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1、,第十章 焊 接,焊接 通过加热或加压，使焊件达到原子 结合的一种加工方法。,焊接的种类：,焊接的定义：,焊接方法,熔焊,压焊,钎焊,第一节 概 述,第一节 概 述,焊接的特点与应用,第一节 概 述,机器部件轴、齿轮、刀具等。,应用：,金属结构件自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆等；,第一节 概 述,第一节 概 述,第一节 概 述,一、焊接冶金过程和电焊条,1,二、焊接接头的组织和性能,2,三、焊接变形和焊接应力,3,第二节 熔焊过程和焊接质量,O2 2O 发生氧化反应，焊缝性能降低； N2 2N 高温熔入液态金属，冷却后形成气孔； H2O 2H+O 形成气孔，产生氢脆。,一
2、、熔焊冶金过程和电焊条,1、熔焊的冶金过程 空气中的O2、N2、H2O在电弧的作用下：,保证焊缝质量措施：,减少有害元素进入熔池,消除已进入熔池的有害元素，增加金属元素,第二节 熔焊过程和焊接质量,2、电焊条,作电极传导电流，产生电弧 作填充金属（调整成分）,保证焊接电弧的稳定燃烧； 改善焊接工艺性能，有利于进行各种位置的焊接； 向焊缝金属渗某些合金元素，提高焊缝的力学性能； 保护熔池与熔滴不受空气侵入； 使焊缝金属顺利脱氧、脱硫、脱磷、去氢等。, 焊条的组成:,焊芯的作用：,药皮的作用：,专用焊接金属丝,由多种矿石粉铁合金配成,第二节 熔焊过程和焊接质量, 焊条的种类、型号与牌号,碳钢焊条
3、低合金钢焊条 不锈钢焊条 铸铁焊条 堆焊焊条 镍和镍合金焊条 铜和铜合金焊条 铝和铝合金焊条,酸性焊条（SiO2、MnO等） 碱性焊条（CaO、FeO等）,种类,按用途分,按熔渣性质分,第二节 熔焊过程和焊接质量,3、碱性焊条和酸性焊条的特性,机械性能好（韧性高，抗裂性好）； 焊接工艺性能差；（用直流电） 对油污、锈、水敏感性大；（清洗、烘干） 排出有毒烟尘 H F 。（通风良好）,碱性焊条：,酸性焊条与碱性焊条相反,第二节 熔焊过程和焊接质量,4、焊条的选用,不绣钢、耐热钢焊条 按相同成分选择焊条 结构钢焊条 按等强原则选相同强度等级焊条,焊缝和母材具有相同水平 的使用性能。,选用原则：,第
4、二节 熔焊过程和焊接质量,第二节 熔焊过程和焊接质量,二 、焊缝的空间位置,第二节 熔焊过程和焊接质量,三、焊接接头的组织和性能,1、低碳钢焊接接头的组成：,焊缝区：结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的铸态组织。 与基体金属性能接近，但熔池中心易出现杂质、疏松等。,熔合区：未熔化的过 热组织和部分熔化的 结晶铸态组织。很大 程度上决定焊件接头 的性能。,第二节 熔焊过程和焊接质量,过热区（1100 ）组织粗大，机械性能很低, 正火区（Ac31100）晶粒细小，机械性能高， 部分相变区（Ac1Ac3）晶粒不均匀，机械性能低。, 热影响区的组织和性能,可见，熔合区、过热区是接头中性能最差的薄弱的部位
5、，会严重影响焊接接头的质量。,第二节 熔焊过程和焊接质量,2、影响焊接接头性能的因素,焊接工艺（焊接电流、电压、速度）,焊接方法（热源不同、保护效果不同）,焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）,焊后热处理（正火后细化晶粒）,第二节 熔焊过程和焊接质量,四、焊接变形和焊接应力,第二节 熔焊过程和焊接质量,2、焊接变形和残余应力产生原因,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。下图为平板对接焊缝的应力和变形过程示意图.,第二节 熔焊过程和焊接质量,3、焊接变形的基本形式,第二节 熔焊过程和焊接质量,第二节 熔焊过程和焊接质量,(1) 采用反变形方法,通过试验或计算，预先确定焊后可能
6、发生变形的大小和方向，将工件安装在相反方向位置上。,第二节 熔焊过程和焊接质量,(2) 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%，以弥补焊后的收缩变形。 (3) 刚性固定法 当焊件刚性较小时，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。,第二节 熔焊过程和焊接质量,采用定位焊组装也可防止 焊接变形。,第二节 熔焊过程和焊接质量,(4)选择合理的焊接顺序,合理的焊接顺序,第二节 熔焊过程和焊接质量,(5)强制冷却法 使焊缝处热量迅速散走，减小金属受热面，以减少焊接变形。,第二节 熔焊过程和焊接质量,(6)焊前
7、预热，焊后处理 预热可以减小焊件各部分温差，降低焊后冷却速度，减小残余应力。在允许的条件下，焊后进行去应力退火或用锤子均匀迅速的敲击焊缝，使之得到延伸，均可有效的减小残余应力，从而减小焊接变形。,第二节 熔焊过程和焊接质量,5、焊接变形的矫正,常用的方法有：机械矫正法和火焰矫正法,图10-20 机械矫正法示意图 图10-21 火焰矫正法示意图,第二节 熔焊过程和焊接质量,常用焊接方法,摩擦焊,手工焊,埋弧自动焊,气体保护焊,电阻焊,钎焊,电渣焊,第三节 常用焊接方法,一、手工电弧焊,1、焊接电弧,电弧的温度,阴极区 2400 ， 弧柱 5000-8000 ， 阳极区 2600 ,电弧区热量,阳
8、极占43%, 阴极区占36%, 弧 柱区占21%。,第三节 常用焊接方法,2、焊接过程,(3) 当电弧向前移动时, 熔池冷却凝固而新的熔池不断产生, 形成连续的焊缝。,(1)电弧在焊条与被焊件之间 燃烧, 电弧热使工件和焊条同时熔化成熔池;,(2) 电弧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；,第三节 常用焊接方法,3、手工电弧焊的特点,手工电弧焊有何特点？使用哪种设备？,优点：,设备简单，操作灵活，适应性强。,缺点：,生产效率低，劳动强度大，质量不易保证。,电焊机：,直流电焊机： 交流电焊机：,引弧容易，电弧稳定，焊接质量好 结构简单，使用可靠，维修方便,第三
9、节 常用焊接方法,直流电焊机,第三节 常用焊接方法,交流电焊机,第三节 常用焊接方法,二、埋弧自动焊,1. 埋弧自动焊的焊接过程,自动焊焊接动作由机械装置自动完成。 埋弧焊电弧在颗粒状焊剂层下燃烧进行焊接。,图10-26 埋弧自动焊焊接过程示意图,第三节 常用焊接方法,压力容器环缝和纵缝的埋弧自动焊,纵缝,环缝,第三节 常用焊接方法,容器的埋弧焊接,三、气体保护焊,1、氩弧焊及其特点,保护气体,氩气 CO2,氩弧焊,CO2气体保护焊,第三节 常用焊接方法, 非熔化极氩弧焊,焊接电流不能过大，只能焊4mm以下的薄板； 焊接钢材板：直流正接法； 焊铝、镁合金：直流反接法或交流电源。,钨极熔点高，
10、发射电子能力强,直流正接 ： 钨极烧损小。 直流反接 ： 钨极烧损大， 电弧不稳，但有“阴极破碎” 作用（焊铝时有利）。,应用,第三节 常用焊接方法, 熔化极氩弧焊,1、以连续送进的金属丝做 电极并填充焊缝； 2、焊接电流较大,生产效率高， 适用焊接较厚的焊件；（板厚为8-25mm） 3、采用直流反接，电弧稳定，焊铝时有“阴极 破碎”作用; 4、可采用自动焊或半自动焊。,第三节 常用焊接方法, 氩弧焊特点,1) 保护效果好，电弧稳定，焊接质量好； 2) 电弧热量集中，热影响区小，焊后变形小； 3) 可全方位焊接，便于观察、易于自动控制； 4) 氩气成本高，一般情况下不采用。,应用：,用于焊接易
11、氧化的有色金属、合金钢和不锈钢。,第三节 常用焊接方法,2、 CO2气体保护焊, CO2气体保护焊的焊接过程,CO2,电弧,CO + O,使金属氧化，合金元素烧损，不能焊接有色金属和合金钢。,应用：,用于低碳钢、低合金钢薄板的焊接。必须采用含脱氧剂的焊丝H08Mn2SiA，直流反接。,第三节 常用焊接方法,CO2气体保护焊的特点,第一,成本低,第三节 常用焊接方法,四、电渣焊,生产率高 （板厚 40mm的焊接一次焊成） 焊缝缺陷少,焊接质量好 （不易产生气孔、夹渣和裂纹） 成本低 （省电和省熔剂） 焊件需正火热处理 (热影响区较大,组织粗大),1. 电渣焊工艺过程,2. 电渣焊的特点,第三节
12、常用焊接方法,五、电阻焊,电阻焊分为：点焊、缝焊、对焊。,是利用焊件接触面的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，在压力下形成接头的焊接方法。,第三节 常用焊接方法,点焊的应用,点焊主要适用于薄 板冲压结构和钢筋构件。,点焊过程,手提点焊,第三节 常用焊接方法,2、缝焊,与点焊相同，只是采用 滚轮做电极，边焊边滚。,焊点互相重叠，分流现 象严重。焊件厚度3mm。,有密封要求的薄壁结构，,缝焊：,特点：,应用：,第三节 常用焊接方法,3、对焊,电阻对焊端面加工要求高，质量不易保证。,闪光对焊 对端面加工要求低，质量较高，用于重要零件的焊接。,杆状零件的对接，如刀具、管子、钢轨、钢筋、异种金属。
13、（端面形状尺寸要相同或相近）,应用：,第三节 常用焊接方法,六、钎焊,是利用低熔点的钎料作填充金属， 加热熔化后渗入固态焊件间的间隙内，将焊件连接起来的焊接方法。,接头形式,第三节 常用焊接方法,1、焊接过程,将工件和钎料适当加热（烙铁、火焰、炉子、电阻、高频加热）； 钎料熔化，借助毛细管的作用被吸入和充满间隙； 被焊金属和钎料在间隙内相互扩散； 凝固后，形成钎焊接头。,第三节 常用焊接方法,气体电离 电极发射电子,正接法: 工件接正极, 焊条接负极,第三节 常用焊接方法,2、钎焊分类,第三节 常用焊接方法,3、钎焊特点,加热温度低，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确； 钎焊接头强度低； 可
14、焊接性能差异很大的异种金属, 对工件厚 度无限制； 可整体加热，同时钎焊由多条焊缝组成的复杂形状构件，生产率高； 钎焊设备简单，生产投资费用少。,第三节 常用焊接方法,七、摩擦焊,摩擦焊的焊接过程如动画所示。摩擦焊的热能来源于焊接端面的摩擦。其焊接过程如下： 工件1高速旋转工件2向工件1方向移动两工件接触时减慢移动速度，加压摩擦生热接头被加热到一定温度工件1迅速停止旋转进一步加压工件2保压一定时间接头形成。,第三节 常用焊接方法,金属材料的焊接性,碳素钢和普低钢的焊接,不锈钢的焊接,铸铁的焊补,铝及铝合金的焊接,第四节 常用金属材料焊接,一、金属材料的焊接性,1、金属材料焊接性的概念,是指在一
15、定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,金属焊接性：,焊接性,形成焊接缺陷的敏感性（裂纹） 使用性能（机械性能）,影响焊接性的因素：,金属材料本身性质 焊接方法、焊接材料、焊接工艺,第四节 常用金属材料焊接,2、钢的焊接性评价方法碳当量,CE 0.4%时，冷裂纹倾向不明显, 焊接性良好； CE 0.4%0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差； CE 0.6%时，冷裂倾向很强, 焊接性很差。,碳、合金元素含量,焊接性,碳当量：,CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+ V) /5+ (Ni+Cu)/15,碳钢及低合金钢,碳当量越高，焊接性越差,第四节 常用金属材料焊接,二、碳素钢和普低钢的焊
16、接,1、碳钢的焊接,CE 0.4% ，焊接性良好。各种焊接方法都能获得优质焊接接头。,低碳钢：,中碳钢：,CE 0.4%，冷裂倾向很强，焊接性较差。 焊前预热150250，焊后缓冷， 采用细E5015焊条、小电流、开坡口、多层多道焊，降低焊缝的含碳量。,焊接裂纹产生？,内部条件：碳当量CE 外部条件：环境温度,第四节 常用金属材料焊接,2、低合金结构钢的焊接,焊接方法:,a.一般用手工电弧焊、埋弧自动焊 b.板厚 40mm时，用电渣焊 c.批量大时，用CO2气体保护焊,16Mn的焊接,CE= 0.4%焊接性良好，不需预热,板厚 3238mm,环境温度低时，需预热,重要结构（锅炉、压力容器）焊后
17、应消除应力退火,第四节 常用金属材料焊接,三、不锈钢的焊接,马氏体不锈钢 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢,不锈钢的种类,（Cr13型） （Cr18Ni9型） （Cr17型）,焊接性较差 （冷裂纹和淬硬脆化）,焊前预热，焊后缓冷及热处理，采用奥氏体不锈钢焊条。,焊接性良好,焊接性较差 （过热晶粒引起脆化和裂纹）,低温预热（ 150 ）减少高温停留时间,第四节 常用金属材料焊接,四、铸铁的焊补,易产生白口组织和淬火组织; 铸铁强度低、塑性差，易产生裂纹; 铸铁碳、硅含量高，易产生气孔和夹渣缺陷;,铸铁的焊接性,铸铁碳含量高，杂质多，塑性差，故焊接性差。,铸铁焊补的问题：,铸铁的焊补： 热焊、冷焊,第四
18、节 常用金属材料焊接,1、热焊,热焊 铸件预热到600700进行焊接，焊后缓冷。,焊接方法： 气焊、手工电弧焊（铸铁焊条）,焊补质量好， 成本高，劳动条件差，生产率低，,中等厚度铸件及焊后要加工的复杂、重要的铸件, 如：内燃机缸盖、气缸体、机床床身等。,特点：,应用：,第四节 常用金属材料焊接,2、冷焊,冷焊 铸件一般不预热或较低温度预热。,特点：依靠焊条来调整焊缝的化学成分，以防止白口组织和裂纹。,应用：,镍基焊条 结构钢焊条,补焊质量好，成本高。 用于重要铸铁件加工表面焊补,焊补质量低，用于非加工表面，（采用小直径、小电流、短弧）,第四节 常用金属材料焊接,五、铝及铝合金的焊接,工业纯铝
19、不能热处理强化铝合金 热处理强化铝合金,焊接性好,分类, 焊接性差,接头软化热裂纹,问题,氧化：形成Al2O3，阻碍融合 气孔：铝液大量溶解氢气，结晶时形成气孔,焊接方法：电阻焊、钎焊、氩弧焊,保护效果好，有“阴极破碎”作用,第四节 常用金属材料焊接,第五节 焊接结构工艺性,一、焊接结构材料的选用,在满足焊接件使用性能的前提下，应尽量选用焊接性好的材料。如低碳钢、低合金钢。,影响焊接性的因素：,金属材料本身性质 焊接方法、焊接材料、焊接工艺,焊接结构选材原则：,第五节 焊接结构工艺性,第五节 焊接结构工艺性,二、焊接结构工艺设计,焊接结构件种类各式各样，在其材料确定以后，对焊接结构件进行工艺设
20、计主要包括三方面内容： 焊缝布置 焊接方法选择 焊接接头设计,第五节 焊接结构工艺性,（1）焊缝布置,焊缝布置是否合理，直接影响结构件的焊接质量和生产率。因此，设计焊缝位置时应考虑下列原则：,1）焊缝应尽量处于平焊位置,各种位置的焊缝，其操作难度不同。以焊条电弧焊焊缝为例，其中平焊操作最方便，易于保证焊接质量，是焊缝位置设计中的首选方案，立焊、横焊位置次之，仰焊位置施焊难度最大，不易保证焊接质量。,第五节 焊接结构工艺性,2）焊缝要布置在便于施焊的位置,焊条电弧焊时，焊条要能伸到焊缝位置。 点焊、缝焊时，电极要能伸到待焊位置。 埋弧焊时，要考虑焊缝所处的位置能否存放焊剂。 设计时若忽略了这些问
21、题，无法施焊。,第五节 焊接结构工艺性,3）焊缝布置要有利于减少焊接应力与变形,尽量减少焊缝数量及长度,缩小不必要的焊缝截面尺寸； 焊缝布置应避免密集或交叉； 焊缝布置应尽量对称；,第五节 焊接结构工艺性,焊缝布置应尽量避开最大应力位置或应力集中位置； 焊缝布置应避开机械加工表面,第五节 焊接结构工艺性,三、接头设计,1、接头形式设计,对接接头、搭接接头、角接接头、T形接头,受力简单、均匀，节省材料；下料尺寸精度要求较高；用于锅炉、压力容器受力焊缝的焊接。,受力复杂，接头产生附加弯矩；下料尺寸精度要求低；应用于受力不大的行架结构。,用于构成直角或一定角度连接的接头。,接头基本形式：,第五节 焊接结构工艺性,2、坡口形式设计,第五节 焊接结构工艺性,