焊接知识工艺Word下载.docx

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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

≤0.030

重要焊接结构及埋弧焊焊丝

H08E

≤0.20.

≤0.025

H08Mn2Si

≤0.11

1.7～2.1

0.65～0.95

二氧化碳气体保护焊焊丝

H08Mn2SiA

1.80～2.10

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

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

五

堆焊焊条

D（堆）

GB984-85

ED

六

铸铁焊条

Z（铸）

GB10044-88

EZ

七

镍及镍合金焊条

Ni（镍）

—

八

铜及铜合金焊条

T（铜）

GB3670-83

TCu

九

铝及铝合金焊条

L（铝）

GB3669-83

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

交流/直流反接

直流

反接

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，则应选择抗裂性较好的碱性焊条。

（4）考虑焊接设备条件如果没有直流焊机，则只能选择交直流两用的焊条。

在确定了焊条牌号后，还应根据焊接件厚度、焊接位置等条件选择焊条直径。

一般是焊接件愈厚，焊条直径应愈大。

二、焊接接头的组织和性能

焊接接头由焊缝金属、熔合区和焊接热影响区组成。

（一）焊缝金属的组织和性能

焊缝金属是由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而成的。

焊缝金属在结晶时，是以熔池和母材金属的交界处的半熔化金属晶粒为晶核，沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶，最后这些柱状晶在焊缝中心相接触而停止生长。

由于焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。

但由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用，使焊缝化学成分优于母材，所以焊缝金属的力学性能一般不低于母材。

（二）熔合区和热影响区的组织和性能

热影响区：

焊接过程中，焊缝金属熔化，靠近焊缝金属的母材发生组织和性能的变化，这一区域称为焊接热影响区。

焊缝与热影响区的的过渡区称熔合区，也称半熔化区。

现以低碳钢为例，根据焊接接头的温度分布曲线，讨论熔合区与热影响区的组织性能变化，其中，热影响区按加热温度的不同,可划分为过热区、正火区、不完全重结晶区等区域，如图3-2所示。

图3-2 

低碳钢焊接接头温度分布与组织变化

1－熔合区 

2－过热区 

3－正火区 

4－不完全重结晶区 

5－再结晶区

（1）熔合区温度处于液相线与固相线之间，是焊缝金属到母材金属的过渡区域，宽度只有0.1～0.4mm。

焊接时，该区内液态金属与未熔化的母材金属共存，冷却后，其组织为部分铸态组织和部分过热组织，化学成分和组织极不均匀，是焊接接头中力学性能最差的薄弱部位。

（2）过热区温度在固相线至1100℃之间，宽度约1～3mm。

焊接时，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降。

（3）正火区温度在1100℃～Ac3之间，宽度约1.2～4.0mm。

焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，力学性能优于母材。

（4）不完全重结晶区也称部分正火区，加热温度在Ac3～Ac1之间。

焊接时，只有部分组织转变为奥氏体；

冷却后获得细小的铁素体和珠光体，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。

（5）再结晶区温度在Ac1～450℃之间。

只有焊接前经过冷塑性变形（如冷轧、冷冲压等）的母材金属，才会在焊接过程中出现再结晶现象。

该区域金属的力学性能变化不大，只是塑性有所增加。

如果焊前未经冷塑性变形，则热影响区中就没有再结晶区。

一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。

影响热影响区宽度的因素有加热的最高温度、相变温度以上的停留时间等。

如果焊件大小、厚度、材料、接头形式一定时，焊接方法的影响也是很大的，表3-4将电弧焊与其它熔焊方法的热影响区作了比较。

表3-4焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸（mm）

焊接方法

各区平均尺寸

总宽度

过热区

正火区

部分正火区

手工电弧焊

埋弧焊

电渣焊

气焊

电子束焊

2.2～3.0

0.8～1.2

18～20

21

1.5～2.5

0.8～1.7

5.0～7.0

4.0

0.7～1.0

2.0～3.0

2.0

5.9～8.5

2.3～3.9

25～30

27

0.05～0.75

（三）改善焊接接头组织和性能的措施

由于按等强度原则选择焊条，所以焊缝金属的强度一般不低于母材，其韧度也接近母材，只有塑性略有降低，而焊接接头上塑性和韧度最低的区域在熔合区和过热区，这主要是由于粗大的过热组织所造成的；

又由于在这两个区域，拉应力最大，所以它们是焊接接头中最薄弱的部位，往往成为裂纹发源地。

改善焊接接头组织和性能的主要措施：

（1）尽量选择低碳且硫、磷含量低的钢材作为焊接结构材料。

（2）使热影响区的冷却速度适当。

对于低碳钢，采用细焊丝、小电流、高焊速，可提高接头韧度，减轻接头脆化；

对于易淬硬钢，在不出现硬脆马氏体的前提下适当提高冷却速度，可以细化晶粒，有利于改善接头性能。

（3）采用多层焊，利用后层对前层的回火作用，使前层的组织和性能得到改善。

（4）进行焊后热处理。

焊后进行退火或正火处理可以细化晶粒，改善焊接接头的力学性能。

三、焊接应力与变形

焊接应力和变形的存在会降低结构的使用性能，引起结构形状和尺寸的改变，影响结构精度，甚至会引起焊接裂纹，造成事故，还会影响到焊后机械加工的精度。

减小焊接应力和变形，可以改善焊接质量，大大提高焊接结构的承载能力。

（一）焊接应力和变形产生的原因

原因：

焊接过程中对焊件的不均匀加热和冷却。

下焊接应力和变形的形成过程，如图3-3所示。

图3-3　低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成

（a）焊接中 

（b）冷却后

如图3-3a所示，图中虚线表示接头横截面的温度分布，也表示金属若能自由膨胀的伸长量分布。

实际上接头是个整体，无法进行自由膨胀，平板只能在宽度方向上整体伸长Δl，造成焊缝及邻近区域的伸长受到远离焊缝区域的限制而产生压应力，而远离焊缝区的部位则产生拉应力，当焊缝及邻近区域的压应力超过材料的屈服点时，便会产生压缩的塑性变形，塑性变形量为图3-3a中虚线包围的空白部分。

焊后冷却时，金属若能自由收缩，由于焊缝及邻近区域高温时已产生的压缩塑性变形会保留下来，不能再恢复，故会缩至图3-3b中的虚线位置，两侧则恢复到焊接前的原长，但这种自由收缩同样无法实现，由于整体作用，平板的端面将共同缩短至比原始长度短Δl＇的位置，这样焊缝及邻近区域受拉应力作用，而其两侧受到压应力作用。

平板对焊后的应力：

焊缝区产生拉应力，两侧产生压应力，平板整体缩短了Δl＇。

这种室温下保留在结构中的焊接应力和变形，称为焊接残余应力和变形。

焊接应力和变形是同时存在的，当母材塑性较好且结构刚度较小时，则焊接结构在焊接应力的作用下会产生较大的变形而残余应力较小；

反之则变形较小而残余应力较大。

在焊接结构内部拉应力和压应力总是保持平衡的，当平衡被破坏时（如车削加工），则结构内部的应力会重新分布，变形的情况也会发生变化，使得预想的加工精度不能实现。

焊接变形的本质是焊缝区的压缩塑性变形，而焊件因焊接接头型式、焊接位置、钢板厚度、装配焊接顺序等因素的不同，会产生各种不同形式的变形。

常见焊接变形的基本形式大致上有五种，参见表3-5。

表3-5常见焊接变形的基本形式

变形形式

示意图

产生原因

收缩变形

由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起

角变形

由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起

弯曲变形

T形梁焊接时，焊缝布置不对称，由焊缝纵向收缩引起

扭曲变形

工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭曲

波浪变形

薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起

（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施

1．焊前预热预热的目的是减小焊件上各部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，从而减小焊接应力和变形,预热温度一般为400℃以下。

2．选择合理的焊接顺序

1）尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。

图3-4为一大型容器底板的焊接顺序,若先焊纵横向焊缝3，再焊横向焊缝1和2，则焊缝1和2在横向和纵向的收缩都会受到阻碍，焊接应力增大，焊缝交叉处和焊缝上都极易产生裂纹。

图3-4大型容器底板的拼焊顺序

2）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形，如图3-5、图3-6所示。

图3-5分散对称的焊接顺序

图3-6长焊缝的分段焊

a）退焊b）跳焊

3.加热减应区铸铁补焊时，在补焊前可对铸件上的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力。

被加热的部位称为减应区，这种方法叫做加热减应区法，如图3-7所示。

利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。

图3-7加热减应区法

a）焊接时b）冷却时

4．反变形法焊接前预测焊接变形量和变形方向，在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到抵消焊接变形的目的，如图3-8所示。

图3-8反变形法

5．刚性固定法利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形，如图3-9所示。

该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。

图3-9刚性固定法

对于一些大型的或结构较为复杂的焊件，也可以先组装后焊接，即先将焊件用点焊或分段焊定位后，再进行焊接。

这样可以利用焊件整体结构之间的相互约束来减小焊接变形。

但这样做也会产生较大的焊接应力。

（三）消除焊接应力和矫正焊接变形的方法

1．消除焊接应力的方法

（1）锤击焊缝焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。

（2）焊后热处理焊后对焊件进行去应力退火，对于消除焊接应力具有良好效果。

碳钢或低合金结构钢焊件整体加热到580℃～680℃，保温一定时间后，空冷或随炉冷却，一般可消除80%～90%的残余应力。

对于大型焊件，可采用局部高温退火来降低应力峰值。

（3）机械拉伸法对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑性拉伸，可以使残余应力降低。

例如，压力容器在进行水压试验时，将试验压力加到工作压力的1.2～1.5倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。

2．矫正焊接变形的措施常用的矫正方法有：

（1）机械矫正利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形，如图3-10所示。

这种方法适用于塑性较好、厚度不大的焊件。

图3-10工字梁弯曲变形的机械矫正

（2）火焰矫正利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形。

这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢。

火焰矫正一般采用气焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰加热的位置和加热温度。

加热温度范围通常在600℃～800℃。

图3-11为T形梁上拱变形的火焰矫正方法。

图3-11T形梁变形的火焰矫正

四、常用电弧焊方法

（一）手工电弧焊

手工电弧焊：

焊工手工操作焊条进行焊接的电弧焊。

特点：

设备简单，应用灵活方便，可以进行各种位置及各种不规则焊缝的焊接；

焊条系列完整，可以焊接大多数常用金属材料；

焊条载流能力有限（电流为20～500A），焊接厚度一般在3～20mm之间，生产率较低，焊接质量很大程度上取决于焊工的操作技能；

焊工需要在高温、尘雾环境下工作，劳动条件差，强度大；

手工电弧焊不适合焊接一些活泼金属、难熔金属及低熔点金属。

工艺参数：

主要包括焊条牌号和直径、电流（电源）种类和极性、焊接电流大小、焊接层（道）次等。

（二）埋弧自动焊

埋弧焊：

电弧埋在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称埋弧焊，如其引弧、焊丝送进、移动电弧、收弧等动作由机械自动完成，则为自动焊。

图3-12埋弧自动焊示意图

1-焊接小车2-控制盘3-焊丝盘4-焊剂漏斗5-焊接机头6-焊剂7-渣壳

8-焊缝9-焊接电缆10-焊接电源11-控制箱

1.埋弧自动焊的焊接过程如图3-12所示，埋弧自动焊时，焊剂从焊剂漏斗中流出，均匀堆敷在焊件表面，焊丝由送丝机构自动送进，经导电嘴进入电弧区，焊接电源分别接在导电嘴和焊件上以产生电弧，焊剂漏斗、送丝机构及控制盘等通常都装在一台电动小车上可以按