电弧焊工艺基础知识

焊接的应力与变形
1、产生的原因：焊接对焊缝区不均匀的加热和 冷却是产生焊接应力和变形的根本原因。 以平板对接为例分析焊前与焊后的应力状况。
低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成 （a）焊接中 （b）冷却后
平板对焊后的应力：
焊缝区产生拉应力，两侧产生压应力， 平板整体缩短了Δl’。 这种室温下保留在结构中的焊接应力 和变形，称为焊接残余应力和变形。
拘束很大（刚性夹持—大平板对接）
有残余应力， 无残余变形 拘束较小（小板对接焊）—— 既有残余应力， 又有残余变形
2、变形的种类： １）收缩变形 ２）角变形 ３）弯曲变形 ４）扭曲变形 ５）波浪形变形
纵向和横向收缩变形——纵、横向尺寸缩小 角变形——V形坡口对接焊时，因焊缝截面 形状上、 下不对称，焊后横向收缩 不均匀而引起 弯曲变形——T形梁焊接时，由于焊缝布置 不对称， 焊缝纵向收缩后引起工件 向焊缝一侧弯曲 扭曲变形——焊缝在横截面上布置不对称或 工艺不合理，产生纵向扭曲变形。 波浪形变形——薄板在焊接应力作用下，在 厚度方向因丧失稳定性而引起波浪形变形 （翘曲变形）
FeO+C→ Fe+CO↑
若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出。 氮气孔——熔池保护不好时，空气中的氮溶 入熔池而产生。
防止气孔的方法：
焊条、焊剂要烘干，焊丝和焊缝 坡口要清除锈、油和水。 焊接时采用短弧焊，采用碱性焊条。 CO2焊时，采用药芯焊丝。 采用低碳材料都可减少和防止气孔 的产生。
焊接检验
对称分布焊缝 a）不合理 b）合理
焊缝避开最大应力集中部位 a）不合理 b）合理
焊缝远离机械加工表面 a）不合理 b）合理
2、矫正焊接变形的方法
基本原理是产生新变形抵消原来 的焊接变形。 1）机械矫正法： 用机械加压或锤击的冷变形方 法，产生塑性变形来矫正焊接变形。 适用于塑性较好、厚度不大的焊件。
2、埋弧焊焊接材料
（1）焊丝：除作为电极和填充金属外， 还有渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。 （2）焊剂：呈现玻璃状颗粒，主要起 保护作用；还有渗合金、脱氧、去硫 等冶金作用。
埋弧焊焊剂有熔炼焊剂和非熔炼焊剂 两大类。 熔炼焊剂主要起保护作用，非熔炼焊 剂除了保护作用外，还可以起脱氧、去 硫、渗合金等冶金处理作用。 我国目前使用的绝大多数焊剂是熔炼 焊剂。 焊剂牌号为“焊剂” 或大写拼音“HJ” 和三个数字表示，如“焊剂430”或 “HJ430”。
四、焊缝的冶金特点
焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼的 过程，它与炼钢和铸造冶金过程比较，有 以下特点： 1、金属熔池体积很小，熔池处于液态的时 间很短（10s左右），各种冶金反应进行 得不充分（如冶金反应产生的气体来不及 析出）。 2、熔池温度高，使金属元素产生强烈的烧 损和蒸发。同时，熔池周围又被冷的金属 包围，使焊缝处产生应力和变形，严重时 甚至会开裂。
保证焊接接头质量，防止有缺陷焊 缝投入使用
[注]焊条牌号应符合相应的焊条型号 如：J422 符合E4303 J507符合E5015 4）焊条的酸、碱性 焊条按其药皮的性质分为酸性焊条、碱性焊 条。药皮中含有多量酸性氧化物的焊条为酸性 焊条,药皮中含有多量碱性氧化物的焊条为碱性 焊条。 （1）酸性焊条适合于焊接一般的结构钢，工 艺性能好、机械性能差。（交、直流） （2）碱性焊条焊成的焊缝金属中有害元素 （如S、P）含量低，抗裂性好、强度高。适合 于焊重要的结构钢与合金钢。但工艺性能差、 抗气孔的能力差。因此，采用碱性焊条时，必 须将焊件在焊缝处的油污、铁锈清除干净，并 烘干焊条去除水分。（直流）
气孔 在熔池液体金属冷却结晶时， 原来高温下溶解在焊缝液体金属 中大量的气体，随温度的下降产 生溶解度的降低而析出。 在焊缝快速冷却下，气体来不 及逸出熔池表面，导致气孔产生。
种类：
氢气孔——熔池结晶时氢的溶解度急速 下降，析出氢气，产生氢气孔。 CO气孔——当熔池氧化严重时，熔池存 在较多的FeO，在熔池温度下降时，
缺陷 名称
示意图
特征
产生原因 焊接材料不清洁；弧长太长，保 护效果差；焊接规范不恰当，冷 速太快；焊前清理不当
常 见 焊 接 缺 陷
气 孔
焊接时，熔池中的过饱和H、 N以及冶金反应产生的CO， 在熔池凝固时未能逸出，在 焊缝中形成的空穴
热裂纹：沿晶开裂，具有 氧化色泽，多在焊缝上，焊 后立即开裂 冷裂纹：穿晶开裂，具有 金属光泽，多在热影响区， 有延时性，可发生在焊后任 何时刻 焊后残留在焊缝中的非金 属夹杂物 在焊缝和母材的交界处产 生的沟槽和凹陷 焊接时，熔化金属流淌到 焊缝区之外的母材上所形成 的金属瘤 焊接接头的根部未完全熔 透
5）焊条的选择原则
（1）考虑母材的力学性能和化学成分 焊接低碳钢和低合金结构钢时，应根 据焊接件的抗拉强度选择相应强度等级 的焊条，即等强度பைடு நூலகம்则；焊接耐热钢、 不锈钢等材料时，则应选择与焊接件化 学成分相同或相近的焊条，即等成分原 则。 （2）考虑结构的使用条件和特点 对于承受动载荷或冲击载荷的焊接 件或结构复杂、大厚度的焊接件，为保 证焊缝具有较高的塑性和韧度，应选择 碱性焊条。
埋弧焊的焊丝是直径1.6～6mm的实 芯焊丝，起电极和填充金属以及脱 氧、去硫、渗合金等冶金处理作用。 其牌号与焊条焊芯同属一个国家 标准(GB1300)。
为了获得高质量的埋弧焊焊缝， 必须正确选配焊丝和焊剂。
电弧焊接的冶金过程
一、焊缝金属氧化 在焊接冶金反应中，金属与氧的作 用对焊接影响最大。焊接时，由于电弧 高温作用，氧气分解为氧原子，氧原子 和多种金属发生氧化反应，如：
3、热影响区： 母材因受热的影响而发生金相组织和力学 性能变化的区域，称为热影响区。 它包括：熔合区、过热区、正火区、部分 相变区。不同的区域有不同的组织，不同的性 能。如图所示
热影响区的大小和组织性能变化的程 度取决于焊接方法、焊接规范和接头形 式等因素。 在热源热量集中、焊接速度快时，热 影响区就小。如电子束焊的热影响区最 小总宽度一般小于1mm。气焊的热影响区 总宽度一般达到27mm。
五、保证焊缝质量采取的工艺措施 1、减少有害元素进入熔池 主要措施是机械保护，如气体保护焊中 的保护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及 焊条药皮产生的气体和熔渣等，使电弧空 间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进 入。此外，还应清理坡口及两侧的锈、水、 油污；烘干焊条，去除水分等。 2、清除进人熔池中的有害元素，增添合金 元素主要通过焊接材料中的铁合金等，进 行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金，从 而保护和调整焊缝的化学成分。
（4）采用合理的焊接顺序 1）尽量使焊缝能自由收缩，这样 产生的残余应力较小。
2）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段 退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、 温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形
分散对称的焊接顺序
长焊缝的分段焊 a)退焊 b)跳焊
分散布置焊缝 a）不合理 b）合理
2）焊条的种类：按国家标准、将焊条按用途 划分为十大类。详见下表
3）焊条的型号和牌号
型号——国家通用标准 型号 E×××× E——Electrode电焊条 ××熔敷金属的最小抗拉强度（MPa） ×焊接位置（0、1全位置，2平，4向下立焊） × ×电流种类、药皮类型（03钛钙型药皮， 交流或直流正、反接） 牌号——我国行业标准 Jxxx——J（结构钢） Axxx——A（奥氏体钢） Zxxx——Z（铸铁）
（1）焊芯：是焊条中被药皮包覆的金属芯。手工焊时， 焊芯既是电极，又是填充金属。焊芯材料是经过特殊 冶炼，有专门牌号的材料。 如结构钢焊芯的牌号为H08A。 H—焊接用钢丝，后面两位数字，含C万分之一， A：高级优质钢 E：特级优质钢
（2）药皮：是压涂在焊芯表面上的涂料层。 由多种矿石、铁合金、纤维素以及粘结剂组 成，药皮的种类、名称及作用详见下表
电弧焊工艺基础知识
电弧焊焊接材料 电弧焊接的冶金过程
焊接接头的组织与性能
焊接的应力与变形
焊接变形的防止与矫正
焊接检验 金属的焊接性
电弧焊焊接材料
不同的焊接方法，其焊接材料是不同 的。手工电弧焊的焊接材料是电焊条。
埋弧自动焊的焊接材料是焊丝和焊剂。 1、手工焊焊接材料： 1）电焊条的组成与作用 2）焊条的选择 电焊规范选择
焊接变形的防止与矫正
1、防止焊接变形的措施 （1）设计结构时，焊缝布置和坡口形 式尽可能对称，焊缝截面和长度尽可能 小，这样加热少，变形小。 （2）焊前组装时采用反变形法。
（3）刚性固定法 利用夹具、胎具等强制手段，以外力固 定被焊工件来减小焊接变形，如图所示。 该法能有效地减小焊接变形，但会产生 较大的焊接应力，故一般只用于塑性较好 的低碳钢结构。
2）火焰矫正法：利用火焰局部加热后的 冷却收缩，来抵消该部分已产生的伸长 变形。加热部位必须正确。 焰加热矫正的加热温度一般为600－800℃。
3、减少和消除焊接残余应力的措施
① 锤击焊缝 焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤 击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定 的释放。 ②焊前预热 将焊件预热到350－400℃后再进行焊接， 是一种减少焊接应力的有效方法。 ③焊后热处理 去应力退火加热温度为550-650℃，该方法 可消除残余应力的80﹪左右，是最常用最有效 的方法。
Fe ＋ O→FeO Mn ＋ O→MnO Si ＋ 2O→SiO2 2Al ＋ 3O→Al2O3 在焊接过程中，将一定量的脱氧剂，如 Ti、 Si、Mn等加在焊丝或药皮中， 进行脱氧使其 生成的氧化物不溶于金属液而成渣浮出，提 高焊缝质量。
二、氢的影响 在焊接冶金反应过程中，氢易在焊缝 中造成气孔。另外,固态焊缝中多余的氢 也会在焊缝中的微缺陷处集中形成氢分子， 这种氢的聚集往往在微小空间内形成局部 的极大压力，使焊缝变脆（氢脆）。 三、氮的影响 氮在液态金属中也会形成脆性氮化物， 其中一部分以片状夹杂物的形式残留于焊 缝中，另一部分则使钢的固溶体中含氮量 大大增加，使焊缝严重脆化。