2004 金工教研室,机械制造基础,机械制造基础,金工教研室 制造科学与工程学院 2005年春季学期,第四讲：焊接工艺常识, 2004 金工教研室,机械制造基础,第四讲：焊接工艺常识,焊接工艺 永久性连接 起源于一次世界大战后（凡尔赛公约） 现代工业的基础工艺 造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车 基本焊接方法 电弧焊：属于熔化焊 其他焊接方法：压力焊、钎焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,本讲内容,一、电弧焊工艺常识 二、焊条电弧焊 三、特种焊接工艺方法 四、金属材料的焊接性 五、焊接结构设计 六、连接技术, 2004 金工教研室,机械制造基础,一、电弧焊工艺常识,1、焊接电弧 气体介质中导电现象, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊接电弧的热量,热量来源于 阳极43 阴极36 弧柱21 热量扩散 6585 加热熔化金属 其余 散失在电弧周围 飞溅的金属液, 2004 金工教研室,机械制造基础,2、正接和反接,温度： 阳极：2600K 阴极：2400K 电弧中心：6000K 8000K 直流焊接 正接法：工件温度高 反接法 交流焊接：两极温度均为2500K 引弧电压：5090V 电弧电压：1635V, 2004 金工教研室,机械制造基础,3、焊接接头的组织与性能,焊接工件上温度的变化与分布, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊接接头组织,低碳钢,焊缝,焊接热影响区, 2004 金工教研室,机械制造基础,4、焊缝,从熔池底向中心凝固 各个方向凝固速度不同 柱状铸态组织 铁素体少量珠光体 杂质集中在焊缝中心，影响焊缝质量, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊缝的热影响区,1融合区 0.11mm，关键 2过热区 脆性比融合区更大 3正火区 力学性能优于母材 4部分相变区 比正火区稍差 不同焊接方法热影响区宽度不同 焊后正火改善接头性能, 2004 金工教研室,机械制造基础,5、焊接应力与变形,极不平衡的热循环过程 应力分布规律 先冷受压，后冷受拉, 2004 金工教研室,机械制造基础,消除焊接应力,提高母材塑性 避免焊缝交叉 避免焊缝过宽过长 合理焊接顺序 先焊短焊缝 后焊长焊缝 预热焊件、振动焊缝 焊后退火, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊接变形,收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形, 2004 金工教研室,机械制造基础,防止焊接变形,减小焊接应力 提高结构刚度 对称焊缝分布 焊前反变形, 2004 金工教研室,机械制造基础,防止焊接变形,合理焊接操作 平衡温度分布 利用变形, 2004 金工教研室,机械制造基础,防止焊接变形,焊后校正, 2004 金工教研室,机械制造基础,二、焊条电弧焊,焊条电弧焊过程 药皮燃烧： 电弧周围气体：CO2、CO、H2 熔池中熔渣，冷却形成渣壳 保护熔池中的熔化金属, 2004 金工教研室,机械制造基础,1、电焊条,焊芯 导电和填充焊缝 焊接用钢丝 低碳钢、合金结构钢、不锈钢 药皮 焊接过程顺利进行 焊缝化学成分、力学性能, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊条药皮,作用 提高电弧燃烧的稳定性 防止空气对熔化金属的有害作用 对熔池脱氧、加入合金元素 保证焊缝金属的化学成分和力学性能 稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、稀渣、粘接, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊条药皮的作用, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊条种类,按化学成分分成七大类 碳钢、低合金钢、不锈钢、堆焊、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金 焊条型号 E4303： E碳钢焊条 43：焊缝抗拉43 kgf/mm2 0：(0/1)全位置焊接、(2)平焊、(4)向下立焊 03：3、4为组合表示焊接电流种类和药皮类型，03为钛钙型药皮、交流或直流, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊条种类,焊条牌号 J422、J507 J：结构钢焊条（奥氏体不锈钢A、铸铁Z） 42：抗拉强度等级MPa（50、55、60、70、80） 2：药皮和电流种类, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊条种类,按熔渣性质 酸性焊条 酸性氧化物比碱性氧化物多 适合各种电源、易操作、电弧稳定、成本低 焊缝塑性韧性差、不宜用于重要构件 碱性焊条 焊缝塑性韧性好、抗冲击能力强 要求直流电源、操作性差、电弧不够稳定、价格高，适于重要构件, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊条选用原则,选择依据：根据焊件 化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀耐高温性能 结构形状、受力情况、焊接设备条件 低碳钢和低合金钢构件：根据强度（两构件强度较低者为准） 酸性/碱性：根据重要性 铸铁：碱性焊条和适当工艺（预热） 不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条, 2004 金工教研室,机械制造基础,2、埋弧焊,埋弧焊演示, 2004 金工教研室,机械制造基础,埋弧焊特点,大电流（1000A）、生产率高 焊接质量高且稳定 节约金属 热量集中、可无坡口、无焊条头、飞溅少 改善劳动条件 无弧光、烟雾 自动化程度高 工艺装备复杂，适合批量生产, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊丝与焊剂,焊丝焊剂决定焊缝化学成分、力学性能 熔炼焊剂、陶质焊剂, 2004 金工教研室,机械制造基础,埋弧焊工艺,仔细下料、准备（清理）坡口、装配 引弧板与引出板焊后去掉, 2004 金工教研室,机械制造基础,防止烧穿焊剂垫、垫板, 2004 金工教研室,机械制造基础,环缝焊接, 2004 金工教研室,机械制造基础,3、气体保护焊氩弧焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,气体保护焊CO2保护焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,4、等离子弧焊接与切割,电弧压缩 机械压缩 热压缩 电磁收缩 中心区域温度极高 16000K 焊接/切割熔点很高的金属 不锈钢 钛、钨, 2004 金工教研室,机械制造基础,5、焊接自动化,数控轨迹控制 焊接质量监控, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊接机器人,焊接机器人演示, 2004 金工教研室,机械制造基础,用电弧焊焊接钢板的问题,如图拼焊一张大钢板 焊缝布置合理吗？ 如何改进？ 对称，错开 如何合理安排焊缝顺序？ 先短后长, 2004 金工教研室,机械制造基础,三、特种焊接工艺方法,简略了解其它焊接方法 电阻焊、摩擦焊、钎焊、电渣焊 真空电子束焊接、激光焊接 讨论 可以用于焊接的能源形式, 2004 金工教研室,机械制造基础,1、电阻焊,电阻热 Q=I2Rt 特点 生产率高、焊接变形小 操作简便、易实现自动（汽车外壳焊接） 设备复杂、耗电量大 接头形式、工件厚度受到限制 点焊、缝焊、对焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,点焊,局部高温焊合 分流现象 焊点的分布最小距离限制, 2004 金工教研室,机械制造基础,点焊的接头形式,硬规范 软规范 电极压力 表面清洗 接头形式, 2004 金工教研室,机械制造基础,缝焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,对焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,对焊接头形式, 2004 金工教研室,机械制造基础,讨论这个问题,铜及铜合金可以采用电阻焊吗？, 2004 金工教研室,机械制造基础,2、摩擦焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,摩擦焊的接头形式, 2004 金工教研室,机械制造基础,3、钎焊,焊接过程示意图毛细管作用, 2004 金工教研室,机械制造基础,钎焊,硬钎焊 450以上、接头强度200MPa以上 自行车架、工具、刀具 软钎焊 450以下、接头强度70MPa以下 仪表、导电元件、各种低载荷构件 加热方式 烙铁、火焰、电阻、感应, 2004 金工教研室,机械制造基础,钎焊的常见接头形式, 2004 金工教研室,机械制造基础,钎焊接头的比较, 2004 金工教研室,机械制造基础,4、电渣焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,5、真空电子束焊接, 2004 金工教研室,机械制造基础,6、激光焊接, 2004 金工教研室,机械制造基础,题外话：关于铝热剂,什么是铝热剂 通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂 用某些金属氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替氧化铁也可以做铝热剂 有什么特性 难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放出大量热 有什么用？, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊接钢轨,原理 铝热反应公式示例：使用铝粉可还原氧化铁 Fe2O3 + 2 Al = 2Fe + Al2O3 还原反应产生大量的热能，无需外部的能源，就能熔化金属，可以用来焊接钢轨 优点 这些原料完全彻底地和合金元素混合在一起形成铝热剂，它可以组成与钢轨化学、冶金、和机械方面相匹配的焊接接头, 2004 金工教研室,机械制造基础,焊接钢轨,过程 铝热剂被投入到一个耐火坩埚中，用点火器点燃，开始铝热反应。 反应结束后，液态钢自动从坩埚底部释放到耐火模具，从而连接钢轨的两端。 模具带有几何形状特征，能控制铸造和固化的过程。 当铝热钢冷却下来后，进行进一步的热处理来提高它的机械特性。, 2004 金工教研室,机械制造基础,铝热焊设备, 2004 金工教研室,机械制造基础,其它用途,冶炼难熔金属 军事用途 在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分，可极大地提高杀伤力。 在前苏联科学家编写的火箭炮一书中，谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分。 在中国人民革命军事博物馆里，展品中就有美军的钢盔、卡宾枪、被烧熔在一起，除了火箭弹以外，其它炸弹没有如此大的能量。, 2004 金工教研室,机械制造基础,选择焊接方法,自行车车架 钢窗 家用液化气罐主缝 自行车圈 电子线路板 锅炉壳体 钢轨对接 不锈钢储罐,硬钎焊（盐浴） 硬钎焊、对焊、电弧焊 缝焊 缝焊外边、闪光对焊 软钎焊 埋弧焊、电渣焊 闪光对焊、铝热焊 等离子弧焊接、氩弧焊, 2004 金工教研室,机械制造基础,四、金属材料的焊接性,焊接性概念 设定相同（焊接方法、材料、参数、结构） 易焊、难焊：获得优质焊接接头的难易程度 焊接性并非一定 焊接方法、焊接材料、焊接工艺 评定方法 工艺焊接性：出现工艺缺陷的倾向 使用焊接性：使用中的可靠性（力学、特殊性能要求）, 2004 金工教研室,机械制造基础,钢材焊接性的估算,碳当量计算公式 计算结果 0.6% ：焊接性不好, 2004 金工教研室,机械制造基础,小型抗裂实验法, 2004 金工教研室,机械制造基础,碳钢焊接,低碳钢（C% 应力、变形开裂 焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊电阻焊 保证焊接接头与母材等强度 焊条：E4313(J421) E4303(J422) E4315(J427)等 埋弧焊丝/焊剂：H08A(H08MnA) / 431, 2004 金工教研室,机械制造基础,碳钢焊接,中碳钢：C% （0.25% 0.6%） 焊接性变差、淬硬倾向变大 工艺特点： 容易开裂：冷裂纹、热裂纹 必须预热，减小工件各个部分的温差 细焊条、小电流、开坡口多层焊接 焊条电弧焊、电渣焊（厚件） 选择抗裂能力较强的低氢型焊条、等强度 焊条：E5016(J506)、 E6015D1(J607), 2004 金工教研室,机械制造基础,合金钢焊接,合金结构钢焊接件较少 工艺与中碳钢近似 低合金结构钢焊接工艺特点 热影响区的淬硬倾向：合金含量大小 焊接接头的裂纹倾向： 冷裂纹倾向大小：含氢量、淬硬程度、应力 热裂纹倾向不大（我国合金都含Mn） 强度级别决定工艺 低：同低碳钢 低温大厚度高刚度构件：大电流、慢速、低氢焊条、退火 高：焊前预热、焊后先消氢处理，再退火处理, 2004 金工教研室,机械制造基础,铸铁补焊,铸铁焊接性很差，只能进行补焊 焊接特点 焊缝易形成白口、难以切削加工 易开裂、易产生气孔 流动性好，只能进行平焊 热焊法（600700）： 防止开裂，补焊后可切削加工 冷焊法（450以下）, 2004 金工教研室,机械制造基础,非铁金属及其合金的焊接,铜及铜合金 困难 导热性太好，容易焊不透 易氧化、易开裂、易形成气孔 电阻很小，难以采用电阻焊 铜合金比纯铜更难焊接 氩弧焊（紫铜、青铜） 气焊（黄铜