任務六焊接

教學內容1.熔焊2.壓焊3.釬焊學習要求1.掌握手工電弧焊的原理和焊接方法2.理解氣體保護焊的原理3.了解膠結原理能力要求初步具有常見焊接方法的操作能力課前思考減速器軸，材料45鋼，直徑為8mm鍋爐車刀柄（50鋼）與刀片（硬質合金）銅導線機床導軌的修補焊接手工電弧焊錫焊氣體保護焊氣焊銅焊請學完本章知識點，完成以上材料和焊接方法的連線焊接接頭的組織與性能一、焊接工件上溫度的變化與分布各點處由常溫—較高溫度—常溫固態液態固態溫度變化如4-3圖二、焊接接頭組織與性能以低碳鋼為例P132圖4-4中，左圖是焊件的橫截面，右圖是鐵碳狀態圖的一部分

⒈焊縫焊縫的結晶是從熔池底壁開始向中心成長。焊縫兩側工件方向冷卻較快，故形成的柱狀的鑄態組織，由鐵素體和少量的珠光體組成，熔池中部最后結晶，低熔點的硫磷雜質和氧化鐵等易偏析物集中在焊縫中心，將影響焊縫的力學性能。由于電弧吹力和保護氣體吹動，熔池底壁柱狀晶體成長受到干擾，柱狀晶體呈傾斜狀，晶粒有所細化。由于焊接材料的滲合金作用，焊縫金屬性能可能不低于母材金屬的性能。⒉焊接熱影響區、熔合區、過熱區、正火區、部分相變區等。⑴熔合區處于液相線、固相線之間，所以也稱半熔化區。因溫度過高而成為過熱粗晶，強度、塑性和韌性都下降。此處接頭斷面變化，易引起應力集中。此區很大程度上決定著焊接接頭的性能。⑵過熱區被加熱到Ac3以上100～200°C至固相線溫度區間。奧氏體晶粒急劇長大，形成過熱組織，故塑性、韌性降低，對易淬火鋼，此區脆性更大⑶正火區被加熱到Ac1到Ac3以上100～200°C區間。在此區溫度范圍內，加熱時發生重結晶，轉變為細小的奧氏體晶粒，冷卻后為均勻而細小的鐵素體和珠光體，其力學性能優于母材。⑷部分相變區相當于加熱到Ac1～Ac3溫度區間。珠光體和部分鐵素體發生重結晶，轉變成細小奧氏體晶粒。部分鐵素體不發生相變，但晶粒有長大趨勢。冷卻后晶粒大小不均，因而其力學性能比正火區稍差。

焊接熱影響區的大小和組織、性能變化的程度，決定于焊接方法、焊接參數、接頭形式和焊后冷卻速度等因素。增加焊接速度或減少焊接電流都能減少焊接熱影響區。

焊接應力與變形焊接過程中，焊縫被加熱處于液態，相鄰的金屬加熱到很高的溫度，然后再快速冷卻下來，各點處溫度不同，冷卻速度也不相同，在熱脹冷縮和塑性變形的影響下，必將產生內應力、變形或裂紋。焊縫是靠一個移動的點熱源加熱，然后逐次冷卻下來形成的，因此應力的形成、大小和分布狀況較復雜。假定整條焊縫同時形成，則應力分布如圖4-5

焊接應力的存在將影響焊接構件的使用性能，承載能力大為降低，對于接觸腐蝕性介質的焊件，應力腐蝕現象加劇，減少使用期限。對于承受重載的重要構件、壓力容器等，焊接應力的防止和消除：①選擇塑性好的材料。②避免焊縫密集交叉，焊縫過長，截面過大。③合理的焊接次序。圖4-6a為正確。

④焊前預熱，可減小溫差，減少焊接應力較為有效。⑤采用小能量焊接方法，或焊后立即捶擊。⑥需較徹底地消除焊接應力時，焊后去應力退火。⑦采用水壓試驗或振動法消除焊接應力。焊接變形：由焊接應力引起。變形種類：圖4-7收縮變形角變形彎曲變形扭曲變形波浪變形

焊件產生變形主要由焊接應力引起的，預防焊接應力的措施對防止焊接變形有時是有效的。當對焊件的變形有較高的限定時：結構設計中應采用：對稱結構或大剛度結構、焊縫對稱分布結構。施焊中：采用反變形措施或剛性夾持方法（剛性夾持不適于淬硬性較大的鋼結構和鑄鐵件）。

焊接應力過大的嚴重后果是焊件（工件）產生裂紋，危害極大，對重要工件焊后應探傷。焊接裂紋與：焊接材料的成分（如硫、磷含量高）有關；和焊縫金屬的結晶特點（結晶區間要小）有關；含氫量的多少有關。所以焊接中應：合理選材、采取措施減少應力、選用合理的焊接工藝、焊接參數（如：采用堿性焊條、小能量焊接、預熱、合理的焊接次序等

焊條電弧焊焊條電弧焊（即手工電弧焊）適于高強度鋼、鑄鋼、鑄鐵、和非鐵合金，其焊接接頭可與工件的強度相近，是焊接生產中應用最廣泛的焊接方法。一、焊條電弧焊的焊接過程電弧在工件和焊條之間燃燒，產生高溫，電弧熱使工件、焊芯同時熔化，形成熔池。同時藥皮熔化和分解。藥皮熔化→進入熔池發生反應→形成熔渣→保護熔化金屬。藥皮分解→CO2,CO,H2等氣體→圍繞在電弧周圍→保護熔化金屬。焊縫質量有很多因數決定，如母材金屬和焊條質量、焊前的清理程度、焊時電弧的穩定情況、焊接參數、焊接操作技術、焊后冷卻速度、以及焊后熱處理等。二、電焊條⒈焊芯起導電和填充焊縫作用，直徑最小為1.6，最大為8。常用φ3.2~φ5。

⒉焊條藥皮主要作用：提高電弧穩定性；防止空氣對熔化金屬的有害作用；對溶池脫氧，加入合金元素，以保證焊縫金屬的化學成分和力學性能。⒊焊條的種類、型號和牌號焊條有七大類：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條、銅焊條、鋁焊條焊條的型號、牌號型號牌號關系東工機械零件設計手冊P682表8-39碳鋼焊條焊條型號牌號藥皮類型焊接電源焊接位置用途E4303J422鈦鈣型交流或直流全位置焊接用于較重要的低碳鋼及強度等級較低的低合金鋼，如09Mn2等。J422GM適于海上平臺、船舶、工程機械等表面裝飾焊縫的焊接。J422Fe適于較重要的低碳鋼結構焊接。E5016J506低氫鉀型交流或直流全位置焊接用于中碳鋼和低合金鋼的焊接如：16Mn，9Mn2Si。摘自GB5117-85第3、4位組合表示焊接電流種類、藥皮類型表示抗拉強度Kgf/mm2——牌號（焊接行業中焊條代號）

E4303第3位表示焊接位置表示焊條抗拉強度420MPaJ422藥皮類型、電流種類、1—5酸性、6、7堿性結構鋼焊條。例：注意：#焊條型號是國家標準中的焊條代號#焊條牌號是焊接行業的焊條代號，注意型號和牌號的對應關系#按熔渣性質，焊條可分為兩類：酸性焊條：藥皮熔渣中的酸性氧化物較多，適于各種電源，成本低，但焊縫的塑性、韌性稍差，操作性好，滲合金作用弱不宜焊接受動載荷和要求高強度的重要結構件堿性焊條：熔渣中堿性氧化物多，一般采用直流電源。焊縫塑性、韌性好，抗沖擊能力強，價格較高，操作性差，故只適于焊接重要結構件。埋弧焊一、埋弧焊的焊接過程焊絲不斷地被送絲機構送入電弧區，并保持選定的弧長。焊接時焊機移動或工件移動，焊劑從漏斗中不斷流出灑在被焊部位，電弧在焊劑下燃燒，熔化后形成熔渣覆蓋在焊縫表面。★電弧燃燒后，工件和焊絲形成較大體積的熔池，熔池金屬被電弧氣體排擠向后堆積形成焊縫。由于高溫焊劑被熔化成熔渣，與熔池金屬發生物理化學作用。部分焊劑被蒸發形成氣體，將電弧周圍熔渣排開，形成一個封閉的熔渣泡。它具有一定粘度，能承受一定壓力，保護熔池，不與空氣接觸，又防止了金屬飛濺。焊絲上沒有涂料，允許提高電流密度，電流密度增加，電弧吹力也增加，同時熱量也增加，熔池深度大，熔池體積也大。

二、埋弧焊特點P140生產率高電流大可使生產率提高；更換焊絲的時間較節約。焊接質量高而穩定電弧區保護嚴密，熔池保持液態時間較長，冶金過程進行較完善焊接參數能自動控制。節省金屬材料因熔池較大，20～25mm以下的工件可不開坡口進行焊接。改善了勞動條件看不見弧光，煙霧很少，可改善了勞動條件看不見弧光，煙霧很少，可進行自動焊接。設備費用較貴，工藝裝備較復雜。只適于焊接長的直線焊縫，較大直徑環形和縱向焊縫。厚板為主，薄板焊接受到限制。三、焊絲與焊劑埋弧焊劑可分為熔煉焊絲和陶質焊劑兩大類。熔煉焊劑又可分為高錳、中錳低錳和無錳幾種。大批大量常用熔煉焊劑。

四、埋弧焊工藝要求：下料、坡口加工要求較嚴，以保證組裝間隙均勻，焊前將焊縫兩側50~60mm內一切污垢和鐵銹除掉，以免產生氣孔。一般在平焊位置焊接。對20mm以下工件可單面焊，如有要求可雙面焊。對20mm以上工件可雙面焊，或開坡口單面焊。焊縫兩頭應加引弧板和引出板，焊后去除。氣體保護焊一、氬弧焊

★氬弧焊以氬氣作保護氣體的電弧焊，焊接質量較高。按所用的電極不同，氬弧焊可分為不熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊兩種。1.不熔化極氬弧焊：鈰鎢棒作電極，只適于厚度6mm以下工件。焊接3mm以下薄件時，常用卷邊直接焊接。焊接較厚工件時，需添加填充金屬。焊接鋼材時，多用直流正接以減少鎢極的燒損。焊接鋁、鎂及其合金時則希望用直流反接或交流電源。2.熔化極氬弧焊：以連續送進的焊絲作為電極進行焊接。此時可用較大電流焊接厚度25mm以下工件。

★對氬氣要求純度99.7％以上，焊前必須把接頭表面清理干凈。

★特點：1.適于各種合金鋼、易氧化的非鐵合金及鎬、鉬等稀有金屬。2.電弧穩定，飛濺小，表面沒有熔渣，成型美觀。3.明弧可見，易于操作，易實現全位置自動焊接。4.熱影響區窄，因而工件變形小。目前主要用于：焊接鋁、鎂、鈦及其合金，也用于焊接不銹鋼、耐熱鋼、一些重要低合金鋼。二、二氧化碳氣體保護焊★以CO2作為保護氣體的電弧焊。焊絲作電極，焊絲的送進靠送絲機構實現。★特點1.成本低CO2的價格低。2.生產率高焊絲的送進是機械化或自動化；電流密度大，電弧熱量集中，故焊接速度較快；焊后無渣殼，節約了清理時間。3.操作性能好明弧焊接，易于觀察。適于各種位置的焊接。4.質量較好焊接熱影響區較小，變形和產生裂紋的傾向小。5.飛濺較嚴重，焊縫不夠光滑，易有氣孔。主要用于30mm以下低碳鋼、部分低合金鋼焊件，尤其適宜薄板。三、對焊1.電阻對焊將兩個工件裝夾在對焊機的電機鉗口中，使兩個工件的端面接觸，并壓緊，然后通電，產生電阻熱加熱到塑性狀態，再施以較大的力，并同時斷電，使接頭在高溫下產生一定的塑性變形而焊接起來。對焊接頭較光滑，對焊前應認真清理端面，否則易發生連接不牢現象。此外，高溫端面易氧化，質量不易保證。電阻對焊一般只用于焊接截面形狀簡單，直徑或邊長小于20mm強度要求不高的工件。2.閃光對焊將兩工件稍加清理后夾在電極鉗口內，輕微接觸，因工件表面不平，使某些點接觸，通以電流，接觸點的金屬被迅速加熱熔化，甚至蒸發，液體金屬發生爆破，形成閃光，保持一定時間，迅速對焊件施加頂鍛力，并切斷電源焊件在壓力作用下產生塑性變形而焊在一起。對焊質量好，強度高，閃光火化以玷污其他設備與環境。接頭處焊后有毛刺需清理。閃光對焊常用于重要工件的焊接，可焊相同金屬，也可焊異種金屬，被焊工件小到0.01mm的金屬絲，也可焊端面大到20000mm2的金屬棒和金屬型材。焊件斷面應盡量相同，圓棒直徑、方鋼邊長和管子壁厚之差均不應超過25％。對焊主要用于刀具、管子、鋼筋、鋼軌、錨鏈等的焊接。摩擦焊摩擦焊是利用工件之間相互摩擦產生的熱量，同時加壓而進行焊接的方法。方法是對工件施以壓力并轉動工件，產生熱量，驟然停止轉動工件并加大壓力，使兩焊件產生塑性變形而焊接起來。摩擦焊接頭質量好而且穩定，可焊同種金屬，也可焊異種金屬，生產率高，電能消耗少，一次性投資大。摩擦焊廣泛用于圓形工件、棒料及管件類焊接。實心焊件的直徑為2mm～100mm，管類焊件外徑最大可達150mm。釬焊釬焊是利用熔點比焊件的釬料作為填充金屬，加熱時釬料熔化而將焊件連接起來的焊接方法。一、硬釬焊釬料熔點在450℃以上，接頭強度在200Mpa以上。釬料有銅基、銀基和鎳基等。主要用于受力較大的鋼鐵和銅合金的焊件，如自行車架、帶鋸鋸條等以及工具、刀具的焊接。二、軟釬焊釬料熔點在450℃以下，接頭強度較低，一般不超過70MPa。只用于焊接受力不大、工作溫度較低的工件。常用的釬料是錫鉛合金，所以通常稱錫焊。常用的焊劑為松香或氯化鋅溶液，加熱方法有烙鐵加熱、火焰加熱電阻加熱、感應加熱、爐內加熱等。主要用于制造精密儀表、電器部件異種金屬構件復雜薄板構件等。釬焊一般不適于鋼結構件、重載動載零件的焊接。電渣焊★電渣焊：是利用電流通過熔渣所產生的電阻熱作為熱源進行焊接的方法。電渣焊一般都是在直立位置焊接，兩個工件接頭相距25～35mm，固態溶劑熔化后形成的渣池具有較大的電阻，當電流通過時產生大量的電阻熱，使渣池溫度保持在1700～2000℃焊接時焊絲不斷被送進并被熔化，熔池和渣池逐漸上升，冷卻塊也同時配合上升，從而使立焊縫由下向上順次形成。★電渣焊通常都是在垂直位置立焊，單絲不擺動可焊厚度40~60mm，單絲擺動可焊厚度為60～150mm，三絲擺動可焊450mm工件。★特點：1)可一次焊很厚的工件；2)生產率高，成本低，工件不需要開坡口；3)焊縫金屬比較純凈，電渣焊的熔池保護嚴密，保持液態的時間較長冶金過程較完善，熔池中的氣體和雜質有充分時間浮出；4)焊接后冷卻速度較慢，焊接應力較小，相應晶粒粗大。一般要焊后熱處理，如正火處理。★另外還有真空電子束焊接，激光焊接，見p154～155常用金屬材料的焊接一、焊接性的概念

★金屬材料的焊接性是指被焊金屬在采用一定的焊接方法，焊接材料、工藝參數及結構形式條件下獲得優質焊接接頭的難易程度。

★焊接性不是一成不變的，同一種金屬材料，采用不同的焊接方法，焊接材料及焊接工藝，焊接性可有很大差別。★焊接性包括兩個方面：一是工藝焊接性，二是使用焊接性（接頭使用中的可靠性）二、鋼材焊接性的估算方法★影響鋼材焊接性的主要因素是化學成分，碳的影響最為明顯，其它元素影響可折合成碳的影響。計算公式見P157w(c)當量＝w(c)+w(Mn)/6+(w(Cr)+w(Mo)+w(v)]/5+[W(ni)+w(Cu)]/15(％)式中各元素符號為鋼中相應元素的質量百分數

★根據經驗w(c)當量＜0.4％時，鋼材塑性良好，淬硬傾向不明顯，焊接性良好。一般焊接工藝條件下，焊件不會產生裂紋。但厚大工件或在低溫下焊接時，應考慮預熱。

w(c)當量＝0.4％～0.6％時，鋼材塑性下降，淬硬傾向明顯，焊接性能相對較差。焊前工件需要適當預熱，焊后要緩冷。要采取一定的工藝措施才能防止裂紋。w(c)＞0.6％時，鋼材塑性較低，淬硬傾向明顯，焊接性不好，焊前必須預熱到較高的溫度，焊接時要采取減少焊接應力和防止開裂的工藝措施，焊后要進行適當的熱處理。注意，當量法估算是粗略的，因為鋼材的焊接性還受結構剛度、焊后應力條件、環境溫度等因數影響，實際工作中根據實際情況進行抗裂試驗及焊接接頭使用焊接性的試驗。三、小型抗裂試驗法焊完后在室溫下放置24小時，先檢查焊縫及熱影響區有無表面裂紋，再從垂直焊縫方向切取厚度為15mm的金相磨片兩塊，進行低倍放大檢查是否存在內裂紋。可初步評定材料的焊接性。而后調整工藝(如預熱、緩冷等)再焊接試板，直至不產生裂紋。碳鋼的焊接一、低碳鋼的焊接低碳鋼的含碳量≤0.25％，其塑性好。一般沒有淬硬傾向，對焊接過程不敏感，焊接性好。不需要采取特殊的工藝措施，除電渣焊外，通常在焊后不需要進行熱處理。厚度＞50mm的低碳鋼結構，常用大電流多層焊，焊后應進行消除內應力退火。低溫下焊接剛度較大的結構時，應焊前預熱。低碳鋼應用最廣泛的是焊條電弧焊、埋弧焊、電渣焊、氣體保護焊和電阻焊等。采用熔焊法焊接鋼結構時，焊接材料及工藝的選擇主要應保證焊接接頭與工件材料等強度。焊條電弧焊焊接一般低碳鋼結構，可選用E4313（J421）、E4303（J422）、E4320（J424）焊條焊接動載荷結構、復雜結構、或厚板結構時，應選用E4316（J426）、E4315（J427）、E5015（J507）焊條埋弧焊時，一般采用H08A或H08MnA焊絲配焊劑431進行焊接二、中、高碳鋼的焊接中碳鋼含碳量在0.25％～0.6％之間。隨著含碳量的增加，淬硬傾向越加明顯，焊接性逐漸變差，生產中主要焊接各種中碳鋼的鑄件和鍛件。中碳鋼的焊接特點：1.熱影響區易產生淬硬組織和冷裂紋；中碳鋼屬淬火鋼，熱影響區金屬被加熱超過淬火溫度區段時，受工件低溫部分的迅速冷卻作用，出現馬氏體等淬硬組織。2.焊縫金屬產生熱裂傾向大；工件材料中的含C、S、P量遠遠高于焊芯，工件材料熔化后進入熔池使焊縫金屬含碳量增加，塑性下降。再加上S、P等雜質存在焊縫及熔合區在相變前可能因內應力而產生裂紋，因此，焊前必須預熱，同時減慢熱影響區的冷卻速度以免產生淬硬組織。

中碳鋼多用焊條電弧焊。厚件可采用電渣焊，焊后進行熱處理。焊條應采用抗裂性能較好的低氫焊條。要求焊縫和工件材料等強度時，可選用E5016(J506)、E5015(J507)、E6016-D1(J606)、E6015(J607)焊條，不要求等強度時，可選用E4315（J427）型強度低些的焊條以提高焊縫的塑性。無論用那種焊條，均應選用細焊條、小電流，開坡口進行多層焊，以防止工件材料過多地進入焊縫，同時也可減小焊接熱影響區的寬度。高碳鋼焊接特點與中碳鋼相似，由于含碳量更高，焊接性變得更差，預熱的溫度更高，工藝措施更嚴格實際上，高碳鋼的焊接只限于用焊條電弧焊進行修補工作。合金鋼的焊接合金結構鋼分為機械制造用合金結構鋼和低合金結構鋼兩大類。機械制造用合金結構鋼用于焊接結構較少。如需焊接，焊接工藝措施與中碳鋼基本相同。低合金結構鋼焊接特點如下1.熱影響區的淬硬傾向鋼中含碳量及合金元素越多，鋼材強度級別越高則焊后熱影響區的淬硬傾向越大。強度級別較大的低合金鋼淬硬傾向增加，熱影響區易產生馬氏體組織，硬度明顯增高，塑性韌性則下降。2.焊接接頭的裂紋傾向隨著鋼材強度級別提高產生冷裂紋的傾向也加劇。影響冷裂紋的因素主要由三方面：焊縫和熱影響區的含氫量；熱影響區的含氫量；焊接接頭的應力大小。我國低合金鋼產生熱裂紋的傾向不大。根據低合金鋼的焊接特點，生產中采取以下措施進行焊接：1.對于強度級別較低的鋼材在常溫下與對待低碳鋼一樣。在低溫或大剛度、大厚度結構進行小焊腳、短焊縫焊接時應防止淬硬組織，要適當增大電流減慢焊接速度、選用抗裂性強的低氫焊條，必要時需預熱。對鍋爐、受壓容器等重要構件，當厚度大于20mm時，焊后必須退火，以消除應力。2.對于強度級別較高的低合金鋼構件，焊前一般均需預熱，焊接時，應調整焊接參數以控制熱影響區的冷卻速度不宜過快。焊后應進行熱處理，以消除內應力。不能立即熱處理時，可先進行消氫處理，防止因氫引起的冷裂。§3.4鑄鐵的補焊鑄鐵的焊接主要是補焊，有熱焊預熱到600～700℃，冷焊預熱在400℃以下。

焊接結構設計

在滿足工作性能要求的前提下，首先要考慮焊接性較好的材料。低碳鋼和含碳量小于0.4％的低合金鋼都有良好的焊接性，設計中應盡量選用；含碳量大于0.4％和碳當量大于0.4％的合金鋼，焊接性不好，設計時一般不宜選用。若必須選用，應在設計中和生產中采取必要的措施。強度級別較低的低合金結構鋼，焊接性能與低碳鋼基本相同，而強度明顯提高，應優先選用。強度級別較高的低合金結構鋼，焊接性能稍差些，設計強度要求高