項目七焊接成形任務７－１焊接成形的認知任務７－２焊接方法的選擇任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計任務７－５常見焊接缺陷產(chǎn)生原因分析及預防措施任務７－６焊接質(zhì)量檢驗返回任務７－１焊接成形的認知焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊件達到原子間結(jié)合的一種加工方法。近幾十年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求和科學技術的不斷發(fā)展，焊接技術迅速發(fā)展，已廣泛應用于機械制造、鐵路運輸、汽車制造、石油、化工、電力、造船、航天、原子能、電子及建筑等部門。焊接與鉚接等其他加工方法相比，具有節(jié)省金屬、減輕結(jié)構(gòu)重量、密封性好、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點，同時焊接過程也易實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)，目前一些行業(yè)已使用機器人進行焊接生產(chǎn)。但焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，要有相應的工藝措施來保證質(zhì)量。下一頁返回任務７－１焊接成形的認知焊接方法種類很多，目前應用的已有數(shù)十種，而且新的方法仍在不斷涌現(xiàn)，按焊接工藝特征可將其分為熔焊、壓焊、釬焊三大類。圖７.２所示為常用的焊接方法。一、焊接電弧電弧是所有電弧焊接的能源。由焊接電源供給，具有一定電壓的兩極間或電極與母材間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強烈而持久的放電現(xiàn)象稱為焊接電弧。引燃焊接電弧時，通常是將兩電極（一極為工件，另一極為填充金屬絲或焊條）接通電源，短暫接觸并迅速分離，兩極相互接觸時發(fā)生短路，形成電弧，這種方式稱為接觸引弧。電弧形成后，只要電源保持兩極之間一定的電位差，即可維持電弧的燃燒。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱三部分組成，如圖７.３所示。陰極區(qū)是緊靠負電極的一個很窄區(qū)域，為１０－６～１０－５ｃｍ，溫度約為２４００Ｋ。陽極區(qū)是電弧緊靠正電極的區(qū)域，較陰極區(qū)寬，為１０－４～１０－５ｃｍ，溫度約為２６００Ｋ。電弧陽極區(qū)和陰極區(qū)之間部分稱為弧柱，弧柱區(qū)溫度最高，可達６０００～８０００Ｋ。焊接電弧兩端（電極端部到熔池表面間）的最短距離稱為弧長。焊接電弧的熱量與焊接電流的平方和電壓的乘積成正比，電流越大，電弧產(chǎn)生的總熱量就越大。由于電弧是導體，直流焊接時，帶電粒子定向運動，使得電弧兩端產(chǎn)生的熱量有所不同，在電子流出的陰極，電子帶走熱量使得陰極的產(chǎn)熱量（３６％）低于陽極（４３％），這在生產(chǎn)實踐中意義重大。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知產(chǎn)生的熱量多意味著可熔化更多的金屬，在焊接厚板時，可將工件接在陽極（稱正接），使工件有足夠的熔深；而焊接薄板時，應將工件接在陰極（稱反接），可防止因熔深過大而燒穿。交流電源焊接時，由于電流正負極交替變化，故無正反接之分。二、焊接過程熔焊按其所用的焊接熱源不同分為電弧焊（如焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊等），電渣焊，氣焊，等離子弧焊，電子束焊，激光焊等多種方法。其冶金過程、結(jié)晶過程和接頭組織的變化規(guī)律是相似的。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知首先，焊接冶金溫度高，相界大，反應速度快，當電弧中有空氣侵入時，液態(tài)金屬會發(fā)生強烈的氧化、氮化反應，還有大量金屬蒸發(fā)，而空氣中的水分以及工件和焊接材料中的油、銹、水在電弧高溫下分解出的氫原子可溶入液態(tài)金屬中，導致接頭塑性和韌度降低（氫脆），以致產(chǎn)生裂紋。其次，焊接熔池小，冷卻快，使各種冶金反應難以達到平衡狀態(tài)，焊縫中化學成分不均勻，且熔池中氣體、氧化物等來不及浮出，容易形成氣孔、夾渣等缺陷，甚至產(chǎn)生裂紋。為了保證焊縫的質(zhì)量，在電弧焊過程中通常會采取以下措施：①在焊接過程中，對熔化金屬進行機械保護，使之與空氣隔開。保護方式有三種：氣體保護、熔渣保護和氣－渣聯(lián)合保護。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知②對焊接熔池進行冶金處理，主要通過在焊接材料（焊條藥皮、焊絲、焊劑）中加入一定量的脫氧劑（主要是錳鐵和硅鐵）和一定量的合金元素，在焊接過程中排除熔池中的ＦｅＯ，同時補償燒損的合金元素。三、焊接接頭的組織和性能熔焊使焊縫及其附近的母材經(jīng)歷了一個加熱和冷卻的熱過程，由于溫度分布不均勻，焊縫受到一次復雜的冶金過程，焊縫附近區(qū)受到一次不同規(guī)范的熱處理，因此必然引起相應的組織和性能的變化，直接影響焊接質(zhì)量。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知１.焊接熱循環(huán)和焊接接頭的組成焊接熱循環(huán)是指在焊接熱源作用下，焊接接頭上某點的溫度隨時間變化的過程。焊接時，焊接接頭不同位置上的點所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是不同的，如圖７.４所示。離焊縫越近的點，被加熱的溫度越高；反之，被加熱的溫度越低。在焊接熱循環(huán)中，影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù)是加熱速度、最高加熱溫度、高溫（１１００℃以上）停留時間和冷卻速度等。起關鍵作用的冷卻速度是從８００℃冷卻到５００℃的速度。焊接熱循環(huán)的主要特點是加熱速度和冷卻速度都很快（１００℃／秒以上，甚至更高）。因此，淬硬傾向較大的鋼材焊后會產(chǎn)生馬氏體組織，引起焊接裂紋。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知受熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域稱為焊接熱影響區(qū)。熔焊焊縫和母材的交界線叫熔合線，熔合線兩側(cè)有一個很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)，叫熔合區(qū)，該區(qū)域的母材金屬部分熔化，故也叫半熔化區(qū)。因此，焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。２.焊縫的組織和性能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。焊縫金屬在結(jié)晶時，是以熔池和母材金屬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為柱狀晶，最后這些柱狀晶在焊縫中心相接觸而停止生長，如圖７.５所示。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知由于焊縫組織是鑄態(tài)組織，故晶粒粗大，成分偏析，組織不致密。但由于焊絲本身的雜質(zhì)含量低及合金化作用，使焊縫化學成分優(yōu)于母材，所以焊縫金屬的力學性能一般不低于母材。３.熔合區(qū)及熱影響區(qū)的組織和性能現(xiàn)以低碳鋼為例，根據(jù)焊接接頭的溫度分布曲線，討論熔合區(qū)與熱影響區(qū)的組織性能變化。其中，熱影響區(qū)按加熱溫度的不同，可劃分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)（不完全重結(jié)晶區(qū)）等區(qū)域，如圖７.６所示。４.改善焊接熱影響區(qū)組織性能的措施熔焊過程中總會產(chǎn)生一定尺寸的熱影響區(qū)。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知一般地，低碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)，用焊條電弧焊或埋弧自動焊時，熱影響區(qū)尺寸較小，對焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響較小，焊后可不進行熱處理；對于低合金鋼焊接結(jié)構(gòu)或用電渣焊焊接的結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)較大，焊后必須進行處理，通?？捎谜鸬姆椒?，細化晶粒，均勻組織，改善焊接接頭的質(zhì)量；對于焊后不能進行熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，只能通過正確選擇焊接方法，合理制定焊接工藝來減小焊接熱影響區(qū)，以保證焊接質(zhì)量。表７.１所示為不同焊接方法的熱影響區(qū)大小的比較。四、焊接應力與變形焊接時，由于焊件的加熱和冷卻是不均勻的局部加熱和冷卻，造成焊件的熱脹冷縮速度和組織變化先后不一致，從而導致焊接應力和變形的產(chǎn)生，影響焊件的質(zhì)量。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應力稱為焊接應力；焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應力稱為焊接殘余應力。焊件因焊接而產(chǎn)生的變形稱為焊接變形；焊后焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。１.焊接應力與變形的產(chǎn)生以平板對接焊為例來分析應力和變形的產(chǎn)生過程，如圖７.７所示。焊件在加熱時，焊縫區(qū)金屬的熱膨脹量較大，并受兩側(cè)金屬制約，使應受熱膨脹的金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形；冷卻時同樣會受兩側(cè)金屬制約而不能自由收縮，尤其當焊縫區(qū)金屬溫度降至彈性變形階段以后，由于焊件各部分收縮不一致，必然導致焊縫區(qū)乃至整個焊件產(chǎn)生應力和變形。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知２.焊接變形的基本形式焊接變形的本質(zhì)是焊縫區(qū)的壓縮塑性變形，而焊件因焊接接頭形式、焊接位置、鋼板厚度、裝配焊接順序等因素的不同，會產(chǎn)生各種不同形式的變形。常見焊接變形的基本形式大致上有五種，如表７.２所示。３.預防焊接變形的工藝措施焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)尺寸的準確性和外形美觀，嚴重時還可能降低承載能力，甚至造成事故，所以在焊接過程中要加以控制。預防焊接變形的方法有以下幾種：（１）焊前預熱，焊后處理上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知（２）選擇合理的焊接順序（３）加熱減應區(qū)（４）反變形法（５）剛性固定法４.消除焊接應力和矯正焊接變形的方法（１）消除焊接應力的方法①錘擊焊縫。焊后用圓頭小錘對紅熱狀態(tài)下的焊縫進行錘擊，可以延展焊縫，從而使焊接應力得到一定的釋放。②焊后熱處理。焊后對焊件進行去應力退火，對于消除焊接應力具有良好效果。上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼焊件整體加熱到５８０℃～６８０℃，保溫一定時間后，空冷或隨爐冷卻，一般可消除８０％～９０％的殘余應力。對于大型焊件，可采用局部高溫退火來降低應力峰值。③機械拉伸法。對焊件進行加載，使焊縫區(qū)產(chǎn)生微量塑性拉伸，可以使殘余應力降低。（２）焊接變形的矯正焊接過程中，即使采用了上述工藝措施，有時也會產(chǎn)生超過允許值的焊接變形，因此需要對變形進行矯正。其方法有以下兩種：上一頁下一頁返回任務７－１焊接成形的認知①機械矯正法。在機械力的作用下矯正焊接變形，使焊件恢復到要求的形狀和尺寸，如圖７.１３所示，可采用輥床、壓力機、矯直機、手工錘擊矯正。機械矯正法運用于低碳鋼和普通低合金鋼等塑性好的材料。②火焰矯正法。利用氧－乙炔焰對焊件適當部分加熱，利用加熱時的壓縮塑性變形和冷卻時的收縮變形來矯正原來的變形，如圖７.１４所示?；鹧娉C正法適用于低碳鋼和沒有淬硬傾向的普通低合金鋼。上一頁返回任務７－２焊接方法的選擇目前，生產(chǎn)上常用的焊接方法有焊條電弧焊、氣焊、埋弧自動焊、氣體保護焊、電渣焊、電阻焊、釬焊等。本任務主要介紹焊條電弧焊、埋弧自動焊、氣體保護焊（鎢極氬弧焊和ＣＯ２氣體保護焊）。一、焊條電弧焊焊條電弧焊是用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。焊條電弧焊是利用焊條與焊件之間建立起來的穩(wěn)定燃燒的電弧，使焊條和焊件熔化，從而獲得牢固的焊接接頭。焊接過程中，藥皮不斷地分解、熔化而生成氣體及熔渣，保護焊條端部、電弧、熔池及其附近區(qū)域，防止大氣對熔化金屬的有害污染。焊條芯也在電弧熱作用下不斷熔化，進入熔池，成為焊縫的填充金屬。焊條電弧焊過程如圖７.１５所示。下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇焊條電弧焊具有設備簡單、應用靈活、成本低等優(yōu)點，對焊接接頭的裝配尺寸要求不高，可在各種條件下進行各種位置的焊接，是目前生產(chǎn)中應用最廣泛的焊接方法。但焊條電弧焊時有強烈的弧光和煙塵，勞動條件差，生產(chǎn)率低，對工人的技術水平要求較高，焊接質(zhì)量也不太穩(wěn)定。其一般用于單件小批量生產(chǎn)中焊接碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼及鑄鐵的補焊等。１.焊條電弧焊電源種類常用焊條電弧焊電源有交流弧焊機、直流弧焊機和逆變焊機。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇２.焊條（１）焊條的組成和作用焊條電弧焊所使用的焊接材料，是由芯部的金屬焊芯和表面藥皮涂層組成。焊芯在焊接過程中既是導電的電極，同時本身熔化作為填充金屬，與熔化的母材共同形成焊縫金屬。焊芯的質(zhì)量直接影響焊縫的質(zhì)量。焊絲中硫、磷等雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)很低。藥皮是壓涂在焊芯表面的涂料層，主要作用是在焊接過程中造氣造渣，起保護作用，防止空氣進入焊縫，防止焊縫高溫金屬被空氣氧化和脫氧、脫硫、脫磷、滲合金等，并具有穩(wěn)弧、脫渣等作用，以保證焊條具有良好的工藝性能，形成美觀的焊縫。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇（２）焊條的分類①焊條按熔渣的化學性質(zhì)分為兩大類：酸性焊條和堿性焊條。②焊條按用途可分為十一大類：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、鉬和鉻鉬耐熱鋼焊條、低溫鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條、鎳及鎳合金焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條、特殊用途焊條。其分類方法及型號編制方法可參考有關國家標準。（３）焊條的選用焊條的種類很多，應根據(jù)其性能特點，并考慮焊件的結(jié)構(gòu)特點、工作條件、生產(chǎn)批量、施工條件及經(jīng)濟性等因素合理地選用。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇３.焊條電弧焊焊接工藝規(guī)范焊接工藝規(guī)范是指制造焊件所有有關的加工和時間要求的細則文件，可保證由熟練焊工操作時質(zhì)量的再現(xiàn)性。焊接工藝規(guī)范包括焊條型號（牌號）、焊條直徑、焊接電流、坡口形狀、焊接層數(shù)等參數(shù)的選擇，其中有的將在焊接結(jié)構(gòu)設計中詳述?，F(xiàn)僅講述焊條直徑、焊接電流和焊接層數(shù)的選擇問題。二、埋弧自動焊埋弧自動焊是將焊條電弧焊的引弧、焊條送進、電弧移動幾個動作改由機械自動完成，焊絲作為填充金屬，而焊劑則對焊接區(qū)起保護和合金化作用，電弧在焊劑層下燃燒，故稱為埋弧自動焊，簡稱埋弧焊。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇如果部分動作由機械完成，其他動作仍由焊工輔助完成，則稱為半自動焊。１.埋弧自動焊的焊接過程埋弧自動焊機由焊接電源、焊車和控制箱三部分組成。埋弧自動焊時，焊劑從焊劑漏斗中流出，均勻堆敷在焊件表面，焊絲由送絲機構(gòu)自動送進，經(jīng)導電嘴進入電弧區(qū)，焊接電源分別接在導電嘴和焊件上以產(chǎn)生電弧，焊劑漏斗、送絲機構(gòu)及控制盤等通常都裝在一臺電動小車上，可以按調(diào)定的速度沿著焊縫自動行走。埋弧自動焊過程的縱斷面如圖７.１６所示。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇２.焊接材料埋弧自動焊焊接材料有焊絲和焊劑。焊絲除了作為電極和填充材料外，還可以起到滲合金、脫氧、去硫等冶金作用。焊劑的作用相當于焊條藥皮，分為熔煉焊劑和非熔煉焊劑兩類。非熔煉焊劑又可分為燒結(jié)焊劑和黏結(jié)焊劑兩種。熔煉焊劑主要起保護作用，非熔煉焊劑除起保護作用外，還有冶金處理作用。焊劑容易吸潮，使用前要按要求烘干。３.埋弧焊工藝埋弧焊對下料、坡口準備和裝配要求均較高，裝配時要求用優(yōu)質(zhì)焊條點固。由于埋弧焊焊接電流大、熔深大，因此板厚在２４ｍｍ以下的工件可以采用Ｉ形坡口單面焊或雙面焊。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇但一般板厚１０ｍｍ以上就開坡口，常用Ｖ形坡口、Ｘ形坡口、Ｕ形坡口和組合形坡口。能采用雙面焊的均采用雙面焊，以便焊透，減少焊接變形。焊接前，應清除坡口及兩側(cè)５０～６０ｍｍ內(nèi)的一切油垢和鐵銹，以避免產(chǎn)生氣孔。埋弧焊一般都在平焊位置焊接。由于引弧處和斷弧處焊縫質(zhì)量不易保證，焊前可在接縫兩端焊上引弧板和引出板，焊后再去掉。為保證焊縫成形和防止燒穿，生產(chǎn)中常用焊劑墊和墊板或用焊條電弧焊封底。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇４.埋弧焊的特點埋弧焊與焊條電弧焊相比，具有以下特點：①生產(chǎn)率高。埋弧焊焊接電流比焊條電弧焊時大得多，可以高達１０００Ａ，一次熔深大，焊接速度大，且焊接過程可連續(xù)進行，無須頻繁更換焊條，因此生產(chǎn)率比焊條電弧焊高５～２０倍。②焊接質(zhì)量好。熔渣對熔化金屬的保護嚴密，冶金反應較徹底，且焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定，焊縫成形美觀，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。③勞動條件好。焊接時沒有弧光輻射，焊接煙塵小，焊接過程自動進行。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇埋弧焊的缺點：一般只適用于水平位置的長直焊縫和直徑２５０ｍｍ以上的環(huán)形焊縫，焊接的鋼板厚度一般在６～６０ｍｍ，施焊材料局限于鋼、鎳基合金、銅合金等，不能焊接鋁、鈦等活潑金屬及其合金。三、氣體保護焊氣體保護焊是用氣體將電弧、熔化金屬與周圍的空氣隔離，防止空氣與熔化金屬發(fā)生冶金反應，以保證焊接質(zhì)量的一種焊接方法。保護氣體主要有Ａｒ、Ｈｅ、ＣＯ２、Ｎ２等。上一頁下一頁返回任務７－２焊接方法的選擇按電極材料的不同，氣體保護焊可分為兩大類：一類是非熔化極氣體保護焊，通常用鎢棒或鎢合金棒作電極，以惰性氣體（氬氣或氦氣）作保護氣體，焊縫填充金屬（即焊絲）根據(jù)情況另外添加，其中應用較廣的是以氬氣為保護氣的鎢極氬弧焊；另一類是熔化極氣體保護焊，以焊絲作為電極，根據(jù)采用的保護氣不同，可分為熔化極惰性氣體保護焊、熔化極活性氣體保護焊和ＣＯ２氣體保護焊，其中熔化極活性氣體保護焊泛指同時采用惰性氣體與適量ＣＯ２等組成的混合氣作為保護氣的氣體保護焊，ＣＯ２氣體保護焊亦可看作其中的一個特例。上一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇一、金屬材料的焊接性１.金屬焊接性的概念金屬焊接性是金屬材料對焊接加工的適應性，是指金屬在一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩個方面的內(nèi)容：一是工藝性能，即在一定工藝條件下，焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，尤其是出現(xiàn)裂紋的可能性；二是使用性能，即焊接接頭在使用中的可靠性，包括力學性能及耐熱、耐蝕等特殊性能。金屬焊接性是金屬的一種加工性能，它取決于金屬材料的本身性質(zhì)和加工條件。下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇就目前的焊接技術水平，工業(yè)上應用的絕大多數(shù)金屬材料都是可以焊接的，只是焊接的難易程度不同而已。隨著焊接技術的發(fā)展，金屬的焊接性也在改變。例如，鋁在氣焊和焊條電弧焊條件下，難以達到較高的焊接質(zhì)量。而氬弧焊出現(xiàn)以后，用來焊鋁卻能達到較高的技術要求?；瘜W活潑性極強的鈦的焊接性也是如此。等離子弧、真空電子束、激光等新能源在焊接中的應用，使鎢、鉬、鈮、鉭等高熔點金屬及其合金的焊接成為可能。２.金屬焊接性的評定金屬的焊接性可以通過估算或試驗的方法來評定。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇（１）用碳當量法評定鋼材焊接性鋼中的碳和合金元素對鋼的焊接性的影響程度是不同的。其中，碳的影響最大，其他合金元素可以折合成碳的影響來估算被焊材料的焊接性。把其他合金元素的質(zhì)量分數(shù)對焊接性的影響折合成碳的相當質(zhì)量分數(shù)，碳的質(zhì)量分數(shù)和其他合金元素的相當質(zhì)量分數(shù)之和稱為碳當量。以此作為評定鋼材焊接件的參數(shù)指標，這種方法稱為碳當量法。碳當量有不同的計算公式。其中以國際焊接學會（ＩＩＷ）所推薦ＣＥ應用較為廣泛。ＣＥ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５（％）實踐證明，碳當量越大，焊接性越差。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇當ＣＥ＜０.４％時，焊接性良好；ＣＥ＝０.４％～０.６％時，焊接性較差，冷裂傾向明顯，焊接時需要預熱并采取其他工藝措施防止裂紋；ＣＥ＞０.６％時焊接性最差，冷裂傾向嚴重，焊接時需要較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。碳當量公式僅用于對材料焊接性的粗略估算，在實際生產(chǎn)中，應通過直接試驗模擬實際情況下的結(jié)構(gòu)、應力狀況和施焊條件，在試件上焊接，觀察試件的開裂情況，并配合必要的接頭使用性能試驗進行評定。（２）焊接性試驗焊接性試驗是評價金屬焊接性最為準確的方法，例如焊接裂紋試驗、接頭力學性能試驗、接頭腐蝕性試驗等。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇二、碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的焊接１.低碳鋼的焊接低碳鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)ｗＣ＜０.２５％，碳當量小，塑性好，沒有淬硬傾向，冷裂傾向小，焊接性良好。焊接時，普通焊接方法和焊接工藝即可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。但由于施焊條件、結(jié)構(gòu)形式不同，焊接時還需注意以下問題：①在低溫環(huán)境下焊接厚度大、剛性大的結(jié)構(gòu)時，應該進行預熱，否則容易產(chǎn)生裂紋。②重要結(jié)構(gòu)焊后要進行去應力退火以消除焊接應力。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇低碳鋼對焊接方法幾乎沒有限制，應用最多的是焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊和電阻焊。２.中碳鋼的焊接中碳鋼中ｗＣ＝０.２５％～０.６％，有一定的淬硬傾向，冷裂紋傾向較大，焊縫金屬熱裂傾向較大，焊接性較差。中碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)多為鍛件和鑄鋼件，或進行補焊，焊接方法為焊條電弧焊，選用抗裂性好的低氫型焊條（如Ｊ４２６、Ｊ４２７、Ｊ５０６、Ｊ５０７等）；焊縫有等強度要求時選擇相當強度級別的焊條。對于補焊或不要求等強度的接頭，可選擇強度級別低、塑性好的焊條，以防止裂紋的產(chǎn)生。焊接時，應采取焊前預熱、焊后緩冷等措施以減小淬硬傾向，減小焊接應力。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇接頭處開坡口進行多層焊，采用細焊條、小電流，可以減少母材金屬的融入量，降低裂紋傾向。３.高碳鋼的焊接高碳鋼的含碳量大于０.６０％，其焊接特點與中碳鋼基本相同，但淬硬和裂紋傾向更大，焊接性更差。一般這類鋼不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，大多是用焊條電弧焊或氣焊來補焊修理一些損壞件。焊接時，應注意焊前預熱和焊后緩冷。４.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的焊接低合金結(jié)構(gòu)鋼按其屈服強度可以分為九級：３００ＭＰａ、３５０ＭＰａ、４００ＭＰａ、４５０ＭＰａ、５００ＭＰａ、５５０ＭＰａ、６００ＭＰａ、７００ＭＰａ、８００ＭＰａ。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇強度級別≤４００ＭＰａ的低合金結(jié)構(gòu)鋼，ＣＥ＜０.４％，焊接性良好，其焊接工藝和焊接材料的選擇與低碳鋼基本相同，一般不需采取特殊的工藝措施。只有焊件較厚、結(jié)構(gòu)剛度較大和環(huán)境溫度較低時，才進行焊前預熱，以免產(chǎn)生裂紋。強度級別≥４５０ＭＰａ的低合金結(jié)構(gòu)鋼，ＣＥ＞０.４％，存在淬硬和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當，焊接時需要采取一些工藝措施，如焊前預熱（預熱溫度１５０℃左右）可以降低冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織；適當調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，可以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，保證焊接接頭獲得優(yōu)良性能；焊后熱處理能消除殘余應力，避免冷裂。低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴，焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電渣焊均可用于此類鋼的焊接，以焊條電弧焊和埋弧焊較常用。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇選擇焊接材料時，通常從等強度原則出發(fā)，為了提高抗裂性，盡量選用堿性焊條和堿性焊劑，對于不要求焊縫和母材等強度的焊件，亦可選擇強度級別略低的焊接材料，以提高塑性，避免冷裂。三、不銹鋼的焊接不銹鋼中含有不少于１２％的鉻，還含有鎳、錳、鉬等合金元素，以保證其耐熱性和耐腐蝕性。按組織狀態(tài)，不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等，其中以奧氏體不銹鋼的焊接性最好，廣泛用于石油、化工、動力、航空、醫(yī)藥、儀表等部門的焊接結(jié)構(gòu)中，常見牌號有１Ｃｒ１８Ｎｉ９、１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ、０Ｃｒ１８Ｎｉ９等。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇奧氏體不銹鋼焊接性良好，適用于焊條電弧焊、氬弧焊和埋弧自動焊。焊條電弧焊選用化學成分相同的奧氏體不銹鋼焊條；氬弧焊和埋弧自動焊所用的焊絲，化學成分應與母材相同，如焊１Ｃｒ１８Ｎ１９Ｔｉ時選用Ｈ０Ｃｒ２０Ｎｉ１０Ｎｂ焊絲，埋弧焊用ＨＪ２６０焊劑。奧氏體不銹鋼焊接的主要問題是焊接工藝參數(shù)不合理時，容易產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋，這是１８－８型不銹鋼的一種極危險的破壞形式。晶間腐蝕的主要原因是碳與鉻化合成Ｃｒ２３Ｃ６，在晶界造成貧鉻區(qū)，使耐蝕能力下降。焊條電弧焊時，應采用細焊條，小線能量（主要用于小電流）快速不擺動焊，最后焊接觸腐蝕介質(zhì)的表面焊縫等工藝措施。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇奧氏體不銹鋼焊接的另一個問題是熱裂紋。產(chǎn)生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強，有利于Ｓ、Ｐ等元素的低熔點共晶產(chǎn)物的形成和聚集。另外，此類鋼的導熱系數(shù)小（約為低碳鋼的１／３），線脹系數(shù)大（比低碳鋼大５０％），所以焊接應力也大。防止的辦法是選用含碳量很低的母材和焊接材料，采用含適量Ｍｏ、Ｓｉ等鐵素體形成元素的焊接材料，使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，減少偏析。工程上有時需要把不銹鋼與低碳鋼或低合金鋼焊接在一起，如１Ｃｒ１８Ｎ１９Ｔｉ與Ｑ２３５焊接，通常用焊條電弧焊。焊條既不能用奧氏體不銹鋼焊條，也不能用低碳鋼焊接（如Ｅ４３０３），而應選用Ｅ３０９－１６或Ｅ３０９－１５不銹鋼焊條，使焊縫金屬組織是奧氏體加少量鐵素體，防止產(chǎn)生焊接裂紋。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇四、鑄鐵的焊補鑄鐵含碳量高，硫、磷雜質(zhì)含量高，因此焊接性差，容易出現(xiàn)白口組織、焊接裂紋、氣孔等焊接缺陷。對鑄鐵缺陷進行焊接修補，有很大的經(jīng)濟意義。鑄鐵一般采用焊條電弧焊、氣焊來焊補，按焊前是否預熱分為熱焊和冷焊兩類。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇五、非鐵金屬的焊接１.鋁及鋁合金的焊接鋁具有密度小、耐腐蝕性好、塑性高和優(yōu)良的導電性、導熱性以及良好的焊接性等優(yōu)點，因而鋁及鋁合金在航空、汽車、機械制造、電工及化學工業(yè)中得到了廣泛應用。２.銅及銅合金的焊接銅及銅合金的焊接比低碳鋼困難得多，其主要問題如下。①難熔合。銅的導熱系數(shù)大，焊接時散熱快，要求焊接熱源集中，且焊前必須預熱，否則，易產(chǎn)生未焊透或未熔合等缺陷。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇②裂紋傾向大。銅在高溫下易氧化，形成的氧化亞銅（Ｃｕ２Ｏ）與銅形成低熔共晶體（Ｃｕ２Ｏ＋Ｃｕ）分布在晶界上，容易產(chǎn)生熱裂紋。③焊接應力和變形較大。這是由于銅的線膨脹系數(shù)大，收縮率也大，且焊接熱影響區(qū)寬的緣故。④容易產(chǎn)生氣孔。氣孔主要是由氫氣引起的，液態(tài)銅能夠溶解大量的氫，冷卻凝固時，溶解度急劇下降，來不及逸出的氫氣即在焊縫中形成氫氣孔。此外，焊接黃銅時，會產(chǎn)生鋅蒸發(fā)（鋅的沸點僅為９０７℃），一方面使合金元素損失，造成焊縫的強度、耐蝕性降低，另一方面，鋅蒸氣有毒，對焊工的身體造成傷害。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇可采用的焊接方法有氬弧焊、氣焊和焊條電弧焊，其中氬弧焊是焊接紫銅和青銅最理想的方法，黃銅焊接常采用氣焊，因為氣焊時可采用微氧化焰加熱，使熔池表面生成高熔點的氧化鋅薄膜，以防止鋅的進一步蒸發(fā)，或選用含硅焊絲，可在熔池表面形成致密的氧化硅薄膜，既可以阻止鋅的蒸發(fā)，又能對焊縫起到保護作用。為保證焊接質(zhì)量，在焊接銅及銅合金時應采取以下措施：①為了防止Ｃｕ２Ｏ的產(chǎn)生，可在焊接材料中加入脫氧劑，如采用磷青銅焊絲，即可利用磷進行脫氧。②清除焊件、焊絲上的油、銹、水分，減少氫的來源，避免氣孔的形成。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇③厚板焊接時，應以焊前預熱來彌補熱量的損失，改善應力的分布狀況。焊后錘擊焊縫，減小殘余應力。焊后進行再結(jié)晶退火，以細化晶粒，破壞低熔共晶。３.鈦及鈦合金的焊接鈦及鈦合金比強度（強度與密度之比）高，在３００℃～５００℃高溫下仍有足夠的強度。在海水及大多數(shù)酸堿鹽介質(zhì)中均有良好的耐蝕性，并有良好的低溫沖擊韌性。鈦及鈦合金的焊接很困難，其主要問題是氧化、脆化開裂，氣孔也較明顯。上一頁下一頁返回任務７－３焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇普通的焊條電弧焊、氣焊等均不適合鈦及鈦合金的焊接。目前主要方法是鎢極氬弧焊、等離子焊和真空電子束焊。由于鈦及鈦合金化學性能非常活潑，不但極易氧化，而且在２５０℃開始吸氫，從４００℃開始吸氧，從６００℃開始吸氮。因此，要注意焊槍的結(jié)構(gòu)，加強保護效果，并要采用拖罩保護高溫的焊縫金屬。保護效果的好壞可通過接頭顏色初步鑒別：銀白色保護效果最好，無氧化現(xiàn)象；黃色為ＴｉＯ，表示輕微氧化；藍色為Ｔｉ２Ｏ３，表示氧化較嚴重；灰白色為ＴｉＯ２，表示氧化甚為嚴重。上一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計焊接結(jié)構(gòu)工藝性，是指在一定的生產(chǎn)規(guī)模條件下，如何選擇零件加工和裝配的最佳工藝方案，因而焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性是焊接結(jié)構(gòu)設計和生產(chǎn)中一個比較重要的問題，是經(jīng)濟原則在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的具體體現(xiàn)。在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造中，除考慮使用性能之外，還應考慮制造時焊接工藝的特點及要求，才能保證在較高的生產(chǎn)率和較低的成本下，獲得符合設計要求的產(chǎn)品質(zhì)量。焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性一般包括焊接結(jié)構(gòu)材料選擇、焊接方法選擇和焊接接頭設計等幾個方面。下一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計一、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇隨著焊接技術的發(fā)展，工業(yè)上常用的金屬材料一般均可焊接。但材料的焊接性不同，焊后接頭質(zhì)量差別就很大。因此，應盡可能選擇焊接性良好的焊接材料來制造焊接構(gòu)件，特別是優(yōu)先選用低碳鋼和普通低合金鋼等材料。重要焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇，在相應標準中有規(guī)定，可查閱有關標準或手冊。二、焊接方法的選擇焊接方法選擇的主要依據(jù)是材料的焊接性，工件的結(jié)構(gòu)形式、厚度和各種焊接方法的適用范圍、生產(chǎn)率等。上一頁下一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計三、焊接接頭設計１.接頭形式設計焊接碳鋼和低合金鋼的基本接頭形式有對接、搭接、角接和Ｔ形接頭四種。接頭形式的選擇是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀、強度要求、工件厚度、焊接材料消耗量及其他焊接工藝而決定的。對接接頭受力比較均勻，節(jié)省材料，但對下料尺寸精度要求高。因被焊工件不在同一平面上，受力時搭接接頭易產(chǎn)生附加彎曲應力，但對下料尺寸精度要求低。因此，鍋爐、壓力容器等結(jié)構(gòu)的受力焊縫常用對接接頭；對于廠房屋架、橋梁、起重機吊臂等桁架結(jié)構(gòu)，多采用搭接接頭。上一頁下一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計角接接頭和Ｔ形接頭受力都比對接接頭復雜，但接頭成一定角度或直角連接時，必須采用這類接頭形式。此外，對于薄板氣焊或鎢極氬弧焊，為了避免燒穿或為了省去填充焊絲，常采用卷邊接頭。２.焊縫布置焊縫布置的一般工藝設計原則如下：①焊縫布置應盡可能分散，避免過分集中和交叉。焊縫密集或交叉會加大熱影響區(qū)，使組織惡化，性能下降。兩焊縫間距一般要求大于３倍板厚且不小于１００ｍｍ，如圖７.１８所示。上一頁下一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計②焊縫應避開應力集中部位。焊接接頭往往是焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，存在殘余應力和焊接缺陷。因此，焊縫應避開應力較大部位，尤其是應力集中部位。如壓力容器一般不用平板封頭、無折邊封頭，而應采用碟形封頭和球性封頭等，如圖７.１９所示。焊接鋼梁焊縫不應在梁的中間面，應如圖７.１９（ｄ）所示均勻分布。③焊縫應盡可能對稱布置。焊縫對稱布置可使焊接變形相互抵消。如圖７.２０（ａ）、（ｂ）所示，偏于截面重心一側(cè)，焊后會產(chǎn)生較大的彎曲變形；而圖７.２０（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）焊縫對稱布置，焊后不會產(chǎn)生明顯變形。上一頁下一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計④焊縫布置應便于焊接操作。焊條電弧焊時，要考慮焊條能到達待焊部位。點焊和縫焊時，應考慮電極能方便進入待焊位置，如圖７.２１、圖７.２２所示。⑤盡量減小焊縫長度和數(shù)量。減少焊縫長度和數(shù)量，可減少焊接加熱，減少焊接應力和變形，同時減少焊接材料消耗，降低成本，提高生產(chǎn)率。圖７.２３所示為采用型材和沖壓件減少焊縫數(shù)量。⑥焊接應盡量避開機械加工表面。有些焊接結(jié)構(gòu)需要進行機械加工，為保證加工表面精度不受影響，焊縫應避開這些加工表面，如圖７.２４所示。上一頁下一頁返回任務７－４焊接結(jié)構(gòu)工藝設計３.坡口形式設計焊條電弧焊常采用的基本坡口形式有Ｉ形坡口、Ｖ形坡口、Ｘ形坡口、Ｕ形坡口四種，如圖７.２５所示。坡口形式的選擇主要根據(jù)板厚和采用的焊接方法確定，同時兼顧焊接工作量大小、焊接材料消耗、坡口加工成本和焊接施工條件等，以提高生產(chǎn)率和降低成本，如圖７.２６所示。坡口的加工方法常有氣割、切削加工（刨削和切削等）、碳弧氣刨等。上一頁返回任務７－５常見焊接缺陷產(chǎn)生原因分析及預防措施

在焊接生產(chǎn)過程中，由于焊接結(jié)構(gòu)設計、焊接工藝參數(shù)、焊前準備和操作方法等原因，往往會產(chǎn)生焊接缺陷。焊接缺陷會影響焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性，在焊接生產(chǎn)中要采取措施盡量避免焊接缺陷的產(chǎn)生。一、焊接缺陷種類焊接缺陷大致可分為下列幾類：①坡口和裝配的缺陷。坡口表面有深的切痕、龜裂或有熔渣、銹、污物等。②焊縫形狀、尺寸和接頭外部的缺陷。焊縫截面不豐滿或余高過高，焊縫寬度沿長度方向不恒定，滿溢、咬邊、表面氣孔、表面裂紋、接頭變形和翹曲超過產(chǎn)品允許的范圍。上一頁下一頁返回任務７－５常見焊接缺陷產(chǎn)生原因分析及預防措施

③焊縫和接頭內(nèi)部的工藝性缺陷。氣孔、裂紋、未焊透、夾渣、未熔合、接頭金屬組織的缺陷（過熱、偏析等）。④接頭的力學性能低劣，耐腐蝕性能、物理化學性能不合要求。⑤接頭的金相組織不合要求。其中，①、②類為外部缺陷，其他為內(nèi)部缺陷。二、焊接缺陷的產(chǎn)生原因及預防措施①未焊透。其根本原因是輸入焊縫焊接區(qū)的相對熱量過少，熔池尺寸小，熔深不夠。生產(chǎn)中的具體原因有：坡口設計或加工不當（角度、間隙過?。g邊過大，焊接電流太小，焊條操作不當或焊速過快等。上一頁下一頁返回任務７－５常見焊接缺陷產(chǎn)生原因分析及預防措施

預防措施：正確選用和加工坡口尺寸，保證良好的裝配間隙；采用合適的焊接參數(shù)；保證合適的焊條擺動角度；仔細清理層間的熔渣。②夾渣。產(chǎn)生原因是各類殘渣的量多且沒有足夠的時間浮出熔池表面。生產(chǎn)中的具體原因有：多層焊時前一層焊渣沒有清除干凈、運條操作不當、焊條熔渣黏度太大、脫渣性差、線能量小，導致熔池存在時間短、坡口角度太小等。預防措施：選用合適的焊條型號；焊條擺動方式要正確；適當增大線能量；注意層間的清理，特別是低氫堿性焊條，一定要徹