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1、,材料成形技术基础,第七章 典型的焊接方法,第一节 弧焊方法,材料成形技术基础,一 焊条电弧焊,1 基本原理 用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊法。,2 焊接材料（电焊条） 焊条组成,焊芯,电极,填充金属,药皮,保护作用,冶金作用,工艺性能,焊条型号 是在国家标准及权威性国际组织(ISO)的有关法规中，根据焊条特性指标明确划分规定的，是焊条生产、使用、管理及研究等有关单位必须遵守执行的。 例：GB/T51171995 E x x x x,焊条,最小抗拉强度b Kg.f/mm2,焊接位置,药皮类型和 焊接电源种类,焊接位置 平焊 立焊 横焊 仰焊 船形焊接 全位置焊,电源种类： 交流 直流正接工件接
2、正极 直流反接工件接负极,3 工艺特点 方便灵活，适应性强； 设备简单，操作方便； 对焊工操作技术要求高； 生产效率低，劳动条件差； *重要的补充 作为辅助手段,必不可少!,当今生产效率较高的机械化焊接方法之一 1 基本原理 电弧在焊剂下燃烧进行焊接的方法，它是利用电气及机械装置控制送丝和移动电弧的一种焊接方法,二 埋弧自动焊,2 焊接材料 焊丝钢芯(与手工焊钢芯同属一个国家标准) 根据化学成分和用途不同: 例： H08A(E),钢焊丝,高级优质钢,平均含碳量0.08%,高级优质钢,焊剂 在焊接时被加热熔化形成熔渣，对熔化金属起保护和冶金作用，它是埋弧焊接过程中保证焊缝质量的重要材料。 保证电
3、弧稳定燃烧； 保证焊缝金属得到所需的成分和性能； 减少焊缝中产生气孔和裂纹的可能性； 有利成形和脱渣； 不易吸潮并有一定的颗粒度和强度； 焊接时无有害物质析出；,3 工艺特点及适用范围 生产效率高； 焊缝成形美观，质量高； 劳动条件好； 焊接位置、焊缝长短及板厚等 对坡口加工与装配精度要求高,适用于碳钢、低合金钢、耐热钢及不锈钢长焊缝的水平位置焊接； 特别适用于厚板（20mm）的纵缝环缝的焊接； 也可以进行不锈钢和低合金高强钢的带极堆焊。,三 钨极氩弧焊 ( TIG ),Tungsten InertGas arc welding,1 基本原理也称非熔化极氩弧焊，利用惰性气体作保护气体，电极用难
4、熔金属（钨或钨合金）棒，焊件作为另一个电极。通过钨极与焊件之间产生的电弧加热和熔化焊件及填充金属，形成焊接接头。,手工TIG 自动TIG 直流 交流,直流脉冲热输入小,直流正接,直流反接少用！,正弦波,矩形波合理分配,2工艺特点 保护效果好，焊接质量高； 焊接应力变形小； 操作方便，适用于空间各种位置焊接 电弧稳定,焊接成本高 设备复杂 对表面清理要求高 适用于不锈钢、耐热钢及铜、钛、铝、镁等有色金属的（3mm）薄板焊接或重要构件的打底焊,四 熔化极气体保护焊,熔化极惰性气体保护焊 MIG Metal Inert-Gas arc welding 熔化极活性气体保护焊 MAG Metal Act
5、ive-Gas arc welding,1 基本原理,用连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，通过焊枪喷嘴输送保护气体。,2 分类（表79） MIG Ar 、 He MAG Ar+O2 、 Ar+CO2 、 Ar+CO2+O2 、CO2或CO2+O2 管状焊丝CO2或CO2+Ar,3工艺特点 MIG，MAG 可焊所有金属铝，铜及合金，不锈钢 效率高焊丝作为电极 直流反接阴极雾化 CO2气体保护焊 生产效率高、热量集中 明弧无渣、抗冷裂性强 焊接成本低、飞溅大,第二节 压力焊,焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的焊接方法,材料成形技术基础,电阻
6、焊,利用电流通过接头产生电阻热，将被焊金属的接触部位加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力使金属原子间相互结合形成焊接接头。,1 点焊将焊件装配成搭接接头，并压紧在两极之间，接通电流后利用电阻热将焊件局部熔化，形成焊点的方法。,是一种高速、经济的连接方法。适用于可以采用搭接接头不要求气密性，厚度3mm冲压、轧制的薄板结构。,2 缝焊是焊件搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动连续或断续放电，从而产生一连串熔核，相互搭叠得密封焊缝的电阻焊方法。,3 对焊把两焊件端部相对放置，利用焊接电流加热，然后加压完成焊接的电阻焊方法。 生产效率高，易实现自动化。 工件接长 环形工件
7、 部件组焊 异质金属对接,电阻对焊 先压紧工件+通电+顶锻力 加热沿径向不均，轴向较均匀，且低于熔点。适用于焊接截面F250mm2,形状紧凑(如棒、厚壁管金属型材）的材料。 闪光对焊 先接通电源+工件靠近+闪光+顶锻 端面加热均匀，适用于断面F为1000mm2左右的闭合零件的拼口。凡是可以锻造的金属都能进行闪光焊。,摩擦焊 1 原理利用焊接接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热使工件工件段不大到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊的方法。,2 特点 接头焊接质量好 生产率高，成本低 以实现机械化和自动化生产 能焊接异种钢和异种金属 环境保护好 难焊非圆形横断面和薄壁管件,三 钎焊 1
8、基本原理采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，连接焊件的方法。,2 分类 根据钎料熔点分 软钎焊 TM450 铅，锡等 硬钎焊 TM450 铜，银，镍等,3 特点 成分不同 钎料熔化，母材固态 加热温度低变形小，易保证焊件尺寸精度。对母材组织和性能影响小 异质接头焊接金属，非金属等 生产效率高大批量生产 强度较低，耐热性差，装配要求高,第三节 常用金属材料的焊接,材料成形技术基础,一、结构钢的焊接,1 、碳钢的焊接 焊接性在一定的焊接工艺下，获得优质焊接接着的难易程度 低碳钢含碳量低、
9、硅锰含量少，焊接性优良。手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、电阻焊、气焊及钎焊都是成熟的焊接方法,中碳钢含锰量不高时，焊接性良好。随含碳量的增加，焊接性变差。多数情况下，需预热和控制层间温度，焊后应进行消应力热处理。 采用手工焊时，若要求焊缝与母材等强，应尽量选用与母材强度级别相等的低氢焊条,2.合金结构钢的焊接 （1）强度用钢（高强钢） 按屈服点高低及热处理状态分为： 热轧钢 正火钢 低碳调质钢 中碳调质钢,热轧钢及正火钢常用焊接方法：手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、压力焊 焊接要点： 抗热裂性比较好 有一定的冷裂倾向，随强度级别升高而增大 沉淀强化钢种消应力热
10、处理时避免600保温 热轧钢在制造大厚件时，有层状撕裂危险 存在过热区脆化问题,低合金高强度钢常用焊接方法：手工电弧焊、气体保护焊、电渣焊及压力焊 主要工艺措施： 预热 选择合适的焊接线能量 后热及焊后热处理,（2）低碳调质钢 焊接要点： 含碳量低、含锰量高，热裂倾向小 冷裂纹倾向比较大 有一定的再热裂纹敏感性 对层状撕裂不敏感 有过热区脆化和热影响区软化问题 工艺措施： 焊前预热 避免使用大的焊接线能量,（3）中碳调质钢的焊接 焊接要点： 淬硬倾向大，近缝区易出现马氏体组织 碳及合金元素高，有较大热裂倾向 有再热裂纹倾向 焊后淬火区出现淬硬的马氏体，导致脆化 焊后热影响区总有软化区 工艺措施
11、： 预热及后热 宜采用小线能量焊接 采用低碳、硫、磷焊丝,(4)珠光体耐热钢 常用焊接方法：手工电弧焊为主、埋弧焊和电渣焊也常用 焊接要点： 成分与低碳钢相近，焊接性也接近 主要问题是冷裂纹、再热裂纹、粗晶区脆化以及热影响区的软化,二、不锈钢的焊接,1.奥氏体不锈钢的焊接 主要问题是热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂 (1)热裂纹 含镍量越高，产生热裂倾向越大，越不容易控制 防止措施： 严格限制S、P含量 调整焊缝金属组织，金属合金成分 采用小线能量及小截面焊道,(2)接头脆化 防止措施： 严格控制焊缝中铁素体含量 多层焊时采用较小线能量 (3)晶间腐蚀 防止措施： 尽量降低母材及焊缝中含碳
12、量 采用热量集中的焊接方法 在钢中添加稳定化元素Ti、Nb等 在钢及焊缝金属中加铁素体形成元素,(4)应力腐蚀开裂 防止措施： 焊后消除或减少焊接残余应力 选用奥氏体铁素体双相组织的母材或焊接材料 采用高Ni的铬镍不锈钢焊条 焊接奥氏体不锈钢常采用手工电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极富氩混合气体保护焊,2 马氏体不锈钢的焊接 主要问题是冷裂纹和脆化 拘束度较大或含氢量较高时，在焊缝或近缝区可能产生冷裂纹 预热是防止这类钢产生冷裂纹的重要措施 常用方法为手工电弧焊和钨极氩弧焊,3 铁素体不锈钢的焊接 主要问题是热影响区脆化和常温冲击韧度较低 焊接时，就尽量缩短400600和650850的加热和冷却时间
13、 可采用小功率，高焊速进行焊接，尽量减少焊缝截面，且不要连续焊接 常用手工电弧焊，通常需预热及焊后热处理,三 有色金属的焊接,1 铝及铝合金的焊接 主要问题是气孔、裂纹及接头性能变化 (1)铝合金的焊接热裂纹 防止措施：关键在于选择合适焊丝，控制焊缝成分和配以合理规范参数 采用热能集中的焊接方法，有利于减少裂纹。裂纹倾向大的铝合金，不宜采用大电流和高焊速。,(2)铝合金的焊接气孔 防止气孔措施： 减少氢的来源 合理选择规范参数 采用混合气体保护焊 对厚的工件适当预热,2 铜及铜合金的焊接 焊接时主要问题： 焊缝能力差 焊缝热裂倾向大 气孔倾向严重 接头性能下降 薄板以钨极氩弧焊、手工电弧焊和气
14、焊为好 中厚板采用埋弧焊、MIG焊和电子束焊 厚板建议用电渣焊,第四节 焊接力学,材料成形技术基础,一 焊接残余应力与焊接残余变形,1 焊接应力变形的形成机制 1） 基本概念 内应力无外力作用时，存在于物体内部自相平衡的应力； 焊接应力就属于内应力的一种； 2） 焊接应力变形演变过程 从高温冷却到常温，焊接应力变形不仅大小发生变化，而且性质发生变化； 一般为：焊缝处残余应力为拉应力；并产生收缩变形；,3） 影响因素 Tmax 拘束,2 焊接残余应力,1) 分类及分布规律 x纵向残余应力,y横向残余应力 z厚度残余应力 2)残余应力的影响 静载强度 加工精度 刚度 尺寸稳定性,2 焊接残余变形,
15、1）分类及产生原因 纵向收缩变形 横向收缩变形, 弯曲变形, 角变形, 波浪变形, 扭转变形,2）焊接变形的不利影响 外形美观 结构尺寸精确性 结构的承载能力,二、减少及消除残余应力的措施 1 调节及控制方法 设计合理的焊接接头 先进的焊接方法 合理的焊接顺序和方向ABC 反变形法 减应力加热法 锤击法,2 焊后消除残余应力的方法 整体高温回火 局部高温回火 振动法 机械拉伸法 温差拉伸法,三、预防和消除残余变形措施 1 预防及控制措施 焊缝数量；焊缝尺寸；增大结构刚度; 焊缝布置等； 先进工艺，合理规范； 刚性固定法,合理的焊接顺序 反变形法,2 矫正方法 机械矫正法外力 火焰矫正法加热,四
16、 焊接结构的脆性断裂,1 研究意义 1)定义：金属材料在载荷远小于设计应力、无明显塑变的情况下，发生的突然断裂。 2)断裂 特点 低应力、无预兆 正断、低温 扩展迅速、应力集中处开裂,2 影响金属脆断的主要因素 1) 应力状态 2) 温度 3) 加载速度 4) 材料本身状态,成分,板厚,3 断裂力学评定方法 断裂力学 研究带裂纹体强度和裂纹扩展规律的一门学科。 1)裂纹基本形式,2)断裂判据 断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力（材料特性） KI KIC 应力强度因子 C 裂纹尖端张开位移 COD Crack Opening Displacement JI JIC J积分,4 预防脆断的措施
17、 1) 正确选择材料 2) 合理设计结构 3) 严格焊接工艺,五 焊接接头的疲劳强度,1 研究意义 1) 定义结构在交变载荷的作用下，无明显塑变的情况下，发生的低应力破坏。 2) 特点: 交变载荷 断口为疲劳辉纹 多起源于表面应力集中处 低应力破坏 无明显塑变 疲劳强度与载荷循环特性有关,2 疲劳寿命（扩展过程） 1) 裂纹萌生 0-a0 （孕育期） 2) 裂纹稳定扩展 a0-acr （亚临界扩展） 3) 裂纹失稳扩展 aacr （最终断裂）,3 提高疲劳强度的措施 1 )应力集中 2 )调整残余应力 3 )减少缺陷 4 )防护措施 5 )安全评定 (a acr),六 焊接结构的应力腐蚀破坏,应力腐蚀破坏（SCC）材料和结构在腐蚀介质和静拉伸应力共同作用作用下引起的断裂 1.应力腐蚀破坏条件 1)有拉应力存在 2)有腐蚀介质存在 3)只有合金才发生应力腐蚀，纯金属不发生,2.防止产生应力腐蚀的措施 1)正确选材 2)合理设计结构 3)清除和调节残余应力 4)采用电化学保护 5)用镀层或涂层隔离环境 6)控制和改善环境,