常用金屬材料焊接及焊接結構設計

常用金屬材料焊接及焊接結構設計第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、金屬材料的焊接性1、焊接性：在一定的焊接工藝條件(焊接方法、焊接材料、工藝參數及結構形式等)下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。焊接性包括兩個方面的內容：

1）接合性能：即在給定的焊接工藝條件下，對產生焊接缺陷的敏感性，尤其是對產生裂紋的敏感性

2）使用性能：即在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭對使用要求的適應性、可靠性。第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日2、焊接性的評定在焊接結構中最常用的金屬材料是鋼材。影響鋼材焊接性的主要因素是化學成分。碳當量：將鋼中合金元素的含量按其對焊接性的影響程度換算成碳的相當含量。它可作為評定鋼材焊接性的一種參考指標。式中各元素的含量都取其成分范圍的上限。第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

當ωCE＜0.4%時，焊接性優(yōu)良，焊前一般不需預熱；當ωCE＝0.4~0.6%時，焊接性較差，需要預熱、緩冷；當ωCE＞0.6%時．焊接性很差，需要嚴格的工藝措施。第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日利用碳當量法估算鋼材焊接性是粗略的，因為鋼材的焊接性還受結構剛度、焊后應力條件、環(huán)境溫度等因素的影響。在實際生產中，金屬材料的焊接性除了按碳當量進行估算外，還需根據實際情況進行抗裂性實驗，并配合進行接頭使用性能試驗，以制定正確的焊接工藝。第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、碳鋼及低合金鋼的焊接1、低碳鋼的焊接低碳鋼含碳量＜0.25％，其塑性好，一般沒有淬硬傾向，對焊接過程不敏感，焊接性好。焊這類鋼時，不需要采取特殊的工藝措施，通常在焊后也不需進行熱處理。2、中、高碳鋼的焊接因含碳量較高，焊接接頭易產生淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。焊接這類鋼常選用手弧焊，焊前應預熱，焊件選用抗裂性能好的低氫型焊條，焊時，采用細焊條、小電流、開坡口、多層焊，盡量防止母材金屬過多地熔入焊縫。焊后緩冷，防止產生冷裂。第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日3、低合金結構鋼的焊接低合金結構鋼的含碳量均屬于低碳鋼范圍，但由于其它化學成分不同，故焊接性有明顯差別。強度等級在300~400MPa的低合金結構鋼，塑性和韌性好，碳當量ωCE＜0.40%，焊接性良好。常用的方法是手弧焊和埋弧自動焊，通常不需采取特殊工藝措施。強度等級＞450MPa的低合金結構鋼，碳當量ωCE＞0.40%，焊接性較差。焊前一般需預熱(預熱溫度＞150℃)。焊接時，應調整焊接規(guī)范來嚴格控制熱影響區(qū)的冷卻速度，焊后應及時進行熱處理以消除應力。第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

三、高合金不銹鋼的焊接

高合金不銹鋼中應用最廣泛的是奧氏體耐蝕鋼(如18—8型鉻鎳奧氏體不銹鋼)。焊接性能良好。焊接時，一般不需要采取特殊的工藝措施。

手弧焊時，選用與母材化學成分相同的焊條；氬弧焊和埋弧自動焊時，選用的焊絲應保證焊縫化學成分與母材相同。焊接奧氏體不銹鋼的主要問題是晶界腐蝕和熱裂紋。第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日四、鑄鐵的焊接

鑄鐵含碳量高，焊接性很差，所以鑄鐵焊接只用于修補鑄件缺陷。焊接鑄鐵的主要問題是易出現白口組織和裂紋。

(1)熱焊焊前將焊件整體或局部預熱到500一700℃，焊補過程中溫度不低于400℃，焊后緩冷，從而防止白口組織和裂紋的產生。熱焊焊補質量較好，但工藝復雜，生產率低、勞動條件差。一般僅用于焊后要求機械加工的鑄鐵件。如機床導軌、汽缸體等。

(2)冷焊焊前對焊件不預熱或預熱溫度較低(400℃以下)。冷焊比熱焊生產率高，成本低，勞動條件好，但焊補質量有時不易保證。焊接時應盡量用小電流、分段焊，短弧焊等工藝，焊后立即輕輕錘擊焊縫，以減少焊接應力，防止產生裂紋。第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日五、非鐵金屬及其合金的焊接1、鋁及鋁合金的焊接焊接鋁及其合金的主要困難是：

(1)易氧化鋁極易被氧化形成難熔的氧化鋁(A12O3)薄膜，熔點為2050℃，它覆蓋在金屬表面，阻礙金屬熔合；且氧化鋁密度大，難于排除，易形成夾渣缺陷。

(2)易產生缺陷液態(tài)鋁能大量溶解氫，而在固態(tài)時幾乎不溶解氫，因此易生成氣孔，高溫時鋁的強度、塑性很低，熱膨脹系數大，易產生較大的焊接應力、變形和裂紋；鋁及鋁合金由固態(tài)加熱到液態(tài)時無顏色變化，故操作時難以掌握加熱溫度，易燒穿。

氬弧焊是焊接鋁和鋁合金最為理想的焊接方法。第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日2、銅及銅合金的焊接銅和銅合金的焊接性較差，主要存在的問題是：

(1)銅的熱導性好，焊接時要求熱源集中，焊前要預熱，否則易產生未焊透或末熔合等缺陷。

(2)銅的線脹系數大，凝固時收縮率也大，因此焊接應力與變形大。

(3)銅在高溫時極易與氧形成氧化亞銅(Cu2O)，它與銅形成低熔點共晶體(Cu2O—Cu)，分布在晶界上，易產生熱裂紋。

(4)銅在液態(tài)時能溶解大量氫氣，凝固時溶解度急劇下降，易形成氣孔。

(5)焊接黃銅時會產生鋅的蒸發(fā)，使黃銅焊縫的強度和耐蝕性下降。鋅蒸氣有毒，對人體有害。

氬弧焊是焊接紫銅和青銅的有效方法。焊接黃銅常用氣焊，鋅的蒸發(fā)較少，而且由于氣焊可采用輕微氧化焰和含硅焊絲相配合，使熔池表面形成一層致密的氧化硅薄膜，保護效果強，焊接質量高。第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日10.4焊接結構設計第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日設計焊接結構，除應考慮結構的使用性能要求外，還應考慮結構焊接工藝的要求，以保證焊接質量，力求高生產率、低成本。

焊接結構設計一般包括:焊接結構材料的選擇焊接接頭的工藝設計（包括焊縫布置、接頭型式、坡口形式等）第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、焊接結構材料的選擇在滿足結構使用性能要求的前提下，應盡可能選用焊接性良好的材料來制造焊接結構件。第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日設計焊接結構時，應多采用工字鋼、槽鋼、角鋼和鋼管等型材，以降低結構重量，減少焊縫數量、簡化焊接工藝，增加結構件的強度和剛性。對形狀比較復雜的部分，還可以選用鑄鋼件、鍛件或沖壓件來焊接。第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、焊接接頭的工藝設計(一)焊縫的布置按焊縫在空間位置的不同，可分為平焊、橫焊、立焊和仰焊。其中平焊操作方便，易于保證焊接質量，故焊接時，應盡量使焊絕處于平焊位置。第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）焊縫位置應便于焊接操作布置焊縫時，要考慮到有足夠的焊接操作空間，以滿足焊接運條的需要。第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）焊縫位置應便于焊接操作（續(xù)）布置焊縫時，要考慮到焊接工藝方法的要求。第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日2）應避免密集和交叉的焊縫焊縫密集或交叉會使接頭處嚴重過熱，力學性能下降，并將增大焊接應力。一般兩條焊縫的間距要大于三倍的鋼材厚度。第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日3）盡可能使焊縫對稱焊縫對稱布置可使各條焊縫產生的焊接變形相互抵消，這對減小梁、柱等結構的焊接變形有明顯效果。第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日4）焊縫應盡量避開最大應力和應力集中的位置大跨度橫梁，最大應力在跨度中間。橫梁由兩焊件焊成，焊縫在中間使結構承載能力減弱。修改后的結構，雖增加了一條焊縫，但改善了焊縫受力情況，提高了橫梁的承載能力。

對壓力容器應使焊縫避開應力集中的轉角處位置。第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日壓力容器應使焊縫避開應力集中的轉角處位置。第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日5）焊縫轉角處應平滑過接焊縫轉角處易產生應力集中，尤其在尖角處集中效應更為嚴重，應平滑過渡。第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日6）焊縫應盡量避開機械加工表面有些焊接結構是一些零件，需要進行機械加工。其焊縫位置的設計應盡可能距離已加工表面遠一些。第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）接頭形式的選擇與設計１、接頭形式：

對接接頭應力分布均勻，接頭質量容易保證，節(jié)省材料，是焊接結構中應用最多的一種接頭型式，但對焊前準備和裝配要求較高。

搭接接頭常用于對焊前準備和裝配要求簡單的板狀類部件結構中，但因兩焊件不在同一平面上，受力時將產生附加彎曲應力，降低接頭強度，且不經濟，故搭接接頭是薄板焊件的基本接頭型式。

角接接頭一般只起連接作用，不能用來傳遞工作載荷。

T形接頭應用較廣泛，在船體結構中，約70%的焊縫是采用這種接頭型式。第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日２、接頭坡口形式開坡口的目的是：為了保證焊縫根部焊透，便于清除熔渣，獲得較好的焊縫形狀，并且坡口能起到調節(jié)母材金屬和填充金屬的比例作用。

（1）手弧焊板厚＜6mm時，一般不開坡口。

（2）板厚在6—26mm時，開Y形坡口，這種坡口便于加工，但焊后焊件易變形。第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日（3）板厚在12—60mm時，可采用雙Y形按口。在相同厚度情況下，雙Y形坡口比Y形坡口能減少焊條消耗量約1／2左右，焊件變形較小。（4）帶鈍邊U形坡口焊著金屬量更少，焊件變形也更小，但加工坡口較困難，一般用于較重要的焊接結構件。第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日手弧焊常用的焊縫坡口基本形式與標注方法

第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日手弧焊常用的焊縫坡口基本形式與標注方法

（續(xù)1）第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日手弧焊常用的焊縫坡口基本形式與標注方法

（續(xù)2）第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日３、接頭過渡形式

設計焊接構件最好采用相等厚度的金屬材料，以便獲得優(yōu)質的焊接接頭。當兩塊厚度相差較大的金屬材料進行焊接時，接頭處會造成應力集中。而且接頭兩邊受熱不勻易產生焊不透等缺陷。

不同厚度金屬材料對接時，允許的厚度差如表所示。如果超過表中規(guī)定值，應在較厚板料上開出單面或雙面斜邊的過渡形式。第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日10.5焊縫質量的檢驗第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日1、磁粉檢驗2、超聲波檢驗第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日3、X射線檢驗第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日例題第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日焊接結構實例

——壓力容器生產工藝過程第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、壓力容器簡介壓力容器示意圖第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日壓力容器實物圖第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、壓力容器生產工藝過程壓力容器生產工藝過程實物圖第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日壓力容器生產工藝流程框圖

第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.封頭生產工序（1）下料第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日（2）拉深（3）消除應力退火第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日（4）切邊（5）縮口第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日2.筒體節(jié)生產工序（1）下料（2）加工坡口第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日（3）卷圓第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日（5）焊接雙面縱焊縫（4）裝配及定位焊第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日筒體節(jié)縱焊實物圖第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月2