第三章 金属焊接成形 第一节 概 述 焊接 —— 通过加热或加压，使焊件达到原子结合的一种加工方法。 焊接的种类： 熔化焊 —— 气焊、电弧焊、电渣焊等； 压力焊 —— 电阻焊、压力焊； 钎焊 —— 软钎焊、硬钎焊。 焊接的特点与应用 优点： 连接性能好 省工省料成本低 重量轻 简化工艺 缺点： 结构不可拆卸 焊接接头的组织、性能变坏 产生残余应力和变形 易产生焊接缺陷 应用： 金属结构件——自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆等； 机器部件——轴、齿轮、刀具等。 第二节 熔焊过程和焊接质量 一、熔焊冶金过程和电焊条 1、熔焊的冶金过程 空气中的O2、N2、H2O在电弧的作用下： O2 → 2O 发生氧化反应，焊缝性能降低； N2 → 2N 高温熔入液态金属，冷却后形成气孔； H2O → 2H+O形成气孔，产生氢脆。 保证焊缝质量措施： 减少有害元素进入熔池 消除已进入熔池的有害元素，增加金属元素 2、电焊条 2.1焊条的组成专用焊接金属丝 由多种矿石粉铁合金配成 焊芯的作用： 作电极传导电流，产生电弧 作填充金属（调整成分） 药皮的作用： 机械保护作用(气体和熔渣) 冶金处理（熔渣） 改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定） 2.2焊条的种类、型号与牌号 按用途分： 碳钢焊条 低合金钢焊条 不锈钢焊条 铸铁焊条 堆焊焊条 镍和镍合金焊条 铜和铜合金焊条 铝和铝合金焊条 按按熔渣性质分： 酸性焊条（SiO2、MnO等） 碱性焊条（CaO、FeO等） 2.3焊条的型号： 碳钢焊条 (GB5117-85): E 4 3 0 3 , E 5 0 1 5 , E 5 0 1 6 . 药皮类型（酸、碱），电流种类 焊接位置（平、横、立、仰） 抗拉强度 ≥ 430 MPa 焊条 3、碱性焊条和酸性焊条的特性 碱性焊条： 机械性能好（韧性高，抗裂性好）； 焊接工艺性能差；（用直流电） 对油污、锈、水敏感性大；（清洗、烘干） 排出有毒烟尘 H F 。（通风良好） 酸性焊条与碱性焊条相反 4、焊条的选用 选用原则： 焊缝和母材具有相同水平的使用性能。 不绣钢、耐热钢焊条——按相同成分选择焊条 结构钢焊条——按等强原则选相同强度等级焊条 例：16 Mn ,抗拉强度520 Mpa , 可选用E5003 (J502), E5015 (J507), E5016 (J506) 二、焊接接头的组织和性能 1、低碳钢焊接接头的组成 低碳钢焊接接头的组织 1——焊缝区（熔化区） 2——熔合区（半熔化区） 3——热影响区 4——母材 焊缝的组织和性能 铸态组织，性能可以达到要求。 熔合区的组织和性能 成分不均匀，组织粗大，机械性能很低。 热影响区的组织和性能 过热区（1100 ℃ ）组织粗大，机械性能很低, 正火区（Ac3～1100℃）晶粒细小，机械性能高， 部分相变区（Ac1～Ac3）晶粒不均匀，机械性能低。 可见，熔合区、过热区是接头中性能最差的薄弱的部位，会严重影响焊接接头的质量。 三、焊接变形和焊接应力 1、焊接变形和残余应力的不利影响 造成焊件的尺寸、形状变化； 矫正变形会使性能降低，成本增加； 焊接应力会降低承载能力； 引起焊接裂纹； 应力衰减会产生变形。 2、焊接变形和残余应力产生原因 在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热，会产生焊接应力和变形。下图为平板对接焊缝的应力和变形过程示意图 3、焊接变形的基本形式 4、减少焊接应力与变形的工艺措施 焊前预热及焊后热处理； 选择合理的焊接次序； 刚性固定法； 反变形法； 锤击焊缝法； 采用机械矫正和火焰矫正。 焊接顺序 刚性固定法反变形 机械矫正与火焰矫正 第三节 常用焊接方法 一、手工电弧焊 1、焊接电弧 电弧——气体电离、电极发射电子 电弧的温度： 阴极区 2100 ℃， 弧柱 5700~7700 ℃， 阳极区 2300 ℃ 电弧区热量： 阳极占43%, 阴极区占36%, 弧柱区占21%。 正接法: 工件接正极, 焊条接负极 2、焊接过程 (1)电弧在焊条与被焊件之间 燃烧, 电弧热使工件和焊条同时熔化成熔池； (2) 电弧使焊条的药皮熔化或燃烧,产生熔渣和 气体,对熔化金属和熔池起保护作用； (3) 电弧使焊条的药皮熔化或燃烧,产生熔渣和 气体,对熔化金属和熔池起保护作用； 3、手工电弧焊的特点 手工电弧焊有何特点？使用哪种设备？ 优点：设备简单，操作灵活，适应性强。 缺点：生产效率低，劳动强度大，质量不易保证。 电焊机： 直流电焊机：引弧容易，电弧稳定，焊接质量好 交流电焊机：结构简单，使用可靠，维修方便 二、埋弧自动焊 1. 埋弧自动焊的焊接过程 自动焊——焊接动作由机械装置自动完成。 埋弧焊——电弧在颗粒状焊剂层下燃烧进行焊接。 2. 埋弧自动焊的特点与应用 特点： 生产效率高 （比手弧焊提高5～10倍） 焊接质量好 （ 焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观） 成本低 （省工、省时、省料） 劳动条件好 （无弧光,、飞溅, 劳动强度低） 适应性差 （平焊、长直焊缝和较大直径的环缝） 焊接设备复杂，焊前准备工作严格 应用： 成批生产、中厚板结构的长直焊缝和较大直径的环缝，如锅炉、压力容器、船舶等。 三、气体保护焊 保护气体： 氩气→氩弧焊 CO2→CO2气体保护焊 1、氩弧焊及其特点 ( 钨极氩弧焊 钨极熔点高，发射电子能力强 直流正接：钨极烧损小。 直流反接：钨极烧损大，电弧不稳，但有“阴极破碎”作用（焊铝时有利）。 应用： 焊接电流不能过大，只能焊4mm以下的薄板； 焊接钢材板：直流正接法； 焊铝、镁合金：直流反接法或交流电源。 ( 熔化极氩弧焊 1) 以连续送进的金属丝做电极并填充焊缝； 2) 焊接电流较大,生产效率高，适用焊接较厚的焊件；（板厚为8~25mm） 3) 采用直流反接，电弧稳定，焊铝时有“阴极破碎”作用； 4) 可采用自动焊或半自动焊。 ( 氩弧焊特点 1) 保护效果好，电弧稳定，焊接质量好； 2) 电弧热量集中，热影响区小，焊后变形小； 3) 可全方位焊接，便于观察、易于自动控制； 4) 氩气成本高，一般情况下不采用。 应用： 用于焊接易氧化的有色金属、合金钢和不锈钢。 2、CO2气体保护焊 焊接过程 电弧CO2 → CO + O 使金属氧化，合金元素烧损， 不能焊接有色金属和合金钢。 应用： 用于低碳钢、低合金钢薄板的焊接。 必须采用含脱氧剂的焊丝H08Mn2SiA，直流反接。 特点： 1）成本低 （为埋弧焊和手弧焊的40%～50%） 2）效率高 （电流密度大，熔深大，焊接速度快） 3）焊接质量好 （有气流冷却，热影响区小，变形小） 4）采用气体保护，能全位置焊接 5）焊缝成形差，飞溅大 6）设备使用维修不方便 四、电渣焊 1. 电渣焊工艺过程 2. 电渣焊的特点 生产率高（板厚> 40mm的焊接一次焊成） 焊缝缺陷少,焊接质量好 （不易产生气孔、夹渣和裂纹） 成本低（省电和省熔剂） 焊件需正火热处理(热影响区较大,组织粗大) 五、电阻焊 是利用焊件接触面的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，在压力下形成接头的焊接方法。 电阻焊分为：点焊、缝焊、对焊。 电阻焊特点 焊接电压低，电流大，生产率高； 不需要填充金属，焊接变形小； 劳动条件好，操作简单，易于实现自动化生产； 焊接设备复杂，投资大； 适用于大批量生产； 对焊件厚度和接头形式有一定限制。 1、点焊 点焊过程：加压→ 通电 → 断电 → 去除压力 形成熔核 凝固 防止分流： 点焊接头形式： 点焊主要适用于薄板冲压结构和钢筋构件。 2、缝焊 缝焊：与点焊相同，只是采用滚轮做电极，边焊边滚。 特点：焊点互相重叠，分流现象严重。焊件厚度≤3mm。 应用：有密封要求的薄壁结构， 3、对焊 电阻对焊： 端面加工要求高，质量不易保证。 闪光对焊： 对端面加工要求低，质量较高，用于重要 零件的焊接。 应用： 杆状零件的对接，如刀具、管子、钢轨、钢筋、异种金属。 （端面形状尺寸要相同或相近） 六、钎焊 是利用低熔点的钎料作填充金属， 加热熔化后渗入固态焊件间的间隙内，将焊件连接起来的焊接方法。 焊前准备： 接头形式： 清洗表面； 搭接装配； 放置钎料。 1、焊接过程 将工件和钎料适当加热（烙铁、火焰、炉子、电阻、高频加热）； 钎料熔化，借助毛细管的作用被吸入和充满间隙； 被焊金属和钎料在间隙内相互扩散； 凝固后，形成钎焊接头。 2、钎焊分类 种类特点 软钎焊 （锡、铅钎料） 硬钎焊 （铜基、银基钎料）  钎料熔点 ≤ 450℃ ＞ 450℃  性能特点 接头强度 ≤100Mpa 工作温度较低 接头强度 ＞200Mpa 工作温度较高  应用 用于受力不大的仪表、导电元件的焊接。 用于受力较大的构件、刀具、工具的焊接。   3、钎焊特点 1）加热温度低，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确； 2）钎焊接头强度低； 3）可焊接性能差异很大的异种金属, 对工件厚度无限制； 4）可整体加热，同时钎焊由多条焊缝组成的复杂形状构件，生产率高； 5）钎焊设备简单，生产投资费用少。 第四节 常用金属材料的焊接 一、金属材料的焊接性 1、金属材料焊接性的概念 金属焊接性： 是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 焊接性衡量指标： 形成焊接缺陷的敏感性（裂纹） 使用性能（机械性能） 影响焊接性的因素： 金属材料本身性质 焊接方法、焊接材料、焊接工艺 2、钢的焊接性评价方法——碳当量 碳、合金元素含量 → 焊接性 碳当量： 碳钢及低合金钢：CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+ V) /5+ (Ni+Cu)/15 CE ＜0.4%时，冷裂纹倾向不明显, 焊接性良好； CE ＝0.4%～0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差； CE ＞0.6%时，冷裂倾向很强, 焊接性很差。 碳当量越高，焊接性越差 二、碳素钢和普低钢的焊接 焊接裂纹产生？ 内部条件：碳当量CE 外部条件：环境温度 1、碳钢的焊接 低碳钢：CE ＜0.4% ，焊接性良好。各种焊接方法都能获得优质焊接接头。 中碳钢：CE ＞0.4%，冷裂倾向很强，焊接性较差。 焊前预热150℃～250℃，焊后缓冷， 采用细E5015焊条、小电流、开坡口、多层多道焊，降低焊缝的含碳量。 2、低合金结构钢的焊接 焊接方法: a.一般用手工电弧焊、埋弧自动焊 b.板厚＞ 40mm时，用电渣焊 c.批量大时，用CO2气体保护焊 16Mn的焊接 CE= 0.4%焊接性良好，不需预热 板厚＞ 32～38mm 环境温度低时，需预热 重要结构（锅炉、压力容器）焊后应消除应力退火 三、不锈钢的焊接 不锈钢的种类: 马氏体不锈钢（Cr13型） 奥氏体不锈钢（Cr18Ni9型） 铁素体不锈钢（Cr17型） 马氏体不锈钢： 焊接性较差（冷裂纹和淬硬脆化）→焊前预热，焊后缓冷及热处理， 采用奥氏体不锈钢焊条。 奥氏体不锈钢： 焊接性良好 铁素体不锈钢： 焊接性较差（过热晶粒引起脆化和裂纹）→低温预热 （ ＜ 150 ℃ ＝减少高温停留时间） 四、铸铁的焊补 铸铁的焊接性 铸铁碳含量高，杂质多，塑性差，故焊接性差。 铸铁焊补的问题： 易产生白口组织和淬火组织； 铸铁强度低、塑性差，易产生裂纹； 铸铁碳、硅含量高，易产生气孔和夹渣缺陷； 铸铁的焊补： 热焊、冷焊 1、热焊 热焊—— 铸件预热到600～700℃进行焊接，焊后缓冷。 焊接方法： 气焊、手工电弧焊（铸铁焊条） 特点：焊补质量好，成本高，劳动条件差，生产率低 应用：中等厚度铸件及焊后要加工的复杂、重要的铸件, 如：内燃机缸盖、气缸体、机床床身等。 2、冷焊 冷焊 —— 铸件一般不预热或较低温度预热。 特点：依靠焊条来调整焊缝的化学成分，以防止白口组织和裂纹。 应用： 镍基焊条→补焊质量好，成本高。 用于重要铸铁件加工表面焊补 结构钢焊条→焊补质量低，用于非加工表面，（采用小直径、小电流、短弧） 五、铝及铝合金的焊接 分类： 工业纯铝 焊接性好 不能热处理强化铝合金 热处理强化铝合金——焊接性差（接头软化热裂纹） 问题： 氧化：形成Al2O3，阻碍融合 气孔：铝液大量溶解氢气，结晶时形成气孔 焊接方法：电阻焊、钎焊、氩弧焊（保护效果好，有“阴极破碎”作用） 第五节 焊接结构工艺性 一、焊接结构材料的选用 焊接结构选材原则： 在满足焊接件使用性能的前提下，应尽量选用焊接性好的材料。如低碳钢、低合金钢。 影响焊接性的因素： 金属材料本身性质 焊接方法、焊接材料、焊接工艺 常用金属材料的焊接性方法 材料 气焊 手工 电弧焊 埋弧焊 CO2 保护焊 氩弧焊 电渣焊 点焊 缝焊 对焊 钎焊  低碳钢 A A A A A A A A A  中碳钢 A A B B A A B A A  低合金钢 B A A A A A A A A  不锈钢 A A B B A B A A A  铸铁 B B C C B B  D B  铝合金 B C C D A D A A C   二、焊缝的布置 1、便于焊接操作 2、焊缝要避开应力较大和应力集中部位 3、焊缝应避免密集交叉4、焊缝设置应尽量对称（最好能同时施焊） 5、尽量减少焊缝长度和焊缝截面（减少变形、成本，提高生产率） 6、焊缝应尽量设置在平焊位置 7、焊缝应避开加工部位 三、接头设计 1、接头形式设计 接头基本形式：对接接头、搭接接头、角接接头、T形接头 对接接头 受力简单、均匀，节省材料；下料尺寸精度要求较高； 用于锅炉、压力容器受力焊缝的焊接。 搭接接头 受力复杂，接头产生附加弯矩；下料尺寸精度要求低； 应用于受力不大的行架结构。 角接接头、T形接头 用于构成直角或一定角度连接的接头。 2、坡口形式设计 对接接头、搭接接头、角接接头、T形接头 四、典型工艺设计实例 结构名称：液化气钢瓶 组 成：瓶体、瓶嘴 材 料：20钢（或16Mn） 壁 厚：3mm 生产类型：大量生产 设计要点：瓶体要耐压，必须绝对安全。 材料的焊接性不存在问题。 关键技术是结构的成形和焊接。 1、确定焊缝位置 a)焊缝多，工作量大，轴向焊缝处于拉应力最高位置 b)合理 2、焊接接头设计 瓶体与瓶嘴的焊缝：角焊缝（不开坡口） 瓶体主环缝：衬环对接或缩口对接（V型坡口） 3、焊接方法和焊接材料的选择 瓶体环缝：埋弧自动焊（生产率高、焊接质量稳定） 焊接材料采用H08A、H08MnA,配合HJ431 瓶嘴焊缝：手工电弧焊 焊条采用E4303(20钢)，E5015(16Mn) 4、主要工艺过程 落料 → 拉深 → 再结晶退火 → 冲孔 → 除锈 → 装焊衬环、瓶嘴→ 装配上、下封头 → 焊主环缝 → 正火 → 水压试验 → 气密试验 5、瓶体焊接结构工艺图 焊接结构工艺图内容： 构成件的形状及其相互关系； 各构成件的装配尺寸及板厚、型材规格； 焊缝的符号和尺寸； 焊接工艺的要求。