连接成形课件

焊接结构生产过程是指从投料开始，经过一系列工序，最后加 工成焊接产品的过程。 在整个生产过程中，对焊接产品质量有决定影响的是焊接工 艺过程。
焊接结构生产过程
一、（熔化）电弧焊成形原理
电弧放电产生热，造成局部高温，熔化电极 （焊条）与工件连接处材料，冷却凝固后使被焊材 料形成永久性连接。
1、焊接电弧的产生 电弧：在两极与工件间的气体 介质中产生强烈而持久的放电现 象。正负电极间具有一定的电压， 而且两电极间的气体介质应处在 电离状态。
瞬间的高能量使（局部）温度 急剧升高（5000-8000K）－只 要电源保持两极之间一定的电 位差，即可维持电弧的燃烧
焊接电弧是在两极与工件间的气体介质中产生强烈
而持久的气体放电现象。
电极与工件间长时间、稳定存在的电弧。
------熔化焊的热源

按电流种类：交流电弧、直流电弧、脉冲电弧 按电弧的状态：自由电弧和压缩电弧（等离子弧） 按电极材料：熔化电弧和不熔化电弧
（三）焊接材料（电焊条）
组成： 由心部的金属焊芯和表面药皮涂层 焊芯： 作为电极，产生电弧，并传导焊接电流，焊芯熔化后作为 填充金属成为焊缝的一部分。钢焊条的焊芯采用专门的焊接用 钢丝。焊条直径是由焊丝直径来表示的，一般为1.6、2.0、2.5、 3.2、4.0、5.0、6.0、8.0mm等规格，长度为300～450mm。 常用焊接用钢丝的牌号和化学成分
D、选用：在同种材料的基础上，主要以“等强”为原则。
二、焊接接头的组织与性能
焊接接头:焊缝金属、熔合区和焊接热影响区组成。 1、焊件上温度的分布： 焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高， 达到最高值后，又由高而低随时间的变化 1.加热温度高 2.加热速度快 3.高温停留时间短 4.焊接时，一般都是在 自然条件下连续冷却， 个别情况下才进行焊 后保温或焊后热处理 5.局部加热
（2）保护焊接熔池：产生气体及造渣，隔绝空气以保护熔池及凝
（4）补充合金元素，熔渣与液态金属形成冶金处理作用：补充电
弧的高温的烧损 （5）使熔滴增加而减少飞溅 ：药皮的熔点比焊芯低，并处于电 弧的中心区，焊芯先熔化，药皮自然形成套管，热量更集中
基本成分
型号编制： 分类号－最小抗拉强度－焊接位置－ 适用电源及药皮种类 E4303 焊条的种类 ：据熔渣化学性质：酸性焊条和碱性焊条。 酸性：熔渣中以酸性氧化物为主，氧化性强，合金元素烧损 大，故焊缝的塑性和韧度不高，且焊缝中氢含量高，抗裂性差， 但酸性焊条具有良好的工艺性，对油、水、锈不敏感，交直流 电源均可用，广泛用于一般结构件的焊接


（3）熔池反应区

熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池 温度：1600-1900 ℃ 比表面积：1300 cm2/kg
反应时间：3-8S（SMAW） 特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶金反应 比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可 能向相反方向进行。

温度变化范围大
焊接结构，广泛应用于：石油与化工业
矿山机械
起重与运输设备
锅炉及压力容器
汽车与船舶业
铁路交通
航空与航天
国防工业
建筑结构
焊 接 分 类： 实 现 途 径 不 同
︱
焊 接 方 法 不 同
与铆接、螺栓连接的结构相比较，或者与铸造 锻造的结构相比较，焊接结构有下列特点（优 点）： 1、焊接接头强度高 铆接、螺栓连接的结构，要在母材上钻孔， 削弱了工作截面，强度下降约20% 焊接:接头强度可达到与母材等强度甚至高于 母材强度。 2、焊接接头密封性好 气密性，水密性均优于其它方法，特别是在 高温，高压容器上，只有焊接接头才是最理想的 连接形式。
（二）焊接冶金过程
在电弧焊时，液态金属、熔渣和气体三者相互作用，是金 属再冶炼的过程 A、特点 局部高温：焊接区的温度高于冶金温度，尤其是熔滴（焊 丝先端受热熔化所形成的液态金属滴），并发生一系列的物 理化学反应，过热状态：氧化严重、烧损强烈。
速度快：熔池的体积小（30cm3)冷却速度快，局部加热温 度分布不均匀； 10S时间反应不完全，杂质、气体来不及浮 出。 复杂和不平衡型：处于不断的更新和激烈搅拌状态，在 熔池中金属的熔化和结晶是同时进行的----运动状态下结晶
重要焊接结构及 埋弧焊焊丝
H08Mn2S ≤0.11 i
H08Mn2S iA ≤0.11
0.65～ 0.95
0.65～ 0.95
二氧化碳气体保 护焊焊丝
药皮：
保证焊接顺利进行并使焊缝具有一定的化学成分和机械性能
(1)有引导和提高电弧稳定性: 固后的焊缝不被氧化或氮化 （3）脱除有害杂质（如氧、氢、硫、磷等）：还原剂 含有电离点位低的钾、钠
4、焊前准备工作简单 由于近年来数控精密气割设备的发展，对于各种厚度 或形式状复杂的待焊接，不必预划线就能直接从板料上切 割出来，一般不用再机械加工就可投入装配焊接。 5、易于结构的变更和改型 铸造—铸型（木型） 锻造—开模具 周期长、成本高 焊接、则快速、简便、投资少 6 、适用于制作大型或重型、结构简单而且是单件小批量生 产的产品结构 结构 大 简单 批量小 焊接占优势 结构 小 复杂 批量大 铸锻占优势 7、成品率高 一旦出现缺陷，可以修复、很少产生废品
碱性（又称低氢焊条）： 药皮中以碱性氧化物以莹石为主，并含较多铁合金，脱氧、 除氢、渗金属作用强，与酸性焊条相比，其焊缝金属的含氢量 较低，有益元素较多，有害元素较少，因此焊缝力学性能与抗 裂性好，但碱性焊条工艺性较差，电弧稳定性差，对油污、水、 锈较敏感，抗气孔性能差，一般要求采用直流焊接电源，主要 用于焊接重要的钢结构或合金钢结构
产生过程： 引燃焊接电弧: 通常是将两电极（一极为工件，另一极为填充 金属丝或焊条）接通电源，短暂接触并迅速分离，两极相互接触 时发生短路，造成接触点处电流密度瞬间增大到相当大并产生极 大的电阻热，迅速将焊条药皮和两极金属熔化并蒸发，抬起焊条 （电极分离）－在两极间充满了药皮已电离的电荷和金属蒸汽， 在磁场和高温的作用下，电荷运动电流，引燃了电弧。 ------这种方式称为接触引弧。
直接弧：阴、阳极斑点直接加热母材和焊丝；
辅助作用：弧柱产生的辐射、对流，电极斑点产生的辐射
等。
间接弧：主要依靠辐射和对流加热。


由于电弧产生的热量在阳极与阴极有差异，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。
牌号 H08 H08A H08E 化学成分的质量分数w (%) C ≤0.1 ≤0.10 ≤0.10 Mn 0.35～ 0.55 0.35～ 0.55 0.35～ 0.55 1.7～2.1 1.80～ 2.10 Si ≤0.03 ≤0.03 ≤0.03 Cr ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20. ≤0.20 ≤0.20 Ni ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 S ≤0.04 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.040 ≤0.030 P ≤0.040 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.040 ≤0.030 用途 一般焊接结构
2、电弧构造与温度


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— 5000~8000K 电弧的特点：电压低、电流大、局部高温、能量密度大、 移动性好 等，一般20～30V的电压即可维持电弧的稳定燃烧， 而电弧中的电流可以从几十安培到几千安培以满足不同工件的 焊接要求，电弧的温度可达5000K以上，可以熔化各种金属

电弧焊热源
热等离子体）的放电过程。焊接过程采用的是直接弧，阳极斑 点和阴极斑点直接加热母材和焊丝（或电极材料）。电弧柱产 生的辐射和对流（气流效应）传热和电极斑点产生的辐射传热 也起辅助作用。
等离子弧焊时，应用非直接弧，也就是电弧是间接加热被焊 工件。
电弧焊时，热量产生于阳极与阴极斑点之间气体柱（源自文库柱、
第八章 连接成形
常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械联接等。 焊接：通常是指金属的焊接。是通过加热或加压，或两者同 时并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成 形方法。 胶接技术：使用胶粘剂来连接各种材料。胶接不受材料类型的 限制，能够实现各种材料之间的连接 基本连接方式 焊接技术在工业部门中应用的历史并不长，但其发展却 非常迅速。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属 结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆、压力容器等几乎 全部取代了铆接。此外，在机械制造业中，以往由整铸整锻 方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，目前，世界主要工业 国家生产的焊接结构占到钢产量的45%。
3、焊接结构设计灵活性大 主要表现在： ①焊接结构的几何形状不受限制： 如铆、铸、锻等方法无法制造空心结构，焊接则可以； ②结构的壁厚不受限制： 两被连接构件的壁厚可以相差很大，薄厚均可； ③结构的外形尺寸不受限制： 大型结构可分段制成部件，现场组焊、锻、铸、工艺则不允许 ④可利用标准或非标准型材 组焊接成所需要结构，段结构重量减轻。焊缝减少； ⑤可与其它工艺方法联合使用： 铸—焊,锻—焊,栓——焊,冲压—焊接等联合的金属结构； ⑥可实现异种材料的连接： 同一结构的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物 尽其用
停留时间短
基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性 不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同
B、工艺措施
1、对熔化金属形成保护气氛，使之与空气隔开 保护方法： 气体：CO2,电子束焊 熔渣：埋弧焊 气-渣：手工焊、自保护药芯焊 2、焊前清理: 3、补充合金： 对焊接熔池进行冶金处理，主要通过在焊接材料（焊条药 皮、焊丝、焊剂）中加入一定量的脱氧剂（主要是锰铁和硅铁） 和一定量的合金元素，在焊接过程中排除熔池中的FeO，同时补 偿合金元素的烧损。 4. 加入脱氧剂等，排出气体
空气环境：Fe的氧化、氮化。
（1）药皮反应区

温度：100-1200 ℃（钢材） 反应：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化
（2）熔滴反应区

熔滴平均温度：1800-2400 ℃ 熔滴金属与气体和熔渣的接触面积：比面积：100010000cm2/kg,比炼钢时大1000倍 各相之间的反应时间（接触时间）：0.01-0.1s 反应：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分 的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。 特点：反应激烈、反应物含量离平衡浓度较远。
焊接结构所存在的问题（缺点）： 1、存在较大的焊接应力和变形 焊接（局部加热）—内应力—变形—工艺缺欠—承载能力 （刚度、强度、稳定性）下降—尺寸精度，尺寸稳定性下 降—校形—增加工作量—增加成本 2、对应力集中敏感 焊接结构具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次 序等都会影响到应力分布，对应力集中敏感，而应力集中是 疲劳，脆断等破坏的起源，因此在焊接结构设计时要妥善处 理 3、焊接接头的性能不均匀 焊接金属是由母材料和填充金属在焊接热作用下熔合而 成的铸造组织，靠近焊接金属的母材（近缝区）受焊接热的 影响，组织和性能发生变化（谓之热影响区），因此，焊接 接头在成分，组织和性能上都是一个不均匀体，其不均匀程 度远远超过了铸、锻件，这种不均匀性对结构的力学行为， 特别是断裂行为有重要影响
2、焊缝金属： 焊缝金属是由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶 而成的。 焊缝金属在结晶时，是以熔池和母材金属的交界处的半熔 化金属晶粒为晶核，沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶， 最后这些柱状晶在焊缝中心相接触而停止生长。
由于焊缝组织是铸态组织，故成分偏析，组织不致密。但 由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用以及药皮保护，冷却 速度快，晶粒比较细小，使焊缝化学成分优于母材，所以焊缝 金属的力学性能一般不低于母材