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第四篇焊接第四篇焊接概述•焊接是应用最广泛的金属不可拆卸连接方法焊接过程的实质是利用加热、加压等手段，借助金属的原子结合与扩散作用，使分离的金属牢固地结合起来的成形方法。第四篇焊接概述焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量；（2）与铸造、锻造结合，简化复杂零件和大型零件的制造（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。(6)与铆接相比工艺过程简单，节省材料，应用广泛。焊接方法的应用：（1）制造（双）金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。第四篇焊接概述压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊加热温度高，使金属融化，从而使两端金属结合在一起的方法不加热或加热至塑性状态，利用压力使原子扩散从而使两端金属结合在一起的方法熔化低熔点的钎料，通过毛细作用渗入被焊金属，分别与两端金属结合从而使两端金属结合在一起的方法第四篇焊接概述气门芯第一章电弧焊第一节焊接电弧概念：电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压（50-90伏）最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧的三个区阴极区、阳极区和弧柱区焊接电弧的温度和热量分布温度ºC热量分布热量来源阳极区：260043％阴极电子动能与电子、正离子复合能弧柱区：6000～800021％电子、正离子复合能阴极区：240036％正离子动能与电子、正粒子复合能金属丝、钨丝、碳棒都可作为电极，材料不同，电弧温度也不同，一般是在电极材料的熔点附近。第一章电弧焊第一节焊接电弧由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）直流反接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）交流电焊机的两极温度相同（2500°C)，无正反接之分。第一章电弧焊第一节焊接电弧•引弧电压：电焊机的空载电压，一般为50-90V•电弧电压：电弧稳定燃烧时的电压，与电弧长度有关，即焊条与工件间的距离。•电弧长度越长，电弧电压也越高，16-35V熔焊的本质及特点熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。(即冶金过程）熔池温度高，比普通炼钢炉至少高100°C，易出现的问题:(1)钢水氧化：CCO或CO2，来不及溢出，形成气孔。Mn（Si）Mn（Si）O2，来不及上浮，进入渣中，形成夹杂物。使熔池性能变脆。（2）氮化：Fe+[N]Fe2N或Fe4N，在焊缝里呈针状或片状，使焊缝金属塑性大大下降。但没有氧化严重，因为O更活泼。（3）氢的溶解：H原子来不及溢出，在Fe原子中扩散，逐渐聚集在微观缺陷处，形成H2，造成内压力，这种现象成为“氢脆”，会有延时裂纹。第一章电弧焊第一节焊接电弧电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度。使金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，增大了气体的活泼性，导致金属烧损或形成有害杂质。热影响区大。结晶后易生成粗大的柱状晶。金属熔池体积小，熔池四周是冷金属，熔池处于液态的时间很短，一般在１０秒左右。导致各种化学反应难以达到平衡状态，化学成分不够均匀，熔池存在时间短，气体和杂质来不及浮出易产生气孔和夹杂等缺陷。熔池不断更新，有害气体容易进入熔池，形成氧化物、气孔杂质等缺陷。第一节焊接电弧第一章电弧焊熔化焊的三要素热源能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。熔池的保护可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。第一节焊接电弧第一章电弧焊电弧焊的焊接过程：手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。第一节焊接电弧第一章电弧焊第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能1—焊缝宽度；2—热影响区；A—熔合区；2-1—过热区；2-2—完全重结晶区（正火区）；2-3—部分重结晶区（部分相变区）；2-4—再结晶区；2-5—时效区；3—母材组织低碳钢焊接接头的组成第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能一、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，并对工件局部加热，，焊缝及周围金属先后被加热，然后冷却。离焊缝远近不同的点，达到的最高温度和时间各不相同，相当于在焊缝周围进行了一次不规范的热处理，，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变。第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能二、焊接接头的组织和性能1.焊缝由于焊接熔池小，冷却快，焊缝组织的晶粒有所细小。渗合金的作用。焊缝金属的性能可能不低于母材。焊缝结晶是从低部的半熔化区开始逐渐进行，各个方向的冷却速度不同，因此形成柱状晶。低熔点的硫、磷和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，这会影响到焊缝的力学性能。•性能差。但由于电弧吹力作用，使柱状晶歪斜，细化晶粒。在药皮里加入Mn等有益元素，起到固溶强化作用，焊缝组织为P+F。性能不低于母材第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能二、焊接接头的组织和性能2.热影响区焊接热影响区是指焊缝附近因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。低碳钢的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。1）熔合区（半溶化区）熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。温度介于液相线与固相线之间，母材被部分熔化（又称半熔化区），冷却后形成铸态组织。未熔化的长成过热粗晶或淬硬组织晶粒粗大。强度、塑性和韧性均下降。且接头断面变化，易应力集中，是焊接接头中的最差的部位。熔合区很窄，但在很大程度上决定焊接接头的性能。对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能二、焊接接头的组织和性能2）过热区AC3线以上100°-200°至固相线，奥氏体晶粒急剧长大的区域。该区材料较母材的塑性及韧性降低。3）正火区AC1至AC3线以上100°-200°，金属发生重结晶，得到细小均匀的P+F，力学性能优于母材。加热时金属发生再结晶，冷却后得到均匀细小的组织，力学性能优于母材。4）部分相变区部分铁素体晶粒长大，力学性能比正火区稍差。第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能二、焊接接头的组织和性能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、接头形式和焊接后的冷却速度等。同一焊接方法是用不同的焊接参数时，热影响区不同。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的热影响区焊接方法对低碳钢焊接热影响区平均尺寸的影响第一章电弧焊第二节焊接接头的组织和性能三、改善方法减小热影响区一般低碳钢区域窄，危害小，可不处理重要碳钢结构件、低合金结构件正火，细化与均匀化晶粒以改善接头性能不能进行热处理的材料选择正确焊接材料、方法、工艺以减少热影响区的范围第一章电弧焊第三节焊接应力与变形产生应力的原因：焊接过程中，对焊接件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因一、焊接应力分布焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。会产生塑性变形、内应力和裂纹。（最终靠近焊缝部分受拉、远离焊缝部分受压）焊缝区—拉应力（+）；远离焊缝两侧对应边缘—压应力（-）平板对接焊缝第一章电弧焊第三节焊接应力与变形二、焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。（注意产生原因、场合）•收缩变形，构件焊接后，因焊缝纵向和横向收缩，使构件的纵向和横向尺寸缩小•角变形，V形坡口对焊时，因焊缝截面形状上下不对称，焊后横向收缩不均匀而引起角变形•弯曲变形，丁字梁焊接时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲•扭曲变形，由于焊缝在构件横截面上布置的不对称或焊接工艺不合理，时工件产生纵向扭曲变形•波浪形变形，焊接薄板结构，薄板在焊接应力作用下，在厚度方向因丧失稳定性而引起波浪形变形第一章电弧焊第三节焊接应力与变形三、焊接变形与应力的危害工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力1.设计角度a）焊缝尽量少、小（截面），短（可用断续焊缝），布置对称b）避免受力最大处和应力集中处c）加收缩量d）避免焊缝交叉密集先焊收缩量较大的焊缝；先焊工作时受力较大的焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝焊缝对称布置第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力1.工艺角度a）采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（图a）。而图b因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力b）采用小能量，也可减少焊缝应力。c）焊前预热焊后缓冷，可以减少工件温差，也能减少残余应力。d）多层焊，双面焊，对称焊可减少角变形第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力e）对于承受重载的重要构件、压力容器等，焊接以后可以采用焊后消除应力退火的热处理方法。f）焊后进行消除应力的退火可消除残余应力。第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力g）采用反变形方法第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力h）采用对称焊和分段倒退焊i）采用多层多道焊，能减少焊接变形第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力j）采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力k）严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力l）火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。第一章电弧焊第三节焊接应力与变形四、预防和减少焊接应力思考题＊减少焊接应力考虑，拼焊如题图1所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？试在图中标出，并说明理由。图1第一章电弧焊第四节焊条电弧焊定义：利用焊条和工件之间电弧加热熔化而焊接的方法。特点：1.灵活，适于室内、室外、高空及各种焊接位置。2.设备简单、易维护、焊钳小、使用方便，接头可与母材强度接近。3.生产率低，劳动强度大，有耀眼的强光和烟雾。分类1.非熔化极：电极本身不熔化，只传导电流，产生电弧。一般电流小，适于=3mm的焊件，用的不广。2.熔化极：电极被熔化为填充金属。第一章电弧焊第四节焊条电弧焊一、电弧焊的焊接过程：手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。第一章电弧焊第四节焊条电弧焊二、电焊条1.普通焊条的组成及其作用（1）组