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第8章焊接与胶接成形概述通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子间结合的一种加工方法。焊接特点节省金属、减轻结构重量、密封性好、改善劳动条件、提高产品质量，易实现机械化和自动化生产。焊接方法8.1焊接的基本原理一、焊接电弧由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成焊条电弧示意图二、焊接过程熔焊按其所用的焊接热源不同分为电弧焊（如手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等）、电渣焊、气焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等多种方法。其冶金过程、结晶过程和接头组织的变化规律是相似的。8.1焊接的基本原理为了保证焊缝的质量，在电弧焊过程中通常会采取以下措施：（1）在焊接过程中，对熔化金属进行机械保护，使之与空气隔开。保护方式有三种：气体保护、熔渣保护和气-渣联合保护。（2）对焊接熔池进行冶金处理，主要通过在焊接材料（焊条药皮、焊丝、焊剂）中加入一定量的脱氧剂（主要是锰铁和硅铁）和一定量的合金元素，在焊接过程中排除熔池中的FeO，同时补偿烧损的合金元素。8.1焊接的基本原理三、焊接热循环和焊接接头的组成8.1焊接的基本原理影响焊接质量的主要参数是加热速度、最高加热温度、高温（1100℃以上）停留时间和冷却速度。焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。四、焊接接头的组织和性能（1）焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。但由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用，所以焊缝金属的力学性能一般不低于母材。8.1焊接的基本原理（2）熔合区及热影响区的组织和性能8.1焊接的基本原理低碳钢焊接接头的组织变化改善焊接热影响区组织性能的措施：（1）低碳钢的焊接结构，用手工电弧焊或埋弧自动焊时，热影响区尺寸较小，对焊接产品质量影响较小，焊后可不进行热处理；（2）低合金钢焊接结构或用电渣焊焊接的结构，热影响区较大，焊后必须进行处理，通常可用正火的方法，细化晶粒，均匀组织，改善焊接接头的质量；（3）对于焊后不能进行热处理的焊接结构，只能通过正确选择焊接方法，合理制定焊接工艺来减小焊接热影响区，以保证焊接质量。8.1焊接的基本原理五、焊接应力与变形（1）焊接应力与变形的产生8.1焊接的基本原理平板对接时应力和变形的形成过程焊接应力和变形是同时存在的，当母材塑性较好且结构刚度较小时，则焊接结构在焊接应力的作用下会产生较大的变形而残余应力较小；反之则变形较小而残余应力较大。(2)焊接变形的基本形式变形形式示意图产生原因收缩变形由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起角变形由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起弯曲变形T形梁焊接时，焊缝布置不对称，由焊缝纵向收缩引起扭曲变形工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭曲波浪变形薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起(3)预防焊接变形的工艺措施（1）焊前预热，焊后处理（2）选择合理的焊接顺序①尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。②采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接（3）加热减应区（4）反变形法（5）刚性固定法8.1焊接的基本原理(4)消除焊接应力和矫正焊接变形的方法1）消除焊接应力的方法：①锤击焊缝②焊后热处理③机械拉伸法2）焊接变形的矫正①机械矫正法②火焰矫正法8.1焊接的基本原理•常用的焊接方法有手工电弧焊、气焊、埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊、电阻焊、钎焊等。•其他焊接技术如电渣焊、电阻焊、钎焊、离子弧焊、真空电子束焊、激光焊和扩散焊等。8.2常用电弧焊方法一、手工电弧焊8.2常用电弧焊方法焊条电弧焊过程•手工电弧焊电源种类常用手工电弧焊电源有交流弧焊机、直流弧焊机和逆变焊机。8.2常用电弧焊方法•焊条（1）焊条的组成和作用焊条由心部的金属焊芯和表面药皮涂层组成。焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又熔化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属。焊芯的质量直接影响焊缝的质量。药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气造渣，起保护作用，防止空气进入焊缝，防止焊缝高温金属被空气氧化。8.2常用电弧焊方法（2）焊条的分类①焊条按熔渣的化学性质分为两大类：酸性焊条和碱性焊条②焊条按用途可分为十一大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。8.2常用电弧焊方法（3）焊条的选用若按强度等级和化学成分选用焊条：•①焊接一般结构，如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选用与焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近。•②焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条。•③焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条。•④焊件的碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。•⑤焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素的质量分数较高，而且多数铸件厚度、刚度较大，形状复杂，故一般选用碱性焊条。8.2常用电弧焊方法若按焊件的工作条件选用焊条：•①焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条。•②焊接承受静载的结构件时，可选用酸性焊条。•③焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用酸性焊条。•④焊接在特殊条件（如在腐蚀介质、高温等条件）下工作的结构件时，应选用特殊用途焊条。8.2常用电弧焊方法若按焊件的形状、刚度及焊接位置选用焊条：•①厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条。•②厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊的结构件，应选用适当的酸性焊条。•③除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件，应选用全位置焊条。8.2常用电弧焊方法•手工电弧焊焊接工艺规范焊接工艺规范指制造焊件所有有关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练工操作时质量的再现性。焊接工艺规范包括焊条型号（牌号）、焊条直径、焊接电流、坡口形状、焊接层数等参数的选择。8.2常用电弧焊方法二、埋弧自动焊埋弧焊是将焊条电弧焊的引弧、焊条送进、电弧移动几个动作改由机械自动完成，焊丝作为填充金属，而焊剂则对焊接区起保护和合金化作用，电弧在焊剂层下燃烧，故称为埋弧自动焊，简称埋弧焊。8.2常用电弧焊方法•焊接材料埋弧自动焊焊接材料有焊丝和焊剂。焊丝除了作电极和填充材料外，还可以起到渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。焊剂的作用相当于焊条药皮，分为熔炼焊剂和非熔炼焊剂两类，非熔炼焊剂又可分为烧结焊剂和粘结焊剂两种。8.2常用电弧焊方法•埋弧焊工艺埋弧焊对下料、坡口准备和装配要求均较高。装配时要求用优质焊条点固。由于埋弧焊焊接电流大、熔深大，因此板厚在24mm以下的工件可以采用I形坡口单面焊或双面焊。但一般板厚10mm就开坡口，常用V形坡口、X形坡口、U形坡口和组合形坡口。能采用双面焊的均采用双面焊，以便焊透。减少焊接变形。焊接前，应清除坡口及两侧50～60mm内的—切油垢和铁锈，以避免产生气孔。埋弧焊一般都在平焊位置焊接。由于引弧处和断弧处焊缝质量不易保证，焊前可在接缝两端焊上引弧板和引出板，焊后再去掉。为保证焊缝成形和防止烧穿，生产中常用焊剂垫和垫板或用焊条电弧焊封底。8.2常用电弧焊方法•埋弧焊的特点（1）生产率高（2）焊接质量好（3）劳动条件好8.2常用电弧焊方法缺点：埋弧自动焊一般只适用于水平位置的长直焊缝和直径250mm以上的环形焊缝，焊接的钢板厚度一般在6～60mm，适焊材料局限于钢、镍基合金、铜合金等，不能焊接铝、钛等活泼金属及其合金。三、气体保护焊气体保护电弧焊是用气体将电弧、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，以保证焊接质量的一种焊接方法。保护气体主要有Ar、He、CO2、N2等。8.2常用电弧焊方法•分类按电极材料的不同，可分为两大类：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，其中应用较广的是氩气为保护气的钨极氩弧焊；熔化极气体保护焊：以焊丝作为电极8.2常用电弧焊方法•分类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和CO2气体保护焊。8.2常用电弧焊方法8.2常用电弧焊方法氩弧焊示意图特点：（1）机械保护效果特别好，焊缝金属纯净，成形美观，质量优良。（2）电弧稳定，特别是小电流时也很稳定。因此，熔池温度容易控制，做到单面焊双面成形。尤其现在普遍采用的脉冲氩弧焊，更容易保证焊透和焊缝成形。（3）采用气体保护，电弧可见（称为明弧），易于实现全位置自动焊接。（4）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池小，焊速快，热影响区小，焊接变形小。（5）氩气价格较高，因此成本较高。CO2气体保护焊:CO2在1000℃以上的高温下分解成CO与O2，有一定的氧化作用。因此，焊接钢材时，必须用Si、Mn量较高的焊丝补充被烧损的元素，以保证焊缝的力学性能。特点:（1）成本低（2）生产率高（3）操作性能好（4）焊接质量比较好（5）焊缝成形差，飞溅大。（6）设备使用和维修不便8.2常用电弧焊方法四、电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。电渣焊主要有熔嘴电渣焊、非熔嘴电渣焊、丝极电渣焊、板极电渣焊等。缺点是输入的热量大，接头在高温下停留时间长、焊缝附近容易过热，焊缝金属呈粗大结晶的铸态组织，冲击韧性低，焊件在焊后一般需要进行正火和回火热处理。8.2常用电弧焊方法五、电阻焊电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊的显著特征是：（1）热效率高（2）焊缝致密•焊接电源、电极压力是形成电阻焊接头的最基本条件。•电阻焊方法主要有四种，即点焊、凸焊、缝焊、对焊。8.2常用电弧焊方法8.2常用电弧焊方法点焊焊接接头凸焊原理示意图8.2常用电弧焊方法缝焊对焊的形成过程电阻焊的优点：（1）熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。（2）加热时间短，热量集中，故热影响区小，变形与应力小。（3）不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氢等焊接材料，焊接成本低。（4）操作简单，易于实现机械化和自动化。（5）生产率高，且无噪声及有害气体。但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。8.2常用电弧焊方法电阻焊的缺点（1）目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证。（2）点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。（3）设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。8.2常用电弧焊方法六、钎焊钎焊用比母材熔点低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的焊接方法。•特点：（1）钎焊加热温度较低，接头光滑平整，组织和机械性能变化小，变形小，工件尺寸精确。（2）可焊异种金属，也可焊异种材料。（3）有些钎焊方法可同时焊多焊件、多接头，生产率很高。（4）钎焊设备简单，生产投资费用少。（5）接头强度低，耐热性差，且焊前清整要求严格，钎料价格较贵。8.2常用电弧焊方法一、金属材料的焊接性金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，是指金属在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。包括两个方面内容：一是工艺性能，即在一定工艺条件下，焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现裂纹的可能性；二是使用性能，即焊接接头在使用中的可靠性，包括力学性能及耐热、耐