1、第二章 电弧焊,第二章 电弧焊,西南大学 工程技术学院,机械制造基础 第三篇 金属的连接成形,第二章 电弧焊 目录,3.2.1 焊接电弧,3.2.2 电弧焊的冶金过程与焊缝质量,3.2.4 电焊条,3.2.5 焊接接头的组织和性能,3.2.6 焊接应力与变形,3.2.7 焊条电弧焊,3.2.3 电焊机,熔化焊的焊接过程是利用各种焊接热源(如电弧、气体火焰等)先将焊件焊缝处的金属和焊条加热到熔化状态，形成熔池；然后随着热源向前移动，熔池液体金属冷却结晶，从而形成焊缝。电弧焊是熔化焊中应用最为普遍的焊接方法，它是利用焊接电弧的高温来加热和熔化焊件焊缝处的金属和焊条，从而实现焊接的。,2.1 焊接电
2、弧,2.1.1 焊接电弧的定义,焊接电弧是由焊接电源提供一定电压，在两电极之间或电极与焊件之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象(如图2-1所示)，它是应用最广泛的焊接热源。,电极可以是熔化的焊条、金属丝等，也可以是不熔化的碳棒、钨极。一般电弧焊都使用焊条或者焊丝。,2.1.2 焊接电弧的产生过程及实质,(1) 焊接电弧的产生过程,通常情况下气体是不导电的，但是在一定的电场和温度下，可使气体离解而导电。焊接电弧产生过程(如图2-2所示)：电极与工件接触产生短路，存在很大短路电流接触处产生大量热量电极末端，工件升温产生高温气体(高温空气、金属及药皮蒸汽)电极提起形成电场电子定向运动高温气体电
3、离(电子和正离子)带电粒子运动，相互碰撞和复合产生大量热和弧光(即电弧）。,物质被加热成为气态分子，分子进一步分解成原子，原子经电离形成带电的粒子(正离子、负离子、电子)，带电粒子在电场中作定向运动而形成焊接电流。,(2) 电弧放电的实质,电弧放电的实质即是把焊接电源提供的电能转换为热能、光能和机械能的能量转换过程。电弧焊就是利用电弧放电时产生的热能来熔化金属进行焊接的，电弧产生热量的多少与焊接电流和电压的乘积成正比。电流越大，工件和焊条金属的熔化速度越快，生产率越高，且工件表面熔深也较大，故厚工件需较大的焊接电流。,2.1.3 焊接电弧的结构及热量温度分布,(1) 焊接电弧的结构,(2) 焊
4、接电弧的热量温度分布,焊接电弧呈圆锥形(如图2-3所示)，包括三个区域：阴极区：紧靠负极很薄的一层；阳极区：紧靠正极的一层(厚度与阴极区相近)；弧柱区：阴极区与阳极区之间的部分，其长度近似等于电弧长度。,三个区域物理过程不同，其热量温度分布也不同。阴极区：平均温度2400K，占总热量的36%；阳极区：平均温度2600K，占总热量的43%；弧柱区：平均温度60008000K，占总热量的21%。,2.1.4 焊接电源的连接方法,(1) 直流电源的连接,(2) 交流电源的连接,由于焊接电弧阴极区和阳极区产生的热量和温度不相等，因此，在使用直流电源焊接时有以下两种接法： 直流正接法：工件接电源正极，电
5、极(或焊条)接负极,多用于焊厚板和高熔点金属焊件； 直流反接法：工件接电源负极，电极(或焊条)接正极,多用于焊薄板、低熔点金属焊件或使用低氢型焊条时。,使用交流电源焊接时，由于电流方向不断迅速交替变化(50Hz = 100次/s)，故无正、负极之分，两极温度都在2500K。交流焊接电弧不如直流焊接电弧稳定。,2.2 电弧焊的冶金过程与焊缝质量,2.2.1 焊缝的形成及冶金过程,(1) 焊缝的形成过程,(2) 焊接的冶金过程及特点,焊接焊缝的形成过程如图2-4所示。,在电弧焊过程中，液态金属、熔渣和气体三者相互作用，是金属再冶炼的过程。但因焊接条件的特殊性，焊接化学冶金过程又有着与一般冶炼过程不
6、同的特点：冶金温度高：1600以上，易造成合金元素的烧损；冶金过程短：熔池体积小，易出现成分偏析现象；冶金条件差：熔池暴露，周围空气和杂质影响极大，易发生各种氧化还原反应。,2.2.2 焊缝质量存在的问题及防止措施,(1) 焊缝的质量问题,(2) 提高焊缝质量的措施,H、O、N来不及析出，易形成气孔；FeO、MnO等夹杂使焊缝金属变脆；氢脆是焊接接头形成冷裂缝的重要原因；S、FeS易使焊缝产生热脆；P易使焊缝产生冷脆。,防：对焊接区金属实行隔离保护，保护方式有气体保护、熔渣保护和气渣联合保护等三种；脱：对熔池进行处理，加入合金元素脱O、脱S；补：向焊缝补充合金元素，提高焊缝金属机械性能。,2.
7、3.1 交流电焊机(弧焊变压器),(1) 交流电焊机的构成(如图2-5 所示),(2) 交流电焊机的工作原理,2.3 电焊机,变压器的作用：把工业用电(380V/220V)降到焊机需要的空载电压(70V左右)。可调电抗器的作用：使电焊机获得陡降外特性曲线。焊机的外特性曲线：焊接时，焊机输出电压与输出电流的关系曲线。,焊接前能提供较高的空载电压，以便于引燃电弧；焊接时输出低电压、大电流，保持电弧稳定；,(3) 交流电焊机的特点,限制短路电流，保护焊机；通过电流调节手柄，可改变电抗器的电感量，获得陡降度不同的外特性曲线族，实现电流均匀调节；通过改变接线方式可改变变压器初级与次级线圈的匝数比，实现对
8、焊接电流的大范围调节(如图2-6所示)。,(4) 交流电焊机的牌号,体积小、重量轻、价廉；使用、维修方便，无磁偏吹现象，但电弧稳定性较直流焊机差。,交流电焊机牌号的表示方法如图2-7所示，常用的牌号有：BX-150、BX-250、BX-300等。,2.3.2 直流电焊机,(1) 发电机式直流电焊机(焊接发电机),(2) 整流器式直流电焊机(焊接整流器),结 构：电动机(或内燃机)带动直流发电机旋转。特 点：输出直流电，电弧稳定性好；发电机结构复杂，重量大，噪声大，价格贵，使用维修不方便。牌 号：常用的有AX-320、AX7-500等。,结 构：输入交流电硅整流器(交流变直流)输出直流电。特 点
9、：电弧稳定、重量轻、噪声小、节能；整流器元件易损坏，维修成本高。牌 号：表示方法如图2-8所示。常用的有ZXG-315。,2.3.3 电焊机的选择,选择焊机类别普通焊件多选用交流焊机；使用低氢型碱性焊条及对焊接质量要求很高的情况，应优先选用直流焊机。,选择焊机容量(主要指焊机额定电流)焊机容量的选择原则是根据被焊工件厚度(S)选焊条直径(d)选焊机容量(额定电流) 经验公式：焊接电流(A)(4550)d 例如：工件厚度(S)12mm，选焊条直径为46mm。因此，焊机容量50d506300(A)选300A以下容量的焊机即可。选择不同的焊机容量会对焊缝造成较大影响(如图2-9所示)。,2.4 电焊
10、条,2.4.1 焊 芯,电焊条由焊芯和药皮两部分组成(如图2-10所示)。,焊芯(自动焊等为焊丝)是用一定化学成分和尺寸的金属丝制成。,(1) 焊芯的作用,电极作用：作为电极传导电流，产生电弧； 填充金属作用：熔化后进入熔池，作为焊缝的填充金属，与熔化的母材金属共同组成焊缝金属；参加冶金反应(渗金属)作用：焊条直接影响焊缝金属化学成分和焊缝质量，也可通过焊芯调整其化学成分。,(2) 焊芯的材料,(3) 焊芯的规格,作焊芯的材料要经过专门冶炼，并规定了它的牌号和化学成分。焊接钢用焊条又称为钢芯，是用特殊冶炼的专用钢，经轧制、拉拔、切断、校直等工序制成。普通结构钢焊条钢芯常用的焊丝牌号有H08、H
11、08A 、H08E及H08MnA等几种。,焊芯的规格包括焊条的直径和长度：直 径：焊芯直径范围为0.49mm，常用的有1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0mm等； 长 度：焊芯长度范围为200450mm。,2.4.2 药 皮,焊芯表面的涂料称为药皮。药皮是决定焊接质量的主要因素之一。,(1) 药皮的作用,稳弧作用：改善焊接工艺性能，易引弧、稳弧，减小飞溅，使焊缝成形美观；机械保护作用：气体、熔渣隔离空气，保护熔液和熔池金属；冶金处理作用：药皮中的某些元素可起到渗合金、脱氧、脱硫、去氢作用。,2.4.3 电焊条类型、型号及牌号,(2) 药皮的组成,(1) 电焊条的类型,药皮的组成比较复
12、杂，每种焊条的药皮配方中，一般由79种以上的原材料组成。焊条药皮的组成物按其作用主要有稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂等。药皮的主要原料有矿石、铁合金、有机物和化工产品等四类。各种原料的粉末按一定比例(配方)配成涂料，压涂在焊芯上。,按用途分类,碳钢焊条(结构钢焊条)代号J；低合金钢焊条,DJ；不锈钢焊条B；铸铁焊条Z；铝及铝合金焊条L；铜及铜合金焊条T；镍和镍合金焊条N；堆焊焊条D；低温钢焊条DW；耐热钢焊条R；还有就是特殊用途焊条 TS。,按药皮熔渣性质分类,酸性焊条：熔渣以酸性氧化物(如SiO2、TiO2、Fe2O3等)为主的焊条。其焊缝金属的塑、韧性不高，
13、且氢含量高，抗裂性差，但焊接工艺性好，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。碱性焊条：熔渣以碱性氧化物(如CaO、MnO2、FeO、 MgO、Na2O等)为主的焊条。碱性焊条也称为低氢型焊条。与酸性焊条相比，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。,(2) 电焊条的型号,焊条型号是国家标准中的焊条代号。焊条型号一般用大写英文字母“E”和四位数字表示，如E4303、E5015等。各类焊条都制订有相
14、应的国家标准。如E4303中“E”表示电焊条，前两位数字“43”表示熔敷金属的抗拉强度430MPa；第三位数字“0”表示焊条使用的焊接位置为全焊位；第三、四位数字组合“03”表示焊接电流的种类为交直流，焊条药皮类型为钛钙型(如图2-11所示)。,(3) 电焊条的牌号,2.4.4 电焊条的选用原则,等强度原则：即选用与母材同强度等级的焊条。同成分原则：即按母材成分选用相应成分的焊条。抗裂纹原则：焊接刚度大，形状复杂，使用中承受动载荷的结构时，应选用抗裂性好的碱性焊条。,焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号。焊条牌号一般用一个大写汉语拼音字母(或汉字)和三个数字表示，如J422(结422)、J515(
15、结515)等。如J422(结422)中“J” (“结”)表示结构钢焊条，“42”表示熔敷金属的抗拉强度b42kgf/mm2，“2”表示氧化钛钙型药皮，交流、直流电源均可使用(如图2-12所示)。,2.5.1 焊接接头的定义及组成,抗气孔原则：焊接受焊接工艺条件的限制时，应选用抗气孔能力强的酸性焊条。低成本原则：在满足使用要求的前提下，尽量选用工艺性能好、低成本、高效率的焊条。,2.5 焊接接头的组织和性能,用焊接方法连接的接头称为焊接接头。焊接接头包括：焊缝区、熔合区、焊接热影响区三部分(如图2-13所示)，焊接接头的性能取决于三部分中最薄弱的部分。,2.5.2 焊接接头的组织和性能(如图2-
16、14所示),(1) 焊缝区(TT液),(2) 熔合区(T固T液),在焊接接头横截面上测量的焊缝金属(焊缝表面和熔合线所包围的部分)的区域。组 织：铸造组织，化学成分取决于焊芯和母材化学成分及熔合比，焊接时元素的氧化损失率等因素。焊缝具有成分偏析现象，焊接工艺或操作不当，可能出现气孔、夹杂、裂缝、咬边等缺陷。性 能：焊缝合金元素含量一般比母材高，合格焊缝的机械性能一般不低于母材。,焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。,组 织：过热半熔化粗晶粒上联生的束状树枝晶组织。性 能：塑、韧性差是影响焊接接头性能的关键部位。,(3) 热影响区(TT固),焊接(或切割)过程中，材料因受热的影响(未熔化)而发生
17、金相组织和性能变化的区域。热影响区按加热温度的不同,可划分为过热区、正火区、不完全重结晶区等区域(如图2-15所示)。过热区：温度在固相线1100，宽度约13mm。焊接时，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降。 正火区：温度在1100Ac3，宽度约1.24.0mm。焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，故其,组织为均匀而细小的F和P，力学性能优于母材。不完全重结晶区：也称部分正火区，加热温度在Ac3Ac1之间。焊接时，只有部分组织转变为A；冷却后获得细小的F和P，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。再结晶区：温度在Ac1450
18、之间。只有焊接前经过冷塑性变形(如冷轧、冷冲压等)的母材金属，才会在焊接过程中出现再结晶现象。该区域金属的力学性能变化不大，只是塑性有所增加。一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。影响热影响区宽度的因素有加热的最高温度、相变温度以上的停留时间等。,2.6 焊接应力与变形,焊接变形：焊接过程中，焊件因局部不均匀加热和冷却而引起焊件形状尺寸改变的现象。焊接应力：焊接过程中在焊件内产生的应力。焊接残余变形：焊后，焊件残留的变形。焊接残余应力：焊后残留在焊件内的焊接应力。,焊接应力和变形的存在会降低结构的使用性能，引起结构形状和尺寸的改变，影响结构精度，甚至会引起焊接裂纹，造成事故，还会影
19、响到工件焊后机械加工的精度。减小焊接应力和变形，可以改善焊接质量，大大提高焊接结构的承载能力。,2.6.1 焊接应力和变形产生的原因及过程,焊接应力和变形产生的原因是焊接过程中对焊件的不均匀加热和冷却。低碳钢平板对接时应力和变形的形成过程如图2-16所示。其焊接应力和变形的基本规律如下：焊接应力焊接加热时，焊缝区受压应力(因膨胀受阻，用“-”表示)，远离焊缝区受拉应力(因收缩受阻，用“+”表示)。焊后冷却时，焊缝受拉应力，远离焊缝区受压应力。焊接变形：当焊接应力超过金属的屈服强度S时，焊件将产生变形。,焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而
20、应力较小，如焊接薄板；反之，则应力较大而变形较小，如焊接厚板。,2.6.2 焊接变形的基本类型(如图2-17所示),收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。角度变形：即相连焊件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。弯曲变形：即焊件产生弯曲，通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。,2.6.3 防止和减小焊接应力与变形的措施,扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。波浪变形(失稳变形)：由沿板面方向的压应力引起。,防止和减少焊接变形应从两方面着手：一是设计合理的焊接结构，二是采取合理
21、的工艺措施。,(1) 结构设计上的措施,应尽量减少焊缝的数量、长度和横截面积。如非密封性连接时，可采用断续焊缝或点焊代替连续长焊缝。应合理布置焊缝位置。焊缝尽量靠近构件截面中性轴对称布置，同时还应避免焊缝密集或交叉。,厚板尽量选用小角度“Y”形坡口双面焊，既可减少焊缝横截面积，又可防止单面焊时产生角度变形。应尽量选用热量集中的焊接热源(如等离子弧焊、激光焊等)或采用加热温度低的焊接方法(如钎焊)，减少焊接变形。,(2) 焊接工艺上的措施,采用反变形法：在焊件装配前，根据经验或计算，预先确定变形的方向和大小，对焊件进行与焊接变形方向相反的变形，以抵消焊接变形(如图2-18所示)。采用加余量法：根
22、据经验，在工件下料尺寸基础上加一定收缩余量(通常为0.1%0.2%)，即预留收缩余量来补偿焊后的收缩。,采用刚性固定(夹持)法：即采用强制手段(如简单夹具、刚性支撑或点焊，批量生产时，则用装配焊接专用胎夹具)，焊前将工件固定夹紧，以减少焊接变形的一种方法(如图2-19所示)。这种方法对防止角度变形和薄板结构的波浪变形较有效。但只适用于塑性好的材料。选用合理的装配焊接顺序(如图2-20所示)采取对称焊接顺序，有效减少变形； 对于收缩量大的焊缝应当先焊；对于非对称焊缝，应先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧；对于长焊缝，可以采用对称焊、退焊、分段退焊、跳焊及交错焊等非连续焊缝。,2.6.4 消除焊接
23、应力和矫正焊接变形的方法,(1) 消除焊接应力的方法,(2) 矫正焊接变形的措施,锤击焊缝：对刚焊的焊缝进行锤击，释放焊接应力。焊后热处理：焊后对焊件进行去应力退火，是消除焊接应力最常用、最有效的方法。采用加载减应(机械拉伸)法：对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑性拉伸，可以使残余应力降低。采用“加热减应区法” ：焊接刚度较大材料的焊缝。,矫正的实质是使结构产生新的变形，以抵消焊接时已产生的变形。生产中常用的矫正方法有机械矫正法和火焰矫正法两种。,机械矫正法机械矫正法是利用机械力的作用来矫正变形的。可用压力机、校直机等机械外力，也可用手工锤击矫正(如图2-21所示)。机械矫正法由于机械力加压或
24、锤击，产生了冷塑性变形，要消耗焊件的一部分塑性。通常适用于塑性较好(如低碳钢等)、形状简单的焊件。,火焰矫正法火焰矫正法是利用气焊火焰在焊件适当的部位上加热(600800)，利用金属局部收缩所引起的、与焊接变形方向相反的新变形，去矫正各种已产生的焊接变形，使焊件恢复正确形状和尺寸(如图2-22所示)。通常适用于塑性较好、但刚度较大的复杂焊件。,2.7 焊条电弧焊,2.7.1 焊条电弧焊的定义及焊接过程,(1) 焊条电弧焊的定义,(2) 焊条电弧焊的焊接过程(如图2-23所示),焊条电弧焊又称为手工电弧焊，是焊工手工操作，利用焊条与工件之间产生的电弧，将工件和焊条熔化后进行焊接的电弧焊。,首先引
25、燃电弧，使工件和焊芯同时熔化，形成熔池；然后焊条和药皮与液态金属发生冶金反应，并在熔池上面形成渣气双重保护；当电弧向前移动，熔池金属冷却凝固，形成连续的焊缝，熔渣形成渣壳覆盖表面。,(2) 焊条电弧焊的工具,2.7.2 焊条电弧焊的工具及工艺参数,(3) 焊条电弧焊的工艺参数,(1) 焊条电弧焊的设备,焊条电弧焊的设备主要是各种交流、直流电焊机。,焊条电弧焊的工具主要包括电焊机、焊钳、焊接面罩、焊工专用手套、清渣锤、钢丝刷、焊条烘干筒等等(如图2-24所示)。,焊条电弧焊工艺参数主要包括焊条牌号和直径、电流(电源)种类和极性、焊接电流大小、电弧电压和焊接速度、焊接层(道)次等。,(1) 焊条电
26、弧焊的特点,2.7.3 焊条电弧焊的特点及应用,优 点设备简单，应用灵活方便，可以进行各种位置及各种不规则焊缝的焊接；焊条系列完整，可以焊接大多数常用金属材料。,缺 点焊条载流能力有限(电流为20500A)，焊接厚度一般在320mm之间；生产率较低，焊接质量主要取决于焊工的技术；在高温、尘雾环境下工作，劳动条件差，强度大；不适合焊接一些活泼金属、难熔金属及低熔点金属。,第3-2章结束 请转入第3-3章,(2) 焊条电弧焊的应用,焊条电弧焊主要应用于单件小批生产中2mm以上各种常用金属的全位置焊接(如图2-25所示)。,图2-1 放电现象,图2-2 电弧产生过程,图2-3 电弧的构造,图2-4
27、焊缝的形成过程,图2-5 交流电焊机结构原理,图2-6 交流电焊机的电流调节原理,图2-7 交流电焊机的牌号,交流电弧焊机,图2-8 直流电焊机的牌号,直流电焊机,图2-9 电焊机容量对焊缝形状的影响,a) b) c) d) e),图2-10 电焊条的结构,焊芯,药皮,焊条夹持部分和导电部分,焊条直径,焊条长度,图2-11 电焊条的型号,焊条药皮类型及焊接电源种类编号,图2-12 电焊条的牌号,图2-13 焊接接头的组成,焊缝结晶示意图,热影响区,焊缝,母材,焊接接头的金相组织,图2-14 焊缝的组织与性能,1-液态线温度； 2-固态线温度； 3-1100C 4-GS(A3)线温度 5-727
28、C,图2-15 不同钢的焊接热影响区,1、熔合区；2、过热区；3、正火区；4、不完全重结晶区；5、母材；6、淬火区；7、部分淬火区；8、回火软化区,图2-16 焊接应力与变形的形成,a) 焊接过程 b) 焊后冷却,变形趋势,变形趋势,图2-17 焊接变形的类型,收缩变形,角度变形,弯曲变形,扭曲变形,波浪变形,收缩变形,角度变形,弯曲变形,扭曲变形,典型的焊接变形形式,波浪变形,图2-18 反变形法,焊前,焊后,用反变形法防止角度变形,平板焊接的反变形 a) 焊前反变形 b)焊后,工字梁焊接的反变形 a) 焊前反变形 b)焊后,a) b),a) b),反变形法,图2-19 刚性(夹持)固定法,
29、图2-20 拼板焊接顺序,长焊缝的分段焊,跳焊和分段退焊法,焊缝尽量对称,a) 不合理,b) 合理,分散对称的焊接顺序,两种截面梁,T型梁,双面对接,加热“减应区”法,加热区,a) 焊接前 b) 冷却时,加热“减应区”法,图2-21 工字梁弯曲变形的机械矫正,图2-22 T形梁弯曲变形的火焰矫正,加热区,上凸,加热区,图2-23 手工电弧焊示意图,手工电弧焊焊接过程示意图,手工电弧焊焊接过程,母材,熔滴,焊条,保护气体,熔渣,焊缝金属,熔池,焊接方向,图2-24 手工电弧焊的工具,钢丝刷,烘干筒,清渣锤,焊 钳,防护手 套,手工电弧焊的工具,图2-25 手工电弧焊的应用,手工电弧焊,手工电弧焊,
