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第4章焊接成型技術(shù)4.1焊接方法

4.2焊接原理與焊接接頭

4.3常用金屬材料的焊接

4.4焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

焊接是現(xiàn)代制造技術(shù)中重要的金屬連接方法。焊接過(guò)程是指通過(guò)加熱或加壓等手段,使分離的金屬材料達(dá)到原子間的結(jié)合,獲得所需要的金屬結(jié)構(gòu)的一種加工方法。

與鉚接、膠接、螺栓連接等方法(見(jiàn)圖4-1)相比,焊接具有如下特點(diǎn):

(1)節(jié)省金屬材料,結(jié)構(gòu)重量輕。

(2)可用于制造重型、復(fù)雜的機(jī)器零部件,簡(jiǎn)化鑄造、鍛造及切削加工工藝,獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

(3)焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和密封性。

(4)能夠制造雙金屬結(jié)構(gòu),使材料的性能得到充分利用。

(5)焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸,維修不便;存在焊接應(yīng)力和變形,且組織性能不均勻,會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷。

圖4-1連接方法

(a)鉚接;(b)焊接;(c)膠接;(d)螺拴連接焊接方法種類(lèi)很多,并在汽車(chē)、造船、鍋爐、壓力容器、橋梁、建筑、飛機(jī)制造、電子等工業(yè)部門(mén)中廣泛應(yīng)用。據(jù)估計(jì),世界上鋼產(chǎn)量的50%~60%鋼材,要經(jīng)過(guò)焊接才能最終投入使用。

按照焊接過(guò)程的不同物理特點(diǎn)和所采用能源的性質(zhì),可將焊接方法分為熔焊、壓焊、釬焊三大類(lèi)。常用的焊接方法如圖4-2所示。

圖4-2焊接方法分類(lèi)熔焊是將焊接接頭處加熱到熔化狀態(tài),并加入(或不加入)填充金屬,經(jīng)冷卻結(jié)晶后形成牢固的接頭,而將兩部分被焊金屬焊接成為一個(gè)整體。該方法適用于各種常用金屬材料的焊接,是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中主要的焊接方法。

壓焊是在焊接過(guò)程中對(duì)工件加壓(加熱或不加熱),并在壓力作用下使金屬接觸部位產(chǎn)生塑性變形或局部熔化,通過(guò)原子擴(kuò)散,使兩部分被焊金屬連接成一個(gè)整體。該方法只適用于塑性較高的金屬材料的焊接。

釬焊是把熔點(diǎn)比母材金屬低的填充金屬(簡(jiǎn)稱(chēng)釬料)熔化后,填充接頭間隙并與固態(tài)的母材相互擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。該方法適用于各種異類(lèi)金屬的焊接。

4.1.1焊條電弧焊

焊條電弧焊是利用手工操縱電焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。它是利用焊件與焊條之間產(chǎn)生的電弧熱量,將焊件與焊條熔化,待冷卻凝固后形成牢固接頭。4.1焊接方法

焊條電弧焊的設(shè)備簡(jiǎn)單,制造容易,成本低。它可在室內(nèi)、室外、高空和各種位置施焊,操縱靈活,且焊接質(zhì)量較好,能焊接各種金屬材料,因而焊條電弧焊被廣泛應(yīng)用。焊條電弧焊的焊接過(guò)程如圖4-3所示。電弧在焊條與被焊件之間燃燒,電弧熱使工件與焊條同時(shí)熔化成為熔池。焊條金屬熔滴在重力和電弧吹力的作用下,過(guò)渡到熔池中。當(dāng)電弧向前移動(dòng)時(shí),熔池前方的金屬和焊條不斷熔化形成新的熔池,熔池尾部金屬不斷地冷卻結(jié)晶形成連續(xù)焊縫。

圖4-3焊條電弧焊的焊接過(guò)程

1.焊接電弧

焊接電弧是在電極與工件之間的氣體介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)間而穩(wěn)定的放電現(xiàn)象,即在局部氣體介質(zhì)中有大量電子(或離子)流通過(guò)的導(dǎo)電現(xiàn)象。焊條電弧焊的一個(gè)電極是焊條。

焊接電弧由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)、弧柱區(qū)三部分組成,如圖4-4所示。

電弧引燃后,弧柱中充滿了高溫電離氣體,放出大量的熱能和強(qiáng)烈的光。電弧熱量的多少是與焊接電流和電壓的乘積成正比的。電流越大,電弧產(chǎn)生的熱量越多。在焊接電弧中,電弧熱量在陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生的較多,約占總熱量的42%;陰極區(qū)因放出大量電子需消耗一定能量,所以產(chǎn)生的熱量就較少,約占38%;其余的20%左右是在弧柱中產(chǎn)生的。焊條電弧焊只有65%~80%的熱量用于加熱和熔化金屬,其余熱量則散失在電弧周?chē)惋w濺的金屬液滴中。在采用鋼焊條焊接鋼材時(shí),陽(yáng)極區(qū)溫度約為2600K;陰極區(qū)溫度約為2400K;電弧中心區(qū)溫度最高,能達(dá)到6000K~8000K。

圖4-4焊接電弧的構(gòu)造由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽(yáng)極和陰極上有一定的差異,因此在使用直流電焊機(jī)焊接時(shí),有正接和反接兩種方法,如圖4-5所示。

正接法如圖4-5(a)所示,焊件接電源正極,焊條接電源負(fù)極,此時(shí),陽(yáng)極區(qū)在被焊件上,溫度較高,適用于焊接較厚的焊件。

反接法如圖4-5(b)所示,焊件接電源負(fù)極,焊條接電源正極,此時(shí),陽(yáng)極區(qū)在焊條上,陰極區(qū)在工件上,因陰極區(qū)溫度較低,故適用于焊接較薄的焊件。

當(dāng)采用交流電焊機(jī)焊接時(shí),因?yàn)殡娏鞯臉O性是變化的,所以?xún)蓸O加熱溫度基本一樣,都在2500K左右。圖4-5焊接電極連接方法

2.電焊條及其選擇原則

1)焊條的組成

焊條電弧焊焊條是由焊芯和藥皮組成的,如圖4-6所示。焊芯起導(dǎo)電和填充焊縫金屬的作用,焊條藥皮主要起保證焊接順利進(jìn)行以及保證焊縫質(zhì)量的作用。

圖4-6焊條

(1)焊芯。焊芯是組成焊縫金屬的主要材料,它的化學(xué)成分及質(zhì)量將直接影響焊縫質(zhì)量。因此,焊芯應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1300—77《焊接用鋼絲》的要求。常見(jiàn)的焊芯牌號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表4-1。從表中可以看出,焊芯具有較低的含碳量和一定的含錳量,硅、硫和磷的含量都很低。末尾注有“高”字(用字母“A”表示),說(shuō)明是高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼,含硫、磷量較

低(不大于0.030%);末尾注有“特”字(用字母“E”表示),說(shuō)明是特級(jí)鋼材,其含硫、磷量更

低(不大于0.025%);末尾未注字母的,說(shuō)明是一般鋼,含硫、磷量不大于0.40%。焊芯的直徑即為焊條直徑,最小為0.4mm,最大為9mm,其中直徑為3.2mm~5mm的應(yīng)用最廣。

表4-1常見(jiàn)的焊芯牌號(hào)和化學(xué)成分

(2)焊條藥皮。藥皮對(duì)焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量有很大的影響。焊條藥皮的組成物按其作用分為穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、稀渣劑、黏結(jié)劑等,由礦石、鐵合金、有機(jī)物和化工產(chǎn)品四大類(lèi)原材料粉末,如碳酸鉀、碳酸鈉、大理石、螢石、錳鐵、硅鐵、鉀鈉水玻璃等配成。它的主要作用有:提高電弧燃燒的穩(wěn)定性;防止空氣對(duì)熔化金屬的有害作用;保證焊縫金屬的脫氧、去硫和滲入合金元素,提高焊縫金屬的力學(xué)性能。焊條藥皮的組成及作用見(jiàn)表4-2。其中碳鋼及低合金鋼焊條的藥皮類(lèi)型、電流種類(lèi)及焊接特點(diǎn)見(jiàn)

表4-3。

表4-2焊條藥皮的組成及作用表4-3碳鋼及低合金鋼焊條的藥皮類(lèi)型、電流種類(lèi)及焊接特點(diǎn)

2)焊條分類(lèi)及編號(hào)

(1)焊條分類(lèi)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局將焊條按化學(xué)成分劃分為若干類(lèi),焊條行業(yè)統(tǒng)一將焊條按用途分為10類(lèi),表4-4列出了兩種分類(lèi)有關(guān)內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表4-4兩種焊條分類(lèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系焊條按藥皮熔渣的性質(zhì)分為酸性焊條與堿性焊條兩大類(lèi)。

酸性焊條藥皮中含有較多的酸性氧化物(如SiO2、TiO2、Fe2O3等),其氧化性強(qiáng),焊接時(shí)合金元素?zé)龘p多,焊縫中氧、氮、氫含量較高,焊縫的力學(xué)性能較差,尤其是抗沖擊韌性低。但它的工藝性能好,易引弧,電弧穩(wěn)定,飛濺小,氣體易逸出,脫渣性好,焊縫成型性好,且對(duì)焊件上的鐵銹、水分不敏感,能用交、直流電源焊接,因而酸性焊條應(yīng)用較為廣泛。

堿性焊條藥皮中,含有較多的CaO、CaCO3、CaF2、K2O等,熔渣呈堿性。其中CaF2(螢石)在高溫下分解出氟,與氫結(jié)合生成有毒的HF氣體,使焊縫金屬含氫量降低,故堿性焊條也稱(chēng)低氫型焊條。用堿性焊條焊出的焊縫力學(xué)性能好,尤其是抗裂性好,但它的工藝性較差,引弧差,電弧不穩(wěn)定,飛濺大,焊縫成型不美觀,對(duì)焊件上的油、水、鐵銹敏感性大,因此焊前要嚴(yán)格清理焊件,在焊接電源上多采用直流反接。所以堿性焊條多用于重要結(jié)構(gòu)的焊接,如壓力容器、鍋爐及重要的合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接。

(2)焊條牌號(hào)。在生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是碳鋼焊條和低合金鋼焊條。根據(jù)國(guó)標(biāo)

GB5117—95《碳鋼焊條》和GB5118—95《低合金鋼焊條》的規(guī)定,兩種焊條型號(hào)用大寫(xiě)字母“E”和數(shù)字及字母來(lái)表示。分別舉例如下:

①碳鋼焊條EXXXX。E表示碳鋼焊條;前兩位數(shù)字表示熔敷金屬的最小抗拉強(qiáng)度值(kgf/mm2);第三位數(shù)字表示焊條使用的焊接位置,“0”、“1”均表示適用于全位置焊接,“2”表示適用于平焊和平角焊,“4”表示適用于向下立焊;第三、四位數(shù)字組合表示焊接電流的種類(lèi)和焊條藥皮類(lèi)型。如E4315焊條,表示碳鋼焊條,焊縫抗拉強(qiáng)度最小值為420MPa(43kgf/mm2),用直流電源反接并可全位置焊接,屬堿性低氫型焊條。若在第四位數(shù)字后附加“R”表示耐吸潮焊條;附加“M”則表示耐吸潮和力學(xué)性能有特殊規(guī)定的焊條。

②低合金鋼焊條EXXXX-X-XX。E表示低合金鋼焊條;前四位數(shù)字的意義和碳鋼相同,在四位數(shù)字后添加后綴字母和附加化學(xué)成分的元素符號(hào)。以短劃“-”與前面數(shù)字分開(kāi)的后綴字母表示熔敷金屬化學(xué)成分分類(lèi)代號(hào),其中熔敷金屬化學(xué)成分代號(hào)有:碳鉬鋼(A1)、鉻鉬鋼(B1~B5)、鎳鋼

(C1~C3)、鎳鉬鋼(NM)、錳鉬鋼(D1~D3)及其他低合金鋼(G、M、W)等六類(lèi)低合金鋼焊條;后面還以短劃“-”與前面后綴字母分開(kāi)的XX表示采用附加化學(xué)成分的元素符號(hào)。

例如E5516-B3-VWB,E表示焊條;55表示熔敷金屬化學(xué)抗拉強(qiáng)度的最小值為

540MPa;1表示焊條適用于全位置焊接;16表示焊條藥皮為低氫鉀型,適用于交流或直流反接焊接;B3表示低合金鋼中鉻鉬鋼焊條;VWB表示熔敷金屬中含有附加化學(xué)成分V、W、B元素。

3.電焊條的選用原則

焊條的選用通常是根據(jù)焊件的化學(xué)成分、力學(xué)性能、抗裂性、耐蝕性及高溫性能等要求,選用相應(yīng)焊條種類(lèi),再考慮焊接結(jié)構(gòu)形狀、工作條件、焊接設(shè)備條件等來(lái)選擇具體的焊條型號(hào)。一般遵循下列原則:

(1)考慮母材的力學(xué)性能和化學(xué)成分。焊接低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí),應(yīng)根據(jù)焊接件的抗拉強(qiáng)度選擇相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的焊條,即等強(qiáng)度原則;焊接耐熱鋼、不銹鋼等材料時(shí),則應(yīng)選擇與焊接件化學(xué)成分相同或相近的焊條,即等成分原則。

(2)考慮結(jié)構(gòu)的使用條件和特點(diǎn)。承受沖擊力較大或在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、厚大或剛性大的結(jié)構(gòu)件多選用抗裂性好的堿性焊條;如果構(gòu)件受沖擊力較小,構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,母材質(zhì)量較好,應(yīng)盡量選用工藝性能好、較經(jīng)濟(jì)的酸性焊條。

(3)考慮焊條的工藝性。對(duì)于狹小、不通風(fēng)的場(chǎng)合,以及焊前清理困難且容易產(chǎn)生氣孔的焊接件,應(yīng)當(dāng)選擇酸性焊條;如果母材中含碳、硫、磷量較高,則應(yīng)選擇抗裂性較好的堿性焊條。

(4)選用與施焊現(xiàn)場(chǎng)條件相適應(yīng)的焊條。如對(duì)無(wú)直流焊機(jī)的地方,應(yīng)選用交直流電源的焊條。

在確定了焊條牌號(hào)后,還應(yīng)根據(jù)焊接件厚度、焊接位置等條件選擇焊條直徑。一般是焊接件愈厚,焊條直徑應(yīng)愈大。4.1.2其他焊接方法

1.埋弧焊

埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的電弧焊方法,又稱(chēng)焊劑層下焊接。埋弧焊在造船、鍋爐、化工容器、起重機(jī)械和冶金機(jī)械制造中的應(yīng)用非常廣泛。

1)埋弧焊的焊接過(guò)程

埋弧焊在焊接時(shí),焊接機(jī)頭將光焊絲自動(dòng)送入電弧區(qū)并保持一定的弧長(zhǎng)。電弧靠焊機(jī)控制,均勻地向前移動(dòng)。焊絲為連續(xù)盤(pán)狀,在焊絲前方,焊劑從漏斗中不斷流出,使被焊部位覆蓋著一層30mm~50mm厚的顆粒狀焊劑,焊絲連續(xù)送進(jìn),電弧在焊劑層下穩(wěn)定地燃燒,使焊絲、工件和焊劑都熔化,形成金屬熔池和熔渣。液態(tài)熔渣覆蓋在熔池表面,以防止空氣侵入。隨著機(jī)頭自動(dòng)向前移動(dòng),不斷熔化前方的母材金屬,焊絲和焊劑使焊接連續(xù)進(jìn)行,熔池尾部的金屬也隨之冷卻結(jié)晶形成焊縫,熔渣浮在熔池表面冷卻后成為渣殼。埋弧焊的焊接情況如圖4-7和圖4-8所示。

圖4-7埋弧焊示意圖

圖4-8埋弧焊焊縫的形成

2)埋弧焊的焊絲與焊劑

埋弧焊時(shí),焊絲相當(dāng)于電焊條的焊芯,焊劑起保護(hù)、凈化熔池、穩(wěn)定電弧和滲入合金元素的作用。焊劑按制造方法可分為熔煉焊劑與陶質(zhì)焊劑兩大類(lèi)。各種焊劑應(yīng)與一定的焊絲配合使用才能獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。常用焊劑的牌號(hào)、配用焊絲及用途如表4-5所示。

表4-5常用焊劑的牌號(hào)、配用焊絲及用途3)埋弧焊的特點(diǎn)

(1)生產(chǎn)率高。埋弧焊焊接電流大(可達(dá)1000A以上),同時(shí)節(jié)省了更換焊條的時(shí)間,其生產(chǎn)率比焊條電弧焊高5~10倍。

(2)焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于焊縫區(qū)受焊劑和熔渣的有效保護(hù),焊接熱量集中,焊接速度快,熱影響區(qū)小,焊接變形小,同時(shí),焊接參數(shù)自動(dòng)控制,因此焊接質(zhì)量高而且穩(wěn)定,焊縫成型美觀。

(3)節(jié)省金屬材料,降低成本。埋弧焊熔深大,可不開(kāi)或少開(kāi)坡口,而且沒(méi)有焊條電弧焊焊條頭的浪費(fèi),因而能節(jié)省金屬材料。

但埋弧焊的設(shè)備費(fèi)用高,工藝裝備復(fù)雜,主要用于焊接生產(chǎn)批量較大的長(zhǎng)直焊縫與大直徑環(huán)形焊縫,不適合薄板和曲線焊縫的焊接。

2.氣體保護(hù)焊

氣體保護(hù)焊是用外加氣體保護(hù)電弧及焊接區(qū)的電弧焊。保護(hù)氣體通常有兩種,即惰性氣體(如氬氣)和活性氣體(如二氧化碳)。

1)氬弧焊

用氬氣作為保護(hù)性氣體的氣體保護(hù)焊稱(chēng)為氬弧焊。氬氣是惰性氣體,在高溫下既不熔入液態(tài)金屬也不與金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),它是一種比較理想的保護(hù)氣體。氬氣電離勢(shì)高,引弧較困難,但一經(jīng)引燃電弧就能穩(wěn)定燃燒。

按照電極不同,氬弧焊可分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊,如圖4-9所示。

圖4-9氬弧焊示意圖

(a)不熔化極氬弧焊;(b)熔化極氬弧焊熔化極氬弧焊是以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為電極,電弧在焊絲與工件之間燃燒,焊絲熔化后形成熔滴填充到熔池中,冷卻結(jié)晶后形成焊縫。熔化極氬弧焊允許使用大電流,生產(chǎn)率比非熔化極氬弧焊高,適用于較厚板材的焊接。

非熔化極氬弧焊是以高熔點(diǎn)的鎢棒為電極,因此也稱(chēng)鎢極氬弧焊。焊接時(shí),電弧在高熔點(diǎn)的電極與工件之間燃燒,工件局部熔化形成熔池,電極(鎢極)不熔化,適當(dāng)填加金屬(焊絲)并將其熔化過(guò)渡到熔池中,冷卻結(jié)晶后形成焊縫。

氬弧焊焊接由于氬氣的保護(hù)效果好,焊縫金屬純凈,焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良;同時(shí)由于電弧在氬氣流的壓縮下燃燒,熱量集中,熱影響區(qū)小,焊后變形也小;電弧穩(wěn)定,明弧可見(jiàn),飛濺小,焊縫致密,焊后無(wú)渣,成型美觀;可實(shí)現(xiàn)全位置焊,便于操作,易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。因此,氬弧焊特別適合于焊接各類(lèi)易氧化的金屬材料,如不銹鋼、有色金屬及稀有金屬等。

2)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是以二氧化碳為保護(hù)氣體,以焊絲為電極的電弧焊。利用工件與電極(焊絲)之間產(chǎn)生的電弧熔化工件與焊絲,以自動(dòng)或半自動(dòng)方式焊接。圖4-10為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊示意圖。

圖4-10二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊示意圖二氧化碳價(jià)格便宜,來(lái)源廣泛,但它呈氧化性,在高溫下分解為一氧化碳和氧氣,易使材料中的合金元素氧化燒損,并且由于一氧化碳密度小,體積膨脹,導(dǎo)致熔滴飛濺嚴(yán)重,焊縫成型不光滑。因此為保證焊縫的化學(xué)成分,需采用含錳、硅較高的焊接鋼絲或含有相應(yīng)合金元素的合金鋼絲,例如焊接低合金鋼時(shí)可采用H08Mn2SiA焊絲,焊低碳鋼時(shí)可采用H08MnSiA焊絲。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊具有成本低、生產(chǎn)率高、操作性好、質(zhì)量較好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)、汽車(chē)、造船和農(nóng)業(yè)機(jī)械等部門(mén),尤其適用于焊接薄鋼板(低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼)。

3.電渣焊

電渣焊是利用電流通過(guò)液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行焊接的方法。電渣焊一般都是將兩焊件垂直放置,在立焊位置進(jìn)行焊接,如圖4-11所示。焊接時(shí),兩個(gè)被焊件接頭相距25mm~35mm,焊絲與引弧板短路引弧,電弧將固態(tài)熔劑熔化后形成渣池,渣池具有很大的電阻,電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生大量的電阻熱(溫度在1700℃~2000℃)將焊絲和工件熔化形成金屬熔池。隨著焊絲的不斷送進(jìn),熔池逐漸上升。在工件待焊面兩側(cè)有冷卻銅滑塊,防止液態(tài)熔渣及熔池金屬液不外流,并加速熔池冷卻凝固成為焊縫。

圖4-11電渣焊示意圖電渣焊渣池?zé)崃慷?、溫度高,而且根?jù)焊件厚度可采用單絲或多絲焊接,焊接時(shí)焊絲還可在渣池內(nèi)擺動(dòng),因此對(duì)很厚的工件可一次焊成。如單絲不擺動(dòng)可焊厚度為40mm~

60mm;單絲擺動(dòng)可焊厚度為60mm~150mm;三絲擺動(dòng)焊接厚度可達(dá)400mm。電渣焊生產(chǎn)率高,焊接時(shí)不需開(kāi)坡口,焊接材料消耗少,成本低。電渣焊焊縫金屬純凈,焊接質(zhì)量較好,但電渣焊的焊接區(qū)在高溫停留時(shí)間長(zhǎng),熱影響區(qū)比其他焊接方法寬,晶粒粗大,易出現(xiàn)過(guò)熱組織,因此焊接時(shí)焊絲、焊劑中應(yīng)加入鉬、鈦等元素,細(xì)化焊縫組織,并且一般焊后需進(jìn)行正火處理,以改善性能。

目前,電渣焊主要用于大型鑄-焊、鍛-焊、厚板拼接焊等大型構(gòu)件的焊接及厚壁壓力容器縱縫焊接。

4.電阻焊

電阻焊是利用電流通過(guò)焊件接觸處產(chǎn)生的電阻熱為熱源,將焊件接觸處局部加熱到高塑性或熔化狀態(tài),然后在壓力下實(shí)現(xiàn)焊接的方法。電阻焊可采用很大的電流,焊接時(shí)間很短,其生產(chǎn)率很高,熱影響區(qū)窄,變形小,接頭不需開(kāi)坡口,不需填充金屬和焊劑,操作簡(jiǎn)單,勞動(dòng)條件好,易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。但電阻焊設(shè)備費(fèi)用昂貴,設(shè)備功率大,耗電量大,焊件截面尺寸受限制,接頭形式只限于對(duì)接和搭接,電阻熱受電阻大小、電流波動(dòng)等因素影響而變化,使焊接質(zhì)量不穩(wěn)定,這就限制了電阻焊在某些重要焊件上的應(yīng)用。

常用的電阻焊可分為點(diǎn)焊、縫焊和對(duì)焊三種,如圖4-12所示。

圖4-12電阻焊

(a)點(diǎn)焊;(b)縫焊;(c)對(duì)焊

1)點(diǎn)焊

點(diǎn)焊是利用電流通過(guò)圓柱狀電極和兩塊搭接工件接觸面產(chǎn)生的電阻熱,熔化接觸面處的固態(tài)金屬,在壓力下將兩個(gè)工件焊在一起的焊接方法。

圖4-13分流現(xiàn)象點(diǎn)焊時(shí),先加壓使工件緊密接觸,然后接通電流,因接觸處的電阻很大,該處產(chǎn)生的電阻熱最多,金屬被熔化成熔核,斷電后繼續(xù)保持壓力或增大壓力,熔核在壓力下凝固結(jié)晶,形成焊點(diǎn)。焊完一點(diǎn)后,移動(dòng)工件,可依次焊成其他焊點(diǎn)。當(dāng)焊第二個(gè)焊點(diǎn)時(shí),將有一部分電流會(huì)流經(jīng)已焊好的焊點(diǎn),使焊接處的電流減小,影響焊接質(zhì)量,這種現(xiàn)象稱(chēng)為分流現(xiàn)象,如圖4-13所示。分流現(xiàn)象主要與工件厚度和兩焊點(diǎn)之間的距離有關(guān),一般工件導(dǎo)電性越強(qiáng),厚度越大,分流現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此,兩焊點(diǎn)之間的距離應(yīng)加大。

點(diǎn)焊的主要工藝參數(shù)有焊接電流、電極壓力、通電時(shí)間及被焊件接觸點(diǎn)的狀態(tài)等。電流過(guò)大,通電時(shí)間長(zhǎng),熔池深度大,并有金屬飛濺,甚至燒穿;電流過(guò)小,通電時(shí)間短,熔深小,甚至未熔化。電極壓力過(guò)大,兩個(gè)被焊件接觸緊密,電阻減小,使熱量減小,造成焊點(diǎn)強(qiáng)度不足;電極壓力過(guò)小,極間接觸不良,熱源不穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō),工件厚度越大,材料高溫強(qiáng)度越大,電極壓力也應(yīng)越大。

焊件接觸處的狀態(tài)對(duì)焊接質(zhì)量影響很大,如焊件表面存在著氧化膜、油污等,將使電阻增大,甚至出現(xiàn)局部不導(dǎo)電而影響電流流通。因此,點(diǎn)焊前必須對(duì)焊件表面進(jìn)行清理。

點(diǎn)焊主要適用于薄板(厚度小于4mm)沖壓結(jié)構(gòu)及線材的搭接,在大批量生產(chǎn)中多用機(jī)械手自動(dòng)操作。目前點(diǎn)焊廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、機(jī)車(chē)車(chē)輛、飛機(jī)等薄壁結(jié)構(gòu)及儀表、電信、輕工等工業(yè)中薄材、線材的焊接。

2)縫焊

縫焊實(shí)際上就是連續(xù)的點(diǎn)焊,用旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)電極代替點(diǎn)焊時(shí)的柱狀電極,邊焊邊滾動(dòng)(同時(shí)帶動(dòng)焊件向前移動(dòng)),相鄰焊點(diǎn)部分重疊,形成一條致密焊縫。由于縫焊時(shí)分流現(xiàn)象嚴(yán)重,一般只適用于厚度小于3mm的薄板結(jié)構(gòu)。縫焊時(shí),焊點(diǎn)相互重疊50%以上,密封性好,可焊接低碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鋁合金等,但不適于銅及銅合金,因此主要用于制造要求密封性的薄壁結(jié)構(gòu),如油箱、小型容器和管道等。

3)對(duì)焊

對(duì)焊即為對(duì)接電阻焊,焊件按設(shè)計(jì)要求裝配成對(duì)接接頭,利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài),然后在壓力下完成焊接。按操作方法的不同,對(duì)焊可分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊,如4-14所示。

圖4-14對(duì)焊類(lèi)型

(a)電阻對(duì)焊;(b)閃光對(duì)焊(1)電阻對(duì)焊。電阻對(duì)焊過(guò)程是先將兩工件夾在對(duì)焊機(jī)的電極鉗口中,如圖

4-14(a)所示,施加預(yù)壓力使兩被焊件端面接觸,并壓緊,通電加熱后,再斷電加壓頂鍛,使工件接觸處在壓力下發(fā)生交互結(jié)合,形成焊接接頭。

電阻對(duì)焊操作簡(jiǎn)單,成產(chǎn)率高,接頭光滑,但焊前對(duì)焊件端面要加工和清理,否則易出現(xiàn)加熱不均勻,接合面易侵入空氣,生成氧化夾雜物,使焊接質(zhì)量下降。電阻對(duì)焊一般只適用于直徑小于20mm的簡(jiǎn)單截面的焊件及強(qiáng)度要求不高的低碳鋼桿件連接,可以焊接碳鋼、不銹鋼、銅和鋁等。(2)閃光對(duì)焊。閃光對(duì)焊過(guò)程是將兩工件夾在電極鉗口內(nèi),通電后使兩個(gè)工件輕微接觸,如圖4-14(b)所示。由于接觸點(diǎn)少,電流密度大,接觸點(diǎn)金屬迅速熔化,甚至蒸發(fā)、爆破,并在電磁力的作用下以火花形式形成飛濺(閃光)。繼續(xù)送進(jìn)工件,保持一定的閃光時(shí)間,待焊件端面全部被加熱熔化時(shí),迅速斷電加壓,形成焊接接頭。

閃光對(duì)焊過(guò)程中,工件接觸面的氧化物、雜質(zhì)、油污被閃光火花帶出,因此接頭中夾渣少,組織純凈,強(qiáng)度高,質(zhì)量好,對(duì)端面加工要求低。但閃光對(duì)焊后焊件表面有毛刺需清理,同時(shí)金屬損耗也較大。

閃光對(duì)焊常用于重要工件的焊接,碳鋼、合金鋼、有色金屬等材料以及異種金屬材料都能用閃光對(duì)焊焊接。它既可以焊接直徑小到0.01mm的金屬絲,也可以焊接斷面達(dá)數(shù)萬(wàn)平方毫米的金屬棒料和型材。對(duì)鋼軌、鋼筋、刀具、管子、車(chē)圈、錨鏈等的連接均可采用閃光對(duì)焊。

5.摩擦焊

摩擦焊是利用工件接觸面的摩擦熱為熱源,同時(shí)加壓而進(jìn)行焊接的方法。摩擦焊焊接過(guò)程如圖4-15所示。先將兩焊件夾在焊機(jī)上,預(yù)加一定壓力使焊件緊密接觸。使被焊件高速旋轉(zhuǎn)后,由于劇烈摩擦而產(chǎn)生熱量,使接觸面被加熱到高溫塑性狀態(tài),然后急速制動(dòng),停止轉(zhuǎn)動(dòng),并加大壓力,使兩焊件接觸處產(chǎn)生塑性變形而焊接在一起。摩擦焊接頭一般為等斷面,有時(shí)也可以是不等斷面,但至少需要一個(gè)斷面為圓形或管形焊件。摩擦焊接頭形式如圖4-16所示。

圖4-15摩擦焊示意圖

圖4-16摩擦焊接接頭形式

摩擦焊在焊接過(guò)程中兩端面的氧化膜與雜質(zhì)被清除,不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。接頭組織致密,接頭質(zhì)量好,其廢品率僅有閃光焊的1%左右。焊接時(shí)操作簡(jiǎn)單,不需要焊接材料,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,生產(chǎn)率高,勞動(dòng)條件好,但摩擦焊要求制動(dòng)及加壓裝置的控制要靈敏。

摩擦焊適用的金屬范圍廣,并可對(duì)異種金屬進(jìn)行對(duì)接,如碳鋼-不銹鋼、銅-鋼、鋁-鋼、硬質(zhì)合金-鋼等,但摩擦系數(shù)小的鑄鐵、黃銅不宜采用摩擦焊。目前,摩擦焊在汽車(chē)、拖拉機(jī)、電力設(shè)備、金屬切削刀具、紡織機(jī)械等工業(yè)中的圓形工件、棒料及管類(lèi)件的焊接中應(yīng)用較廣。

6.釬焊

釬焊是以低熔點(diǎn)的金屬作為釬料,將其熔化后填充到被焊金屬的縫隙中,液態(tài)釬料與母材金屬相互擴(kuò)散溶解,冷凝后形成釬焊接頭的方法。

釬焊時(shí),構(gòu)件的接頭形式常采用對(duì)接、搭接和套接,如圖4-17所示。這些接頭釬接面較大,可提高接頭強(qiáng)度。另外,接頭間應(yīng)有良好的配合和適當(dāng)?shù)拈g隙,以保證釬料對(duì)接觸部位的滲入與濕潤(rùn),以達(dá)到最好的焊接效果。

圖4-17釬焊接頭形式釬焊過(guò)程中,一般還要使用釬焊劑,其目的是去除焊件表面的氧化物及雜質(zhì),同時(shí)改善釬料對(duì)焊件的潤(rùn)濕作用,并促進(jìn)釬料流動(dòng)和填滿焊縫。常用的釬劑主要有硼酸、硼砂、松香等。

釬焊根據(jù)所用釬料熔點(diǎn)的不同,可分為軟釬焊和硬釬焊兩大類(lèi)。

軟釬焊的釬料熔點(diǎn)低于450℃,釬料常用以錫、鉛、鋅等為主的合金,最常使用的錫-鉛釬料焊接俗稱(chēng)錫焊,焊接接頭導(dǎo)電性良好。軟釬焊釬劑主要有松香、氯化鋅溶液等,加熱方式一般為烙鐵加熱。其接頭強(qiáng)度較低,但釬料滲入接頭間隙能力強(qiáng),具有良好的焊接工藝性,主要用于受力不大或工作溫度較低的構(gòu)件。

硬釬焊的釬料熔點(diǎn)高于450℃,釬料常用以銅、鋁、銀、鎳等為主的合金,硬釬焊釬劑主要有硼酸、硼砂、氯化物等。硬釬焊接頭強(qiáng)度高,工作溫度較高,主要用于焊接承受較大載荷的構(gòu)件,如自行車(chē)車(chē)架、切削刀具等。

按熱源不同,釬焊可分為烙鐵釬焊、電阻釬焊、火焰釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊、紅外釬焊和激光釬焊等。焊接時(shí),可根據(jù)釬料種類(lèi)、工件形狀及尺寸、接頭數(shù)量及形式、對(duì)質(zhì)量的要求、生產(chǎn)批量等因素綜合考慮選擇。

釬焊與其他焊接方法相比,具有如下特點(diǎn):

(1)工件加熱溫度低,母材組織性能變化小,焊接應(yīng)力與變形小,接頭光滑平整,尺寸精確。

(2)可焊接性能差異較大的異種金屬及金屬與非金屬的焊接。

(3)對(duì)工件整體加熱時(shí),可同時(shí)釬焊很多條焊縫,生產(chǎn)率較高。

(4)設(shè)備簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

釬焊的主要缺點(diǎn)是接頭強(qiáng)度較低,尤其是動(dòng)載強(qiáng)度低,允許的工作溫度不高,焊前清理及組裝要求較高。因此它不適合于一般鋼結(jié)構(gòu)件及重載、動(dòng)載零件的焊接。目前釬焊主要用于制造儀表、電機(jī)、電氣部件、導(dǎo)線、導(dǎo)管、容器、硬質(zhì)合金刀具、異種金屬構(gòu)件等的焊接。

7.等離子弧焊與切割

一般電弧焊中的電弧未受到外界約束,電弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離,能量不能高度集中,這種情況被稱(chēng)為自由電弧。當(dāng)利用某種裝置使自由電弧的弧柱區(qū)的氣體完全電離,產(chǎn)生高度熱量集中的電弧,這種電弧稱(chēng)為等離子電弧。其發(fā)生裝置如圖4-18所示。一般等離子弧焊以鎢棒為電極,以氬氣或氮?dú)庾鳛楸Wo(hù)性氣體。鎢極與工件之間產(chǎn)生的電弧在機(jī)械壓縮效應(yīng)、熱壓縮效應(yīng)和電磁收縮效應(yīng)的共同作用下,被壓縮得很細(xì),能量高度集中,弧柱區(qū)內(nèi)的氣體完全電離,其溫度可達(dá)16000K以上。

圖4-18等離子電弧發(fā)生裝置等離子弧焊實(shí)質(zhì)上是一種電弧具有壓縮效應(yīng)的鎢極氬氣保護(hù)焊,除具有氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)外,還具有能量集中、熱影響區(qū)小、焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。但等離子弧焊的設(shè)備復(fù)雜,氣體消耗量大,只限于室內(nèi)焊接。目前,等離子弧焊已應(yīng)用于化工、儀器儀表、航空航天等工業(yè)部門(mén),特別是在國(guó)防工業(yè)、尖端技術(shù)領(lǐng)域中所用的銅合金、合金鋼、鈦合金、鎢、鉬、鈷等金屬的焊接,如鈦合金導(dǎo)彈殼體、波紋管、電容器外殼的封接及飛機(jī)上的薄壁容器件,都可采用等離子弧焊。

等離子弧切割是利用等離子弧的高溫將被割件熔化,并借助弧焰的機(jī)械沖擊力將熔融金屬排除,形成割縫以實(shí)現(xiàn)切割。等離子弧切割主要用于切割高合金鋼、一些難熔金屬以及鑄鐵、銅、鎳、鈦、鋁及其合金,而且切割速度快,切口較窄,切邊質(zhì)量高。

圖4-19真空電子束焊接原理

8.電子束焊

電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的一種方法。真空電子束焊接原理如圖4-19所示。電子槍、工件及夾具全部置于真空室內(nèi)。電子槍由加熱燈絲、陰極、聚束極、陽(yáng)極等組成。當(dāng)陰極被燈絲加熱到一定溫度時(shí)而發(fā)射大量電子,這些電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下,被加速到很高的速度,然后經(jīng)聚束極、陽(yáng)極和聚焦透鏡而形成高速電子流束射向工件表面,電子的動(dòng)能變?yōu)闊崮?,將工件迅速熔化甚至汽化。根?jù)焊件的熔化程度,逐漸移動(dòng)焊件,即可得到所需的焊接接頭。

根據(jù)焊件所處的真空度不同,電子束焊可分為真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊。其中,真空電子束焊應(yīng)用最廣。焊接時(shí),真空室內(nèi)的真空度可達(dá)1.33×10

-3Pa~1.33×10-2Pa。

真空電子束焊接能量密度大,熱影響區(qū)窄,焊接變形小,適應(yīng)性強(qiáng),由于在真空中焊接,焊縫不會(huì)氧化、氮化及析氫,因此保護(hù)效果好,焊接質(zhì)量高。真空電子束可焊難熔金屬(如鈮、鉭、鎢等)及原截面工件(如鋼板厚度可達(dá)200mm~300mm),并適用于焊接一些化學(xué)活性強(qiáng)、純度高的金屬,如鈦、鋁、鉬及高強(qiáng)度鋼、高合金鋼等。但真空電子束焊接設(shè)備復(fù)雜,造價(jià)高,焊件尺寸受真空室限制而不能太大。

真空電子束焊目前在電子、航空、原子能、導(dǎo)彈等工業(yè)部門(mén)得到廣泛應(yīng)用,如微型電子線路組件、導(dǎo)彈外殼、核電站鍋爐汽包等,也可用于軸承、齒輪組合件等。

4.2.1焊接基本原理

大多數(shù)焊接方法都需要借助加熱、加壓,或同時(shí)實(shí)施加熱和加壓,以實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。

從冶金的角度來(lái)看,可將焊接區(qū)分為三大類(lèi):液相焊接、固相焊接、固-液相焊接。4.2焊接原理與焊接接頭利用熱源加熱待焊部位,使之發(fā)生熔化,利用液相的相溶而實(shí)現(xiàn)原子間的結(jié)合,即屬液相焊接。熔焊屬于最典型的液相焊接。除了被連接的母材(同質(zhì)或異質(zhì)),還可填加同質(zhì)或非同質(zhì)的填充材料,共同構(gòu)成統(tǒng)一的液相物質(zhì)。常用的填充材料是焊條或焊絲。

固相焊接屬于典型的壓力焊方法。因?yàn)楣滔嗪附訒r(shí),必須利用壓力使待焊部位的表面在固態(tài)下直接緊密接觸,并使待焊表面的溫度升高(但一般低于母材金屬熔點(diǎn)),通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、壓力和時(shí)間,以充分進(jìn)行擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)原子間的結(jié)合。在預(yù)定的溫度(利用電阻加熱、摩擦加熱、超聲振蕩等)緊密接觸時(shí),金屬內(nèi)的原子獲得能量、增大活動(dòng)能力,可跨越待焊界面進(jìn)行擴(kuò)散,從而形成固相接合。

固-液相焊接就是待焊表面并不直接接觸,而是通過(guò)兩者毛細(xì)間隙中的中間液相相聯(lián)系。于是,在待焊的同質(zhì)或異質(zhì)固態(tài)母材與中間液相之間存在兩個(gè)固-液界面,通過(guò)固液相間充分進(jìn)行擴(kuò)散,可實(shí)現(xiàn)很好的原子結(jié)合。釬焊即屬此類(lèi)方法,形成中間液相的填充材料稱(chēng)為釬料。

1.焊接熱源

焊接熱源應(yīng)是熱量高度集中,可快速實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程,并可保證得到致密而強(qiáng)韌的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。每種熱源都有其本身的特點(diǎn),并在生產(chǎn)上有不同程度的應(yīng)用。滿足焊接條件的熱源有以下幾種。

(1)電弧熱:利用氣體介質(zhì)中放電過(guò)程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源,是目前焊接熱源中應(yīng)用最為廣泛的一種,如手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊等。

(2)化學(xué)熱:利用可燃?xì)怏w(氧、乙炔等)或鋁、鎂熱劑燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量作為焊接熱源,如氣焊。這種熱源在一些電力供應(yīng)困難和邊遠(yuǎn)地區(qū)仍起重要的作用。

(3)電阻熱:利用電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源,如電阻焊和電渣焊。采用這種熱源所實(shí)現(xiàn)的焊接方法,都具有高度的機(jī)械化和自動(dòng)化,有很高的生產(chǎn)率,但耗電量大。

(4)高頻熱源:對(duì)于有磁性的被焊金屬,利用高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的二次電流作為熱源,在局部集中加熱,實(shí)質(zhì)上也屬電阻熱。由于這種加熱方式熱量高度集中,故可以實(shí)現(xiàn)很高的焊接速度,如高頻焊管等。

(5)摩擦熱:由機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源,如摩擦焊。

(6)電子束:在真空中,利用高壓高速運(yùn)動(dòng)的電子猛烈轟擊金屬局部表面,使這種動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能作為焊接熱源,如電子束焊。

(7)激光束:通過(guò)受激輻射而使放射增強(qiáng)的單色光子流,即激光,它經(jīng)過(guò)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源。

2.焊接化學(xué)冶金過(guò)程

焊接過(guò)程中,焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過(guò)程,稱(chēng)為焊接化學(xué)冶金過(guò)程。在空氣中焊接時(shí),焊縫金屬中的含氧、氮量顯著增加,同時(shí)錳、碳等有益合金元素大量減少,這時(shí),焊縫金屬的強(qiáng)度基本不變,但塑性和韌性急劇下降,力學(xué)性能受到很大影響。因此,焊接化學(xué)冶金過(guò)程決定了可否得到優(yōu)質(zhì)的焊縫金屬。

1)焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)

焊接化學(xué)冶金反應(yīng)過(guò)程從焊接材料被加熱、熔化開(kāi)始,經(jīng)熔滴過(guò)渡,最后到達(dá)熔池中。該過(guò)程是分區(qū)域(藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)、熔池反應(yīng)區(qū))連續(xù)進(jìn)行的,不同的焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)。

在藥皮反應(yīng)區(qū)中,主要發(fā)生水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解、鐵合金的氧化等。反應(yīng)析出的大量氣體隔絕了空氣,也對(duì)被焊金屬和藥皮中的鐵合金產(chǎn)生了很大的氧化作用,因此,該反應(yīng)區(qū)將顯著改變焊接區(qū)氣相的氧化性。

熔滴反應(yīng)區(qū)包括熔滴形成、長(zhǎng)大到過(guò)渡至熔池前的整個(gè)階段。此區(qū)域發(fā)生氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化和還原、焊縫金屬的合金化等。反應(yīng)時(shí)間僅有0.01s~0.1s,但平均溫度高達(dá)2000K~2800K,而且液態(tài)金屬與氣體及熔渣的接觸面積大,是冶金反應(yīng)最激烈的部位,對(duì)焊縫成分的影響最大。

熔滴金屬和熔渣以很高的速度落入熔池后,即同熔化了的母材混合、接觸、反應(yīng)。此區(qū)溫度較熔滴反應(yīng)區(qū)低,約為1800K~2200K,反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),大約數(shù)秒。此區(qū)有兩個(gè)顯著特點(diǎn),一是溫度分布極不均勻,熔池頭部和尾部存在溫度差,因而冶金反應(yīng)可以同時(shí)向相反的方向進(jìn)行;二是反應(yīng)過(guò)程不僅在液態(tài)金屬與氣、渣界面上進(jìn)行,而且也在液態(tài)金屬與固態(tài)金屬和液態(tài)熔渣的界面上進(jìn)行。

2)熔池結(jié)晶的特點(diǎn)

焊接熔池的結(jié)晶過(guò)程與一般冶金和鑄造時(shí)液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別,具有以下特點(diǎn):

(1)熔池金屬體積很小,周?chē)抢浣饘?、氣體等,故金屬處于液態(tài)的時(shí)間很短,手工電弧焊從加熱到熔池冷卻往往只有十幾秒,各種冶金反應(yīng)進(jìn)行得不充分。

(2)熔池中反應(yīng)溫度高,往往高于煉鋼爐溫200℃,使金屬元素強(qiáng)烈地?zé)龘p和蒸發(fā)。

(3)熔池的結(jié)晶是一個(gè)連續(xù)熔化、連續(xù)結(jié)晶的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

3)焊接區(qū)內(nèi)的氣體和雜質(zhì)

焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來(lái)源于焊接材料、熱源周?chē)臍怏w介質(zhì)、焊絲和母材表面的雜質(zhì)、材料的蒸發(fā)。產(chǎn)生的氣體中,對(duì)焊接質(zhì)量影響最大的是N2、H2、O2、CO2、H2O。

其中金屬與氧的作用對(duì)焊接的影響最大,氧原子能與多種金屬發(fā)生氧化反應(yīng),如

Fe+O→FeO;Si+2O→SiO2;Mn+O→MnO;2Al+3O→Al2O3。有的氧化物(如FeO)能溶解在液態(tài)金屬中,冷凝時(shí)因溶解度下降而析出,成為焊縫中的雜質(zhì),影響焊縫質(zhì)量,是一種有害的冶金反應(yīng)物;大部分金屬氧化物(如SiO2、MnO)則不溶于液態(tài)金屬,生成后會(huì)浮在熔池表面進(jìn)入渣中。而不同元素與氧的親和能力的大小不同,鋼中幾種常見(jiàn)金屬元素與氧的親和力大小排列順序是Al→Ti→Si→Mn→Fe。由于Al、Ti、Si等金屬元素與氧的親和力比Fe的強(qiáng),因此在焊接時(shí),常用Al、Ti、Si、Mn等金屬元素作為脫氧劑,如

Mn+FeO→MnO+Fe;Si+2FeO→SiO2+2Fe,進(jìn)行脫氧后,使其形成的氧化物不溶于金屬液,而進(jìn)入渣中浮出,從而凈化熔池,提高焊縫質(zhì)量。

氮和氫在高溫時(shí),能溶解于液態(tài)金屬內(nèi),氮能與鐵化合成Fe4N和Fe2N,它將以?shī)A雜物的形式存在于焊縫中;而氫的存在則引起氫脆(白點(diǎn))和造成氣孔。

那么,由于焊縫中存在著FeO、Fe4N等雜質(zhì)及氫脆和氣孔,以及合金元素被嚴(yán)重氧化和燒損,使得焊縫金屬的力學(xué)性能較差,尤其是塑性和韌性遠(yuǎn)比母材金屬低。

硫和磷是鋼中有害的雜質(zhì),焊縫中的硫和磷主要來(lái)源于母材、焊芯和藥皮。硫在鋼中以FeS形式存在,與FeO等形成低熔共晶聚集在晶界上,增加焊縫的裂紋傾向,同時(shí)降低焊縫的沖擊韌度和抗腐蝕性。磷與鐵、鎳等也可形成低熔點(diǎn)共晶,促進(jìn)熱裂紋的產(chǎn)生,磷化鐵硬而脆,會(huì)使焊縫的冷脆性加大。

因此,為了保證焊縫質(zhì)量,要從以下幾個(gè)方面采取措施:

(1)減少有害元素進(jìn)入熔池,其主要措施是機(jī)械保護(hù),如焊條電弧焊的焊條藥皮、埋弧焊的焊劑、氣體保護(hù)焊中的保護(hù)氣體(CO2、Ar2)。它們所形成的保護(hù)性熔渣和保護(hù)性氣體,使電弧空間的熔滴和熔池與空氣隔絕,防止空氣進(jìn)入;還應(yīng)清理坡口及兩側(cè)的銹、水、油污;烘干焊條,去除水分等。

(2)清除已進(jìn)入熔池中的有害元素,增添合金元素,主要通過(guò)焊接材料中的合金元素進(jìn)行脫氧、脫硫、脫磷、去氫和滲合金等,從而保證和調(diào)整焊縫的化學(xué)成分,提高焊縫的金屬力學(xué)性能。

焊接時(shí),電弧沿著工件逐漸移動(dòng)并對(duì)工件進(jìn)行局部加熱。在焊件橫截面上,愈靠近焊縫中心,被加熱的溫度愈高;離焊縫中心愈遠(yuǎn),被加熱的溫度愈低。低碳鋼焊件橫截面上的溫度變化見(jiàn)圖4-20。在焊接過(guò)程中,由于受到焊接熱的影響,焊件橫截面上各點(diǎn)相當(dāng)于受到一次不同程度的熱處理,必然有相應(yīng)的組織與性能變化。

圖4-20低碳鋼焊件橫截面上的溫度變化

(a)焊縫區(qū)各點(diǎn)溫度變化情況;(b)低碳鋼焊接接頭的組織變化4.2.2焊接接頭的組織與性能

焊接接頭由焊縫和熱影響區(qū)組成?,F(xiàn)以低碳鋼為例,來(lái)說(shuō)明焊縫及熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中金屬組織與性能的變化。

1.焊縫

焊縫金屬是由母材和焊條(絲)熔化形成的熔池冷卻結(jié)晶而成的。焊縫金屬屬于鑄態(tài)組織,在結(jié)晶時(shí),是以熔池和母材金屬的交界處的半熔化金屬晶粒為晶核,沿著垂直于散熱面方向反向生長(zhǎng)為柱狀晶,最后這些柱狀晶在焊縫中心相接觸而停止生長(zhǎng),則得到粗大的柱狀晶粒。同時(shí),硫、磷等低熔點(diǎn)雜質(zhì)易在焊縫中心形成偏析,使焊縫塑性下降,易產(chǎn)生熱裂紋,但由于焊縫冷卻速度快,加之焊條藥皮滲合金的作用使焊縫得到強(qiáng)化,因此焊縫金屬的性能不低于母材金屬。

2.焊接熱影響區(qū)

熱影響區(qū)是指焊縫兩側(cè)受到熱的影響而發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域??拷缚p部位溫度較高,遠(yuǎn)離焊縫則溫度越低,根據(jù)溫度的不同,把熱影響區(qū)分為熔合區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū),如圖4-20所示。

熔合區(qū)是熔池與固態(tài)母材的過(guò)渡區(qū),又稱(chēng)為半熔化區(qū)。該區(qū)加熱的溫度位于液固兩相線之間,成分及組織極不均勻,組織中包括未熔化但受熱而長(zhǎng)大的粗大晶粒和部分鑄態(tài)組織,導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性和韌性極差。這一區(qū)域很窄,僅有約0.1mm~1mm,但它對(duì)接頭的性能起著決定性的不良影響。

過(guò)熱區(qū)緊靠熔合區(qū),由于該區(qū)被加熱到很高溫度,在固相線至1100℃之間,晶粒急劇長(zhǎng)大,最后得到粗大晶粒的過(guò)熱組織,致使塑性、沖擊韌性顯著下降,易產(chǎn)生裂紋。此區(qū)寬度約1mm~3mm。

正火區(qū)金屬被加熱到比Ac3線(見(jiàn)圖1-34)稍高的溫度。由于金屬發(fā)生了重結(jié)晶,冷卻后得到均勻細(xì)小的正火組織,因此正火區(qū)的金屬力學(xué)性能良好,一般優(yōu)于母材。此區(qū)寬度約為1.2mm~4.0mm。

部分相變區(qū)被加熱到Ac1~Ac3(見(jiàn)圖1-34)之間,珠光體和部分鐵素體發(fā)生重結(jié)晶使晶體細(xì)化,而部分鐵素體未發(fā)生重結(jié)晶,得到較粗大的鐵素體晶粒。由于晶粒大小不一,致使其力學(xué)性能比母材稍差。

一般情況下,離焊縫較遠(yuǎn)的母材金屬被加熱到Ac1(見(jiàn)圖1-34)溫度以下,鋼的組織不發(fā)生變化。但對(duì)于經(jīng)過(guò)冷塑性變形的鋼材,在450℃~Ac1之間還將產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象,使鋼材軟化。

焊接熱影響區(qū)寬度愈小,焊接接頭的力學(xué)性能愈好。4.2.3熱影響區(qū)

1.影響熱影響區(qū)的因素

熱影響區(qū)的大小和組織性能變化的程度取決于焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式和焊接加熱溫度及冷卻速度等因素。不同焊接方法的熱源不同,產(chǎn)生的溫度高低和熱量集中程度就不同,而且采用的機(jī)械保護(hù)效果也不同,因此,熱影響區(qū)的大小也會(huì)不同。通常焊接熱量集中、焊接速度快時(shí),熱影響區(qū)就小。而同一種焊接方法采用不同的焊接工藝時(shí),熱影響區(qū)的大小也不相同。一般在保證焊接質(zhì)量的前提下,增大施焊速度、減小焊接電流都能減小焊接熱影響區(qū)。焊接方法對(duì)焊接熱影響區(qū)的影響如表4-6所示。表4-6焊接方法對(duì)焊接熱影響區(qū)的影響mm2.改善焊接熱影響區(qū)性能的方法

熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中是不可避免的。對(duì)于熱影響區(qū)較窄及危害較小的焊接構(gòu)件,焊后不需處理就能正常使用。但對(duì)于重要的焊接構(gòu)件及熱影響區(qū)較大的焊接構(gòu)件(如電渣焊焊接構(gòu)件),要充分注意到熱影響區(qū)的不良影響。改善焊接熱影響區(qū)性能的主要措施如下:

(1)熱影響區(qū)的冷卻速度應(yīng)適當(dāng)。對(duì)于低碳鋼,采用細(xì)焊絲、小電流、高焊速,可提高接頭韌度,減輕接頭脆化;對(duì)于易淬硬鋼,在不出現(xiàn)硬脆馬氏體的前提下適當(dāng)提高冷卻速度,可以細(xì)化晶粒,有利于改善接頭性能。

(2)進(jìn)行焊后熱處理。焊后進(jìn)行退火或正火處理可以細(xì)化晶粒,改善焊接接頭的力學(xué)性能。4.2.4焊接應(yīng)力與變形

1.焊接應(yīng)力

1)焊接應(yīng)力的形成原因

焊接過(guò)程中對(duì)焊件進(jìn)行局部的不均勻加熱,是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的根本原因。另外,焊縫金屬的收縮、金屬組織的變化以及焊件的剛性約束等都會(huì)引起焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。

焊接時(shí)由于對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱,焊縫區(qū)被加熱到很高溫度,兩邊母材金屬受焊接熱的影響,也被加熱到不同的溫度,越遠(yuǎn)離焊縫的部分被加熱溫度越低。根據(jù)金屬的熱脹冷縮特性,焊件上各部位因溫度不同,將產(chǎn)生不同的縱向膨脹。現(xiàn)以焊接低碳鋼平板對(duì)接焊縫為例進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)圖4-21所示的平板焊接加熱時(shí),焊縫區(qū)域溫度最高,兩端母材金屬的溫度隨著遠(yuǎn)離焊縫而逐漸降低,在自由伸長(zhǎng)的條件下,伸長(zhǎng)量應(yīng)為圖4-21(a)所示。但鋼板是一個(gè)整體,它不能實(shí)現(xiàn)自由伸長(zhǎng),各部分伸長(zhǎng)要相互牽制,平板整體的伸長(zhǎng)量為ΔL。因?yàn)楹缚p中心溫度最高,焊縫區(qū)的熱膨脹最大,但因受到周?chē)覆慕饘俚臓恐?,其膨脹受到限制,所以產(chǎn)生壓縮塑性變形,而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的金屬受到焊縫區(qū)膨脹的影響而產(chǎn)生拉應(yīng)力,使平板整體達(dá)到應(yīng)力平衡。在焊后冷卻時(shí),由于焊縫區(qū)金屬已產(chǎn)生了壓縮塑性變形,因此冷卻后的長(zhǎng)度將變短,如圖4-21(b)所示,但板料兩邊金屬阻礙了中心焊縫區(qū)的縮短,此時(shí),焊縫區(qū)受拉應(yīng)力,兩邊金屬受壓應(yīng)力并達(dá)到平衡。這些應(yīng)力將殘留在焊件內(nèi)部,稱(chēng)為焊接殘余應(yīng)力。

圖4-21平板焊接應(yīng)力分布

(a)焊接過(guò)程中;(b)冷卻后

2)焊接應(yīng)力的預(yù)防及消除措施

焊接應(yīng)力會(huì)引起焊件產(chǎn)生變形,而且直接影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能,使其有效承載能力降低。如果焊接應(yīng)力過(guò)大,還可使焊接結(jié)構(gòu)在焊后或使用過(guò)程中產(chǎn)生裂紋,甚至導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)脆斷。因此,對(duì)于一些重要的焊接結(jié)構(gòu)(如高壓容器等),焊接應(yīng)力必須加以防止和消除。在實(shí)際生產(chǎn)中常采用下列措施來(lái)消除和防止焊接應(yīng)力:

圖4-22焊接次序?qū)附討?yīng)力的影響

(a)合理次序;(b)不合理次序

(1)在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)選用塑性好的材料,避免焊縫密集交叉,焊縫截面過(guò)大及焊縫過(guò)長(zhǎng)。

(2)在施焊中要選擇正確的焊接次序,以防止焊接應(yīng)力及裂紋。焊接圖4-22所示的結(jié)構(gòu)時(shí),按圖4-22(a)中的次序1、2進(jìn)行焊接可減小內(nèi)應(yīng)力;如按圖4-22(b)中的焊接次序進(jìn)行焊接,就會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力,且在焊縫的交叉處易產(chǎn)生裂紋。

(3)焊前對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱是防止焊接應(yīng)力最有效的工藝措施,這樣可減弱焊件各部分溫差,從而顯著減小焊接應(yīng)力。

(4)焊接中采用小能量焊接方法或?qū)t熱狀態(tài)的焊縫進(jìn)行錘擊,亦可減小焊接應(yīng)力。

(5)消除焊接應(yīng)力最有效的方法是焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火,即將焊件加熱至500℃~600℃左右,保溫后緩慢冷卻至室溫。此外還可采用震動(dòng)法來(lái)消除焊接應(yīng)力。

2.焊接變形

1)焊接變形的形式及形成原因

焊接變形的形式是多種多樣的,其形成原因也較為復(fù)雜,與焊件結(jié)構(gòu)、焊縫布置、焊接工藝及應(yīng)力分布等諸多因素有關(guān)。幾種常見(jiàn)的變形形式及形成的原因如表4-7所示。

表4-7常見(jiàn)的變形形式及形成的原因

2)焊接變形的防止與矯正

焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形將影響其使用性,過(guò)大的變形量將使焊接結(jié)構(gòu)件報(bào)廢,因此須加以防止及矯正。

(1)防止焊接變形的措施。

焊接變形產(chǎn)生的主要原因是焊接應(yīng)力,預(yù)防焊接應(yīng)力的措施對(duì)防止焊接變形是十分有效的。

合理設(shè)計(jì)焊件結(jié)構(gòu)可有效防止焊件變形,例如,可使焊縫的布置和坡口形式盡可能對(duì)稱(chēng),采用大剛度結(jié)構(gòu),盡量減少焊縫總長(zhǎng)度等。

在焊接工藝上,對(duì)于不同的變形形式也可采取不同的措施防止焊接變形。例如,對(duì)易產(chǎn)生角變形及彎曲變形的構(gòu)件采用反變形法,即在焊前組裝時(shí)使工件反向變形,以抵消焊接變形,如圖4-23所示。對(duì)于焊縫較密集、易產(chǎn)生收縮變形的焊件可采用加裕量法,即在工件尺寸上加一個(gè)收縮裕量以補(bǔ)充焊后收縮,通常需增加0.1%~0.2%。薄板焊接時(shí)易產(chǎn)生波浪變形,為防止其產(chǎn)生,可采用剛性?shī)A持法,即將工件固定夾緊后施焊,焊后變形可大大縮小。

圖4-23反變形法防止焊接變形另外,選擇合理的焊接次序,也能有效防止焊接變形。如對(duì)X形坡口的焊縫采用對(duì)稱(chēng)焊,如圖4-24所示。對(duì)易產(chǎn)生扭曲變形的工字梁與矩形梁焊接,以及多板焊接時(shí)也可采用對(duì)稱(chēng)焊防止變形,如圖4-25所示。

圖4-24X形坡口焊接次序

(a)合理次序;(b)不合理次序

圖4-25對(duì)稱(chēng)焊接對(duì)于長(zhǎng)焊縫的焊接,為防止焊接變形,可采用分段焊或逆向分段焊,如圖4-26所示。

圖4-26分段焊法

(2)焊接變形的矯正。

矯正過(guò)程的實(shí)質(zhì)是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的變形來(lái)抵消已產(chǎn)生的變形。常用的矯正方法有機(jī)械矯正法和火焰加熱矯正法。

機(jī)械矯正法是利用機(jī)械外力使焊件產(chǎn)生塑性變形的矯正變形法??刹捎脡毫C(jī)、輥床等機(jī)械外力,也可用手工錘擊矯正,如圖4-27所示。

圖4-27機(jī)械矯正法火焰加熱矯正法通常采用氧-乙炔火焰在焊件的適當(dāng)部位上加熱,使焊件在冷卻收縮時(shí)產(chǎn)生與焊接變形大小相等、方向相反的變形,以抵消焊件變形,但要求加熱部位必須準(zhǔn)確。加熱溫度一般應(yīng)控制在600~800℃,如圖4-28所示。

圖4-28火焰加熱矯正法

3.常見(jiàn)的焊接缺陷

在焊接生產(chǎn)過(guò)程中,由于設(shè)計(jì)、工藝、操作中各種因素的影響,往往會(huì)產(chǎn)生各種焊接缺陷。焊接缺陷不僅會(huì)影響焊縫的美觀,還有可能減小焊縫的有效承載面積,造成應(yīng)力集中而引起斷裂,直接影響焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性。表4-8列出了常見(jiàn)的焊接缺陷及其產(chǎn)生的原因。

表4-8常見(jiàn)焊接缺陷及其產(chǎn)生原因

4.3.1金屬材料的焊接性

1.金屬焊接性的概念

金屬焊接性能是金屬材料的工藝性能之一,是金屬材料對(duì)焊接加工的適用程度。它主要是指在一定的焊接工藝條件下,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度,以及在使用過(guò)程中安全運(yùn)行的能力。4.3常用金屬材料的焊接焊接性一般包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是工藝焊接性,主要是指在一定的焊接工藝條件下,出現(xiàn)各種焊接缺陷的可能性,即能得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力;二是使用焊接性,主要指焊接接頭在使用過(guò)程中的可靠性,即焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件規(guī)定的使用性能的程度,包括焊接接頭的力學(xué)性能及其他特殊性能(如耐腐蝕性、耐熱性等)。

金屬的焊接性與金屬本身的性質(zhì)有關(guān),又與焊接方法、焊接材料、焊接的工藝條件有關(guān)。同一種金屬材料,采用不同的焊接方法、不同的焊接工藝或焊接材料,其焊接性會(huì)有很大差別。例如,采用焊條電弧焊和氣焊焊接鋁合金,難以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭,但采用氬弧焊焊接鋁合金,則容易達(dá)到質(zhì)量要求。

2.焊接性評(píng)定方法

在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中,最常用的金屬材料是鋼,影響鋼的焊接性的主要因素是其化學(xué)成分,因此,可以根據(jù)鋼材的化學(xué)成分來(lái)估算其焊接性好壞。通常把鋼中的碳和合金元素的含量,按其對(duì)焊接性影響的程度,換算成碳的相當(dāng)含量,其總和稱(chēng)為碳當(dāng)量。在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)于碳鋼、低合金鋼等鋼材,常用碳當(dāng)量估算其焊接性。

國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式如下:

式中化學(xué)元素符號(hào)都表示該元素在鋼中含量的百分?jǐn)?shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可得到以下結(jié)論:

(1)C當(dāng)量<0.4%時(shí),鋼材塑性?xún)?yōu)良,淬硬傾向不明顯,焊接性?xún)?yōu)良,焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱,只有在焊接厚板(厚度大于35mm)或在低溫條件下焊接時(shí)可考慮采用預(yù)熱措施。

(2)C當(dāng)量=0.4%~0.6%時(shí),鋼材塑性下降,淬硬傾向明顯,焊接性能較差,焊前構(gòu)件需預(yù)熱,并控制焊接工藝參數(shù),采取一定的工藝措施。

(3)C當(dāng)量>0.6%時(shí),鋼材塑性較低,淬硬傾向很強(qiáng),焊接性極差,必須采用較高的預(yù)熱溫度及嚴(yán)格的焊接工藝措施,才能保證焊接質(zhì)量。

碳當(dāng)量法只考慮了鋼材本身性質(zhì)對(duì)焊接性的影響,而沒(méi)有考慮到結(jié)構(gòu)剛度、環(huán)境溫度、使用條件及焊接工藝參數(shù)等因素對(duì)焊接性的影響,因而是比較粗略的。在實(shí)際生產(chǎn)中確定鋼材的焊接性時(shí),除初步估算外,還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行抗裂試驗(yàn)及進(jìn)行焊接接頭使用可靠性的試驗(yàn),據(jù)此制定合理的焊接工藝規(guī)程。4.3.2常用金屬材料的焊接

1.碳鋼的焊接

1)低碳鋼的焊接

Q235、10、15、20等低碳鋼是應(yīng)用最廣泛的焊接結(jié)構(gòu)材料。低碳鋼的含碳量小于0.25%,碳當(dāng)量小于0.4%,一般沒(méi)有淬硬、冷裂傾向,焊接性良好,一般不需要采取特殊的工藝措施,焊后也不需要進(jìn)行熱處理??傊瑢?duì)低碳鋼所有的焊接方法都會(huì)得到滿意的焊接效果。對(duì)于厚度較大(厚度大于35mm)的低碳鋼結(jié)構(gòu),常用大電流多層焊,焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力。在低溫環(huán)境下焊接剛度較大的結(jié)構(gòu)時(shí),要考慮預(yù)熱,且預(yù)熱溫度一般不超過(guò)150℃。

采用熔化焊焊接結(jié)構(gòu)鋼時(shí),選擇焊接材料及焊接工藝應(yīng)保證焊縫與工件材料等強(qiáng)度的要求。焊接一般低碳鋼結(jié)構(gòu)時(shí),可選用E4303、E4313、E4320焊條;焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)或厚板結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)選用抗裂性好的低氫型焊條,如E4315、E5015、E4316等。

2)中碳鋼的焊接

實(shí)際生產(chǎn)中,主要是焊接各種中碳鋼的鍛件和鑄件。這類(lèi)鋼含碳量在0.25%~0.60%之間,有一定的淬硬傾向,焊接接頭容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織和冷裂紋,焊接性較差。中碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)多為鍛件和鑄鋼件。

中碳鋼屬于易淬火鋼,在熱影響區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生馬氏體等淬硬組織,當(dāng)焊件剛性較大或焊接工藝不當(dāng)時(shí),就會(huì)在淬火區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)由于母材的含碳量與硫、磷雜質(zhì)的含量遠(yuǎn)高于焊芯,母材熔化后進(jìn)入熔池,使焊縫的含碳量增加,導(dǎo)致塑性下降。加上硫、磷等低熔點(diǎn)雜質(zhì)的存在,使焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大,因此,焊接中碳鋼構(gòu)件,焊前必須預(yù)熱,以減小焊接時(shí)工件各部分的溫差,減小焊接應(yīng)力。一般情況下,預(yù)熱溫度為150℃~250℃。當(dāng)含碳量較高、結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí),預(yù)熱溫度應(yīng)更高些。另外還要嚴(yán)格要求焊接工藝,選用抗裂性好的低氫型焊條(如E4315、E5016、E6016)。焊后要緩冷,并及時(shí)進(jìn)行熱處理以消除焊接應(yīng)力。

由于中碳鋼多用于制造各類(lèi)機(jī)械零件,焊縫長(zhǎng)度不大,焊接中碳鋼時(shí)一般多采用焊條電弧焊,厚件也可采用電渣焊。

3)高碳鋼的焊接

高碳鋼的碳當(dāng)量大于0.6%,淬硬、冷裂傾向更大,焊接性極差。焊接時(shí)需更高溫度的預(yù)熱及采取嚴(yán)格的焊接工藝措施。實(shí)際上,高碳鋼一般不用作焊接結(jié)構(gòu)件,大多采用手工電弧焊或氣焊進(jìn)行修補(bǔ)工件缺陷的一些焊補(bǔ)工作。

2.合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

合金結(jié)構(gòu)鋼分為機(jī)械制造合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼兩大類(lèi)。焊接結(jié)構(gòu)中,用的最多的是低合金結(jié)構(gòu)鋼,也稱(chēng)為普通低合金鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼屬?gòu)?qiáng)度用鋼,按其屈服強(qiáng)度可以分為九級(jí),即300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。按鋼材強(qiáng)度級(jí)別的不同,焊接特點(diǎn)及焊接工藝也有所不同。

對(duì)強(qiáng)度級(jí)別較低(σs≤300MPa~400MPa)的鋼,所含碳及合金元素較少,其碳當(dāng)量小于0.4%,其淬硬、冷裂傾向都較小,焊接性好。在常溫下焊接時(shí),可以采用類(lèi)似于低碳鋼的焊接工藝。在低溫環(huán)境或在大剛度、大厚度構(gòu)件上進(jìn)行小焊腳、短焊縫焊接時(shí),應(yīng)防止出現(xiàn)淬硬組織,要采用焊前預(yù)熱(100℃~150℃),適當(dāng)增大電流,減慢施焊速度,選用抗裂性好的低氫型焊條等工藝措施。

對(duì)強(qiáng)度級(jí)別較高(σs≥450MPa)的低合金鋼,其碳及合金元素含量也較高,碳當(dāng)量大于0.4%,焊接性較差。主要表現(xiàn)在:一方面熱影響區(qū)的淬硬傾向明顯,熱影響區(qū)易產(chǎn)生馬氏體組織,硬度增高,塑性和韌性下降;另一方面,焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的傾向加劇。影響冷裂紋的因素主要有三:一是焊縫及熱影響區(qū)的含氫量,二是熱影響區(qū)的淬硬程度,三是焊接接頭殘余應(yīng)力的大小。因此,對(duì)強(qiáng)度級(jí)別較高的低合金鋼焊接時(shí),焊前一般均需預(yù)熱,預(yù)熱溫度大于150℃。焊后還應(yīng)進(jìn)行熱處理,以消除內(nèi)應(yīng)力。優(yōu)先選用抗裂性好的低氫型焊條(如E6015-D1、E6016-D1等);焊接時(shí),要選擇合適的焊接規(guī)范以控制熱影響區(qū)的冷卻速度。

低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量較低,對(duì)硫、磷控制較嚴(yán),手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和電渣焊均可用于此類(lèi)鋼的焊接,其中手工電弧焊和埋弧焊比較常用。

3.鑄鐵的焊補(bǔ)

鑄鐵含碳量高,硫、磷雜質(zhì)多,組織不均勻,塑性極低,屬于焊接性很差的材料,一般不用作焊接構(gòu)件。但鑄鐵件在生產(chǎn)和使用過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)各種鑄造缺陷及局部損壞或斷裂,此時(shí)可采用焊補(bǔ)的方法進(jìn)行修復(fù),使其能繼續(xù)使用。

鑄鐵焊補(bǔ)時(shí)易產(chǎn)生如下缺陷:

(1)易產(chǎn)生白口組織。由于焊補(bǔ)時(shí)為局部加熱,焊補(bǔ)區(qū)冷卻速度極快,不利于石墨析出,因此極易產(chǎn)生白口組織,其硬度很高,焊后很難進(jìn)行機(jī)械加工。

(2)易產(chǎn)生裂紋。鑄鐵強(qiáng)度低、塑性差,當(dāng)焊接應(yīng)力較大時(shí),焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生裂紋。

(3)易產(chǎn)生氣孔。鑄鐵含碳量高,焊補(bǔ)時(shí)易形成CO和CO2氣體,由于結(jié)晶速度快,熔池中的氣體來(lái)不及逸出而形成氣孔。

目前,鑄鐵的焊補(bǔ)方法有焊條電弧焊、氣焊、釬焊、細(xì)絲CO2焊等,應(yīng)用較多的是焊條電弧焊。按焊前是否預(yù)熱,鑄鐵焊補(bǔ)可分為熱焊法和冷焊法兩大類(lèi)。

1)熱焊法

所謂熱焊法,就是焊前將鑄件整體或局部加熱至600℃~700℃,焊補(bǔ)過(guò)程中,溫度始終不低于400℃,焊后緩慢冷卻。熱焊法能有效地防止白口組織和裂紋的產(chǎn)生,焊補(bǔ)質(zhì)量較好,焊后可進(jìn)行機(jī)械加工。但熱焊法勞動(dòng)條件差,成本高,生產(chǎn)率低,一般只用于焊后需進(jìn)行加工的重要鑄件,如汽缸體、床頭箱等。

2)冷焊法

所謂冷焊法,就是焊前工件不預(yù)熱或只進(jìn)行400℃以下的低溫預(yù)熱。冷焊法焊補(bǔ)時(shí),主要依靠焊條來(lái)調(diào)整焊縫的化學(xué)成分,以減小白口組織和裂紋傾向。焊接時(shí),應(yīng)盡量采用小電流、短焊弧、窄焊縫、短焊道焊接,焊后立即用錘輕擊焊縫,以松弛焊接應(yīng)力。冷焊法比熱焊法生產(chǎn)效率高,勞動(dòng)條件好,但焊接質(zhì)量較差,焊補(bǔ)處切削加工性較差。

焊補(bǔ)鑄鐵常用的焊條有鑄鐵芯鑄鐵焊條、鋼芯石墨化鑄鐵焊條、鎳基鑄鐵焊條和銅基鑄鐵焊條等。其中前兩種焊條適用于一般非加工表面的焊補(bǔ);鎳基鑄鐵焊條適用于重要鑄件的加工面焊補(bǔ);銅基焊條主要用于焊后需加工的灰口鑄鐵件的焊補(bǔ)。

4.有色金屬及合金的焊接

1)銅及銅合金的焊接

銅及銅合金的導(dǎo)熱性好,熱容量大,母材和填充金屬不能很好熔合,易產(chǎn)生焊不透現(xiàn)象,并且線膨脹系數(shù)大,凝固時(shí)收縮率大,易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。而銅在液態(tài)時(shí)吸氣性強(qiáng),特別是易吸收氫,凝固時(shí)隨著對(duì)氣體溶解度的減小,如果氣體來(lái)不及析出,則易產(chǎn)生氣孔;銅合金中的合金元素易氧化燒損,使焊縫的化學(xué)成分發(fā)生變化,性能下降。

為解決上述問(wèn)題,銅及其合金在焊接工藝上要采取一系列措施及采用相應(yīng)的焊接方法。主要焊接方法有氬弧焊、氣焊、焊條電弧焊及釬焊。銅的電阻值極小,不宜采用電阻焊進(jìn)行焊接。氬弧焊時(shí),氬氣能有效地保護(hù)熔池,焊接質(zhì)量較好,對(duì)紫銅、黃銅、青銅的焊接都能達(dá)到滿意的效果。氣焊多用于焊接黃銅,這是由于氣焊的溫度較低,焊接過(guò)程中鋅的蒸發(fā)較少。焊條電弧焊時(shí)應(yīng)選用相應(yīng)的銅及銅合金焊條。

2)鋁及鋁合金焊接

鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn)是鋁易氧化成氧化鋁(Al2O3),它熔點(diǎn)高(2050℃),組織致密,比重大,易引起焊縫熔合不良和氧化物夾渣;氫能大量熔入液態(tài)鋁而幾乎不熔于固態(tài)鋁,因此熔池在凝固時(shí)易產(chǎn)生氫氣孔;鋁的膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形,甚至開(kāi)裂;鋁在高溫時(shí)的強(qiáng)度低、塑性差,焊接時(shí)由于不能支持熔池金屬的重量會(huì)引起焊縫的塌陷和焊穿,因此常需要墊板。

用于焊接的鋁合金主要有鋁錳合金、鋁鎂合金及鑄造鋁合金。高強(qiáng)度鋁合金及硬鋁的焊接性很差,不適宜焊接成型。

目前,鋁及鋁合金常用的焊接方法有氬弧焊、氣焊、電阻焊和釬焊。氬弧焊的效果最好。氣焊時(shí)必須采用氣焊熔劑(氣劑401),以去除表面的氧化物和雜質(zhì)。不論采用哪種焊接方法,在焊前必須用化學(xué)或機(jī)械方法去除焊接處和焊絲表面的氧化膜和油污,焊后必須沖洗。對(duì)厚度超過(guò)5mm~8mm的焊件,預(yù)熱至100℃~300℃,以減小焊接應(yīng)力,避免裂紋,且有利于氫的逸出,防止氣孔的產(chǎn)生。

4.4.1焊接結(jié)構(gòu)材料及焊接方法的選擇

1.焊接結(jié)構(gòu)材料

在選擇焊接結(jié)構(gòu)材料時(shí),主要考慮兩個(gè)方面的要求。一方面要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作條件等性能要求,以滿足焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性;

4.4焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

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