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焊接课件

第七章焊接

第一节焊接基础

一、焊接的实质

焊接是指两个或两个以上的零件（同种或异种材料），通过局部加热或加压达到原子间的结合，造成永久性连接的工艺过程。

具体措施：

（1）加压——用以破坏结合面上的氧化模或其它吸附层，并是接触面发生塑性变形，以扩大接触面。

在变形足够时，也可直接形成原子间结合，得到牢固接头。

（2）加热——对连接处进行局部加热，使之达到塑性或熔化状态，激励并加强原子的能量，从而通过扩散、结晶和再结晶的形成与发展，以获得牢固接头。

二、焊接方法分类

一般都根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来划分。

1、熔化焊

熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。

它包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。

2、压焊

压焊是通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。

它包括爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。

3、钎焊

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。

它包括硬钎焊、软钎焊等。

三、焊接的特点

1、节约金属材料，产品密封性好

2、以小拼大，化复杂为简单

3、便于制造双金属结构

缺点是焊缝处的力学性能有所降低，个别焊接方法的焊接质量检验仍有困难。

四、焊接的应用

1、制造金属结构

2、制造金属零件或毛坯

3、连接电器导线

第二节熔化焊

熔化焊是利用电弧产生的热量使连接处金属局部熔化而实现连接的焊接方法。

一、焊条电弧焊

1、焊接电弧

电弧是两带电导体之间持久而强烈的气体放电现象。

1）电弧的形成

（1）焊条与工件接触短路

短路时，电流密集的个别接触点被电阻热Q=I2Rt所加热，极小的气隙的电场强度很高。

结果：

①少量电子逸出。

②个别接触点被加热、熔化，甚至蒸发、汽化。

③出现很多低电离电位的金属蒸汽。

（2）提起焊条保持恰当距离

在热激发和强电场作用下，负极发射电子并作高速定向运动，撞击中性分子和原子使之激发或电离。

结果：

气隙间的气体迅速电离，在撞击、激发和正负带电粒子复合中，其能量转换，发出光和热。

2）电弧的构造与温度分布

电弧由三部分构成，即阴极区（一般为焊条端面的白亮斑点）、阳极区（工件上对应焊条端部的溶池中的薄亮区）和弧柱区（为两电极间空气隙）。

3、电弧稳定燃烧的条件

（1）应有符合焊接电弧电特性要求的电源

a）当电流过小时，气隙间气体电离不充分，电弧电阻大，要求较高的电弧电压，方能维持必需的电离程度。

b）随着电流增大，气体电离程度增加，导电能力增加，电弧电阻减小，电弧电压降低。

但当降低到一定程度后，为了维持必要的电场强度，

保证电子的发射与带电粒子的运动能量，电压须不随电流增大而变化。

（2）做好清理工作，选用合适药皮的焊条。

（3）防止偏吹。

4、电极的极性

在焊接中，采用直流电焊机时，有正接和反接两种方法。

而大量使用的是交流电弧焊设备，电极的极性频繁交变，不存在极性问题，

（1）正接——焊件接电源正极，焊条接负极。

一般焊接作业均采用正接法。

（2）反接——焊件接电源负极，焊条接正极。

一般焊接薄板时，为了防止烧穿，采用反接法进行焊接作业。

2、焊条电弧焊的焊接过程

1）焊接过程

2）焊条电弧焊加热特点

（1）加热温度高，而且使局部加热。

焊缝附近金属受热极不均匀，可能造成工件变形、产生残余应力以及组织转变与性能变化的不均匀。

（2）加热速度快（1500度/秒），温度分布不均匀，可能出现在热处理中不应出现的组织和缺陷。

（3）热源是移动的，加热和冷却的区域不断变化。

3、电弧焊的冶金特点

（1）反应区温度高，使合金元素强烈蒸发和氧化烧损。

（2）金属熔池体积小，处于液态的时间很短，导致化学成分均匀，气体和杂质来不及浮出而易产生气孔和夹渣等缺陷。

4、焊条

1）焊条的组成

手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。

（1）焊芯

①作为电弧焊的一个电极，与焊件之间导电形成电弧；

②在焊接过程中不断熔化，并过渡到移动的熔池中，与熔化的母材共同结晶形成焊缝；

（2）焊条药皮

①药皮的作用

a）对熔池造成有效的气渣联合保护；

b）使熔池内金属液脱氧、脱硫以及向熔池金属中渗合金，提高焊缝的力学性能；

c）起稳弧作用，以改善焊接的工艺性。

②药皮的组成

a）稳弧剂：

主要使用易于电离的钾、钠、钙的化合物。

b）造渣剂：

形成熔渣覆盖在熔池表面，不让大气侵入熔池，且起冶金作用。

c）造气剂：

分解出CO和H2等气体包围在电弧和熔池周围，起到隔绝大气、保护熔滴和熔池的作用。

d）脱氧剂：

主要应用锰铁、硅铁、钛铁、铝铁和石墨等，脱去熔池中的氧。

e）合金剂：

主要应用锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钒铁和钨铁等铁合金。

f）粘结剂：

常用钾、钠水玻璃。

（3）焊条药皮的种类

a）酸性焊条——药皮中含有多量酸性氧化物，如SiO2、TiO2、Fe2O3等。

b）碱性焊条——药皮中含有多量碱性氧化物，如CaO、FeO、MnO、Na2O、MgO等。

2）焊条的种类

焊条共分为十大类，即结构钢焊条、低温钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条和特殊用途焊条。

3）焊条的选用原则

（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）根据结构的使用条件选择焊条药皮的类型

5、焊接接头的金属组织和性能的变化

1）焊件上温度的变化与分布

焊缝区金属经受有偿稳状态开始被加热大较高的温度，然后在逐渐冷却到常温这样一个热循环。

2）焊接接头处的组织和性能的变化

（以低碳钢为例）

3）焊接接头的主要缺陷

（1）气孔

气孔是焊接时熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸出而留下来形成的空穴。

防治措施：

a）烘干焊条，仔细清理焊件的带焊表面及附近区域；

b）采用合适的焊接电流，正确操作。

（2）夹渣

夹渣是焊后残留在焊缝中的熔渣。

预防措施：

a）仔细清理带焊表面；

b）多层焊时层间要彻底清渣；

c）减缓熔池的结晶速度。

（3）焊接裂纹

a）热裂

热裂是焊接过程中，焊接接头的金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。

预防措施：

减小结构刚度、焊前预热、减小合金化、选用抗裂性好的低氢型焊条等。

b）冷裂

焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。

预防措施：

a）用低氢型焊条并烘干、清除焊件表面的油污和锈蚀；

b）焊前预热、焊后热处理。

（4）未焊透

未焊透是焊接接头根部未完全熔透的现象。

产生原因：

坡口角度或间隙太小、钝边过厚、坡口不洁、焊条太粗、焊速过快、焊接电流太小以及操作不当等所致。

（5）未溶合

未溶合是焊缝与母材之间未完全熔化结合的现象。

产生原因：

坡口不洁、焊条直径过大及操作不当等造成。

（6）咬边

咬边是沿焊趾的母材部分产生的沟槽或凹陷的现象。

产生原因：

焊接电流过大、电弧过长、焊条角度不当等所致。

6、焊接变形

1）焊接应力与变形的原因

焊接时局部加热是焊件产生焊接应力与变形的根本原因。

2）焊接变形的基本形式

3）防止与减小焊接变形的工艺措施

（1）反变形法

（2）加余量法

（3）刚性夹持法

（4）选择合理的焊接工艺

4）减小焊接应力的工艺措施

（1）选择合理的焊接顺序

（2）预热法

（3）焊后退火处理

二、埋弧自动焊

电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，称为埋弧焊。

埋弧焊的引弧、送进焊条一般均由自动装置来完成，因此又称为埋弧自动焊。

1、埋弧自动焊的焊接过程

2、埋弧自动焊的主要特点

（1）生产率高

（2）焊接质量高而且稳定

（3）节约焊接材料

（4）改善了劳动条件

（5）适用于平焊长直焊缝和较大直径的环形焊缝。

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。

3、焊丝和焊剂

4、埋弧自动焊的工艺特点

（1）焊前准备工作要求严格

（2）焊接熔深大

（3）采用引弧板和引出板

（4）采用焊剂垫或钢垫板

（5）采用导向装置

三、气体保护焊

1、氩弧焊

使用氩气作为保护气体的气体保护焊称为压弧焊。

氩气是惰性气体，可保护电极和熔化金属不受空气的有害作用。

氩弧焊按所用电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。

（1）非熔化极氩弧焊

电极只作为发射电子、产生电弧用，填充金属另加。

常用掺有氧化钍或氧化铈的钨极，其特点是电子热发射能力强，熔点沸点高（为3700K和5800K）。

（2）熔化极氩弧焊

钨极氩弧焊电流小、熔深浅。

中厚以上的钛、铝、铜等合金的焊接多选用高生产率的熔化极氩弧焊。

（3）氩弧焊的特点

a）由于氩气的保护，它适于各类合金钢、易氧化的有色金属，以及锆、钽、钼等稀有金属的焊接。

b）氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观，焊接变形小。

c）明弧可见，便于操作，容易实现全位置自动焊接。

d）钨极脉冲氩弧焊接可焊接0.8mm以下的薄板及某些异种金属。

2、二氧化碳气体保护焊

利用CO2作为保护气体的气体保护焊，称为二氧化碳气体保护焊。

它的保护作用主要是使焊接区与空气隔离，防止空气中的氮气对熔化金属的有害作用。

焊接时：

2CO2=2CO+O2

CO2=C+O2

因此焊接是在CO2、CO、O2氧化气氛中进行的。

二氧化碳气体保护焊的特点：

（1）焊速高，可实现自动焊，生产率高。

（2）为明弧焊接，易于控制焊缝成形。

（3）对铁锈敏感性小、焊后熔渣少。

（4）价格低廉。

（5）焊接飞溅与气孔仍是生产中的难点。

其它常用焊接方法

一、电渣焊

电渣焊就是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。

1、焊接过程

2、电渣焊的特点

（1）可一次焊成很厚的焊件。

（2）生产率高，成本低。

（3）焊缝金属比较纯净。

（4）适于焊接中碳钢与合金结构钢。

（5）焊缝区高温停留时间长，晶粒粗大，焊后需热处理来细化晶粒。

二、等离子弧焊与切割

1、等离子弧的概念

（1）一般焊接电弧为自由电弧，电弧区只有部分气体被电离，温度不够集中。

（2）当自由电弧压缩成高能量密度的电弧，弧柱气体被充分电离，成为只含有正离子和负离子的状态时，即出现物质的第四态——等离子体。

等离子弧具有高温（15000~30000K）、高能量密度（480千瓦/厘米2）和等离子流高速运动（最大可数倍与声速）

（3）等离子弧焊的三种压缩效应

a）机械压缩效应

在等离子枪中，当高频震荡引弧以后，气体电离形成的电弧通过焊嘴细小喷孔，受到喷嘴内壁的机械压缩。

b）热压缩效应

由于喷嘴内冷却水的作用，使靠近喷嘴内壁处的气体温度和电离度急剧降低，迫使电弧电流只能从弧柱中心通过，使弧柱中心电流密度急剧增加，电弧截面进一步减小，这是对电弧的第二次压缩。

c）电磁收缩效应

因为弧柱电流密度大大提高而伴生的电磁收缩力使电弧得到第三次压缩。

因三次压缩效应，使等离子弧直径仅有3mm左右，而能量密度、温度及气流速度大为提高。

2、等离子弧焊的特点

（1）能量密度大，温度梯度大，热影响区小，可焊接热敏感性强的材料或制造双金属件。

（2）电弧稳定性好，焊接速度高，可用穿透式焊接，使焊缝一次双面成型，表面美观，生产率高。

（3）气流喷速高，机械冲刷力大，可用于焊接大厚度工件或切割大厚度不锈钢、铝、铜、镁等合金。

（4）电弧电离充分，电流下限达0.1A以下仍能稳定工作，适合于用微束等离子弧（0.2~30A）焊接超薄板（0.01~2mm），如膜盒、热电偶等。

三、真空电子束焊

真空电子束焊是利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，形成焊缝。

真空电子束焊的特点：

（1）在真空中进行焊接，焊缝纯净、光洁，呈镜面，无氧化等缺陷。

（2）电子束能量密度高达108瓦/厘米2，能把焊件金属迅速加热到很高温度，因而能熔化任何难熔金属与合金。

熔深大、焊速快，热影响区极小，因此对接头性能影响小，接头基本无变形。

四、激光焊

激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。

激光焊的特点：

（1）激光焊能量密度大，作用时间短，热影响区和变形小，可在大气中焊接，而不需气体保护或真空环境。

（2）激光束可用反光镜改变方向，焊接过程中不用电极去接触焊件，因而可以焊接一般电焊工艺难以焊到的部位。

（3）激光可对绝缘材料直接焊接，焊接异种金属材料比较容易，甚至能把金属与非金属焊在一起。

（4）功率较小，焊接厚度受一定限制。

五、电阻焊

电阻焊是在焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的工艺方法。

电阻焊的种类很多，常用的有点焊、缝焊和对焊三种。

1、点焊

点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。

点焊主要用于薄板焊接。

点焊的工艺过程：

（1）预压，保证工件接触良好。

（2）通电，使焊接处形成熔核及塑性环。

（3）断点锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、裂纹的焊点。

2、缝焊

缝焊是将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。

缝焊主要用于焊接焊缝较为规则、要求密封的结构，板厚一般在3mm以下。

3、对焊

对焊是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。

（1）电阻对焊

电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法，

电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。

（2）闪光对焊

闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。

闪光焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要清理接头的预焊表面。

闪光对焊常用于重要焊件的焊接。

可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。

六、摩擦焊

摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热量，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻完成焊接的一种压焊方法。

摩擦焊的特点：

（1）由于摩擦，焊件接触表面的氧化膜和杂质被清楚，使焊接接头组织致密，不产生气孔和夹渣等缺陷。

（2）即可焊同种金属，更适合于异种金属的焊接。

（3）生产率高。

七、钎焊

1、钎焊的种类

根据钎料熔点不同，钎焊分为硬钎焊和软钎焊两种。

（1）硬钎焊

钎料熔点高于450℃的钎焊为硬钎焊。

硬钎料有铜基、银基、铝基等合金。

钎剂常用鹏砂、硼酸、氟化物、氯化物等。

加热方法有火焰加热、盐浴加热、电阻加热、高频感应加热等。

硬钎焊接接头强度高达490MPa，适用于受力较大及工作温度较高的工件。

（2）软钎焊

钎料熔点低于450℃的钎焊为软钎焊。

常用软钎料为锡铅合金。

常用钎剂为松香、氯化铵溶液等。

常用烙铁及其它火焰加热。

2、钎焊的特点

（1）焊件加热温度低，金属组织和力学性能变化小，焊件变形小，接头光滑平整，焊件尺寸精确。

（2）可以焊同种或异种金属。

（3）可焊由多条焊缝组成的复杂形状的焊件。

（4）设备简单，投资少。

第四节常用金属材料的焊接

一、金属材料的焊接性

1、焊接性的概念

焊接性就是金属材料在一定工艺条件下获得优质焊接接头的能力，或指获得优质接头所采取工艺措施的复杂程度。

金属材料的焊接性的好坏包括两方面内容：

（1）结合性能

（2）使用性能

影响金属材料焊接性的主要因素是母材的化学成分。

二、碳钢的焊接性

1、低碳钢的焊接

低碳钢的塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，焊接性良好。

一般不需要采取特殊工艺措施，也不需要进行焊前（后）热处理。

但有两种情况例外：

（1）在焊接厚度大于50mm的焊件需焊后去应力退火。

（2）在低温条件下焊接较大刚度结构钢时，需焊前预热。

常用焊接方法有：

手工电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。

2、中碳钢的焊接

随着含碳量的增加，淬硬倾向增大，焊接性变差。

中碳钢的焊接特点：

（1）熔合区和热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。

（2）焊缝金属热裂倾向较大

防止措施：

（1）焊前预热，焊后缓冷。

（2）选用抗裂性好的碱性焊条。

（3）选用细焊条小电流、开坡口、多层焊工艺。

中碳钢焊接方法有：

手工电弧焊、电渣焊等。

3、高碳钢的焊接

高碳钢焊接性差，一般只限于修补。

三、低合金结构钢的焊接

1、焊接特点

低合金结构钢的含碳量都很低，加入了少量合金元素后，强度显著提高，韧塑性也好。

其焊接性随强度等级的提高而变差。

（1）σs=300~400MPa的低合金结构钢焊接性良好。

a）常温下焊接时，按焊接低碳钢对待；

b）在低温下焊接或对大厚度、大刚度的结构钢焊接时，应适当增大电流，减小焊速，选用碱性焊条，并进行预热；

c）对受压容器的焊接，注意焊后退火，以消除应力。

（2）σs≥450MPa的低合金结构钢的焊接性较差。

a）焊前预热

b）焊时采用大电流、小焊速。

c）焊后回火。

d）烘干焊条或焊剂，认真清理焊件。

四、铸铁的补焊

铸铁的焊接性很差，一般指对某些铸造缺陷进行补焊。

1、铸铁的补焊特点

（1）易产生白口组织

（2）易产生裂纹

（3）易产生气恐和夹渣

2、补焊方法

（1）热焊补

焊前将焊件局部或整体预热至600~700℃并在焊接过程中保持，焊后缓慢冷却。

（2）冷焊补

焊前不预热或只预热至400℃以下。

五、铝、铜及其合金的焊接

1、铝及铝合金的焊接

（1）主要问题

a）易产生氧化夹渣

b）易产生氢气孔

c）焊接应力大

d）易变形

e）固态转化为液态时颜色无变化，时操作困难。

（2）焊接方法

铝及铝合金常用氩气焊、电阻焊、气焊、钎焊及摩擦焊等方法。

2、铜及铜合金的焊接

（1）主要问题

a）易产生氢气孔

b）易产生裂纹

c）导热快，易产生未焊透缺陷

d）易形成过热组织

（2）焊接方法

铜及铜合金常用氩气焊、气焊和钎焊等方法。

第五节焊接结构设计

一、焊接结构材料的选择

1、材料的力学性能

2、材料的焊接性

3、型材的选择

二、焊接方法的选择

焊接方法的选择，应根据材料的焊接性、焊件厚度、生产批量、产品质量要求、各种焊接方法的适用范围以及现场设备条件等综合考虑决定。

三、焊缝布置

1、焊缝尽可能分散

2、尽可能对称

3、焊缝应尽量避开最大应力和应力集中位置

4、尽量避开要加工的表面

5、便于操作

6、注意改善劳动条件