金属工艺学 第六章 焊接.doc

第六章 焊接本章学习的目的及要求：1.了解焊接件的优缺点。2.掌握常用焊接方法的基本原理、特点及应用。3.分析焊接热影响区和应力与变形对焊接接头质量的影响以及获得优质焊接接头的措施。4.了解常用金属材料的焊接性能及获得优质焊件的常用焊接方法。5.了解焊接件的结构工艺性，对简单的焊接件能选择焊接方法、接头型式及确定焊缝的分布位置。本章使学生较深刻地理解焊接工程的基本理论；掌握常用焊接方法的特点与应用；认识常用金属材料的焊接性能及焊接特点；了解焊接件的结构工艺性及焊接技术的发展趋势；为合理设计和选择焊接成形方法打下良好的基础。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，使连接件达到原子结合的加工过程，其实质是借助于金属原子的结合与扩散，使分离的两部分金属牢固地、永久地结合起来成为整体的工艺，属于永久性连接。与铆接（图6-1）等可拆卸连接方法比较具有以下优点：（a）铆接接头 （b）焊接接头图6-1 铆接接头与焊接接头1.节省材料与工时，减轻结构的质量。2.焊接接头的致密性好，能保证容器件具有较好的密封性。3.便于以小拼大，化大为小。4.可制造双金属结构5.生产率高，便于机械化和生产自动化。但焊接件易产生应力和变形；焊接接头易产生缺陷。焊接应用广泛，60%的钢材要经过焊接后投入使用，主要用于制造金属构件，如锅炉、压力容器、管道、车辆、船舶、桥梁、飞机、火箭、起重机、冶金设备等。焊接的方法很多，按焊接过程的特点分为熔焊、压焊和钎焊三大类（见表6-1）。熔焊焊接方法分类压焊钎焊电弧焊等 弧离子 焊电渣焊电 束子 焊激光焊 电阻焊摩擦焊爆炸焊扩散焊超声波焊冷压焊软钎焊硬钎焊气焊手弧焊埋弧焊气 保体护 焊自动半自动氩弧焊二 碳氧化 焊点 焊缝焊对焊锡焊铜焊银焊表 6-1 焊接方法分类第一节 熔焊熔焊是将待焊处的母材金属熔化形成焊缝的焊接方法。这里只介绍几种生产中常用的熔焊方法。一、手弧焊 电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊即手弧焊是生产中应用最广泛的焊接方法，适宜焊接板厚3mm的碳钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等，以及铸铁的补焊。 手工电弧焊操作过程包括：引燃电弧、送进焊条和沿焊缝移动焊条。手工电弧焊焊接过程，如图6-2所示。电弧在焊条与工件(母材)之间燃烧，电弧热使母材熔化形成熔池，焊条金属芯熔化并以熔滴形式借助重力和电弧吹力进入熔池，燃烧、熔化的药皮进入熔池成为熔渣浮在熔池表面，保护熔池不受空气侵害。药皮分解产生的气体环绕在电弧周围，隔绝空气，保护电弧、熔滴和熔池金属。当焊条向前移动，新的母材熔化时，原熔池和熔渣凝固、形成焊缝和渣壳。图6-2 手弧焊过程示意图1-固态渣壳；2-液态熔渣；3-气体；4-焊条芯；5-焊条药皮；6-金属熔滴；7-熔池；8-焊缝；9-工件1.焊接电弧电弧是在焊条(电极)和工件(电极)之间产生强烈、稳定而持久的气体放电现象。在这一过程中，产生高热和电弧。（1）电弧的产生先将焊条与工件相接触，瞬间有强大的电流流经焊条与焊件接触点，产生强烈的电阻热，并将焊条与工件表面加热到熔化，然后微提焊条，金属熔液形成细颈，电流密度大，热量急剧增加，致使部分金属蒸发，两极间的液态金属断开，产生气体电离。同时产生很强的感应电动势，使阴极发射电子，并碰撞两极间的介质，加剧了电离过程，焊条和焊件间产生了电弧。（2）电弧的构造电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，其结构如图6-3所示。各区域的温度不同，如用碳钢焊条焊接钢件时，阴极是电子供应区，温度约2400K，阳极为电子轰击区，温度约2600K，弧柱的温度约为6000K8000K。 图6-3 电弧的构造1-电源（直流）；2-焊条； 3-弧柱；4-焊件；5-阳极区；6-阴极区（3）电弧的极性由于电弧两极的温度不同，其性质也有不同，所以当用直流电流焊接时，就有极性选择。焊件接正极，焊条接负极，称为正接；而工件接负极，焊条接正极称反接。例如焊接薄板时采用反接。为保证顺利引弧，焊接电源的空载电压(引弧电压)一般是5080V，电弧稳定燃烧时所需的电弧电压(工作电压)约为16V36 V 左右。2.电焊条（1）电焊条的组成及其作用焊条是由焊芯和药皮（涂料）两部分组成。焊芯是焊条中被药皮包覆的金属丝，用专用的金属丝制成。焊芯的作用，一是作为电极传导电流，二是其熔化后成为填充金属，与熔化的母材共同组成焊缝金属。因此，可以通过焊芯调整焊缝金属的化学成分。药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层。原材料有矿石、铁合金、有机物和化工产品等，按比例配成。药皮主要作用有改善焊接工艺性；对焊接区起保护作用；起冶金处理作用并补充被烧损的合金元素等。（2）电焊条的分类、型号与牌号焊条按用途不同分为十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条及特殊用途焊条等。其中结构钢焊条分为碳钢焊条和低合金钢焊条。按药皮性质不同可分为酸性焊条和碱性焊条两种。酸性焊条的药皮中含有大量酸性氧化物(SiO2、MnO2等)，适于焊接低碳钢和不重要的结构件；碱性焊条药皮中含大量碱性氧化物（CaO和萤石CaF2等)，适于焊接重要的结构件及焊接性较差金属的焊接。焊条型号是国家标准中规定的焊条代号。焊接结构件生产中应用最广的是碳钢焊条和低合金钢焊条，型号标准见GB/T 51171995 和GB/T 51181995。国家标准规定，碳钢焊条型号由字母E和四位数字组成，如E4303、E5016、E5017 等，其含义如下：“E”表示焊条。前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度，单位为MPa。第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”及“1”表示焊条适于全位置焊接；“2”表示只适于平焊和平角焊；“4”表示向下立焊。第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型，如“03”为钛钙型药皮，交流或直流正、反接；“16”为低氢钾型药皮，交流或直流反接。焊条牌号是焊条生产行业统一的焊条代号。焊条牌号用一个大写汉语拼音字母和三个数字表示，如J422、J507 等。拼音表示焊条的大类，如“J”表示结构钢焊条，“Z”表示铸铁焊条；前二位数字代表焊缝金属抗拉强度等级，单位为MPa；末尾数字表示焊条的药皮类型和焊接电流种类，15 为酸性焊条，6、7 为碱性焊条。焊条的选用一般按等性能原则，并考虑焊件的结构特点、工作条件、产量、施焊条件及经济性等因素，合理选用。3.手弧焊工艺（1）焊接接头及坡口根据焊件的结构形状、厚度及工作条件，可选择不同的接头类型及坡口。常用的接头类型有对接、角接、丁字接和搭接四种。坡口是根据设计和工艺需要，将工件的待焊部加工成一定几何形状装配后构成的沟槽。其目的在于保证焊透，增加接头强度。（2）焊缝的空间位置根据焊接时焊缝在空间位置的不同，可分为平焊、横焊、立焊、仰焊四种，如图6-4所示。其中以平焊的生产率最高，且易于保证焊接质量，仰焊操作最困难。 （a）平焊 （b）横焊（C）立焊 （d）仰焊图6-4 四种焊接空间位置（3）焊接规范焊接时影响焊接质量与生产效率的工艺参数，主要指焊条直径、焊接电流、焊接速度和电弧长度。焊条直径的确定 依据焊件的力学性能和化学成分的要求，选择相应的焊条型号后，再根据焊件厚度选取焊条直径的大小。一般焊件厚度4mm时，焊条直径等于焊件厚度；4mm时，焊条直径为46mm。仰焊时，焊条直径一般不超过4mm。为了提高生产率，又不至于烧穿焊件，尽可能选取较大直径的焊条。焊接电流 电流太大，焊条熔化太快，金属飞溅加剧，可能烧穿焊件；电流过小，电弧不稳定，造成焊不透，生产率降低。所以焊接电流要选择合理。根据焊条直径选择焊接电流，通常按经验公式计算 I焊=kd 其中：I焊为焊接电流（A） k为经验系数，5260 d为焊条直径（mm）相同直径的焊条，在焊接厚度大的焊件时，应采用较大的焊接电流；反之，则用较小的焊接电流。横焊和立焊的焊接电流比平焊小10%15%；仰焊比平焊小10%20%；用碱性焊条时，焊接电流要比用酸性焊条时小一些。电弧长度和焊接速度 一般由焊工根据焊缝尺寸和焊条特性自行掌握。通常要求电弧长度不超过24mm。焊接速度以保证焊缝尺寸符合图纸要求为准。二、气焊气焊是利用气体火焰作为热源的焊接方法，最常用的是氧乙炔焊。气焊加热过程比较平稳、缓慢，这是因为气焊火焰温度低、热量不够集中，生产率低。另外，气焊的热影响区大，焊后工件变形较大，火焰对熔池保护性差，焊接质量不高。因此，气焊不如手弧焊应用广泛，主要用于焊接厚度3mm的薄钢板、有色金属及其合金，以及铸铁的焊补。1.氧乙炔焰氧和乙炔所形成的火焰由焰心、内焰和外焰组成如图6-5；距内焰末端（24）mm处温度最高，可达3150，为焊接区。 图6-5 中性焰的温度分布根据氧与乙炔体积的混合比例，火焰分为：（1）中性焰 当V氧/V乙炔=1.11.2，这种火焰对焊件无化学反应，应用最广，用于焊接碳钢、紫铜和低合金结构钢。（2）碳化焰 当V氧/V乙炔1.2,火焰中有过剩的氧，对熔池金属有强烈的氧化作用，适合焊接黄铜与镀锌铁板。2.气焊设备气焊所用设备有氧气瓶、乙炔瓶、减压器（氧气表）和焊炬（焊枪）等。这些设备用软管连接，形成工作系统，如图6-6。图6-6 气焊设备连接图1-氧气瓶；2-减压器；3-乙炔瓶；4-焊丝；5-焊嘴；6-焊炬；7-工件3.气焊工艺气焊焊缝按空间位置也分为平焊、横焊、仰焊和立焊四种，接头类型以对接为主。按焊炬与焊丝沿焊缝移动方向不同，施焊方法有左焊法和右焊法两种。左焊法是焊丝和焊炬同时向左移动，火焰指向待焊部分，用于焊接5mm以下的薄钢板和低熔点的金属；右焊法是焊丝和焊炬同时向右移动，火焰指向已焊部分，用于焊接5mm以上的钢结构焊件。三、埋弧焊 手工电弧焊的生产率低、对工人操作技术要求高，工作条件差，焊接质量不易保证，而且质量不稳定。埋弧自动焊(简称埋弧焊)是电弧在焊剂层内燃烧进行焊接的方法，电弧的引燃、焊丝的送进和电弧沿焊缝的移动，是由设备自动完成的。埋弧焊焊接过程，如图6-7所示，焊剂均匀地堆覆在焊件上，形成厚度为40mm60mm的焊剂层，焊丝连续地进入焊剂层下的电弧区，维持电弧平稳燃烧，随着焊丝的不断向前移动，金属熔池河渣池逐渐冷凝，形成焊缝和渣壳。图6-7 埋弧自动焊焊接过程示意图1-焊剂漏斗；2-送丝辊轮；3-焊丝4-导电嘴；5-焊件；6-焊剂；7-渣壳；8-焊缝埋弧自动焊与手工电弧焊相比，有以下特点。1.生产率高、成本低。由于埋弧焊时电流大，电弧在焊剂层下稳定燃烧，无熔滴飞溅，热量集中，焊丝熔敷速度快，比手工电弧焊效率提高510 倍左右；焊件熔深大，较厚的焊件不开坡口也能焊透，节省加工坡口的工时和费用，减少焊丝填充量，没有焊条头，焊剂可重用，节约焊接材料。2.焊接质量好、稳定性高。埋弧焊时，熔滴、熔池金属得到焊剂和熔渣泡的双重保护，有害气体浸入减少；焊接操作自动化程度高，工艺参数稳定，焊缝成形美观，内部组织均匀。3.劳动条件好。没有弧光和飞溅，操作过程的自动化，使劳动强度降低。4.埋弧焊适应性较差。通常只适于焊接长直的平焊缝或较大直径的环焊缝，不能焊空间位置焊缝及不规则焊缝。5.设备费用一次性投资较大。因此，埋弧自动焊适用于成批生产的中、焊接厚度为660mm水平位置结构件的长直焊缝及较大直径（一般小于250mm）的环焊缝的平焊。在锅炉、船舶、容器、机车车辆、桥梁等部门应用广泛。四、气体保护电弧焊气体保护电弧焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。按照保护气体的不同，气体保护焊分为两类：使用惰性气体作为保护的称惰性气体保护焊，包括氩弧焊、氦弧焊、混合气体保护焊等；使用CO2气体作为保护的气体保护焊，简称CO2焊。1.氩弧焊氩弧焊是以氩气作为保护气体的电弧焊，氩气是惰性气体，可保护电极和熔化金属不受空气的有害作用，在高温条件下，氩气与金属既不发生反应，也不溶入金属中。根据所用电极的不同，氩弧焊可分为：非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种(图6-8)。氩弧焊的特点：(1)可焊接化学性质活泼的有色金属及其合金或特殊性能钢，如不锈钢等。(2)电弧燃烧稳定，飞溅小，表面无熔渣，焊缝成形美观，焊接质量好。(3)电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊缝周围气流冷却，热影响区小，焊后变形小，适宜薄板焊接。(4)明弧焊接，便于操作，易于自动控制，可进行全位置焊接。(5)氩气价格较贵，焊件成本高。综上所述，氩弧焊主要适于焊接铝、镁、钛及其合金、稀有金属、不锈钢、耐热钢等。脉冲钨极氩弧焊还适于焊接0.8mm以下的薄板。非熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊图6-8 氩弧焊示意图1-电极或焊丝；2-导电嘴；3-喷嘴；4-进气管；5-氩气管；6-电弧；7-工件；8-填充焊丝；9-送丝辊轮2.二氧化碳(CO2)气体保护焊CO2焊是利用廉价的CO2作为保护气体，既可降低焊接成本，又能充分利用气体保护焊的优势。CO2焊的焊接过程，如图6-9 所示。连续送进的焊丝为一电极，焊件为另一电极，采用自动半自动方式焊接。为了稳定电弧，减少飞溅，CO2焊采用直流反接。图6-9 CO2气体保护焊示意图1-焊炬喷嘴；2-导电嘴；3-送丝软管；4-送丝机构；5-焊丝盘；6-流量计；7-减压器；8-CO2气瓶；9-电焊机CO2气体保护焊具有生产率高、成本低、焊缝质量较好等优点，但其焊缝成形稍差、飞溅较大、焊接设备较复杂、使用和维修不方便。CO2焊主要适用于焊接低碳钢和强度不高的普通低合金结构钢焊件，焊件厚度不大于50 mm(对接形式)，不适宜焊接易氧化的有色金属。五、焊接接头熔焊的焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区三部分，如图6-10为焊接低碳钢时焊接接头。图6-10 低碳钢焊接接头组织和性能变化示意图焊件经焊接后所形成的接合部分，称为焊缝。它是在焊接条件下，金属经过再熔炼过程形成的。熔化的液态金属、熔渣与气体之间，发生一系列冶金反应。这些反应是在高温、热循环时间短、熔池体积小，而且周围被冷金属包围的条件下进行的，各种反应不能充分进行，不易达到平衡状态。因此，使焊缝成为无缺陷的理想的组织结构，是比较困难得。焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的部分，称为熔合区，它在焊接时呈半熔化状态。焊接过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织与力学性能变化的区域，称为热影响区。焊接低碳钢时焊接接头的组织变化如图6-10所示。 六、焊接应力与焊接变形1.焊接应力熔焊过程中，焊接接头区域受不均匀的加热和冷却，加热的金属受周围冷金属的约束，不能自由膨胀，但可以膨胀一些，如图6-11所示，在加热时只能从位置1膨胀到位置4，此时产生压应力；冷却后只能从位置4收缩到位置5，因此，这部分金属受拉应力并残留下来，即焊接残余应力。从位置1到位置5的变化，就是焊接残余变形。图6-11 焊接变形与残余应力产生原因示意图2.焊接变形的基本形式常见的焊接变形的基本形式如表6-2所示。但在实际的焊接结构中，这些变形并不是孤立存在的，而是多种变形共存，并且相互影响。表6-2 常见焊接变形的基本形式焊接变形基本形式图产生原因收缩变形焊接后纵向和横向收缩引起的角变形V形坡口对焊后，由于焊缝截面形状上下不对称，焊缝收缩不均匀所致弯曲变形焊接T形梁时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起的扭曲变形焊接工字梁时，由于焊接顺序和焊接方向不合理所致波浪变形焊接薄板时，由于焊缝收缩使薄板局部产生较大压应力而失去稳定所致减少或消除应力的措施：焊前预热、焊后热处理；刚性固定法（图6-12）；合理的安排焊接顺序（图6-13）。图6-12 刚性固定法预防焊接变形示意图 合理 不合理图6-13 焊接顺序对焊接应力的影响七、焊缝缺陷焊缝常见的焊接缺陷、特征及产生原因，见表6-3。表6-3 焊接接头主要缺陷及产生原因缺陷种类图示概念产生原因焊瘤焊缝边缘上存在多余的未与焊件熔合的堆积金属。焊条熔化太快；电弧过长；运条不正确；焊速太慢。夹渣焊缝中部分地存在着熔渣。施焊中焊条未搅拌熔池；焊件不洁；电流过小；焊缝冷却太快；多层焊时各层熔渣未除干净。咬边在焊件与焊缝边缘的交界处有小沟槽。电流太大； 焊条角度不对； 运条方法不正确；电弧过长。裂缝在焊缝或焊件表面或内部存在有分裂金属组织的缝。焊件含碳、硫、磷高；焊缝冷速太快；焊接程序不正确；焊接应力过大；存在咬边、气孔、夹渣、弧坑、未焊透等缺陷。气孔焊缝的表面或内部存在气泡。焊件不洁；焊条潮湿；电弧过长；焊速太快；电流过小；焊件碳含量高。未焊透熔敷金属和焊件之间局部未熔合。装配间隙太小、坡口太小或钝边太大；运条太快；电流太小；焊条未对准焊缝中心；电弧过长。第二节 压焊与钎焊压焊与钎焊也是应用比较广的焊接方法。一、压焊压力焊是在焊接的过程中，必须对工件施加压力（加热或不加热）的一类焊接方法，简称压焊。压焊方法很多，最常用的是电阻焊。电阻焊是将焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过焊件及其接触处所产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力下形成焊接接头的焊接力法。与其他焊接方法相比，电阻焊具有生产率高、焊接变形小、不需另加焊接材料、劳动条件好、操作简便、易实现机械化等优点；但其设备较一般熔焊复杂、耗电量大、可焊工件厚度(或断面尺寸)及接头形式受到限制。按工件接头形式和电极形状不同，电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种形式。1.点焊点焊是利用柱状电极加压通电，在搭接工件接触面之间产生电阻热，将焊件加热并局部熔化，形成一个熔核(周围为塑性态)，然后在压力下熔核结晶成焊点，如图6-14 所示。影响点焊质量的主要因素有焊接电流、通电时间、电极压力及工件表面清理情况等。点焊是一种高速、经济的连接方法，适于可以采用搭接、接头不要求气密、厚度为0.05mm6mm的薄板、冲压结构及线材的焊接，目前，点焊已广泛用于制造汽车、飞机、车厢等薄壁结构以及罩壳和轻工、生活用品等。 图6-14 点焊示意图 图6-15 缝焊示意图1-电极 2-焊件 3-熔核 4-冷却水 5-压力2.缝焊缝焊过程与点焊相似，只是用旋转的圆盘状滚动电极代替柱状电极，焊接时，盘状电极压紧焊件并转动(也带动焊件向前移动)，配合断续通电，即形成连续重叠的焊点。因此称为缝焊。如图6-15所示。缝焊焊点密封性好，但因缝焊过程分流现象严重，焊接相同厚度的工件时，焊接电流约为点焊的1.52倍。一般适用于只适用于3mm以下的薄板搭接，焊缝较规则，有密封性要求的薄壁结构，如汽车油箱、管道和消音器等。3.对焊对焊是利用电阻热使两个工件整个接触面焊接起来的一种方法，主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条等的焊接。焊件配成对接接头形式，如图6-16所示。图6-16 对焊接头形式图对焊按焊接过程不同，分为电阻对焊和闪光对焊两种，其根本区别在于焊件的接触与通电的先、后顺序不同。若先接触后通电为电阻对焊（图6-17a），电阻对焊操作简单，接头比较光滑，一般只用于焊接截面形状简单、直径(或边长)小于20mm和强度要求不高的杆件，在汽车、飞机、仪表和生活用品生产中应用广泛；若先通电后接触为闪光对焊（6-17b），闪光对焊接头中夹渣少、质量好、强度高，但金属损耗较大、闪光火花易污染其他设备与环境、接头处有毛刺需要加工清理，常用于受力较大的重要工件的焊接，还可焊接一些异种金属，如铝与铜、铝与钢等的焊接，被焊工件直径可小到0.01mm的金属丝，大到0.1m2的金属棒和金属型材。广泛用于刀具、汽车轮缘、自行车圈、钢轨等的焊接。图6-17 对焊示意图二、钎焊钎焊是利用熔点比焊件低的钎料作为填充金属，加热时钎料熔化而母材不熔化，利用液态钎料浸润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散而将焊件连结起来的焊接方法。根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊与软钎焊两类。1.硬钎焊钎料熔点在450以上，接头强度在200MPa以上的钎焊，为硬钎焊。属于这类的钎料有铜基、银基钎料等。钎剂主要有硼砂、硼酸、氟化物和氯化物等。硬钎焊主要用于受力较大的钢铁和铜合金构件的焊接，如自行车架、刀具、仪表零件等。2.软钎焊钎料熔点在450以下，焊接接头强度较低，一般不超过70MPa的钎焊，为软钎焊。如锡焊是常见的软钎焊，所用钎料为锡铅，钎剂有松香、氧化锌溶液等。软钎焊广泛用于薄板容器和电子元器件的焊接。钎焊构件的接头形式都采用板料搭接和套件镶接，图6-18是几种常见的形式。图6-18 钎焊接头形式示意图与一般熔化焊相比，钎焊具有加热温度较低、对焊件性能的影响小、变形小、接头光滑平整、容易保证组合件尺寸、生产率高、设备简单、投资费用少、钎焊的接头强度较低、允许的工作温度不高等的特点。第三节 常用金属材料的焊接、金属材料的焊接性1.焊接性焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，它包括两方面的内容，一是接合性能，即在一定的焊接条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定焊接条件下，一定金属的焊接接头对使用性能的适应性等。焊接性好的金属，应是焊接工艺简单，焊接接头完整，且能满足使用要求。2.焊接性的评定金属焊接性评定方法一般有碳当量法和冷裂纹敏感系数法，通常用碳当量来评价钢的焊接性。将钢中的合金元素(包括碳)的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的影响，其总和称为碳当量，用符号wCE表示。国际焊接学会推荐的碳钢和低合金高强钢碳当量计算公式为式中的化学元素符号表示该元素在钢材中含量的百分数。碳当量wCE值越高，钢材的淬硬倾向越大，冷裂敏感性也越大，焊接性越差。当wCE0.4%时，钢材的淬硬倾向和冷裂敏感性不大，焊接性良好；当wCE0.4%0.6%时，钢材的淬硬倾向和冷裂敏感性增大，焊接性较差；当wCE0.6%时，钢材的淬硬倾向大，容易产生冷裂纹，焊接性差。二、钢的焊接 1.碳钢的焊接（1）低碳钢的焊接低碳钢的焊接性良好，焊接时般不需要采取特殊的工艺措施，用各种焊接方法都能获得优质焊接接头。只有厚大结构件在低温下焊接时，才应考虑焊前预热，如板厚大于50mm、温度低于0时，应预热到100150。（2）中、高碳钢的焊接中碳钢焊接时，热影响区组织淬硬倾向增大，较易出现裂纹和气孔，为此要采取一定的工艺措施。如35、45钢焊接时，焊前应预热到150250。高碳钢碳当量数值在0.60%以上，淬硬倾向更大，易出现各种裂纹和气孔，焊接性差。般不用来制作焊接结构，只用于破损工件的焊补。焊接时应采取焊前预热，焊后热处理，细焊条，小电流等相应的焊接工艺。2.合金钢的焊接合金钢因含有合金元素，焊接性较差。低合金结构钢进行焊接的比较多，而合金渗碳钢与合金调质钢及高合金钢（除奥氏体不锈钢外），很少用于焊接生产。（1）低合金结构钢的焊接这类钢中wCE0.4%时，焊接性良好，可采用手弧焊与埋弧焊，不需要采取特殊的焊接工艺措施既可焊接。对于450MPa，wCE0.4%的低碳合金结构钢，焊接时热影响区有较大的淬硬倾向，冷裂倾向加剧，需要采取焊前预热（150），调整焊接规范及焊后热处理等工艺措施。（2）不锈钢的焊接奥氏体不锈钢（如0Cr18Ni9）中虽然Cr，Ni元素含量较高，但C含量低，焊接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施，因此它在不锈钢焊接中应用最广。不锈钢焊接易产生晶界腐蚀和热裂纹，焊接时采用小电流、快速不摆动焊，焊后加大冷速等措施予以解决。三、铸铁的焊补铸铁组织不均匀，塑性很低，焊接性很差，不能用铸铁设计和制造焊接构件。但铸铁件常出现铸造缺陷，或使用过程中会发生局部损坏或断裂，可用焊补修复。铸铁补焊易产生白口组织、气孔和裂纹。按焊前预热温度，铸铁的补焊可分为热焊法和冷焊法两大类。热焊法 焊前将工件整体或局部预热到600700，焊补后缓慢冷却。热焊法能防止工件产生白口组织和裂纹，焊补质量较好，焊后可进行机械加工，但热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差，常用于焊补形状复杂、焊后需进行加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。冷焊法 焊补前工件不预热或只进行400以下的低温预热。冷焊法方便、灵活、生产率高、成本低，劳动条件好，但焊接处切削加工性能较差，多用于焊补要求不高的铸件以及不允许高温预热引起变形的铸件。四、有色金属及其合金的焊接1.铝及铝合金的焊接工业中主要对纯铝、铝锰合金、铝镁合金和铸铝件进行焊接。由于焊接时极易氧化、变形和开裂、易生成气孔、熔融状态难控制等原因，使其焊接性比较差。目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。其中氩弧焊是焊接铝及铝合金较好的方法。气焊常用于要求不高的铝及铝合金工件的焊接。2.铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，这是因为铜易氧化生成Cu2O与Cu的共晶体，存于晶界，焊接时易变形；铜在液态时吸气性强，形成气孔；铜合金中的合金元素容易烧损，降低焊接接头的力学性能；铜的导热性高，导致焊不透等缺陷。铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、埋弧焊、钎焊等方法进行焊接。其中氩弧焊主要用于焊接紫铜和青铜件，气焊主要用于焊接黄铜件。第四节 焊接结构设计 设计焊接结构时，除应考虑结构的使用要求，包括一定的形状、工作条件和技术要求等，也要考虑结构的焊接工艺要求，以保证焊接质量优良，焊接工艺简单，生产率高，成本低。一、焊接结构材料的选择在满足结构使用要求的前提下，应尽可能选用焊接性优良的材料制作焊接结构件。一般含碳量wc0.25%的碳钢和wc0.20%的低合金结构钢具有良好的焊接性，应尽量选用；wc0.50%的碳钢和wc0.40%的合金钢焊接性差，一般不宜采用。焊接结构尽可能采用同种金属材料制作。异种金属材料焊接时，由于化学成分和性能不同，在焊接接头中会产生很大的应力，甚至造成裂纹。因此，异种金属的焊接，必须特别注意它们的焊接性及其差异，对不能用熔焊方法获得满意接头的异种金属应尽量不选用。二、焊缝的布置由于平焊操作方便，易于保证焊接质量，故焊接时尽量使焊缝处于平焊位置。布置焊缝时应考虑以下原则：1.焊缝位置应便于焊接操作手弧焊时，应考虑有足够的焊接操作空间，以满足焊接运条的需要，如图6-19。点焊和缝焊时，电极能够进入待焊的位置，如图6-20所示。图6-19 搭接焊缝的布置图6-20 点焊或缝焊焊缝的布置2.尽量减少焊缝数量设计焊接结构时，尽量选用型材、板材和管材，形状复杂的部分可采用冲压件、锻件和铸钢件，以减少焊缝数量、焊接应力和变形、焊接材料损耗。图6-21为箱形结构 ，a有四条焊缝，而b、c只有两条焊缝。（a） （）(）图6-21 减少焊缝数量3.避免交叉和密集的焊缝焊缝交叉或密集会使接头处严重过热，力学性能下降，增大焊接应力，图6-22所示。一般两条焊缝的间距要大于三倍的钢板厚度。(a) 不合理 (b) 合理图6-22 焊缝分散布置的设计示意图4.焊缝要尽量对称为了减小变形，最好是能同时施焊，如图6-23所示。 (a)不合理 (b) 合理图6-23 焊缝对称布置的设计示意图5.焊缝要避开应力较大和应力集中部位如大跨度的焊接钢梁，焊缝应避免在梁的中间，如图6-24(a)所示，（d）虽增加了一条焊缝，但提高了横梁的承载能力。压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处，如图6-24(e)（f）。图6-24 焊缝避开最大应力及应力集中位置布置的设计示意图6.焊缝应尽量避开机械加工表面，如图6-25所示。（a)不合理 （）不合理 （）不合理 （）不合理图6-25 焊缝远离机械加工表面的设计示意图7.焊缝转角处应平滑过渡，图6-26所示。 （a)不合理 （）不合理（）不合理（）不合理图6-26 焊缝转角处应平滑过渡三、焊接接头型式的选择焊接接头设计应根据焊件的结构形状、强度要求、工件厚度、焊后变形大小、焊条消耗量、坡口加工难易程度、焊接方法等因素综合考虑决定。主要包括接头形式和坡口形式等。常见的接头型式如图6-27。(a) 对接接头(b) 角接接头(c) T形接头 (d) 搭接接头图6-27 手工电弧焊焊接接头及坡口形式焊接碳钢和低合金钢常用的接头形式可分为对接、角接、T形接和搭接等。对接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接结构件中应用最多的一种，但对焊前准备和装配要求较高；搭接接头应力分布复杂，易产生附加弯曲应力，降低接头强度，且不经济，但焊前准备和装配要求比对接接头简单，常用于厂房屋架和桥梁等；当接头构成直角连接时，通常采用角接和T形接头。角接接头通常只起连接作用，不能用来传递工作载荷。T形接头在船体结构中应用较广（约70%）。 四、焊接接头坡口形式的选择 手工电弧焊坡口的基本形式是I形坡口(或称不开坡口)、Y形坡口、双Y形坡口、U形坡口等4种，不同的接头形式有各种形式的坡口，其选择主要根据焊件的厚度(见图6-27)。五、焊接方法的选择 焊接方法应根据焊接结构件的形状和尺寸、焊缝位置、被焊材料性质、焊接过程机械化和自动化的可能性等来确定。第五节 金属的切割金属分离的工艺操作，称为切割。切割有冷切割和热切割两种方法。一、热切割利用热能使金属材料分离的方法，叫热切割。常用的方法有气割、等离子弧切割、电子束切割和激光切割等。1.气割气割是利用气体火焰的热能，将金属工件切割处预热到一定温度（燃烧）后，喷出高速切割氧流，使金属燃烧并放出热量来实现分离的切割方法。常用的气体是氧和乙炔。被切割金属应具备的条件：（1）金属的燃点必须低于其熔点，否则将成为“熔割”，切口凸凹不平，割缝质量差。（2）金属氧化物的熔点应低于被切割金属的熔点。（3）金属燃烧时，应产生大量的热量，以维持切割继续进行。（4）金属的热导性不应太高。根据上述条件，wc0.7%的碳钢与wc0.25%的低合金钢，满足气割的条件，能够顺利地进行气割。当wc0.7%时，不易气割。铸铁、不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金都不能用气割法进行切割。2.等离子弧切割等离子弧切割是利用高温、高速、高能量密度的等离子弧将被切割材料局部加热熔化并随即用氩气或氮气吹除，形成较整齐的割口（图6-28）。其割口窄，切割面的质量较好，切割速度快，切割厚度可达150 mm200 mm。等离子弧可以切割不锈钢、铸铁、铝、铜、钛、镍、钨及其合金等。图6-28 等离子弧切割示意图1-冷却水；2-离子气；3-钍钨极；4-等离子弧；5-工件3.激光切割激光切割是利用激光束的能量实现切割的方法，分为激光蒸发切割、激光熔化吹气切割和激光反应气体切割等。激光蒸发切割是利用激光使切割金属蒸发、逸散，形成切口。它要求功率密度大，在真空特殊场合下使用，只能切割极薄的金属材料；激光熔化吹气切割是激光熔化被切割金属，用氩气、氦气或氮气将熔融金属吹掉，形成切口，类似于等离子弧切割，用于切割不锈钢、钛合金、铝合金等，也可以切割纸张、布、木材、塑料、橡胶等；激光反应气体切割是激光熔化表面金属，有高压氧或压缩气流与金属进行反应，并吹除氧化物，类似于气割，用于切割碳钢、钛钢等。二、冷切割冷切割是在常温下使金属材料分离的方法。常用的方法有锯割、剪切等。第六节 其他焊接新工艺简介 随着现代工业技术的发展，如原子能、航空、航天等技术的发展，需要焊接一些新的材料和结构，对焊接技术提出更高的要求，于是出现了一些新的焊接工艺，如等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊等，本节仅对一些焊接新工艺作简单介绍。一、等离子弧焊接等离子弧焊是利用等离子弧作为热源进行焊接的一种熔焊方法。等离子弧焊接使用专用的焊接设备和焊炬，焊炬的构造保证在等离子弧周围通以均匀的氩气流，以保护熔池和焊缝不受空气的有害作用。等离子弧焊具有能量密度大、穿透能力强、焊接速度高、生产率高、焊件变形小、焊缝表面光洁等优点。但设备比较复杂，气体消耗量大，只宜于在室内焊接。等离子弧焊接已在生产中广泛应用于焊接铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属焊件。如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳等。另外，当焊接电流小到0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，并保持良好的直线和方向性，故等离子弧焊可以焊接很薄的箔材。二、电子束焊接电子束焊是利用高速、集中的电子束轰击焊件表面所产生的热量进行焊接的一种熔焊方法。电子束焊可分为：高真空型、低真空型和非真空型等。真空电子束焊接如图6-29所示。电子枪、工件及夹具全部装在真空室内。当阴极被灯丝加热到2600K时，能发出大量电子。这些电子在阴极与阳极(焊件)间的高压作用下，经电磁透镜聚集成电子流束，以极高速度射向焊件表面，使电子的动能转变为热能，其能量密度比普通电弧大1000倍，故使焊件金属迅速熔化，甚至气化。根据焊件的熔化程度，适当移动焊件即能得到要求的焊接接头。电子束焊具有效率高、成本低、电子束可控性好、适应性强、焊接质量很好、焊厚件不用开坡口等优点。其主要缺点是焊接设备复杂、价格高、使用维护技术要求高、焊件尺寸受真空室限制、对接头装配质量要求严格等。电子束焊已在航空航天、核能、汽车等部门获得广泛应用，如焊接航空发动机喷管、起落架、各种压缩机转子、叶轮组件、反应堆壳体、齿轮组合件等。图6-29 真空电子束焊示意图1-真空室；2-工件；3-电子束；4-偏转线圈；5-聚焦透镜；6-阳极；7-阴极；8-灯丝；9-电子枪三、激光焊接激光焊接的示意图，如图6-30所示。其基本原理是：利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统可聚焦到十分微小的焦点(光斑)上，其能量密度很高。当调焦到焊件接缝时，光能转换为热能使金属熔化形成焊接接头。根据激光器的工作方式，激光焊接可分为脉冲激光点焊和连续激光焊接两种。目前脉冲激光点焊已得到广泛应用。激光焊接具有特点是：(1) 激光辐射的能量释放极其迅速，点焊过程只几毫秒，不仅提高了生产率，而且被焊材料不易氧化。因此可在大气中进行焊接，不需要气体保护或真空环境。(2) 激光焊接的能量密度很高，热量集中，作用时间很短，所以焊接热影响区极小，焊件不变形，特别适用于热敏感材料的焊接。(3) 激光束可用反射镜、偏转棱镜或光导纤维将其在任何方向上弯曲、聚焦或引导到难以接近的部位。(4) 激光可对绝缘材料直接焊接，易焊接异种金属材料。但激光焊接的设备复杂，投资大，功率较小，可焊接的厚度受到一定限制，而且操作与维护的技术要求较高。脉冲激光点焊特别适合焊接微型、精密、排列非常密集和热敏感材料的焊件，已广泛应用于微电子元