焊接工艺 (2)

焊接工艺4.1概述焊接是利用加热或加压（或者加热和加压），使分离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子间的结合的连接方法。在机械制造、建筑、车辆、石油化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。焊接的特点：优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高；2）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短；4）易于实现机械化和自动化。缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便；2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形；4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。焊接方法可分为：1）熔焊：利用局部加热的方法，把工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝，将两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。2）压焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。3）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方法。焊接方法在工业中主要用于：1）制造金属结构件。2）制造机器零件和工具。3）修复。4.1概述手工电弧焊是熔化焊中最基本的一种焊接方法。利用电弧作为热源，手工操纵焊条进行焊接的方法。手工电弧焊的特点：1）设备简单、操作灵活；2）可焊接多种金属材料；3）室内、外焊接效果相近；4）对焊工操作水平要求较高，生产率较低。4.2.1焊接电弧1.电弧的引燃焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。4.2手工电弧焊2.焊接电弧的结构电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4-1所示。1）阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K；2）阳极区：受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K；3）弧柱区：阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达6000~8000K。4.2手工电弧焊图4-1电弧的结构示意图4.2.2焊接接头1.焊缝形成过程熔焊焊缝的形成经历了局部加热熔化，使分离工件的结合部位产生共同熔池，再经凝固结晶为一个整体的过程。2.焊接的冶金过程焊接的冶金过程如图4-2所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：4.2手工电弧焊图4-2焊条电弧焊过程FeOOFeMnOOMn2SiO2OSi32OCr3O2Cr32OAl3O2Al能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe4N）形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。4.2手工电弧焊4.2.3焊条1.焊条的组成和作用焊条由焊芯和药皮组成。1）焊芯：一方面作电极，起导电作用，产生电弧，提供焊接热源；另一方面作为填充金属，与熔化的母材共同组成焊缝金属。焊芯采用焊接专用金属丝。如H08C等。2）药皮：焊条药皮的主要作用有：改善焊接工艺性；机械保护作用；冶金处理作用。焊条药皮的组成物按其作用分为：稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂等。2.焊条分类焊条的种类。按用途分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜合铜合金焊条、铝和铝合金焊条等。按药皮性质分为：酸性焊条（酸性氧化物为主）、碱性焊条（碱性氧化物和萤石CaF2为主）。4.2手工电弧焊3.焊条型号与牌号焊条型号：国家标准中的焊条代号。如E4303，E表示焊条，43表示熔敷金属抗拉强度最小值（kgf/mm2）；03表示焊接位置为全位置、电流种类为交直流及药皮类型为钛铁矿型。焊条牌号：焊条行业统一的焊条代号，用一个大写汉语拼音字母和三个数字表示。如J422，J表示结构钢焊条；42表示焊缝金属抗拉强度等级（kgf/mm2）；2表示药皮类型和电流种类。4.焊条的选用原则1）等强度原则；2）同成分原则；3）抗裂性要求；4）抗气孔要求；5）低成本要求。4.2手工电弧焊4.2.4焊接接头的金属组织与性能1.焊接工件温度的变化与分布在焊接加热和冷却过程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图4-3所示。不同点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。对焊接质量起重要影响的参数有：最高加热温度、在过热温度11000C以上停留时间和冷却速度等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。4.2手工电弧焊图4-3焊缝区各点温度变化示意图2.焊接接头金属组织与性能的变化以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-4所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫焊接热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。4.2手工电弧焊图4-4低碳钢焊接热影响区组织变化（1）.焊缝区焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图4-5所示；结晶过程中将在最后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。（2）焊接热影响区1）.熔合区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。2）过热区：最高加热温度在Ac3以上100℃~200℃的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位。4.2手工电弧焊图4-5焊缝的柱状树枝晶3）正火区：最高加热温度在Ac3至Ac3以上100℃~200℃的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。4）部分相变区：最高加热温度在Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。4.2.5焊接应力和变形金属构件在焊接以后，总要发生变形和产生焊接应力，且二者是伴生的。（1）焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。（2）焊接变形的基本形式如表4-1所示。（3）焊接应力的防止及消除措施：1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小；2）采取合理的焊接顺序，使焊缝较自由的收缩，如图4-6所示；3）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；4）采用小线能量焊接，多层焊，减少残余应力；5）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力；6）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。4.2手工电弧焊4.3.1埋弧自动焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。1.埋弧自动焊的焊接过程埋弧焊焊接过程如图4-7所示。2.埋弧焊特点及应用优点：1）焊接质量好；2）生产率高；3）节省焊接材料4）易实现自动化，劳动条件好，强度低，操作简单。4.3其他焊接方法缺点：1）适应性较差，焊前准备工作量大；2）焊接电流强度大，不适于3mm以下薄板；3）难以完成铝、钛等强氧化性金属及合金的焊接；4）设备一次性投资较大。埋弧自动焊通常用于碳钢、低合金结构钢、不锈钢和耐热钢等中厚板结构的长直缝、直径大于300mm环缝的平焊。此外，它还用于耐磨、耐腐蚀合金的堆焊、大型球墨铸铁曲轴以及镍合金、铜合金等材料的焊接。4.3.2气体保护电弧焊气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。常用保护气体有惰性气体（氩气、氦气和混合气体）和活性气体（二氧化碳气）两种，分别成为惰性气体保护焊和CO2焊。4.3其他焊接方法1.氩弧焊保护气体有氩气（Ar）和氦气（He），或其混合气体，分别称为氩弧焊和氦弧焊及混合气体保护焊。氩弧焊分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊，如图4-8所示。（1）钨极氩弧焊：电极材料可用纯钨或钨合金，一般采用铈钨极，其在焊接过程中不熔化，故需采用焊丝。焊接电流较小，适于薄板焊接。钨极氩弧焊一般采用直流正接，以减少钨极烧损，但焊接铝、镁金属时，为去除氧化物而利用“阴极破碎”可采用直流反接。（2）熔化极氩弧焊采用焊丝作为电极，可使用大电流，适于中厚板焊接。熔化极氩弧焊一般采用直流反接。氩弧焊适于焊接铝、镁、钛及其合金，稀有金属锆、钼，不锈钢，耐热钢，低合金钢等。4.3其他焊接方法2.CO2气体保护焊CO2焊采用CO2为保护气体，其焊接过程如图4-9所示。CO2在高温下会分解氧化金属，故不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢。同时需采用能脱氧和渗合金的特殊焊丝。CO2焊可分为自动CO2焊和半自动CO2焊（送丝自动，电弧移动手工）。其设备包括：主电路系统、控制系统、焊枪、供气系统、冷却系统。CO2焊的特点：1）生产率高；电流大，易于自动化，无渣壳。2）成本低；无需涂料焊条和焊剂，CO2价廉；3）焊缝质量较好；4）采用气体保护，能全位置焊接，易于自动控制；5）焊缝成形差，飞溅大；6）不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢；7）设备较复杂，使用和维修不便。CO2焊适于焊接低碳钢和强度级别不高的普通低合金结构钢。4.3其他焊接方法4.3.3气焊和气割1.气焊气焊是利用气体火焰作热源的焊接方法。最常用的是氧-乙炔焊，氧-乙炔焰进行焊接。气焊设备简单、操作灵活方便、不需电源，但气焊火焰温度较低，且热量较分散，工件变形大，所以应用不如电弧焊广泛。4.3其他焊接方法（1）气焊火焰的种类1）中性焰：最适宜气焊工作，如焊接低碳钢、中碳钢、低合金钢、紫铜、铝合金等。2）碳化焰：通常用于焊接高碳钢、铸铁、硬质合金等。3）氧化焰：除焊接黄铜之外，一般很少使用。4.3其他焊接方法（2）接头形式和焊接准备气焊可以进行立、横、仰等各种空间位置的焊接。其接头形式也有对接、搭接、角接和T型接头等。（3）焊丝和焊剂在焊剂时，气焊的焊丝作为填充金属，与熔化的母材一起形成焊缝，因此对焊丝质量对焊件性能有很大的影响。焊剂的作用是保护熔池金属，除去焊接过程中的氧化物，增加液态金属的流动性。2.气割气割是利用高温的金属在纯氧中燃烧而将工件分离的方法。符合下列条件的金属才能进行气割：1）金属的燃点应低于本身的熔点，否则变为熔割，使切割质量降低，甚至不能切割。2）金属氧化物的熔点应低于金属本身的熔点。3）金属的导热性不能太高，否则使气割处的热量不足，造成气割困难。4）金属在燃烧时所产生的大量热能应能维持气割的进行。碳素钢和合金结构钢具有很好的气割性能。4.3其他焊接方法4.3其他焊接方法4.3.4.电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣产生的熔渣电阻热加热熔化母材与电极（填充金属）的一种焊接方法。按电极形状可分为丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊和熔管电渣焊。丝极电渣焊过程如图4-10所示。焊接过程为先引弧，形成渣池，电弧过程变为电渣过程，熔化金属凝固成形。电渣焊的特点:1）可一次焊成很厚的焊缝；2）生产率高，焊接材料消耗少，不需开坡口；3）焊缝金属较纯净，渣池覆盖住熔池，保护良好，有利于气体和杂质浮出；4）接头金属在高温下停留时间长，过热区大，接头金属组织粗大，焊后应进行正火处理。电渣焊主要用于厚壁压力容器和铸—焊、锻—焊、厚板拼焊等大型构件的制造，厚度应大于40mm的碳钢、合金钢和不锈钢等。4.3其他焊接方法4.3.5.等离子弧焊1）等离子弧的产生：等离子弧是一种电离度很