焊接成型技术

第三章焊接成型技术☆定义：用加热或加压等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来的方法。☆分类：☆特点：1.接头牢固密封性好2.可化大为小，以小拼大3.可实现异种金属的连接4.重量轻加工装配简单5.焊接结构不可拆卸6.焊接应力变形的，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷一、焊接成形的理论基础1.电弧焊过程加热→融化→冶金反应→结晶→固态相变→形成接头2焊接电弧1）形成焊接电弧：焊接电源供给的，是具有一定电压的两极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。电弧实质是一种气体放电现象。a）当焊条与焊件间有足够电压时，接触时，相当于电弧焊电源短路，接触点及短路电流很大，产生大量的电阻热，使金属熔化，汽化，引起强烈的电子发射和气体电离。b）焊条与焊件拉开一点距离，由于电源电压的作用，在这段距离内会形成很强的电场，促使产生的电子发射，同时加速气体的电离，使带电粒子在电场力作用下定向运动。c）电弧焊电源不断共给电能，新的带电粒子不断得到补充，形成连续燃烧的电弧。2）电弧的组成及热量分布阴极区：发射大量电子消耗一定能量，36%，2400k阳极区：高速电子的撞击，传入较多能量，42%，2600k弧柱区：21%，5000-8000k3）电弧的极性直流电源：①正接极：焊接较厚材料，将焊件接正极；②反接极：焊接较薄材料，将焊件接负极。交流电源：极性交替变化，阴阳极区的温度和热量分布基本相等。3.焊接电弧热过程特点及影响1）特点①焊接时的加热不是焊件的整体受热，而是加热局部区域，因此，对于整个焊件来说，受热极不均匀。②焊接热过程是一个瞬时进行的过程，由于在高度集中的热源作用下，加热速度极快。③焊接热过程中的热源是相对运动着的，由于焊接时焊件受热的区域不断变化，使得其传热过程不稳定。2）焊接热过程对焊接质量和焊接生产率的影响①焊接时，熔池金属会与气体发生反应，从而改变金属的化学成分，而在冷却凝固时得到不同的组织，使焊缝金属产生缺陷进而使其性能发生很大变化。②焊接热过程的不均匀加热使焊件各区域的膨胀和收缩不一致，导致焊接结构中产生焊接应力和变形。③焊接热过程使焊接热影响区的组织和性能发生变化。④焊接时不同的加热方式影响焊接的生产率。4.电弧焊的冶金过程物理、化学变化过程：熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化一系列过程。总结为：气体——熔渣——金属之间的物理、化学变化。1）焊接冶金过程的特点①温度非常高，导致金属烧损或形成有害杂质；②冷却速度快，熔池体积小，熔池处于液态时间很短，各种化学反应难以达到平衡状态，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，产生气孔和夹渣等缺陷；③焊接冶金过程不断有新的金属进入熔池，使冶金过程复杂。2）气体对焊缝金属组织和性能的影响①氧的影响来源：氧气主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物等。影响：熔池被金属氧化后，形成氧化铁、三氧化二硅和氧化锰等夹渣，使焊缝的力学性能下降。②氢的影响来源：焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物、母材金属和焊丝表面的污物（铁锈、油污）和空气中的水分等。影响：以过饱和状态溶入金属中，使局部压力过大，产生微裂纹，即氢脆。③氮的影响来源：焊接区周围的空气。影响：促使焊缝产生气孔的主要原因之一。过饱和的氮以气泡的形式从熔池中逸出，当焊缝金属的结晶速度大于它的逸出速度时，就形成气孔。3）焊缝金属质量保护措施①机械保护：通过焊接材料产生气体或人工从外界通入气体，排除电弧空间的空气来进行保护的方法。如气体保护焊。②焊前清理：对坡口及焊缝两侧的油、锈等其他杂物进行清理，对焊条、焊剂进行烘干，可降低吸氢现象。③控制电弧长度：电弧长度越长，侵入的氢越多。④脱氧及渗入合金元素：为补偿烧损元素，在焊条药皮中加入合金元素，进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢、、渗金属等，保证焊缝性能。5.焊接接头的金属组织与性能●焊接接头：金属熔化焊焊接部位的总称（焊缝区，熔合区，热影响区）1）焊缝区：熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。焊缝金属的结晶从熔池和母材的交界处开始，向熔池中心生长，形成柱状的结晶组织。对于低碳钢，为铁素体和少量珠光体。2）熔合区：焊缝和母材金属的交界处，焊缝金属向热影响区过渡区，两侧为完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区，所以也成半熔化区。宽度：0.1-1mm温度：T液-T固性能：化学成分不均匀，组织不均匀，强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。3）热影响区：母材因受热而发生组织和力学性能变化的区域。组织和性能反映了焊接接头的性能和质量。（包括过热区、正火区和部分相变区）☆过热区：热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。宽度：1-3mm温度：T固-1100℃。性能：粗大的过热组织，塑性、韧性低，是裂纹的发源地☆正火区：相当于热处理的正火组织，为细晶区。宽度：1.2-4mm温度：AC3-1100℃性能：金属强度和塑性相应提高，力学性能优于母材☆部分相变区：发生部分相变的区域。温度：AC1-AC3性能：发生相变的区域获得细小的铁素体，没发生相变的区域还保留粗大的铁素体组织，晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能较差，较母材差。（力学性能最差的区域：熔合区和过热区）●焊接接头的主要缺陷1.气孔：焊接时熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸出而形成空穴2.夹渣：焊后残留在焊缝中的夹渣3.焊接裂纹：由于焊接残余应力较大而在焊缝火热影响区产生的裂纹4.未焊透：焊接接头根部未完全熔透的现象二、焊接成形的力学基础1.焊接应力与变形1）焊接应力：焊接成形过程中及焊接结束后，焊件内部存在的内应力。焊缝中心部分因膨胀受阻产生压应力，两端产生拉应力。当焊缝中心处的压应力超过屈服强度时，产生压缩变形，变形为虚线包围的无阴影部分。焊缝中心处的压缩变形不能恢复，冷却到室温缩短到虚线所示位置，两侧缩短到原长，但平板各部分收缩会相互牵制，焊缝两侧将阻碍焊缝的收缩，产生压应力，焊缝产生拉应力。2）焊接变形基本形式①收缩变形：横向收缩和纵向收缩。难以修复，必须留出加工余量。②扭曲变形：多焊缝和长焊缝结构上，主要是焊缝在截面上的分布不对称或焊接顺序及焊接方向不合理原因造成的。③弯曲变形：由于构件的截面不对称，焊缝布置不在构件的中性轴上。④角变形：横向收缩在厚度方向上分布不均匀。焊缝正面变形大，背面变形小，造成平面的偏转。⑤波浪变形：由于焊缝的纵向收缩和横向收缩在约束度较小的结构部位造成较大的压应力而引起的变形。或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的组合变形。2减小和控制焊接应力和变形的措施1）设计措施☆合理选择焊缝的尺寸和形式（焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形大）☆尽可能减少不必要的焊缝（焊缝越多，应力集中越大）。☆合理安排焊缝的位置焊缝尽可能对称分布，或使焊缝接近于中性轴，可减小焊缝所引起的挠曲。2）工艺措施☆焊前预热和焊后缓冷焊前将焊件加热到400℃以下温度，减小温差，减小焊接应力和变形。减小焊接区与周围金属的温度差，从而减小焊接应力。焊后去应力退火可以使焊接变形减小80%左右。☆选择合理的装配及施焊顺序选择引起焊接变形最小的装焊顺序，复杂构件分成简单的构件进行焊接，然后再组合，使不对称或收缩力较大的焊缝变形得到控制。☆选择合理的焊接顺序焊缝对称分布时，采用对称焊接焊缝大小不等时，先焊小缝后焊大缝☆反变形法：焊接前，将构件预置成人为的变形，使变形方向与焊接引起的变形方向相反，则焊后的变形和预置变形可以相互抵消。☆刚性固定法：将待焊件固定，限制焊接变形。☆锤击或碾压焊缝法：用小锤对焊缝进行均匀适度的锤击，使焊缝金属在高温塑性好时得到延伸，从而减小应力和变形。3）焊接变形的矫正机械矫正：利用外力作用来强迫焊件的变形区产生方向相反的变形，以抵消原来产生的塑性变形。火焰矫正：利用氧-乙炔火焰对焊件上已产生伸长变形的部位进行加热，利用冷却时产生的收缩变形来矫正焊件原有的伸长变形。三、焊接方法一）熔焊：热源将待焊工件接口处迅速加热熔化，形成熔池，熔池随热源向前移动，冷却后形成联系焊缝而将两工件连接成一体。包括电弧焊，电渣焊和高能焊。1电弧焊：电弧共给热量，使工件熔合在一起，达到原子间结合的焊接方法。熔化极电弧焊：电极是焊接过程中熔化的焊丝，包括手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。不熔化电弧焊：焊接过程中不熔化的碳棒和钨棒。1）手工电弧焊：利用电弧的热量局部熔化焊件，并用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。☆焊接过程：①电弧热使母材熔化形成熔池，焊条金属芯熔化后以熔滴形式进入熔池；②熔化的药皮进入熔池，成为熔渣浮在熔池表面，保护熔池不接触空气，与熔池金属发生反应，添加合金元素，改善焊缝性能。③药皮分解产生的气体隔绝空气，保护熔池金属。☆焊接特点：操作灵活，设备简单。☆应用：最广泛的焊接方法。2）埋弧焊定义：电弧在焊剂层下燃烧，利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生的电弧而自动进行焊接的。☆焊接过程：①焊剂由焊剂漏斗送入，平铺在工件上；②焊丝导入到焊剂下方形成电弧；③焊丝、焊剂、金属在电弧区内熔化；④焊剂产生的熔渣保护熔池免受气体侵入，防止熔滴飞溅，减少热量损失，加大熔深。⑤焊丝沿焊缝前移，熔池凝固形成焊缝，熔渣结成覆盖焊缝的渣壳。☆焊接热源：焊车、控制箱、焊接电源☆焊接特点①焊接生产率高：焊接电流大，热量集中，熔深大，焊接速度快；②成本低：可不开坡口，一次焊透，没有焊条损失和飞溅，多余焊剂可回收；③焊缝质量好：熔池保护效果好，液态存在时间长，冶金反应充分，工艺稳定，焊缝表面美观，接头组织均匀，力学性能高。④改善劳动条件：机械操作代替手工操作，对焊工技术水平要求也降低。⑤适应性差：不适合薄板和不规则的焊缝。☆焊接应用※较厚钢板的长直焊※较大直径的环缝焊接（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、起重机械、冶炼机械高炉炉身等的焊接）3）气体保护焊定义：利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊缝区的电弧焊。特点：1）明弧焊接，焊接时便于监视焊接过程，操作方便；2）焊后不用清渣，可节省时间，提高生产率；3）保护气流对电弧有冷却压缩作用，电弧热量集中，热影响区窄，工件变形小，适合薄板焊接。①氩弧焊定义：利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。熔化极氩弧焊：连续送进的焊丝作为电极，焊丝熔化后作为填充金属。熔深比较大，适合焊厚度为8~25mm的焊件。不熔化极氩弧焊：熔点比较高的钨棒做电极，氩气作为保护气体的气体保护焊。钨棒不熔化，需加入焊丝熔化作为填充金属。焊接电流有限，适合焊厚度为0.5~4mm的薄板。特点：1.机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊接质量优良2.电弧燃烧稳定，飞溅小3.焊接热影响区的变形小4.可进行全位置焊接5.氩气昂贵，设备制造高应用：适用于所有金属材料的焊接（适用于易氧化的有色金属及合金材料的焊接。Eg：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等）②CO2气体保护焊定义：利用CO2气体作为保护气体的电弧焊。特点：1.生产率高（是手弧焊的1-3倍）2.成本低（是手弧焊的40%）3.焊接热影响区的变形小4.可进行全位置焊接5.氧化、飞溅严重，气孔倾向大，焊缝成形差应用：适用于低碳钢和强度级别不高的低碳合金结构钢的焊接。目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。2.电渣焊☆定义：利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热熔化母材和填充金属进行焊接的方法。☆焊接过程:图3.241）焊丝接触引弧板引燃电弧，电弧高温使焊剂和工件熔化，产生渣池。当渣池液面淹没焊丝低端时，电弧熄灭。2）电弧熄灭后，电流进入渣池。液态渣池电阻很大，电流通过产生极大的电阻热，使被焊件边缘及焊丝末端熔化；3）熔化的金属下沉，与熔渣发生化学反应，沉积渣池底部形成熔池；4）熔池不断推动渣池向上运动，熔池则受到冷却滑块冷却作用凝固形成焊缝，将两工件连接在一起。☆焊接热源：电渣热☆保护介质：液态熔渣特点：1.大厚度工件课可一次焊成2.生产率高成本低3.焊接质量好不易产生夹渣、气孔等缺陷4.热影响区大——焊后热处理应用：1.适用于碳钢合金钢不锈钢等材料2适用于厚大工件。厚度大于40mm的大型结构件3.高能焊定义