焊接与胶接成形

第十章焊接与胶接成形一、概念焊接是两种或两种以上的材料（同种或异种）通过原子或分子之间的结合和扩散造成永久性联接的工艺过程。二、分类1.熔化焊：将工件焊接处局部加热到熔化状态，形成熔池（通常还加入填充金属），冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合为不可分离的整体。电弧焊电渣焊激光焊等离子焊电子束焊铸焊气焊熔化焊手工电弧焊埋弧焊气体保护焊2.压力焊：在焊接过程中无论加热与否，均需要加压的焊接方法。电阻焊冷压焊高频焊超声波焊扩散焊爆炸焊摩擦焊压力焊对焊点焊缝焊3.钎焊：采用熔点低于被焊金属的钎料（填充金属）熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，且一般没有塑性变形。钎焊软钎焊硬钎焊三、生产特点1.节省金属材料，结构重量轻。2.以小拼大、化大为小，制造重型、复杂的机器零部件，简化铸造、锻造及切削加工工艺，获得最佳技术经济效果。3.焊接接头具有良好的力学性能和密封性。4.能够制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。四、应用：焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、航空及航天工业等应用十分广泛。第一节焊接工程理论基础第二节常用焊接方法第三节常用金属材料的焊接第四节焊接结构设计第十章焊接与胶接成形第一节焊接工程理论基础电弧焊：是利用电弧热来局部熔化被焊工件及填充金属，然后凝固成坚实接头的焊接方法。电弧焊是现代焊接方法中应用最为广泛、最为重要的一类焊接方法。电弧焊在焊接生产劳动总量中所占比例一般在60%以上。10.1.1焊接电弧10.1.2焊接接头的组织与性能10.1.3焊接应力与变形10.1.4焊条电弧焊10.1.5埋弧焊10.1.6气体保护焊10.1.1焊接电弧一、实质电弧实质上是在一定条件下电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象，或者说是在两电极之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。二、产生过程引燃焊接电弧时，通常是将两电极（一极为工件，另一极为填充金属丝或焊条）接通电源，短暂接触并迅速分离，两极相互接触时发生短路，形成电弧。这种方式称为接触引弧。电弧形成后，只要电源保持两极之间一定的电位差，即可维持电弧的燃烧。焊接电弧分为阳极区、阴极区和弧柱区，如图4-1所示。图4-1三、特点电弧的热量与焊接电流和电弧电压的乘积成正比。电流越大，电弧产生的总热量就越多。一般情况下，阳极获得的能量略多于阴极。电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料不同而有所不同。一般来说，电弧中心区温度最高。由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异，因此使用直流电源焊接时，有正接和反接两种接线方法。正接是将工件接到电源的正极，焊条（或电极）接到负极；反接是将工件接到电源的负极，焊条（或电极）接到正极。如下图所示。正接时工件的温度相对高一些。如果焊接时使用的是交流弧焊机，则两极加热温度一样，因而不存在正接和反接问题。10.1.2焊接接头的组织与性能一、焊接接头的组织与性能图4-3低碳钢焊接接头的组织1.焊缝因结晶时各个方向的冷却速度不同，从而形成柱状的铸态组织，由铁素体和少量珠光体组成。焊接时，晶粒有所细化，同时由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属的性能可能不低于母材金属的性能。2.焊接热影响区焊接热影响区是指焊缝两侧金属因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。由于焊缝附近各点受热情况不同，热影响区可分为：（1）熔合区：是焊缝和基体金属的交界区，也称半熔化区。因其强度、塑性和韧性都下降，而且此处接头断面变化，易引起应力集中，故熔合区对焊接接头性能影响不利。（2）过热区：塑性及韧性降低，故对焊接接头性能也有不利影响。（3）正火区：冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材。（4）部分相变区：力学性能比正火区稍差。焊接热影响区的大小和组织性能变化的程度，决定于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。同一焊接方法使用不同焊接参数时，热影响区的大小也不相同。在保证焊接质量的条件下，增加焊接速度或减少焊接电流都能减小焊接热影响区。10.1.3焊接应力与变形一、焊接应力的产生与防止焊缝是靠一个移动的点热源加热，然后逐次冷却下来形成的。当焊缝及其相邻区金属处于加热阶段时都会膨胀，但受到焊件冷金属的阻碍，不能自由伸长而受压，形成压应力。该压应力使处于塑性状态的金属产生压缩变形。随后再冷却到室温时，其收缩又受到周边冷金属的阻碍，不能缩短到自由收缩所应达到的位置，因而产生残余拉应力（焊接应力）。下图为平板对接焊缝和圆筒环形焊缝的焊接应力分布状况。a）纵向应力b）横向应力c）径向应力焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能，其承载能力大为降低，甚至在外载荷改变时出现脆断的危险后果。对于接触腐蚀性介质的焊件，由于应力腐蚀现象加剧，将减少焊件使用期限，甚至产生应力腐蚀裂纹而报废。对于承受重载的重要结构件、压力容器等，焊接应力必须加以防止和消除。防止措施如下：1.在结构设计时：应选用塑性好的材料，应避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大和焊缝过长。2．选择合理的焊接顺序（1）尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。图4-5为一大型容器底板的焊接顺序,若先焊纵横向焊缝3，再焊横向焊缝1和2，则焊缝1和2在横向和纵向的收缩都会受到阻碍，焊接应力增大，焊缝交叉处和焊缝上都极易产生裂纹。图4-5大型容器底板的拼焊顺序（2）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形，如图4-6、图4-7所示。图4-6分散对称的焊接顺序图4-7长焊缝的分段焊a）退焊b）跳焊3.焊前预热。即在焊前将工件加热到350～400℃的高温，然后再进行焊接。预热可使焊缝区金属和周围金属的温差减小，焊后又可比较均匀地同时缓慢冷却，从而显著减小焊接应力。4.焊接中采用小能量焊接方法或锤击焊缝。5.当需较彻底地消除焊接应力时，可采用焊后去应力退火。二、焊接变形及其防止1.基本类型2.防止措施（1）结构设计时：采用对称结构或大刚度结构、焊缝对称分布结构。（2）反变形：焊接前预测焊接变形量和变形方向，在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到抵消焊接变形的目的，如图所示。（3）加裕量法：根据经验，在工件下料尺寸上加一定裕量，通常为0.1％～0.2％，以补充焊后的收缩。（4）刚性夹持法：利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形，如图所示。该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。3.矫正方法（1）机械矫正：利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形，如图所示为工字梁弯曲变形的机械矫正。这种方法适用于塑性较好、厚度不大的焊件。（2）火焰矫正：利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形。这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢。图示为T形梁上拱变形的火焰矫正方法。三、裂纹的产生与防止焊接应力过大的严重后果是使焊件产生裂纹。焊接裂纹存在于焊缝或热影响区的熔合区中，而且往往是内裂纹，危害极大。因此，对重要焊件，焊后应进行焊接接头的内部探伤检查。防止措施：合理选材，选用合理的焊接工艺和焊接参数。10.1.4焊条电弧焊焊条电弧焊（即手工电弧焊）是利用焊条与工件间产生电弧热，手工操作将工件和焊条熔化而进行焊接的方法。焊条电弧焊是最常用的焊接方法。优点：设备简单，操作方便、灵活，并可实现全方位焊接。尤适用于形状复杂、尺寸小、焊缝短或弯曲及难以实现自动化焊接的焊件。一、焊接过程电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件和焊芯同时熔化形成熔池，同时也使药皮熔化和分解。焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用过渡到熔池当中，与母材的一部分共同成为焊接金，即形成焊缝。当电弧向前移动时，工件和焊条不断熔化汇成新的熔池，原来的熔池则不断冷却凝固，构成连续的焊缝。覆盖在焊缝表面的熔渣也逐渐凝固成为固态渣壳。二、电焊条电焊条由金属芯（即焊芯）和外层涂敷的药皮两部分组成。焊条可按熔渣性质分为酸性焊条和碱性焊条两大类。1.酸性焊条：药皮熔渣中酸性氧化物比碱性氧化物多的焊条。缺点：（1)焊缝质量较低，力学性能较低。（2）脱O、S、P能力差，氧化程度较高。优点：（1）工艺性较好。（2）内部气孔和杂质较少。（3）成本较低。主要用于非重要构件。2.碱性焊条：熔渣中碱性氧化物比酸性氧化物多的焊条。由于用碱性焊条焊接时焊缝中含氢量极低，故又称低氢焊条。优点：焊缝质量高、抗冲击能力强缺点：（1）操作性差。焊前需烘干焊件，仔细清理焊件坡口，不允许残留有油、锈和氧化皮等脏物。（2）电弧不稳定。（3）价格高适合于焊接重要结构件。10.1.5埋弧焊一、焊接过程电弧埋在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称埋弧焊，也称溶剂层下电弧焊。如图所示为埋弧焊的纵截面图。焊接时，光焊丝插入粒状焊剂中，引弧后自动焊机头带着焊丝自动均匀地向前移动，或是焊机不动，工件相对运动。在焊丝前面，焊剂不断从送料斗中流动，撒在工件表面。电弧燃烧后，工件与焊丝被熔化成较大体积的熔池。由于电弧向前移动，熔池金属被电弧气体排挤向后堆积形成焊缝。二、特点1.优点：（1）生产率高：由于电流较大，单位时间内焊丝的熔化量显著增加，焊缝的熔深也增加，从而提高了生产率。（2）焊缝质量好：由于焊剂对电弧空间的有效保护，防止了空气的侵入，焊缝的化学成分和性能较均匀。此外由于熔深较大，不易产生未焊透的缺陷，同时也消除了手工焊中因更换焊条而容易引起的一些缺陷。因此埋弧焊焊缝表面光洁平直。（3）节省材料：埋弧焊由于焊剂保护，金属飞溅少；还消除了手工焊中焊条头的损失。（4）改善劳动条件：埋弧焊消除了弧光对人体的有害作用，放出的有害气体较少，自动焊机减轻了工人的劳动强度。2.缺点：（1）主要使用于水平焊缝焊接。（2）只适于长焊缝的成批生产。（3）不适合焊接厚度小于1mm的薄板。（4）难以焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。三、工艺：埋弧焊要求更仔细地下料、开坡口和装配。焊前应将焊缝两侧50～60mm内的一切污垢和铁锈除掉，以免产生气孔。埋弧焊一般在平焊位置焊接，用以焊接对接和丁字形接头的长直线焊缝和对接接头环形焊缝。由于引弧处和断弧处质量不易保证，焊前应在焊缝两端焊上引弧板和引出板，如图所示。为了保持焊缝成形和防止烧穿，生产中常采用各种类型的焊剂垫和垫板，或者先用焊条电弧焊封底。10.1.6气体保护焊气体保护焊是利用气体流保护电弧及熔池，以保证焊缝质量的一种电弧焊工艺。常用的保护气体有氩气、氦气、氢气、氮气和CO2气体，也有使用混合气体保护的。一、氩弧焊氩弧焊按所用电极的不同，可分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。1.不熔化极氩弧焊不熔化极氩弧焊以高熔点的铈钨棒作为电极。焊接时，铈钨棒不熔化，只起导电与产生电弧的作用。但因电极所能通过的电流有限，所以只适合焊接厚度6mm以下的工件。焊接钢材时，多用直流电源正接，以减少钨极的烧损。焊接铝、镁及其合金时，则用直流反接或交流电源。因极间质量很大的氩气正离子撞击工件熔池表面，可使氧化膜破碎，有利于焊件金属熔合和保证焊接质量。氩弧焊这种去除氧化膜的作用称为“阴极破碎”作用。2.熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊焊丝本身作为电极，焊接电流可以大大提高。因而母材熔深大，焊丝熔敷速度快，提高了劳动生产率。所以在中等厚度以上的铝及其合金、钛合金、不锈钢等焊接中，熔化极氩弧焊获得了较为广泛的应用。熔化极氩弧焊一般采用直流反接法。不仅电弧稳定，而且焊铝时可清除焊缝表面的氧化膜。3.特点（1）由于用惰性气体作保护，故适于焊接各类合金钢、易氧化的非铁金属及稀有金属。（2）电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观。（3）电弧和熔池区受气流保护，明弧可见，便于操作，容易实现全位置自动焊接。（4）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，焊接速度较快，焊接热影响区较窄，因而工件焊后变形小。由于氩气价格较高，氩弧焊目前主要用于焊接铝、镁、钛及其合金，也用于焊接不锈钢、耐热钢和一部分重要的低合金结构钢焊件。二、CO2气体保护焊CO2气体保护焊和熔化极氩弧焊的工作原理及焊