材料工程基础：4-1 材料的焊接

1、第4章 材料的连接什么是连 接？指将两个或两个以上同质或异质的零件通过连接形成具有确定功能的部件，不同功能的部件通过连接构成各种工业产品的过程。 连接涉足领域连接成为材料加工制成产品过程中的重要手段。 小到计算机芯片；大到汽车、飞机、火箭、航天器等连接方法有 4.1 材料的焊接 焊 接指通过适当的物理化学过程（加热、加压或两者并用）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。 焊接技术主要是金属连接 被焊接的物体叫焊件，包括：4.1.1 焊接方法的分类4.1.2 焊接材料4.1.3 焊接设备4.1.4 焊接工艺411 焊接方法的分类 根据焊件（母材）是否熔化可将现今的焊

2、接方法分为三大类：熔化焊压 焊 钎 焊1熔 焊 什么是熔焊 ？ 利用电能、化学能或其它形式的能量等热源，将待焊处母材局部加热至熔化，在不加压下，冷却结晶后熔为一体形成焊缝的方法。属于液相焊接。根据熔化使用的能量，熔化焊接方法可分为： 可燃性气体与氧气燃烧产生化学能作热源空气放电形成电弧，将电能热能，中心温度可达5000K（2）焊条电弧焊（1）气 焊1）手工电弧焊2）埋弧焊3）气体保护焊焊剂焊剂管道送丝机构导电块焊件地线焊丝焊道焊剂挡板渣壳坡口焊接方向（3）埋弧焊原理示意图埋弧焊生产率高，节省焊接材料。 焊接质量好。 劳动条件好。 不适用于立焊、横焊、仰焊和不规则形状焊缝。另外，焊前的准备工作量

3、较大，对焊件坡口加工、接缝装配均匀性等要求较高。 不适于焊接3mm以下厚度的薄板。 难以焊接Al、Ti等氧化性极强金属及合金。设备费用一次性投资较大。 埋弧焊特点及其应用（3）气体保护焊（Gas Shielded Arc Welding） 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊优点：电弧、熔池可见性好 无需焊后清理缺点：防风措施 1） 惰性气体保护焊 保护气体和电极材料在惰性气体中燃烧的电弧热量损失较少。Ar：成本低，电弧燃烧非常稳定，熔滴很容易呈稳定的轴向射流过渡，飞溅极小。He：电弧燃烧温度高，焊速较快，但飞溅大，成本高。 钨极氩弧焊（TIG焊 ）钍钨极或铈钨极电极不熔化焊接电流

4、不能太大，易焊薄板熔化极氩弧焊 （MIG焊）焊丝做电极电流大，母材熔深大，生产率高，易焊中厚板电源种类和极性工件为负极，利用“阴极破碎”作用消除氧化膜 钨极氩弧焊 ，除铝合金、镁合金以外其它金属焊接以直流正接为好，交流电源次之 2）CO2焊Carbon-Dioxide Arc Welding 焊接过程 原理、设备、焊接材料特点及应用为了稳定电弧，减少飞溅，CO2焊采用直流反接 （3）电渣焊：特点：1）大厚件2）成本低，生产率高3）大型设备制造中应用利用熔融渣产生的电阻热熔化金属进行焊接的工艺。（4）等离子弧焊： 将高温、高电离度、高能量密度的离子弧作热源。弧柱温度高达上万度，能量更集中，效率更

5、高，适用于终焊；（5）电子束焊 利用加速聚焦的电子束轰击焊接缝产生的热量，适用于终焊。（6）激光焊 利用聚焦的激光轰击焊接缝，动能热能产生的热量，适用于终焊。首选投资少，可任意选择焊位置的手工或自动、半自动电弧焊，对于铝、钛、镁或要求焊缝接头质量高的要采用气体保护焊，电阻焊仅限于装配线上应用。焊接方法的选择2压 焊 焊接过程需对焊件加压（加热或不加热）以完成焊接的方法。加压使焊件接头处发生塑变，两界面接近至原子间可作用到的距离，达到原子间接合，形成两焊件连成一体的接头。加热为了焊件接头更易产生塑变。特适于异种材料的连接材料连接压焊分类 用途（1）热压焊电阻焊：电阻热作为热源（2）冷压焊钎料决定

6、了钎焊焊缝化学成分。根据钎料熔点不同有：3. 钎 焊 将熔点低于母材的金属钎料，在介于钎料熔点与母材熔点的温度下熔融后，润湿母材，填充接头缝隙，并与母材相互扩散实现连接。属于液固相焊接。硬钎焊450硬钎料软钎焊450软钎料钎料、钎剂、焊件常用于异种材料的连接。 用途分类常用的钎焊方法，按加热方式不同分类 常用焊接方法的特点及适用范围 412 焊接材料 焊接材料焊接过程中消耗材料的总称。焊条焊丝焊剂电极气体等其中焊条、焊丝对焊缝化学成分、组织性能起着重要影响1焊 条 药皮的作用： a) 保护熔滴，熔池，防止空气中氮的侵入b) 冶金处理，脱O、S、P、去H等c) 调整合金系统d) 改善焊接工艺性能

7、 ，包括稳弧、成形、脱渣1) 焊条分类： a) 结构钢焊条b) 不锈钢焊条c) 耐热钢焊条d) 低温钢焊条e) 铜及铜合金焊条f) 镍及镍合金焊条g) 铸铁焊条h) 堆焊焊条i) 铝及铝合金焊条按药皮造渣性质分：碱性焊条、酸性焊条。 焊条型号是国家标准中规定的焊条代号。标准规定，焊条型号由字母“E”和四位数字组成焊条型号焊条牌号是焊条生产行业统一的焊条代号。焊条牌号前的字母表示焊条类别，“”代表数字，前二位数字代表焊缝金属抗拉强度，末尾数字表示焊条的药皮类型和焊接电流种类 如J422、J507等.焊条牌号2）选择焊条的原则： 等强度原则，焊条与母材金属的抗拉强度属同一等级。 结构的重要性。重要

8、结构（受力焊缝）、室外运行结构选用力性优的碱性焊条，室内结构选用酸性焊条。 施工条件。室外使用设备选用碱性焊条，室内使用设备选用工艺性优的酸性焊条。 2实心焊丝 主要用于各种自动、半自动电弧焊方法（CO2气体保护，埋弧焊）。1）组成：低碳及合金钢 2）作用：单独采用气体保护或渣保护 3）分类：H08，H10，H12，H13，H14系列 4）注意事项： 为保证焊缝金属化学成分与性能，应注意：保护介质（埋弧焊剂）、母材、焊丝三者合理匹配。3药芯焊丝 低碳钢带外皮、芯部药粉，轧制、拔制而成。为新一代焊接材料1）优点： 适于各种自动、半自动焊接方法。 高效、节能、环保、综合成本低。 焊接工艺性能优，焊

9、缝成分易调整适于强度级别高钢种。2）分类：有两种：用外加保护介质的药芯焊丝、不用外加介质的自保护药芯焊丝据所用保护介质可分为：CO2、氩气、混合气保护与埋弧焊用药芯焊丝。3）注意事项：焊丝，保护介质，被焊母材，施工条件间匹配问题。413 焊接设备 1）焊接设备？ 焊接设备包括焊机和装夹移动工件的辅助装置。焊接设备的种类很多，不同焊接方法使用不同的设备。2）电弧焊 电弧焊是非常广泛的焊接方法，弧焊电源是电弧焊的关键设备。电弧为焊接过程提供能量。 焊接电弧的产生电弧是一种放电行为，它本身是一个负载。 焊接电弧的一般特性： 一般气体放电的伏安特性见图87图。焊接电弧是一种强烈的、持久的气体放电现象。

10、 焊接电弧的引燃： 接触引弧：接触电阻热，熔化金属蒸发与空气产生空隙时，高温的作用，使阴极发射电子，高速向阳极运动，使蒸气和空气电离，电弧引燃。当维持一定 V 时放电过程连续进行，使电弧连续燃烧。非接触引弧：高频或高压脉冲引弧装置，使阳极产生强场发射，发射的电子与气体撞击，使其离解导电。稳定的钢焊条焊接电弧形态。 正接（上图）：焊厚件反接（工件负极）：焊薄件焊接电弧的结构阴极区Negative Polarity Zone：电子供应区。电弧热的36% 阳极区Anode Region：受电子轰击区域。电弧热的43% 弧柱区Arc Colume：电弧热的21%左右。 当电弧稳定燃烧时，电弧两端V和通

11、过电弧的I之间表现出一定的关系。U = f（I）,这种U与I间的关系叫电弧的静特性；用静特性曲线表示，如图所示 静特性：下降特性（）平特性（）上翘特性（） 电弧的静特性 静特性曲线受很多因素影响，焊接电弧是一个动态负载，在焊接过程中要保证电弧的稳定燃烧，要求其电流和电压随负载迅速改变。 相应焊接电源有三种外特性类型设计 弧焊电源具有下列特性： 具有一定的空载电压 80-100V具有一定的外特性。即稳定状态下电流输出电流电压关系。具有适当的短路电流方便调节焊接规范参数（焊接电流，电压）具有良好的动态品质。 常见弧焊类焊例： 手工电弧焊CO2气体保护焊埋弧焊CO2价廉易得，焊接成本低，生产率高Ar

12、弧具有较好电弧稳定性，同时具有“阴极雾化”作用，焊接易氧化的有色金属特别有利。焊条电弧焊电弧(Electric Arc)燃烧，加热熔化母材（Base Metal）和焊条（Covered Electrod）熔滴(Droplet)的产生和过渡熔池(Fused Bath)的形成、停留和结晶药皮(Coating)燃烧、熔化，成为熔渣(Slag)，保护熔池。熔池和熔渣凝固，形成焊缝和渣壳。 熔滴的形成手工电弧焊埋弧焊接手工点焊414 焊接工艺 焊接工艺包括焊前准备、材料选用、焊接方法、焊接参数选定、操作要求等制定焊接工艺时应考虑以下几个方面： 1材料的焊接性 2. 焊接方法，规范参数的选择 3. 焊接质

13、量控制 4焊接安全生产焊接性的影响因素： 材料 （化学成分、组织状态等）内因焊接方法外因构件类型外因使用要求外因研究材料的焊接性就是研究焊接接头质量。焊接接头的示意图 1材料的焊接性 材料焊接性是指材料对焊接加工的适应性，在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。 其中，热影响区或熔合区晶粒粗大是最薄弱环节。解决此问题主要是解决材料的焊接性问题，主要通过材料的设计，化学成分，冶炼、轧制过程中对组织状态加以控制来解决。 碳钢 C0.25% 焊接性良好 C=0.25-0.6% 稍差 C0.6% 焊接性较差 低合金钢 Ce0.4% 焊接性好 Ce=0.4-0.6% 稍差 Ce0.6% 较差Ce = W(C)+W(MN)/6 + W(Cr)+W(MO)+W(V)/5 + W(Ni)+w(Cu)/152. 焊接方法，规范参数的选择 1）设备 设备不同，设备投入，维修费用不同。 2）焊接规范参数的确定 接头形式。见图89对接接头坡口形状见图810 3. 焊接质量控制 1）焊接接头常出现的焊接缺陷 裂纹气孔夹杂未熔合、未焊透形状缺陷：咬边、焊瘤