焊 接

1．内容：①概述②手工电弧焊③其他焊接方法④常用金属材料的可焊性⑤焊件的结构工艺性2．要求：①了解和掌握焊接过程和接头的金属组织及性能，焊件的变形和应力；了解焊件缺陷和防止措施。②了解常用焊接方法的特点和应用，焊接方法的选择。③了解和掌握常用金属材料的焊接工艺特点及焊接结构设计的要求3．教学重点和难点重点：焊接过程和特点、焊接接头的金属组织性能、常用金属材料的焊接工艺特点及焊接接头的接工艺设计难点：焊接接头的金属组织及性能、应力分析概述1．焊接过程实质：是利用加热或加压力等手段，借助于金属原子结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。①节省金属材料和工时，减轻结构重量，降低成本以焊代铆双金属②能化大为小，拼小为大铸——焊锻——焊③修补零件2．焊接的特点3．焊接的分类：熔化焊压力焊钎焊熔化焊：常用熔化焊有：电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊Ar和CO2）、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊利用局部加热的方法，将两工件的结合处加热到熔化状态，并形成共同熔池，在外加或不加填金属的情况下，冷却结晶后使两工件结合处形成牢固的接头的方法。压力焊：利用加压力（或同时加热）的方法，使两个工件结合面紧密接触在一起，并产生一定的塑性变形，让接触面上的原子重新组合，从而将被焊的金属连接起来的方法。常用压力焊有：电阻焊（点焊、缝焊、对焊）、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊、超生波焊钎焊：利用熔点比焊件低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的焊件连接起来的方法。常用的有：硬钎焊软钎焊§3-1手工电弧焊一、焊接电弧电极与工件间的气体介质中长时间而有力的放电现象。电极：金属丝钨丝碳棒（石墨）焊条短路后的电极迅速加热到熔化状态，两极之间的气体介质被高温加热，电子撞击而被电离，电离后产生的自由电子奔向阳极，正离子奔向阴极，从而放出大量的光和热——形成电弧。电弧的产生：电弧的热量与焊接电流的平方成正比正接法：工件——正极焊条——负极反接法：工件——负极焊条——正极二、焊接过程及特点过程：①电弧燃烧——焊条金属熔化——熔池——焊缝药皮→分解、燃烧→CO2→熔化→与金属反应→熔渣（上浮）→渣壳②焊条不断移动→形成新的熔池特点：与一般冶金过程不同①焊接热源和金属熔池的温度高于一般冶金温度，金属元素强烈蒸发、烧损。②焊缝熔池冷却速度快措施：1.造成有效的保护，限制空气侵入焊缝区。药皮焊剂惰性气体2.渗加有用合金元素以保证焊缝的化学成分。锰铁铬铁3.对熔池进行脱氧、脱硫、脱磷，消除有害杂质的影响。三、焊条的种类及选用1.焊条种类结构钢焊条：J422(E4303)J507(E5015)表示药皮类型和所需电源的种类，由0～9共十个数字中的一个构成7、9——直流电源0…8——交、直两用①药皮中含有多量酸性氧化物，SiO2、TiO2、Fe2O3→CO气体→熔池沸腾→有利于气体逸出，不易生成气孔；②稳弧剂较多，电弧燃烧稳定，交直电源，工艺性好③焊缝中氢的含量较多，裂缝倾向大。酸性焊条①药皮中较多CaCO3→Ca和Co2，形成气体和渣壳，起保护作用。②药皮中CaF2等去氢物质，氢↓；CaO脱S、P能力强→裂纹倾向↓③稳弧剂少，阻碍气体电离→工艺性差④对油、水、铁锈敏感性大→易产生气孔。碱性焊条：①等强度原则②化学成分相近③同等强度等级酸、碱性焊条碱性焊条→抗裂性好，形状复杂、结构刚性大，冲击载荷、高温、高压下工作的结构件酸性焊条→受力不复杂、抗气孔性好，焊前难处理的件④优先选用价格便宜的酸性焊条。2.焊条选择原则四、焊接接头组织和性能焊接时，电弧沿着工件逐步移动并对工件进行局部加热。随着温度的升高又降到室温，填充金属及接头两侧的母材金属要发生金相组织及力学性能的变化。焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区三个部分组成。以低碳钢为例进行分析：温度°C组织：垂直于熔池底壁的柱状晶粒→铸态组织性能：不低于母材金属（冷却速度快、渗合金)1．焊缝焊件焊接后形成的结合部分称为焊缝。组织：受热长大的粗晶粒与部分铸造组织特点：不均匀性能：强度低、塑性差常是产生裂纹及脆性破坏的发源地2．熔合区（半熔化区）1450℃～1500℃过热区正火区部分相变区再结晶区①过热区：1100℃～1450℃组织：晶粒粗大的奥氏体→过热组织性能：塑性、韧性差，强度低3.热影响区②正火区：850℃～1100℃组织：晶粒小的正火组织性能：机械性能较高③部分相变区（不完全结晶区）：727℃～850℃组织：珠光体和部分发生重结晶的铁素体及部分未转变的铁素体P+F（转变）+F（未转变）组织不均匀性能：机械性能稍差④再结晶区：727℃以下再结晶组织，性能较好。3.影响焊接热影响区大小的因素及改善热影响区性能的方法影响因素：焊接方法焊接规范接头形式被焊金属的物理性能焊后冷却速度•改善措施：①焊后进行热处理→重要件②减小热影响区的范围→不能进行热处理的件§3-1手工电弧焊一、焊接电弧二、焊接过程与特点三、电焊条的种类及选择四、焊接接头的组织与性能五、焊接应力及变形1.焊接应力及变形的产生原因：焊接时局部、不均匀加热是焊件产生应力及变形的根本原因残余变形：焊后比前尺寸缩短残余应力：焊缝→拉应力两侧→压应力2．焊接变形的基本形式常见的焊接变形有：收缩变形角变形弯曲变形波浪变形扭曲变形3．防止和减少焊接变形的措施进行合理的设计：减少焊缝的数量双面坡口焊缝对称避免交叉利用型材工艺措施：反变形法加裕量法刚性夹持法合理的焊接顺序对称端面梁的焊接顺序变形矫正法：机械矫正火燃矫正4．减少焊接应力的工艺措施①减少焊缝的数量、长度和截面尺寸②避免焊缝密集和交叉③利用型材和冲压件④选择合理的焊接顺序⑤保证焊缝纵、横向收缩自由，避免受阻⑦焊后去应力退火⑥焊前预热焊接顺序对应力的影响§3-2其它焊接方法§3-2-1埋弧自动焊特点：生产效率高焊接质量高且稳定节省金属材料劳动条件好应用：长焊缝、大环形焊缝§3-2-2气体保护焊1.氩弧焊：以氩气作为保护气体的电弧焊熔化极氩弧焊不熔化极氩弧焊特点：①保护性好→合金钢、有色金属、稀有金属②全位焊；明弧→便于操作③热量集中→热影响区小，变形小④电弧稳定→焊缝致密、成型美观应用：钢材、有色金属2.CO2气体保护焊以CO2气体为保护气体的电弧焊•特点：①成本低，CO2气体便宜②生产效率高，（是手工焊1-3倍）③操作性能好，明弧可见，操作方便④热量集中，热影响区及变形小⑤质量较好，氢含量低，抗烈性能•应用：低碳钢、低合金钢§3-2-3离子弧焊•等离子弧是一种被压缩的电弧，电弧区气体处于电离状态。1.机械压缩效应2.热压缩效应3.电磁收缩效应●特点：具有氩弧焊的特点穿透力强（弧柱温度高）可焊很薄的箔材•应用：不锈钢耐热钢铜合金钛合金钨、钼、钴、钽等稀有金属等离子切割氧气切割1～3倍，可切割不锈钢、铜、铝及难熔合金和非金属材料§3-3常用金属材料的焊接§3-3-1金属材料的可焊性1．金属的可焊性指被焊金属在一定的焊接条件下获得优质焊接接头的难以程度。2．评定指标①产生工艺缺陷倾向，特别是出现各种裂纹倾向②在使用中的可靠性，机械性能、特殊性能•碳当量估算公式为：MnCr+Mo+VNi+CuCE=C+++(%)6515•式中：C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素含量的百分数CE0.4%时δ↑淬硬倾向不明显，可焊性良好，焊接时一般不产生裂纹。CE=0.4～0.6%时δ↓淬硬倾向逐渐明显，可焊性较差，焊前适当预热和采取一定的工艺措施。CE0.6%时δ↓↓淬硬倾向很强，可焊性不好。焊前预热和采取严格的工艺措施，焊后缓冷或热处理。§3-3-2常用金属材料的焊接1．低碳钢的焊接C≤0.25%δ↑，没有淬硬倾向，不敏感，可焊性好。适应任何一种焊接方法C=0.25～0.6%随C↑δ↓，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。2．中、高碳钢的焊接②焊缝金属热裂倾向大中碳钢预热温度：150～250℃①热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹铸→焊锻→焊3.低合金钢的焊接焊接特点：（1）热影响区的淬硬倾向淬硬程度与钢的化学成分和强度等级有关碳↑强度级别↑→淬硬倾向↑（2）焊接接头的裂缝倾向产生冷裂缝的因素：含氢量淬硬程度应力大小碳↓锰↑→热裂缝倾向不大300MPa级09Mn2、09Mn2Si，350MPa级16Mn450MPa级15MnVN、14MnMoV4．铸铁的焊接铸铁的可焊性差原因：①C、Si↑σb↓δ↓→易产生裂纹②C、Si烧损，焊接冷却速度快→易产生白口组织；③焊接中易产生气孔，C↑→CO、CO2，液态→固态时间短，熔池中气体往往来不及逸出。•措施：•热焊法：•焊前预热600～700℃（保持400℃），用于形状复杂、焊后需要加工的重要铸件的焊补。•冷焊法：•焊前不预热或预热温度较低，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、裂纹。低碳钢焊条——非加工面焊接镍基铸铁焊条——重要铸件加工面的焊接铜基铸铁焊条——焊后可加工或一般构件5．有色金属的焊接1）铜及铜合金原因：①不易焊透②应力、变形大刚度大易产生裂缝③易产生气孔④易氧化、夹渣、热裂缝•常用焊接方法：•氩弧焊气焊电阻焊钎焊2）铝及铝合金原因：①极易氧化、夹渣②焊接应力、变形③易生成气孔④焊缝塌陷。常用焊接方法：氩弧焊气焊点焊缝焊钎焊§3-4焊接的结构设计•在进行焊接结构设计时，既要考虑焊接的使用性能要求，又要考虑焊接结构的工艺性，如焊接材料的选择，焊接方法的确定，接头型式及焊缝的布置等。§3-4-1焊接材料的选择在满足使用性能的要求下，尽可能选用可焊性较好的材料。刚度稳定性要求——可焊性优良的材料强度韧性要求——可焊性良好、强度级别较高的材料化学成分不同的钢材——接头强度不低于被焊材料中的强度较低者§3-4-2焊接接头的工艺设计1．焊接接头的设计焊接接头是焊接构件中最基本的组成部分。接头的型式应该根据结构形状及强度要求、工件厚度、焊缝部位、焊后变形的大小、坡口加工的难易程度等因素加以确定。接头型式对接接头T形接头角接接头搭接接头对接接头T形接头角接接头搭接接头厚薄板对接2．焊接位置的确定平焊立焊横焊仰焊§3-4-3焊接的结构工艺性焊接的结构工艺性——是指设计焊接的形状与尺寸时，在保证焊接使用性能要求的前提下，要使焊接的结构和焊缝布置合理，便于制造，以达到优质、高产和低消耗的目的。焊接结构工艺性设计的一般原则1)焊缝的位置应便于操作①焊条操作空间不好的设计改后的设计②机械化焊接应考虑接头处便于存放焊剂不好的设计改后的设计2)焊缝位置布置应有利于减少焊缝应力与变形不好的设计改后的设计①焊缝应避免过分密集和交叉不好的设计改后的设计②尽量减少焊缝数量利用型材冲压件③焊缝应尽量对称布置不好的设计改后的设计④焊缝端部产生锐角处应该去掉不好的设计改后的设计3)焊缝应尽量避开最大应力或集中处不好的设计改后的设计4)不同厚度工件焊接时,接头处应平滑过渡不好的设计改后的设计5)焊缝应避开加工表面不好的设计改后的设计1.说明熔合区的部位及组织、性能。2.以低碳为例，画图并说明焊缝金属与热影响区的温度分布及组织和性能。3.何谓冷焊法？常用哪些焊条？焊接机床床身导轨面砂眼时用什么焊条？4.铸铁的可焊性如何？说明原因。5.焊接过程与一般冶金过程有什么不同？6.产生焊接应力与变形的原因是什么？如何防止和减少焊接应力与变形？7.简述当CE=0.4~0.6%时，钢的可焊性如何？8.试比较说明下列材料的可焊性。20钢、灰口铸铁、45钢、T10