工程材料第9章

第9章焊接9.7焊接技术新发展9.1电弧焊9.2电阻焊9.3摩擦焊、钎焊9.5焊接件结构工艺性9.4其它焊接方法9.6常用金属材料的焊接焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接过程的实质是利用加热或加压等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。图9.1涂料焊条的电弧焊过程9.1电弧焊9.1.1焊条电弧焊

即手工电弧焊，利用焊条与工件间产生电弧热，将工件与焊条熔化而进行焊接的方法。焊接原理如图9.1。焊缝质量由很多因素决定，如工件基体金属和焊条的质量、焊前的清理程度、焊接时电弧的稳定情况等。电焊条由焊芯和药皮（涂料）两部分组成。焊芯起导电和填充焊缝金属的作用，药皮用于保护焊接顺利进行并使焊缝具有一定的化学成分和力学性能。表1.焊条药皮原料的种类、名称及其作用焊条按化学成分划分为七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条及焊丝、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。按熔渣性质分为酸性焊条和碱性焊条。图9.2环缝埋弧焊示意图9.1.2埋弧焊也称熔剂层下焊接1.焊接过程焊接时，电弧在颗粒状熔剂层下燃烧，焊机带着焊丝均匀沿坡口移动，或者焊机不动工件匀速运动。焊丝前焊剂从漏斗流出撒在被焊部位。

2.埋弧焊的特点生产率高；焊接质量高而且稳定；节省金属材料；改善劳动条件。但设备费用高，工艺装备复杂，对接头加工与装配要求严格，只适用于批量生产长直线焊缝与圆筒形工件的纵、环焊缝。

3.埋弧焊的焊丝与焊剂焊剂按制造方法分为熔炼焊剂和陶质焊剂两大类。

4.埋弧焊工艺埋弧焊要求仔细地下料、准备坡口和装配。9.1.3气体保护焊图9.3氩弧焊示意图1.氩弧焊2.CO2气体保护焊图9.4CO2气体保护焊示意图9.1.4等离子弧焊接与切割图9.5等离子弧发生装置原理图焊条电弧焊埋弧焊Ar弧焊CO2保护焊等离子弧焊优点设备简单，容易维护，焊钳小，使用灵便，用途广泛。生产率高，焊接质量高且稳定，节省金属材料，改善劳动条件适用于各类合金钢、稀有金属,电弧稳定,焊缝致密,成形美观；明弧可见,易实现全位置自动焊,工件焊后变形小成本低，生产率高，操作性能好，质量较好温度高穿透力强，可焊箔材，缺点设备费用高，工艺装备复杂，价格高飞溅严重，易产生气孔设备复杂，气体消耗大，宜于室内焊接应用最广泛批量生产长的焊缝或圆筒形工件的纵横焊缝焊镁、钛及其合金，不锈钢，低合金结构钢厚度<30㎜低碳钢，低合金结构钢焊接铜合金，外壳封焊、薄壁容器9.2电阻焊电阻焊是利用电流通过焊件及其接触处所产生电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力下形成焊接接头的焊接方法。电阻焊优点：生产率高，焊接变形小，劳动条件好，不需另加焊接材料，操作简单，易实现机械化。缺点：设备复杂，耗电量大，接头形式与工件厚度受到限制。9.2.1点焊利用柱状电极加压通电，在搭接工件接触面之间焊成一个个焊点的焊接方法。图9.5点焊示意图影响点焊质量的主要因素有焊接电流、通电时间、电极压力及工件表面清理情况等。图9.6点焊接头形式图9.7缝焊示意图9.2.2缝焊9.2.3对焊

利用电阻热使两个工件在整个接触面上焊接起来的一种方法。

图9.8对焊示意图图9.9对焊接头形式9.2.4凸焊图9.10凸焊示意图图9.11凸焊应用示例点焊缝焊电阻对焊闪光对焊凸焊优点焊点重复50%密封性好操作简单，接头光滑接头夹渣少，质量好，强度高生产率高，电流密度大，凸点位置准确，工件表面影响小缺点焊接分流现象严重易加热不匀，连接不牢，端面易氧化金属损耗大，火花污染，焊后有毛刺应用厚度<4㎜的薄板件，薄壁结构、罩壳厚度<3㎜的薄板结构简单断面，长度<20㎜重要工件，可焊异种金属。0.01㎜～2000m㎡低碳钢和低合金钢冲压件9.3.1摩擦焊

利用工件间相互摩擦产生热量，同时加压而进行焊接的方法。图9.12摩擦焊示意图9.3摩擦焊、钎焊图9.13摩擦焊接头形式9.3.2钎焊

利用熔点比焊件低的钎为作填充金属，加热时钎料熔化成将焊件连结起来的焊接方法。图9.14钎焊接头形式作业P282:9-19-29-39-49.4其它焊接方法

1.电渣焊利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源进行焊接的方法

图9.15电渣焊示意图特点：1）厚大截面可一次焊成，生产效率高；2）焊缝金属比较纯净；3）接头组织粗大，焊后需进行正火处理。应用：适用于板厚40mm以上结构的焊接。一般用于直缝焊接，目前，电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械等大型设备制造中得到广泛使用。2.真空电子束焊接

利用加速和聚焦电子束轰击置于真空中焊件所生的热能进行焊接的方法称为电子束焊。图9.16真空电子束焊接示意图特点：1）焊缝金属纯度高；2）焊缝表面质量好，内部熔合性好；3）焊接热影响区小，焊件不易变形；4）控制灵活，精度高，适应性强。应用：电子束焊应用广泛，从微型电子线路组件、真空膜盒、钼箔蜂窝结构、原子燃料器件到大型的导弹外壳都可以采用电子束焊接。此外，熔点、导热性、溶解度相差很大的异种金属，在真空中使用的器件和内部要求真空的密封器件等，用真空电子束焊接也能得到良好接头。3.激光焊接

利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统聚焦到十分微小的焦点，当调焦到焊件接头处时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成接头。图9.17激光焊接示意图特点：1）焊接热影响区极小，焊件难于变形；2）焊件不易被氧化，可在空气中焊接；3）焊接设备与焊件间无接触，可焊接难于接近的接头。

应用：激光焊比较容易实现异种金属和异种材料的焊接，目前已广泛用于电子工业和仪表工业中微型件的焊接。图9.18型材及管材的高频焊模式4.高频焊用流经工件连接面的高频电流所产生的电阻热加热，并在施加或不施加压力的情况下使工件间实现相互连接的一类焊接方法。5.爆炸焊以炸药为能源进行金属间焊接的方法。9.19复合板的爆炸焊工艺安装示意图6.超声波焊利用超声波频率的机械振动能量，连接同种或异种金属、半异体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法7.扩散焊在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过待焊面产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经较长时间的原子相互扩散来实现冶金结合的一种焊接方法。电渣焊真空电子束焊激光焊高频焊爆炸焊超声波焊扩散焊优点可焊厚工件,生产率高成本低,焊缝金属纯焊缝质量高深窄,焊接过程灵活生产率高；焊件变形小；可焊难焊位置速度快，热影响区小，焊件种类广泛适用范围广,工艺简单,操作灵活,可实现面焊,成本低焊高热导率高电导率材料,耗费低焊头质量好,零件变形小缺点焊接热影响区宽，焊后正火处理设备复杂,造价高,焊件尺寸受限焊件厚度限制,技术要求高高压电源危险,零件寿命低,维修费用高不能焊厚、硬工件应用水轮机,水压机,重型机械微型电子线路组件,真空膜盒,铝箔微电子元件,精密件,热敏感材料管材，散热片，异型管生产复合材料,复合板,复合管丝,箔,片等薄件特殊异种材料焊思考题：说明下列制品该采用什么焊接方法？自行车车架钢窗自来水管电子线路板锅炉壳体汽车覆盖件装配9.5.1焊接缺陷及其预防图9.20焊接应力9.5焊接件结构工艺性1.焊接应力

图9.21焊接次序对焊接应力的影响防止措施：1.选用塑性好的材料，避免焊缝密集交叉，焊缝过长，截面过大。2.确定正确焊接次序。3.焊后去应力退火。2.焊接变形

图9.22焊接变形的基本形式及反变形防止措施：1.采用对称结构或大刚度结构，焊缝对称分布。2.反变形或刚性夹持法。3.正确选择焊接参数、焊接次序。4.机械矫正法，火焰加热矫正法。图9.24机械矫正法图9.25火焰矫正法图9.23梁的焊接次序3.焊接裂纹

（1）尽量分散

1.焊缝的布置

9.5.2焊接接头工艺设计图9.26焊缝分散布置的设计（2）尽可能对称图9.27焊缝对称布置的设计（3）尽量避开最大应力断面和应力集中位置

图9.28焊缝避开最大应力断面和应力集中位置设计（4）焊缝应尽量避开机械加工面

图9.29焊缝远离机械加工表面的设计（5）焊缝位置应便于焊接操作

图9.30焊缝位置便于电弧焊、埋弧焊、点焊的设计图9.30焊缝位置便于埋弧焊、点焊的设计2.接头形式的选择与设计（1）接头与坡口形式图9.31焊条电弧焊接头形式与坡口形式2.接头过渡形式

图9.32不同厚度金属材料对接的过渡形式3.其它焊接方法的接头与坡口形式

图9.33不同厚度钢板角接与T形接头的过渡形式图9.34电渣焊的接头形式作业：1.常见的焊接缺陷有哪些？该怎么预防？2.焊缝工艺设计原则有哪些？一、金属材料的焊接性(GB/T3375-94)

材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性受：材料、焊接方法、构件类型、使用要求等因素影响。1.工艺焊接性焊接工艺的优劣，产生缺陷的倾向；

2.使用焊接性接头在使用中的可靠性，如力学性能、和其他性能。9.6.1金属材料的焊接性9.6常用金属材料的焊接w(C)

当量＝w(C)++

％根据经验ω(C)当量＜0.4％时焊接性良好；ω(C)当量＝0.4～0.6％时焊接性相对较差；ω(C)当量＞0.6％：焊接性不好。二、焊接性的评定碳当量估算法

一、低碳钢的焊接低碳钢含碳量≤0.25％没有淬硬、冷裂倾向，焊接性良好；通常无须热处理。当厚度大于50mm的结构在低温焊接时：

1.需预热焊件（100～150℃）；

2.或用大电流多层焊；

3.焊后进行去应力退火或正火。

低碳钢适宜各种焊接方法，应用较广有：焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、电渣焊和电阻焊。

9.6.2碳钢的焊接二、中、高碳钢焊接中、高碳钢0.25%＜Wc＜0.6%以上,属淬硬钢,含碳量增加,淬硬、裂纹倾向增加,焊接性差。措施有：

1.选用合适的焊条(选用细焊条)；

2.焊前预热；开坡口；小电流；

3.多层焊及焊后缓冷等。高碳钢工件一般只限焊条电弧焊于修补工作。9.6.3合金结构钢的焊接

合金结构钢分为机械制造用合金结构钢和低合金高强度钢(工程:桥梁、建筑、船舶等用钢）低合金高强度钢焊接特点：淬硬和裂纹倾向增大！焊接方法与工艺：一般按(屈服)强度分等级，常用焊条电弧焊和埋弧焊焊接，其焊接材料选用如下表：钢号焊条电弧焊焊条牌号埋弧焊预热温度新标准旧标准焊丝牌号焊剂牌号Q29509Mn2J422,J423H08AHJ431不预热Q34516MnJ502,J507H08MnAHJ431不预热Q39515MnVJ556,J557H08Mn2Si

HJ431≥100℃机械制造用合金结构钢焊接与中碳钢焊接相似。

不锈钢按空冷后室温组织不同可分为：

1.马氏体型(M)不锈钢(3Cr13)；

2.铁素体型(F)不锈钢(1Cr17)；

3.奥氏体型(A)铬镍不锈钢(1Cr18Ni9或Cr25Ni20)

但应用最广的是奥氏体型铬镍不锈钢。

奥氏体型不锈钢焊接性良好，一般不需要采取特殊的工艺措施，通常应用焊条电弧焊、钨极氩弧焊或埋弧焊。9.6.4不锈钢的焊接关键在于：焊条（丝）要对应于被焊母材化学成分类型相同。铸铁在焊补中的表现：易白口、易裂纹、易生气孔。9.6.5铸铁的焊补铸铁焊补按焊前是否预热可分为：热焊法和冷焊法一、热焊法焊前预热(600～700℃),焊后缓冷,能防止白口和裂纹,焊质好；焊后可切削。但成本高,劳动条件差。对铸铁进行热焊补使用气焊比较方便。用专门铸铁棒焊条，配以CJ201气焊焊剂。

由铸铁的表现，铸铁的焊补常采用方法有：气焊、焊条电弧焊(个别大件可用电渣焊)。

二、冷焊法焊补前工件不预热（或<400℃）。冷焊法方便、灵活、效率高、成本低、劳动条件好。冷焊法关键：焊条的选用。冷焊法以焊条电弧焊为多。

关于冷焊法焊条选用：1.一般非加工面焊补，选钢芯或铸铁芯铸铁焊条；如：E5016、高钒Z116；

2.重要铸件加工面的焊补,选镍基铸铁焊条；如EZNi(Z308)；3.焊后须加工的灰铁件焊补,选铜基铸铁焊条;如：EZNiCu(Z508)。9.6.7有色（非铁）金属焊接

一、铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接比低碳钢困难的多,其特点

1.难熔合；2.易变形。原因：1.铜导热性很高(纯铜为低碳钢的8倍),散热快，难焊透；

2.液态铜易氧化生成Cu2O与铜的低熔点共晶体，是造成开裂的原因；

3.液态铜易吸气生成气孔；等等。铜及铜合金的焊接常采用氩弧焊、气焊、焊条电弧焊、埋弧焊和钎焊等。其中氩弧焊主要用于焊接紫铜和青铜；气焊用于焊接黄铜件多。

二、铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接主要问题是：

1.氧化；

2.气孔。还有：铝合金焊接加热时从固相到液相无颜色的变化！又易软化塌陷！！焊铝难！一般用气焊，须经验丰富。焊铝的理想方法是氩弧焊。1.提高焊接生产率是推动焊接技术发展的驱动力2.准备车间的机械化、自动化是焊接技术发展的重点内容3.焊接过程自动化、智能化是焊接技术发展的主要方向4.新兴工业的发展推动焊接技术前进5.热源的研究与开发是推动焊接工艺发展的根本动力

9.7焊接技术新发展1）真空电弧焊接技术

它是可以对不锈钢、钛合金和高温合金等金属进行熔化焊，及对小试件进行快速高效的局部加热钎焊的最新技术。该技术由俄罗斯发明，并迅速应用在航空发动机的焊接中。使用真空电弧进行涡轮叶片的修复、钛合金气瓶的焊接，可以有效地解决材料氧化、软化、热裂、抗氧化性能降低等问题。2）窄间隙熔化极气体保护电弧焊技术它具有比其他窄间隙焊接工艺更多的优势，在任意位置都能得到高质量的焊缝，且具有节能、焊接成本低、生产效率高、适用范围广等特点。利用表面张力过渡技术进行熔化极气体保护电弧焊表明，该技术必将进一步促进熔化极气体保护电弧焊在窄间隙焊接的应用。3）激光填料焊接

是指在焊缝中预先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同时填入焊接材料以形成焊接接头的方法。广义的激光填料焊接应该包括两类：激光对焊与激光熔覆。其中，激光熔覆是利用激光在工件表面熔覆一层金属、陶瓷或其它材料，以改善材料表面性能的一种工艺。激光填料焊接技术主要应用于异种材料焊接、有色及特种材料焊接和大型结构钢件焊接等激光直接对焊不能胜任的领域。

4）高速焊接技术

它使MIG／MAG的焊接生产率成倍增长，它包括快速电弧技术和快速熔化技术。由于采用的焊接电流大，所以熔深大，一般不会产生未焊透和熔合不良等缺陷，焊缝成形良好，焊缝金属与母材过渡平滑，有利于提高疲劳强度。5）搅拌摩擦焊（FSW）

FSW主要由搅拌头的摩擦热和机械挤压的联合作用下形成接头，其主要原理和特点是：焊接时旋转的搅拌头缓缓进入焊缝，在与工件表面接触时通过摩擦生热使周围的一层金属塑性化。同时，搅拌头沿焊接方向移动形成焊缝。

1991年FSW技术由英国焊接研究所发明，作为一种固相连接手段，它克服了熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺陷，更使以往通过传统熔焊手段无法实现焊接的材料可以采用FSW实现焊接，被誉为“继激光焊后又一革命性的焊接技术”。

尤其值得指出的是，搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的优点，诸如：不需要填丝、保护气（对于铝合金）、可以允许有薄的氧化膜、对于批量生产，不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理非损耗的工具头、一个典型的工具头就可以用来焊接6000系列的铝合金达1000米等。6）激光－电弧复合热源焊接（LaserArcHybrid）

激光—电弧复合主要是激光与TIG、等离子气体以及MAG。通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。MAG成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。Laser-MAG的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的桥接性，其原因有二：一是填充焊丝，二是电弧加热范围较宽；电弧功率决定焊缝顶部宽度；激光产生的等离子体减小了电弧引燃和维持的阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝的深度；更进一步讲，复合导致了效率增加以及焊接适应性的增强。激光电弧复合对焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；二是两热源相互作用的叠加效应。焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量的损失；焊接铝时，由于叠加效应几乎与激光波长无关，其物理机制和特性尚待进一步研究。1.什么叫焊接缺陷？答：焊接过程中产生的不符合标准要求的缺陷。2.为什么熔化焊