熱動力機械制造基礎(chǔ)沈陽航空工業(yè)學(xué)院動力與能源工程學(xué)院牛玲第四章焊接工藝基礎(chǔ)知識焊接是將兩個分離的金屬通過加熱或加熱、加壓，產(chǎn)生原子的結(jié)合與擴散作用而形成永久性連接的工藝方法。根據(jù)焊接原理可歸納為三大類：(1)熔焊利用局部加熱，使焊件接頭處熔化并加入填充金屬，待其冷卻凝固后連接成整體的焊接方法，如氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊和激光焊等。(2)壓焊利用加熱或其他方法使金屬接頭處于半熔化或高塑性狀態(tài)，在足夠的壓力下產(chǎn)生塑性變形，通過原子間的結(jié)合連接金屬的焊接方法，如電阻焊、摩擦焊等。(3)釬焊利用低熔點釬料被加熱熔化，在焊件接頭處與母材相互擴散而形成焊接接頭的方法。釬焊可分為軟釬焊和硬釬焊。第一節(jié)手弧焊一、焊接電弧焊接電弧是在焊條與工件之間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的強烈而持久的放電現(xiàn)象。電弧引燃后，在電場力的作用下，弧柱中充滿高溫電離物質(zhì)，放出大量的熱能和強烈的弧光?？捎弥绷麟?，也可用交流電進行焊接。手弧焊(手工電弧焊)時，在焊條與工件之間產(chǎn)生高溫電弧，使局部金屬熔化形成小熔池，同時焊條不斷熔化填充在焊縫內(nèi)，冷卻凝固后形成焊接接頭。焊條藥皮在熔化過程中產(chǎn)生保護氣體和液態(tài)熔渣。保護氣體起隔絕空氣的作用，液態(tài)熔渣覆蓋在熔池上，保護液態(tài)金屬的冶金反應(yīng)盡量充分，從而保證焊縫的性能，如圖4—2所示。當電弧向前移動時，熔池冷卻凝固而新的熔池不斷產(chǎn)生，最終形成連續(xù)的焊縫。二、電焊條電焊條由藥皮和焊芯兩部分組成。在焊接時，焊芯作為電極和熔化后填充焊縫，藥皮的作用是：容易引燃電弧和提高電弧的穩(wěn)定性；造氣、造渣包圍和覆蓋熔池，保護焊縫；提供合金元素滲入焊縫，以保證焊縫的力學(xué)性能和焊接工藝性能。焊條按牌號編制共有結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條等十大類。其中，結(jié)構(gòu)鋼焊條為最常用的焊條焊條按熔渣化學(xué)性質(zhì)分為酸性焊條和堿性焊條。酸性焊條應(yīng)用十分廣泛，常用于要求不高的一般結(jié)構(gòu)的焊接。堿性焊條常用于重要結(jié)構(gòu)的焊接。常用直流電焊接。焊條的種類和牌號很多，各有適用范圍，選用時應(yīng)考慮：①在焊接低碳鋼和低合金鋼時，根據(jù)母材的強度選用相等強度的焊條；②對承受交變載荷和沖擊載荷，要求塑性、韌性較高以及厚度較大、形狀復(fù)雜的焊件，應(yīng)選用堿性焊條；③在焊接耐熱鋼、不銹鋼等材料時，一般應(yīng)選用與母材化學(xué)成分相同的焊條。三、焊接應(yīng)力和變形焊接過程中對焊件進行不均勻加熱而產(chǎn)生的膨脹、冷卻時的收縮，均受到周圍金屬的限制，使焊件產(chǎn)生了應(yīng)力和變形。為了防止焊接變形和裂紋、減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，經(jīng)常采取的工藝措施如下：(1)焊前預(yù)熱及焊后熱處理(2)選擇合理的焊接順序，如圖4-6所示。(3)剛性固定法(4)反變形法(5)錘擊焊縫法第二節(jié)其他焊接方法一、埋弧自動焊整個焊接機構(gòu)都裝在焊接小車上，控制操縱盤上的開關(guān)使小車自動均勻地向前移動，同時焊劑由漏斗流出，均勻地堆敷在裝配好的焊件上。自動焊機的焊絲在焊劑層下產(chǎn)生電弧，使工件與焊絲熔化形成熔池。電弧周圍部分顆粒狀焊劑被熔化成熔渣，與熔池金屬產(chǎn)生冶金反應(yīng)。金屬和焊劑的蒸發(fā)氣體使熔渣形成熔渣泡，隔絕空氣、保護熔池：防止金屬液滴飛濺、阻止弧光射出。隨著小車的移動，熔池向前推進，后面的金屬液冷卻結(jié)晶成焊縫，而熔渣在焊縫表面冷卻形成渣殼。埋弧自動焊的特點如下：(1)生產(chǎn)率高(2)焊接質(zhì)量好(3)成本低(4)勞動條件好(5)適應(yīng)性差通常只適合進行平焊直線長焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫。不能焊薄的焊件，常用于焊接6～60mm厚的鋼板。(6)焊前準備工作嚴格二、氣體保護焊氣體保護焊是利用外加氣體進行保護電弧和焊縫的電弧焊。目前常用的保護氣體是氬氣和二氧化碳，稱之為氬弧焊和二氧化碳保護焊。1．氬弧焊氬弧焊的保護氣體氬氣是惰性氣體，在高溫下，氬氣不與金屬起化學(xué)反應(yīng)并保護電弧和熔池不受空氣的有害作用。氬弧焊按所用的電極不同可分為鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。氬弧焊的特點如下：1)用氬氣保護使焊接過程無冶金反應(yīng)，金屬只進行熔化。因此，該方法特別適用于焊接非鐵金屬和各種合金鋼，焊接質(zhì)量好。2)電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中、熔池小、熱影響區(qū)小，所以焊接后變形小。3)焊接電弧穩(wěn)定，金屬飛濺少，焊接過程中無熔渣，焊縫美觀。4)可進行全方位焊接，并且明弧操作，便于觀察、控制和調(diào)整。5)氬氣成本高，在一般情況下不宜采用。2．二氧化碳氣體保護焊二氧化碳氣體保護焊是以CO2作為保護氣體，以連續(xù)送進的焊絲為電極的焊接方法。CO2是氧化性氣體，故不適用于焊接非鐵金屬。二氧化碳氣體保護焊的特點如下：1)CO2氣體來源廣、價格低。2)CO2保護焊焊縫含氫量低，抗裂性能好。3)生產(chǎn)率高。4)可進行全方位焊接，并可焊接1mm左右的薄鋼板，生產(chǎn)中常焊接30mm以下的低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。5)由于是氧化性氣體保護，焊接時造成液滴飛濺大、焊縫成形后不平滑。而且焊接時需要采用直流電源。三、電渣焊電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱為熱源來進行焊接的方法。電渣焊的特點如下：1)生產(chǎn)率高。2)焊縫缺陷少。3)成本較低。4)焊件需要熱處理。電渣焊工件必須進行焊后正火處理。四、等離子弧焊接和切割等離子弧焊接是利用等離子弧發(fā)生裝置使電弧經(jīng)過噴嘴的細孔道使電弧收縮(機械壓縮效應(yīng))，由通入的等離子氣(Ar或N2)冷氣流迫使電弧被進一步壓縮(熱壓縮效應(yīng))，電弧中帶電粒子流在電弧自身磁場電磁力的作用下又一次被壓縮(磁壓縮效應(yīng))，產(chǎn)生很細的能量高度集中的等離子弧進行焊接的方法。等離子弧焊的特點如下：1)等離子弧能量密度大，穿透能力強，厚12mm的焊件可不開坡口，不留間隙，單面焊接雙面成形。2)等離子弧可焊接厚度為0.025mm的金屬箔材。3)焊接速度快，生產(chǎn)率高，焊縫質(zhì)量高。4)可焊接難熔、易氧化和熱敏感性強的材料，如鉬、鎢、鈦、鎳等合金和雙金屬焊接，也可焊接一般鋼材。5)焊接設(shè)備復(fù)雜，氣體消耗量大，宜在室內(nèi)焊接。等離子弧切割是利用等離子弧的高溫將被切割材料局部熔化并隨即吹除，形成整齊切口的方法。它不僅可以切割鋼材，比氣割生產(chǎn)率提高1～3倍，還可以切割氣割不能切割的材料，如鋁、銅、鉬、鎳、鎢、鈦、不銹鋼和鑄鐵，也可以切割非金屬材料，如碳化硅、混凝土和花崗石等。五、激光焊激光焊是利用激光通過聚焦后產(chǎn)生的光斑，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽菇饘偃刍纬珊附咏宇^的方法。激光焊的特點如下：1)能量密度大，熱量集中，焊接時間短(幾毫秒)，生產(chǎn)率高，可焊接精密零件和熱敏感材料。2)激光能量釋放極其迅速，被焊材料不易氧化，可不需要保護直接在大氣中焊接。3)激光可利用偏轉(zhuǎn)棱鏡和光導(dǎo)纖維使焦點到達一般焊接方法難以接近的部位進行焊接，也可透過透明材料和絕緣材料，對內(nèi)部金屬進行焊接。4)激光可焊接異種金屬材料，甚至可將金屬與非金屬焊在一起。六、電阻焊電阻焊屬于壓焊的一種，是利用電流通過焊件接觸面所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件局部加熱高塑性或半熔化狀態(tài)，并在壓力下結(jié)晶凝固形成焊接接頭的方法。電阻焊的生產(chǎn)率高，焊接變形小，不需要填充金屬，勞動條件好，操作簡便，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。但焊接設(shè)備復(fù)雜、耗電量大、對焊件厚度和接頭形式有一定限制，通常適用于大批量生產(chǎn)。電阻焊的基本形式可分為點焊、縫焊和對焊。1．點焊將裝配成搭接接頭的焊件置于兩個圓柱形電極間預(yù)壓緊并通電加熱。由于電極是通有冷卻水的銅合金，在電極與焊件間的電阻熱被迅速傳走，而兩焊件接觸處熱量集中將金屬局部熔化形成熔核，然后斷電，保持或增大壓力使熔核金屬在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊點。點焊主要適用于薄板結(jié)構(gòu)(≤4mm)和鋼筋構(gòu)件。目前廣泛應(yīng)用于汽車、飛機、機車、電子儀表和日常生活用品等生產(chǎn)部門。2．縫焊縫焊的電極是一對旋轉(zhuǎn)的圓盤(滾輪)，焊件在滾輪間一邊隨滾輪轉(zhuǎn)動而送進，一邊受壓通過脈沖電流，得到連續(xù)的相互重疊的焊點組成的焊縫?？p焊只適用于3mm以下要求密封性好的薄壁結(jié)構(gòu)。3．對焊對焊是用對接方式，在整個接觸面上通電產(chǎn)生電阻熱使焊件連接在一起的焊接方法。根據(jù)焊接過程的不同，可分為電阻對焊和閃光對焊。電阻對焊適用于截面簡單、直徑小于20ram的強度要求不高的焊件。閃光對焊常用于重要焊接件，如對焊刀具、渦輪軸、鍋爐管道、發(fā)動機排氣門等。可焊接截面從0.01mm2的金屬絲到15000mm2的金屬型材，也可焊接異種金屬。七、摩擦焊摩擦焊是利用焊件接觸表面的摩擦熱使金屬加熱到高溫塑性狀態(tài)，然后加壓進行焊接的方法，也屬于壓焊。焊接時將兩焊件在一定的壓力下頂緊，使其中一件高速旋轉(zhuǎn)。焊件的接觸面在壓力下摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接合面達到高溫塑性狀態(tài)后，旋轉(zhuǎn)焊件立即停止轉(zhuǎn)動并施加更大的壓力進行頂鍛，焊件產(chǎn)生塑性變形并接合成接頭。摩擦焊焊接質(zhì)量好，廢品率極低；焊件尺寸精度高，焊接操作容易，生產(chǎn)率高，摩擦焊不僅可以焊接同種材料和普通異種鋼材，而且可以焊接性能差別較大的異種合金，如鋁～銅、鋁～鋼等；摩擦焊設(shè)備簡單、加工費用低、能量消耗少、沒有火花及有害氣體、勞動條件好。一般摩擦焊廣泛應(yīng)用于圓形工件、棒料及管子的對接，也可以焊接非等截面和非圓截面的焊件。八、釬焊釬焊是將熔點比焊件低的釬料加熱熔化后滲入固態(tài)焊件間的間隙內(nèi)，將焊件連接起來的焊接方法。根據(jù)釬料的熔點不同釬焊可分為硬釬焊和軟釬焊。(1)硬釬焊釬料熔點高，主要用于受力較大或工作溫度較高的工件。硬釬焊主要用于受力較大的鋼材、銅合金構(gòu)件的焊接和刀具、工具的焊接。(2)軟釬焊釬料熔點低，主要用于受力較小或工作溫度較低的工件。軟釬焊廣泛用于受力不大的鋼鐵構(gòu)件、銅合金構(gòu)件和儀表、導(dǎo)電元件的焊接。釬焊的特點是焊件應(yīng)力和變形小，可以保證焊件的尺寸；焊接接頭光滑平整，無需再進行加工；釬焊可以焊接異種金屬和厚薄不等的焊件；可同時焊接多條焊縫的復(fù)雜焊件，生產(chǎn)率很高；釬焊設(shè)備簡單，投資較少。但釬焊強度較低，耐熱能力差，對焊件清理要求嚴格，故不適用于較重要鋼結(jié)構(gòu)和重載、動載機件的焊接。釬焊主要用于制造精密儀表、電氣零部件、異種金屬構(gòu)件、復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)等。在機電制造行業(yè)中應(yīng)用也很廣泛，如焊接硬質(zhì)合金刀具、換熱器、各種容器、導(dǎo)管、汽輪機葉片等。

第三節(jié)常用金屬材料的焊接一、金屬材料的焊接性金屬材料的焊接性是指在一定的焊接工藝條件下金屬材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩方面的內(nèi)容，其一是工藝焊接性，即金屬形成焊接缺陷的敏感性要小；其二是使用性能，即金屬的焊接接頭適應(yīng)使用時的性能要求。這不僅與金屬本身材質(zhì)有關(guān)，也與焊接時采用的工藝條件、焊接方法有關(guān)。例如，低碳鋼和低合金鋼用任何焊接方法的焊接性都很好；鋁合金采用手弧焊時焊接性不好，而采用氬弧焊較容易達到質(zhì)量要求，即焊接性良好。二、碳鋼及低合金鋼的焊接1．碳鋼的焊接低碳鋼的碳含量少，焊接性良好。焊接過程中不需要任何特殊的工藝措施，幾乎所有的焊接方法都能獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。中碳鋼隨著碳含量增加焊接性變差。因此，應(yīng)適當進行預(yù)熱。高碳鋼的碳含量高，焊接性很差，一般只對高碳鋼工件進行焊補，而不進行結(jié)構(gòu)焊接。2.低合金鋼的焊接合金鋼中作為焊接結(jié)構(gòu)使用的一般是低合金結(jié)構(gòu)鋼。在低合金結(jié)構(gòu)鋼中，合金元素含量少，焊接性良好，含合金元素較多，焊接性較差；焊接前一般都要進行預(yù)熱，焊接時工藝措施要求嚴格。三、鑄鐵的焊補鑄鐵碳、硅含量高，塑性很差，屬于焊接性很差的材料。鑄鐵在焊接時容易產(chǎn)生的問題是：①焊接時焊接區(qū)域加熱和冷卻速度快，容易形成白口組織和淬火組織，硬度高而難以進行切削加工；②鑄鐵強度低、塑性差，焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力極易引起裂紋；③鑄鐵碳、硅含量高，焊接時極易產(chǎn)生CO、CO2和熔渣，造成氣孔和夾渣缺陷；④鑄鐵熔化后流動性好，只適合平焊。因此，鑄鐵不考慮作為焊接結(jié)構(gòu)件，而只能進行焊補。其目的是在鑄造生產(chǎn)時產(chǎn)生的一些鑄造缺陷或在使用過程中鑄件產(chǎn)生的局部破損，使用焊補的方法進行修復(fù)；從而獲得較好的經(jīng)濟效益。鑄鐵件的焊補常用手弧焊和氣焊，焊補方法可分為熱焊法和冷焊法。1．熱焊法焊件焊接前預(yù)熱到600--700℃，焊后緩慢冷卻的方法稱為熱焊法。熱焊法焊件受熱比較均勻，冷卻慢，可防止產(chǎn)生白口組織和馬氏體組織，減少應(yīng)力和裂紋，焊補質(zhì)量好，機械加工容易。但是熱焊法成本較高、勞動條件差、生產(chǎn)率低，一般用于焊補需要切削加工的形狀復(fù)雜的鑄件和重要鑄件，如內(nèi)燃機氣缸蓋和氣缸體等。2．冷焊法采用冷焊法的焊件不預(yù)熱或者預(yù)熱溫度在400℃以下進行焊補，主要用于焊補質(zhì)量要求不高的鑄件。四、非鐵金屬的焊接非鐵金屬的焊接性較差，其主要原因是：(1)容易氧化。(2)吸氣性大。(3)導(dǎo)熱系數(shù)大。(4)線膨脹系數(shù)大。鋁合金的焊接常用氬弧焊、氣焊、點焊、縫焊和釬焊。其中，以氬弧焊質(zhì)量最好，對要求不高的焊件可采用氣焊。銅合金的焊接常用氬弧焊、氣焊、手弧焊和釬焊。同樣，也是以氬弧焊質(zhì)量最好。焊接黃銅一般采用氣焊。第四節(jié)焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計焊接件時，不僅要考慮到焊件的使用性能，還要考慮焊件結(jié)構(gòu)的工藝性能，使焊件生產(chǎn)簡便、質(zhì)量優(yōu)良、成本低廉。焊件結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)包括結(jié)構(gòu)材料的選擇、接頭形式、焊縫布置等方面。一、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇在滿足焊接結(jié)構(gòu)件使用性能的前提下，應(yīng)盡量選用焊接性良好的材料。低碳鋼和普通低合金鋼的焊接性良好、價格低廉，焊接工藝簡單、易于保證焊接質(zhì)量，應(yīng)優(yōu)先選用。在采用兩種不同材料進行焊接時，應(yīng)注意它們焊接性的差異。低合金鋼體系內(nèi)的鋼種，它們的化學(xué)成分和物理性能比較接近，這些異種鋼材的焊接一般困難不大；而異種金屬的焊接則要困難得多，有時往往無法用熔化焊的方法進行，應(yīng)盡量避免。在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)多采用工字鋼、槽鋼和鋼管等成型材料，對于形狀比較復(fù)雜的部分可采用鑄鋼、鍛鋼和沖壓件來焊接。這樣不僅可減少焊縫數(shù)量、簡化焊接工藝，還可以增加結(jié)構(gòu)件的強度和剛度，如圖4-15所示。焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡量采用同等厚度的材料焊接，有利于避免應(yīng)力集中、接頭兩邊受熱不勻而產(chǎn)生焊不透等缺陷。如采用厚度不等的材料焊接時，應(yīng)在較厚的板材上加工出過渡形式，如圖4—16所示。二、焊接接頭形式熔化焊接頭基本形式有對接接頭、搭接接頭、角接接頭和T形接頭。接頭形式的選擇主要根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀、使用要求和焊接生產(chǎn)工藝而定。對接接頭應(yīng)力分布均勻、接頭質(zhì)量容易保證、節(jié)省材料，是用得最多的接頭形式，重要的受力焊縫應(yīng)盡量選用。但焊前準備和裝配要求較高。搭接接頭不需開坡口、裝配要求不高，常應(yīng)用于受力不大的桁架結(jié)構(gòu)，但搭接接頭因工件不在同一平面，受力時產(chǎn)生附加彎矩，而且金屬消耗量較大，一般應(yīng)避免采用。當接頭構(gòu)成