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第七节常用金属材料的焊接金属材料的可焊性焊接材料碳钢的焊接铸铁的焊补有色金属的焊接金属材料的可焊性金属是否适应焊接加工，获得完整的、具有一定使用性能的焊接接头的性能。结合性能：在一定工艺条件下形成完整接头的性能，没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷，“好焊不好焊的问题”使用性能：接头能够满足工作要求的性能，“好用不好用的问题”一、可焊性---是指被焊金属在一定的焊接工艺条件下（焊接方法、材料、工艺参数、结构型式），获得优质焊接接头的难易程度。包括：工艺焊接性、使用焊接性；二、影响金属焊接性的因素1.材料的因素2.工艺因素3.结构因素4.使用条件三、评价金属焊接性的目的、方法1.评价金属焊接性的目的评价某种材料的焊接性，揭示焊接过程可能出现的问题研制开发新焊接材料制定焊接工艺：根据实际条件制作试样进行实验，再经过焊接工艺评定投入使用2估算钢材可焊性的方法碳当量法：将C在内的合金元素对淬硬倾向、冷裂及脆化的影响折合成碳的含量，用以进行焊接性分析。碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：15)()(5)()()(6)()()(CuwNiwVwMowCrwMnwCwCEw根据经验：C当量＜0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。C当量=0.4%～0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。C当量＞0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好。焊前工件必须预热到较高温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。生产单件钢结构件1．板厚在3～10mm,强度较低，且焊缝较短应选用手弧焊。2．板厚在10mm以上，焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊。3．板厚小于3mm，焊缝较短应选用CO2焊。生产大批量钢结构1．板厚小于3mm,无密封要求应选用电阻点焊，有密封要求应选用缝焊。2．板厚在3～10mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝，应选用CO2自动焊。3．板厚大于10mm，焊缝为长直焊缝和环焊缝隙，应选用埋弧焊或电渣焊。生产不锈钢、铝合金和铜合金结构1．板厚小于3mm,应选用钨极氩弧焊。2．板厚在3～10mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝，应选用熔化极氩弧或等离子弧自动焊。焊接方法的选择1、焊条：内部钢芯和外侧药皮二、焊接材料药皮又称为涂料，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。采用氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。钢芯主要作用导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。要求焊芯尽量减少有害元素的含量，限制S、P，有些焊条要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。药皮组成①稳弧剂:改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃②造渣剂:造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。如：钛铁矿、金红石、萤石、长石等。③造气剂:造气保护，有机物、碳酸盐.有机物如：木粉、淀粉、析出气体CO、H，碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。④脱氧剂:降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re等。⑤合金剂:使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。合金、纯金属、一般Mn-Fe、Si-Fe要纯化发醇加５％高锰酸钾纯化.⑥粘结剂:将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。⑦增塑性:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。3、焊条的种类和编号种类：我国将焊条按照化学成分分为七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条及铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。焊条型号：国家标准规定：E焊条牌号：国家机械工业委员会统一规定如：结构钢焊条——J不锈钢焊条——G完整的焊条型号举例如下：E4315表示焊条药皮为低氢钠型，并可采用直流反接焊接表示焊条适用于全位置焊接表示熔敷金属抗拉强度的最小值表示焊条牌号：以结构钢焊条为例：Ｊ422其中：Ｊ——结构钢焊条４２——焊缝金属抗拉强度大于等于４２０ＭＰ２——药皮类型（钛钙型）和电源种类（交直流）4酸性药皮与碱性药皮两者的性质•酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差。碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高。•碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以提高焊缝金属的抗裂性。•碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气孔。•碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（HF等），因而应注意通风。电焊条的选用原则•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。•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。•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。•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。•焊缝位置：平焊缝、立焊缝、仰焊缝、横焊缝一般焊条均可进行平焊,但不是所有焊条均可立、仰、横焊。立、仰、横焊难点在于:①重力作用下焊条熔滴不易向熔池过渡;②熔池金属和熔渣下流.§2-3焊丝药芯焊丝三、碳钢的焊接低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外）。中、高碳钢的焊接中碳钢含碳量在0.25%～0.6%之间，随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。在实际生产当中，主要是焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件。中碳钢的焊接特点：低碳钢的焊接热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝中碳钢属于易淬火钢，热影响区被加热超过淬火温度的区段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，将出现马氏体等淬硬组织。如焊件刚性较大或工艺不恰当时，就会在淬火区产生冷裂缝，即焊接接头焊后冷却到相变温度以下或冷却到常温后产生裂缝。焊缝金属热裂缝倾向较大焊接中碳钢时，因母材含碳量与硫、磷杂质远远高于焊条钢芯，母材熔化后进入熔池，使焊缝金属含碳量增加塑性下降，加上硫、磷低熔点杂质的存在，焊缝及熔合区在相变前就可能因内应力而产生裂缝。因此，焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差减小，以减小焊接应力，同时减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织。中、高碳钢的焊接C≤0.25～0.6%（C当量更大），随着含碳量的增加，可焊性明显变差。焊接前后需采取一定的工艺措施，以保证焊接质量。•焊前：必须预热。（150～250℃）•焊后：热处理。（重要结构件）•手工电弧焊匹配碱性焊条（E5015）；合金结构钢的焊接低合金钢的焊接特点：热影响区的淬硬倾向低合金钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，焊后热影响区的淬硬倾向也越大。强度级别大于450MPa级的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体组织，形成淬火区，硬度明显增加，塑性、韧性则下降。铸铁的焊补铸铁的焊接特点：熔合区易产生白口组织；易产生裂缝；易产生气孔热焊法热焊法是焊前将工件整体或局部预热到600～700℃，焊后缓慢冷却。热焊法可防止工件产生白口组织和裂缝，焊补质量较好，焊后可以进行机械加工。但热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差。一般用于焊补形状复杂焊后需要加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。冷焊法焊补之前，工件不预热或只进行400℃以下低温预热的焊补方法通常称为冷焊法，主要依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口组织和避免裂缝。冷焊法方便灵活生产率高、成本低、劳动条件好。但焊接处切削加工性能较差。生产中多用于焊补要求不高的铸件以及怕高温预热引起变形的工件。焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道（每段不大于50mm）并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。有色金属的焊接铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，其原因是：铜的导热性很高（紫铜约为低碳钢的8倍），焊接时热量极易散失。因此，焊前工件要预热，焊接时要选用较大电流或火焰，否则容易造成焊不透缺陷。铜在液态易氧化，生成的Cu2O与铜组成低熔点共晶，分布在晶界形成薄弱环节；又因铜的膨胀系数大，凝固时收缩率也大，容易产生较大的焊接应力。因此，焊接过程中极易引起开裂。铜在液态时吸气性强，特别容易吸氢。凝固时气体从熔液中析出，来不及逸出就会生成气孔。铜的电阻极小，不适于电阻焊接。铜合金中的合金元素有的比铜更易氧化，使焊接的困难增大。例如黄铜（铜锌合金）中的锌沸点很低，极易烧蚀蒸发并生成氧化锌（ZnO）。改变接头化学成分、降低接头性能，而且形成氧化锌烟雾易引起焊工中毒。铝青铜中的铝，焊接时易生成难熔的氧化铝，增大熔渣粘度，生成气孔和夹渣。铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、钎焊等方法进行焊接。采用氩弧焊是保证紫铜和青铜焊接质量的有效方法。铜及铜合金的常用焊接方法铜及铜合金焊条牌号焊接工艺见：GB3670—83易保证紫铜、青铜的焊接质量！黄铜焊接普遍采用的方法铝及铝合金的焊接工业上用于焊接的主要是纯铝（熔点658℃）、铝锰合金、铝镁合金及铸铝。铝及铝合金的焊接也比较困难，其焊接特点是：铝与氧的亲和力很大，极易氧化生成氧化铝（Al2O3）。氧化铝组织致密，熔点高达2050℃，它覆盖在金属表面，能阻碍金属熔合。此外，氧化铝密度大，易使焊缝夹渣。铝的导热系数较大，要求使用大功率或能量集中的热源，厚度较大时应考虑预热。铝的膨胀系数也较大，易产生焊接应力与变形，并可能导致裂缝的产生。液态铝能吸收大量的氢，铝在固态时又几乎不溶解氢，因此在溶池凝固时易生成气孔。铝在高温时强度及塑性很低，焊接时常由于不能支持熔池金属而引起焊缝塌陷，因此常需采用垫板。目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。不论采用哪种焊接方法焊接铝及铝合金，焊前必须彻底清理焊件的焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污，清理质量的好坏将直接影响焊缝性能。•铝的可焊性与铜的可焊性相似---焊接困难。缝焊点焊氩弧焊钎焊气焊焊接方法铝及铝合金焊接方法焊条牌号GB3669—83第八节焊接缺陷及检验焊接区内的气体来源N2、H2、O2CO2和H2O焊接区的气体①焊接材料：焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂②材料表面吸附：母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分③焊接周围气体空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体④金属和熔渣的蒸发产生的气体：冶金反应。直接进入间接分解一、气体对金属的作用气体对焊接质量的影响1氮对焊接质量的影响主要来自于焊接区周围的空气。时效脆化气孔2氢对质量的影响主要来自焊接材料氢脆白点气孔冷裂纹3氧对金属质量的影响力学性能下降物理化学性能差合金元素烧损焊接工艺性能变差析出性气孔的特征•态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔焊缝金属产生的析出性气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。气体的析出过程高温下溶解在液态金属中气体的析出方式有：•扩散析出；•形成化合物析出；•聚集成气泡析出。后者析出过程为：•形核•长大•上浮图11-11气泡脱离现成表面示意图a）θ＜90°b）θ＞90°b)气泡气泡a)焊缝金属中存在的反应性气孔通常是CO气孔，是由液态金属中的[O]与[C]直接反应生成。反应性气孔液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的反应性气孔：金属与熔渣间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔•当液态金属中含有混入的熔渣（FeO）时，会和液态金属（或铸型）中的C反应：