机械制造基础第4章焊接

机械制造根底机械制造根底第第4 4章章 焊接焊接4.1 4.1 概述概述 焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件到达结合的一种方法。焊接的实质就是通过适当的材料，使工件到达结合的一种方法。焊接的实质就是通过适当的物理物理-化学过程，使两个别离外表的金属原子接近到晶格距离化学过程，使两个别离外表的金属原子接近到晶格距离0.30.30.5nm0.5nm形成金属键，从而使两金属连为一体。形成金属键，从而使两金属连为一体。1 1、焊接方法的分类、焊接方法的分类 焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。化焊、压力焊和钎焊三大类。2 2、焊接方法的主要特点、焊接方法的主要特点 节省材料，减轻重量，焊接的金属结构件可比铆接节省材料节省材料，减轻重量，焊接的金属结构件可比铆接节省材料10102525；采用点焊的飞行器结构重量明显减轻，降低油耗，提高运载能力。采用点焊的飞行器结构重量明显减轻，降低油耗，提高运载能力。简化复杂零件和大型零件的制造过程。焊接方法灵活，可化大为小，以简简化复杂零件和大型零件的制造过程。焊接方法灵活，可化大为小，以简拼繁，加工快，工时少，生产周期短。许多结构都以铸拼繁，加工快，工时少，生产周期短。许多结构都以铸焊、锻焊、锻焊形式组焊形式组合，简化了加工工艺。合，简化了加工工艺。适应性强。多样的焊接方法几乎可焊接所有的金属材料和局部非金属材料。适应性强。多样的焊接方法几乎可焊接所有的金属材料和局部非金属材料。可焊范围较广，而且连接性能较好。焊接接头可到达与工件金属等强度或相可焊范围较广，而且连接性能较好。焊接接头可到达与工件金属等强度或相应的特殊性能。应的特殊性能。满足特殊连接要求。不同材料焊接在一起，能使零件的不同局部或不同位满足特殊连接要求。不同材料焊接在一起，能使零件的不同局部或不同位置具备不同的性能，到达使用要求。如防腐容器的双金属筒体焊接、钻头工置具备不同的性能，到达使用要求。如防腐容器的双金属筒体焊接、钻头工作局部与柄的焊接、水轮机叶片耐磨外表堆焊等。作局部与柄的焊接、水轮机叶片耐磨外表堆焊等。降低劳动强度，改善劳动条件。降低劳动强度，改善劳动条件。3 3、焊接方法在工业生产中主要应用、焊接方法在工业生产中主要应用制造金属结构件制造金属结构件 焊接方法广泛应用于各种金属结构的制造，如桥梁、船舶、压力容器、化工焊接方法广泛应用于各种金属结构的制造，如桥梁、船舶、压力容器、化工设备、机动车辆、矿山机械、发电设备及飞行器等。设备、机动车辆、矿山机械、发电设备及飞行器等。制造机器零件和工具制造机器零件和工具 焊接件具有刚性好、改型快、周期短、本钱低的优点，适合于单件或小批量焊接件具有刚性好、改型快、周期短、本钱低的优点，适合于单件或小批量生产加工各类机器零件和工具。如机床床身和机架、大型齿轮和飞轮、各种生产加工各类机器零件和工具。如机床床身和机架、大型齿轮和飞轮、各种切削工具等。切削工具等。修复修复 采用焊接方法修复某些有缺陷、失去精度或有特殊要求的工件，可延长其使采用焊接方法修复某些有缺陷、失去精度或有特殊要求的工件，可延长其使用寿命，提高使用性能。用寿命，提高使用性能。近年来，焊接技术迅速开展，新的焊接方法不断出现，在应用了计算近年来，焊接技术迅速开展，新的焊接方法不断出现，在应用了计算机技术后，使其功能大增。焊接的精密化和智能化必将效力无比。机技术后，使其功能大增。焊接的精密化和智能化必将效力无比。4.2 4.2 焊条电弧焊焊条电弧焊 焊条电弧焊是熔化焊中最根本的一种焊接方法。它利用电弧产生的热熔焊条电弧焊是熔化焊中最根本的一种焊接方法。它利用电弧产生的热熔化被焊金属，使之形成永久结合。由于它所需要的设备简单、操作灵活，可化被焊金属，使之形成永久结合。由于它所需要的设备简单、操作灵活，可以对不同焊接位置、不同接头形式的焊缝方便地进行焊接，因此是目前应用以对不同焊接位置、不同接头形式的焊缝方便地进行焊接，因此是目前应用最为广泛的焊接方法。最为广泛的焊接方法。焊条电弧焊按电极材料的不同可分为：焊条电弧焊按电极材料的不同可分为：熔化熔化极焊条电极焊条电弧焊弧焊非熔化非熔化极焊条电极焊条电弧焊弧焊1 1、焊条电弧焊工作原理、焊条电弧焊工作原理 右图为焊条电弧焊示意图，图中右图为焊条电弧焊示意图，图中的电路是以弧焊电源为起点，通过焊的电路是以弧焊电源为起点，通过焊接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电缆形成回路。在有电弧存在时形成闭缆形成回路。在有电弧存在时形成闭合回路，形成焊接过程。焊条和工件合回路，形成焊接过程。焊条和工件在这里既作为焊接材料，也作为导体。在这里既作为焊接材料，也作为导体。焊接开始后，电弧的高热瞬间熔化了焊接开始后，电弧的高热瞬间熔化了焊条端部和电弧下面的工件外表，使焊条端部和电弧下面的工件外表，使之形成熔池，焊条端部的熔化金属以之形成熔池，焊条端部的熔化金属以细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。焊条电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。电源分为交流电和焊条电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。电源分为交流电和直流电两种。直流电两种。使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；的交流弧焊机；使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，那么应选用直流弧焊机。当采用某些碱性药皮焊条时，如结金属、铸铁时，那么应选用直流弧焊机。当采用某些碱性药皮焊条时，如结507507时，必须选用直流焊接电源，而且要注意此时应将电焊机的负极接工件，时，必须选用直流焊接电源，而且要注意此时应将电焊机的负极接工件，正极接焊条，称为直流反接法；反之称为正接法。如下图。正极接焊条，称为直流反接法；反之称为正接法。如下图。a a正接法正接法 b b反接法反接法4.2.1 4.2.1 焊接电弧焊接电弧 焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。1.1.电弧的引燃电弧的引燃 电弧是一种气体导电现象。气体在一般情况下是不导电的，要使气体电弧是一种气体导电现象。气体在一般情况下是不导电的，要使气体导电，须将两个电极之间的气体电离，即将中性气体粒子分解为带电粒子，导电，须将两个电极之间的气体电离，即将中性气体粒子分解为带电粒子，并在两电极间产生一定的电压，使这些带电离子在电场作用下做定向运动，并在两电极间产生一定的电压，使这些带电离子在电场作用下做定向运动，两个电极间的气体中就能连续不断地通过很大的电流，从而形成连续燃烧两个电极间的气体中就能连续不断地通过很大的电流，从而形成连续燃烧的电弧。电极间的带电粒子可以通过阴极的电子发射与电极间气体的不断的电弧。电极间的带电粒子可以通过阴极的电子发射与电极间气体的不断电离得到补充。电弧放电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。电离得到补充。电弧放电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。焊接时焊接时,先将焊条与焊件瞬时接触，发生短路。强大的短路电流流经少数先将焊条与焊件瞬时接触，发生短路。强大的短路电流流经少数几个接触点，致使接触点处温度急剧升高并熔化，甚至局部发生蒸发。当焊几个接触点，致使接触点处温度急剧升高并熔化，甚至局部发生蒸发。当焊条迅速提起一定距离条迅速提起一定距离5mm250 mm250 mm环环焊缝焊缝氩氩弧焊弧焊电弧电弧全全位置位置0.50.52525好好中中等等较高较高铝、铜、钛、铝、铜、钛、及其合金、不及其合金、不锈钢、耐热钢锈钢、耐热钢焊接质量好，成本高焊接质量好，成本高常用焊接方法的特点及适用范围常用焊接方法的特点及适用范围 焊接焊接方法方法焊接焊接热源热源可焊空可焊空间位置间位置适用钢板厚适用钢板厚度（度（mmmm）焊缝成焊缝成形性形性生生产产率率设备设备费用费用可焊材料可焊材料适用范围及特点适用范围及特点COCO2 2焊焊电弧电弧全全位置位置0.80.85050常用于薄板常用于薄板较好较好高高较高较高碳钢、低合金钢碳钢、低合金钢生产率高，无渣壳，成本低，宜生产率高，无渣壳，成本低，宜焊薄板，也可焊中厚板，长直或焊薄板，也可焊中厚板，长直或短曲焊缝短曲焊缝电渣焊电渣焊电阻热电阻热立焊立焊252510001000常用常用4040450450好好高高高高碳钢、低合金钢、铸碳钢、低合金钢、铸铁铁较厚工件立焊缝较厚工件立焊缝点焊点焊电阻热电阻热全位置全位置常用常用0.50.56 6好好很很高高较低较低较高较高碳钢、低合金钢、铝碳钢、低合金钢、铝及铝合金及铝合金焊接薄板，接头为搭接焊接薄板，接头为搭接缝焊缝焊平焊平焊3 3较高较高焊接有密封要求的薄板容器和管焊接有密封要求的薄板容器和管道，接头为搭接道，接头为搭接对焊对焊高高较低较低较高较高焊接杆状零件，接头为对接焊接杆状零件，接头为对接钎焊钎焊各种热源（常各种热源（常用烙铁和氧用烙铁和氧乙炔焰）乙炔焰）平、立平、立焊焊好好高高一般为金属材料一般为金属材料常用于电子元件、仪器、仪表及常用于电子元件、仪器、仪表及精密机械零件的焊接，还可完成精密机械零件的焊接，还可完成其他焊接方法难以完成的异种金其他焊接方法难以完成的异种金属间焊接。但接头强度较低，接属间焊接。但接头强度较低，接头多为搭接头多为搭接选择焊接方法时应依据以下原那么：选择焊接方法时应依据以下原那么：焊接接头使用性能及质量要符合结构技术要求焊接接头使用性能及质量要符合结构技术要求 选择焊接方法时既要考虑焊选择焊接方法时既要考虑焊件能否到达力学性能要求，又要考虑接头质量能否符合技术要求。件能否到达力学性能要求，又要考虑接头质量能否符合技术要求。如点焊、缝焊都适于薄板轻型结构焊接，缝焊才能焊出有密封要求的如点焊、缝焊都适于薄板轻型结构焊接，缝焊才能焊出有密封要求的焊缝。焊缝。又如氩弧焊和气焊虽都能焊接铝材容器，但接头质量要求高时，应采又如氩弧焊和气焊虽都能焊接铝材容器，但接头质量要求高时，应采用氩弧焊。用氩弧焊。又如焊接低碳钢薄板，假设要求焊接变形小时，应选用又如焊接低碳钢薄板，假设要求焊接变形小时，应选用CO2CO2焊或点焊或点缝焊，而不宜选用气焊。缝焊，而不宜选用气焊。提高生产率，降低本钱提高生产率，降低本钱假设板材为中等厚度时，选择焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊均可，假设板材为中等厚度时，选择焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊均可，如果是平焊长直焊缝或大直径环焊缝，批量生产，应选用埋弧焊。如果是如果是平焊长直焊缝或大直径环焊缝，批量生产，应选用埋弧焊。如果是位于不同空间位置的短曲焊缝，单件或小批量生产，采用焊条电弧焊为好。位于不同空间位置的短曲焊缝，单件或小批量生产，采用焊条电弧焊为好。氩弧焊几乎可以焊接各种的金属及合金，但本钱较高，所以主要用于焊氩弧焊几乎可以焊接各种的金属及合金，但本钱较高，所以主要用于焊接铝、镁、钛合金结构及不锈钢等重要焊接结构。焊接铝合金工件，板厚接铝、镁、钛合金结构及不锈钢等重要焊接结构。焊接铝合金工件，板厚10mm10mm采用熔化极氩弧焊为好，板厚采用熔化极氩弧焊为好，板厚6mm6mm采用钨极氩弧焊适宜。假设是采用钨极氩弧焊适宜。假设是板厚板厚40mm40mm钢材直立焊缝，采用电渣焊最适宜。钢材直立焊缝，采用电渣焊最适宜。焊接现场设备条件及工艺可能性焊接现场设备条件及工艺可能性选择焊接方法进，要考虑现场是否具有相应的焊接设备，野外施工有选择焊接方法进，要考虑现场是否具有相应的焊接设备，野外施工有没有电源等。此外，要考虑拟定的焊接工艺能否实现。没有电源等。此外，要考虑拟定的焊接工艺能否实现。例如，无法采用双面焊工艺又要求焊透的工件，采用单面焊工艺时，例如，无法采用双面焊工艺又要求焊透的工件，采用单面焊工艺时，假设先用钨极氩弧焊甚至钨极脉冲氩弧焊打底焊接，更易于保证假设先用钨极氩弧焊甚至钨极脉冲氩弧焊打底焊接，更易于保证焊接质量。焊接质量。