焊接成形技术

第七章焊接成形技术§7-1典型弧焊方法一、手工电弧焊1.原理及特点用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊法手工电弧焊原理示意1-熔渣，2-熔融渣，3-保护气体，4-焊芯，5-药皮，6-熔滴，7-工件，8-熔池，9-焊缝手工电弧焊优缺点：

优点：

★简便灵活，适应性强

★设备简单，易于移动

★本成低

缺点：

◆对焊工操作技术要术高

◆劳动条件差

◆生产率低

2.焊条焊条组成药皮焊芯电极填充金属保护作用冶金作用工艺性能焊条型号：是在国家标准及权威性国际组织(ISO)的有关法规中，根据焊条特性指标明确划分规定的，是焊条生产、使用、管理及研究等有关单位必须遵守执行的。§7-1典型弧焊方法手工电弧焊焊接位置：平焊、立焊、横焊、仰焊、船形焊接、全位置焊§7-1典型弧焊方法手工电弧焊焊接位置示意—当今生产效率较高的机械化焊接方法之一1.基本原理：电弧在焊剂下燃烧进行焊接的方法，它是利用电气及机械装置控制送丝和移动电弧的一种焊接方法二、埋弧自动焊§7-1典型弧焊方法埋弧自动焊原理示意1-焊剂，2-焊丝，3-电弧，4-金属熔池，5-熔渣，6-焊缝，7-工件，8-渣壳H08A(E)钢焊丝低硫磷含量优质钢平均含碳量0.08%硫磷含量更低的高级优质钢§7-1典型弧焊方法2.焊丝及焊剂焊丝:普遍使用φ2～6mm实心焊丝。己有用于碳素结构钢、合金结构钢、高合金钢、各种有色金属及堆焊用特殊合金焊丝。例：碳素结构钢焊丝焊剂：在焊接时被加热熔化形成熔渣，对熔化金属起保护和冶金作用，它是埋弧焊接过程中保证焊缝质量的重要材料●保证电弧稳定燃烧●保证焊缝金属得到所需的成分和性能●减少焊缝中产生气孔和裂纹的可能性●有利成形和脱渣●不易吸潮并有一定的颗粒度和强度●焊接时无有害物质析出§7-1典型弧焊方法3.主要优缺点及应用范围

优点：●生产效率高；●焊缝成形美观，质量高；●劳动条件好；

缺点：

●一般只适合于平焊及平角焊位置；●设备复杂，灵活性不及手工电弧焊。§7-1典型弧焊方法

应用场合：●适用于碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢及多种有色金属（Ni、Ti、Cu）焊接；●特别适用于中厚板结构的长焊缝的焊接；●也可以在金属表面堆焊耐磨或耐蚀合金。三钨极氩弧焊(TungstenInert—GasArcWeldingTIG)

1.基本原理

也称非熔化极氩弧焊，利用惰性气体作保护气体，电极用难熔金属（钨或钨合金）棒，焊件作为另一个电极。通过钨极与焊件之间产生的电弧加热和熔化焊件及填充金属，形成焊接接头§7-1典型弧焊方法TIG原理示意1-钨极电极夹头，2-钨电极，3-焊枪手把，4-氩气瓶，5-焊接电源，6-电弧，7-保护气体，8-焊枪气体分类：按操作方式可分为：手工TIG与自动TIG

按电源种类可分为：直流交流直流脉冲—热输入小直流正接—多用直流反接—少用矩形波—合理分配正弦波§7-1典型弧焊方法各种电流TIG特点及应用DC正接：w电极接电源负，发热量小，电极许用电流大。电极不易烧损，电弧稳定，应用广泛。工件接电源正，熔深大，生产率高。DC反接：w电极接电流正，具有“阴极清理作用”。电极发热量大易烧损。工件接电源负，熔深浅，一般不推荐使用。DC脉冲：采用可控的脉冲电流加热工件，输入热量小，工件变形小，可焊淬火倾问大的钢。§7-1典型弧焊方法正弦AC：焊接电流负半波（工件为负）电弧有明显清理作用，焊接电流正半波（工件为正），相当于DC正接。主要用于铝、镁及合金和铝青铜焊接。矩形波AC:电流为正、负半波不对称的矩形波。采用较长正半波持续时间，增加熔深。在保证足够阴极清理作用下，适当缩短负半波持续时间。这样既保证了具有阴极清理作用又可获得较合理的两电极热量分配。§7-1典型弧焊方法2.特点优点：●氩气不和金属产生化学反应，又不溶于金属，且比空气重，能有效隔绝电弧和周围空气，保护效果好，焊接质量高；●焊接应力变形小；●熔池可见度好，便于控制，易于实现机械化、自动化和全位置焊接；●直流正接电弧稳定，小电流（＜10A）下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板、超薄板焊接。§7-1典型弧焊方法缺点：●钨电极承受电流小，熔深浅，熔敷小，生产率低；●Ar气贵，比手弧焊、埋弧焊、CO2焊成本高；●对焊件表面清理要求严。§7-1典型弧焊方法3.应用：除低熔点（低沸点）和易蒸发的Pb、Sn、Zn不能焊外，几乎可焊所有金属厚壁压力容器及管道要求焊透焊缝的打底焊厚板窄间隙对接接头的多层或多层多道焊四、熔化极气体保护焊可分为：熔化极惰性气体保护焊（MetalInert-GasArcWeldingMIG）熔化极活性气体保护焊（MetalActive-GasArcWeldingMAG)§7-1典型弧焊方法1.基本原理：用连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，通过焊枪喷嘴输送保护气体。熔化极气体保护焊原理示意1-焊丝盘，2-送丝滚轮，3-焊丝，4-导电嘴，5-保护气体喷嘴，6-保护气体，7-熔池，8-焊缝，9-电弧，10-工件2.分类：MIG—Ar、HeMAG—Ar+O2、Ar+CO2、Ar+CO2+O2、CO2或CO2+O2管状焊丝—CO2或CO2+Ar§7-1典型弧焊方法3.熔滴过渡类型：自由过渡－熔滴从焊丝端头脱落后，通过电弧空间自由运动一段距离后落入熔池。又分为：滴状过渡和喷射过渡两种滴状过渡熔滴直径大于焊丝直径，它分为：轴向滴状过渡和非轴向滴状过渡两种喷射过渡熔滴直径等于或小于焊丝直径，熔滴沿焊丝轴线过渡短路过渡－特点是弧长短。一般短路频率20～200次混合过渡－较大电流CO2焊及药芯焊丝焊属自由过渡和短路过渡的混合过渡4.实芯焊丝气保护焊工艺特点：MIG

MAG可焊所有金属——铝，铜及合金，不锈钢效率高——焊丝作为电极电流密度大，熔深大，熔敷速度快直流反接——阴极雾化

熔滴过渡形式：喷射过渡、脉冲喷射过渡、短路过渡。铝及合金采用：亚射流过渡（射滴＋短路）CO2气体保护焊生产效率高，比手工定弧焊高1～3倍明弧无渣、抗锈能力强，降低焊缝含氢量焊接成本低，只有手工电弧焊的40%～50%适用面广，可用于各种位置焊接

熔滴过渡形式：滴状过渡、短路过渡、潜弧射滴过渡§7-1典型弧焊方法5.药芯焊丝气体保护焊综合了手工电弧焊和普通熔化极气体保护焊特点优点：采用气、渣联合保护，电弧稳定，飞溅小，成形好熔敷效率、生产率较高可焊材料广有更强的抗气孔性能缺点：成本高对送丝机构要求高焊丝外皮易生锈中焊，焊丝剂易吸潮多用于半自动焊。主要用干碳钢、低合金钢、不锈钢和铸铁。

§7-1典型弧焊方法电阻焊分类与组合§7-3压力焊及钎焊一、电阻焊焊件组合后通过电极施加压力，利用电流流过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到融化或塑性状态,使之在压力条件下形成接头的焊接方法。1．点焊：将焊件装配成搭接接头，并压紧在两极之间，接通电流后利用电阻热将焊件局部熔化，形成焊点的方法。是一种高速、经济的连接方法。适用于可以采用搭接接头不要求气密性，厚度＜3mm冲压、轧制的薄板结构。可焊材料为低碳钢,淬火钢,镀锌钢板,不锈钢,铝合金和铜合金等。

§7-3压力焊及钎焊各种点焊方法原理示意2．缝焊：是焊件搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动连续或断续放电，从而产生一连串熔核，相互搭叠得密封焊缝的电阻焊方法。广泛应用在家用电器（电冰箱壳体），交通运输（汽车，拖拉机油箱）及航空航天（燃油油箱）等工业中要求密封性的接头制造。被焊材料厚度通常在0.1~2mm.可焊材料为低碳钢,合金结构钢,不锈钢,耐热钢,铝合金和钛合金等。铜不能缝焊,黄铜也难以缝焊。

§7-3压力焊及钎焊缝焊原理示意3．凸焊：是在一个焊件的贴合面上预先加工出一个或多个凸起点,使其与另一焊件表面相接触加压并通电加热,凸点焊塌后,使这些触点形成焊点的一种电阻焊方法。分为：单点,多点凸焊;环焊;T焊;滚凸焊和线材交叉凸焊五类。用于焊接低碳钢和低合金钢的冲压件。除可进行板件凸焊外,还可进行螺帽,螺钉类零件的凸焊,线材交叉凸焊,管子凸焊和板材T型凸焊。板件凸焊最佳厚度为0.5~4mm.凸焊不适宜于铝,铜,鎳等软金属。§7-3压力焊及钎焊凸焊基本类型4．对焊：把两焊件端部相对放置，利用焊接电流加热，然后加压完成焊接的电阻焊方法。可分为电阻对焊和闪光对焊两类对焊应用范围:工件接长，如带钢、型材、石油和天然气输送管道的对焊接长；环形工件的焊接，如自行车、摩托车轮圈、链环对焊；部件的组焊，将锻造、冲压,轧制,机械加工零件拼焊成复杂零件;异种金属对焊，如刀具刃部(高速钢)与柄部(中碳钢),铜,铝导电接头对接焊等。§7-3压力焊及钎焊①电阻对焊先压紧工件→通电→顶锻力加热沿径向不均，轴向较均匀，且低于熔点。适用于焊接截面F＜250mm2,端面形状相同(如棒、厚壁管金属型材），氧化物易于挤出的材料，如碳素钢、不锈钢、铜和铝等。它具有接头光滑，毛刺小，焊接过程简单的特点②闪光对焊先接通电源→工件靠近→闪光→顶锻闪光对焊分为连续闪光焊和预热闪光焊两种连续闪光焊：闪光阶段和顶锻阶段是连读完成的。适用于断面为1000mm2左右的闭合拼口焊,如车圈,铝窗等预热闪光焊：在闪光前先连读几次短时通电加热（预热）工件端面，再进入闪光和顶锻阶段。适合于焊5000~10000mm2大型截面零件。可焊材料有低碳钢,低合金钢,工具钢,不锈钢,铜合金,铝合金,镁合金和钛合金，甚至可以焊许多异种金属组件§7-3压力焊及钎焊二、摩擦焊1.原理：利用焊接接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热使工件端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊的方法2.分类:根据工件相对摩擦运动轨迹可分为：旋转摩擦焊和轨道摩擦焊根据机械供给方式可分为：连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊两种

摩擦焊示意图（a）旋转摩擦焊（b）轨道摩擦焊§7-3压力焊及钎焊3．特点:可代替锻造、铸造和部分机械加工；生产率高，成本低；易实现机械化和自动化生产；能焊接高温时，塑性良好的同种金属以及能够互相固溶和扩散的异种金属；环境保护好。高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接，如不锈钢－铜、硬质合金－钢等。活性金属（如钛、锆等）淬硬性好的钢材，表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层及摩擦系数太小（如铸铁、黄铜等）的金属很难焊接。§7-3压力焊及钎焊三、搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,简称FSW）是由摩擦焊派生发展起来的一种新型固相焊接方法。搅拌摩擦焊接过程§7-3压力焊及钎焊1.搅拌摩擦焊的优缺点：优点：

焊接接头质量高；能一次完成较大截面、较长焊缝（一次焊成20m焊缝）的不同位置焊接；成本低；易于实现机械化、自动化焊接；焊接过程无污染、无烟尘、无辐射。缺点：焊件必须刚性固定，同时还需在焊缝背面加垫板；相对于熔焊它焊速较低；焊接结来，摩擦针退出工件时总要留有一个称为“匙孔”的凹坑，需要将该坑部切除或凑加引出板。§7-3压力焊及钎焊2.应用行业应用构件航空、航天铝制品业汽车制造铁路制造造船业压力容器制造燃料箱、圆筒形容器及附件，飞机框架结构，飞机蒙皮、翼肋铝缝焊管材底盘、大梁、车轮、油箱高速列车、轨道列车、地铁车辆，集装箱高速船外壳、甲板、船舱壁、防水壁板、直升机降落平台液、气压力容器、铝反应器、热交换器§7-3压力焊及钎焊搅拌摩擦焊的应用四、钎焊1.基本原理：采用比母材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但低于母材熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，连接焊件的方法。§7-3压力焊及钎焊2.分类:根据钎料熔点分

软钎焊:TM＜450℃,铅，锡等

硬钎焊:TM＞450℃,铜，银，镍等3.特点:成分不同—钎料熔化，母材固态加热温度低—变形小，易保证焊件尺寸精度。对母材组织和性能影响小异质接头焊接—金属，非金属等生产效率高—大批量生产强度较低，耐热性差，装配要求高一、结构钢的焊接1.碳钢的焊接焊接性：在一定的焊接工艺下，获得优质焊接接着的难易程度低碳钢焊接：含碳量低、硅锰含量少，焊接性优良。可用手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、电阻焊、气焊及钎焊都是成熟的焊接方法中碳钢焊接：含锰量不高时，焊接性良好。随含碳量的增加，焊接性变差。多数情况下，需预热和控制层间温度，焊后应进行消应力热处理。采用手工焊时，若要求焊缝与母材等强，应尽量选用与母材强度级别相等的低氢焊条。§7-4常用金属材料的焊接2.合金结构钢的焊接：主要介绍强度用钢（高强钢）：按屈服点高低及热处理状态分为热轧钢、正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢（1）热轧钢及正火钢常用焊接方法：手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、压力焊。焊接要点：抗热裂性比较好有一定的冷裂倾向，随强度级别升高而增大沉淀强化钢种有产生再热裂纹倾向。消除应力热处理时应避免600℃保温热轧钢在制造大厚件时，有层状撕裂危险存在过热区脆化问题§7-4常用金属材料的焊接（2）低合金高强度钢常用焊接方法：手工电弧焊、气体保护焊、电渣焊及压力焊。主要工艺措施：预热选择合适的焊接线能量后热及焊后热处理（3）低碳调质钢。焊接要点：含碳量低、含锰量高，热裂倾向小冷裂纹倾向比较大，工艺合适可以避免有一定的再热裂纹敏感性对层状撕裂不敏感。有过热区脆化和热影响区软化问题

工艺措施：焊前预热避免使用大的焊接线能量§7-4常用金属材料的焊接（4）中碳调质钢。焊接要点：淬硬倾向大，近缝区易出现马氏体组织，冷裂倾向大碳及合金元素高，有较大热裂倾向有再热裂纹倾向焊后淬火区出现淬硬的马氏体，导致脆化焊后热影响区总有软化区工艺措施：预热及后热宜采用小线能量焊接采用低碳、硫、磷焊丝§7-4常用金属材料的焊接(5)珠光体耐热钢。焊接方法：手工电弧焊为主、埋弧焊和电渣焊也常用

焊接要点：含碳量和合金元素含量与低碳调质钢相近，焊接性也接近主要问题是冷裂纹、再热裂纹、粗晶区脆化以及热影响区的软化

工艺措施：防止冷裂和粗晶脆化，正确选择预热温度和焊后回火温度至关重要减少软化，应尽可能减少焊接线能量和降低预热温度防止延迟裂纹，焊后立即进行高温回火§7-4常用金属材料的焊接二、不锈钢的焊接1.奥氏体不锈钢的焊接：主要问题是热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。含镍量越高，产生热裂倾向越大，越不容易控制（25-20钢比18-8钢热裂倾向大）

热裂防止措施：严格限制S、P含量调整焊缝金属组织，金属合金成分采用小线能量及小截面焊道

接头脆化防止措施：严格控制焊缝中铁素体含量多层焊时采用较小线能量

晶间腐蚀防止措施：尽量降低母材及焊缝中含碳量采用热量集中的焊接方法在钢中添加稳定化元素Ti、Nb等在钢及焊缝金属中加铁素体形成元素§7-4常用金属材料的焊接不锈钢焊接接头晶间腐蚀1-焊缝腐蚀区，2-热影响区敏化腐蚀区，3-刀蚀区应力腐蚀开裂防止措施：焊后消除或减少焊接残余应力选用奥氏体－铁素体双相组织的母材或焊接材料采用高Ni的铬镍不锈钢焊条焊接奥氏体不锈钢常采用手工电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极富氩混合气体保护焊。§7-4常用金属材料的焊接2.马氏体不锈钢的焊接。可分两类：Cr13系列和Cr12为基多元合金强化马氏体钢。和低碳、中碳调质钢类似，主要问题是冷裂纹和脆化。拘束度较大或含氢量较高时，在焊缝或近缝区可能产生冷裂纹预热是防止这类钢产生冷裂纹的重要措施。但预热温度要控制不要超过400℃，以防止产生475℃脆性为防止冷裂，马氏体钢（F11钢除外）焊后应立即进行高温回火

常用方法为手工电弧焊和钨极氩弧焊§7-4常用金属材料的焊接3.铁素体不锈钢的焊接。主要问题是热影响区脆化和常温冲击韧度较低

工艺措施：焊接时，就尽量缩短400℃~600℃和650℃~850℃的加热和冷却时间可采用小功率，高焊速进行焊接，尽量减少焊缝截面，且不要连续焊接为防止高铬铁素体钢的室温韧性的大幅度降低接头上产生裂纹，常进行低温（70℃~150℃）预热，使接头处于富有韧性状态下，这样可以有效地防止裂纹的产生

常用手工电弧焊，通常需预热及焊后热处理§7-4常用金属材料的焊接三、有色金属的焊接1.铝及铝合金的焊接。只有变形铝合金可以焊接。主要问题是气孔、热裂纹及接头性能变化。热处理强化铝有较高热裂倾向热裂纹防止措施：关键在于选择合适焊丝，控制焊缝成分和配以合理规范参数硬铝及超硬铝由于成分复杂产生裂纹倾向大，在原合金系统中进行成分调整难以改善抗裂性。因此，常用含硅5%（质量分数）的AL-Si焊丝（SALSi-1）来解决裂纹问题采用热能集中的焊接方法，有利于减少裂纹。裂纹倾向大的铝合金，不宜采用大电流和高焊速§7-4常用金属材料的焊接气孔防止措施（以纯铝、铝镁合金为突出）：减少氢的来源合理选择规范参数采用Ar＋少量CO2或O2混合气体保护焊对厚的工件适当预热§7-4常用金属材料的焊接2.铜及铜合金的焊接。焊接时主要问题：焊缝成形能力差焊缝热裂倾向大气孔倾向严重接头性能下降建议：薄板以钨极氩弧焊、手工电弧焊和气焊为好中厚板采用埋弧焊、MIG焊和电子束焊厚板建议用电渣焊1.纵向残余应力与横向残余应力：在焊接结构中，通常将沿焊缝方向的应力定义为纵向残余应力，用σx表示：垂直于焊缝方向的应力定义为横向残余应力，用σy表示；沿板厚方向的应力定义为板厚应力，用σz表示§7-5焊接力学低碳钢长板条中心堆焊时的应力变形情况一、焊接残余应力与焊接残余变形对接焊缝残余应力典型分布§7-5焊接力学2.焊接残余变形分类（1）总体变形纵向收缩变形横向收缩变形弯曲变形扭曲变形§7-5焊接力学●扭转变形§7-5焊接力学（2）局部变形角变形波浪变形3.焊接变形对焊接结构的影响

●外形美观●结构尺寸精确性●结构的承载能力§7-5焊接力学二、减少及消除残余应力的措施1.减少焊接残余应力措施：（1）设计措施（①②③④⑤）（2）工艺措施合理的焊接顺序和方向ABC；反变形法和减应力加热法；采用小线能量焊接；锤击法2.焊后消除残余应力的方法（1）整体、局部高温回火（2）温差拉伸法（3）机械拉伸