金属工艺学第十一章

本次课的内容前言焊接工程理论基础主要包括：焊接电弧、焊接冶金特点、焊条、焊接质量及其控制。1、何为焊接？焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件通过原子的扩散与结合而形成永久性连接的工艺方法。根据实现原子间结合的方式不同分类：1）熔焊：将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。2）压力焊（压焊）：焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完成焊接的方法称为压焊。3）钎焊：钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称，采用比母材金属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、低于母材溶化温度，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。一、前言2.焊接的特点1）优点连接性能好，成形方便，简化工艺；省工省料成本低；适应性强。2）缺点结构不可拆卸；焊接接头的组织、性能变坏；产生残余应力和变形；易产生焊接缺陷。3.焊接的应用金属结构件：自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆等；机器部件：轴、齿轮、刀具等。二、焊接工程理论基础(熔化焊）焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。

1.焊接电弧由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。电弧燃烧后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热能和强烈的光。2.焊接电弧的组成焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。如下图所示。阴极区是电弧紧靠负电极的区域，阴极区很窄，约为0.1um-0.01um，温度约为2400K。阳极区是指电弧紧靠正电极的区域，阳极区较阴极区宽，约为10um-1um，温度约为2600K。电弧阳极区和阴极区之间的部分称为弧柱区，弧柱区温度最高，可达6000K-8000K。焊接电弧两端间（指电极端头和熔池表面间）的最短距离称为弧长。焊接电弧示意图3.直流电弧的正接和反接4..焊接电弧的静特性是指电弧稳定燃烧时，电弧电压（电弧两端的电位差）与焊接电流（通过电弧的电流）之间的关系。电弧静特性曲线

1-普通电阻特性；2-弧长为5mm的电弧静特性；3-弧长为2mm的电弧静特性。5.焊接的冶金特点

焊接冶金特点，主要有：(1)冶金温度高；(2)冶金过程短；(3)冶金条件差。为保证焊缝质量必须采取的工艺措施：(1)造成有效的保护防止有害元素进入熔池；(2)渗合金元素以保证焊缝化学成分；(3)脱氧脱硫和脱磷等。6.电焊条的组成及作用

焊条的组成:专用焊接金属丝由多种矿石粉铁合金配成焊条的作用：焊芯的作用：作电极传导电流，产生电弧作填充金属（调整成分）。药皮的作用：稳弧、保护、脱氧、渗合金及改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定）。4、焊条的选用原则选用原则：等强度原则；相同成分原则；抗裂纹原则；抗气孔原则；低成本原则。焊接接头的组织和性能1、低碳钢焊接接头的组成：1——焊缝区（熔化区）2——熔合区（半熔化区）3——热影响区4——母材低碳钢焊接接头的组织焊缝的组织和性能铸态组织，性能可以达到要求。熔合区的组织和性能成分不均匀，组织粗大，机械性能很低。热影响区的组织和性能过热区（1100℃）组织粗大，机械性能很低,

正火区（Ac3～1100℃）晶粒细小，机械性能高，部分相变区（Ac1～Ac3）晶粒不均匀，机械性能低。可见，熔合区、过热区是接头中性能最差的薄弱的部位，会严重影响焊接接头的质量。2.热影响区对焊接接头性能的影响及影响热影响区的因素熔合区和过热区的性能最差，产生裂缝和局部破坏的倾向也大，热影响区宽度增加会使焊缝金属的冷却速度减慢，晶粒变粗，并使焊接变形增大。因此热影响区越小越好。热影响区的宽度主要取决于焊接方法和焊接规范。采用同样的焊接方法，选用过大的焊接规范和减慢焊接速度，都会使热影响区变宽。3、影响焊接接头性能的因素焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）焊接方法（热源不同、保护效果不同）焊接工艺（焊接电流、电压、速度）焊后热处理（正火后细化晶粒）4、焊接变形和焊接应力1）焊接变形和残余应力的不利影响造成焊件的尺寸、形状变化；矫正变形会使性能降低，成本增加；焊接应力会降低承载能力；引起焊接裂纹；应力衰减会产生变形。2）、焊接变形和残余应力产生原因在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热，会产生焊接应力和变形。3）、焊接变形的基本形式焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接裂纹包括纵向裂纹、横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等，见以下图例。4）预防和减小焊接应力及焊接变形的措施1.合理设计焊接结构尽量减少焊缝及焊缝的长度和截面积，并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等，详见焊接结构工艺性一节。2.焊前预热焊前对焊件预热，可减少焊件各部分的温差，对减小焊接应力与变形较为有效。重要焊件可整体预热，还有局部预热即焊前选择焊件的合理部位局部加热使其伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。3.反变形法根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度，以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。4.刚性固定法采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不能完全消除焊后残余变形。5.选择合理的焊接顺序应尽量使焊缝的纵向和横向都能自由收缩，避免交叉焊缝处应力过大产生裂纹；采用对称焊接顺序以减小变形；长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法。6.锤击焊缝法用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤击，以延伸变形，补偿其收缩，同时释放出部分能量，减小焊接应力和变形。7.焊后热处理采取去应力退火的方法将焊件整体或局部加热到600℃-650℃，保温一定时间后（不小于1h）缓慢冷却，这样可消除焊接余应力80％-90％。5)焊接变形的矫正机械矫正法即用机械的方法将变形矫正过来，生产中常用的设备有辊床、压力机、矫直机等；薄板焊接最常见的变形为波浪变形，其矫正较难，一般用锤击法进行矫正。火焰矫正法采用局部加热焊件的某些部位，使其受热时膨胀，受周围冷金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而矫正变形。用于塑性好，没有淬硬倾向的钢。用于塑性好的低碳钢和普通合金钢。机械矫正与火焰矫正6）常见焊接缺陷在焊接过程中，由于焊接结构设计、焊接规范确定、焊前准备和操作方法等不恰当，均会产生各种各样的焊接缺陷。常见焊接缺陷有：烧穿；未焊透；夹渣；气孔；裂纹。小结重点要求焊接电弧、焊条的组成及其作用、焊接接头的组织和性能。一般要求焊接冶金特点、焊接质量及其控制，常见焊接缺陷产生原因及其防止。本次课的内容常用焊接方法常用焊接方法

手工电弧焊

埋弧自动焊

气体保护焊电渣焊

电阻焊

钎焊一、手工电弧焊1、焊接电弧电弧的温度阴极区2100℃，弧柱5700~7700℃，阳极区2300℃气体电离电极发射电子电弧区热量阳极占43%,阴极区占36%,弧柱区21%。正接法:工件接正极,焊条接负极2、焊接过程手工电弧焊(3)当电弧向前移动时,熔池冷却凝固而新的熔池不断产生,形成连续的焊缝。(1)电弧在焊条与被焊件之间燃烧,电弧热使工件和焊条同时熔化成熔池;(2)电弧使焊条的药皮熔化或燃烧,产生熔渣和气体,对熔化金属和熔池起保护作用；3、手工电弧焊的特点手工电弧焊手工电弧焊有何特点？使用哪种设备？优点：设备简单，操作灵活，适应性强。缺点：生产效率低，劳动强度大，质量不易保证。电焊机：直流电焊机：交流电焊机：引弧容易，电弧稳定，焊接质量好结构简单，使用可靠，维修方便二、埋弧自动焊1.埋弧自动焊的焊接过程自动焊——焊接动作由机械装置自动完成。埋弧焊——电弧在颗粒状焊剂层下燃烧进行焊接。焊车焊丝焊剂埋弧自动焊自动焊小车埋弧焊生产2.

埋弧自动焊的特点与应用生产效率高（比手弧焊提高5～10倍）焊接质量好（焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观）成本低（省工、省时、省料）劳动条件好（无弧光,、飞溅,劳动强度低）适应性差（平焊、长直焊缝和较大直径的环缝）焊接设备复杂，焊前准备工作严格应用：成批生产、中厚板结构的长直焊缝和较大直径的环缝，如锅炉、压力容器、船舶等。特点：压力容器环缝和纵缝的埋弧自动焊纵缝环缝压力容器焊接生产三、气体保护焊1、氩弧焊及其特点保护气体氩气CO2氩弧焊CO2气体保护焊钨极金属极钨极氩弧焊焊接电流不能过大，只能焊4mm以下的薄板；焊接钢材板：直流正接法；焊铝、镁合金：直流反接法或交流电源。气体保护焊钨极熔点高，发射电子能力强直流正接：钨极烧损小。直流反接：钨极烧损大，电弧不稳，但有“阴极破碎”作用（焊铝时有利）。应用熔化极氩弧焊气体保护焊1、以连续送进的金属丝做电极并填充焊缝；2、焊接电流较大,生产效率高，适用焊接较厚的焊件；（板厚为8~25mm）3、采用直流反接，电弧稳定，焊铝时有“阴极破碎”作用;4、可采用自动焊或半自动焊。氩弧焊特点气体保护焊1)

保护效果好，电弧稳定，焊接质量好；2)电弧热量集中，热影响区小，焊后变形小；3)可全方位焊接，便于观察、易于自动控制；4)氩气成本高，一般情况下不采用。应用：

用于焊接易氧化的有色金属、合金钢和不锈钢。2、CO2气体保护焊CO2气体保护焊的焊接过程CO2电弧CO+O

使金属氧化，合金元素烧损，不能焊接有色金属和合金钢。应用：

用于低碳钢、低合金钢薄板的焊接。必须采用含脱氧剂的焊丝H08Mn2SiA，直流反接。气体保护焊CO2气体保护焊的特点成本低（为埋弧焊和手弧焊的40%～50%）效率高（电流密度大，熔深大，焊接速度快）焊接质量好（有气流冷却，热影响区小，变形小）采用气体保护，能全位置焊接焊缝成形差，飞溅大设备使用维修不方便气体保护焊四、电渣焊生产率高（板厚>40mm的焊接一次焊成）焊缝缺陷少,焊接质量好（不易产生气孔、夹渣和裂纹）成本低

（省电和省熔剂）焊件需正火热处理

(热影响区较大,组织粗大)

1.电渣焊工艺过程2.电渣焊的特点五、电阻焊电阻焊分为：点焊、缝焊、对焊。

是利用焊件接触面的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，在压力下形成接头的焊接方法。

闪光对焊电阻对焊缝焊点焊电阻焊特点焊接电压低，电流大，生产率高；不需要填充金属，焊接变形小；劳动条件好，操作简单，易于实现自动化生产；焊接设备复杂，投资大；适用于大批量生产；对焊件厚度和接头形式有一定限制。1、点焊电阻焊点焊过程：加压通电断电去除压力形成熔核凝固防止分流：两焊点间应有一定距离。点焊接头形式：分流现象

点焊主要适用于薄板冲压结构和钢筋构件。点焊的应用电阻焊点焊过程手提点焊2、缝焊电阻焊缝焊：与点焊相同，只是采用滚轮做电极，边焊边滚。特点：焊点互相重叠，分流现象严重。焊件厚度≤3mm。应用：有密封要求的薄壁结构3、对焊电阻对焊端面加工要求高，质量不易保证。闪光对焊对端面加工要求低，质量较高，用于重要零件的焊接。杆状零件的对接，如刀具、管子、钢轨、钢筋、异种金属。（端面形状尺寸要相同或相近）应用：电阻焊六、钎焊是利用低熔点的钎料作填充金属，加热熔化后渗入固态焊件间的间隙内，将焊件连接起来的焊接方法。接头形式1、焊接过程将工件和钎料适当加热（烙铁、火焰、炉子、电阻、高频加热）；钎料熔化，借助毛细管的作用被吸入和充满间隙；被焊金属和钎料在间隙内相互扩散；凝固后，形成钎焊接头。钎焊2、钎焊分类种类特点软钎焊（锡、铅钎料）硬钎焊（铜基、银基钎料）钎料熔点≤450℃＞450℃性能特点接头强度≤100MPa工作温度较低接头强度＞200MPa工作温度较高应用用于受力不大的仪表、导电元件的焊接。用于受力较大的构件、刀具、工具的焊接。3、钎焊特点加热温度低，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确；钎焊接头强度低；可焊接性能差异很大的异种金属,对工件厚度无限制；可整体加热，同时钎焊由多条焊缝组成的复杂形状构件，生产率高；钎焊设备简单，生产投资费用少。常用金属材料的焊接

一、金属材料的焊接性1、金属材料焊接性的概念是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。金属焊接性：焊接性形成焊接缺陷的敏感性（裂纹）使用性能（机械性能）影响焊接性的因素：金属材料本身性质焊接方法、焊接材料、焊接工艺2、钢的焊接性评价方法——碳当量CE＜0.4%时，冷裂纹倾向不明显,焊接性良好；CE＝0.4%～0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差；CE＞0.6%时，冷裂倾向很强,焊接性很差。碳、合金元素含量焊接性碳当量：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15碳钢及低合金钢碳当量越高，焊接性越差二、碳素钢和普低钢的焊接1、碳钢的焊接CE＜0.4%，焊接性良好。各种焊接方法都能获得优质焊接接头。低碳钢：中碳钢：CE＞0.4%，冷裂倾向很强，焊接性较差。焊前预热150℃～250℃，焊后缓冷，采用细E5015焊条、小电流、开坡口、多层多道焊，降低焊缝的含碳量。焊接裂纹产生？内部条件：碳当量CE

外部条件：环境温度2、低合金结构钢的焊接焊接方法:a.一般用手工电弧焊、埋弧自动焊b.板厚＞40mm时，用电渣焊c.批量大时，用CO2气体保护焊16Mn的焊接CE=0.4%焊接性良好，不需预热板厚＞32～38mm环境温度低时，需预热重要结构（锅炉、压力容器）焊后应消除应力退火三、不锈钢的焊接马氏体不锈钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢不锈钢的种类（Cr13型）（Cr18Ni9型）（Cr17型）焊接性较差（冷裂纹和淬硬脆化）焊前预热，焊后缓冷及热处理，采用奥氏体不锈钢焊条。焊接性良好焊接性较差（过热晶粒引起脆化和裂纹）低温预热（＜150℃）减少高温停留时间四、铸铁的焊补易产生白口组织和淬火组织;铸铁强度低、塑性差，易产生裂纹;铸铁碳、硅含量高，易产生气孔和夹渣缺陷;铸铁的焊接性铸铁碳含量高，杂质多，塑性差，故焊接性差。铸铁焊补的问题：铸铁的焊补：

热焊、冷焊1、热焊热焊——铸件预热到600～700℃进行焊接，焊后缓冷。焊接方法：气焊、手工电弧焊（铸铁焊条）焊补质量好，成本高，劳动条件差，生产率低，中等厚度铸件及焊后要加工的复杂、重要的铸件,如：内燃机缸盖、气缸体、机床床身等。铸铁的焊补特点：应用：2、冷焊铸铁的焊补冷焊——铸件一般不预热或较低温度预热。特点：依靠焊条来调整焊缝的化学成分，以防止白口