材料成型工藝基礎(chǔ)(第四版)課件 第4章

第4章焊接成型技術(shù)4.1焊接方法4.2焊接原理與焊接接頭4.3常用金屬材料的焊接4.4焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計

與鉚接、膠接、螺栓連接等方法(見圖4-1)相比,焊接具有如下特點:

(1)節(jié)省金屬材料,結(jié)構(gòu)重量輕。

(2)可用于制造重型、復(fù)雜的機器零部件,簡化鑄造、鍛造及切削加工工藝,獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟效果。

(3)焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和密封性。

(4)能夠制造雙金屬結(jié)構(gòu),使材料的性能得到充分利用。

(5)焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸,維修不便;存在焊接應(yīng)力和變形,且組織性能不均勻,會產(chǎn)生焊接缺陷。

圖4-1連接方法

按照焊接過程的不同物理特點和所采用能源的性質(zhì),可將焊接方法分為熔焊、壓焊、釬焊三大類。常用的焊接方法如圖4-2所示。

壓焊是在焊接過程中對工件加壓(加熱或不加熱),并在壓力作用下使金屬接觸部位產(chǎn)生塑性變形或局部熔化,通過原子擴散,使兩部分被焊金屬連接成一個整體。該方法只適用于塑性較高的金屬材料的焊接。

圖4-2焊接方法分類

釬焊是把熔點比母材金屬低的填充金屬(簡稱釬料)熔化后,填充接頭間隙并與固態(tài)的母材相互擴散從而實現(xiàn)連接的焊接方法。該方法適用于各種異類金屬的焊接。

4.1焊接方法

4.1.1焊條電弧焊焊條電弧焊是利用手工操縱電焊條進行焊接的電弧焊方法。它是利用焊件與焊條之間產(chǎn)生的電弧熱量,將焊件與焊條熔化,待冷卻凝固后形成牢固接頭。焊條電弧焊的設(shè)備簡單,制造容易,成本低,并且可在室內(nèi)、室外、高空和各種位置施焊,操縱靈活,且焊接質(zhì)量較好,能焊接各種金屬材料,因而焊條電弧焊被廣泛應(yīng)用。焊條電弧焊的焊接過程如圖4-3所示。

圖4-3焊條電弧焊的焊接過程

1.焊接電弧

焊接電弧是在電極焊條與工件之間的氣體介質(zhì)中長時間而穩(wěn)定的放電現(xiàn)象,即在局部氣體介質(zhì)中有大量電子(或離子)流通過的導(dǎo)電現(xiàn)象。

焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)三部分組成,如圖4-4所示。

圖4-4-焊接電弧的構(gòu)造

由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽極和陰極上有一定的差異,因此在使用直流電焊機焊接時,有正接和反接兩種方法,如圖4-5所示。圖4-5焊接電極連接方法

2.電焊條及其選擇原則

1)焊條的組成

焊條電弧焊焊條是由焊芯和藥皮組成的,如圖4-6所示。圖4-6焊條

(1)焊芯。焊芯是組成焊縫金屬的主要材料,它的化學(xué)成分及質(zhì)量將直接影響焊縫質(zhì)量。因此,焊芯應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB1300—77《焊接用鋼絲》的要求。常見的焊芯牌號和化

學(xué)成分見表4-1。

(2)焊條藥皮。藥皮對焊接過程和焊接質(zhì)量有很大的影響。焊條藥皮的組成物按其作用分為穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、稀渣劑、黏結(jié)劑等,由礦石、鐵合金、有機物和化工產(chǎn)品四大類原材料粉末,如碳酸鉀、碳酸鈉、大理石、螢石、錳鐵、硅鐵、鉀鈉水玻璃等配成。它的主要作用有:提高電弧燃燒的穩(wěn)定性;防止空氣對熔化金屬的有害作用;保證焊縫金屬的脫氧、去硫和滲入合金元素,提高焊縫金屬的力學(xué)性能。焊條藥皮的組成及作用見表4-2。其中碳鋼及低合金鋼焊條的藥皮類型、電流種類及焊接特點見表4-3。

2)焊條分類及編號

(1)焊條分類。國家標(biāo)準(zhǔn)局將焊條按化學(xué)成分劃分為若干類,焊條行業(yè)統(tǒng)一將焊條按用途分為十類,表4-4列出了兩種分類有關(guān)內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系。

焊條按藥皮熔渣的性質(zhì)分為酸性焊條與堿性焊條兩大類。

酸性焊條藥皮中含有較多的酸性氧化物(如SiO2、TiO2、Fe2O3等),其氧化性強,焊接時合金元素?zé)龘p多,焊縫中氧、氮、氫含量較高,焊縫的力學(xué)性能較差,尤其是抗沖擊韌性低。

堿性焊條藥皮中,含有較多的CaO、CaCO3、CaF2、K2O等,熔渣呈堿性。

(2)焊條牌號。在生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是碳鋼焊條和低合金鋼焊條。

3.電焊條的選用原則

一般遵循下列原則:

(1)考慮母材的力學(xué)性能和化學(xué)成分。焊接低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼時,應(yīng)根據(jù)焊接件的抗拉強度選擇相應(yīng)強度等級的焊條,即等強度原則;焊接耐熱鋼、不銹鋼等材料時,則應(yīng)選擇與焊接件化學(xué)成分相同或相近的焊條,即等成分原則。

(2)考慮結(jié)構(gòu)的使用條件和特點。承受沖擊力較大或在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、厚大或剛性大的結(jié)構(gòu)件多選用抗裂性好的堿性焊條;如果構(gòu)件受沖擊力較小,構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單,母材質(zhì)量較好,應(yīng)盡量選用工藝性能好、較經(jīng)濟的酸性焊條。

(3)考慮焊條的工藝性。對于狹小、不通風(fēng)的場合,以及焊前清理困難且容易產(chǎn)生氣孔的焊接件,應(yīng)當(dāng)選擇酸性焊條;如果母材中含碳、硫、磷量較高,則應(yīng)選擇抗裂性較好的堿性焊條。

(4)選用與施焊現(xiàn)場條件相適應(yīng)的焊條。如對無直流焊機的地方,應(yīng)選用交直流電源的焊條。

4.1.2其他焊接方法

1.埋弧焊

埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的電弧焊方法,又稱焊劑層下焊接。埋弧焊在造船、鍋爐、化工容器、起重機械和冶金機械制造中的應(yīng)用非常廣泛。

1)埋弧焊的焊接過程

埋弧焊的焊接情況如圖4-7和圖4-8所示。

圖4-7埋弧焊示意圖

圖4-8埋弧焊焊縫的形成

2)埋弧焊的焊絲與焊劑

埋弧焊時,焊絲相當(dāng)于電焊條的焊芯,焊劑起保護、凈化熔池、穩(wěn)定電弧和滲入合金元素的作用。焊劑按制造方法可分為熔煉焊劑與陶質(zhì)焊劑兩大類。各種焊劑應(yīng)與一定的焊絲配合使用才能獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。常用焊劑的牌號、配用焊絲及用途如表4-5所示。

3)埋弧焊的特點

(1)生產(chǎn)率高。

(2)焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

(3)節(jié)省金屬材料,降低成本。

埋弧焊的設(shè)備費用高,工藝裝備復(fù)雜,主要用于焊接生產(chǎn)批量較大的長直焊縫與大直徑環(huán)形焊縫,不適合薄板和曲線焊縫的焊接。

2.氣體保護焊

氣體保護焊是用外加氣體保護電弧及焊接區(qū)的電弧焊。保護氣體通常有兩種,即惰性氣體(如氬氣)和活性氣體(如二氧化碳)。

1)氬弧焊

用氬氣作為保護性氣體的氣體保護焊稱為氬弧焊。氬氣(Ar)是惰性氣體,在高溫下既不溶入液態(tài)金屬也不與金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),它是一種比較理想的保護氣體。氬氣電離勢高,引弧較困難,但一經(jīng)引燃電弧就能穩(wěn)定燃燒。

按照電極不同,氬弧焊可分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊,如圖4-9所示。

圖4-9氬弧焊示意圖

2)二氧化碳氣體保護焊

二氧化碳氣體保護焊是以二氧化碳為保護氣體、以焊絲為電極的電弧焊。利用工件與電極(焊絲)之間產(chǎn)生的電弧熔化工件與焊絲,以自動或半自動方式焊接。圖4-10為

二氧化碳氣體保護焊示意圖。

圖4-10二氧化碳氣體保護焊示意圖

3.電渣焊

電渣焊是利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進行焊接的方法。電渣焊一般都是將兩焊件垂直放置,在立焊位置進行焊接,如圖4-11所示。

圖4-11電渣焊示意圖

4.電阻焊

常用的電阻焊可分為點焊、縫焊和對焊三種,如圖4-12所示。圖4-12電阻焊

1)點焊

點焊是利用電流通過圓柱狀電極和兩塊搭接工件接觸面產(chǎn)生的電阻熱,熔化接觸面處的固態(tài)金屬,在壓力下將兩個工件焊在一起的焊接方法。

點焊時,先加壓使工件緊密接觸,然后接通電流,因接觸處

的電阻很大,該處產(chǎn)生的電阻熱最多,金屬被熔化成熔核,斷電

后繼續(xù)保持壓力或增大壓力,熔核在壓力下凝固結(jié)晶,形成焊

點。焊完一點后,移動工件,可依次焊成其他焊點。當(dāng)焊第二個焊點時,將有一部分電流會流經(jīng)已焊好的焊點,使焊接處的電流減小,影響焊接質(zhì)量,這種現(xiàn)象稱為分流現(xiàn)象,如圖4-13所

示。

圖4-13分流現(xiàn)象

2)縫焊

縫焊實際上就是連續(xù)的點焊,用旋轉(zhuǎn)的圓盤電極代替點焊時的柱狀電極,邊焊邊滾動(同時帶動焊件向前移動),相鄰焊點部分重疊,形成一條致密焊縫。由于縫焊時分流現(xiàn)象嚴重,一般只適用于厚度小于3mm的薄板結(jié)構(gòu)。縫焊時,焊點相互重疊50%以上,密封性好,可焊接低碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鋁合金等,但不適于銅及銅合金,因此主要用于制造要求密封性的薄壁結(jié)構(gòu),如油箱、小型容器和管道等。

3)對焊

對焊即為對接電阻焊,焊件按設(shè)計要求裝配成對接接頭,利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài),然后在壓力下完成焊接。按操作方法的不同,對焊可分為電阻對焊和閃光對焊,如圖4-14所示。

(1)電阻對焊。電阻對焊過程是先將兩工件夾在對焊機的電極鉗口中,如圖4-14(a)所示。

(2)閃光對焊。閃光對焊過程是將兩工件夾在電極鉗口內(nèi),通電后使兩個工件輕微接觸,如圖4-14(b)所示。

圖4-14-對焊類型

5.摩擦焊

摩擦焊是利用工件接觸面的摩擦熱為熱源,同時加壓而進行焊接的方法。摩擦焊焊接過程如圖4-15所示。先將兩焊件夾在焊機上,預(yù)加一定壓力使焊件緊密接觸。使被焊件高速旋轉(zhuǎn)后,由于劇烈摩擦而產(chǎn)生熱量,使接觸面被加熱到高溫塑性狀態(tài),然后急速制動,停止轉(zhuǎn)動,并加大壓力,使兩焊件接觸處產(chǎn)生塑性變形而焊接在一起。摩擦焊接頭一般為等斷面,有時也可以是不等斷面,但至少需要一個斷面為圓形或管形的焊件。摩擦焊接頭形式如圖4-16所示。

圖4-15摩擦焊示意圖

圖4-16摩擦焊接接頭形式

6.釬焊

釬焊是以低熔點的金屬作為釬料,將其熔化后填充到被焊金屬的縫隙中,液態(tài)釬料與母材金屬相互擴散溶解,冷凝后形成釬焊接頭的方法。

釬焊時,構(gòu)件的接頭形式常采用對接、搭接和套接,如圖4-17所示。

圖4-17釬焊接頭形式

釬焊與其他焊接方法相比,具有如下特點:

(1)工件加熱溫度低,母材組織性能變化小,焊接應(yīng)力與變形小,接頭光滑平整,尺寸精確。

(2)可焊接性能差異較大的異種金屬及用于金屬與非金屬的焊接。

(3)對工件整體加熱時,可同時釬焊很多條焊縫,生產(chǎn)率較高。

(4)設(shè)備簡單,易于實現(xiàn)自動化。

7.等離子弧焊與切割

一般電弧焊中的電弧未受到外界約束,電弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離,能量不能高度集中,這種情況被稱為自由電弧。當(dāng)利用某種裝置使自由電弧的弧柱區(qū)的氣體完全電離,產(chǎn)生高度熱量集中的電弧,這種電弧稱為等離子電弧。其發(fā)生裝置如圖4-18所示。

圖4-18等離子電弧發(fā)生裝置

8.電子束焊

電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱能進行焊接的一種方法。真空電子束焊接原理如圖4-19所示。

圖4-19真空電子束焊接原理

4.2焊接原理與焊接接頭4.2.1焊接基本原理大多數(shù)焊接方法都需要借助加熱、加壓,或同時實施加熱和加壓,以實現(xiàn)原子結(jié)合。從冶金的角度來看,可將焊接區(qū)分為三大類:液相焊接、固相焊接、固液相焊接。利用熱源加熱待焊部位,使之發(fā)生熔化,利用液相的相溶而實現(xiàn)原子間的結(jié)合,即液相焊接。熔焊屬于最典型的液相焊接。除了被連接的母材(同質(zhì)或異質(zhì)),還可填加同質(zhì)或非同質(zhì)的填充材料,共同構(gòu)成統(tǒng)一的液相物質(zhì)。常用的填充材料是焊條或焊絲。

1.焊接熱源

焊接熱源應(yīng)是熱量高度集中,可快速實現(xiàn)焊接過程,并可保證得到致密而強韌的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。每種熱源都有其本身的特點,并在生產(chǎn)上有不同程度的應(yīng)用。滿足焊接條件的熱源有以下幾種。

(1)電弧熱:利用氣體介質(zhì)中放電過程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源,是目前焊接熱源中應(yīng)用最為廣泛的一種,如手工電弧焊、埋弧自動焊等。

(2)化學(xué)熱:利用可燃氣體(氧、乙炔等)或鋁、鎂熱劑燃燒時所產(chǎn)生的熱量作為焊接熱源,如氣焊。這種熱源在一些電力供應(yīng)困難和邊遠地區(qū)仍起重要的作用。

(3)電阻熱:利用電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源,如電阻焊和電渣焊。采用這種熱源所實現(xiàn)的焊接方法,都具有高度的機械化和自動化,有很高的生產(chǎn)率,但耗電量大。

(4)高頻熱源:對于有磁性的被焊金屬,利用高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的二次電流作為熱源,在局部集中加熱,實質(zhì)上也屬電阻熱。由于這種加熱方式熱量高度集中,故可以實現(xiàn)很高的焊接速度,如高頻焊管等。

(5)摩擦熱:由機械摩擦而產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源,如摩擦焊。

(6)電子束:在真空中,利用高壓高速運動的電子猛烈轟擊金屬局部表面,使這種動能轉(zhuǎn)化為熱能作為焊接熱源,如電子束焊。

(7)激光束:通過受激輻射而使放射增強的單色光子流即激光,經(jīng)過聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源。

2.焊接化學(xué)冶金過程

1)焊接化學(xué)冶金的特點

焊接化學(xué)冶金反應(yīng)過程從焊接材料被加熱、熔化開始,經(jīng)熔滴過渡,最后到達熔池中。該過程是分區(qū)域(藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)、熔池反應(yīng)區(qū))連續(xù)進行的,不同的焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)。

此區(qū)有兩個顯著特點:一是溫度分布極不均勻,熔池頭部和尾部存在溫度差,因而冶金反應(yīng)可以同時向相反的方向進行;二是反應(yīng)過程不僅在液態(tài)金屬與氣、渣界面上進行,而且也在液態(tài)金屬與固態(tài)金屬和液態(tài)熔渣的界面上進行。

2)熔池結(jié)晶的特點

焊接熔池的結(jié)晶過程與一般冶金和鑄造時液態(tài)金屬的結(jié)晶過程并無本質(zhì)上的區(qū)別,具有以下特點:

(1)熔池金屬體積很小,周圍是冷金屬、氣體等,故金屬處于液態(tài)的時間很短,手工電弧焊從加熱到熔池冷卻往往只有十幾秒,各種冶金反應(yīng)進行得不充分。

(2)熔池中反應(yīng)溫度高,往往高于煉鋼爐溫200℃,使金屬元素強烈地?zé)龘p和蒸發(fā)。

(3)熔池的結(jié)晶是一個連續(xù)熔化、連續(xù)結(jié)晶的動態(tài)過程。

3)焊接區(qū)內(nèi)的氣體和雜質(zhì)

焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料、熱源周圍的氣體介質(zhì)、焊絲和母材表面的雜質(zhì)、材料的蒸發(fā)。產(chǎn)生的氣體中,對焊接質(zhì)量影響最大的是N2、H2、O2、CO2、H2O。

硫和磷是鋼中有害的雜質(zhì),焊縫中的硫和磷主要來源于母材、焊芯和藥皮。硫在鋼中以FeS形式存在,與FeO等形成低熔共晶聚集在晶界上,增加焊縫的裂紋傾向,同時降低焊縫的沖擊韌度和抗腐蝕性。磷與鐵、鎳等也可形成低熔點共晶,促進熱裂紋的產(chǎn)生,磷化鐵硬而脆,會使焊縫的冷脆性加大。

為了保證焊縫質(zhì)量,要從以下幾個方面采取措施:

(1)減少有害元素進入熔池,其主要措施是機械保護,如焊條電弧焊的焊條藥皮、埋弧焊的焊劑、氣體保護焊中的保護氣體(CO2、Ar2)。它們所形成的保護性熔渣和保護性氣體,使電弧空間的熔滴和熔池與空氣隔絕,防止空氣進入;還應(yīng)清理坡口及兩側(cè)的銹、水、油污;烘干焊條,去除水分等。

(2)清除已進入熔池中的有害元素,增添合金元素,主要通過焊接材料中的合金元素進行脫氧、脫硫、脫磷、去氫和滲合金等,從而保證和調(diào)整焊縫的化學(xué)成分,提高焊縫的金屬力學(xué)性能。

焊接時,電弧沿著工件逐漸移動并對工件進行局部加熱。在焊件橫截面上,愈靠近焊縫中心,被加熱的溫度愈高;離焊縫中心愈遠,被加熱的溫度愈低。低碳鋼焊件橫截面上的溫度變化見圖4-20。

圖4-20低碳鋼焊件橫截面上的溫度變化

4.2.2焊接接頭的組織與性能

1.焊縫

焊縫金屬是由母材和焊條(絲)熔化形成的熔池冷卻結(jié)晶而成的。

2.焊接熱影響區(qū)

熱影響區(qū)是指焊縫兩側(cè)受到熱的影響而發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域?？拷缚p部位溫度較高,遠離焊縫則溫度越低,根據(jù)溫度的不同,把熱影響區(qū)分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū),如圖4-20所示。

4.2.3熱影響區(qū)

1.影響熱影響區(qū)的因素

熱影響區(qū)的大小和組織性能變化的程度取決于焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式和焊接加熱溫度及冷卻速度等因素。不同焊接方法的熱源不同,產(chǎn)生的溫度高低和熱量集中程度就不同,而且采用的機械保護效果也不同,因此,熱影響區(qū)的大小也會不同。通常焊接熱量集中、焊接速度快時,熱影響區(qū)就小。而同一種焊接方法采用不同的焊接工藝時,熱影響區(qū)的大小也不相同。一般在保證焊接質(zhì)量的前提下,增大施焊速度、減小焊接電流都能減小焊接熱影響區(qū)。焊接方法對焊接熱影響區(qū)的影響如表4-6所示。

2.改善焊接熱影響區(qū)性能的方法

改善焊接熱影響區(qū)性能的主要措施如下:

(1)熱影響區(qū)的冷卻速度應(yīng)適當(dāng)。對于低碳鋼,采用細焊絲、小電流、高焊速,可提高接頭韌度,減輕接頭脆化;對于易淬硬鋼,在不出現(xiàn)硬脆馬氏體的前提下適當(dāng)提高冷卻速度,可以細化晶粒,有利于改善接頭性能。

(2)進行焊后熱處理。焊后進行退火或正火處理可以細化晶粒,改善焊接接頭的力學(xué)性能。

4.2.4-焊接應(yīng)力與變形

1.焊接應(yīng)力

1)焊接應(yīng)力的形成原因

焊接過程中對焊件進行局部的不均勻加熱,是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的根本原因。另外,焊縫金屬的收縮、金屬組織的變化以及焊件的剛性約束等都會引起焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。

焊接時由于對焊件進行局部加熱,焊縫區(qū)被加熱到很高溫度,兩邊母材金屬受焊接熱的影響,也被加熱到不同的溫度,越遠離焊縫的部分被加熱溫度越低。根據(jù)金屬的熱脹冷縮特性,焊件上各部位因溫度不同,將產(chǎn)生不同的縱向膨脹。現(xiàn)以焊接低碳鋼平板對接焊縫為例進行說明。對圖4-21所示。

圖4-21平板焊接應(yīng)力分布

2)焊接應(yīng)力的預(yù)防及消除措施

在實際生產(chǎn)中常采用下列措施來消除和防止焊接應(yīng)力:

(1)在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時,應(yīng)選用塑性好的材料,避免焊縫密集交叉,焊縫截面過大及焊縫過長。

(2)在施焊中要選擇正確的焊接次序,以防止焊接應(yīng)力及裂紋。焊接圖4-22所示的結(jié)構(gòu)時,按圖4-22(a)中的次序1、2進行焊接可減小內(nèi)應(yīng)力;如按圖4-22(b)中的焊接次序進行焊

接,就會增加內(nèi)應(yīng)力,且在焊縫的交叉處易產(chǎn)生裂紋,如圖4-22(b)中A圈出的區(qū)域。

(3)焊前對焊件進行預(yù)熱是防止焊接應(yīng)力最有效的工藝措施,這樣可減弱焊件各部分溫差,從而顯著減小焊接應(yīng)力。

(4)焊接中采用小能量焊接方法或?qū)t熱狀態(tài)的焊縫進行錘擊,亦可減小焊接應(yīng)力。

(5)消除焊接應(yīng)力最有效的方法是焊后進行去應(yīng)力退火,即將焊件加熱至500~600℃左右,保溫后緩慢冷卻至室溫。此外還可采用震動法來消除焊接應(yīng)力。

2.焊接變形

1)焊接變形的形式及形成原因

焊接變形的形式是多種多樣的,其形成原因也較為復(fù)雜,與焊件結(jié)構(gòu)、焊縫布置、焊接工藝及應(yīng)力分布等諸多因素有關(guān)。幾種常見的變形形式及形成的原因如表4-7所示。

2)焊接變形的防止與矯正

焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形將影響其使用性,過大的變形量將使焊接結(jié)構(gòu)件報廢,因此須加以防止及矯正。

(1)防止焊接變形的措施。焊接變形產(chǎn)生的主要原因是焊接應(yīng)力,預(yù)防焊接應(yīng)力的措施對防止焊接變形是十分有效的。

在焊接工藝上,對于不同的變形形式也可采取不同的措施防止焊接變形。例如,對易產(chǎn)生角變形及彎曲變形的構(gòu)件采用反變形法,即在焊前組裝時使工件反向變形,以抵消焊接變形,如圖4-23所示。

圖4-23反變形法防止焊接變形

另外,選擇合理的焊接次序,也能有效防止焊接變形。如對X形坡口的焊縫采用對稱焊,如圖4-24所示。對易產(chǎn)生扭曲變形的工字梁與矩形梁焊接,以及多板焊接時也可采用對稱焊防止變形,如圖4-25所示。

圖4-24-X形坡口焊接次序

圖4-25對稱焊接

對于長焊縫的焊接,為防止焊接變形,可采用分段焊或逆向分段焊,如圖4-26所示。圖4-26分段焊法

(2)焊接變形的矯正。矯正過程的實質(zhì)是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的變形來抵消已產(chǎn)生的變形。常用的矯正方法有機械矯正法和火焰加熱矯正法。

機械矯正法是利用機械外力使焊件產(chǎn)生塑性變形的矯正變形法?？刹捎脡毫C、輥床等產(chǎn)生的機械外力,也可用手工錘擊方法矯正,如圖4-27所示。

圖4-27機械矯正法

火焰加熱矯正法通常采用氧乙炔火焰在焊件的適當(dāng)部位上加熱,使焊件在冷卻收縮時產(chǎn)生與焊接變形大小相等、方向相反的變形,以抵消焊件變形,但要求加熱部位必須準(zhǔn)確。加熱溫度一般應(yīng)控制在600~800℃,如圖4-28所示。

圖4-28火焰加熱矯正法

3.常見的焊接缺陷

在焊接生產(chǎn)過程中,由于設(shè)計、工藝、操作中各種因素的影響,往往會產(chǎn)生各種焊接缺陷。焊接缺陷不僅會影響焊縫的美觀,還有可能減小焊縫的有效承載面積,造成應(yīng)力集中而引起斷裂,直接影響焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性。表4-8列出了常見的焊接缺陷及其產(chǎn)生的原因。

4.3常用金屬材料的焊接

4.3.1金屬材料的焊接性

1.金屬焊接性的概念金屬焊接性能是金屬材料的工藝性能之一,是金屬材料對焊接加工的適用程度。它主要是指在一定的焊接工藝條件下,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度,以及在使用過程中安全運行的能力。

焊接性一般包括兩個方面的內(nèi)容:

一是工藝焊接性,主要是指在一定的焊接工藝條件下,出現(xiàn)各種焊接缺陷的可能性,即能得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力;

二是使用焊接性,主要指焊接接頭在使用過程中的可靠性,即焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件規(guī)定的使用性能的程度,包括焊接接頭的力學(xué)性能及其他特殊性能(如耐腐蝕性、耐熱性等)。

2.焊接性評定方法

國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式如下:

式中化學(xué)元素符號都表示該元素在鋼中含量的百分數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗,可得到以下結(jié)論:

(1)C當(dāng)量<0.4%時,鋼材塑性優(yōu)良,淬硬傾向不明顯,焊接性優(yōu)良,焊接時一般不需要預(yù)熱,只有在焊接厚板(厚度大于35mm)或在低溫條件下焊接時才需考慮采用預(yù)熱措施。

(2)C當(dāng)量=0.4%~0.6%時,鋼材塑性下降,淬硬傾向明顯,焊接性能較差,焊前構(gòu)件需預(yù)熱,并控制焊接工藝參數(shù),采取一定的工藝措施。

(3)C當(dāng)量>0.6%時,鋼材塑性較低,淬硬傾向很強,焊接性極差,必須采用較高的預(yù)熱溫度及嚴格的焊接工藝措施,才能保證焊接質(zhì)量。

4.3.2常用金屬材料的焊接

1.碳鋼的焊接

1)低碳鋼的焊接

2)中碳鋼的焊接

3)高碳鋼的焊接

2.合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

合金結(jié)構(gòu)鋼分為機械制造合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼兩大類。

3.鑄鐵的焊補

鑄鐵含碳量高,硫、磷雜質(zhì)多,組織不均勻,塑性極低,屬于焊接性很差的材料,一般不用作焊接構(gòu)件。但鑄鐵件在生產(chǎn)和使用過程中,會出現(xiàn)各種鑄造缺陷及局部損壞或斷裂,此時可采用焊補的方法進行修復(fù),使其能繼續(xù)使用。

鑄鐵焊補時易產(chǎn)生如下缺陷:

(1)易產(chǎn)生白口組織。由于焊補時為局部加熱,焊補區(qū)冷卻速度極快,不利于石墨析出,因此極易產(chǎn)生白口組織,其硬度很高,焊后很難進行機械加工。

(2)易產(chǎn)生裂紋。鑄鐵強度低、塑性差,當(dāng)焊接應(yīng)力較大時,焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生裂紋。

(3)易產(chǎn)生氣孔。鑄鐵含碳量高,焊補時易形成CO和CO2氣體,由于結(jié)晶速度快,熔池中的氣體來不及逸出而形成氣孔。

按焊前是否預(yù)熱,鑄鐵焊補可分為熱焊法和冷焊法兩大類。

1)熱焊法

所謂熱焊法,就是焊前將鑄件整體或局部加熱至600~700℃,焊補過程中,溫度始終不低于400℃,焊后緩慢冷卻。熱焊法能有效地防止白口組織和裂紋的產(chǎn)生,焊補質(zhì)量較好,焊后可進行機械加工。

2)冷焊法

所謂冷焊法,就是焊前工件不預(yù)熱或只進行400℃以下的低溫預(yù)熱。冷焊法焊補時,主要依靠焊條來調(diào)整焊縫的化學(xué)成分,以減小白口組織和裂紋傾向。

4.有色金屬及合金的焊接

1)銅及銅合金的焊接

銅及銅合金的導(dǎo)熱性好,熱容量大,母材和填充金屬不能很好熔合,易產(chǎn)生焊不透現(xiàn)象,并且線膨脹系數(shù)大,凝固時收縮率大,易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。

2)鋁及鋁合金焊接

用于焊接的鋁合金主要有鋁錳合金、鋁鎂合金及鑄造鋁合金。高強度鋁合金及硬鋁的焊接性很差,不適宜焊接成型。

3)鎂及鎂合金焊接

由于鎂合金具有密度小和熔點低,熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)大,化學(xué)活性強,易氧化且氧化物的熔點高等特點,使鎂合金的焊接性能較差,通常會出現(xiàn)晶粒粗大、熱應(yīng)力、裂紋和氣孔等缺陷。

4.4

焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計

4.4.1焊接結(jié)構(gòu)材料及焊接方法的選擇1.焊接結(jié)構(gòu)材料在選擇焊接結(jié)構(gòu)材料時,主要考慮兩個方面的要求。一方面要考慮結(jié)構(gòu)強度和工作條件等性能要求,以滿足焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性;另一方面還應(yīng)考慮焊接工藝過程的特點,所選的材料要有良好的焊接性,以便用簡單可靠的焊接工藝獲得優(yōu)質(zhì)的焊接產(chǎn)品。

2.焊接方法的選擇

選擇焊接方法主要考慮以下幾方面因素:

(1)各種焊接方法的工藝特點及適用范圍。

(2)焊接結(jié)構(gòu)所用材料的焊接性能和工件厚度。

(3)生產(chǎn)批量,包括單件、小批量、大批量、大量生產(chǎn)等。

(4)現(xiàn)場設(shè)備條件和工作環(huán)境。

常用焊