焊接工艺与特点.docx

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焊接工艺与特点

焊接工艺与特点

第三章  连接成形

常见的连接成形工艺：

焊接、胶接和机械联接等。

焊接：

通常是指金属的焊接。

是通过加热或加压，或两者同时并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成形方法。

分类：

根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同，焊接方法可以分为三大类。

（1）熔焊将工件焊接处局部加热到熔化状态，形成熔池（通常还加入填充金属），冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合为不可分离的整体。

常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。

（2）压焊在焊接过程中无论加热与否，均需要加压的焊接方法。

常见的压焊有电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、爆炸焊等。

（3）钎焊采用熔点低于被焊金属的钎料（填充金属）熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。

钎焊过程中被焊工件不熔化，且一般没有塑性变形。

焊接生产的特点：

（1）节省金属材料，结构重量轻。

（2）以小拼大、化大为小，制造重型、复杂的机器零部件，简化铸造、锻造及切削加工工艺，获得最佳技术经济效果。

（3）焊接接头具有良好的力学性能和密封性。

（4）能够制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。

应用：

焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、航空及航天工业等应用十分广泛。

不足：

焊接技术也还存在一些不足之处，如焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；焊接结构中会存在焊接应力和变形；焊接接头的组织性能往往不均匀，并会产生焊接缺陷等。

胶接技术：

使用胶粘剂来连接各种材料。

与其它连接方法相比，胶接不受材料类型的限制，能够实现各种材料之间的连接（例如各种金属、各种非金属和金属与非金属之间的连接），而且具有工艺简单，应力分布均匀，密封性好，防腐节能，应力和变形小等特点，已被广泛用于现代化生产的各个领域。

胶接的主要缺点是固化时间长，胶粘剂易老化，耐热性差等。

机械联接：

有螺纹联接、销钉联接、键联接和铆钉联接，其中铆钉联接为不可拆连接，其余均为可拆连接。

机械联接的主要特点是所采用的连接件一般为标准件，具有良好的互换性，选用方便，工作可靠，易于检修，其不足之处是增加了机械加工工序，结构重量大，密封性差，影响外观，且成本较高。

第一节   电弧焊

一、焊接冶金过程与电焊条

（一）焊接电弧

电弧：

一种强烈而持久的气体放电现象，正负电极间具有一定的电压，而且两电极间的气体介质应处在电离状态。

引燃焊接电弧时，通常是将两电极（一极为工件，另一极为填充金属丝或焊条）接通电源，短暂接触并迅速分离，两极相互接触时发生短路，形成电弧。

这种方式称为接触引弧。

电弧形成后，只要电源保持两极之间一定的电位差，即可维持电弧的燃烧。

电弧特点：

电压低、电流大、温度高、能量密度大、移动性好等，一般20～30V的电压即可维持电弧的稳定燃烧，而电弧中的电流可以从几十安培到几千安培以满足不同工件的焊接要求，电弧的温度可达5000K以上，可以熔化各种金属。

电弧组成：

阴极区、阳极区、弧柱区三部分，如图3-1所示。

图3-1　电弧的构造

1-电极2-直流电源3-弧柱区4-工件5-阳极区6-阴极区

阴极区发射电子，因而要消耗一定的能量，所产生的热量占电弧热的36%左右；在阳极区，由于高速电子撞击阳极表面并进入阳极区而释放能量，阳极区产生的热量较多，占电弧热的43%左右。

用钢焊条焊接钢材时阴极区平均温度为2400K，阳极区平均温度为2600K。

弧柱区的长度几乎等于电弧长度，热量仅占电弧热的21%，而弧柱区的温度可达6000K～8000K。

弧焊电源：

焊接电弧所使用的电源称为弧焊电源，通常可分为四大类：

交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变弧焊电源。

直流正接：

采用直流焊机当工件接阳极，焊条接阴极时，称为直流正接，此时工件受热较大，适合焊接厚大工件；

直流反接：

当工件接阴极，焊条接阳极时，称为直流反接，此时工件受热较小，适合焊接薄小工件。

采用交流焊机焊接时，因两极极性不断交替变化，故不存在正接或反接问题。

（二）焊接冶金过程

在电弧焊过程中，液态金属、熔渣和气体三者相互作用，是金属再冶炼的过程。

但由于焊接条件的特殊性，焊接化学冶金过程又有着与一般冶炼过程不同的特点。

首先，焊接冶金温度高，相界大，反应速度快，当电弧中有空气侵入时，液态金属会发生强烈的氧化、氮化反应，还有大量金属蒸发，而空气中的水分以及工件和焊接材料中的油、锈、水在电弧高温下分解出的氢原子可溶入液态金属中，导致接头塑性和韧度降低（氢脆），以至产生裂纹。

其次，焊接熔池小，冷却快，使各种冶金反应难以达到平衡状态，焊缝中化学成分不均匀，且熔池中气体、氧化物等来不及浮出，容易形成气孔、夹渣等缺陷，甚至产生裂纹。

为了保证焊缝的质量，在电弧焊过程中通常会采取以下措施：

（1）在焊接过程中，对熔化金属进行机械保护，使之与空气隔开。

保护方式有三种：

气体保护、熔渣保护和气-渣联合保护。

（2）对焊接熔池进行冶金处理，主要通过在焊接材料（焊条药皮、焊丝、焊剂）中加入一定量的脱氧剂（主要是锰铁和硅铁）和一定量的合金元素，在焊接过程中排除熔池中的FeO，同时补偿合金元素的烧损。

（三）焊条

1．焊条的组成与作用手工电弧焊所使用的焊接材料，它由心部的金属焊芯和表面药皮涂层组成。

焊芯：

作为电极，产生电弧，并传导焊接电流，焊芯熔化后作为填充金属成为焊缝的一部分。

钢焊条的焊芯采用专门的焊接用钢丝，几种常见的焊接用钢丝的牌号和化学成分见表3-1。

焊条直径是由焊丝直径来表示的，一般为1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.0、8.0mm等规格，长度为300～450mm。

表3-1常用焊接用钢丝的牌号和化学成分

牌号

化学成分的质量分数w（%）

用途

C

Mn

Si

Cr

Ni

S

P

H08

≤0.1

0.35～0.55

≤0.03

≤0.20

≤0.30

≤0.04

≤0.040

一般焊接结构

H08A

≤0.10

0.35～0.55

≤0.03

≤0.20

≤0.30

≤0.030

≤0.030

重要焊接结构及埋弧焊焊丝

H08E

≤0.10

0.35～0.55

≤0.03

≤0.20.

≤0.30

≤0.025

≤0.025

H08Mn2Si

≤0.11

1.7～2.1

0.65～0.95

≤0.20

≤0.30

≤0.040

≤0.040

二氧化碳气体保护焊焊丝

H08Mn2SiA

≤0.11

1.80～2.10

0.65～0.95

≤0.20

≤0.30

≤0.030

≤0.030

注：

化学成分摘自GB1300-77《焊接用钢丝》

药皮：

压涂在焊芯表面的涂料层，它的主要作用是保证电弧稳定燃烧；造气、造渣以隔绝空气，保护熔化金属；对熔化金属进行脱氧、去硫、渗合金元素等。

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、粘结剂等，由矿石、铁合金、有机物和化工产品四大类原材料粉末，如碳酸钾、碳酸钠、大理石、萤石、锰铁、硅铁、钾钠水玻璃等配成。

2．焊条的种类根据熔渣化学性质的不同，焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。

酸性焊条：

熔渣中以酸性氧化物为主，氧化性强，合金元素烧损大，故焊缝的塑性和韧度不高，且焊缝中氢含量高，抗裂性差，但酸性焊条具有良好的工艺性，对油、水、锈不敏感，交直流电源均可用，广泛用于一般结构件的焊接。

碱性焊条（又称低氢焊条）：

药皮中以碱性氧化物以莹石为主，并含较多铁合金，脱氧、除氢、渗金属作用强，与酸性焊条相比，其焊缝金属的含氢量较低，有益元素较多，有害元素较少，因此焊缝力学性能与抗裂性好，但碱性焊条工艺性较差，电弧稳定性差，对油污、水、锈较敏感，抗气孔性能差，一般要求采用直流焊接电源，主要用于焊接重要的钢结构或合金钢结构。

国家标准局将焊条按化学成分划分若干大类，焊条行业统一将焊条按用途分为十类，表3-2列出了两种分类有关内容的对应关系。

表3-2两种焊条分类的对应关系

焊条按用途分类（行业标准）

焊条按成分分类（国家标准）

类别

名 称

代 号

国家标准编号

名 称

代号

一

结构钢焊条

J（结）

GB5117-85

碳钢焊条

E

GB5118-85

低合金钢焊条

二

钼和铬钼耐热钢焊条

R（热）

三

低温钢焊条

W（温）

四

不锈钢焊条

G（铬）A（奥）

GB983-85

不锈钢焊条

五

堆焊焊条

D（堆）

GB984-85

堆焊焊条

ED

六

铸铁焊条

Z（铸）

GB10044-88

铸铁焊条

EZ

七

镍及镍合金焊条

Ni（镍）

—

—

—

八

铜及铜合金焊条

T（铜）

GB3670-83

铜及铜合金焊条

TCu

九

铝及铝合金焊条

L（铝）

GB3669-83

铝及铝合金焊条

TAl

十

特殊用途焊条

TS（特）

—

—

—

3．焊条的牌号与型号

焊条牌号：

行业统一代号。

其表示方法为：

以大写拼音字母或汉字表示焊条的类别，后面跟三位数字，前两位表示焊缝金属的性能，如强度、化学成分、工作温度等；第三位数字表示焊条药皮的类型和焊接电源。

焊条牌号举例如下：

J422（结422）：

“J”（“结”）表示结构钢焊条，“42”表示熔敷金属的抗拉强度（σb）不低于420MPa（43kgf/mm2），“2”表示氧化钛钙型药皮，交流、直流电源均可使用。

Z248（铸248）：

“Z”（“铸”）表示铸铁焊条，“2”表示熔敷金属主要化学成分的组成类型（铸铁），“4”是牌号编号，“8”表示石墨型药皮，交流、直流电源均可使用。

焊条药皮类型及焊接电源种类，见表3-3。

表3-3焊条药皮类型及焊接电源种类编号

编号

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

药皮类型

不规定酸性

氧化钛型酸性

氧化钛钙型酸性

钛铁矿型酸性

氧化铁型酸性

纤维素型酸性

低氢钾型碱性

低氢钠型碱性

石墨型

盐基型

电源种类

——

交直流

交直流

交直流

交直流

交直流

交流/直流反接

直流

反接

交直流

直流反接

焊条型号：

国家标准代号。

碳钢焊条型号见国家标准GB5117-85，如E4303、E5015、E5016等，其编制方法是：

“E”表示焊条，前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度值（kgf/mm2）；第三位数字表示焊条使用的焊接位置：

“0”、“1”均表示适用于全位置焊接，“2”表示适用于平焊和平角焊，“4”表示适用于向下立焊；第三、第四位数字组合表示焊接电流的种类和焊条药皮类型。

4．焊条的选用

焊条的选择原则：

（1）考虑母材的力学性能和化学成分焊接低碳钢和低合金结构钢时，应根据焊接件的抗拉强度选择相应强度等级的焊条，即等强度原则；焊接耐热钢、不锈钢等材料时，则应选择与焊接件化学成分相同或相近的焊条，即等成分原则。

（2）考虑结构的使用条件和特点对于承受动载荷或冲击载荷的焊接件，或结构复杂、大厚度的焊接件，为保证焊缝具有较高的塑性和韧度，应选择碱性焊条。

（3）考虑焊条的工艺性对于焊前清理困难，且容易产生气孔的焊接件，应当选择酸性焊条；如果母材中含碳、硫、磷量较高，则应选择抗