焊接工艺-第三章（经典实用）

1、中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.1 3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸焊缝形成过程及焊缝形状尺寸 3.1.1 3.1.1 焊缝形成过程焊缝形成过程 电弧焊时，焊缝的形成一般要经

2、历加热、熔化、电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、 化学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。化学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。 其中，熔化和凝固是两个必不可少的过程。其中，熔化和凝固是两个必不可少的过程。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 图图3-23-2熔池结晶过程示意图熔池结晶过程示意图 联生结晶联生结晶 4 3.1.2 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 HAZ各点经历的热循环不同各点经历的热循环

3、不同组织形态不同组织形态不同性能不同性能不同 5 6 （一）熔合区（一）熔合区 半熔化区域，兼有焊缝组织特征和过热组织特半熔化区域，兼有焊缝组织特征和过热组织特 征。混合区域，组织不均匀，且易形成缺陷，性能征。混合区域，组织不均匀，且易形成缺陷，性能 影响大，薄弱区。影响大，薄弱区。 （二）过热区（二）过热区 温度范围从固相线以下到温度范围从固相线以下到11001100o oC C，过热状态，过热状态 奥氏体严重长大奥氏体严重长大粗大组织，可伴生魏氏组织。粗大组织，可伴生魏氏组织。 应力大时，可形成裂纹应力大时，可形成裂纹 冷速大时，可形成裂纹冷速大时，可形成裂纹 7 （三）相变重结晶区（正火

4、区）（三）相变重结晶区（正火区） A A3 310001000o oC C，正火区，正火处理，正火组织，正火区，正火处理，正火组织， 强韧性比较好。强韧性比较好。 （四）不完全重结晶区（四）不完全重结晶区 A AC1 C1 A AC3 C3范围，加热 范围，加热奥氏体奥氏体+ +残留铁素体，残留铁素体， 冷却冷却奥氏体转变为细小组织，粗大的铁素体保留。奥氏体转变为细小组织，粗大的铁素体保留。 最终为粗大的铁素体和细小的重结晶组织。晶粒最终为粗大的铁素体和细小的重结晶组织。晶粒 大小不均，力学性能也不均匀。大小不均，力学性能也不均匀。 8 淬硬倾向大的钢种，低碳高强度钢淬硬倾向大的钢种，低碳高强

5、度钢(18MnMoNb)、 中碳钢中碳钢(45)、中碳高强度钢、中碳高强度钢(30CrMnSi)等，冷却时可形等，冷却时可形 成成马氏体组织马氏体组织。 1、完全淬火区、完全淬火区 AC3以上温度区间，冷却时产生马氏体转变。以上温度区间，冷却时产生马氏体转变。 熔合区附近，粗大晶粒组织。熔合区附近，粗大晶粒组织。 *易于形成淬火裂纹。易于形成淬火裂纹。 粗大马氏体、细小马氏体、贝氏体（粗大马氏体、细小马氏体、贝氏体（BL、BU），）， 冷却速度决定。混合组织。冷却速度决定。混合组织。 9 2 2、不完全淬火区、不完全淬火区 温度在温度在A AC1 C1 A AC3 C3之间。 之间。 快速加热

6、，铁素体不溶，珠光体、贝氏体、索氏快速加热，铁素体不溶，珠光体、贝氏体、索氏 体等溶入奥氏体。冷却时，奥氏体体等溶入奥氏体。冷却时，奥氏体马氏体，形成铁马氏体，形成铁 素体素体+ +马氏体双相组织。马氏体双相组织。 3 3、回火区、回火区 焊前，母材处理状态。焊前，母材处理状态。 母材：淬火母材：淬火+ +回火（调质），回火（调质），T Tc c高于高于T Tt t，回火；，回火； T Tc c低于低于T Tt t，不变。，不变。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔

7、化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 焊缝的形状一般是指焊焊缝的形状一般是指焊 缝横截面的形状，通常用焊缝横截面的形状，通常用焊 缝缝熔深熔深H H、焊缝、焊缝熔宽熔宽B B和焊缝和焊缝 余高余高h h来描述。来描述。 焊缝焊缝熔深熔深H H是指母材熔化的深是指母材熔化的深 度；度； 焊缝焊缝熔宽熔宽B B是两焊趾之间的距是两焊趾之间的距 离；离； 焊缝余高焊缝余高h h是焊缝横截面上焊是焊缝横截面上焊 趾连线之上的那部分焊缝金趾连线之上的那部分焊缝金 属的最大高度。属的最大高度。 焊缝成形系数焊缝成形系数（B/HB/H） ( (常用的电弧焊方法，一般取常用的电弧焊方法，一般取 1.3-21.3-

8、2） 余高系数余高系数（B/hB/h） 3.1.2 3.1.2 焊缝形状尺寸焊缝形状尺寸 图图3-3 3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸 H H焊缝熔深，焊缝熔深，B B焊缝熔宽，焊缝熔宽，h h焊缝余高，焊缝余高， AhAh填充金属熔化面积，填充金属熔化面积，AMAM母材熔化面积母材熔化面积 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 熔合比熔合比是另一个表征焊缝横截面形状特是另一个表征焊缝横截面形状特

9、 征的重要参数。所谓熔合比征的重要参数。所谓熔合比是指单道焊时，是指单道焊时， 在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝 的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分 的稀释程度，熔合比的稀释程度，熔合比越大，说明母材向焊缝越大，说明母材向焊缝 中熔入的量越大，稀释程度越大。熔合比中熔入的量越大，稀释程度越大。熔合比用用 下式计算：下式计算： = A= AM M/( A/( AM M+ A+ Ah h) ) （3 31 1） A AM M是熔化的母材在焊缝横截面积中所占的面积；是熔化的母材在焊缝横截面积中所占的面积；

10、A Ah h是填充金属在焊缝横截面中所占的面积。是填充金属在焊缝横截面中所占的面积。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.3 3.3 熔池受到的力及其对焊缝成形的影响熔池受到的力及其对焊缝成形的影响 在电弧焊焊接过程中，熔池不仅受到热的作在电弧焊焊接过程中，熔池不仅受到热的作 用，还受到力的作用。在电弧力和其它各种力的用，还受到力的作用。在电弧力和其它各种力的 作用下熔池表面产生凹陷，液体金属被排向熔池作用下熔池表面产生凹陷，液体

11、金属被排向熔池 尾部，使熔池尾部的液面高于焊件表面，从而产尾部，使熔池尾部的液面高于焊件表面，从而产 生焊缝余高。同时，电弧力及其它力还使熔池金生焊缝余高。同时，电弧力及其它力还使熔池金 属产生流动，一方面促使熔池内部的对流换热和属产生流动，一方面促使熔池内部的对流换热和 填充金属与母材金属的混合，从而使焊缝各处的填充金属与母材金属的混合，从而使焊缝各处的 成分比较均匀一致；另一方面也必然影响熔池的成分比较均匀一致；另一方面也必然影响熔池的 形状和焊缝的成形。形状和焊缝的成形。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science &

12、 Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.3.1. 3.3.1. 熔池金属的重力熔池金属的重力 熔池金属的重力的大小正比于熔池金属的体积熔池金属的重力的大小正比于熔池金属的体积 和密度。熔池金属的重力对熔池金属流动的作用和密度。熔池金属的重力对熔池金属流动的作用 与焊缝的空间位置有关。与焊缝的空间位置有关。 水平位置焊接水平位置焊接时，熔池金属的重力有利于熔池的时，熔池金属的重力有利于熔池的 稳定性。稳定性。 空间位置焊接时空间位置焊接时，熔池金属的重力可能破坏熔池，熔池金属的重力可能破坏熔池 的稳定性，使焊缝成形变坏。的稳定性，使焊缝成形变坏。 中

13、国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.3.2. 3.3.2. 表面张力表面张力 表面张力将阻止熔池金属在电弧力或熔池金表面张力将阻止熔池金属在电弧力或熔池金 属重力作用下的流动。表面张力对熔池金属在熔属重力作用下的流动。表面张力对熔池金属在熔 池界面上的接触角池界面上的接触角( (即润湿性即润湿性) )的大小也有直接影的大小也有直接影 响。所以表面张力既影响熔池的轮廓形状，也影响。所以表面张力既影响熔池的轮廓形状，也影 响熔池金属在坡

14、口里的堆敷情况，即熔池表面的响熔池金属在坡口里的堆敷情况，即熔池表面的 形状。形状。 1)1)熔池金属的表面张力的大小取决于液体金属的熔池金属的表面张力的大小取决于液体金属的 成分和温度。大多数液体金属中当含有氧、硫等成分和温度。大多数液体金属中当含有氧、硫等 表面活性元素时，能够明显降低表面张力。液体表面活性元素时，能够明显降低表面张力。液体 金属的表面张力随温度升高而降低。金属的表面张力随温度升高而降低。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化

15、和焊缝成形 2)2)熔池金属由于各处成分和温度的不均匀性，各处熔池金属由于各处成分和温度的不均匀性，各处 表面张力大小也不同，这样形成沿表面方向的表表面张力大小也不同，这样形成沿表面方向的表 面张力梯度面张力梯度dd/ /drdr（表面张力系数表面张力系数, ,r r- -熔池半熔池半 径）径）, ,这种表面张力梯度将促使液体金属流动。这种表面张力梯度将促使液体金属流动。 图图3-9 3-9 熔池金属流动与表面张力熔池金属流动与表面张力 梯度的关系梯度的关系( (dddrdr0) 0) 图图3-10 3-10 熔池金属流动与表面张力熔池金属流动与表面张力 梯度的关系梯度的关系( (dddrdr

16、0)PK BDCSPBACBDCRP HDCSPHACHDCRP 熔化极电弧焊（熔化极电弧焊（MIG、CO2、SAW等）：等）： PAPKBDCSPBACBDCRP HDCSPHACHDCRP 正接熔深大，钨极烧损少，可焊接钢，钛等金属材料；正接熔深大，钨极烧损少，可焊接钢，钛等金属材料； 脉冲直流电源，可调整脉冲参数，控制焊缝成形尺寸；脉冲直流电源，可调整脉冲参数，控制焊缝成形尺寸； 焊接铝，镁及其合金时，利用阴极清理作用，来清理母材表面的氧化膜，采焊接铝，镁及其合金时，利用阴极清理作用，来清理母材表面的氧化膜，采 用交流为好用交流为好 反接熔深大于正接，交流介于二者之间；反接熔深大于正接，

17、交流介于二者之间； 熔化极气体保护焊，反接时熔深大，过程稳定，具有阴极清理作用，被广泛采用。熔化极气体保护焊，反接时熔深大，过程稳定，具有阴极清理作用，被广泛采用。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 2. 2. 焊丝直径和伸出长度的影响焊丝直径和伸出长度的影响 1)1)熔化极气体保护电弧焊，在焊接电流一定的条件下，熔化极气体保护电弧焊，在焊接电流一定的条件下， 焊丝越细，电弧加热越集中，焊丝越细，电弧加热越集中，熔深增加，熔宽减小熔

18、深增加，熔宽减小。 2)熔化极气体保护电弧焊的焊丝伸出长度增加时，焊接熔化极气体保护电弧焊的焊丝伸出长度增加时，焊接 电流流过焊丝伸出部分产生的电阻热增加，使焊丝熔化速电流流过焊丝伸出部分产生的电阻热增加，使焊丝熔化速 度增加，因此焊缝度增加，因此焊缝余高增大，而熔深有所减小余高增大，而熔深有所减小。由于钢焊。由于钢焊 丝的电阻率比较大，在钢质、细焊丝焊接中焊丝伸出长度丝的电阻率比较大，在钢质、细焊丝焊接中焊丝伸出长度 对焊缝成形的影响最为明显。铝焊丝的电阻率比较小，其对焊缝成形的影响最为明显。铝焊丝的电阻率比较小，其 影响不大。影响不大。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与

19、工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.4.3 3.4.3 其它工艺因素对焊缝成形的影响其它工艺因素对焊缝成形的影响 坡口和间隙坡口和间隙 在其它条件一定时，坡口或间隙的尺寸越大，所在其它条件一定时，坡口或间隙的尺寸越大，所 焊出焊出焊缝的余高越小焊缝的余高越小，相当于焊缝位置下沉，此时，相当于焊缝位置下沉，此时 熔合比减小。熔合比减小。 留间隙与不留间隙开坡口相比，两者的散热条件留间隙与不留间隙开坡口相比，两者的散热条件 有些不同，一般来说有些不同，一般来说开坡口的结晶条件较为有利。

20、开坡口的结晶条件较为有利。 图图3-13 3-13 间隙和坡口对焊缝成形的影响间隙和坡口对焊缝成形的影响 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 2. 2. 电极（焊丝）倾角电极（焊丝）倾角 电弧焊时，根据电极倾斜方向与焊接方向的关系，分为电极前倾和电弧焊时，根据电极倾斜方向与焊接方向的关系，分为电极前倾和 电极后倾两种。电极后倾两种。 焊丝前倾时焊丝前倾时，电弧力对熔池金属向后排出的作用减弱，熔池底部的液体，电弧力对熔池金属向后排出的作

21、用减弱，熔池底部的液体 金属层变厚，熔深减小金属层变厚，熔深减小, ,电弧潜入工件的深度减小，电弧斑点移动范围电弧潜入工件的深度减小，电弧斑点移动范围 扩大，熔宽增大，余高减小。前顷角度扩大，熔宽增大，余高减小。前顷角度角越小，这一影响越明显角越小，这一影响越明显. . 焊丝后倾时焊丝后倾时，情况则相反。焊条电弧焊时，多数采用电极后倾法，倾角，情况则相反。焊条电弧焊时，多数采用电极后倾法，倾角 在在65658080之间比较合适。之间比较合适。 图图3-14 3-14 焊丝倾角对焊缝成形的影响焊丝倾角对焊缝成形的影响 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of

22、 Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3. 3. 焊件倾角焊件倾角 焊件倾斜在实际生产中经常碰到，可分为焊件倾斜在实际生产中经常碰到，可分为上坡焊上坡焊和和下坡焊下坡焊. . 上坡焊时上坡焊时: :重力有助于熔池金属排向熔池尾部，因而熔深大，熔宽窄，余高大。重力有助于熔池金属排向熔池尾部，因而熔深大，熔宽窄，余高大。 当上坡角度当上坡角度大于大于6 60 012120 0时，余高过大，且两侧易产生咬边。时，余高过大，且两侧易产生咬边。 下坡焊时下坡焊时: :这种作用阻止熔池金属排向熔池尾部，电弧不能深入加热熔池底

23、这种作用阻止熔池金属排向熔池尾部，电弧不能深入加热熔池底 部的金属，熔深减小，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大，余高减小。倾角部的金属，熔深减小，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大，余高减小。倾角 过大会导致熔深不足和熔池液体金属溢流过大会导致熔深不足和熔池液体金属溢流 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 4. 4. 焊件材质和厚度焊件材质和厚度 1)材料的导热性能越好、容积热容越大，则熔化单材料的导热性能越好、容积热容越大，则熔化单 位体

24、积金属及升高同样的温度所需要的热量就越多，位体积金属及升高同样的温度所需要的热量就越多， 因此在焊接电流等其它条件一定的情况下，熔深和因此在焊接电流等其它条件一定的情况下，熔深和 熔宽就减小。熔宽就减小。 2)材料的密度或液体粘度越大，则电弧对液体熔池材料的密度或液体粘度越大，则电弧对液体熔池 金属的排开越困难，熔深也越浅。金属的排开越困难，熔深也越浅。 3)焊件厚度增加，散热加大，熔宽和熔深都减小。焊件厚度增加，散热加大，熔宽和熔深都减小。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三

25、章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 5. 5. 焊剂、焊条药皮和保护气体焊剂、焊条药皮和保护气体 1)焊剂焊剂: 当焊剂密度小、颗粒度大当焊剂密度小、颗粒度大 或堆积高度小时，电弧四周的或堆积高度小时，电弧四周的 压力低，弧柱膨胀，电弧斑点压力低，弧柱膨胀，电弧斑点 移动范围大，所以熔深较小，移动范围大，所以熔深较小， 熔宽较大，余高小。熔宽较大，余高小。 焊接熔渣应有合适的粘度焊接熔渣应有合适的粘度 和熔化温度，粘度过高或熔化和熔化温度，粘度过高或熔化 温度较高使熔渣透气不良，容温度较高使熔渣透气不良，容 易在焊缝表面形成许多压坑，易在焊缝表面形成许多压坑， 焊缝表面成形变差。焊缝

26、表面成形变差。 26 7 8 43 5 熔 透 深 度 1 焊 接 方向 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 2)电弧焊用电弧焊用保护气体保护气体（如（如ArAr、HeHe、N2N2、CO2CO2）的）的 成分不同，其导热系数等物理性能不同，使电弧成分不同，其导热系数等物理性能不同，使电弧 的极区压降和弧柱的电位梯度、弧柱导电截面、的极区压降和弧柱的电位梯度、弧柱导电截面、 等离子流力、比热流分布等不同，这些都影响焊等离子流力、比热流

27、分布等不同，这些都影响焊 缝的成形（图缝的成形（图3-163-16）。）。 图图3-16 3-16 保护气体的成分对焊缝成形的影响保护气体的成分对焊缝成形的影响 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 总之总之, ,焊缝成形的影响因素很多，要想获得良焊缝成形的影响因素很多，要想获得良 好的焊缝成形，需要根据焊件的材质和厚度、焊好的焊缝成形，需要根据焊件的材质和厚度、焊 缝的空间位置、接头形式、工作条件对接头性能缝的空间位置、接头形式、工作

28、条件对接头性能 和焊缝尺寸的要求等选择合适的焊接方法和焊接和焊缝尺寸的要求等选择合适的焊接方法和焊接 条件进行焊接。否则焊缝成形及其性能就可能达条件进行焊接。否则焊缝成形及其性能就可能达 不到要求，甚至出现这样那样的焊接缺陷。不到要求，甚至出现这样那样的焊接缺陷。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.5 3.5 焊缝成形缺陷及其防止焊缝成形缺陷及其防止 电弧焊的焊缝成形缺陷也有多种，由于电弧焊焊接电弧焊的焊缝成形缺陷也有多种，由于

29、电弧焊焊接 参数及焊接工艺过程等原因导致的焊缝成形缺陷参数及焊接工艺过程等原因导致的焊缝成形缺陷 主要有主要有未熔合未熔合和和未焊透、烧穿、咬边、焊瘤、气未焊透、烧穿、咬边、焊瘤、气 孔、夹杂孔、夹杂等。在此主要讨论焊缝成形缺陷。等。在此主要讨论焊缝成形缺陷。 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.5.1. 3.5.1. 未熔合和未焊透未熔合和未焊透 电弧焊单面焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象电弧焊单面焊接时，焊接接头根部未完全

30、熔透的现象 称作称作未焊透未焊透。单层焊、多层焊或双面焊时，焊道与母材之。单层焊、多层焊或双面焊时，焊道与母材之 间、焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分称作间、焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分称作未熔合未熔合。 正反面焊道虽然在中部熔合到一起，但相互熔合搭接量少，正反面焊道虽然在中部熔合到一起，但相互熔合搭接量少， 焊缝强度仍然受到影响，称作焊缝强度仍然受到影响，称作熔合不良熔合不良。 图图3-17 3-17 未焊透和未熔合未焊透和未熔合 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering 第三章第三章 母材的熔化和焊缝成形母材的熔化和焊缝成形 3.5.2. 3.5.2. 焊穿和塌陷焊穿和塌陷 焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的现象叫焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的现象叫焊穿焊穿。 焊接时熔化的金属从背面凸出，使焊缝正面下凹，这种现象称为焊接时熔化的金属从背面凸出，使焊缝正面下凹，这种现象称为塌陷塌陷。 图图3-18 3-18 焊穿和塌陷焊穿和塌陷 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工