常用金属材料焊接及焊接结构设计3

安徽工业大学AHUT10.3 常用金属材料的焊接安徽工业大学AHUT一、金属材料的焊接性1、焊接性： 在一定的焊接工艺条件 (焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式等 )下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包括两个方面的内容：1） 接合性能 ：即在给定的焊接工艺条件下，对产生焊接缺陷的敏感性，尤其是对产生裂纹的敏感性2） 使用性能 ：即在给定的焊接工艺条件下，焊接接头对使用要求的适应性、可靠性。安徽工业大学AHUT2、焊接性的评定在焊接结构中最常用的金属材料是 钢材 。影响钢材焊接性的主要因素是 化学成分 。碳当量 ：将钢中合金元素的含量按其对焊接性的影响程度换算成碳的相当含量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。式中各元素的含量都取其成分范围的上限。安徽工业大学AHUT 当 CE 0.4%时，焊接性 优良 ，焊前一般不需预热； 当 CE 0.40.6%时，焊接性 较差 ，需要预热、缓冷； 当 CE 0.6%时焊接性 很差 ，需要严格的工艺措施。安徽工业大学AHUT利用碳当量法估算钢材焊接性是粗略的，因为钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因素的影响。在实际生产中，金属材料的焊接性除了按碳当量进行估算外，还需根据实际情况进行 抗裂性实验，并配合进行 接头使用性能试验 ，以制定正确的焊接工艺。安徽工业大学AHUT二、 碳钢及低合金钢的焊接1、低碳钢的焊接低碳钢含碳量 0.25，其塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，焊接性好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需进行热处理。2、中、高碳钢的焊接因含碳量较高，焊接接头易产生淬硬组织和冷裂纹，焊接性较差。焊接这类钢常选用手弧焊， 焊前 应预热，焊件选用抗裂性能好的低氢型焊条， 焊时 ，采用 细焊条细焊条 、 小小电流电流 、 开坡口开坡口 、 多层焊多层焊 ，尽量防止母材金属过多地熔入焊缝。 焊后 缓冷，防止产生冷裂。安徽工业大学AHUT3、低合金结构钢的焊接低合金结构钢的含碳量均属于低碳钢范围，但由于其它化学成分不同，故焊接性有 明显差别 。强度等级在 300400 MPa的低合金结构钢，塑性和韧性好，碳当量 CE 0.40%，焊接性良好。常用的方法是手弧焊和埋弧自动焊，通常不需采取特殊工艺措施。 强度等级 450 MPa的低合金结构钢，碳当量CE 0.40%，焊接性较差。焊前一般需预热 (预热温度 150 )。焊接时，应调整焊接规范来严格控制热影响区的冷却速度，焊后应及时进行热处理以消除应力。安徽工业大学AHUT 三、高合金不锈钢的焊接高合金不锈钢中应用最广泛的是 奥氏体耐蚀钢 (如 188 型铬镍奥氏体不锈钢 )。焊接性能良好。焊接时，一般不需要采取特殊的工艺措施。手弧焊 时，选用与母材化学成分相同的焊条； 氩弧焊和埋弧自动焊 时，选用的焊丝应保证焊缝化学成分与母材相同。焊接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀和热裂纹。安徽工业大学AHUT四、铸铁的焊接铸铁含碳量高，焊接性很差，所以铸铁焊接只用于 修补 铸件缺陷。焊接铸铁的主要问题是易出现 白口 组织和 裂纹 。(1)热焊 焊前将焊件整体或局部预热到 500一 700 ，焊补过程中温度不低于 400 ，焊后缓冷，从而防止白口组织和裂纹的产生。热焊焊补质量较好，但工艺复杂，生产率低、劳动条件差。一般仅用于 焊后要求机械加工 的铸铁件。如机床导轨、汽缸体等。(2)冷焊 焊前对焊件不预热或预热温度较低 (400 以下 )。 冷焊比热焊生产率高，成本低，劳动条件好，但焊补质量有时不易保证。焊接时应尽量用小电流、分段焊，短弧焊等工艺，焊后立即轻轻锤击焊缝，以减少焊接应力，防止产生裂纹。安徽工业大学AHUT安徽工业大学AHUT五、非铁金属及其合金的焊接1、铝及铝合金的焊接焊接铝及其合金的主要困难是：(1)易氧化 铝极易被氧化形成难熔的氧化铝 (A12O3)薄膜，熔点为 2050 ，它覆盖在金属表面，阻碍金属熔合；且氧化铝密度大，难于排除，易形成夹渣缺陷。(2)易产生缺陷 液态铝能大量溶解氢，而在固态时几乎不溶解氢，因此易生成 气孔 ，高温时铝的强度、塑性很低，热膨胀系数大，易产生较大的焊接 应力 、 变形和裂纹 ；铝及铝合金由固态加热到液态时 无颜色变化 ，故操作时难以掌握加热温度，易烧穿。氩弧焊 是焊接铝和铝合金最为理想的焊接方法 。2、铜及铜合金的焊接铜和铜合金的焊接性较差，主要存在的问题是：(1)铜的热导性好，焊接时要求热源集中，焊前要预热，否则易产生未焊透或末熔合等缺陷。(2)铜的线胀系数大，凝固时收缩率也大，因此焊接应力与变形大。(3)铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜 (Cu2O)， 它与铜形成低熔点共晶体 (Cu2OCu) ， 分布在晶界上，易产生热裂纹。(4)铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度急剧下降，易形成气孔。 (5)焊接黄铜时会产生锌的蒸发，使黄铜焊缝的强度和耐蚀性下降。锌蒸气有毒，对人体有害。氩弧焊 是焊接 紫铜 和 青铜 的有效方法。焊接 黄铜常用 气焊 ，锌的蒸发较少，而且由于气焊可采用轻微氧化焰和含硅焊丝相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，保护效果强，焊接质量高。安徽工业大学AHUT10.4 焊接结构设计安徽工业大学AHUT设计焊接结构，除应考虑结构的 使用性能 要求外，还应考虑结构焊接 工艺的要求 ，以保证焊接质量，力求高生产率、低成本。焊接结构设计一般包括 : 焊接结构材料的选择 焊接接头的工艺设计（ 包括焊缝布置、接头型式、坡口形式等 ）安徽工业大学AHUT一、 焊接结构材料的选择在满足结构使用性能要求的前提下，应尽可能选用焊接性良好的 材料 来制造焊接结构件。安徽工业大学AHUT设计焊接结构时，应多采用 工字钢 、 槽钢 、 角钢 和钢管 等 型材 ，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的部分，还可以选用 铸钢件 、 锻件 或 冲压件 来焊接。安徽工业大学AHUT二、 焊接接头的工艺设计(一 ) 焊缝的布置按焊缝在 空间位置 的不同，可分为 平焊 、 横焊 、 立焊 和 仰焊 。其中 平焊 操作方便，易于保证焊接质量，故焊接时，应尽量使焊绝处于平焊位置。安徽工业大学AHUT1） 焊缝位置应便于焊接操作布置焊缝时，要考虑到有足够的焊接 操作空间 ，以满足焊接运条的需要。安徽工业大学AHUT1） 焊缝位置应便于焊接操作（续）布置焊缝时，要考虑到焊接工艺方法的要求。安徽工业大学AHUT2）应避免密集和交叉的焊缝焊缝密集或交叉会使接头处 严重过热 ，力学性能下降，并将增大焊接应力。一般两条焊缝的间距要大于三倍的钢材厚度。安徽工业大学AHUT3）尽可能使焊缝对称焊缝对称布置可使各条焊缝产生的焊接变形相互 抵消 ，这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。安徽工业大学AHUT4）焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置大跨度横梁，最大应力在跨度中间。横梁由两焊件焊成，焊缝在 中间 使结构承载能力减弱。修改后的结构，虽增加了一条焊缝，但改善了焊缝受力情况，提高了横梁的承载能力。对压力容器应使焊缝避开 应力集中 的转角处位置。压力容器 应使焊缝避开 应力集中 的转角处位置。安徽工业大学AHUT5）焊缝转角处应平滑过接焊缝转角处易产生应力集中，尤其在 尖角 处集中效应更为严重，应平滑过渡。安徽工业大学AHUT6）焊缝应尽量避开机械加工表面有些焊接结构是一些零件，需要进行机械加工。其焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面 远一些 。安徽工业大学AHUT（二）接头形式的选择与设计、接头形式：对接 接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接结构中 应用最多 的一种接头型式，但对焊前准备和装配要求较高。搭接 接头常用于对焊前准备和装配要求简单的板状类部件结构中，但因两焊件不在同一平面上，受力时将产生附加弯曲应力，降低接头强度，且不经济，故搭接接头是 薄板焊件 的基本接头型式。角接 接头一般 只起连接 作用，不能用来传递工作载荷。T形接 头应用较广泛，在 船体结构 中，约 70%的焊缝是采用这种接头型式。安徽工业大学AHUT、接头坡口形式开坡口的 目的 是 ：为了保证焊缝根部 焊透 ，便于清除熔渣，获得较好的焊缝形状，并且坡口能起到调节母材金属和填充金属的比例作用。（ 1）手弧焊板厚 6mm时，一般不开坡口。 （ 2）板厚在 626mm 时，开 Y形坡口，这种坡口便于加工，但