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第七章焊接7.1金属熔化焊工艺基础7.1.1焊接电弧焊接热源的要求：温度高，热量集中，热源稳定连续。熔化焊最广泛的热源：电弧热。焊接电弧是电极之间的气体介质放电现象，充满高温电离气体。电弧热与焊接电流和电压乘积成正比，电流越大，热量越多。沿着长度分为三个区域：阳极区、弧柱区、阴极区。阳极区产生的热量比较多，约43％；阴极区产生的热量较少，约占36％；其余21％左右的热量是在弧柱区产生的。阳极区的温度为2600K，阴极区的温度为2400K，在电极材料沸点左右；弧柱区散热慢，温度最高可达6000～8000K。阳极区和阴极区热量、温度都有差别，手工电弧焊选用直流电源焊接时，就有极性的选择问题。当工件接电源的正极，焊条接负极，这种接法称为正接法，反之则称为反接法。选择电源极性主要根据焊条材料和工件所需热量。酸性焊条焊接厚板，采用正接法。焊接薄板，采用反接法。碱性焊条一般用反接法。至于交流电弧，没有极性选择问题。根据焊条药皮的性质不同，焊条可以分为酸性焊条和碱性焊条两大类。药皮中含有多量酸性氧化物（TiO2、SiO2等）的焊条称为酸性焊条。药皮中含有多量碱性氧化物（CaO、Na2O等）的称为碱性焊条。酸性焊条能交直流两用，焊接工艺性能较好，但焊缝的力学性能，特别是冲击韧度较差，适用于一般低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接，是应用最广的焊条。碱性焊条脱硫、脱磷能力强，药皮有去氢作用。焊接接头含氢量很低，故又称为低氢型焊条。碱性焊条的焊缝具有良好的抗裂性和力学性能，但工艺性能较差，一般用直流电源施焊，主要用于重要结构（如锅炉、压力容器和合金结构钢等）的焊接。7.1.2熔化焊的冶金特点一、焊接温度高在高温作用下，合金元素强烈地蒸发和烧损；同时，金属液体的吸气能力也随温度的提高而增加，冷却时氧、氮、氢等气体析出聚集成气泡，来不及浮出，会产生气孔缺陷。二、金属熔池的体积小，保持在液态的时间短各种冶金反应很难达到平衡状态。后果：焊缝金属化学成分不均匀；气体或杂质来不及浮出熔池，会产生气孔、夹渣缺陷。9焊条药皮是指涂在焊芯表面的涂料层。药皮在焊接过程中分解、熔化后形成气体和熔渣，起到机械保护、冶金处理和改善工艺性能的作用。药皮的组成物有：矿物类（如大理石、氟石等）、铁合金和金属粉类（如锰铁、钛铁等）、有机物类（如木粉、淀粉等）、化工产品类（如钛白粉、水玻璃等）。常用焊条药皮是钛钙型（J422焊条，酸性熔渣）和低氢型（J507焊条，碱性熔渣）。三、熔化焊中需采取的措施1.有效保护，隔离空气。目的是防止空气对焊接区的有害作用。气渣联合保护：手工电弧焊，焊条药皮造气剂产生保护性气体，隔离空气；造渣剂熔化形成熔渣，覆盖在熔池表面，隔离空气。渣保护：埋弧自动焊，焊剂熔化形成熔渣隔离空气。气保护：气体保护焊，保护性气体形成保护层隔离空气。真空焊接：真空电子束焊。2.控制焊缝金属的化学成分。可以向焊条药皮或焊剂中加入合金元素，也可以向焊条芯或焊丝中加入合金元素。目的：补偿焊接过程中的合金元素蒸发、烧损；特定的合金元素可以改善焊缝金属的力学性能。3.脱氧和脱硫、磷。空气中的氧气、工件表面的氧化皮、锈、油污、水分等。焊前工件应仔细清理，焊接材料加入脱氧剂。硫形成热裂纹，磷形成冷裂纹。药皮或焊剂的造渣剂进行脱硫、脱磷。107.1.3焊接接头的金属组织及性能焊接接头是由两部分所组成，即焊缝区和焊接热影响区。焊接接头性能与焊缝区和焊接热影响区都有关。一、焊缝金属焊缝金属一般是由熔化的填充金属和局部熔化的工件金属形成的熔池凝固区域。仍然是成核、晶核长大的过程。焊缝金属的结晶特点：焊缝组织结晶形成柱状晶形态的组织。液态金属过热度很大，合金元素蒸发、烧损严重，异质晶核比较少，结晶在熔池壁表面成核长大。散热最快的方向是垂直于熔池壁的方向，因此以柱状晶形态向焊缝中心长大。11已经凝固的焊缝金属中的合金元素来不及扩散，化学成分不均匀，存在偏析；杂质和气体来不及析出，形成夹渣和气孔。焊接过程中，一般要通过焊接材料向熔池金属中加入一些合金元素，使焊缝金属合金元素的质量分数高于被焊金属。好处在于，强化焊缝；细化焊缝的晶粒。只要采用正确的焊接工艺，就可以避免产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷，保证焊缝金属的性能不低于被焊金属的性能。12二、焊接热影响区焊缝附近金属因焊接热作用而使组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。随着距离金属熔池的远近不同，工件所受的热作用和升高的温度不同。因此，焊缝附近区域的金属相当于受到了不同规范的热处理，使组织和性能发生了变化。焊接热影响区不仅与焊接热作用有关，还与母材化学成分、焊前热处理状态有关。以低碳钢为例。1）熔合区。焊缝与被焊金属交界区。温度在液、固相线之间。组织：过热而长大的粗晶组织和部分新结晶的铸态组织。化学成分、组织性能不均匀。范围很窄。对焊接接头的强度、塑性影响大，常产生裂纹、脆断。132）过热区。温度在固相线～1100℃。晶粒粗大的过热组织。塑性和韧性低。3）正火区。温度在1100℃～A3线。发生重结晶（铁素体、珠光体转变为奥氏体），等于正火处理。细小均匀的铁素体、珠光体组织。力学性能优于母材金属。4）部分相变区。温度在A3～A1之间。部分发生重结晶（珠光体转为奥氏体），冷却后是细小的珠光体。未转变的铁素体变为粗大的铁素体。组织、晶粒不均匀，性能不均匀。14热影响区中各区的组织变化和分布与被焊金属的化学成分及焊前的热处理状态有关。不易淬火的钢种与低碳钢基本相同。易淬火的钢种（如中碳钢、高碳钢、合金钢等）与焊前热处理状态有关。焊前正火或退火状态，在相当于低碳钢的过热区和正火区部位将出现马氏体的组织，将该区域称为淬火区。部分相变区形成部分淬火区。焊前淬火状态，靠近部分淬火区的区域还会形成回火区。1-熔合区；2-过热区；3-正火区；4-部分相变区；5-未受影响的金属；6-淬火区；7-部分淬火区；8-回火区。出现马氏体，塑性、韧性低，易产生裂纹。15热影响区不可避免地要产生。对于低碳钢，熔合区和过热区对焊接性能的不利影响最大，应尽可能减小焊接热影响区的范围。不同焊接方法焊接低碳钢热影响区的平均尺寸图。手工电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、埋弧自动焊的热影响区都比气焊、电渣焊小，可以优先选用。小直径焊条、小电流快速焊、多层焊也有利于减小热影响区。焊后热处理可以有效改善和消除热影响区。低碳钢、低合金钢重要结构件，电渣焊结构件，焊后正火处理。焊前预热，可以减慢工件焊接后的冷却速度，防止产生淬火组织。167.1.4焊接应力、变形及裂纹一、焊接应力对工件进行不均匀的局部的加热是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接应力的结论：焊缝及附近区域产生拉应力，而两边区域产生压应力。焊接应力和变形同时存在。刚度小、塑性好，变形大、应力小；刚度大、塑性差，变形小、应力大。17二、焊接变形及防止1、焊接变形的基本形式1、收缩变形，焊缝收缩导致工件尺寸变小。2、角变形，截面或布置不对称，截面大焊缝收缩大。3、弯曲变形，布置不对称，工件长度方向收缩。4、扭曲变形，不对称或焊接顺序不合理，工件长度方向发生角变形。5、波浪变形，薄板在焊接应力（主要是压应力）作用失稳。182、减小焊接变形的工艺方法1）加余量法，工件尺寸加大。收缩变形。2）反变形法。3）刚性固定法。会增大焊接应力。一般塑性好金属使用。4）合理的焊接顺序。焊缝对称或工件焊接位置对称。使两侧焊缝的收缩抵消或减弱。长焊缝用逆向分段焊接法。150mm～200mm小段，每段焊接方向与总焊接方向相反。193、焊接变形的矫正方法1）机械矫正法。手工捶击、压力机、矫直机。2）火焰加热矫正法。加热适当位置，冷却后发生与焊接变形相反的新变形。一般用氧－乙炔火焰加热。关键是：加热位置、加热范围和加热温度。脆性材料不能用此方法。20三、减小和消除焊接应力的措施焊前预热。焊前将工件整体或局部预热到150～350℃，然后进行焊接。减小焊接应力，防止出现淬火区。去应力退火。是消除焊接应力最常用的方法。减小焊接应力可以减小焊接变形，但减小焊接变形的方法并不一定都可以减小焊接应力。例如，刚性固定法只能减小焊接变形，不能减小焊接应力。21焊接裂纹焊接应力特别是拉应力超过材料抗拉强度，就会产生焊接裂纹。比较普遍，后果严重。热裂纹位置：焊缝，固相线高温区产生。沿着晶界开裂，表面有氧化色。主要在杂质多的焊缝中。杂质形成的低熔点共晶体分布在晶界，强度低。拉应力作用下开裂。冷裂纹位置：焊接热影响区。在200℃～300℃区间产生。主要在中碳钢、高碳钢、合金钢中。最常见是延迟裂纹，焊后一段时间后出现。主要因素：含氢量、淬火组织和焊接应力。22焊接裂纹的防止1）控制有害杂质。S、P、C。焊缝加入Mo、Ti、V等，细化晶粒，提高抗热裂纹性能。使用低氢焊接材料（碱性焊条），焊前烘干。2）防止和减小焊接应力措施都可以减小焊接裂纹的倾向。焊缝位置、顺序；焊前预热、焊后缓冷；焊后热处理。降低接头的淬硬程度，改善应力状态，利于氢析出。237.2焊接方法7.2.1手工电弧焊应用最广泛；设备简单、操作灵活；劳动强度大，生产率低。244.2焊接方法一、手工电弧焊的焊接过程熔化的焊条金属形成熔滴，与熔化的工件金属混合，形成金属熔池。药皮分解、燃烧、熔化，形成保护性气体；药皮熔化包覆在熔滴表面，并与熔池中的液态金属发生物理化学反应形成熔渣，从熔池中上浮，覆盖在熔池表面。气流和熔渣起到了隔离空气的保护作用。25二、电焊条1．焊条的组成焊条是手弧焊最基本材料，由焊条芯和焊条药皮两部分组成。（1）焊条芯（简称焊芯）——经过特殊冶炼的钢丝，焊接专用钢丝。其化学成分直接影响焊缝质量，占焊缝金属的50％～70％。焊条芯的作用：1、作为电极，导电，产生电弧。2、作为填充金属。低碳钢、低合金钢焊接，通常用低碳钢焊丝为焊条芯。焊丝常用的有H08和H08A、H08MnA等。H08A焊接用钢含碳量0.08％高级优质26焊条直径指焊条芯的直径。27（2）焊条药皮主要作用是：1、机械保护作用，分解燃烧的气体、形成的熔渣隔离空气。2、冶金处理作用，脱氧剂、造渣剂与液态金属反应，除去有害杂质（如O、H、S、P等）；合金剂添加有益的合金元素，补偿烧损、蒸发的元素，使焊缝金属化学成分满足性能要求。3、改善工艺性能，稳弧剂易于引弧，放电稳定，飞溅少。容易去除渣壳。28焊条药皮的组成物相当复杂，一种焊条药皮配方中，通常由七、八种以上原料配成。292．焊条分类及牌号按照国家标准，手弧焊用焊条共分九大类。J——结构钢焊条；R——耐热钢焊条；B——不锈钢焊条；D——堆焊焊条；（堆焊是在工件的表面或边缘进行熔敷一层耐磨、耐蚀、耐热等性能金属层的焊接工艺。对修复和提高零件的使用寿命，合理使用材料，提高产品性能，降低成本有显著的经济效益。）W——低温焊条；Z——铸铁焊条；N——镍及镍合金焊条；T——铜及铜合金焊条；L——铝及铝合金焊条；其中应用最多的是结构钢焊条。30老牌号：汉字——焊条种类；前2位——小类；最后1位——药皮类型和适用电源。结422，“42”表示焊缝金属的σb≥420MPa，最后一位“2”表示氧化钛钙型药皮、交直流两用。结507，“50”表示焊缝金属的σb≥500MPa，最后一位“7”表示低氢型药皮、直流专用。新牌号：E4303、E5015和E5016。（结422，结507，结506）型号中的“E”表示焊条；前两位数字“43”或“50”表示焊缝金属的抗拉强度最小值430MPa、500MPa；第三位数字“0”或“1”表示适用于各种位置焊接（平焊、立焊、仰焊、横焊）；第四位数字表示焊条药皮类型和焊接电源的种类，“3”表示药皮为钛钙型，交、直流两用；“5”表示低氢（钠）型，用直流焊机；“6”表示低氢（钾）型，交、直流两用。31结构钢焊条生产上还常按其药皮熔化后形成熔渣的酸碱度，分成酸性焊条和碱性焊条两大类。酸性焊条，熔渣以酸性氧化物为主，结**1、2、3、4、5。工艺性能好，价格便宜，交、直流电源均可，对工件的表面杂质敏感性不大，应用广泛；但脱氧能力差，合金元素烧损严重，去硫、磷能力低，焊缝金属的塑性、韧性及抗裂性较差。碱性