焊接成型工艺基础讲解

金属焊接的本质
固态金属之所以能够保持固定的形状，是因为其内部原子之间距离（晶
格）非常小，原子之间形成了牢固的结合力。除非施加足够的外力破坏这些 原子间结合，否则一块金属固体是不会变形或分离成两块的。
要把两个分离的金属构件连接在一起，从物理本质上来看，就是要使这 两个构件连接表面的原子彼此接近到金属晶格距离（即0.3-0.5nm）。
焊接法(冶金连接) Welding , brazing and soldering 主要用于金属材料及金属结构的连接，通常称为焊接
２００9－１１－2３
—— 2 ——
桥梁建造
大型桥梁建设的发展方向是大跨度Βιβλιοθήκη Baidu高强度和轻量型。而钢材性能的不断 改善和焊接加工工艺水平的提高成为桥梁事业发展的基本技术保证。钢桥结
２００9－１１－2３ —— 34 ——
《碳钢药皮电焊条规程》 GB/T5118－1995 等效 ANSI/AWS A5.5－1981 《低合金钢药皮电焊条规程》
三、试件母材钢号及代号见表3 焊工焊接操作技能考试是要求焊工按照评定 合格的焊接工艺施焊出没有超标缺陷的焊缝。 从焊接缺陷角度出发，焊工焊接操作技能与 母材钢号没有关系，对于焊条电弧焊，焊工 焊接操作技能与药皮类别密切相关。 但因钢材合金成分不同造成焊接性能不同， 施焊时所采取的焊接工艺措施
２００9－１１－2３ —— 29 ——
④F3J 低氢型、碱性 GB/T5117 J426 、J506、J507 GB/T5118 J427、J507、J507RH GB/T983 G207
２００9－１１－2３
—— 30 ——
EXX15、EXX15－X型焊条，这类焊 条为低氢钠型。药皮主要组成物是碳酸 盐矿和萤石，碱度较高，熔渣流动性好， 焊接工艺性能一般，焊波较粗，角焊缝 略凸，熔深适中，脱渣性能好，焊接时 要求焊条干燥，并采用短弧焊。这类焊 条可全位置焊接，焊接电流为直流反接。 这类焊条的熔敷金属具有良好的抗裂性 能和力学性能。
构从全部铆接，到以栓为主的栓焊结构，再到以焊为主的栓焊结构，进而向
全焊结构发展。
铁路桥梁由于动荷载大，应用高强度钢材和复杂焊接结构的主要制约因素
是疲劳和脆断。
２００9－１１－2３
—— 3 ——
桥梁建造
２００9－１１－2３
—— 4 ——
飞机等制造
２００9－１１－2３
—— 5 ——
汽车制造
２００9－１１－2３
２００9－１１－2３
—— 28 ——
③F3 钛型、钛钙型 型号：（GB/T983) EXXX（X）－16型焊条（G202),药皮可 以是碱性的，也可以是钛型或钛钙型。 适用于交流或直流焊接，为了在交流 施焊时获得良好的电弧稳定性，这类 焊条药皮中一般都含有易电离元素如 钾，直径不大于4.0mm的焊条可用于全 位置焊接 。适用焊件的焊条范围：F1、F3。
Q195、Q215、Q235、10、20、20R、20G、 20g HP245、HP265、L175、L210、S205
HP295、HP325、L245、L290、
奥氏体不锈钢、 Ⅳ 双相不锈钢
２００9－１１－2３ —— 37 ——
表3中钢号都是锅炉、压力容器、压 力管道和气瓶现行标准中所列钢号。 GB6653－1994《焊接气瓶用钢板》 中所列气瓶用钢的牌号都用“HP”打头， 例如HP245、HP365。“245”表示钢材屈 服点σs 下限值。气瓶用钢的化学成分 都有控制范围。
２００9－１１－2３
—— 12 ——
金属焊接的障碍
一般情况下，当我们把两个金属构件放在一起时，由于其表面粗糙度
（即使经精密磨削加工的金属表面粗糙度仍达几到几十微米）和表面存在的 氧化膜及其它污染物，实际阻碍着不同构件表面金属原子之间接近到晶格距
离并形成结合力。
焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程克服上述困难。
制造而言,焊接技术是一种毛坯制造方法，就 其自身而言它首先是一种连接技术。
２００9－１１－2３
—— 1 ——
金属连接方法
借助于螺栓或铆钉的机械连接法(机械连接技术) 主要用于机架与机器的装配，易损件的连接 Mechanical joining
粘接法(物理和化学的连接) Adhesive bonding 主要用于异种材料和非金属材料之间的，以及复杂零件之间的组装连接
２００9－１１－2３
—— 27 ——
熔化速度快，熔渣少，脱渣容易，熔渣 覆盖较差，通常限制采用大电流焊接。 这类焊条适用于全位置焊接，特别适 用于立焊、仰焊的多道焊和有较高射 线检测要求的焊缝，也可用于向下立 焊，焊接电流为直流反接。 如J505GX （GB/T5118） 适用焊件的焊条范围：F1、F2
２００9－１１－2３
—— 13 ——
为了克服阻碍材料表面紧密接触的各种因素，在连接工艺上主要采用以下 两种（措施）： 加压 对被连接的材质施加压力，目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合
处增加有效的截面积，从而达到紧密接触。 加热 对被连接材料加热（局部或整体）。对金属来说，使结合处达到塑
性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力。同时
—— 6 ——
舰船制造
２００9－１１－2３
—— 7 ——
石化建设
２００9－１１－2３
—— 8 ——
无轨爬行式全位置焊接机器人系统
２００9－１１－2３
—— 9 ——
挖掘机斗杆变截面部分焊接过程的模拟
２００9－１１－2３
—— 10 ——
焊接
加热＋加压＋填充材料
原子结合
２００9－１１－2３
—— 11 ——
• ①F1 钛钙型 EXX03 F1 （J422、 J502) GB/ T5117 • 这类焊条为钛钙型，药皮中含30%以上的 氧化钛和20%以下的钙或镁的碳酸盐
２００9－１１－2３ —— 26 ——
矿，熔渣流动性良好，脱渣容易，电弧稳定 熔池适中，飞溅少，焊波整齐。这类焊条 适用于全位置焊接，焊接电流为交流或直 流正、反接，主要焊接较重要的碳钢结构。 ②F2纤维素型EXX10，EXX11， （GB/T5117） EXX10－X，EXX11－X， （GB/T5118） EXX10、 EXX10－X型焊条为高纤维素钠型 药皮中纤维素含量较高，电弧稳定，焊接 时有机物在电弧区分解产生大量的气体， 保护熔敷金属，电弧吹力大，熔深较深。
２００9－１１－2３ —— 35 ——
• 不一样，从焊接工艺复杂程度出发而 将试件母材钢号进行分类，并制定出 替代规则，手工焊焊工焊接操作技能 也相应分成四个等级。
２００9－１１－2３
—— 36 ——
表3 试件钢号分类及代号表
类别 碳素钢 低合金钢 马氏体钢铁素 体不锈钢 代号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 典型钢号示例
２００9－１１－2３
—— 16 ——
4. 焊接的特点及应用
① 连接性能好：焊接接头的力学性能（强度、塑性）耐高温、低温、高
压性能和导电性、耐腐蚀性、耐磨性、密封性等均可达到与母材性能一致。 例如，120万kW核电站锅炉，外径6400mm，壁厚200mm，高13000mm，耐压 17.5MPa。使用温度350℃，接缝不能泄漏。应用焊接方法，制造出了满足上 述要求的结构。 某些零件的制造只能采用焊接的方法连接。例如电子产品中的芯片和印 刷电路板之间的连接，要求导电并具有一定的强度，到目前为止，只能用钎 焊连接。
２００9－１１－2３
—— 17 ——
② 省料、省工、成本低，生产率高，结构重量轻 简化工艺，能以小拼大， 被喻为神奇的“钢铁裁缝”。与铆接相比，采用焊接工艺制造的金属结构重 量轻，节约原材料，制造周期短，成本低。世界上50～60％的钢要进行焊 接。
２００9－１１－2３
—— 18 ——
6. 焊接的不足之处
２００9－１１－2３ —— 23 ——
对焊工操作技能“2002年考规”分 为手工和焊机操作技能两种。 对试件对接形式分为板材对接焊缝、 管材对接焊缝和管板角接头试件三种。 焊接不锈钢复合钢之间焊缝及过渡 焊缝的焊工，应取得耐蚀堆焊资格
２００9－１１－2３
—— 24 ——
表2 焊条类别、代号及范围
２００9－１１－2３
—— 21 ——
表1 焊接方法及代号
焊接方法
焊条电弧焊 钨极气体保护焊 熔化极气体保护焊
代号
SMAW GTAW GMAW（含药芯焊丝电弧 焊FCAW）
埋弧焊
２００9－１１－2３
SAW
—— 22 ——
（一）、“2002年考规”对八种焊接方 法的焊工考试作出规定，除此以外的 焊接方法都按四十三条规定进行考试。 • 药芯焊丝电弧焊考试规定与熔化极 气体保护焊相同，常用半自动与自动 焊方式( 实质上是手工焊与机械焊）。 • 堆焊不能称为焊接方法，只是焊接 方法的运用，各种焊接方法焊接操作 技能考试规定也适用于堆焊的运用。 • 对于焊接方法按“2002年考规”分 为手 工焊接和机械化焊接两种 方法；
也会增加原子的振动能，促使扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。
大多数焊接方法都需要借助加热或加压。或同时实施加热和加压，以实 现原子结合。
２００9－１１－2３ —— 14 ——
问题：如何实现金属焊接？
熔化焊接——
使被连接的构件表面局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方 法。
固相焊接——
焊条类别
钛钙型 纤维素型钛 型
焊条类别代 号
相应型号
EXX03 EXX10
牌号
J422/J502 J505GX
适用焊件的 焊条范围
F1 F1、F2
F1 F2
钛型、钛钙 型
低氢型、碱 性 钛型、钛钙 碱性
F3
F3J F4 F4J
EXXX(X)16/-17
EXX15/-16
G202
J427/J507 R507/R307 A132/A302 A137/A307
适用焊件的焊条范围： F1、F3、F3J
２００9－１１－2３ —— 32 ——
⑤F4 钛型、钛钙型 GB/T983 EXXX（X）－15 EXXX（X）－17 （A132、A302） GB/T983
⑥F4J EXXX（X）－15 （A137） GB/T983 EXXX（X）－17 （A307）
２００9－１１－2３
① 结构无可拆性; ② 焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化；而 产生焊接残余应力、焊接变形和焊接裂纹等缺陷; ③ 焊接缺陷的隐避性，易导致焊接结构的意外破坏;
２００9－１１－2３
—— 19 ——
锅炉压力容器压力管道 焊工考试规则
第一十三条：焊接操作技能考试应从焊 接方法、试件材料、焊接材料及试件 形式等方面进行考核。 焊接方法及代号见表1， 焊条类别代号及适用范围见表2， 试件钢号分类及代号见表3， 各种试件形式、位置及代号见表4， 焊接要素及代号见表5。
２００9－１１－2３
—— 31 ——
EXX16、EXX18－X型焊条，这类 焊条为低氢钾型药皮。在与EXX15、 EXX15－X型焊条药皮基本相似的基础 上添加了稳弧剂，如钾水玻璃等，电弧 稳定，工艺性能、焊接位置与EXX15型 焊条相似，焊接电流为交流或直流反接。 这类焊条的熔敷金属具有良好的抗裂性 能和力学性能。
—— 33 ——
上述三个焊条国家标准都是等效采用 美国国家标准，所谓等效采用则是将 国外标准的技术内容全部照搬，只是 计量单位从英制改为中国习惯采用的 公制。当焊工考试时若采用了美国焊 条，便可直接按（2002考规）表2的规 定将美国焊条划入相应的类别中。
GB/T983－1995 等效 ANSI/AWS A5.4－1992 《不锈钢手工电弧焊焊条》 GB/T5117－1995 等效 ANSI/AWS A5.1－1991
F1、F3
F1、F3、 F3J F4 F4、F4J
—— 25 ——
EXXX(X)16/-17 EXXX(X)16/-17
２００9－１１－2３
.二、锅炉、压力容器和压力管道使用国产焊 条所执行的国家标准有三个：GB/T983－ 1995， GB/T5117－1995， GB/T5118－ 1995， 行业标准一个： JB/T4747－2002。 • 表2 焊条代号、类别及适用范围
利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服表面不平度，除去氧化膜及其 它污染物，使两个连接表面的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下
实现连接。
钎焊连接—— 利用某些熔点低于被连接构件材料熔点的钎料金属在连接界面上的熔化 流散浸润，然后结晶形成结合。
２００9－１１－2３ —— 15 ——
3.焊接的分类: