1、金属工艺焊接金属工艺焊接本章重点：1.较深刻地理解焊接工程的基本理论；2.对焊接接头的组织与性能、焊接应力与变形的形成过程有清楚的认识；3.掌握防止和消除焊接变形的常用方法。4.能够根据材料的特性正确选择焊 接方法。对可焊性 差的材料在焊接时 应采取哪些措施。第1页/共145页焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。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。第2页/共145页第3页/共145页第4页/共145页缺点：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
2、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。第5页/共145页第6页/共145页第7页/共145页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。熔池存在时间短，温度 高；冶金过程进行不充 分，氧化严重；热影响区 大。冷却速度快，应力大，结晶后易生成粗大的柱状晶。第8页/共145页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9页/共145页延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。第10页/共145页提高焊缝性能同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射。焊接方法中的埋弧焊、电渣焊就是采用这种熔渣
3、保护熔池的机理。第11页/共145页第12页/共145页 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格CO2为无色无味气体，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。但CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为CO和O2：CO2 CO+O2所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。CO2气体第13页/共145页填满焊缝，提高焊缝性
4、能，使焊缝与母材等强度，用焊丝和焊芯（填充金属）过渡 合金元素。填充金属第14页/共145页第15页/共145页两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达50008000K。电弧的结构示意图第16页/共145页第17页/共145页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。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18页/共145页焊条电弧焊过程焊条电弧焊过程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，导致金
5、属烧损或形成有害杂质。金属熔池体积小，熔池处于液态的时间很短，一般在秒左右。导致化学成分不够均匀，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19页/共145页电焊条1 电焊条的组成电焊条由外覆药皮中间焊芯组成焊芯焊芯药皮药皮2.作用：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。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
6、渣剂、增塑剂等。第20页/共145页按用途分：结构钢焊条J；钼和铬耐热钢焊R；低温钢焊条W；奥氏体不锈钢焊条A；堆焊焊条D；铸铁焊条Z；镍及镍合金焊条Ni；铜及铜合金焊条T；铝及铝合金焊条L；特殊用途焊条TS 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）。第21页/共145页度等级（kgf/mm2）；2表示药皮类型和电流种类。第22页/共145页酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差。碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高。碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以提高焊缝金属的抗裂性。碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气
7、孔。碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（HF 等），因而应注意通风。第23页/共145页载荷性质和抗裂性能而定。低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。第24页/共145页焊缝的形成实际上在焊接处发生局部加热熔化，由欲焊接的两工件结合部位形成熔池，然后再冷凝结晶而使两工件成为一个整体的过程。1.焊缝的形成第25页/共145页接头形式等。图图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化低碳钢焊接接头的组织变化第26页/共145页焊缝的柱状树枝晶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
8、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。第27页/共145页1）过 热 区：最 高 加 热 温 度 在11000C以上的区域，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。2）正火区：最高加热温度在Ac3至11000C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。3）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。低碳钢焊接接头的组织变化低碳钢焊接接头的组织变化第28页/共145页焊接接头热循环的特
9、点是：加热和冷却速度很 快，对易淬火钢，易导致马氏体相变；对其它材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。第29页/共145页 低碳钢焊接接头的组织、性能变化如图所示，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决 定焊接接头的性能。低碳钢焊接接头的性能分布低碳钢焊接接头的性能分布第30页/共145页量:指熔焊时,焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。4）焊后热处理：如正火，能细化接头组织，改善性能。5）接头形式、工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速
10、度，从而影响接头的组织和性能。第31页/共145页如自由膨胀则如图a中虚线所示，但由于受到阻碍，产生同样伸长，故高温处产生压应力，低温处产生拉应力，两者平衡。冷却后，由于冷却速度不同，高温处冷却慢，收缩大。同样最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力。平板对接焊的应力平板对接焊的应力a)焊接过程中焊接过程中b)冷却后冷却后第32页/共145页扭曲变形、波浪变形等。第33页/共145页第34页/共145页第35页/共145页1)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36页/共145页第37页/共145页工字梁反
11、变形刚性固定法多层多道焊层道示意图第38页/共145页机械矫正法 火焰矫正法第39页/共145页第40页/共145页退火消除？采用反变形方法、对称焊、多层多道焊、刚性固定、机械矫正、火焰矫正第41页/共145页 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.埋弧焊设备 埋弧焊设备由焊接电源、焊车、控制箱三部分组成。焊车由送丝机头、行走小车、控制盘、焊丝盘和焊剂漏斗等组成。第42页/共145页焊前准备板厚小于14mm时，可不开坡口；板厚为1422mm时，应开Y型坡口；板厚为2250mm时，可开双Y型或U 型坡口。Y型和双Y型坡口的角度为5060。
12、埋弧焊的工艺焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩 松等缺陷进入工件焊缝之中第43页/共145页缺点：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。第44页/共145页第45页/共145页1）氩弧焊 氩弧焊是以氩气作为保护（熔池）气体的电弧焊。高温下，Ar不与金属起反应，不溶于金属。氩弧焊质量很高。氩弧焊分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。钨极氩弧焊以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔 点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长 的特点，形成
13、不熔化极氩弧焊。第46页/共145页熔化极氩弧焊 以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所 用电流比较大，生产率高。适用于板厚8mm以上的铝容器。为使 电弧稳定，熔化极氩弧焊通 常采用直流反接。第47页/共145页第48页/共145页第49页/共145页FeO+C=Fe+CO生成的CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。第50页/共145页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）
14、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。第51页/共145页焊接过程为先引弧，形成渣池，电弧过程变为电渣过程，熔化金属凝固成形。第52页/共145页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。第53页/共145页a）机械压缩效应；b）热压缩效应；c）电磁压缩效应。温度可达24000K 50000K。第54页/共145页端技术所用的铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金导弹壳体、波纹管 及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封焊以及飞机上一些
15、薄 壁容器均可用等离子弧焊接。但等离子弧焊接设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊 接。第55页/共145页第56页/共145页第57页/共145页第58页/共145页激光焊示意图第59页/共145页1.电阻焊电阻焊是利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性或局部熔化状态，再在电极压力作用下形成接头的一种焊接方法。电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊。电阻热：Q=RT式中Q电阻热；电流（几千安至几十万安）；R电阻（接触电阻与工件电阻和）；T通电时间（短）。第60页/共145页第61页/共145页电阻点焊形熔核形成过程电阻点焊形熔核形成过程（3）电阻焊过程预压、通电加热、在压
16、力下冷却结晶或塑 性变形和再结晶。第62页/共145页防止熔核偏移的措施采用特殊电极和工艺垫片的措施。点焊时会发生点焊分流现象，故焊点间距不宜过小。第63页/共145页点焊的主要焊接参数是电极压力、焊接电流和通电时间。压力过大、电流过小，会使热量少，焊点强度下降；压力过小、电流大会使热量大而不稳定，易飞溅，烧穿。大电流，短时间称为强规范。小电流，长时间称为弱规范。第64页/共145页缝焊分流严重,通常采用强规范焊接，焊接电流比点焊大 1.52倍。主要用于3mm以下的薄板结构,主要要求密封性容器的焊接，如汽车油箱、化工容器等。第65页/共145页（1）电阻对焊先将工件夹紧并加压，然后通电使接触面
17、 温度达到塑性温度(9501000)。在压力下塑变和再结晶形成固态焊接接头。电阻对焊 要求对接处焊前严格清 理，所焊截面积较小,一般用于钢筋的对接焊。（2）闪光对焊先通电,后接触,因个别点接触,个别点通过的电流密度很 高,可使其瞬间熔化或汽化,形成液态过梁。电磁收缩力和 电磁引力及斥力而使过梁爆破 飞出,形成闪光。闪光一方面 排除了氧化物和杂质,另一方 面使对口处的温度迅速升高。第66页/共145页常用对接焊头形式第67页/共145页第68页/共145页 连续驱动摩擦焊是使一个工件高速旋转，另一个工件则以相当大的压力压向旋转件，使接头摩擦升温。当加热到塑性状态时，利用制动器或断电使旋转件停转，
18、同时保持和增大轴向压力进行顶锻，直至焊接完成。第69页/共145页 是将飞轮和一个焊件加速到预定速度，使飞轮与电动机脱开或断电，同时使两工件接触并加压，飞轮的动能转化成热能，当飞轮停止转动时，加压顶锻，完成焊接。第70页/共145页比较，节省电能80%90%左右。由于摩擦焊金属焊接变形小，接头焊前不需特殊清理，接头 上的飞边有时可以不必去除，焊接不需要填充材料和保护气 体，加工成本显著降低。摩擦焊机容易实现机械化,自动化；操作技术简单,容易掌 握摩擦焊的工作场地卫生，没有火花，弧光；没有有害气体，有利于环境保护，适于设置在自动生产线上。第71页/共145页第72页/共145页2.硬钎焊 钎料熔
19、点在4500C以上的钎焊；常用铜基和银基钎料；硼砂、硼酸、氯化物、氟化物组成钎剂。接头强度较高，工作温度也高，钎焊工作温度为900 1100。主要用于钢质或铜类构件的焊接，如自行车架、带锯锯条以及硬质合金刀片与刀头的焊接等。第73页/共145页用。第74页/共145页 钎焊设备简单，生产投资费用少。钎焊不适于一般钢结构和重载动载机件的焊接。钎焊主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及某些复杂薄板结构，如夹层构件和汽车水箱散 热器等，也常用于钎焊各类导线与硬质合金刀具。第75页/共145页退火消除？采用反变形方法、对称焊、多层多道焊、刚性固定、机械矫正、火焰矫正第76页/共145页第7
20、7页/共145页使用焊接性是指焊接接头在使用过程中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它性能（耐热、耐蚀性能等）。影响焊接性的因素：材料因素 设计因素工艺因素 使用因素第78页/共145页1）直接试验法直接试验法是在正确控制焊接工艺参数条件下，按规定要求焊接试验样件、然后检测焊接接头对裂纹、气孔、夹渣等缺陷的敏感性来评定焊接性。常用的试验方法有Y形坡口对接焊缝裂纹试验方法、T形接头焊接裂纹试验方法、焊接热影响区最高硬度试验方法、焊缝和焊接接头常规力学性能试验方法等。第79页/共145页第80页/共145页国际焊接协会推荐 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%
21、)适用范围：中等强度的非调质低合金高强钢（强度为 500700MPa）美国焊接学会（AWS）推荐 Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)(%)适用范围：适用于含碳量较高的低合金高强钢 C0.6%；Mn1.6%；Ni3.3%；Cr1.0%；Mo0.6%；Cu0.51%，P=0.050.15%，当Cu0.5或P4第133页/共145页对接焊缝拼接处,当焊件的宽度不同或厚度相差3(/4)mm,在宽度方向或厚度从一侧或两侧做成坡度不大于1:3(4)的斜角，以使截面过渡平缓，减小应力集中。不同厚度金属材料对接的过渡形式不同厚度的角接与T形接头的过渡形式第
22、134页/共145页第135页/共145页内径较小的容器或管道，不便翻转的结构，为避免仰焊及不能从内侧施焊，可采用这种坡口和焊缝形式。第136页/共145页考虑材料(母材)特点，采用适当的工艺和坡口形式，以便获得合格的接头。第137页/共145页第138页/共145页钎焊接头 钎焊接头也有多种类型，但基本类型只有对接接头和搭接接头两种。摩擦焊接头型式的设计原则a)在旋转式摩擦焊的两个工件中，至少要有一个工件具有回转断面。b)工件应有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。c)尽量使接头的两个焊接断面尺寸相等，防止变形和应力，保证焊接质量。第139页/共145页第140页/共145页第141页/共145页第142页/共145页第143页/共145页(9)焊缝布置应照顾其它工序的方便和安全:焊缝应布置在便于焊接和检验的部位,还应兼顾热处理、机械加工等工序的方便进行。第144页/共145页感谢您的观看。第145页/共145页
