焊接成型技术要点Word文件下载.docx
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物理、化学变化过程：
熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化一系列过程。
总结为：
气体——熔渣——金属之间的物理、化学变化。
1）焊接冶金过程的特点
①温度非常高，导致金属烧损或形成有害杂质；
②冷却速度快，熔池体积小，熔池处于液态时间很短，各种化学反应难以达到平衡状态，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，产生气孔和夹渣等缺陷；
③焊接冶金过程不断有新的金属进入熔池，使冶金过程复杂。
2）气体对焊缝金属组织和性能的影响
①氧的影响
来源：
氧气主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物等。
影响：
熔池被金属氧化后，形成氧化铁、三氧化二硅和氧化锰等夹渣，使焊缝的力学性能下降。
②氢的影响
焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物、母材金属和焊丝表面的污物（铁锈、油污）和空气中的水分等。
以过饱和状态溶入金属中，使局部压力过大，产生微裂纹，即氢脆。
③氮的影响
焊接区周围的空气。
促使焊缝产生气孔的主要原因之一。
过饱和的氮以气泡的形式从熔池中逸出，当焊缝金属的结晶速度大于它的逸出速度时，就形成气孔。
3）焊缝金属质量保护措施
①机械保护：
通过焊接材料产生气体或人工从外界通入气体，排除电弧空间的空气来进行保护的方法。
如气体保护焊。
②焊前清理：
对坡口及焊缝两侧的油、锈等其他杂物进行清理，对焊条、焊剂进行烘干，可降低吸氢现象。
③控制电弧长度：
电弧长度越长，侵入的氢越多。
④脱氧及渗入合金元素：
为补偿烧损元素，在焊条药皮中加入合金元素，进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢、、渗金属等，保证焊缝性能。
5.焊接接头的金属组织与性能
●焊接接头：
金属熔化焊焊接部位的总称（焊缝区，熔合区，热影响区）
1）焊缝区：
熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。
焊缝金属的结晶从熔池和母材的交界处开始，向熔池中心生长，形成柱状的结晶组织。
对于低碳钢，为铁素体和少量珠光体。
2）熔合区：
焊缝和母材金属的交界处，焊缝金属向热影响区过渡区，两侧为完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区，所以也成半熔化区。
宽度：
0.1-1mm温度：
T液-T固
性能：
化学成分不均匀，组织不均匀，强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。
3）热影响区：
母材因受热而发生组织和力学性能变化的区域。
组织和性能反映了焊接接头的性能和质量。
（包括过热区、正火区和部分相变区）
☆过热区：
热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。
1-3mm温度：
T固-1100℃。
性能：
粗大的过热组织，塑性、韧性低，是裂纹的发源地
☆正火区：
相当于热处理的正火组织，为细晶区。
1.2-4mm温度：
AC3-1100℃
金属强度和塑性相应提高，力学性能优于母材
☆部分相变区：
发生部分相变的区域。
温度：
AC1-AC3
发生相变的区域获得细小的铁素体，没发生相变的区域还保留粗大的铁素体组织，晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能较差，较母材差。
（力学性能最差的区域：
熔合区和过热区）
●焊接接头的主要缺陷
1.气孔：
焊接时熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸出而形成空穴
2.夹渣：
焊后残留在焊缝中的夹渣
3.焊接裂纹：
由于焊接残余应力较大而在焊缝火热影响区产生的裂纹
4.未焊透：
焊接接头根部未完全熔透的现象
2、焊接成形的力学基础
1.焊接应力与变形
1）焊接应力：
焊接成形过程中及焊接结束后，焊件内部存在的内应力。
焊缝中心部分因膨胀受阻产生压应力，两端产生拉应力。
当焊缝中心处的压应力超过屈服强度时，产生压缩变形，变形为虚线包围的无阴影部分。
焊缝中心处的压缩变形不能恢复，冷却到室温缩短到虚线所示位置，两侧缩短到原长，但平板各部分收缩会相互牵制，焊缝两侧将阻碍焊缝的收缩，产生压应力，焊缝产生拉应力。
2）焊接变形基本形式
①收缩变形：
横向收缩和纵向收缩。
难以修复，必须留出加工余量。
②扭曲变形：
多焊缝和长焊缝结构上，主要是焊缝在截面上的分布不对称或焊接顺序及焊接方向不合理原因造成的。
③弯曲变形：
由于构件的截面不对称，焊缝布置不在构件的中性轴上。
④角变形：
横向收缩在厚度方向上分布不均匀。
焊缝正面变形大，背面变形小，造成平面的偏转。
⑤波浪变形：
由于焊缝的纵向收缩和横向收缩在约束度较小的结构部位造成较大的压应力而引起的变形。
或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的组合变形。
2减小和控制焊接应力和变形的措施
1）设计措施
☆合理选择焊缝的尺寸和形式（焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形大）
☆尽可能减少不必要的焊缝（焊缝越多，应力集中越大）。
☆合理安排焊缝的位置
焊缝尽可能对称分布，或使焊缝接近于中性轴，可减小焊缝所引起的挠曲。
2）工艺措施
☆焊前预热和焊后缓冷
焊前将焊件加热到400℃以下温度，减小温差，减小焊接应力和变形。
减小焊接区与周围金属的温度差，从而减小焊接应力。
焊后去应力退火可以使焊接变形减小80%左右。
☆选择合理的装配及施焊顺序
选择引起焊接变形最小的装焊顺序，复杂构件分成简单的构件进行焊接，然后再组合，使不对称或收缩力较大的焊缝变形得到控制。
☆选择合理的焊接顺序
焊缝对称分布时，采用对称焊接
焊缝大小不等时，先焊小缝后焊大缝
☆反变形法：
焊接前，将构件预置成人为的变形，使变形方向与焊接
引起的变形方向相反，则焊后的变形和预置变形可以相互抵消。
☆刚性固定法：
将待焊件固定，限制焊接变形。
☆锤击或碾压焊缝法：
用小锤对焊缝进行均匀适度的锤击，使焊缝金属
在高温塑性好时得到延伸，从而减小应力和变形。
3）焊接变形的矫正
机械矫正：
利用外力作用来强迫焊件的变形区产生方向相反的变形，以抵消原来产生的塑性变形。
火焰矫正：
利用氧-乙炔火焰对焊件上已产生伸长变形的部位进行加热，利用冷却时产生的收缩变形来矫正焊件原有的伸长变形。
3、焊接方法
一）熔焊：
热源将待焊工件接口处迅速加热熔化，形成熔池，熔池随热源向前移动，冷却后形成联系焊缝而将两工件连接成一体。
包括电弧焊，电渣焊和高能焊。
1电弧焊：
电弧共给热量，使工件熔合在一起，达到原子间结合的焊接方法。
熔化极电弧焊：
电极是焊接过程中熔化的焊丝，包括手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。
不熔化电弧焊：
焊接过程中不熔化的碳棒和钨棒。
1）手工电弧焊：
利用电弧的热量局部熔化焊件，并用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。
☆焊接过程：
①电弧热使母材熔化形成熔池，焊条金属芯熔化后以熔滴形式进入熔池；
②熔化的药皮进入熔池，成为熔渣浮在熔池表面，保护熔池不接触空气，与熔池金属发生反应，添加合金元素，改善焊缝性能。
③药皮分解产生的气体隔绝空气，保护熔池金属。
☆焊接特点：
操作灵活，设备简单。
☆应用：
最广泛的焊接方法。
2）埋弧焊
定义：
电弧在焊剂层下燃烧，利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生的电弧而自动进行焊接的。
☆焊接过程：
①焊剂由焊剂漏斗送入，平铺在工件上；
②焊丝导入到焊剂下方形成电弧；
③焊丝、焊剂、金属在电弧区内熔化；
④焊剂产生的熔渣保护熔池免受气体侵入，防止熔滴飞溅，减少热量损失，加大熔深。
⑤焊丝沿焊缝前移，熔池凝固形成焊缝，熔渣结成覆盖焊缝的渣壳。
☆焊接热源：
焊车、控制箱、焊接电源
☆焊接特点①焊接生产率高：
焊接电流大，热量集中，熔深大，焊接速度快；
②成本低：
可不开坡口，一次焊透，没有焊条损失和飞溅，多余焊剂可回收；
③焊缝质量好：
熔池保护效果好，液态存在时间长，冶金反应充分，工艺稳定，焊缝表面美观，接头组织均匀，力学性能高。
④改善劳动条件：
机械操作代替手工操作，对焊工技术水平要求也降低。
⑤适应性差：
不适合薄板和不规则的焊缝。
☆焊接应用
※较厚钢板的长直焊※较大直径的环缝焊接
（压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、起重机械、冶炼机械高炉炉身等的焊接）
3）气体保护焊
定义：
利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊缝区的电弧焊。
特点：
1）明弧焊接，焊接时便于监视焊接过程，操作方便；
2）焊后不用清渣，可节省时间，提高生产率；
3）保护气流对电弧有冷却压缩作用，电弧热量集中，热影响区窄，工件变形小，适合薄板焊接。
①氩弧焊定义：
利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。
熔化极氩弧焊：
连续送进的焊丝作为电极，焊丝熔化后作为填充金属。
熔深比较大，适合焊厚度为8~25mm的焊件。
不熔化极氩弧焊：
熔点比较高的钨棒做电极，氩气作为保护气体的气体保护焊。
钨棒不熔化，需加入焊丝熔化作为填充金属。
焊接电流有限，适合焊厚度为0.5~4mm的薄板。
1.机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊接质量优良2.电弧燃烧稳定，飞溅小3.焊接热影响区的变形小4.可进行全位置焊接5.氩气昂贵，设备制造高
应用：
适用于所有金属材料的焊接（适用于易氧化的有色金属及合金材料的焊接。
Eg：
铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等）
②CO2气体保护焊
利用CO2气体作为保护气体的电弧焊。
1.生产率高（是手弧焊的1-3倍）2.成本低（是手弧焊的40%）3.焊接热影响区的变形小4.可进行全位置焊接5.氧化、飞溅严重，气孔倾向大，焊缝成形差
适用于低碳钢和强度级别不高的低碳合金结构钢的焊接。
目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。
2.电渣焊
☆定义：
利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热熔化母材和填充金属进行焊接的方法。
☆焊接过程:
图3.24
1）焊丝接触引弧板引燃电弧，电弧高温使焊剂和工件熔化，产生渣池。
当渣池液面淹没焊丝低端时，电弧熄灭。
2）电弧熄灭后，电流进入渣池。
液态渣池电阻很大，电流通过产生极大的电阻热，使被焊件边缘及焊丝末端熔化；
3）熔化的金属下沉，与熔渣发生化学反应，沉积渣池底部形成熔池；
4）熔池不断推动渣池向上运动，熔池则受到冷却滑块冷却作用凝固形成焊缝，将两工件连接在一起。
电渣热
☆保护介质：
液态熔渣
1.大厚度工件课可一次焊成2.生产率高成本低3.焊接质量好不易产生夹渣、气孔等缺陷4.热影响区大——焊后热处理
1.适用于碳钢合金钢不锈钢等材料2适用于厚大工件。
厚度大于40mm的大型结构件
3.高能焊
利用高能量密度的束流（激光束、电子束、等离子弧）作为焊接热源的焊接方法的总称。
1）等离子弧焊接：
利用电弧压缩效应，获得较高能量密度的等离子弧而进行焊接的方法。
①等离子弧的产生：
通过机械压缩效应、热压缩效应、磁压缩效应三种压缩效应作用在弧柱上，使弧柱被压缩得很细，电流密度得到极大提高，能量高度集中，弧柱内气体完全电离，从而得到等离子弧。
温度可高达24000~50000K。
②等离子弧焊特点：
●等离子弧温度和能量密度高，使得等离子弧的穿透能力和焊接速度显著提高；
●等离子弧热量集中，速度快，弧柱细而稳定，因此焊缝的深宽比大，热影响区小；
●等离子弧具有小孔效应，能较好的实现单面焊双面成型。
●等离子弧稳定，适合焊接超薄件。
2）电子束焊：
以集中的高速电子束轰击工件表面所产生的热能进行焊接的方法。
是将电子束的动能转化为热能进行焊接的。
特点：
●焊接质量好。
由于电子束焊接在真空中进行，所以真空对焊缝具有良好的保护作用，焊缝金属不会被氧化、氮化，不存在焊缝金属污染问题，保证焊缝的高纯度。
●焊接变形小。
电子束焊接热源能量密度高，焊速快，因而热影响区小，焊接变形小。
●热源能量密度大，熔深大，穿透能力强。
可焊接难熔金属和大截面工件。
●设备复杂，造价高，焊前需对试样进行清理。
3）激光焊接：
利用聚焦的激光束轰击焊件所产生的热量而进行焊接的方法。
●能量密度大，加热范围小，焊缝和热影响区小，焊接应力和变形小，焊接接头性能优良。
●焊接速度快，生产率高，适合高速加工。
●灵活性大。
可用偏转棱镜或光纤维引导到难以接近的部位进行焊接。
●易于实现自动化
●激光辐射能量释放迅速，被焊才来哦不易氧化，可在大气中焊接。
●要求焊件装配精度高，光束在工件上的位置不能显著偏移。
二）、压焊
加热和加压并施，加热温度比熔焊低，加热时间短，应用于许多难熔的焊接材料。
1电阻焊：
利用电流产生的电阻热，使焊接区金属加热至局部熔化或高温塑性状态，通过电极施加压力而形成牢固接头的压焊方法。
1）焊接速度快，生产率高；
2）表面质量好，焊接变形小；
3）焊接操作易于实现机械化和自动化，适合大批生产；
4）焊缝不用添加金属；
5）设备复杂，耗电量大，焊件接头形式、截面形状尺寸、焊接厚度都有一定限制。
1）、点焊
将工件装配称搭接接头，压紧在上下两个柱状电极之间，利用电阻热加热、熔化焊件接触面，断电后保持或加大压力，冷却结晶后形成焊点的方法。
图3.34
过程：
①对焊件施加一定压力，使工件待焊处紧密接触；
②电极中通电流，电流产生的热量使待焊件接触处金属迅速达到熔融状态形成熔核；
③熔核周围金属被加热至塑性状态，压力作用下发生较大塑性变形，塑性变形到一定程度，切断电源，保持压力一定时间，使熔核在压力作用下冷却结晶，形成焊点。
④焊完第一点，移动一定距离，焊第二点。
分流现象：
焊下一个焊点时，电流会流向前一个焊点的现象。
分流会使下一个焊点电流减小，影响焊接质量，所以两焊点要保持一定距离，不能太近。
材料厚度越大，分流现象越明显，两焊点距离越大。
☆点焊工艺参数（电极电压、焊接电流、通电时间适中）
☆焊点距离（太近:
分流现象严重太原：
强度不够）
☆点焊应用：
4mm以下薄板强度搭接
2）、缝焊：
将工件装配成搭接接头，并置于两滚轮状电极间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续放电，形成连续焊缝的一种电阻焊方法，也叫滚焊。
3mm以下的薄板，电冰箱壳体，汽车、拖拉机邮箱等。
表面光滑，气密性好
3）、对焊：
将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热并施加压力将两工件接触面整个焊合在一起的电阻焊方法。
①电阻对焊：
工件装在对焊机的两个夹具上对正，夹紧，并施加预压力，使两工件的端面挤紧，然后通电。
过程：
a电流通过形成很大电阻热，加热接触处金属至塑性状态；
b增大压力，切断电源，使金属发生大量塑性变形，形成牢固的接头。
用于断面简单，直径（或边长）小于20mm或强度要求不太高的工件。
②闪光对焊：
●工件夹紧在电极夹头上，接通电源，工件相互靠拢；
●开始靠拢时，由于工件接头比较粗糙，开始只有几个点接触，所以可以产生大量电阻热，使接触点金属迅速熔化甚至汽化，熔化金属在电磁力和气体爆炸力作用下连同表面氧化物一起向四周喷射，产生闪光现象；
●继续推进焊件，闪光点便在新的接触点处产生，待两工件的整个接触端面有一薄层金属熔化时，迅速加压并断电，两工件便在压力作用下冷却凝固而焊在一起。
用于重要工件的焊接，可焊相同金属，也可焊异种金属（铝-铜、铝-钢）。
工件直径0.01mm-200mm
2、摩擦焊：
利用两工件焊接端面之间相互摩擦而产生的热量，使工件接合端面达到塑性状态，在压力作用下使它们连接起来的一种压焊方法。
焊接过程：
1）工件Ⅰ夹持在焊机的旋转夹头上，工件Ⅱ夹持在可沿轴向往复移动并能加压的夹头上；
2）工件Ⅰ高速旋转，工件Ⅱ不断向工件Ⅰ缓缓移动并开始接触，工件接触端面因强烈摩擦而发出大量的热加热两工件；
3）加热到焊接所需温度时，立即使工件Ⅰ停止转动，同时在工件Ⅱ一端施加轴向压力；
4）接头在压力作用下产生塑性变形，并冷却，获得致密的接头组织。
如图3.39
1）焊接接头质量高且稳定。
摩擦过程中，工件接触表面的氧化膜和杂质被清除，因而接头不易产生气孔、夹渣，焊接接头组织致密，质量好。
2）可焊范围广。
不仅可以实现同种金属的焊接，还可以进行异种金属的焊接。
3）设备及操作技术简单，容易实现自动控制，生产率高，无火花和弧光，劳动条件好。
一般用于焊接接头为等截面的焊件。
如管-杆，管-管，管-板等。
3扩散焊：
将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成连接的焊接方法。
用于焊接异种材料。
1）利用高压气体加压和高频感应加热对管子和衬套进行真空扩散焊过程：
①焊前对管壁内表面和衬套进行清理、装配后，管子两端用封头封固，放入真空室内加热；
②加热的同时向封闭的管子通入一定压力的惰性气体；
③通过控制温度、压力并保持一定时间，使衬套外表面与管子内壁紧密接触，并产生原子间扩散实现焊接。
2）特点：
①接头质量稳定。
扩散焊加热温度低，故其焊接应力和变形小，能保持材料原有的力学性能；
②可焊范围广。
可焊同类或异类的金属和合金，可焊许多其他方法难以焊接的难溶金属。
③可焊件结构复杂、精度要求高的焊件。
④工艺过程安全无害，主要参数程序化；
⑤可自动化焊接，工作条件好；
⑥单件生产，生产率低，焊前对焊件表面的加工清理和装配质量要求十分严格，需真空辅助装置。
三）、钎焊
是将钎料融化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙与母材互相扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。
软钎焊：
钎料的熔点在450℃以下。
接头强度低，一般为60-190Mpa，工作温度低于100℃
硬钎焊：
钎料的熔点在450℃以上。
接头强度低，一般为200Mpa以上，工作温度较高
钎料的种类：
软钎料：
锡铝合金（焊锡）硬钎料：
铝基、铜基、银基、镍基合金等。
钎料的作用：
连接填充
溶剂的作用：
1清理作用（去除表面氧化皮）2.降低表面张力（改善液态钎料对焊件的湿润性）3.保护作用
主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属的焊接。
目前软钎焊广泛用于电自、电器、仪表灯行业；
硬钎焊用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。
4、材料的焊接性
金属材料的焊接性：
被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。
焊接性：
（1工艺焊接性：
焊接接头产生工艺缺陷的倾向。
2.使用焊接性：
焊接接头在使用中的可靠性，包括力学性能及其他特殊性能。
）
影响焊接性的因素
1.材料因素
1）焊件本身：
母材或基本金属；
2）焊接材料：
焊条、焊丝、焊剂、保护气体等。
2.结构设计因素
焊接接头的结构设计会影响其应力状态，从而影响焊接性。
如结构刚度过大或过小、截面突然变化、焊接接头的缺口效应、过大的焊缝体积、不必要的增大焊件的厚度、密集的焊缝数量等。
3.工艺因素
1）施焊方法：
手工焊、埋弧焊等；
2）焊接工艺：
焊接规范参数、焊前预热、焊后缓冷等
3）焊后热处理。
4）使用因素
焊件的工作环境：
工作温度、负荷条件、腐蚀环境等。
常用的焊接件的焊接性
1低碳钢的焊接性
低碳钢：
C<
0.25%Ce<
0.4%焊接性良好Q235、10、15、20等
焊接还需注意的问题：
（1）在低温环境下焊接厚度大，刚性大的结构时，应该进行预热，否则容易产生裂纹。
（2）重要结构焊接后要进行去应力退火消除焊接应力
2.中碳钢焊接性
中碳钢：
C＜0.25-0.6%CE＜0.4%—0.4%-0.6%焊接性由良好→较差
问题：
1.焊缝区易产生热裂纹2.热影响区易产生冷裂纹
措施：
1.焊前预热（150-250℃），焊后缓冷2.选用低氢焊条3.焊件开坡口，细焊条，小电流
3.高碳钢的焊接性
高碳钢：
C＞0.6%，CE＞0.6%焊接性差
问题和措施如中碳钢，避免使用高碳钢做焊接结构件。
4.合金结构钢的焊接
5.铸铁的焊补
铸铁在使用过程中会产生裂纹和断裂，因此对铸铁进行局部缺陷的焊接补救。
铸铁焊补的困难：
1.熔合区易产生白口组织和淬硬组织；
2.焊缝区易产生裂纹3.焊缝区易产生气孔；
4.熔池金属易流失；
铸铁焊补的方法：
1热焊法：
焊前讲焊件整体或局部预热至600-700℃并施焊，焊后缓冷。
用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。
如气缸体、汽缸盖、机床导轨等
2.冷焊法：
焊前不预热或低温预热（<
=400℃）的焊补方法。
焊条选用：
a.一般非加工表面的焊补选用钢芯或铸铁芯铸铁焊条
b.重要铸件加工面的焊补选用镍基铸铁焊条
c.焊后须加工的灰铁件的焊补选用铜基铸铁焊条
5、焊接结构工艺设计
1）、焊接结构件的选择
1.在满足使用性能的前提下，尽量选用焊接性较好的材料
优先选择低碳钢和低强度的低合金钢。
通常碳的质量分数小于0.25%低碳钢和碳当量小于0.4%的低合金钢，具有较好的焊接性。
而碳的质量分数大于0.5%和碳当量大于0.4%的合金钢，焊接性较差。
2.注重材料的冶金质量
包括钢冶炼时的脱氧程度和所含杂质的数量、大小以及分布状态等。
镇静钢脱氧完全，组织致密，质量好；
沸腾钢含氧量高，冲击韧性差，焊接时易
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