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学习情境二： 冶金机械设备现代维修技术. 模块二： 焊接修复法. 一、焊接基础知识. 1 、基本概念 鸟巢焊接：.
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学习情境二： 冶金机械设备现代维修技术 模块二： 焊接修复法
一、焊接基础知识 1、基本概念 鸟巢焊接：
随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项生产尺寸精确的产品的生产手段。例如：在机械制造业中不少过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，这大大简化了生产工艺，降低了成本。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项生产尺寸精确的产品的生产手段。例如：在机械制造业中不少过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，这大大简化了生产工艺，降低了成本。 意大利VCC-80履带式步兵战车焊接车体和炮塔
焊接在整个工业中的地位还可以从这样一个事实来判断，即世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的45%左右。常见各种容器、塔器、换热器、反应器、钢结构等大多数采用焊接方法制造。
所谓焊接，就是指通过适当的物理化学过程，使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。所谓焊接，就是指通过适当的物理化学过程，使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。 那么，什么是焊接？
焊接方法的种类很多，按焊接过程的特点，可分为三大类：熔化焊、压力焊、钎焊。其中：熔化焊中又分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊等等。 2、焊接的分类
熔化焊就是利用局部加热的方法将连接处的金属加热至熔化状态而完成的焊接方法，熔化焊又叫熔焊。熔化焊就是利用局部加热的方法将连接处的金属加热至熔化状态而完成的焊接方法，熔化焊又叫熔焊。 （1）熔化焊
在加热的条件下，增强了金属原子的动能，促进原子间的相互扩散，当被焊接金属加热至熔化状态形成液态熔池时，原子之间可以充分扩散和紧密接触，因此冷却凝固后，即可形成牢固的焊接接头。根据热源不同，这类焊接方法常见的有气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护焊（如氩弧焊、CO2气体保护焊）、电子束焊等多种。在加热的条件下，增强了金属原子的动能，促进原子间的相互扩散，当被焊接金属加热至熔化状态形成液态熔池时，原子之间可以充分扩散和紧密接触，因此冷却凝固后，即可形成牢固的焊接接头。根据热源不同，这类焊接方法常见的有气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护焊（如氩弧焊、CO2气体保护焊）、电子束焊等多种。
压力焊就是利是指通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子接近到晶格距离（0.3～0.5nm)，形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。 。 （2）压力焊
这类焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等。这类焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等。
钎焊：就是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，又低于母材熔点的温度，溶点低的钎料熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。根据焊接温度的不同，钎焊可以分为两大类。焊接加热温度低于450℃称为软钎焊，高于450℃称为硬钎焊。钎焊：就是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，又低于母材熔点的温度，溶点低的钎料熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。根据焊接温度的不同，钎焊可以分为两大类。焊接加热温度低于450℃称为软钎焊，高于450℃称为硬钎焊。 （3）钎焊
（1）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，使焊件达到原子结合的一种加工方法。所以焊接是一种把分离的金属件连接成为不可拆卸的一个整体的加工方法。 在焊接被广泛应用以前，不同拆卸连接的主要方法是铆接。与铆接相比，焊接具有节省金属（大约可减轻15-20%的金属材料）、生产率高、致密性好、操作条件好、易于实现机械化和自动化。所以现在焊接已基本取代连接铆接。 3、焊接的特点 （2）焊接的另一个特点是可以化大为小、以小拼大。在制造大型机件与结构件或复杂的机器零件时，可以化大为小、化复杂为简单的方法准备坏料，用铸-焊、锻-焊联合工艺，用小型铸、锻设备生产大或复杂零件。例如我国生产的大型水压机立柱或发电机主轴等。
（3）焊接可以制造双金属结构。用焊接方法可制不同材料的复杂层容器，对焊不同材料的零件或工具（如较粗的钻头，就是用45号作钻柄，高速钢作钻头的切削部分）等。 所以，焊接是进行金属构件、机器零件等的重要加工方法，如桥梁、建筑构件、船体、锅炉、车箱、容器等。 3、焊接的特点 （4）焊接还是修补铸、锻件的缺陷和磨损零件的重要方法。应用焊接技术，可以修复磨损失效零件；可以焊补裂纹与断裂、局部损伤的缺陷；可以用于校正形状。由于焊修质量高、效率高、设备成本低、便于现场抢修等特点，在现场实际中应用十分广泛。如在磨损的机件（如轴颈和轧辊等）上堆焊一层金属，可延长机件的使用寿命，这对大型零件的修复，具有很大的经济效益。
常用的焊接修复技术有： 1）补焊：用于修复零件使其恢复尺寸与形状，或修复裂纹与断裂 2）堆焊：用于恢复零件尺寸、形状，并赋予零件表面以某些特征性能的溶敷（fu，1声）金属。 但是，由于焊修时对零件的局部、不均匀加热，致使零件产生内应力和变形，所以一般不宜于修复较高精度、细长和薄壳类零件。另外，焊接时产生的气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，以及零件自身的可焊性，均是我们在应用焊接修复技术时必须重视的问题
金属材料的可焊性(又称焊接性)，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出“好焊”和“不好焊”的差别。也就是说：一种金属，如果能用较普通又简便的焊接工艺获得优质接头，则认为这种金属具有良好的可焊性；反之，如果要用很复杂或特殊的焊接工艺才能获得优质接头，则认为它的可焊性差。金属材料的可焊性(又称焊接性)，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出“好焊”和“不好焊”的差别。也就是说：一种金属，如果能用较普通又简便的焊接工艺获得优质接头，则认为这种金属具有良好的可焊性；反之，如果要用很复杂或特殊的焊接工艺才能获得优质接头，则认为它的可焊性差。 4、金属材料的可焊性
碳钢的焊接性（又可焊性）主要取决于含碳量，随着含碳量增加，焊接性逐渐变差。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，称为该钢材的碳当量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳钢的焊接性（又可焊性）主要取决于含碳量，随着含碳量增加，焊接性逐渐变差。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，称为该钢材的碳当量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。 碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，其含量增加，焊接性变差，但其作用不如碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式，适用于含碳量不小于0.18%的低合金高强度钢（σb＝400～700MPa），公式为： （1）、用碳当量CE来评定
式中：C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素含量的百分数。 根据经验：1）CE＜0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性好。一般不会产生裂缝。2）CE在0.4～0.6%之间，钢材塑性下降，强度增加，淬硬倾向明显，可焊性较差。工件应采取焊前预热，焊后缓冷等工艺防止裂缝。3）CE＞0.6%，钢材塑性较低，强度较高，淬硬倾向很强，可焊性不好。工件焊前经预热 到较高温度，焊接时采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后还应进行热处理，确保焊接接头质量。
碳当量值只能在一定范围内概括地、相对地评价钢材的焊接性。因为碳当量只表达了钢材的化学成分对焊接性的影响，但忽略了材料板厚、焊缝含氢量等因素，不可能直接用于判断是否发生冷裂缝。为此日本又有人用200多种钢进行大量实际试验，得出钢材焊接冷裂缝敏感系数Pc（日本伊藤ITO公式）：碳当量值只能在一定范围内概括地、相对地评价钢材的焊接性。因为碳当量只表达了钢材的化学成分对焊接性的影响，但忽略了材料板厚、焊缝含氢量等因素，不可能直接用于判断是否发生冷裂缝。为此日本又有人用200多种钢进行大量实际试验，得出钢材焊接冷裂缝敏感系数Pc（日本伊藤ITO公式）： （1）、用冷裂缝敏感系数来评定
式中：h——板厚（mm） H——焊缝金属中扩散氢含量（ml/100g） 用PC值来判断和对比钢材在焊接时冷裂敏感性比CE值更好。
1、钢制零件补焊 我们对机械零件的期望，不仅有物理性能和化学成分的要求，还有尺寸精度、形位精度等方面的要求。因此，在焊修时，必须要考虑零件材料的焊接性、零件的热变形、焊后的加工性、对母材组织的影响，必须确保未损伤部位的精度和物理、化学性能，满足焊补后零件的使用要求。目前，在焊补中应用的最广泛的是电弧焊。电弧焊是利用焊条与焊件间产生电弧热将金属加热并熔化的焊接方法。为了保证焊修质量，必须合理制定焊接工艺 。 二、补焊
低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外）。低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外）。 （1）低碳钢零件
中碳钢含碳量在0.25%～0.6%之间，而高碳钢含碳量在0.6%～2.11%之间。随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差，焊缝金属热裂缝倾向较大，热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝，焊缝根部也易产生氢致裂纹。 为了提高中、高碳钢零件的焊修质量，可采取以下措施： （2）中、高碳钢零件
1) 焊前必须进行预热，中碳钢预热温度一般为150～250℃，高碳钢为250～350℃，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度，使焊接时工件各部分的温差减小，以减小焊接应力。1) 焊前必须进行预热，中碳钢预热温度一般为150～250℃，高碳钢为250～350℃，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度，使焊接时工件各部分的温差减小，以减小焊接应力。 • 2) 选用多层，以使前面一层焊缝受后一层热循环作用，从而使晶粒细化而改善性能。 • 3) 焊后及时热处理，以减少或消除焊接残余内应力，改善街头的显微组织，同时加速焊缝中氢向外扩散，减少裂纹产生 • 4) 尽量选用低氢焊条，增强焊缝抗裂性能。 • 5) 加强焊接区的清理工作，以清除油、水、锈及可能进入焊缝的氢的来源。 • 6) 设法减少母材熔入焊缝的比例，例如结构件、管道等焊接前均需制备坡口。 （2）中、高碳钢零件
2、铸铁的焊补 铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金。由于铸铁成本较低，并具有较好的铸造性、可加工性、耐磨性及减震性等特点，铸铁零件在机械零件中也占有一定的比例，比如多数基础件就是铸铁制造的。但是铸铁含碳量高，塑性差，脆性大，组织不均匀，焊接性很差，一般只用于修补铸铁件上的某些铸造缺陷，以及铸铁零件上的局部缺陷。 铸铁补焊机
铸铁件的焊补方法通常采用气焊和手工电弧焊，要求不高时也可采用钎焊，按焊前工件是否预热，分为热焊法和冷焊法。铸铁件的焊补方法通常采用气焊和手工电弧焊，要求不高时也可采用钎焊，按焊前工件是否预热，分为热焊法和冷焊法。 （1）热焊法：即将工件整体或局部预热到600～700℃，然后进行焊接，焊后缓慢冷却或进行去应力退火的方法。 1）焊接方法：常采用气焊和手工电弧焊，其中气焊较方便。 2）焊接材料：手工电弧焊时，采用铸铁芯铸铁焊条（如Z248）或钢芯石墨化铸铁焊条（如Z208）；气焊时，采用铸铁焊丝（高硅）和气剂201或硼砂熔剂（去除氧化物）等。 （1）热焊法
3）焊接特点： ①可有效地防止白口、淬硬组织及裂纹，接头切削加工性好。 ②需加热设备，成本高、生产效率低、劳动条件差。 4）应用：一般用于焊补形状复杂的重要铸铁件，如内燃机的汽缸、机床导轨等。 （1）热焊法 铸铁焊条
即焊前不预热或只进行400℃以下的低温预热的焊接方法：即焊前不预热或只进行400℃以下的低温预热的焊接方法： 1）焊接方法：气焊和手工电弧焊，对于小型薄壁铸件常用气焊，对于大型厚壁铸件，一般采用手工电弧焊。 2）焊接材料及焊接工艺： ①焊接材料：冷焊焊条分为两大类：一类为同质型焊条，即焊缝金属为铸铁型，如Z208、Z248；另一类为异质型焊条，即焊缝金属为非铸铁型，如镍基铸铁焊条（Z308、Z408）、高钒铸铁焊条（Z116、Z117）及铜基铸铁焊条（Z607）等。 （2）冷焊法
②焊接工艺： 焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道（每段不大于50mm）并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。 3）特点：成本较低，生产率较高，劳动条件较好，但是焊补质量有时不易保证。 4）应用：生产中多用于焊补要求不高的铸件以及怕高温预热引起变形的工件。 （2）冷焊法 铸铁补焊机
堆焊是表面工程中的重要分支，在国民经济建设中发挥着重要作用。随着科学技术的进步，堆焊技术也在不断创新。目前堆焊技术已广泛应用于矿山、冶金、农机、建筑、电站、铁路、车辆、石油化工设备、核动力及工具、模具等的制造、修复中，并已成为近年来得到最广泛应用的表面技术之一。比如我国冶金行业轧钢设备中的轧辊，据不完全统计，全国年消耗轧辊量约折合人民币30亿元，采用堆焊方法修复旧轧辊和制造新辊已成为我国轧钢企业降低成本提高效益的重要举措。又如在石化和锅炉行业中，大量采用的阀门，由于密封面质量不过关，在上世纪70年代曾成为影响企业生产正常运行的瓶颈。历经40 多年的发展历程，目前从阀门密封面堆焊方法到堆焊材料均已取得长足发展，并已在企业中普遍应用。 三、堆焊
堆焊修复的目的：不是连接零件，而是在零件表面堆敷金属，使其满足零件的尺寸和精度要求，并使其具有一定的性能，以满足零件表面的耐磨、耐热或耐腐蚀的要求，改善其表面性能，从而节约资金，延长设备使用寿命，经济效益显著。常见的堆焊技术多用于以下情况：堆焊修复的目的：不是连接零件，而是在零件表面堆敷金属，使其满足零件的尺寸和精度要求，并使其具有一定的性能，以满足零件表面的耐磨、耐热或耐腐蚀的要求，改善其表面性能，从而节约资金，延长设备使用寿命，经济效益显著。常见的堆焊技术多用于以下情况： 1、堆焊技术应用
（1）修复。用堆焊手段，进行零件的焊接修复，去除零件缺陷，恢复零件力学性能和几何尺寸，这一技术已普遍应用。如太重铸钢毛坯焊接修复达到90%以上，太重集团每年修复零件价值超过数千万元。（1）修复。用堆焊手段，进行零件的焊接修复，去除零件缺陷，恢复零件力学性能和几何尺寸，这一技术已普遍应用。如太重铸钢毛坯焊接修复达到90%以上，太重集团每年修复零件价值超过数千万元。 1、堆焊技术应用 （2）预保护。采用预保护堆焊制造双金属结构，发挥金属材料的各自特点，提高零件使用寿命，降低生产成本，提高企业制造核心技术水平，这一设 计思想已纳入产品制造方案。通过具有耐磨、耐蚀、抗氧化或其它物理、化学等特殊性能的金属强化层，发挥高合金金属强化层的优异性能。如在压机柱塞表面堆焊Cr13型不锈钢代替表面淬火 ，既保证表面硬度，又具有良好的耐腐蚀性能。又如在碳钢结构表面堆焊铝青铜耐磨层等，既可以节省贵重金属，又保证可靠连接，反复使用。在挖掘机耐磨零件表面堆焊高硬度耐磨材料提高使用寿命等。为循环经济、可持续发展提供良好的技术途径。
（3）焊过镀层。采用堆焊工艺制备金属过渡层，改善零件焊接性能。如重载硬齿面大模数焊接结构齿轮，其结形式由齿圈、轮毂、双辐板等零件焊接组成。因轮缘要求具有高硬度、耐磨损等性能 ，常采用中碳合金钢40CrNi2MoH或34CrNiMo锻件，调质处理。焊接制造的难点是有效控制中碳合金钢焊接质量，齿圈、轮毂锻件调质处理后，粗加工采用预热堆焊金属过渡层，改善零件焊接性能，降低环缝焊接预热温度，防止焊接裂纹，减少焊接变形。 1、堆焊技术应用 （4）改变形状。采用堆焊工艺改变金属零件几何尺寸及形状。如中国名牌产品TZ油膜轴承钢套，采用Q345B钢板卷制成型，其法兰部位就是采用堆焊方法生产成型。大大提高了材料利用率，降低了切削加工工时，缩短加工周期和费用。
堆焊技术有如下特点:堆焊层与母材能实现冶金结合、堆焊获得的表面层厚度最大 、所用的设备相对比较简单、易于实现工地现场施工、在技术上也较成熟.在实际应用中，我们应该注意以下问题 ： 2、堆焊技术特点
（1）对堆焊技术的要求，除满足零件的尺寸要求外，主要是满足零件性能方面的要求。（1）对堆焊技术的要求，除满足零件的尺寸要求外，主要是满足零件性能方面的要求。 （2）为了满足性能上的要求，首要问题是选择合适的堆焊合金。但由于堆焊合金元素含量往往比母材要高，有时会与母材成分有很大不用，所以应该注意由此带来的新问题。 （3）由于堆焊技术是在零件表面进行，由此可能造成零件受热不均，导致焊后变形，这也要求在堆焊技术中解决。 2、堆焊技术特点
修复实例：齿轮、花键修复 4、局部更换法
塑料是以树脂（有时用单体在加工过程中直接聚合）为基体，一般加有添加剂，在加工过程中能塑制成型的材料。在相当长的时间内，机械工业中使用的材料是以金属材料为主，但是随着科学技术的飞速发展，各种非金属材料取得了很大的进展，并被越来越多地应用于工程技术中。其中，塑料由于具有美观轻巧、丰富易得、制取方便、成形简单、成本低、电气绝缘、减震消音、耐磨及其它防护性能等特性，逐渐成为工业部门不可缺少的材料，为此有必要研究塑料的焊接技术。塑料是以树脂（有时用单体在加工过程中直接聚合）为基体，一般加有添加剂，在加工过程中能塑制成型的材料。在相当长的时间内，机械工业中使用的材料是以金属材料为主，但是随着科学技术的飞速发展，各种非金属材料取得了很大的进展，并被越来越多地应用于工程技术中。其中，塑料由于具有美观轻巧、丰富易得、制取方便、成形简单、成本低、电气绝缘、减震消音、耐磨及其它防护性能等特性，逐渐成为工业部门不可缺少的材料，为此有必要研究塑料的焊接技术。
一件塑料成品可能由多种材料或部件制成，要将各部件结合起来，可使用机械固定件、粘合剂及焊接工艺加工。三种接合方式中，以焊接工艺的效果最佳，而且焊接形式多样，可产生粘合稳固的接缝，其机械特性接近于母体材料，可根据不同材料、尺寸、用途而使用不同的焊接工艺。塑料焊接工艺可分为两类：一件塑料成品可能由多种材料或部件制成，要将各部件结合起来，可使用机械固定件、粘合剂及焊接工艺加工。三种接合方式中，以焊接工艺的效果最佳，而且焊接形式多样，可产生粘合稳固的接缝，其机械特性接近于母体材料，可根据不同材料、尺寸、用途而使用不同的焊接工艺。塑料焊接工艺可分为两类： （1）机械运动式焊接工艺：超声焊接、摩擦焊接和振动焊接。 （2）外部加热式焊接工艺：热板焊接、热气焊接和植入焊接。 （3）直接应用电磁学焊接工艺：电阻性插销焊接、高频（高频或射频）焊接和感应焊接。
钢结构是指用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，在冶金企业厂房结构、设备基础中得到广泛运用。 五、模拟实训—钢结构件维修
焊接基础知识。 补焊法，如：钢制零件补焊（低、中、高碳钢零件补焊）；铸铁的焊补。 堆焊。 塑料焊接 模拟实训—钢结构件维修 小 结
