焊接基础及工艺常识 (新版)..

焊接基础及工艺常识新版©2004金工教研室机械制造基础第四讲：焊接工艺常识•焊接工艺–永久性连接–起源于一次世界大战后（凡尔赛公约）•现代工业的基础工艺–造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车•基本焊接方法–电弧焊：属于熔化焊–其他焊接方法：压力焊、钎焊©2004金工教研室机械制造基础本讲内容•一、电弧焊工艺常识•二、焊条电弧焊•三、特种焊接工艺方法•四、金属材料的焊接性•五、焊接结构设计•六、连接技术©2004金工教研室机械制造基础一、电弧焊工艺常识•1、焊接电弧–气体介质中导电现象©2004金工教研室机械制造基础焊接电弧的热量•热量来源于–阳极43％–阴极36％–弧柱21％•热量扩散–65％～85％•加热熔化金属–其余•散失在电弧周围•飞溅的金属液阳极阴极弧柱©2004金工教研室机械制造基础2、正接和反接•温度：–阳极：2600K–阴极：2400K–电弧中心：6000K－8000K•直流焊接–正接法：工件温度高–反接法•交流焊接：两极温度均为2500K•引弧电压：50－90V•电弧电压：16－35V©2004金工教研室机械制造基础3、焊接接头的组织与性能•焊接工件上温度的变化与分布©2004金工教研室机械制造基础焊接接头组织低碳钢焊缝焊接热影响区©2004金工教研室机械制造基础4、焊缝•从熔池底向中心凝固–各个方向凝固速度不同–柱状铸态组织–铁素体＋少量珠光体–杂质集中在焊缝中心，影响焊缝质量©2004金工教研室机械制造基础焊缝的热影响区•1－融合区–0.1~1mm，关键•2－过热区–脆性比融合区更大•3－正火区–力学性能优于母材•4－部分相变区–比正火区稍差•不同焊接方法热影响区宽度不同•焊后正火改善接头性能©2004金工教研室机械制造基础5、焊接应力与变形•极不平衡的热循环过程•应力分布规律–先冷受压，后冷受拉©2004金工教研室机械制造基础消除焊接应力•提高母材塑性•避免焊缝交叉•避免焊缝过宽过长•合理焊接顺序–先焊短焊缝–后焊长焊缝•预热焊件、振动焊缝•焊后退火©2004金工教研室机械制造基础焊接变形•收缩变形•角变形•弯曲变形•扭曲变形•波浪变形©2004金工教研室机械制造基础防止焊接变形•减小焊接应力•提高结构刚度•对称焊缝分布•焊前反变形©2004金工教研室机械制造基础防止焊接变形•合理焊接操作–平衡温度分布–利用变形©2004金工教研室机械制造基础防止焊接变形•焊后校正©2004金工教研室机械制造基础二、焊条电弧焊•焊条电弧焊过程•药皮燃烧：–电弧周围气体：CO2、CO、H2–熔池中熔渣，冷却形成渣壳–保护熔池中的熔化金属©2004金工教研室机械制造基础1、电焊条•焊芯–导电和填充焊缝–焊接用钢丝•低碳钢、合金结构钢、不锈钢•药皮–焊接过程顺利进行–焊缝化学成分、力学性能©2004金工教研室机械制造基础焊条药皮•作用–提高电弧燃烧的稳定性–防止空气对熔化金属的有害作用–对熔池脱氧、加入合金元素•保证焊缝金属的化学成分和力学性能–稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、稀渣、粘接原料种类原料名称作用稳弧剂碳酸钾、碳酸钠、长石、大理石、钛白粉、钠水玻璃、钾水玻璃改善引弧性能、提高电弧燃烧的稳定性造气剂淀粉、木屑、纤维素、大理石造成一定量的气体，隔绝空气，保护焊接熔滴与熔池造渣剂大理石、长石、萤石、菱苦石、锰矿、钛铁矿、粘土、钛白粉、金红石造成具有一定物理化学性能的熔渣，保护焊缝，碱性渣中的CaO可脱硫、磷©2004金工教研室机械制造基础焊条药皮的作用©2004金工教研室机械制造基础焊条种类•按化学成分分成七大类–碳钢、低合金钢、不锈钢、堆焊、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金•焊条型号–E4303：•E碳钢焊条•43：焊缝抗拉43kgf/mm2•0：(0/1)全位置焊接、(2)平焊、(4)向下立焊•03：3、4为组合表示焊接电流种类和药皮类型，03为钛钙型药皮、交流或直流©2004金工教研室机械制造基础焊条种类•焊条牌号–J422、J507•J：结构钢焊条（奥氏体不锈钢A、铸铁Z）•42：抗拉强度等级MPa（50、55、60、70、80）•2：药皮和电流种类©2004金工教研室机械制造基础焊条种类•按熔渣性质–酸性焊条•酸性氧化物比碱性氧化物多•适合各种电源、易操作、电弧稳定、成本低•焊缝塑性韧性差、不宜用于重要构件–碱性焊条•焊缝塑性韧性好、抗冲击能力强•要求直流电源、操作性差、电弧不够稳定、价格高，适于重要构件©2004金工教研室机械制造基础焊条选用原则•选择依据：根据焊件–化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀耐高温性能–结构形状、受力情况、焊接设备条件•低碳钢和低合金钢构件：根据强度（两构件强度较低者为准）•酸性/碱性：根据重要性•铸铁：碱性焊条和适当工艺（预热）•不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条©2004金工教研室机械制造基础2、埋弧焊埋弧焊演示©2004金工教研室机械制造基础埋弧焊特点•大电流（1000A）、生产率高•焊接质量高且稳定•节约金属–热量集中、可无坡口、无焊条头、飞溅少•改善劳动条件–无弧光、烟雾•自动化程度高•工艺装备复杂，适合批量生产©2004金工教研室机械制造基础焊丝与焊剂•焊丝焊剂决定焊缝化学成分、力学性能•熔炼焊剂、陶质焊剂©2004金工教研室机械制造基础埋弧焊工艺•仔细下料、准备（清理）坡口、装配•引弧板与引出板－焊后去掉©2004金工教研室机械制造基础防止烧穿－焊剂垫、垫板©2004金工教研室机械制造基础环缝焊接©2004金工教研室机械制造基础3、气体保护焊－氩弧焊©2004金工教研室机械制造基础气体保护焊－CO2保护焊©2004金工教研室机械制造基础4、等离子弧焊接与切割•电弧压缩–机械压缩–热压缩–电磁收缩•中心区域温度极高–16000K•焊接/切割熔点很高的金属–不锈钢–钛、钨©2004金工教研室机械制造基础5、焊接自动化•数控轨迹控制•焊接质量监控©2004金工教研室机械制造基础焊接机器人焊接机器人演示©2004金工教研室机械制造基础用电弧焊焊接钢板的问题•如图拼焊一张大钢板–焊缝布置合理吗？–如何改进？•对称，错开–如何合理安排焊缝顺序？•先短后长12345678©2004金工教研室机械制造基础三、特种焊接工艺方法•简略了解其它焊接方法–电阻焊、摩擦焊、钎焊、电渣焊–真空电子束焊接、激光焊接•讨论–可以用于焊接的能源形式©2004金工教研室机械制造基础1、电阻焊•电阻热–Q=I2Rt•特点–生产率高、焊接变形小–操作简便、易实现自动（汽车外壳焊接）–设备复杂、耗电量大–接头形式、工件厚度受到限制•点焊、缝焊、对焊©2004金工教研室机械制造基础点焊•局部高温焊合•分流现象•焊点的分布最小距离限制©2004金工教研室机械制造基础点焊的接头形式•硬规范•软规范•电极压力•表面清洗•接头形式©2004金工教研室机械制造基础缝焊©2004金工教研室机械制造基础对焊©2004金工教研室机械制造基础对焊接头形式©2004金工教研室机械制造基础讨论这个问题•铜及铜合金可以采用电阻焊吗？©2004金工教研室机械制造基础2、摩擦焊©2004金工教研室机械制造基础摩擦焊的接头形式©2004金工教研室机械制造基础3、钎焊•焊接过程示意图－毛细管作用©2004金工教研室机械制造基础钎焊•硬钎焊–450℃以上、接头强度200MPa以上–自行车架、工具、刀具•软钎焊–450℃以下、接头强度70MPa以下–仪表、导电元件、各种低载荷构件•加热方式–烙铁、火焰、电阻、感应©2004金工教研室机械制造基础钎焊的常见接头形式©2004金工教研室机械制造基础钎焊接头的比较©2004金工教研室机械制造基础4、电渣焊©2004金工教研室机械制造基础5、真空电子束焊接©2004金工教研室机械制造基础6、激光焊接©2004金工教研室机械制造基础题外话：关于铝热剂•什么是铝热剂–通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂–用某些金属氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替氧化铁也可以做铝热剂•有什么特性–难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放出大量热•有什么用？©2004金工教研室机械制造基础焊接钢轨•原理–铝热反应公式示例：使用铝粉可还原氧化铁•Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3–还原反应产生大量的热能，无需外部的能源，就能熔化金属，可以用来焊接钢轨•优点–这些原料完全彻底地和合金元素混合在一起形成铝热剂，它可以组成与钢轨化学、冶金、和机械方面相匹配的焊接接头©2004金工教研室机械制造基础焊接钢轨•过程–铝热剂被投入到一个耐火坩埚中，用点火器点燃，开始铝热反应。–反应结束后，液态钢自动从坩埚底部释放到耐火模具，从而连接钢轨的两端。–模具带有几何形状特征，能控制铸造和固化的过程。–当铝热钢冷却下来后，进行进一步的热处理来提高它的机械特性。©2004金工教研室机械制造基础铝热焊设备©2004金工教研室机械制造基础其它用途•冶炼难熔金属•军事用途–在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分，可极大地提高杀伤力。–在前苏联科学家编写的《火箭炮》一书中，谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分。–在中国人民革命军事博物馆里，展品中就有美军的钢盔、卡宾枪、被烧熔在一起，除了火箭弹以外，其它炸弹没有如此大的能量。©2004金工教研室机械制造基础选择焊接方法•自行车车架•钢窗•家用液化气罐主缝•自行车圈•电子线路板•锅炉壳体•钢轨对接•不锈钢储罐硬钎焊（盐浴）硬钎焊、对焊、电弧焊缝焊缝焊外边、闪光对焊软钎焊埋弧焊、电渣焊闪光对焊、铝热焊等离子弧焊接、氩弧焊©2004金工教研室机械制造基础四、金属材料的焊接性•焊接性概念–设定相同（焊接方法、材料、参数、结构）–易焊、难焊：获得优质焊接接头的难易程度•焊接性并非一定–焊接方法、焊接材料、焊接工艺•评定方法–工艺焊接性：出现工艺缺陷的倾向–使用焊接性：使用中的可靠性（力学、特殊性能要求）©2004金工教研室机械制造基础钢材焊接性的估算•碳当量计算公式•计算结果–0.4%：良好–0.4%～0.6%：相对较差–0.6%：焊接性不好©2004金工教研室机械制造基础小型抗裂实验法©2004金工教研室机械制造基础碳钢焊接•低碳钢（C%0.25%）–焊接性好、淬硬倾向小、无需特别处理–大于50mm多层焊接－应力、变形开裂–焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊电阻焊–保证焊接接头与母材等强度•焊条：E4313(J421)E4303(J422)E4315(J427)等•埋弧焊丝/焊剂：H08A(H08MnA)/431©2004金工教研室机械制造基础碳钢焊接•中碳钢：C%＝（0.25%～0.6%）–焊接性变差、淬硬倾向变大–工艺特点：•容易开裂：冷裂纹、热裂纹•必须预热，减小工件各个部分的温差•细焊条、小电流、开坡口多层焊接–焊条电弧焊、电渣焊（厚件）–选择抗裂能力较强的低氢型焊条、等强度•焊条：E5016(J506)、E6015－D1(J607)©2004金工教研室机械制造基础合金钢焊接•合金结构钢焊接件较少–工艺与中碳钢近似•低合金结构钢焊接工艺特点–热影响区的淬硬倾向：合金含量大小–焊接接头的裂纹倾向：•冷裂纹倾向大小：含氢量、淬硬程度、应力•热裂纹倾向不大（我国合金都含Mn）–强度级别决定工艺•低：同低碳钢–低温大厚度高刚度构件：大电流、慢速、低氢焊条、退火•高：焊前预热、焊后先消氢处理，再退火处理©2004金工教研室机械制造基础铸铁补焊•铸铁焊接性很差，只能进行补焊•焊接特点–焊缝易形成白口、难以切削加工–易开裂、易产生气孔–流动性好，只能进行平焊•热焊法（600～700）：–防止开裂，补焊后可切削加工•冷焊法（450以下）©2004金工教研室机械制造基础非铁金属及其合金的焊接•铜及铜合金–困难•导热性太好，容易焊不透•易氧化、易开裂、易形成气孔•电阻很小，难以采用电阻焊•铜合金比纯铜更难焊接–氩弧焊（紫铜、青铜）–气焊（黄铜）、碳弧焊、钎焊©2004金工教研室机械制造基础非铁金属及其合金的焊接•铝及铝合金–也比较困难•极易氧化、Al2O3阻碍金属熔和、易夹渣•导热性较好，需预热、使用大功率热源