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1、第9章 焊 接,9.1 电弧焊,9.2 焊接接头和坡口形式,9.3 焊接材料,9.4 焊接缺陷与焊接质量检验,9.5 焊接的检验,焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接过程的实质是用加热或加压等手段，使分离的两个金属材料，通过金属原子的结合与扩散作用，牢固地连接起来。,石化设备，焊接的构件量约占75左右。,焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，在制造大型结构或复杂机器部件时，更显优越，因为它可以用化大为小，化复杂为简单的方法准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大，这是其他工艺方法难以做到的。,焊接有很多类型，最常见的是电弧焊和气焊。本章主要介绍电弧焊中的手工电弧焊、埋弧自动焊和氩弧
2、焊。,常用焊接方法,9.1 电弧焊,一、焊接电弧,利用电弧产生的热量加热并熔化金属进行焊接。,焊接电弧是焊条和工件之间强烈持久的气体放电现象。 在一定的电场和电阻热作用下，电弧空间的气体电离，带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体导电，形成电弧。,钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,焊接时，需要先引弧（将电弧点燃）。将焊条与工件通过摩擦或敲击瞬时接触，形成短路，随即将它们分开一定距离（约24mm），即可引燃电弧。 。,阴极区 温度2400K左右，热量占电弧总热量38； 阳极区 温度2600K左右，热量占42； 弧柱区 中心温度达50008000K，热量占20左右。,钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,
3、电弧引燃后，焊条与工件之间充满了高温电离气体，发出大量的光和热。焊接电弧可分为三个区域：,电弧焊就是利用电弧热量加热并熔化金属进行焊接。,T =273.16+ K,二、手工电弧焊,手工电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧热量，将工件和焊条熔化的一种手工焊接方法，是焊接最基本的操作工艺。,两极联接夹焊条引燃电弧焊件焊条熔成溶池焊条移动新溶池生成、原溶池冷成焊缝 两焊件连接,焊件,焊 条,药 皮,焊 芯,熔 渣,熔 化,熔 池,CO2,保护熔池,电弧,电弧,焊缝的形成,电弧在工件和焊条之间燃烧，产生高温，电弧热使工件、焊芯同时熔化，形成熔池。同时药皮熔化。 一部分变成CO2,CO,H2气体围绕在电
4、弧周围保护液态金属 一部分变成熔渣进入熔池（覆盖表面）保护熔化金属。,焊 缝,渣 壳,焊缝的冶金过程（录像）,主要设备电焊机,电焊机实际上是一种焊接电源。按产生的电流种类不同，分为交流电焊机和直流电焊机两大类。 交流电焊机输出电流是交流电，电弧稳定性差，但结构简单，成本低廉，维修方便。 直流电焊机有旋转式和硅整流式两种，输出电流是直流电，电弧稳定性好，焊缝质量高。前者结构复杂，成本高，维修困难，噪音大；后者结构简单，维修容易，应用较广。,旋转式=交流电动机+直流发电机 硅整流式=交流电焊机+整流器,直流电焊机有正接、反接两种接法。,厚钢板正接法焊件温度高熔深大； 薄钢板（铸铁有色金属）反接法焊
5、件温度低防烧穿； 碱性低氢型焊条（药皮中含有较多的CaF2，气体电离难）反接法（无论厚薄）电弧稳定、减少飞溅、气孔（焊条温度高、熔化快电弧稳定）。,手工电弧焊的优缺点,优点：设备简单，易于维护，操作方便灵活；适于多种钢材和有色金属等，是应用最广泛的焊接方法。,缺点：生产效率低，劳动强度大，焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，焊缝质量不稳定。,三、埋弧自动焊,埋弧自动焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其引燃电弧、送进焊丝和移动电弧都采用机械自动完成。,送丝机构、焊剂漏斗、控制箱装在小车上可移动，控制盘有按钮开关，自动控制焊接过程,埋弧自动焊焊接过程,特点：焊丝与焊剂分开，焊丝直接焊接，形成熔池，焊
6、剂保护熔池。电弧在焊剂层下，保护完善。焊丝送进和电弧移动自动完成。,焊丝与焊剂,熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产； 陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。,埋弧自动焊的优缺点,自动化操作，生产率高； 熔深大，节省焊接材料 （电流比手工焊大5-10倍） ； 焊缝质量高且稳定； 劳动条件好，没有弧光辐射； 最常用。适于批量大，较厚较长的直线焊缝及较大直径的环形焊缝的焊接。,优点：,缺点：,设备昂贵，工艺复杂，埋弧操作，要求较高； 不及手工焊灵活，只适用于水平位置或倾斜度不大的焊缝。（对于短焊缝、曲折焊缝、狭窄位置及薄板的焊接，不能发挥其长处。 ）,四、氩弧焊,氩弧焊是利用氩气
7、Ar（惰性气体）作为保护性气体，防止外界有害气体对熔池进行侵害的特殊焊接方法。它适于一些化学性质活泼的金属焊缝的焊接作业。,1.非熔化极氩弧焊（TIG焊）,电极本身不熔化，只发射电子、产生电弧，常用熔点较高的钍钨棒或铈钨棒作为电极，又叫钨极氩弧焊。需采用专用的填充焊丝。 可以用手工进行，也可以自动进行。,为防止电极熔化和烧损，电流不能过大，常用于焊接4mm以下的薄板，管子对接、管子与管板的连接。,2 .熔化极氩弧焊（MIG焊）,以金属焊丝为电极，焊丝送进熔化焊缝，焊接电流可大大提高，适用于中、厚板焊接，如化工容器筒体的焊接。焊接过程可采用自动或半自动方式。,非熔化极氩弧焊：钍钨、铈钨极产生电弧
8、电流小薄板 熔化极氩弧焊：金属焊丝电极电流大中厚板,二种氩弧焊比较,氩弧焊的特点,电弧稳定，飞溅小，表面没有熔渣，成型美观。 明弧可见，易于操作，易实现全位置自动焊接。 热影响区窄，因而工件变形小。 氩弧焊设备复杂，氩气价格较高。 目前主要用于：焊接铝、镁、钛等金属及其合金、不锈钢、耐热钢等合金钢以及一些稀有金属等。,9.2 焊接接头和坡口形式,容易焊透，受力情况好，应力均匀，联接强度高，焊接接头质量容易保证。,焊接接头可分为对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头。,一、对接接头,焊接前，对较厚的工作要开坡口。坡口的主要作用：保证接头根部焊透，使焊缝成形美观；通过控制坡口大小，调节母材金属和填
9、充金属的比例。,对接接头的坡口形式，主要取决于板料厚度，可采用V形、X形和单U形和双U形。,相同板厚， X形坡口比V形坡口减少焊条金属量1/2，变形及内应力小； U形坡口比V形坡口省焊条，焊接变形小，但加工困难，用于较重要的焊接结构。,等厚度焊接原则，避免应力集中、受热不均、变形与裂纹。薄板10mm，两板厚度差3mm；薄板10mm而两板厚度差大于薄板30（或5mm）时，削薄厚板边缘。,不合理,二、T形接头和角接接头,分不开坡口、单边和双边V形及K形坡口。,三、搭接接头,不开坡口，均属角焊缝，分端焊缝和侧焊缝两种。,9.3 焊接材料,一、手工电弧焊用焊接材料,电焊条由焊芯和药皮组成。,成分：氧化
10、物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末。按作用可分为稳弧剂、造渣剂、脱氧剂、造气剂、合金剂、增塑润滑剂与粘结剂七类。 作用：对熔池造成气渣联合保护； 使熔池内金属液脱氧、脱硫，向熔池金属中渗入合金，提高焊缝力学性能；起稳弧作用，改善焊接工艺性。,2.药皮,作用：作电极导电产生电弧；作填充金属+母材溶化焊缝。 要求：少S、P（成分影响焊缝的成分、性能）。,1.焊芯,3.电焊条的分类,（1）按焊条的用途分类,（2）按熔渣的碱度分类,酸性焊条：酸性氧化物（TiO2、SiO2 等）为主，焊接工艺性好，焊接时电弧稳定、飞溅少、脱渣性好，不易产生气孔、夹渣，但药皮氧化性强，合
11、金元素烧损大，力学性能低（特别是冲击韧性），可用交、直流电源；适用于一般结构件（低碳钢和强度较低的低合金结构钢）的焊接，是应用最广的焊条。 碱性焊条：碱性氧化物（CaO、Na2O）和萤石（氟化钙）为主，药皮有去氢作用，焊接接头含氢量很低，故又称为低氢型焊条。焊出的焊缝含H、S、P少，焊缝力学性能好，但易产生气孔。一般用直流。用于重要结构件（如锅炉、压力容器、管道和合金结构钢等）焊接。,（3）按焊条药皮主要成分分类（见表9-2）,4.电焊条的牌号与型号,焊条行业统一的焊条代号。根据主要用途及性能特点，以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。,（1）焊条牌号, 结构钢焊条：J422，J结构钢，
12、42焊缝金属b 420MPa，2钛钙型，交直流均可。 奥氏体铬镍不锈钢焊条：A132，A奥氏体不锈钢，119%Cr、 10%Ni，3 同类牌号的不同序号，2钛钙型,不锈钢焊条牌号第1位数字的含义,（2）焊条型号,焊条型号是指国家标准中规定的焊条代号。,E 50 1 5 表示焊条药皮为低氢钠型，适用直 流反接焊接 表示焊条适用于全位置焊接 表示熔敷金属的抗拉强度最小值为 50kgf/mm2 表示焊条,第3位数字表示焊接位置：0和1表示可以全位置焊接（平、仰、立、横）。2表示焊条适用于平焊和平角焊。4表示向下立焊。第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。其它材料的型号参见书138-13
13、9页。,碳钢焊条型号举例：,常用焊条,E4303（J422）、E5003（J502） 酸性焊条 钛钙型。主要用于较重要的碳钢结构。 E4315（J427）、E5015（J507） 碱性焊条 低氢钠型，主要用于重要的低碳钢结构及低合金钢结构，也被用于焊接高硫钢和涂漆钢。 E4316（J426）、E5016（J506） 碱性焊条 低氢钾型，电弧稳定，主要用于重要的低碳钢结构与低合金钢结构。,焊条牌号与型号的区别,焊条的型号是国家标准规定的，其含义包括药皮类型、合金类型、强度、适用焊接电源等等，其分类很细。焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号，生产企业中相对比较通用。每种焊条只有一个牌号，但多种牌号可同
14、时对应一种型号。,二、埋弧焊用焊丝和焊剂,焊丝牌号与优质碳素钢、合金结构钢号的表示方法类似，前面加上“H”。强度钢用焊丝牌号如H08、H08A、H10Mn2。,若牌号最后带有A字，表示为S、P含量较少的优质焊丝。,1. 焊丝牌号,第一位数字表示氧化锰的平均含量，如“”表示含MnO30； 第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“”表示高硅低氟型（SiO230% , CaF210%）； 末位数字表示同类焊剂的不同序号。,2. 焊剂牌号,国产焊剂依据化学成分分类，在牌号前面加HJ。,HJ431,三、焊条、焊丝及焊剂的选用,常用钢号推荐选用的焊接材料查表9-5， 不同钢号相焊接焊接材料查表9-6
15、,（1）选择与母材化学成分相同或相近的焊条； （2）选择与母材等强度的焊条； （3）根据焊接位置及板厚选择焊条药皮的类型。,焊条的选用原则,【例】一低压储气罐，壁厚为8mm，压力为1.0MPa，常温工作，压缩空气，大批量生产。,焊接结构设计实例,1）结构分析：筒体由筒节、封头焊合。整个结构由筒体再加四个法兰管座焊合而成。,2）选择母材材料：封头需拉伸，筒节卷圆，故需较好塑性，再考虑焊接工艺及成本，故筒节、封头、法兰选用普通碳素结构钢（Q235A），短管选用优质碳素结构钢（10钢）。,3）设计焊缝位置及焊接接头、坡口形式： 筒节纵焊缝与环焊缝采用对接I型坡口双面焊，法兰与短管采用不开坡口角焊缝；
16、法兰管座与筒体采用开坡口角焊缝。如下图所示。,4）选择焊接方法和焊接材料： 角焊缝采用手工电弧焊，选用结构钢焊条J422；选用弧焊变压器；对接焊缝采用埋弧焊，焊丝选用H08A，配合焊剂HJ431。,主要工艺流程：,9.4 焊接缺陷与焊接质量检验,一、焊接缺陷,1、焊接变形,局部应力超过屈服极限产生焊接变形；超过强度极限会出现裂缝。,原因：焊件局部加热或冷却膨胀、收缩不均匀局部应力。,V形坡口,筒体纵焊缝,筒体环焊缝,2、焊缝的外部缺陷,原因：坡口的角度开得太小或焊接电流过小。 危险面：M-MN-N 应力集中破坏 解决方法：将焊缝的过高部分铲平。,（1）焊缝过高,（2）焊缝过凹,（3）焊缝咬边
17、在工件上沿焊缝边缘形成凹陷。减少工作截面，并造成严重应力集中。,焊缝工作截面减小，使接头处强度降低。,（4）焊瘤,（5）烧穿,对静载强度无影响，引起应力集中，使动载强度降低。,部分熔化金属从焊缝反面漏出，甚至烧穿成洞，使接头强度下降。,3、焊缝内部缺陷,未焊透：应力集中严重，降低强度，开裂根源； 夹渣 ：焊缝中有非金属溶渣，减少工作截面，造成应力集中，降低焊缝强度和冲击韧性； 气孔 ：减少有效工作截面，降低机械强度； 裂纹：接头区域内金属局部破裂，存在于焊缝、热影响区、金属表面或内部。最危险，一经发现必须铲去重焊。,二、焊接的检验,1、外观检查 方法：肉眼、520倍放大镜观察 范围：焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、 气孔、夹渣及焊穿等。 2、无损探伤 方法：X射线、超声波、磁力 范围：内部夹渣、气孔、裂纹等缺陷,3、水压试验和气压试验 方法： 1.251.5 倍工作压力的清水或等于工作压力的气体。 范围：密封性。,本章结束,