1、第二十一讲 金属的焊接性与焊接结构设计 主讲：曹光明 金属的焊接性与焊接结构设计 一、常用金属材料的焊接性 1、焊接性概念 2、碳当量 4、低合金结构钢的焊接性 3、碳钢的焊接性 二、焊接应力与变形 三、焊接结构工艺设计 1、焊接结构材料的选择 2、焊接方法的选择 3、焊接接头设计 3、焊接变形及预防措施 2、焊接应力及减小措施 5、铸铁的焊补 4、焊缝的设计 四、 常见的焊接缺陷 （了解） 1、产生原因与变形形式 一、常用金属材料的焊接性 1、焊接性概念 金属材料在一定的焊接工艺条件下， 获得优质焊接接头的难易程度。 金属的焊接性与焊接结构设计 焊接方法、材料、焊接规范、结构型式、预热及热处
2、理等。 焊接性内容： （ 1）工艺焊接性， 指焊接接头产生工艺缺陷的敏感性， 尤其是出现各种 裂缝的可能性； （ 2）使用焊接性， 指焊接接头在使用中的可靠性， 包括焊接接头的力学 性能及其它特殊性能（如耐热、耐蚀性能等）。 2、焊接性的评定 评定方法： 各种焊接试验。 C当量 评定碳钢和普低钢的焊接性。 碳当量经验公式： 式中元素符号为钢中该元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。 金属的焊接性与焊接结构设计 ( % )1556 CuNiVMoCrMnCC E 当 0.4%时， EC 塑性良好， 淬硬和冷裂倾向小， 焊接性好， 当 =0.40.6%时， EC 塑性下降， 淬硬及冷裂倾向明
3、显， 焊接性较差。 焊前适当预热，焊后缓慢冷却。 当 0.6%时， EC 塑性较差。 淬硬和冷裂倾向严重， 焊接性很差， 焊前需要高温预热， 焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施， 焊后需要进行适当热处理等。 一般焊件不会产生裂纹。 3、碳钢的焊接性 金属的焊接性与焊接结构设计 （ 1）低碳钢的焊接： C 0.25%， 塑性好，无淬硬倾向，焊接性好， 无需任何工艺措施，适于各种方法。 （ 2）中碳钢的焊接： C=0.25-0.6%， 淬火钢，焊接性由良好 差。 焊缝及热影响区易产生气孔、裂纹。 工艺措施： 焊前预热（ 150250 ）， 焊后缓冷并去应力回火。 焊件开坡口， 且采用细焊
4、条、小电流、多层焊。 选用塑、韧性好的低氢型焊条， 提高焊缝塑性，防止裂纹。 （ 3）高碳钢的焊接： 含碳量高，导热性差，淬硬倾向大， 一般不用于制造焊接结构， 仅对损坏的机件进行焊补。 焊补时也要采取与中碳钢类似的工艺措施，以避免产生裂纹。 4、低合金结构钢的焊接性 金属的焊接性与焊接结构设计 普低钢的焊接性与低碳钢类似， 但 b 焊接性 低强度普低钢： s 400MPa， CE 0.4%， 焊接性良好， 无需工艺措施。 如： 16Mn、 9Mn2。 高强度普低钢： s 400MPa， CE 0.4-0.5%， 焊接性较差，冷裂倾向大。 如： 15MnVN、 18MnMoNb、 14MnMo
5、V。 焊前预热（ 150250 ）， 焊后缓冷； 选用低氢型焊条； 焊件开坡口， 且采用细焊条、小电流、多层焊。 5、铸铁的焊补 金属的焊接性与焊接结构设计 （ 1）铸铁焊补的特点 接头易产生白口、硬化组织； 接头易产生裂纹； 焊缝区易产生气孔、夹渣。 熔池易流失，一般用于平焊补。 （ 2）铸铁焊补方法 热焊法： 焊前将焊件整体或局部预热至 600700 并施焊，焊后缓冷。 用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。 如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等。 5、铸铁的焊补 金属的焊接性与焊接结构设计 冷焊法： 焊前不预热或低温预热（ 400 ）的焊补方法。 用于易变形件焊补。 冷焊法主要依靠焊条来调整焊
6、缝的化学成分， 增强焊缝的石墨化能力， 以防止或减少白口和裂纹的产生： 钢芯铸铁焊条： 适用于非加工表面的焊补。 石墨化铸铁焊条： 适用于较大灰口铸铁件的焊补。 焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性 铜基铸铁焊条： 主要用于一般铸铁件的焊补。 抗裂性好，可进行机械加工。 镍基铸铁焊条： 主要用于重要件加工表面的焊补。 良好的抗裂性与加工性 高钒铸铁焊条： 主要用于一般铸铁件的焊补。 可进行机械加工、塑性和抗裂较好。 二、焊接应力与变形 金属的焊接性与焊接结构设计 1、焊接应力与变形产生的原因与形式： 焊件在焊接过程中受到不均匀加热和冷却。 低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成 （ a）焊接中
7、 （ b）冷却后 （ 1）原因： 金属的焊接性与焊接结构设计 （ 2）焊接变形的基本形式 变形形式 示意图 产生原因 收缩变形 由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起 角 变 形 由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起 弯曲变形 焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大引起 扭曲变形 由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭曲 波浪变形 薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起 金属的焊接性与焊接结构设计 2、焊接应力变形预防措施 （ 1）焊前预热： 目的是减小焊件上各部分温差， 从而减小焊接应力和变形， 预热温度一般为 400 以下。 （ 2
8、）选择合理的焊接顺序： 尽量使焊缝能自由收缩， 这样产生的残余应力较小。 采用分散对称焊工艺， 长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊法 金属的焊接性与焊接结构设计 2、焊接应力变形预防措施 （ 3）加热减应区法： 加热减应区法 a）焊接时 b）冷却时 （ 4）反变形法： （ 5）刚性固定法： （ 6）设计时尽量减少焊缝的数量、长度和截面积，厚件两面坡口；焊缝尽量对称分布，避免密集和交叉。 金属的焊接性与焊接结构设计 3、焊接应力变形的消除 （ 1）锤击焊缝： 焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击， 可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。 （ 2）焊后热处理： 焊后对焊件进行去应力退火 （
9、3）焊接变形的矫正： 机械矫正 火焰矫正 金属的焊接性与焊接结构设计 三、焊接结构工艺设计 1、焊接结构材料的选择 几条原则： （ 1）优先选用低碳钢和低强度低合金钢。 （ 2）对于重要件应有先选用镇静钢。 （ 3）尽量选用同一牌号的材料。 （ 4）尽量选用型材。 以降低结构质量，减少焊缝数量，简化焊接工艺，增加结构件的刚性和强度。 （ 5）等厚度材料。 否则考虑过渡结构。 2、焊接方法的选择 应依据下列原则： （ 1）焊接接头使用性能及质量要符合结构技术要求。 （ 2）提高生产率，降低成本。 （ 3）焊接现场设备条件及工艺可能性。 金属的焊接性与焊接结构设计 三、焊接结构工艺设计 3、焊接接
10、头设计 （ 1）对接接头 接头上应力分布比较均匀，焊接质量容易保证，优先选用。 但对焊前准备和装配质量要求相对较高。 （ 2）搭接接头 便于组装，常用于对装配要求简单的结构， 但焊缝处易产生 应力集中和附加弯曲应力， 应力分布不均， 降低了接头强度， 且结构重量大，不经济，一般不用。 （ 3）角接接头、 T形接头 受力情况比较复杂， 当焊件需要直角连接时采用。 金属的焊接性与焊接结构设计 三、焊接结构工艺设计 4、焊缝的设计 （ 1）便于施焊 金属的焊接性与焊接结构设计 三、焊接结构工艺设计 4、焊缝的设计 （ 1）便于施焊 （ 2）焊缝应避免密集交叉 （ 3）焊缝尽量对称 （ 4）应避开应力
11、集中处和最大应力处 金属的焊接性与焊接结构设计 三、焊接结构工艺设计 4、焊缝的设计 （ 1）便于施焊 （ 2）焊缝应避免密集交叉 （ 3）焊缝尽量对称 （ 4）应避开应力集中处和最大应力处 （ 5）应避开机械加工表面 （ 6）尽量减少焊缝数量及长度，缩小不必要的焊缝截面尺寸。 金属的焊接性与焊接结构设计 四、常见的焊接缺陷 缺陷 名称 示意图 特征 产生原因 气 孔 焊接时，熔池中的过饱和 H、 N以及冶金反应产生的 CO，在熔池凝固时未能逸出，在焊缝中形成的空穴 焊接材料不清洁；弧长太长，保护效果差；焊接规范不恰当，冷速太快；焊前清理不当 裂 纹 热裂纹：沿晶开裂，具有氧化色泽，多在焊缝上
12、，焊后立即开裂； 冷裂纹：穿晶开裂，具有金属光泽，多在热影响区，有延时性，可发生在焊后任何时刻 热裂纹：母材硫、磷含量高；焊缝冷速太快，焊接应力大；焊接材料选择不当；冷裂纹：母材淬硬倾向大；焊缝含氢量高；焊接残余应力较大 夹 渣 焊后残留在焊缝中的非金属夹杂物 焊道间的熔渣未清理干净；焊接电流太小、焊接速度太快； 操作不当 金属的焊接性与焊接结构设计 四、常见的焊接缺陷 缺陷 名称 示意图 特征 产生原因 咬 边 在焊缝和母材的交界处产生的沟槽和凹陷 焊条角度和摆动不正确；焊接电流太大、电弧过长 焊 瘤 焊接时，熔化金属流淌到焊缝区之外的母材上所形成的金属瘤 焊接电流太大、电弧过长、焊接速度太慢；焊接位置和运条不当 未焊透 焊接接头的根部未完全熔透 焊接电流太小、焊接速度太快；坡口角度太小、间隙过窄、钝边太厚
