第4章 焊接(下)

4.4.2 钢的焊接 • • • • • • • •
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一、碳素钢的焊接 1、低碳钢的焊接 低碳钢碳的质量分数低，塑性好，硬度低，焊接性好。 各种焊接方法都可以。根据等强度原则，选择焊条或 焊丝。 焊接一般简单、静载荷结构件，可以采用酸性焊条； 动载荷、复杂、大厚度的重要结构件，尽量要用碱性 焊条。 通常焊后不需要热处理。 低温条件焊接大刚度的工件时，应考虑焊前预热，预 热温度100 ℃ ～150℃； 厚度大于50mm的工件，应预热或焊后热处理，降低 或消除焊接应力。
• 摩擦焊的特点： • 工件接触面发生强烈摩擦，表面的氧化膜、杂质等破碎，并 在压力下被挤出焊缝，因此接头质量好，性能稳定。 • 摩擦焊设备简单，自动化程度高，焊机功率小；但要求刹车、 和加压装置响应速度快。
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摩擦焊接头通常为等截面，也可以是不等截面。 但是要求有一个工件的截面为圆形或圆管形。 避免薄壁接头。 摩擦焊可以焊接各种钢材和非铁合金。 还可以焊接异种金属如铝-铜、铝-钢接头。 件与填充金属同时被加热，在工件不熔化的 情况下，填充金属熔化、浸润并填满工件连接处的间 隙中，借助原子间的结合扩散形成牢固接头。 • 填充金属——钎料。 • 对钎料的要求： • 1、低于工件的熔点； • 2、与工件金属浸润性好； • 3、原子结合、扩散能力强。 • 根据钎料熔点和钎焊接头强度，分为硬钎焊、软钎焊。
• 工件不受空气的有害影响，无电极污染，焊缝金属纯度高，焊 接质量高，可以焊接化学性质活波、纯度高或易被大气污染的 金属材料，如铝、钛、锆、钼等合金。 • 电子束能量密度大，熔深大，焊缝深而窄，焊接热影响区小， 基本没有焊接变形，工件尺寸精度高。 • 缺点：设备复杂，造价高，工件尺寸受真空室限制。 • 工件装配要求高，焊接前接头平整清洁。
• 通常还要使用钎剂。 • 钎剂的作用： • 1）清除工件金属和钎料表面上的氧化膜及杂 质； • 2）形成液态薄膜，覆盖在工件和钎料的表面， 隔离空气起保护作用； • 3）降低液态钎料的表面张力，改善浸润性， 增大钎料的填充能力。
• 钎焊的接头形式，通常为搭接接头或套接接头。 • 目的是增大搭接面积，提高焊接接头的承载能力。 • 钎焊前，对工件准备工作要求较高，如装配间隙均匀 平整，工件表面需仔细清理。
喷嘴的气流速度很高，冲击力大，主要用于切割金属。 焊接时，喷嘴的气流温度较低，冲击力较弱。 特点： 电弧稳定，热量集中，焊接热影响区小，焊接变形小，效率高。 适于焊接难熔、易氧化、热敏感性高的金属。如高合金钢、铜、 铝、钛、钨等合金。 • 缺点是设备复杂，耗气量大，只能室内焊接。
• 真空电子束焊 • 利用在真空室内高速聚焦的电子束轰击工件表面，电子束由动 能转为热能，进行焊接。 • 电子枪、工件、夹具都在真空室内。 • 电子枪的阴极通电，加热到 • 高温，发射电子，在电场的 • 作用下，经过电磁透镜聚焦， • 形成电子束，轰击工件表面， • 使工件熔化形成焊缝。
• 硬钎焊： • 钎料的熔点在450℃以上，接头强度比较高。 用于焊接受力大、工作温度高的工件， • 如：自行车架、刀具、钻头。 • 常见钎料有：铜基、银基、铝基、镍基。 • 软钎焊： • 钎料的熔点在450℃以下，接头强度比较低。 用于受力小、温度低的工件， • 如：导线、仪器仪表元件。 • 常见钎料：锡铅、铅银等。
• 电渣焊：电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源，熔化 被焊的工件金属和填充金属进行焊接的一种熔化焊方法。 • 工件垂直放置，进行装配。 • 焊接开始时，电弧将焊剂熔化，形成液态熔渣构成的渣池。 • 渣池有一定的导电性，当达到一定深度时，电弧消失转为熔 渣产生的电阻热，此时为电渣焊过程。 • 渣池始终浮在熔池上方，具有良好的保护作用。
4.3 压力焊、钎焊及其他焊接方法
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• 闪光对焊的特点 • 工件接触面的内部气压大于外部气压，阻止空气的侵入，并且 工件端面的部分氧化物、夹杂物随闪光带出，或被加压挤出。 因此焊接接头的氧化物、夹杂物少，接头质量高。 • 工件损耗大，焊接时要求较大的余量，接头有毛刺，焊后需要 清理。 • 焊缝的强度高且塑性、韧性好，常用于重要、受冲击工件的焊 接。如刀具、钢轨、钢筋、锚链、车轮轮圈等。
• 钎焊特点： • 工件加热温度较低，因此工件组织和性能影响小， 焊接变形小。 • 钎焊接头表面光滑平整，尺寸精度高，并能保证 致密性。 • 钎焊不仅可以焊同种金属、异种金属，还可以焊 接金属与非金属材料。 • 钎料价格较贵，钎焊的成本较高。 • 主要用于精密仪器、电气零部件、异种金属结构 件、薄板件、导线、硬质合金刀具等。
• 高碳钢焊接性更差，裂纹倾向更大。 • 焊接结构一般不采用这种钢材，焊接只限于高碳钢零件的修复。 • 焊接时，多采用含C量低于被焊钢材的高强度低合金钢焊条， 降低焊缝金属的含C量，并且通过合金元素增强焊缝金属的强 度。 • 焊前预热， • 小焊接电流，以减小熔深； • 焊后热处理，消除焊接应力，防止产生裂纹。
常用金属材料的焊接
• 4.4.1 金属材料的焊接性 • 一、焊接性 • 在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力称为金 属材料的焊接性。 • 优质焊接接头：无缺陷、力学及机械性能符合要求。 • 选择焊接材料，确定焊接方法，制定焊接工艺的依据。 • 焊接性好，可以用各种焊接方法，工艺简单； • 焊接性差，焊接方法有限，工艺复杂。 • 焊接性的影响因素： • 化学成分、工件厚度、接头形式、焊接方法、焊接材料、焊 接工艺等。 • 最关键的因素：被焊金属的化学成分。 • 同一种金属，不同焊接方法和材料，焊接性不一样。
• 电阻对焊的特点： • 接头光滑无毛刺； • 焊前工件端部表面加工、清理要求高，否则会 导致接触面加热不均匀或产生局部氧化、夹杂， 影响焊接接头质量； • 焊接接头强度低，尤其是冲击韧性差。 • 用于截面简单、强度要求不高的工件。
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闪光对焊： 1）工件装卡在设备的电极夹具中。 2）工件先接通电源，再缓慢靠近接触。 由于工件端面微观不平，接触点依次被加热熔化；熔化的液 滴发生爆破，出现大量火花，形成闪光。 • 3）随着接触点不断熔化，直到工件端面全部熔化，迅速加压， 并切断电源。 • 4）端面的液滴在压力下被挤出，形成毛刺；端面发生塑性变 形，得到焊接接头。
• 焊剂形成的熔渣要求有导电性，有专用的电渣焊焊剂。 常用的有焊剂360，用于低碳钢、低合金钢。 • 也可以采用埋弧焊的焊剂，如焊剂431、350、250等。 • 电渣焊的焊丝通常合金元素含量较多，如H08MnA、 H08Mn2Si、H10Mn2等。
• 电渣焊适合于焊接厚大工件（30mm以上）。 • 工件不需开坡口，可以一次焊成，生产率高。 • 焊接速度慢，焊缝区在高温条件下的时间较长，熔池 中的气体、杂质容易析出，焊缝质量纯净，不易产生 气孔和夹渣等缺陷。 • 但焊接热影响区比较宽，焊缝晶粒粗大。 • 通常焊后工件需进行正火热处理。 • 主要用于大厚度结构件的焊接，也可以用于大截面的 直焊缝、大直径的环焊缝。 • 主要用于重型机械制造行业。
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评估焊接性： 1、形成完整焊接接头的能力，产生缺陷（裂纹等）的倾向； 2、焊接接头的使用性能，力学性能。 碳对接头淬硬性和裂纹倾向的影响最大。 通常用碳当量来估算被焊钢材的焊接性。 碳素钢和低合金钢的碳当量计算公式：（质量百分数） C当量=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 碳当量愈大，钢的焊接热影响区硬度愈高，产生焊接裂纹的倾 向愈大，焊接性愈差。 C当量小于0.4％时，钢的焊接性优良； C当量等于0.4~0.6％时，钢的焊接性较差； C当量大于0.6%时，钢的焊接性不好。 焊接性良好的钢材，一般不预热。厚件、低温条件下要预热。 焊接性较差的钢材，焊接时需要选用一定的焊接材料，采用适 当的预热和一定的工艺措施； 焊接性不好的钢材，焊接时需要采用更高的预热温度和严格的 工艺措施。
• 等离子弧焊 • 等离子弧由充分电离的气体组成，将普通电弧进行压缩、集 中获得。 • 电弧温度更高（24000k～50000k），能量更集中。 • 压缩方法： • 1、机械压缩（喷嘴结构）；2、热压迫，冷却气体迫使带电 粒子向弧柱中心集中；3、电磁收缩，电弧自身磁场可以进一 步集中电弧。
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• 激光焊 • 利用激光照射在工件上的光能转为热能，进行焊接。 • 激光器产生激光束，经过聚焦，能量集中，照射在工件的接合 处，熔化金属形成焊接接头。
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焊接装置不直接与工件接触，焊缝金属无污染，纯度高。 激光能量集中，可以焊接各种金属。 焊接热影响区窄，焊接变形小，可以焊接精密零件。 激光可以反射或用光纤引导，可以焊接难接近或安置的焊缝。
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2、中碳钢的焊接 中碳钢碳的质量分数较高，焊接性较差。 主要问题： （1）焊接热影响区易产生淬硬组织及冷裂纹。 属于易淬火钢。热影响区会出现马氏体，形成淬火区。易于产 生冷裂纹。 • （2）焊缝金属易产生热裂纹。 • 被焊金属含C高，焊接时被焊金属熔化到焊缝金属，使焊缝金 属C含量增高，易导致热裂纹。 • 解决方法： • （1）尽可能选用抗裂性好的碱性焊条。提高焊缝金属塑性， 降低裂纹倾向。 • （2）采取焊前预热的工艺措施，可以减慢焊后冷却速度，减 小焊接应力，防止形成淬火区，从而防止出现冷裂纹。