成形的特点1．重量轻，节省材料。2．生产率高，生产周期短，劳动强度低，易实现自动化。3．可实现异种金属的连接。4．可进行组合件的生产。5．焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。金属工艺学第四篇焊接2019/10/34二、焊接成形的分类1.熔化焊：把焊件连接处局部加热到熔化状态，然后冷却凝固成一体，不加压力完成的焊接方法。2.压力焊：在焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）的焊接方法。3.钎焊：在焊接过程中采用低熔点的填充金属（钎料）熔化后，与固态母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。金属工艺学第四篇焊接2019/10/35压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊感应焊钎焊软钎焊硬钎焊熔化焊电弧焊电渣焊高能束焊化学热焊手工电弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊等离子弧焊电子束焊激光焊金属工艺学第四篇焊接2019/10/36三、各种焊接方法的特征金属工艺学第四篇焊接2019/10/37气门芯金属工艺学第四篇焊接2019/10/38第二节电弧焊工艺基础1、焊接电弧的概念在焊条末端和工件两极之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象。电弧形成条件：（1）使气体电离；（2）阴极发射电子。2、电弧的构造及热量分布阴极区：2400k36%阳极区：2600k42%弧柱区：5000~8000k21%金属工艺学第四篇焊接2019/10/393、电弧的极性（1）直流电源正接：正极接工件，工件温度稍高。直流电源反接：负极接工件，工件温度稍低。对薄板的焊接，可采用反接。（2）交流焊机无正反接特点，两极温度均为2500K。（3）适当的空载电压以保证引弧，一般为50～90V。（4）提供电弧工作电压，保证电弧稳定燃烧。电弧长度越大，电弧工作电压也越高，一般为16～35V。金属工艺学第四篇焊接2019/10/3104.电弧焊冶金过程（1）在电弧高温作用下，工件和焊条同时产生局部熔化，形成熔池。（2）电弧的移动形成动态熔池，熔池前部的加热融化与后部的顺序冷却结晶，形成完整的焊缝。（3）药皮熔化→进入熔池发生冶金反应→形成熔渣→构成渣壳保护；药皮分解→CO2,CO,H2等气体→围绕在电弧和熔池周围→保护熔化熔池。金属工艺学第四篇焊接2019/10/3115.电弧焊冶金特点①电弧焊冶金反应的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。②熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。③冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶；有害气体容易进入熔池，形成氧化物、气孔等缺陷，使焊缝金属的塑性、韧性下降。金属工艺学第四篇焊接10/3/20195:34PM6.熔化焊的三要素熔池的保护可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。热源能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。金属工艺学第四篇焊接2019/10/313焊芯药皮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。药皮的种类：焊缝的填充材料—填充焊缝保护焊缝和焊接过程控制焊缝金属的化学成分稳定电弧电极传导电流—导电电焊条焊芯药皮7.电焊条的组成及作用金属工艺学第四篇焊接2019/10/314J507药皮种类（低氢钠型）抗拉强度500MPa结构钢焊条药皮种类（氧化钙钛型）抗拉强度420MPa结构钢焊条8.电焊条的分类结构钢焊条—J；钼和铬耐热钢焊条—R；低温钢焊条—W；不锈钢焊条—A；堆焊焊条—D；铸铁焊条—Z；镍及镍合金焊条—Ni；铜及铜合金焊条—T；铝及铝合金焊条—L；特殊用途焊条—TSJ422金属工艺学第四篇焊接2019/10/315酸性焊条：碱性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）9.电焊条的选用(１)等强度原则：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。(２)同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定；(３)低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。(４)焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。金属工艺学第四篇焊接2019/10/316第三节焊接接头的组织与性能焊缝区焊接热影响区1）焊缝区2）焊接热影响区焊接热循环的特点是加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导致马氏体相变；对其它材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。1、焊接热循环2、焊接接头金属组织与性能的变化焊接接头熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。热影响区包括：熔合区、过热区、正火区和部分相变区。金属工艺学第四篇焊接2019/10/317①熔合区是焊缝和母材金属的交界区。0.1-1mm）加热温度：T液~T固熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。②过热区在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）加热温度：T固~1100℃力学性能较母材稍差。塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。金属工艺学第四篇焊接2019/10/318③正火区在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）加热温度：1100℃~AC3力学性能优于母材。④部分相变区在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：AC3~AC1力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区金属工艺学第四篇焊接10/3/20195:34PM焊缝的组织和性能热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始冷却结晶，以垂直熔合线的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶。低熔点物质将会被推向焊缝最后结晶部位，形成成分偏析。金属工艺学第四篇焊接2019/10/320第四节焊接应力与变形焊接应力状态：焊缝区域—拉应力两侧冷金属—压应力焊接变形：焊件整体缩短LlⅠⅡ一、焊接应力与变形产生的原因根本原因：焊件在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。金属工艺学第四篇焊接2019/10/321二、焊接变形的基本形式1.收缩变形2.角变形3.弯曲变形4.扭曲变形5.波浪形变形金属工艺学第四篇焊接2019/10/322不正确正确三、焊接应力与变形的防止1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。金属工艺学第四篇焊接2019/10/323ⅡⅠⅢⅡⅠⅢ122）合理选择焊接顺序。①尽量保证焊缝能自由收缩（先自由后约束）（Ⅰ—Ⅱ）—Ⅲ（Ⅰ—Ⅲ）—（Ⅱ—Ⅲ）12341—4—3—212341234561—4—5—2—3—61—2—3—4②使其变形能相互抵消或减弱金属工艺学第四篇焊接2019/10/3244）采用小能量、多层焊5）焊前预热（150℃~350℃）6）焊后热处理（去应力退火）：可消除应力80%左右。3）反变形法金属工艺学第四篇焊接2019/10/3257）采用焊前刚性固定法。8）焊接变形的矫正。①机械矫正②火焰矫正金属工艺学第四篇焊接2019/10/326思考题＊减少焊接应力考虑，拼焊如图1所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？试在图中标出，并说明理由。图1金属工艺学第四篇焊接2019/10/327思考题＊减少焊接应力考虑，拼焊如图1所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？试在图中标出，并说明理由。图1先焊成三个长条，然后再焊在一起。即先焊1-2，1-3，4-5，6-7，然后再焊两个长缝。金属工艺学第四篇焊接2019/10/328第一节手工电弧焊一、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。二、手工电弧焊焊接过程①引弧②形成熔池③形成焊缝焊接过程冶金特点：1.熔池金属温度高于一般冶金温度2.熔池金属冷却快，处于液态的时间短2000k使金属元素强烈蒸发、烧损。10s化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。第十四章其他常用焊接方法金属工艺学第四篇焊接2019/10/329第二节埋弧焊一、埋弧焊的原理及特点埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。1.设备及焊接过程焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）金属工艺学第四篇焊接2019/10/330板厚小于14mm时，可不开坡口；板厚为14～22mm时，应开Y型坡口；板厚为22～50mm时，可开双Y型或U型坡口。Y型和双Y型坡口的角度为50°～60°二、埋弧自动焊工艺1）焊前准备金属工艺学第四篇焊接2019/10/3312)采取防漏措施①双面焊；②手工电弧焊封底；③焊剂垫；④采用锁底坡口；⑤水冷铜垫板。3)要有引弧板和引出板环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=20~40mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中金属工艺学第四篇焊接2019/10/3321）生产率高（手弧焊的5~10倍）2）焊接质量高且稳定。3）节约金属材料、生产成本低。4）劳动条件好。5）只能在水平位置焊接。应用：主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。三、埋弧自动焊工艺特点金属工艺学第四篇焊接2019/10/333第三节气体保护焊一、氩弧焊利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：ArAr①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷③比重大于空气（25%）1）非熔化极氩弧焊适于6mm以下工件的焊接钨极氩弧焊以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊。金属工艺学第四篇焊接2019/10/3342）熔化极氩弧焊25mm以下的工件以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所用电流比较大，生产率高。板厚8mm以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。金属工艺学第四篇焊接2019/10/3353）氩弧焊的特点及应用①机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观，焊接质量优良。②电弧燃烧稳定，飞溅小。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤氩气昂贵，设备造价高。应用：适用所有金属材料的焊接。适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。金属工艺学第四篇焊接2019/10/336焊接热源：电弧热保护介质：CO2CO2①与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷②溶解于液体金属中—产生CO气孔缺陷③比重大于空气（25%）①氧化严重；②气孔倾向大（CO）；③飞溅严重。二、CO2气体保护焊CO2+Fe=Fe