第3篇 金属的连接

1、第3章金属的连接成形13-1 焊接成形的原理及特点 21.成形原理利用加热或加压力等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的材料永久性连接在一起的方法。2.焊接方法分类通常可根据焊接接头的形成特点不同，分为熔化焊、压力焊、钎焊：3(1)熔化焊焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，用填充金属、不加压力完成焊接的方法。熔化焊适合于各种金属和合金的焊接加工。常见的熔化焊方法：电弧焊：包括焊条电弧焊（手弧焊）、埋弧焊、气体保护焊（氩弧焊、CO2焊）；气焊，属于化学热焊；电渣焊；高能束焊：包括激光焊、电子束焊、等离子焊；4(2)压力焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），而且不用填充金属以

2、完成焊接的方法。压力焊适合于各种金属材料和部分非金属材料的焊接加工。常见的压力焊方法：电阻焊：点焊、缝焊、对焊；摩擦焊；冷压焊；扩散焊；爆炸焊；超声波焊；感应焊：高频焊、工频焊。5(3)钎焊采用比母材熔点低的材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，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。钎焊过程中通过钎料的熔化与凝固形成一过渡连接层，故钎焊不仅适合于同种材料的焊接加工，也适合于异种金属或异类材料的焊接加工。常见的钎焊方法：软钎焊、硬钎焊63.焊接成形的主要特点(1)节省材料，减轻重量(2)简化复杂零件和大型零件的制造(3)适应性好(4)满足

3、特殊的连接要求(5)降低劳动强度，改善劳动条件，提高生产率。（与铆接比）(6)焊接加工在应用中仍存在某些不足，如焊接接头的组织不均匀性、焊接热过程造成的结构应力与变形以及各种裂纹问题等。74.焊接的应用 焊接在工业生产中主要应用于：(1)制造金属结构件(2)制造机器零件和工具(3)修复机件(4)电气线路连接、电器仪表元件的固定等。83-2 熔化焊工艺基础9一.焊接电弧焊接电弧是在电极与焊件之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。焊接电弧是电弧焊的热源。101.焊接电弧的组成(1)用直流电焊机焊接11用直流电焊机焊接时要注意电源的连接：正接法反接法(2)用交流弧焊机焊接由于电流正负极是交替变

4、化的，因此两个极区的温度和热量分布基本相等。两极温度约为2500 K，无正接和反接的区别。122.电弧静特性在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时焊接电流与电弧电压变化的关系，称为电弧静特性。电弧静特性曲线分为下降段和平直段 13二.焊接冶金过程1.焊接冶金过程的特点金属熔池体积很小（约23cm3），周围又是冷金属，故熔池处于液态的时间很短，各种冶金反应进行得不充分；熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发。同时，熔池周围又被冷的金属包围，常使焊件产生应力和变形，甚至开裂；冶炼条件差，有害气体容易进入熔池，形成脆性的氧化物、氮化物和气孔，使焊缝金属的塑性、韧性显著下降。14焊接过

5、程中，空气中的氧气、氮气和水蒸气在电弧高温作用下发生分解，形成氧原子、氮原子和氢原子，并在熔池中发生有害的冶金反应：氧的作用氮和氢的作用152.保证焊缝质量的措施（1）减少有害元素进入熔池（2）清除进入熔池中的有害元素16三.电焊条 1.焊条的组成及其作用（1）焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯。（2）药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层。17 2.焊条的种类及选用（1）焊条的种类 焊条按其药皮性质分为：酸性焊条碱性焊条18（2）焊条的选用选择焊条时应考虑下列原则： 根据焊件金属的材料类别选择相应的焊条种类。结构钢焊条的力学性能应满足“焊缝与焊件等强度”的要求。 焊接结构在较差的条件下工作（如承受冲击载

6、荷、高温、高压）时，则应选用碱性焊条（抗裂性及强度好）；若焊件工作条件较好、母材质量较高，则应选用较经济的酸性焊条。 对几何形状复杂、厚度大、焊接时易产生较大应力和裂纹的焊件，应选用抗裂性好的碱性焊条。焊条工艺性能要满足施焊操作需要。如在非水平位置施焊时，应选用适于各种位置焊接的焊条。19 四.焊接接头组织与性能1.焊接接头的分区及各区的组织与性能 按组织与性能的不同分为焊缝、熔合区和热影响区三部分（1）焊缝焊缝组织是由熔池金属结晶得到的铸态组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶。（2）熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域，称为熔合区（或半熔化区）。（3）热影响区焊接过程中，材料因受热的影响

7、（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域，称为热影响区。2021低碳钢的焊接热影响区分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。过热区:此区的温度范围为:固相线1100之间（11001500）。正火区此区的温度范围为:Ac31100之间（9001100），相当于受到了正火热处理。 部分相变区此区的温度范围在: Ac3 Ac1之间:（700900），只有部分组织发生转变。 再结晶区此区温度范围在（450700）之间。 222.改善焊接接头组织和性能的措施(1)正确选用焊接方法、合理制定焊接工艺来减小焊接热影响区。(2)对热影响区较大的情况，焊后可进行正火热处理，以细化晶粒、均匀组织。 (3)

8、对易淬硬材料，可在焊前预热工件，以减缓焊件上的温差及冷却速度。233-3 焊接应力和变形24焊接应力是焊接过程中焊件内产生的应力。其危害是：降低焊件的承载能力；引起焊件的变形或开裂。 焊接变形是焊接过程中焊件产生的变形,它可引起焊件结构形状和尺寸的改变。251.焊接应力与变形产生的原因焊接过程中，对焊件局部进行不均匀的高温加热，是产生焊接应力的根本原因。26模拟焊缝示意图焊接应力的分布规律为：焊缝及其附近区域(焊接时处于高温状态)纵向为拉应力，远离焊缝区域(焊接时处于低温状态)为压应力。27如在可自由收缩条件下，对接焊缝的焊接应力分布情况为：282.焊接变形的基本形式293.减小焊接应力的工艺

9、措施(1)焊缝不要密集交叉，长度也要尽可能短，以减小局部高温。(2)采取合理的焊接顺序，使焊缝能够实现自由收缩。 30(3)焊前预热和焊后缓冷。 (4)在高温时锤击焊缝使其产生伸长塑性变形，也能减小焊接应力。(5)焊后热处理。314.减小焊接变形的工艺措施 (1)焊缝的布置和坡口形式应尽量对称于结构中性轴 32(2)合理安排焊接顺序。33(3)反变形法 焊前将工件预先反方向变形，抵消焊接变形。 34(4)刚性固定法利用焊前装配使工件的相对位置固定，用夹具强制性约束焊接变形 。35(5)焊后矫正处理使焊件产生新的变形，抵消焊接变形。常用的矫正方法有： 机械矫正法火焰加热矫正法36机械矫正法 火焰

10、加热矫正法373-4 常用焊接方法38一.埋弧自动焊埋弧焊也称熔剂层下焊，它因焊接时电弧在熔剂（焊剂）层下燃烧、外面看不见弧光而得名。39 图11-1 埋弧自动焊装置示意图1焊丝盘 2操纵盘 3车架 4立柱 5横梁 6焊剂漏斗 7送丝电动机8送丝滚轮 9小车电动机 10机头 11导电嘴 12焊剂 13渣壳 14焊缝 15焊接电缆 16导轨 40埋弧自动焊焊接过程示意图1.焊接过程412.生产特点及应用 生产特点与焊条电弧焊相比，埋弧焊有如下优点：生产率高节省金属材料焊接质量好劳动条件好对焊工技术要求低42埋弧焊的缺点：适应性差，主要表现在：设备费用高，准备工作费时，所以只适用于批量生产长焊缝焊

11、件。不能焊接薄工件，以免烧穿。适宜的厚度为660。只能进行平焊，且焊缝不能任意弯曲，但可焊较大直径的环形焊缝。43 应用范围成批生产中长直焊缝及较大直径（500）的环缝的平焊，主要用于大型容器和钢结构的焊接。44二.气体保护焊气体保护焊的全称是气体保护电弧焊。它是指用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。1.氩弧焊用氩气作为保护气体的气体保护焊。焊接时，在熔池的周围有氩气保护，把熔池与外界空气隔离。氩弧焊可分为熔化极氩弧焊和不熔化极氩弧焊两种:45 熔化极氩弧焊(a) 不熔化极（钨极）氩弧焊(b)46 生产特点及应用氩气是惰性气体，在高温下既不溶于液态金属，又不与金属反应，对熔池有着

12、很好的保护作用，特别适宜于焊接容易氧化和吸氢的合金钢及有色金属。电弧在气流的压缩下燃烧，电弧直径小、能量集中，因此焊接速度较快，焊接热影响区较小，变形也小。可在各种空间位置进行焊接，而且可以看见电弧，便于操作。 没有熔渣，焊缝中一般不会产生夹渣。这对于轻金属（如铝、镁合金）的焊接十分有利。 在氩气的笼罩下，电弧稳定，金属很少飞溅，焊缝成形良好。氩弧焊的不足之处是氩气成本较高、设备复杂。此外，氩气没有脱氧、除氢作用，焊前清理要求严格。472.CO2气体保护焊以CO2作为保护气体的气体保护焊。CO2气体保护焊不适用于焊接易氧化的有色金属。焊接钢材时，必须应用Mn、Si等元素含量较高的焊丝。 由于C

13、O2价格低廉，焊接成本低，因此广泛应用于焊接厚度在30 mm以下的各种低碳钢和低合金结构钢焊件。48三.电渣焊1.焊接过程利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热进行焊接的方法 （1）起弧造渣阶段（2）焊接阶段（3）收尾阶段49丝极电渣焊装置示意图 502.生产特点任何厚度的工件都可一次焊成，如用三丝摆动可焊厚的工件。用于焊接厚工件时，效率高，成本低。 熔池保护严密，且保持液态的时间较长，因此冶金过程进行完善，气体和渣滓能充分浮出，不易产生气孔、夹渣等缺陷，焊缝质量好。加热时间较长，冷却速度较慢，因此焊接应力较小，适宜于焊接塑性较低的中碳钢和合金结构钢工件。电渣焊不适宜于焊接厚度在40mm以下的工

14、件，焊缝也不宜太长。51四.压力焊压力焊在是焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。焊接时无填充金属。压力焊包括电阻焊、摩擦焊、冷压焊和扩散焊等。52（一）电阻焊 电阻焊是利用电流通过工件接触处所产生的电阻热进行焊接的方法。因焊接时需加适当的压力，故属于压力焊。其主要应用于大批量生产棒料的对接和薄板的搭接。 53 电阻焊的特点： 电阻焊的主要优点是生产率高、焊接变形小、不用填充金属和焊剂、劳动条件较好、操作简便且便于实现机械化和自动化生产。其缺点是设备费用高、耗电量大、接头型式和工件厚度受到限制。其主要应用于大批量生产棒料的对接和薄板的搭接。对导电和导热性能高的材料（

15、如纯铜、纯铝）则焊接困难。541.点焊(a) 2.缝焊( b)3.对焊 (c)55（二）摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的摩擦热，使端面达到热塑性状态，然后迅速预锻，完成焊接的一种压焊方法。561.焊接过程572.生产特点焊接质量好而稳定。在摩擦过程中两端面的氧化膜和杂质被清除，接头组织致密，不易产生气孔、夹渣等缺陷。可用于异种金属的对接。如紫铜-不锈钢、铜-铝、中碳钢-高速钢的焊接。操作简单，不用加焊接材料，易实现自动化、机械化生产，生产率高。设备简单，电能消耗少约为闪光对焊的110115。受旋转加热方式的限制，对不规则断面、大型管状零件焊接困难，最适宜的焊接截面是圆形或管形，或至少有一个

16、截面是圆形。焊件直径2100 mm。58（三）冷压焊冷压焊是在常温下不加热只加压力使金属产生较大塑性变形，使两焊件的原子接近到形成金属键的程度，从而形成焊接接头的方法。受压力的限制，冷压焊只能焊接常温下具有高塑性的同种或异种金属，如铝、铅、铜、银、镍等。59（四）扩散焊扩散焊是在一定温度、一定压力下，经过焊接区金属原子充分地相互扩散以及微观塑性变形，或者在界面产生微量液相而实现结合的焊接方法。扩散焊的突出优点是：焊接接头的显微组织与母材接近或相同，不存在过热组织的热影响区。焊接变形小，同种材料焊接无内应力。可焊接的材料十分广泛，能焊接其它方法难以焊接的材料，如金属与陶瓷、金属与玻璃、金属与石墨

17、等。60五.钎焊钎焊是利用熔点低于母材的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散而实现焊接的方法。钎焊与其它焊接方法的根本区别在于：焊接过程中工件不熔化，而是依靠钎料熔化并填充接头间隙来完成连接。611.分类按钎料熔点的高低分为软钎焊和硬钎焊两大类：软钎焊钎料的熔点在450以下，常用钎料为铅锡合金，故称锡焊。其焊接强度较低（低于70MPa），主要用于电子线路的连接及电子元器件的固定。硬钎焊钎料的熔点在450以上，常用钎料为铜基、银基、铝基及镍基合金。其焊接强度较高（200MPa在以上），主要用于受力较大的钢铁和铜合金

18、构件以及刀具的焊接，如焊接硬质合金车刀是用铜基钎料把硬质合金刀片与45钢刀杆焊接在一起的。622.钎剂钎焊过程中一般要使用钎剂。钎剂的作用是：去除氧化膜和油污等杂质；改善钎料的润湿性和毛细流动性；保护钎料及焊件不被氧化。软钎焊常用钎剂主要由松香、氯化锌、磷酸等组成。硬钎焊常用钎剂主要由硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等组成。 633.加热方法有烙铁加热、火焰加热（酒精喷灯、煤气喷枪、氧-乙炔火焰）、炉中加热电阻加热、感应加热、浸沾加热等。4.生产特点工件温升较低，结晶组织和机械性能变化小，焊接应力和变形小，容易保证焊件形状及尺寸精度。焊接范围广，可焊性能差别悬殊的异种金属及金属与非金属。设备简单。焊

19、接强度较低。643-3 常用金属材料的焊接65一.金属的焊接性所谓焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。它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。焊接性的确定主要包括两方面的内容：工艺焊接性使用焊接性 主要评定指标是焊接过程中开裂的倾向大小。66焊接性的评定方法1.试验法将被焊金属材料作成一定形状和尺寸的试样，在规定工艺条件下施焊，然后鉴定产生缺陷倾向的程度，或者鉴定焊接接头是否满足使用性能的要求。2.估算法影响焊接性的主要因素是化学成分，依据材料的化学成分来评定焊接性的方法称为估算法。 碳当量法67 焊接性优良，焊接时一般不需预热； 焊接性中等，焊接时需适当预热，焊后要缓冷；

20、 焊接性较差，焊接时需预热到较高温度，并要采取严格的工艺措施，焊后还要热处理。 68冷裂纹敏感系数法 (补充)冷裂纹敏感系数: 式中 H-扩散氢含量,cm3 /100g；h-板料厚度。Pc值越小，焊接性越好。另外，还给出了防止裂纹所需的最低预热温度：按此温度预热后进行焊接，比较安全。 冷裂纹敏感系数法考虑了板厚（即刚性约束）及氢含量对焊接性的影响，结果更为准确。69二.碳素结构钢及低合金结构钢的焊接1.低碳钢的焊接 焊接性: ,焊接性优良 工艺措施:焊前不需预热，焊后不需热处理 适宜的焊接方法低碳钢可采用各种焊接方法，最常用的是手弧焊、埋弧焊、 CO2气体保护焊和电阻焊。702.中碳钢的焊接

21、焊接性: ，焊接性中等工艺措施:焊接时，焊前应预热到100200，焊后应缓慢冷却（避免产生马氏体组织），并进行热处理。另外，还应选用低氢、低碳焊条。适宜的焊接方法常用的是手弧焊，厚件可用电渣焊。 713.高碳钢的焊接焊接性 ，焊接性差 工艺措施：焊前预热温度250300 ，焊后要缓冷并安排去应力退火处理。另外，还应选用低氢、低碳焊条。适宜的焊接方法常用的是手弧焊、气焊。724.低合金结构钢的焊接低合金结构钢：低C 0.2% + 低合金 3%，分低强度和高强度两类：73（1）低强度低合金结构钢的焊接焊接性 ，（如16Mn）,在常温下焊接性优良，可与低碳钢同样对待。工艺措施当板厚大于30mm以及环

22、境温度较低时，应预热至100150， 焊后要热处理。 应选用低氢焊条，埋弧焊时应选用高碱度的焊剂。适宜的焊接方法常用方法的是手弧焊、埋弧焊、 CO2气体保护焊。74（2）高强度低合金结构钢的焊接焊接性 ，（如14MnMoV）, 焊接性中等。工艺措施焊前预热温度，焊后要热处理。应选用低氢焊条，埋弧焊时应选用高碱度的焊剂。焊前还应对焊件和焊接材料烘干。适宜的焊接方法常用方法的是手弧焊、埋弧焊、 CO2气体保护焊。75三.不锈钢及高合金耐热钢的焊接1.马氏体不锈钢的焊接 如Cr13工艺措施:马氏体不锈钢焊接性很差，易出现冷裂纹和淬硬脆化。因此焊前要预热，预热温度200400， （根据板厚和刚性）；焊

23、后要及时高温回火。适宜的焊接方法：手弧焊（用铬不锈钢焊条）、氩弧焊（最佳）、埋弧焊。762.铁素体不锈钢的焊接工艺措施:焊接时过热区晶粒长大严重，易引起脆化和开裂。因此焊前应预热，预热温度100150， ；采用小电流、快速焊减少高温停留的时间，以减小晶粒长大倾向。适宜的焊接方法：手弧焊、钨极氩弧焊（电流小）。773.奥氏体不锈钢的焊接 应用最广，以1Cr18Ni9Ti为代表，焊接性良好。工艺措施:焊接时的主要问题是热裂纹和晶间腐蚀。为防止热裂纹，应控制焊缝组织为奥氏体和4%12%铁素体的双相组织，降低S、P、C、Cu含量，增加Mn、Mo含量。为防止晶间腐蚀，应采用热量集中的焊接方法，焊后可进行

24、固熔热处理或稳定化热处理。适宜的焊接方法：手弧焊、氩弧焊、等离子束焊、电子束焊、电阻焊。78四.铸铁的焊补焊接方法常用手工电弧焊或气焊，使用专用的铸铁焊条或钢芯石墨化焊条。分热焊法、冷焊法两种：热焊法将铸件整体或局部缓慢预热到600700,焊接中保持400以上，焊后缓慢冷却。 用于焊补形状复杂、焊后需进行机械加工的重要铸件。冷焊法焊前不对铸件预热或预热温度低于400 ，通过焊条调整焊缝化学成分，防止白口组织和裂纹。 主要用于焊补非加工面。79五.有色金属的焊接1.铜及铜合金的焊接（1）焊接特点 焊接性很差,主要表现在:易氧化易产生变形和裂纹难熔合易产生气孔铜的电阻极小，不宜用电阻焊。（2）焊接

25、方法可用氩弧焊、气焊和钎焊等方法进行焊接。802.铝及铝合金的焊接（1）焊接特点 焊接性差,主要表现在:易氧化易产生气孔易产生变形和裂纹 导热性高，热影响区加大易产生塌陷和烧穿（2）焊接方法常用氩弧焊、点焊、缝焊和钎焊等方法进行焊接。813.钛及其合金的焊接钛及其合金的焊接很困难，目前，主要的焊接方法是钨极氩弧焊、等离子焊、真空电子束焊等。82补充题：什么是碳当量？怎样用碳当量评定钢的可焊性？833-4 焊接工艺设计84焊接工艺设计的主要内容：选择焊接结构材料；确定焊接方法；确定焊接接头及坡口型式；布置焊缝（形式及位置）。851.焊接结构材料的选择 （1）在满足使用性能要求的前提下，尽量选用焊

26、接性能良好的材料制造焊接结构件。（2）尽量选用相同牌号的材料进行焊接。862.焊接方法的选择取决于材质、厚度、结构复杂程度、焊缝形式、焊缝位置及生产率等多方面。3.焊接接头及坡口型式焊接接头的设计应根据结构形状及强度要求、工件厚度、焊接性、焊后变形大小、焊条消耗量、坡口加工难易程度等因素综合考虑。常用的接头型式有对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头. 87 对接接头坡口形式88 T形接头坡口形式89角接接头坡口形式90 搭接接头 91不同厚度材料焊接接头的过渡形式924.焊缝的布置（1）焊缝布置应便于焊接操作，要有足够的操作空间。93如手弧焊焊缝设置：94埋弧焊焊接接头设置-考虑焊剂的存放：95点焊和缝焊焊缝设置-考虑电极伸入方便：96（2