机械制造基础焊接
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第四篇 焊接
第一章 电弧焊
§1 .1焊接电弧
焊接电弧：是电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象。 一般情况下，电弧热量在阳极区产生的较多，约占总热量的43%，阴极
约36%，弧柱约21%。 温度：用钢焊条焊钢材时
阳极区—2600K 阴极区—2400K 电弧中心—6000~8000K 使用直流电源焊接时有正接、反接两种： 正接：正极接工件—工件温度可稍高一些。 反接：负极接工件，工件温度可稍低一些。 交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。 焊机的空载电压就是焊接时引弧电压，一般为50~90V，电弧稳定燃烧 时电压为电弧电压。电弧长度越大，电弧电压也越高，一般为16~35V。
当对焊件的变形有较高的限定时： 结构设计中应采用：对称结构或大刚度结构、焊缝对称分布 结构。 施焊中：采用反变形措施或刚性夹持方法（刚性夹持不适于 淬硬性较大的钢结构和铸铁 件）。
焊接应力过大的严重后果是焊件（工件）产生裂纹， 危害极大，对重要工件焊后应探伤。
焊接裂纹与： 焊接材料的成分（如硫、磷含量高）有关； 和焊缝金属的结晶特点（结晶区间要小）有关； 含氢量的多少有关。
芯同时熔化，形成熔池。同时药皮熔化和分解。 药皮熔化→进入熔池发生反应→形成熔渣→保护熔化金属。 药皮分解→CO2,CO,H2等气体→围绕在电弧周围→保护熔化 金属。 焊缝质量有很多因数决定，如母材 金属和焊条质量、焊前的清理程度、 焊时电弧的稳定情况、焊接参数、 焊接操作技术、焊后冷却速度、以及 焊后热处理等。
⒉焊接热影响区、熔合区、过热区、正火区、部分相变区等。 ⑴ 熔合区
处于液相线、固相线之间，所以也称半熔化区。因温度过高而成 为过热粗晶，强度、塑性和韧性都下降。此处接头断面变化，易 引起应力集中。此区很大程度上决定着焊接接头的性能。 ⑵ 过热区 被加热到Ac3以上100～200°C至固相线温度区间。奥氏体晶粒 急剧长大，形成过热组织，故塑性、韧性降低，对易淬火钢，此 区脆性更大
二、电焊条 ⒈焊芯
起导电和填充焊缝作用，直径最小为1.6，最大为8。常用 φ3.2~φ5。
⒉焊条药皮 主要作用：提高电弧稳定性；防止空气对熔化金属的有害 作 用；对溶池脱氧，加入合金元素，以保证焊 缝金属的化学成分和力学性能。
⒊焊条的种类、型号和牌号 焊条有七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆 焊焊条、铸铁焊条、铜焊条、铝焊条 焊条的型号、牌号 型号牌号关系 东工机械零件设计手册 P682 表8-39 碳钢焊条
但对重要的碳钢构件、合金钢构件、电渣焊焊接 的构件为消除Baidu Nhomakorabea影响区影响，一般采用焊后正火 处理。
对焊后不能进行热处理金属材料或构件，则只能 在正确选择焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热 影响区的范围。
§1.3 焊接应力与变形
焊接过程中，焊缝被加热处于液态，相邻的金属加热到 很高的温度，然后再快速冷却下来，各点处温度不同， 冷却速度也不相同，在热胀冷缩和塑性变形的影响下， 必将产生内应力、变形或裂纹。
④ 焊前预热，可减小温差，减少焊接应力较为有效。 ⑤ 采用小能量焊接方法，或焊后立即捶击。 ⑥ 需较彻底地消除焊接应力时，焊后去应力退火。 ⑦ 采用水压试验或振动法消除焊接应力。
焊接变形：由焊接应力引起。 变形种类：
图4-7 收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形
焊件产生变形主要由焊接应力引起的，预防焊接应力的措施 对防止焊接变形有时是有效的。
⑶正火区
被加热到Ac1到Ac3以上100～200°C区间。在此区温度范围 内，加热时发生重结晶，转变为细小的奥氏 体晶粒，冷却后 为均匀而细小的铁素体和珠光体，其力学性能优于母材。
⑷部分相变区
相当于加热到Ac1～Ac3温度区间。珠光体和部分铁素体发 生重结晶，转变成细小奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变， 但晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而其力学性能 比正火区稍差。
焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，决定于焊接 方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。增加焊 接速度或减少焊接电流都能减少焊接热影响区 。
三、改善焊接热影响区组织和性能的方法
焊接热影响区在电弧焊焊接接头中是不可避免的。
用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构 时，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行热 处理即可使用。
焊缝是靠一个移动的点热源加热，然后逐次冷却下来形 成的，因此应力的形成、大小和分布状况较复杂。
假定整条焊缝同时形成，则应力分布如图4-5
焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能，承载能力 大为降低，对于接触腐蚀性介质的焊件，应力腐蚀现象 加剧，减少使用期限。
对于承受重载的重要构件、压力容器等，焊接应力的 防止和消除： ① 选择塑性好的材料。 ② 避免焊缝密集交叉，焊缝过长，截面过大。 ③ 合理的焊接次序。图4-6 a 为正确。
所以焊接中应：合理选材、采取措施减少应力、选 用合理的焊接工艺、焊接参数 （如：采用碱性焊条、小能量焊接、预热、合理 的焊接次序等
§1.4 焊条电弧焊
焊条电弧焊（即手工电弧焊）适于高强度钢、铸钢、铸铁、和 非铁合金，其焊接接头可与工件的强度相近，是焊接生产中 应用最广泛的焊接方法。
一、焊条电弧焊的焊接过程 电弧在工件和焊条之间燃烧，产生高温，电弧热使工件、焊
§1.2 焊接接头的组织与性能
一、焊接工件上温度的变化与分布 各点处由常温—较高温度—常温
固态 液态 固态 温度变化如4-3图 二、焊接接头组织与性能 以低碳钢为例 P132 图4-4中，左图是焊件的横截面，右
图是铁碳状态图的一部分
⒈焊缝 焊缝的结晶是从熔池底壁开始向中心成长。焊缝两侧工件方向冷 却较快，故形成的柱状的铸态组织，由铁素体和少量的珠光体组 成，熔池中部最后结晶，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析物 集中在焊缝中心，将影响焊缝的力学性能。 由于电弧吹力和保护气体吹动，熔池底壁柱状晶体成长受到干扰， 柱状晶体呈倾斜状，晶粒有所细化。 由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属性能可能不低于母材金属 的性能。
第一章 电弧焊
§1 .1焊接电弧
焊接电弧：是电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象。 一般情况下，电弧热量在阳极区产生的较多，约占总热量的43%，阴极
约36%，弧柱约21%。 温度：用钢焊条焊钢材时
阳极区—2600K 阴极区—2400K 电弧中心—6000~8000K 使用直流电源焊接时有正接、反接两种： 正接：正极接工件—工件温度可稍高一些。 反接：负极接工件，工件温度可稍低一些。 交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。 焊机的空载电压就是焊接时引弧电压，一般为50~90V，电弧稳定燃烧 时电压为电弧电压。电弧长度越大，电弧电压也越高，一般为16~35V。
当对焊件的变形有较高的限定时： 结构设计中应采用：对称结构或大刚度结构、焊缝对称分布 结构。 施焊中：采用反变形措施或刚性夹持方法（刚性夹持不适于 淬硬性较大的钢结构和铸铁 件）。
焊接应力过大的严重后果是焊件（工件）产生裂纹， 危害极大，对重要工件焊后应探伤。
焊接裂纹与： 焊接材料的成分（如硫、磷含量高）有关； 和焊缝金属的结晶特点（结晶区间要小）有关； 含氢量的多少有关。
芯同时熔化，形成熔池。同时药皮熔化和分解。 药皮熔化→进入熔池发生反应→形成熔渣→保护熔化金属。 药皮分解→CO2,CO,H2等气体→围绕在电弧周围→保护熔化 金属。 焊缝质量有很多因数决定，如母材 金属和焊条质量、焊前的清理程度、 焊时电弧的稳定情况、焊接参数、 焊接操作技术、焊后冷却速度、以及 焊后热处理等。
⒉焊接热影响区、熔合区、过热区、正火区、部分相变区等。 ⑴ 熔合区
处于液相线、固相线之间，所以也称半熔化区。因温度过高而成 为过热粗晶，强度、塑性和韧性都下降。此处接头断面变化，易 引起应力集中。此区很大程度上决定着焊接接头的性能。 ⑵ 过热区 被加热到Ac3以上100～200°C至固相线温度区间。奥氏体晶粒 急剧长大，形成过热组织，故塑性、韧性降低，对易淬火钢，此 区脆性更大
二、电焊条 ⒈焊芯
起导电和填充焊缝作用，直径最小为1.6，最大为8。常用 φ3.2~φ5。
⒉焊条药皮 主要作用：提高电弧稳定性；防止空气对熔化金属的有害 作 用；对溶池脱氧，加入合金元素，以保证焊 缝金属的化学成分和力学性能。
⒊焊条的种类、型号和牌号 焊条有七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆 焊焊条、铸铁焊条、铜焊条、铝焊条 焊条的型号、牌号 型号牌号关系 东工机械零件设计手册 P682 表8-39 碳钢焊条
但对重要的碳钢构件、合金钢构件、电渣焊焊接 的构件为消除Baidu Nhomakorabea影响区影响，一般采用焊后正火 处理。
对焊后不能进行热处理金属材料或构件，则只能 在正确选择焊接方法与焊接工艺上来减少焊接热 影响区的范围。
§1.3 焊接应力与变形
焊接过程中，焊缝被加热处于液态，相邻的金属加热到 很高的温度，然后再快速冷却下来，各点处温度不同， 冷却速度也不相同，在热胀冷缩和塑性变形的影响下， 必将产生内应力、变形或裂纹。
④ 焊前预热，可减小温差，减少焊接应力较为有效。 ⑤ 采用小能量焊接方法，或焊后立即捶击。 ⑥ 需较彻底地消除焊接应力时，焊后去应力退火。 ⑦ 采用水压试验或振动法消除焊接应力。
焊接变形：由焊接应力引起。 变形种类：
图4-7 收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形
焊件产生变形主要由焊接应力引起的，预防焊接应力的措施 对防止焊接变形有时是有效的。
⑶正火区
被加热到Ac1到Ac3以上100～200°C区间。在此区温度范围 内，加热时发生重结晶，转变为细小的奥氏 体晶粒，冷却后 为均匀而细小的铁素体和珠光体，其力学性能优于母材。
⑷部分相变区
相当于加热到Ac1～Ac3温度区间。珠光体和部分铁素体发 生重结晶，转变成细小奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变， 但晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而其力学性能 比正火区稍差。
焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，决定于焊接 方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。增加焊 接速度或减少焊接电流都能减少焊接热影响区 。
三、改善焊接热影响区组织和性能的方法
焊接热影响区在电弧焊焊接接头中是不可避免的。
用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构 时，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行热 处理即可使用。
焊缝是靠一个移动的点热源加热，然后逐次冷却下来形 成的，因此应力的形成、大小和分布状况较复杂。
假定整条焊缝同时形成，则应力分布如图4-5
焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能，承载能力 大为降低，对于接触腐蚀性介质的焊件，应力腐蚀现象 加剧，减少使用期限。
对于承受重载的重要构件、压力容器等，焊接应力的 防止和消除： ① 选择塑性好的材料。 ② 避免焊缝密集交叉，焊缝过长，截面过大。 ③ 合理的焊接次序。图4-6 a 为正确。
所以焊接中应：合理选材、采取措施减少应力、选 用合理的焊接工艺、焊接参数 （如：采用碱性焊条、小能量焊接、预热、合理 的焊接次序等
§1.4 焊条电弧焊
焊条电弧焊（即手工电弧焊）适于高强度钢、铸钢、铸铁、和 非铁合金，其焊接接头可与工件的强度相近，是焊接生产中 应用最广泛的焊接方法。
一、焊条电弧焊的焊接过程 电弧在工件和焊条之间燃烧，产生高温，电弧热使工件、焊
§1.2 焊接接头的组织与性能
一、焊接工件上温度的变化与分布 各点处由常温—较高温度—常温
固态 液态 固态 温度变化如4-3图 二、焊接接头组织与性能 以低碳钢为例 P132 图4-4中，左图是焊件的横截面，右
图是铁碳状态图的一部分
⒈焊缝 焊缝的结晶是从熔池底壁开始向中心成长。焊缝两侧工件方向冷 却较快，故形成的柱状的铸态组织，由铁素体和少量的珠光体组 成，熔池中部最后结晶，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析物 集中在焊缝中心，将影响焊缝的力学性能。 由于电弧吹力和保护气体吹动，熔池底壁柱状晶体成长受到干扰， 柱状晶体呈倾斜状，晶粒有所细化。 由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属性能可能不低于母材金属 的性能。