焊接工程基础教案

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1、学习必备欢迎下载第一章和第二章合并电弧焊基础知识焊接:通过适当的物理化学过程（加热或者加压，或者两者同时进行，用或不用填充材料）使两个分离的固态物 体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。二 电弧的概念：电弧是在一定条件下电荷通过电极间气体空间的一种导电过程，或者说是一种气体放电现象。三 电弧中带电粒子的产生：电弧是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电弧中的带电粒子主要依靠两电极 之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生的，同时也伴随着解离、激励、扩散、复合、负离子的产生 等过程。四电离与激励（一）电离：在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。电离的种

2、类： 1 热电离： 高温下气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离称为热电离。2.电场电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程称为电场作用下的电离。3.光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。（二）电子发射：金属表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象。1、 热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象。热阴极：W、C 电极的最高温度不能超过沸点；冷阴极： Fe,Cu,AI,Mg等。影响因素：温度、材质、表面形态2、 电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的自由电子受此电场静电库伦力的作用，当 此力达到一定程度时，

3、电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。对低沸点材料，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。影响因素：温度、材质、电场大小3、 光发射：当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外 面来，这种现象称为光发射。4、 粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或离子）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的自由电子，使其 能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。在一定条件下，粒子碰撞发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。（三）.负离子形成在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子，形成过程中放出热量。表征形成负离子的能力，用电子亲和能表

4、示。亲和能大，电弧气氛中形成的负离子就多，电弧的导电能力就差。负离子形成一般发生在电弧的外围温度低的区域，中性原子或分子捕获运动动能较低的电子。五、焊接电弧的构成及其导电特性（一）电弧的组成区域：阴极区 10-410-6cm ; 弧柱区：阳极区 10-210-3cm六阴极区的导电机构1. 热发射型导电机构；2.电场发射型导电机构；3.等离子型导电机构七、1.阴极斑点：阴极通过微小的斑点发射电子，这些斑点上的电流密度很高， 称为阴极斑点。电流密度：5X105107A/cm 2。形成阴极斑点的条件决定了焊接过程中一些现象的产生，即阴极表面上热发射性能强的物质有吸引电弧的作用；阴极斑点有自动跳向温度

5、高、热收射强的物质上的性能。如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在 时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。2. 阳极斑点：由于阳极斑点的形成条件之一是金属的蒸发，因此金属表面覆盖氧化膜时，同阴极斑点的情况相 反，阳极斑点则有避开氧化膜而去自动寻找纯金属表面的倾向。八、电弧力1. 电磁力：当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体断面有收缩的倾向，这种收缩现象谓之电磁收缩效应，而作用的力称为电磁收缩力或电磁 力。2. 等离子流力：在电弧中由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力称为等离子流力。等离子流力除 影响焊缝形状外， 它还有促进熔滴过渡

6、、搅拌熔池、增加电弧的挺度等作用。3. 斑点力：斑点力在一定条件下将阻碍焊条熔化金属的过渡。4.爆破力： 熔滴短路过渡时由电磁收缩力及液柱小桥气化爆断引起，促进短路过渡，但会造成飞溅。5.细熔滴冲击力： 富Ar气体射流过渡焊接时，熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴向高速射向熔池，产生很大的冲击力，此力加上电磁力、等离子流力，极易造成指状熔深。九、电弧自身磁场的作用（一）是产生磁收缩力，促进熔滴过渡，保证一定的熔深，使电弧具有刚直性；影响因素：电流大小；气体介质 压缩程度；电极形状 （二）是在一定条件下，会带来磁偏吹现象，使电弧不稳定，影响焊 接过程及焊缝成形。种类导线接线位置引起的磁偏吹（直流）电弧

7、附近的铁磁物质引起的磁偏吹；剩磁引起的磁偏吹交流电弧的磁偏吹解决办法：以交代直；短弧焊；工件消磁、避免周围铁磁物质；对于长和大的工件可采用两边连接地线的方法；选用厚皮焊条。十一、焊丝的熔化速度、熔化系数及影响因素（一）熔化速度：单位时间熔化焊丝的重量或长度（ m/h ； g/h）。（二） 熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝熔化的重量或长 度（m/Ah;g/A h）。影响因素焊接电流与电压电流极性保护气体介质电阻热十二、熔滴过渡概念：焊丝（条）端头的金属在电弧热作用下被加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊 丝（条）进入熔池，称之为熔滴过渡。十三熔滴上的作用力（一）表面张力表面张力一方面

8、使熔滴形成缩颈，另一方面是熔滴的主要维持力。1与材料成分有关2 熔滴上有表面活化物质时，可以大大降低表面张力系数3 与气体介质有关 4 与熔滴温度有关（二）重力：作用：平焊（推力）；立、仰焊（阻力）（三）电磁力：当dGdD易过渡；dG1临（三）短路过渡采用较小电流和低电压焊接时，熔滴在未脱离焊丝端头前就与熔池直接接触，电弧瞬时熄灭短路，熔滴在短路电流产生的电磁收缩力及液体金属的表面张力作用下过渡到熔池中。 短路过渡形式的电弧稳定，飞溅较小，成形良好，是目前薄板件和全位置焊接生产中常用的焊接方式。（四）渣壁过渡形成条件：涂料焊条手弧焊，埋弧焊十五 熔敷效率和熔敷系数1过渡到焊缝中的金属重量与使用

9、焊丝重量之比成为熔敷效率，用nm表示。2熔敷系数是指单位时间、单位焊接电流内所熔敷到焊缝上的焊丝金属重量，用ay表示。十六 飞溅电弧焊过程中，把飞到熔池外而损失掉的那部分焊丝熔化金属称之为飞溅。十七、焊缝和熔池的形状 及尺寸（一）焊缝形状 焊缝形状是指焊缝横截面的形状，一般以熔深B、熔宽H和余高a来表示。十八、焊接条件对焊缝成形影响：1电流主要确定熔深；2电弧电压主要确定熔宽；3焊接速度重要参数（二）其他因素的影响 1电流种类、极性熔化极焊直流反接时的H、B大，Pk大。TIG焊正接时H , B大，PA大2焊丝直径和伸出长度：电弧收缩BJ般情况下，血同时需提高UfL f-Pmf第三章 埋弧焊一

10、1埋弧焊是 电弧在焊剂层下燃烧，焊丝自动送进的电弧焊方法。2特点：1） 生产效率高 2 ）焊缝质量高（气、渣联合保护）3）劳动条件好（无弧光辐射，自动化操作）4 ）适合于焊黑色金属和不易氧化的金属；厚板；长缝；平焊缝二焊剂的分类1按制造方式分：1）熔炼焊剂熔炼温度15001600 C 2）烧结焊剂；2按熔渣碱度分1）酸性 工艺性能好，交直流两用，焊缝韧性低2）中性 性能介于酸碱性之间 3）碱性反之；3熔炼焊剂分类：1） MnO （无、低、中、高）2） Si02 （低、中、高）3） CaF2 （低、中、高）三常用埋弧焊技术：1焊前准备1坡口设计及加工：S 14mm可不开坡口 ； 14 S 22m

11、m开“ V”口 ； 22 S 50mm开“X坡口。； 另还有“U、双面“U形，因加工较难故用得较少。 坡口加工：用刨边机或气割 2焊前清理 焊缝20毫米内 的锈斑、油污、氧化皮清理干净四常见缺陷及防止办法：1成形缺陷 熔宽不均匀、余高大、咬边、未焊透、烧穿、熔池流淌2冶金缺陷：1）气孔 2）裂缝 3）夹渣第四章 熔化极气体保护电弧焊、熔化极气体保护焊原理 二依据焊丝结构分类：1实芯焊丝气体保护焊 2药芯焊丝电弧焊；依据保护气体分类：1）惰性气体保护焊 2）混合气体保护焊3 CO2气体保护焊三、气体选择遵循的原则：1对焊缝性能无害原则 2改善工艺及焊缝质量原则3提高工艺技术水平原则四熔滴过渡类型

12、的选择：1 MIG焊常用的熔滴过渡形式主要有连续射流过渡（包括射流过渡、亚射流过渡和旋转射流过渡）、脉冲射流过渡和短路过渡。2射流过渡主要用于中厚板和大厚板的水平对接及水平角接；脉冲射流过渡除可用于上述情况外，还可用于全位置焊接；3短路过渡一般用于薄板及全位置焊接五、焊缝起皱及解决办法：1在增大电流时，当阴极斑点在弧坑集中，引起电弧力剧增，从而将高温熔化金属由弧坑排挤到工件表面，形成未熔合和氧化 、氮化。这种过程引起的焊缝表面焊接质量问题总称为焊缝起皱。2解决办法：1）减小焊接电流，减小电弧力2） 压低电弧，减小阴极斑点的活动区3）加强气体保护，防止弧坑金属与工件表面金属氧化、氮化六1亚射流过

13、渡的特点：短弧，碟状电弧，啪啪”声，熔滴过渡频率减小，熔滴尺寸增大。2铝焊丝亚射流过渡重要特性：焊丝熔化系数随可见弧长的缩短而增大。3亚射流过渡焊接的特点弧长小，保护效果更好，阴极雾化作用更强。恒流外特性，焊缝成形均匀 碟形”电弧，碗形”熔深七熔化极混合气体保护焊1、 He比Ar热导率高，电弧电压高，价格高Ar+He电弧温度提高，射流 宀射滴，改善焊缝成形，提高焊缝致 密度，尤其适于焊铝及其合金，铜及其合金和热敏感性强的高导热材料。2、 Ar+02Ar+15%02 焊不锈钢、高合金钢，克服阴极漂移，射流过渡，指状熔深。Ar+20%02 焊普低钢，提高电弧温度，改善指状熔深3 Ar+C02 Ar

14、+30%CO2 :焊碳钢、普低钢，冲击韧性好，工艺性能好，克服了纯Ar阴极漂移、气孔、咬边、焊缝成形不良、指状熔深等问题。4 Ar+CO2+O2 Ar+15%C02+5%02 :焊低碳钢、低合金钢，最佳的焊缝成形，接头质量，熔滴过渡和电弧的稳 定性。5 Ar+N2 Ar+20%N2提高电弧功率，价廉，质量不如Ar+He存在飞溅、成形稍差。焊铜及其合金 。6 Ar+H2 焊 Ni及其合金Ar+O,I=O） ; 2、 焊接 （F= Fw, O,l=lw ）3、维持（F0 ,1=0 ） 4、休止（F =0,1=0七 对焊对焊分为电阻对焊和闪光对焊两种。八 闪光对焊过程分析：连续闪光对焊焊接循环由闪光

15、、顶锻、保持、休止等程序组成。预热闪光对焊则在其焊接循环中上设有预热程序。第九章金属焊接性基础一、金属焊接性的定义：金属材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力 1金属的焊接性能包括两方面的内容：工艺性能；使用性能。工艺性能：工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。包括热焊接性和冶金焊接性两方面。1） 热焊接性是指焊接热过程对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度，它用于评定被焊金属对热作用的敏感性。2）冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，它包括合金元素的氧化、还原、蒸发、氢、氧、氮 的溶解，对气孔、夹杂

16、、裂纹等缺陷的敏感性。使用性能：使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括常规的力学性能，低温韧性，高温蠕变，疲劳性能，持久强度，以及抗腐蚀性和耐磨性等。二、影响焊接性的因素1.材料因素 母材、焊接材料2.工艺因素 焊接方法、焊接工艺参数和焊后热处理等 3 .设计因素 结构形式、接头形式、接口断面的过渡、焊缝的位置，以及某些部位焊缝的集中程度造成多向应力的状态等 4.服役条件 工作温度、受载类别和工作环境等。三钢焊接性判据 ：1碳当量法 2冷裂纹敏感指数（Pc）。四、常用焊接性试验方法：（一） 斜Y形坡口焊接裂纹试验法主要用于评定母材金属焊接热影响区的冷裂纹倾向。（二）插

17、销试验是测定钢材焊接热影响区冷裂纹敏感性的一种定量试验方法插销试验的。基本原理是：根据产生冷裂纹的三大因素（即钢的淬硬倾向、氢的行为和局部区域的应力状态），以定量的方法测出被焊钢焊接冷裂纹的 临界应力”，作为冷裂纹敏感性指标。第十章合金结构钢及铸铁的焊接一、合金结构钢的分类合金结构钢可分两类：1、强度用钢：热轧及正火钢；低碳调质钢；中碳调质钢。2、特殊用钢：珠光体耐热钢；低温用钢；耐腐蚀钢二、合金结构钢焊接性分析1、结晶裂纹 1）热轧正火钢不容易出现热晶裂纹；2 ）低碳调质钢焊缝中的结晶裂纹倾向较小 。3）中碳调质钢有较大的结晶裂纹的倾向2、液化裂纹主要取决于 Mn/S比和含碳量。高镍低锰的高

18、强钢种，液化裂纹倾向较大。此外，液化裂纹的倾向随热输入的增大而增加。3、冷裂纹高强钢焊接时，随着钢种强度级别的提高，产生冷裂纹的倾向增大。产生冷裂纹的主要因素是：焊缝中的扩散氢含量、 接头的拘束程度以及金属的淬硬组织。4、 再热裂纹 5、 层状撕裂 6、热影响区性能1）、焊接热影响区的脆化 2 ）、焊接热影响区的软化三铸铁的焊接1铸铁焊接主要应用于以下方面：1、铸造缺陷的补焊 2、损坏铁铸件的补焊 3、零件的生产 2铸铁的种类按照石墨形态与基体组织的不同，把铸铁分为以下几类：1 ）、灰铸铁2）、可锻铸铁 3）球墨铸铁4）、白口铸铁 5 ）、蠕墨铸铁四 灰铸铁的焊接性1 、焊接接头白口及淬硬组织

19、1） 焊缝区焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体组成，即焊缝基本为白口铸铁组织。2）半熔化区该区域很窄，温度处于液相线和固相线之间，其范围为11501250 C,是固相奥氏体与部分液相并存的区域。该区冷却速度快，有些组织转变为马氏体或莱氏体或二次渗碳体等，形成 白口。 3）奥氏体区该区处于共晶转变温度下限与共析转变温度上限之间，加热温度范围约为 8201150 C,此区无液相出现。加热后冷却时，如果冷却速度较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，在共析转变快时，奥 氏体转变为珠光体类型的组织；冷却更快时，会产生马氏体与残余奥氏体。由于以上的原因，该区硬度比母材有 一定的提高。2、焊接裂纹 铸

20、铁焊接时出现的裂纹可分为冷裂纹和热裂纹两类。1） 冷裂纹 （1） 焊缝中的冷裂当焊缝为铸铁型时，较易出现这种裂纹。当采用异质焊接材料焊接，使焊缝成为奥氏体、铁素体或铜基焊缝时， 由于焊缝金属有较好的塑性，配合采用合理的冷焊工艺，焊缝金属不易出现冷裂纹避免措施：对焊件进行整体加热（550700C）,使温差减小，降低焊接应力；采用加热减应区法降低补焊处所受的应力。（2）热影响区的冷裂纹该种裂纹多数发生在含有较多渗碳体及马氏体的热影响区，在某些情况下也可能发生在离熔合线稍远的热影响区。避免措施：对焊件进行整体预热，使温差减小，降低焊接应力；裁丝法 2） 热裂纹当采用低碳钢与镍基铸铁焊条冷焊时，则焊缝

21、较易出现属于热裂纹的结晶裂纹避免热裂纹的措施：冶金措施：通过调整焊缝化学成分，使其脆性温度区间缩小；加入稀土元素，增强脱 S、P反应，以及使晶粒细化等途径，以提高焊缝的抗热裂纹性能。工艺措施：采用正确的冷焊工艺，使焊接应力降低；使母材中的有害杂质较少熔入焊缝。第十一章 耐热钢、不锈钢的焊接耐热钢的类型1、按特性分类热稳定钢；热强钢2、按合金元素的质量分数分类低合金耐热钢；中合金耐热钢；高合金耐热钢3、按组织分 珠光体耐热钢；马氏体耐热钢；铁素体耐热钢；奥氏体耐热钢二不锈钢腐蚀失效形式不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力开裂等五种。三、奥氏体钢的焊接性一）焊接热裂纹1

22、、产生热裂纹的主要原因1）合金元素含量多镍；硅、硼、铌等； 2）焊缝形成方向性强的粗大柱状晶组织3）热导率小、线膨胀系数大。2、防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施：（1） 冶金措施 a严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。b、调整焊缝化学成分（2） 工艺措施 a、控制热输入；b、液化裂纹主要出现在 25-20型奥氏体不锈钢的焊接接头中，防止液化裂纹的产生，要严格限制母材中的杂质含量，控制母材晶粒度，在工艺上采取高能量密度的焊接方法、小热输入和提高接头的冷却速度等（二）接头耐腐性 根据母材类型和所采用的焊材与工艺的不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生焊缝晶间腐蚀、HAZ敏化区晶间腐蚀、熔合区刀状

23、腐蚀。（1）、晶间腐蚀产生原因：奥氏体钢焊缝和HAZ敏化区的晶间腐蚀，都与敏化处理使晶界形成贫铬层有关。焊缝产生晶间腐蚀有两种情况：一种是焊态下已有Cr23C6析出；另一种为接头在焊态下无贫铬层，焊后经历了敏化处理，因而具有晶间腐蚀倾向。2） 防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施a冶金措施：焊缝金属具有奥氏体-铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应超过4%12%。；在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、钽和锆等；最大限度的降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在不锈钢中室温溶解极限值 以下，使碳不能析出 Cr23C6。 b、工艺措施 选用合适的焊接方法；焊接参数的设定：在保证焊缝质量

24、的前提下，采用小的焊接电流、最快的焊接速度。操作方面尽量采用窄间隙、多层多道焊；在施焊过程中，焊接材料不能在熔池中摆动；强制焊接区的快速冷却；进行固溶处理或稳定化处理。（2）、刀状腐蚀产生原因：是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢焊接接头中。腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很窄，形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。高温过热和中温敏化是导致焊接接头过热区产生刀状腐蚀的重要条件。防止刀状腐蚀的措施：合理设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中；消除或降低焊接接头的残余应力；正确选用材料。2应力腐蚀开裂SCC

25、是在拉应力和特定的腐蚀介质共同作用下发生的一种破坏。SCC均发生在焊缝表面，裂纹多平行且近似垂至于焊道方向自表面开裂深入焊缝内部第十二章常用有色金属的焊接一 1根据合金的成分和生产工艺不同将铝合金分为两类： 铸造铝合金。成分小于 D点的合金 变形铝合金。成分大 由于凝固时发生共晶反应，熔点低、流动性好，适于铸造一一 2、在变形铝合金中，成分小于F点的不能热处理强化 理强化的铝合金，而成分位于F与D之间的合金，其固溶体变化，可进行固溶强化 +时效处理强化一一称为能热处理强化 二铝及其合金的焊接性铝及其合金焊接时主要问题有：1热裂纹问题 3、气孔问题 4、高强度铝合金接头失强、 弱 耐蚀性下降问题三铜及铜合金的焊接性较差，主要表现WiXlOO*变形铝合金和 于D点的合金， 铸造铝合金。称为不能热处 成分随温度而 的铝合金。氧化问题 2、 化问题 5、 为以下几个方面：（一）（二）焊缝成形能力差熔焊铜及大多数铜合金时容易出现难熔合、坡口焊不透和表面成形差的外观缺陷 焊缝及热影响区热裂倾向大也易形成低熔点共晶。线膨胀系数和收缩率都比较大，而且导热性强,热应力大。（三）容易形成气孔1扩散气孔2 反应性气孔（四）焊接接头性能下降四 钛及钛合金的焊接性（一） 焊接接头的污染（二） 焊接接头组织和性能的变化（三） 容易形成气孔（四）裂纹倾向大