§4 焊接工艺基础

§4焊接工艺基础焊接是将两个分离的金属通过加热或加热、加压，产生原子的结合与扩散作用而形成永久性连接的工艺方法。根据焊接原理，焊接可分为三大类：⑴熔焊利用局部加热，使焊件接头处熔化并加入填充金属，待其冷却凝固后连接成整体的焊接方法，如气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊和激光焊等。⑵压焊利用加热或其它方法使金属接头处于半熔化或高塑性状态，在足够的压力下产生塑性变形，通过原子间的结合连结金属的方法，如电阻焊、摩擦焊等。⑶钎焊利用低熔点钎料被加热熔化，在焊件接头处与母材相互扩散而形成焊接接头的方法。钎焊可分为软钎焊和硬钎焊。§4焊接工艺基础一.焊接电弧及其冶金过程特点§4.1手弧焊1.焊接电弧焊接电弧是在焊条与工件之间的介质中产生的强烈而持久的放电现象。直流电焊时，电弧阳极区热量占43%,阴极区占36%,弧柱区占21%。用结构钢焊条焊接钢材时,阳极区温度可达2600K，阴极区温度可达2400K,弧柱区可达6000～8000K(如图4-1)。正接法:工件接正极,焊条接负极;反接法:工件接负极,焊条接正极。交流电弧焊时,两极温度都在2500K左右。§4焊接工艺基础§4.1手弧焊2.手弧焊的焊接过程手弧焊的焊接过程如图4-2:(1)电弧在焊条与被焊件之间燃烧,电弧热使工件(基本金属)和焊条同时熔化成熔池,焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用过渡到熔池中;(2)电弧还使焊条的药皮熔化或燃烧,产生熔渣和气体,对熔化金属和熔池起保护作用.(3)当电弧向前移动时,熔池冷却凝固而新的熔池不断产生,最终形成连续的焊缝。§4焊接工艺基础3.电弧焊的冶金过程特点用涂料焊条进行焊接时,熔化金属、熔渣和气体三者之间发生一系列冶金物理化学反应，与一般的冶炼过程相比有如下特点：①焊接电弧和熔池金属的温度高于一般的冶炼温度，金属烧损严重，产生的有害杂质较多；②金属熔池体积小，熔池四周是冷金属，凝固速度快，各种反应为非平衡反应，容易产生化学成分不均、气体和夹渣等缺陷。§4.1手弧焊§4焊接工艺基础针对以上问题，提高焊缝质量的有效措施为：①造成有效的保护，限制空气浸入焊接区。焊条药皮、自动焊熔剂和惰性保护气体都起这个作用；②在焊条药皮中(或焊剂)中加入有用合金元素(如铁、锰等)以保证焊缝的化学成分；③在药皮或焊剂中加入锰铁、硅铁等进行脱氧、脱硫和脱磷。§4.1手弧焊§4焊接工艺基础§4.1手弧焊二.电焊条手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。牌号化学成分[质量分数(%)]用途FeCMnSiCrNiSPH08余≤0.100.3～0.55≤0.03≤0.20≤0.30＜0.04＜0.04一般焊接结构H08A余≤0.100.3～0.55≤0.03≤0.20≤0.3＜0.03＜0.03重要的焊接结构H08-MnA余≤0.100.8～1.10.≤0.07≤0.20≤0.30＜0.03＜0.03用做埋弧自动焊钢丝1.焊芯焊芯起导电和填充焊缝金属的作用,其化学成分和杂质含量直接影响焊缝质量.碳素钢焊芯材料见表4-1.可见,材料中S、P含量很低,C含量也低,并且Si含量控制严格,这样可减少焊接时产生气孔和夹渣.表4-1碳素钢焊接钢丝的牌号和化学成分§4焊接工艺基础§4.1手弧焊2.焊条药皮原料名焊条号大理石菱苦土长石云母金红石钛白粉石英砂白泥萤石钛铁硅铁钼铁中碳锰铁纯碱木屑结422147810251011132结502156.56726.5912217结507521.57181244.51原料作用造气、造渣、稳弧造渣、稳弧造渣脱氧、合金化、造渣稳弧造气、脱氧药皮的作用是：①容易引弧和提高电弧的稳定性；②造气、造渣包围和覆盖熔池，保护焊缝；③提供合金元素渗入焊缝，保证焊缝的机械性能和焊接工艺性能。药皮的配方及原材料的作用见表4-2。表4-2常用电焊条药皮配方§4焊接工艺基础§4.1手弧焊3.焊条的种类及编号焊条按牌号分为结构钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条等十大类.如结构钢焊条的牌号:结422,“结”表示结构钢焊条,“42”表示焊缝金属抗拉强度最低值的1/10(即420MPa),最后的“2”表示药皮类型为钛钙型,属于酸性焊条,交直流电两用.焊条钢芯的直径即焊条直径，最小的为0.4mm，最大的为9mm，以直径为3.2～5mm的应用最广。§4焊接工艺基础§4.1手弧焊焊条按熔渣化学性能分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条药皮中主要含有SiO2、TiO2、MnO等和少量有机物，熔渣呈酸性，熔渣的氧化性较强，合金元素烧损较大。焊缝中氧、氮含量较高，脱硫能力差，且氢含量较多，焊缝塑性、韧性差，易产生裂纹。但酸性焊条稳弧性好，焊接操作工艺性好，价格较低，交直流两用，应用广泛。碱性焊条药皮中含有较多的CaO、FeO、MnO、Na2O等，熔渣呈碱性，属低氢焊条，焊缝抗裂性好。常用直流电弧焊。结构钢焊条牌号中末位数字为1～5的属酸性焊条，6、7为碱性焊条；1～6可交直流两用，7只能直流焊。§4焊接工艺基础§4.1手弧焊4.焊条的选用原则焊条的种类很多，各有其适用范围，通常是根据焊件化学成分、机械性能、抗裂性、耐腐蚀性以及高温性能等要求，选用相应的焊条类型及牌号。①对低碳钢和普通低合金钢结构，一般按钢材强度等级来选用相应焊条。应注意两者强度等级的区别。②同一等级的酸性焊条或碱性焊条的选用，主要考虑焊接件的结构形状(简单或复杂)、钢板厚度、载荷性质(动载或静载)和钢材的抗裂性能而定。§4焊接工艺基础③低碳钢与低合金结构钢焊接，按强度较低的钢材选用相应的焊条。④铸铁因含碳量高等原因，一般选用碱性焊条并配以适当的工艺措施。⑤焊接不锈钢或耐热钢等特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。§4.1手弧焊§4焊接工艺基础§4.1手弧焊三.焊接接头的组织和性能1.焊接工件上温度的变化与分布焊接时，电弧沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热。但随着各点金属所在位置的不同，其最高温度是不同的(如图4-3),且在不同时间达到该点的最高温度。总的来说，在焊接过程中，焊缝受到一次冶金过程，焊缝附近区域相当受到一次不同规范的热处理，其组织和性能发生相应的变化。§4焊接工艺基础§4.1手弧焊2.焊接接头金属组织和性能的变化图4-4为低碳钢焊接时焊缝和焊件附近上各点所加热的温度对应于相图上的组织状态。根据金属被加热时的状态，焊接接头可分为焊缝区和热影响区。(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别对应着图4-3中的点1、2、3和4)§4焊接工艺基础§4.1手弧焊(1)焊缝区焊缝区的金属被加热熔化后随即冷却结晶，其结晶方向是从熔池底侧面指向焊缝中心，故形成柱状铸态组织。低熔点的硫、磷杂质和氧化铁等易偏析集中于焊缝中心区，影响焊缝性能。§4焊接工艺基础(2)热影响区焊缝附近的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。Ⅰ熔合区即半熔化区，其组织为过热粗晶，宽度很窄(0.1～1mm),其强度、塑性和韧性都下降，易应力集中，它决定着焊接接头的性能。Ⅱ过热区该区奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，其塑性和韧性下降，也是焊接接头的薄弱区，易产生裂纹。Ⅲ正火区该区金属发生重结晶，冷却后为均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其性能优于母材。Ⅳ部分相变区该区珠光体和部分铁素体发生重结晶,使晶粒细化,部分铁素体来不及转变,冷却后晶粒大小不均,性能略差。§4.1手弧焊§4焊接工艺基础3.改善焊接热影响区组织性能的方法§4.1手弧焊焊接热影响区的存在在焊接过程中不可避免，对于重要钢结构、合金钢结构或用电渣焊接的构件，要注意热影响区的危害，必须采取一定的改善措施：①碳素钢与低合金钢构件，采用焊后正火处理。②对焊后不能热处理的金属材料或构件，通过正确选择焊接方法与焊接工艺来减少焊接热影响区的范围。§4焊接工艺基础§4.1手弧焊四.焊接应力与变形1.焊接应力与变形产生的原因在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热，会产生焊接应力和变形。图4-5为平板对接焊缝的应力和变形过程示意图.§4焊接工艺基础§4.1手弧焊2.焊接变形的基本形式§4焊接工艺基础§4.1手弧焊3.减少焊接应力与变形的工艺措施①焊前预热及焊后热处理(去应力退火)；②选择合理的焊接次序：使焊接应力和变形互相抵消或使焊件焊缝部分能进行自由收缩(图4-7)；§4焊接工艺基础§4.1手弧焊④反变形法：预先估计或测算好焊接变形量，将焊件安装呈与变形方向相反的位置，焊后抵消焊接变形(图4-8)。③刚性固定法：焊前将焊件固定夹紧,利用材料的塑性变形减少焊接过程中的变形(适用于塑性好的材料)；§4焊接工艺基础⑤锤击焊缝法：在焊接过程中轻击焊缝，使其产生微量塑性变形，减少焊接应力；⑥对焊后已形成的变形，可采用机械矫正法和火焰矫正法来矫正(图3-9)。§4.1手弧焊§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法一.埋弧自动焊1.埋弧自动焊的焊接过程§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法2.埋弧自动焊的特点①生产率高：其生产率比手弧焊提高5～10倍；②焊接质量好；焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观；③成本低：因焊接电流大、熔深大,小于20mm厚的焊件可不开坡口，可节省更换焊条的时间和焊条头的浪费,未熔化的焊剂可回收使用。④劳动条件好：看不到弧光,烟雾也少,劳动强度低。⑤适应性差：只适合平焊直线长焊缝和较大直径的环形焊缝，不能焊小于6mm的钢板。⑥焊前准备工作严格§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法二.气体保护焊常用的保护气体为氩气和二氧化碳。1.氩弧焊及其特点氩弧焊又分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊，其焊接过程如图。§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法(2)熔化极氩弧焊以连续送进的金属丝做电极并填充焊缝,可采用自动焊或半自动焊,可选较大的焊接电流,适用板材厚在25mm以下的焊件。(1)钨极氩弧焊电极常用钍钨棒或铈钨棒做,焊接时钨棒仅有少量损耗。焊接电流不能过大，只能焊4mm以下的薄板。焊钢材板：直流正接法；焊铝、镁合金：直流反接法或交流电源(交流电可减少钨极损耗)。§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法(3)氩弧焊的特点1)焊接过程无冶金反应，焊接质量好，适用焊非铁金属和各种合金钢；2)电弧热量集中，熔池小，热影响区小，故焊后变形小；3)电弧稳定，金属飞溅少，焊缝无熔渣、美观；4)可全方位焊接，且明弧操作，便于观察、控制和调整；5)氩气成本高，一般情况下不采用。§4焊接工艺基础这是近十几年发展起来的新工艺。焊接时，电流的幅值按一定的频率由高到低周期的变换，其电流波形如图4-12。高值脉冲电流时形成熔池、低值基本电流时加热少、熔池凝固。(4)钨极脉冲氩弧焊§4.2其它焊接方法§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法钨极脉冲氩弧焊的特点为：1)焊缝熔化凝固易于控制,避免薄件烧穿,适于焊0.1～5mm的钢材或钢管,能实现单面焊双面成形，保证根部焊透；2)适合于各种空间位置焊接，易于实现全位置自动化；3)焊接规范容易调节，可减少裂纹倾向和焊接变形；4)焊缝质量稳定，接头机械性能高于普通氩弧焊。§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法2.CO2气体保护焊及其特点(1)CO2气体保护焊的焊接过程§4焊接工艺基础(2)CO2气体保护焊的特点a)CO2气体来源广、价格低，其焊接成本只有埋弧自动焊和手弧焊的40%～50%；b)CO2保护焊焊缝含氢量低，抗裂性好；电弧集中，热影响区小，变形和裂纹倾向小；c)焊接时电流密度大，熔深大，焊接速度快，无清渣过程，故生产率高；d)可进行全方位的焊接，可焊1mm左右厚的薄钢板，常用于焊30mm以下的低碳钢和低合金钢的焊接；e)CO2是氧化性保护气体，焊接时液滴飞溅大，焊缝不够平滑，只能采用直流电焊接。§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法三.电渣焊1.电渣焊工艺过程2.电渣焊的特点①生产率高：适用于焊40mm以上厚度的结构焊接,且一次焊成.②焊缝缺陷少：不易产生气孔、夹渣和裂纹等缺陷.③成本低：省电和省熔剂；④焊件需正火热处理§4焊接工艺基础§4.2其它焊接方法四.等离子弧焊及其特点它是利用等离子弧发生装置使电弧经过喷嘴的细孔道使电弧收缩(机械压缩效应),由通入的等离子气(Ar或N2)冷气流迫使电弧进一步压缩(热压缩效应),电弧中带电粒子流