第十二章焊接与热切割课件

第十二章焊接与热切割

教学要求

主要内容

本章重点

本章小结

习题

机械制造基础第十二章

教学要求

通过教学，学生应了解焊接的基本理论；掌握焊条电弧焊的特点和应用；认识金属材料的焊接性能及焊接特点；了解埋弧焊、气体保护电弧焊、气焊、电渣焊、等离子弧焊和电阻焊的特点和应用；理解焊接件的结构工艺性，为合理设计和选择焊接成形方法打下基础。

机械制造基础第十二章

主要内容

第一节概述

第二节焊条电弧焊

第三节其它焊接方法

第四节常用金属材料的焊接

第六节常见的焊接缺陷及原因

第七节热切割

机械制造基础第十二章

本章重点

1、焊条电弧焊的特点和应用；2、金属材料的焊接性能及焊接点；3、焊接件的结构工艺性。

机械制造基础第十二章

第一节概述

在工业生产中，常常需要将几个零件或材料连接在一起。常用的连接方式有键联接、螺栓联接、铆接、焊接、胶接等，如图12-1所示。

前两种联接方式属于机械联接，是可以拆卸的；后三种连接方式属于永久性连接，是不可以拆卸的。

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本章主要介绍焊接。

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焊件达到原子结合的一种加工方法。

1．焊接的分类

(1)熔焊在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，经冷却结晶后，使分离的工件连接成整体的焊接方法。

(2)压焊在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。

(3)钎焊采用比焊件熔点低的钎料和焊件一起加热，使钎料熔化，焊件不熔化，钎料熔化后填充到与焊件连接处的间隙，待钎料凝固后，两焊件就被连接成整体的方法。按所用钎料熔点不同，可将其分为硬钎焊

(钎料熔点大于450℃)和软钎焊

(钎料熔点小于450℃)两种。

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常用金属的焊接方法：

熔焊：（1）电弧焊（焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊）；（2）电渣焊;

(3)气焊；（4）等离子弧焊；（5）真空电子束焊；（6）激光焊。

压焊：（1）电阻焊（对焊、点焊、缝焊）;

（2）摩擦焊。

钎焊：（1）软钎焊（锡焊）；（2）硬钎焊（铜焊、银焊）。

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2、焊接的特点

(1)可以节省材料和制造工时，接头密封性好，力学性能高(见图12-1c、d)。

(2)能以大化小、以小拼大。如制造铸焊、锻焊大型结构，不仅简化工艺，减轻结构重量，同时也降低了制造成本。

(3)可以制造双金属结构，如切削刀具的切削部分(刀片)与夹固部分(刀架)可用不同材料制造后焊接成整体。

(4)生产效率高，易实现机械化和自动化。

焊接的缺点：（1）焊接过程是不均匀加热和冷却，因此会引起焊接接头组织、性能的变化，同时焊件还会产生较大的应力和变形。（2）在焊接过程中，必须采取一定的措施，控制接头组织、性能的不均匀程度，减小焊接应力和变形。

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第二节焊条电弧焊

焊条电弧焊是利用电弧热作为热源，并用手工操纵焊条进行焊接的一种方法。焊条电弧焊的焊接过程如图12-3所示。焊接时首先将焊条夹在焊钳上，把焊件同电焊机相连接。引弧时，使电焊条与焊件相互接触而造成短路，随即提起焊条2～4mm，在焊条端部和焊件之间产生电弧。电弧产生的热量将焊条、焊件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后形成的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池，随着电弧的向前移动，新的熔池开始形成，原来的熔池随着温度的降低开始凝固，从而形成连续的焊缝。

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一、焊接电弧

焊接电弧是指由焊接电源供给的、具有—定电压的两极间或电极与焊件间，在气体介质中产生强烈而持久的放电现象。

1．焊接电弧的基本构造及热量分布电弧由阴极区、阳极区和弧柱区构成，如图12-4所示。三个区域所产生的热量和温度的分布是不均匀的。。

(1)阴极区——电弧紧靠负极的区域称为阴极区。阴极区很窄，约为10-5～10-6cm，阴极区温度约为2400K，其产生的热量约占电弧总热量的38％。

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(2)阳极区——电弧紧靠正极的区域称为阳极区。阳极区比阴极区宽，约为10-3～10-4cm，阳极区温度约为2600K，其产生的热量约占电弧总热量的42％。

(3)弧柱区——阴极区与阳极区之间的弧柱为弧柱区。弧柱区中心的热量较集中，故温度比两极高，约为6000～8000K，但弧柱区产生的热量仅占电弧总热量的20％。

手弧焊时，使金属熔化的热量主要集中在两极，约占65％～85％，弧柱区的大部分热量散失于气体中。

以上所述是直流电弧的热量和温度分布情况。交流电弧由于电源极性快速交替变化，所以两极的温度基本相同，约为2500K。

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2．焊接电源极性选用

在使用直流电源焊接时，由于阴、阳两极的热量和温度分布是不均匀的，因此分正接和反接，如图12-5所示。

(1)

正接

焊件接电源正极，电极(焊条)接电源负极的接线法称正接。这种接法热量较多集中在焊件上，因此用于厚板焊接。

(2)反接

焊件接电源负极，电极(焊条)接电源正极的接线法称反接。这种接法热量较多集中在焊条上，主要用于薄板及有色金属焊接。

机械制造基础第十二章二、电焊条

电焊条的优劣是影响焊条电弧焊质量的主要因素之一。

(一)电焊条的组成及作用

电焊条由焊芯和药皮两部分组成。

1．焊芯

焊条中被药皮包裹的金属芯称焊芯。它的主要作用是导电，产生电弧，提供焊接电源，并作为焊缝的填充金属。焊芯成分中含碳较低，硫、磷含量较少，有一定合金元素含量，保证焊缝金属具有良好的塑性、韧性，以减少产生焊接裂纹倾向，改善焊缝的力学性能。焊芯的直径即为焊条直径，常用的焊芯直径有1.6mm、2.0mm、2.5mm、3.2mm、5.0mm等几种，长度在200～450mm之间。直径为3.2～5mm的焊芯应用最广。

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2．焊条药皮焊条药皮的作用：

(1)机械保护作用利用药皮熔化产生的气体和形成的熔渣隔离空气，防止有害气体侵入焊接区，起机械保护作用。

(2)

冶金处理作用通过熔渣与熔化金属冶金反应，除去有害物质如硫、磷、氧、氢，添加有益的合金元素，使焊缝金属获得符合要求的化学成分和力学性能。

(3)改善焊接工艺性能在药皮中加入了一定的稳弧剂和造渣剂，所以在焊接时电弧稳定燃烧，飞溅少，焊缝成形好，脱渣比较容易。

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(二)电焊条的种类、型号和牌号

1．电焊条的种类

电焊条按用途可分为十大类，即结构钢焊条、钼和铬耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜和铜合金焊条、铝和铝合金焊条及特殊用途焊条。按熔渣性质可分为两大类：

(1)酸性焊条。焊缝金属的塑性、韧性和抗裂能力较差。但焊条工艺性能好，对铁锈、油污、水分的敏感性不大，并且可交直流电源焊接。广泛用于低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接。

(2)碱性焊条。焊缝的抗裂性能较好，力学性能较高。但它的工艺性能差，对油污、铁锈、水敏感性大，易产生气孔。为保证电弧稳定燃烧，一般采用直流反接。碱性焊条主要用于裂纹倾向大，塑性、韧度要求高的重要结构。如锅炉、压力容器、桥梁、船舶等的焊接。

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2．电焊条型号——国家标准中的焊条代号

按GB／T511—1995碳钢焊条标准，其型号用大写字母“E”和四位数字表示。“E”表示焊条，前两位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值，单位为MPa，第三位数字表示焊条适用的焊接位置，“0”、“1”表示焊条适用于全位置焊接(平、立、仰、横)，“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊，第三位和第四位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型。

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3．焊条牌号——焊条行业统一的焊条代号焊条牌号一般用一个大写拼音字母和三个数字表示，如J422、J506等。拼音字母表示焊条的各大类，如“J’’表示结构焊条；前两位数字表示焊缝金属抗拉强度的最小值，单位MPa，第三位数字表示药皮类型和电流种类。结构钢焊条牌号中数字的意义见教材中表12-4。

(三)电焊条的选用

1．根据被焊件的化学成分和性能要求选择相应的焊条种类如焊接碳钢或普通低合金钢时应选用结构钢焊条；焊接铸铁时，应选用铸铁焊条等。

2．焊缝性能要和母材具有相同的使用性能

(1)结构钢焊件——按“等强”原则选用相同强度等级的焊条。对承受动载荷、冲击载荷或形状复杂，厚度、刚度大的焊件时，应选用碱性焊条。

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(2)不锈钢、钼和铬耐热钢焊件，应根据母材化学成分选用相同成分的焊条。

3．根据被焊件的工作条件和结构特点选用焊条向下立焊、重力焊时可选用专用焊条；对于焊前难以清理的焊件，应选用酸性焊条等，以满足施焊操作的需要，保证焊接质量。

三、焊接接头的组织与性能

焊接接头(简称接头)是由焊缝、熔合区、热影响区三部分组成。

(一)焊缝的组织、性能焊缝是指焊件经焊接形成的结合部分。熔焊时，随着焊接热的向前移动，熔池中的液态金属开始迅速冷却结晶，而后形成焊缝。

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焊缝金属的结晶，首先从熔池底壁上许多未熔化的半个晶粒开始，向着散热反方向的熔池中心生长，生成柱状树枝晶，如图12-6所示。最后这些柱状树枝晶前沿一直伸展到焊缝中心，相互接触后停止生长。

结晶结束后得到的铸态组织晶粒粗大，组织不致密，当焊缝形状窄而深时，S、P等低熔点杂质易集中在焊缝中心上形成偏析，而导致焊缝塑性降低，且易产生热裂纹。在焊接过程中，由于熔池体积小，冷却速度快，再加上严格控制焊芯的S、P含量，并通过焊接材料渗合金，补偿合金元素的烧损，所以焊缝的力学性能不低于母材金属。

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(二)焊接热影响区和熔合区的组织与性能

1．熔合区

熔合区是指在焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。该区的金属组织粗大，处在熔化和半熔化状态，化学成分不均匀，其力学性能最差。

2．热影响区在焊接热源作用下，发生组织和性能变化的区域。热影响区各点温度不同，其组织、性能也不同，低碳钢的焊接接头热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区，如图12-7所示。

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(1)过热区。温度在1100℃以上，金属处于严重过热状态，晶粒粗大，其塑性、韧度很低，容易产生焊接裂纹。

(2)正火区。温度在Ac3至1100℃之间，金属发生重结晶，晶粒细化，力学性能好。

(3)部分相变区。温度在Ac1～Ac3之间，部分金属组织发生相变，此区晶粒大小不均匀，力学性能稍差。

易淬火钢的热影响区分为淬火区(Ac3以上的区域)和部分淬区，(Ac1至Ac3区域)。由于冷却速度过快，焊后在淬火区形成马氏体组织，易产生冷裂纹。

注意：在焊接过程中尽量减小热影响区的宽度，其大小和组织变化的程度与焊接方法、焊接材料及焊接工艺参数等因素有关。

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四、焊接应力与变形焊接应力——焊接过程中焊件内产生的应力。焊接变形——焊接过程中焊件产生的变形。焊接应力和变形的存在，会降低结构的承载能力，甚至导致结构开裂；影响结构的加工精度和尺寸稳定性等。

(一)焊接应力与变形产生的原因

焊接过程中不均匀加热和冷却是产生焊接应力与变形的根本原因。如图12-8所示。

焊接时，焊件各区域温度不同将产生大小不等的纵向膨胀。

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如果各部位的金属能自由伸长而不受周围金属的阻碍，其变形如图12-8a中虚线所示。但事实是：焊缝区的高温金属伸长因受到两侧金属的阻碍而产生压应力，远离焊缝区的两侧金属则产生拉应力。当焊缝区的压应力超过金属的屈服点时，该区就产生了一定量的压缩塑性变形，压应力也消失了一部分。冷却时，焊缝区加热时已产生了压缩塑性变形，冷却后应该较其它区域缩的更短些，如图12-8b中虚线所示。但平板是一个整体，这种缩短实际上也是不能实现的，只能按图中实线所示那样整体缩短。焊缝区金属收缩受到焊缝两侧金属的阻碍而产生了拉应力，在焊缝两侧金属内产生了压应力。拉应力和压应力处于互相平衡状态，并保留到室温，这种室温下被保留下来的焊接应力与变形，称为焊接残余应力与变形。

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(二)预防和消除焊接应力的措施

(1)焊前对焊件进行整体或局部预热。

(2)采用合理的焊接顺序，尽量使焊缝纵向、横向都能自由收缩，有利于减少焊接应力，如图12-9所示。

(3)锤击焊缝(锤击焊缝最好在热态下进行)使之产生塑性变形，以减少焊接应力。锤击路线如图12-10所示。

(4)焊后退火处理

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(三)焊接变形的预防与矫正

1．焊接变形的基本形式

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2．防止焊接变形的措施

(1)合理的结构设计。①尽量减少焊缝的数量、长度及截面积；②焊缝尽量对称布置，避免密集与交叉；③尽量选用型材、冲压件代替板材拼接，减少焊缝数量和变形。(2)采用必要的工艺措施。①反变形法。预先估计其结构变形的方向和数量，焊前将焊件安放在与焊接变形方向相反的位置，以抵消焊后所产生的焊接变形，如图12-12所示。

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②刚性固定法。但这种方法会产生较大焊接残余应力，所以只适用于塑性较好的低碳钢结构，如图12-13所示。③合理的焊接顺序。采用合理的焊接顺序，能有效地减少焊接变形。如图12-14所示对称截面梁的焊接顺序。

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当焊接长焊缝时采用中分对称焊、中分分段退焊法等，如图12-15所示。

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3、焊接变形的矫正

(1)机械矫正法。利用机械外力迫使焊件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消以达到矫正变形的目的。在机械矫正时要消耗焊件的一部分塑性，因此这种方法只适用于塑性较好的低碳钢和低合金构钢。

(2)火焰矫正法。利用氧、乙炔焰在焊件的适当部位加热，使其冷却收缩时产生新的变形，以矫正焊接时产生的变形，如图12-16所示。这种方法一般也仅适用于塑性较好的低碳钢和低合金结构钢。

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第三节其它焊接方法

一、埋弧焊

埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。它分为埋弧焊和手工埋弧焊。

(一)埋弧焊焊缝的形成过程埋弧焊是指引弧、焊丝送进、移动电弧和收弧等动作由机械自动完成。其焊接过程如图12-17所示。

机械制造基础第十二章焊接前，先在焊接处覆盖一层30～50mm厚的颗粒状焊剂，焊丝在焊剂层下与焊件接触自动引弧并稳定燃烧，使电弧周围的颗粒状焊剂熔化，形成的熔渣和熔化金属发生冶金反应，部分焊剂蒸发后产生的气体将电弧周围的熔渣排开，形成一个封闭的熔渣泡，如图12-18所示，使熔化金属与空气隔离，并能防止金属液飞溅和电弧热量的损失，同时还阻止了弧光四射。

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(二)埋弧焊所用焊接材料

埋弧焊所用焊接材料有焊丝和焊剂。焊丝起电极和填充金属的作用；焊剂的作用与焊条药皮的作用基本相同，在焊接过程中起稳弧、保护、脱氧及渗合金等作用。焊剂分熔炼和非熔炼两类，其中熔炼焊剂广泛用于碳钢和低合金结构钢的焊接。为保证焊缝化学成分和力学性能，焊丝和焊剂使用时要合理匹配，如教材中表12-6所示。

(三)埋弧焊特点及应用埋弧焊与焊条电弧焊相比具有如下特点：

(1)生产效率高。埋弧焊采用大电流焊接(焊接电流可达800～1000A)，熔深大，不需换焊条，所以生产效率比焊条电弧焊提高5～10倍。

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(2)焊接质量好，焊缝成形美观。由于埋弧焊焊接区受到焊剂和液态熔渣的可靠保护，焊接热量集中，焊接速度快，热影响区小，焊件变形小，所以焊缝成形美观，焊接质量好。

(3)节省材料与电能。埋弧焊焊件厚度在20～25mm以上时，不需开坡口，因此可减少填充金属。焊接热量损耗少。

(4)改善了工人的劳动条件。

埋弧焊不足之处是：（1）对于短焊缝、曲折焊缝及薄板焊接困难；（2）设备费用较贵；（3）焊接过程看不到电弧，不能及时发现问题。

埋弧焊适用于批量大的中厚板结构的长直焊缝和较大直径的环焊缝焊接。在桥梁、造船、锅炉、压力容器、冶金机械制造等工业中获得广泛应用。

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二、气体保护电弧焊

气体保护电弧焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法，简称气体保护焊。

(一)氩弧焊

氩弧焊是以氩气作为保护气体的电弧焊。按照电极不同，氩弧焊可分为两种，如图12-19所示。

1．熔化极氩弧焊采用连续送进的焊丝作电极，电弧在焊丝和焊件之间燃烧，焊丝不断熔化，形成熔滴过渡到熔池中去，待液态金属冷却结晶后形成焊缝。熔化极氩弧焊可采用较大的焊接电流，适宜焊接厚度为25mm以下的焊件。

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2．非熔化氩弧焊(钨极氩弧焊)

采用高熔点钨棒作为电极，焊接时钨极不熔化，只起产生电弧的作用，另外加焊丝作为填充金属，在氩气流保护下，利用钨棒与焊件之间电弧燃烧产生的热量，熔化焊丝和基本金属，待冷却结晶后形成焊缝。钨极氩弧焊只适用于焊接厚度为6mm以下的焊件。焊接钢件时常采用直流正接法，以减少钨极的消耗。焊接铝、镁等合金时，则采用交流电源或直流反接法，以提高焊接质量。氩弧焊的特点：

(1)氩气是惰性气体，它不与金属发生化学反应，又不溶人液态金属，其保护效果最佳，特别适宜焊接化学性质活泼的金属及合金。

(2)它是明弧焊，便于操作，容易实现全位置焊接。

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(3)电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，无熔渣，焊接质量优良，焊缝成形美观。

(4)电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，因此焊接速度快，热影响区的宽度和焊接变形小。

(5)氩气价格昂贵，成本高。因而氩气保护焊主要用于焊接铝、镁、钛及其合金、耐热钢和不锈钢等。

(二)CO2气体保护焊(简称CO2焊)

CO2气体保护焊是以C02气体作为保护气体的电弧焊。它用焊丝作为电极，依靠焊丝与工件之间产生的电弧来熔化基本金属与焊丝，如图12-20所示。

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CO2气体保护焊特点：

(1)焊接成本低。CO2气体来源广，价格低廉，焊丝又是整圈光焊丝，故成本仅为埋弧焊和焊条电弧焊的37％-42％左右。

(2)生产效率较高。由于CO2焊电流密度大，电弧穿透能力强，因此焊接速度快，焊后没有熔渣，节省清渣时间，生产效率比焊条电弧焊提高1～4倍。

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(3)操作性能好。CO2气体保护焊属于明弧焊，所以可以及时发现问题，操作也与手弧焊一样灵活方便，适用于全位置焊接。

(4)焊接质量较好。由于用C02气体能有效保护焊丝和熔池不受空气的侵害，因此焊缝含氢量低，抗裂性能好，焊接变形小，焊接质量较好。

C02气体保护焊的缺点：

1、如使用大电流焊接时，电弧飞溅大，焊缝成形不美观；

2、很难用交流焊接及在有风的地方施焊；

3、C02在1000℃以上高温会分解成CO和02，有一定的氧化性，不宜焊接容易氧化的有色金属材料。

C02气体保护焊主要用于碳钢、低合金钢等材料的薄板焊接及磨损零件堆焊等。

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三、气焊

气焊是利用气体火焰作为热源的一种焊接方法。最常用的是乙炔焊。它的设备简单，操作方便，不需电能，适用于各种材料的全位置焊接。

但由于火焰温度低，加热时间长，生产效率低，热影响区宽，焊后变形大，焊接质量差，故只适用于薄板、有色合金的焊接及钎焊刀具、铸铁修补等。

(一)氧乙炔焰的种类根据氧和乙炔的混合比值不同，可将氧乙炔焰分为以下三种，如图12-21所示。

(1)中性焰。氧乙炔混合比为1～1.2时燃烧所形成的火焰。中性焰最高温度可达3000～3150℃，这种火焰适用于低碳钢、中碳钢、低合金钢、不锈钢、纯铜和铝及铝合金等材料的焊接。

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(2)碳化焰。氧乙炔混合比小于1的火焰。火焰最高温度可达2700～3000℃，整个火焰比中性焰长。由于碳化焰中有过剩乙炔并分离成游离状态的碳和氢，导致焊缝产生气孔和裂纹，同时对焊缝有渗碳作用，因此这种火焰适用于含碳量较高的高碳钢、铸铁、硬质合金及高速钢的焊接。

(3)氧化焰。氧乙炔的混合比大于1.2的火焰。整个火焰很短，燃烧时发出“嘶嘶”声。氧化焰最高温度可达3100～3300℃。由于氧化焰会使焊缝金属氧化，形成气孔，部分合金元素在焊接时被烧损，从而导致了焊缝金属的力学性能降低，因此一般不采用。

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焊接黄铜时采用氧化焰，其原因是焊接黄铜时采用含硅焊丝，氧化焰会使熔化金属表面覆盖一层硅的氧化膜，可阻止黄铜中锌的挥发。

(二)气焊操作

1．焊丝的牌号及直径

(1)焊丝的牌号选择。根据焊件材料的力学性能或化学成分选择相应的焊丝牌号，具体查阅焊接手册。

(2)焊丝的直径选择。根据焊件的厚度选择相应的焊丝直径，具体可参考教材中表12-7。

2．气焊熔剂采用熔剂是为了去除焊缝表面的氧化物和保护熔化金属及增加熔池的流动性。所用熔剂应根据焊件的化学成分及其性质而定。如焊接铸铁、有色金属等，必须采用相应的熔剂(只有碳素结构钢不用)，具体可查阅焊接手册。

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3．火焰能率

火焰能率一般是以每小时可燃气体(乙炔)的消耗量(L／h)来确定。当焊件较厚，金属的熔点高，导热性较好，焊缝为平焊位置时，应选用大的焊炬型号和焊嘴号数，才能保证将焊件焊透，相反应选用小的焊炬型号和焊嘴号数，具体查阅焊接手册。

4．焊炬的倾斜角

焊炬的倾斜角大小要根据被焊件的厚度和熔点以及导热性等来确定。焊件越厚、导热性及熔点越高，应采用较大的焊炬倾斜角；相反则采用小的倾斜角。焊接低碳钢时，焊炬倾斜角与焊件厚度的关系如图12-22所示。

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5．焊接方向气焊方向可分为右向焊和左向焊，如图12-23所示。右向焊不易掌握，仅适用于焊接厚度大、熔点及导热性较高的焊件(见图12-23a)；左向焊操作简便，容易掌握，生产上应用广泛，适用于薄板的焊接(见图12-23b)。

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四、电渣焊

电渣焊是利用电流通过液态熔渣产生的电阻热来熔化工件与电极(填充金属)的一种焊接方法。电渣焊的种类较多，其中丝极电渣焊在生产上应用较多，图12-24为丝极电渣焊过程示意图。焊接时，两工件位于垂直位置，相距25～35mm，在两工件两侧装有冷却滑块，底部有引弧板，上部有引出板，在两工件间隙中放人一定的焊剂，通电后，送丝机构将焊丝送入，并在引弧板上引燃电弧，在电弧热的作用下，焊剂熔化，形成渣池。

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当渣池具有一定深度时，增大送丝速度，使焊丝插人渣池，电弧熄灭，转入电渣焊过程即电流通过渣池的液态熔渣产生的电阻热，不断将焊丝和工件加热、熔化，形成金属熔池沉在渣池下面，随着熔池和渣池不断上升，冷却滑块也同时逐渐上升，下面的金属熔池则逐渐凝固，形成立焊缝。电渣焊的特点为：

(1)生产效率高。焊接厚件时，不需开坡口，一次焊成。通常焊件厚度可达40mm以上，所以电渣焊的生产效率高。

(2)焊接质量好。由于受渣池机械保护作用，空气不易进入焊接区，而且液态熔池保持时间长，有利于气体熔渣排除，焊缝金属比较纯净，同时减少了气孔、裂纹的产生，所以焊接质量好。

(3)电渣焊接头组织粗大。由于电渣焊加热时间长，冷却缓慢，造成接头组织粗大，所以焊后要进行热处理，细化晶粒，保证焊缝的力学性能。

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五、等离子弧焊

等离子弧焊是一种借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。如图12-25所示，在钨极和焊件之间加上较高电压，经高频振荡使气体电离形成弧柱后，弧柱通过水冷喷嘴细孔时，弧柱截面被迫压缩减小，此作用称为“机械压缩效应”。当向弧柱嘴内通入一定压力和流量的气体时，如氩气、氮气等，冷却喷嘴使流过的气体也变冷，这样导致了弧柱外围受到强烈冷却，迫使电子和离子往高温的弧柱集中，使弧柱变细，导电截面变小，这种压缩作用称为“热压缩效应”。

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带电粒子流(电子和离子)在弧柱中的运动可以看成是电流在一束平行的“导线”内移动，其自身磁场所产生的电磁力，使导线相互靠近，弧柱又进一步压缩，这种压缩作用称为“电磁压缩效应”。

在上述三种效应的作用下，弧柱被压缩到很细的范围内，电弧能量高度集中，弧柱内的气体完全电离形成等离子弧。等离子弧在电极与焊件间燃烧，其温度可达16000～30000K。等离子弧焊接的主要特点是：热量高度集中，弧柱温度高，弧流流速大，穿透能力强，焊接速度快，焊接应力及变形小，，生产率高等。等离子弧焊接的缺点是：设备复杂，气体消耗量大，不适宜在室外焊接等。

等离子弧焊接主要用于焊接不锈钢、耐热钢、铜、钛及钛合金，以及钨、钼、钴等难熔金属的焊接。

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六、电阻焊

指焊件组合后通过施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生电阻热进行焊接的方法。电阻焊的特点是：焊接电流大，生产效率高；焊缝表面平整光洁，质量好；焊接过程简单，易于实现机械化和自动化；焊接变形小，不需填充金属，劳动条件好。电阻焊的不足是：设备复杂，耗电量大，对工件厚度和接头形式有一定限制。电阻焊可分为：点焊、缝焊、对焊三种类型，如图12-26所示

机械制造基础第十二章

1．点焊

将焊件装配成搭接接头，并压紧在两极间，利用电阻热熔化母材，形成焊点的电阻焊方法。点焊适用于焊接4mm以下的薄板搭接结构，在汽车、飞机、仪表、电子等部门中应用广泛。

2．缝焊

将焊件装配成搭接接头或对接接头并置于两滚轮电极之间，滚轮加压于焊件并转动，连续或断续送电，形成焊缝的电阻焊方法。缝焊适用于焊接3mm以下，有密封要求的薄壁搭接结构，如油箱、管道等。

3．对焊

利用电阻热使两个被焊工件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。按工艺不同可分为电阻对焊和闪光对焊。其中电阻对焊适用于焊接直径小于20mm以下的低碳钢棒料和管材以及强度要求不高的焊件；闪光对焊适用于焊接受力大的重要工件，如切削刀具、建筑用钢筋等，也适用于异种金属的焊接，如铜与钢、铝与铜等。

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第四节常用金属材料的焊接

一、金属焊接性金属的焊接性——是金属材料对焊接加工的适应性。即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两方面的内容：

一是接合性能，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；

二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。

不同的金属材料，其焊接性有很大的差别。金属的焊接性是一个相对概念，不但取决于金属材料的化学成分，还与焊接方法、焊接材料、焊接工艺条件及结构使用条件有着密切的关系。

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在焊接生产中，常根据钢材的化学成分来判断其焊接性，钢中的碳含量对其焊接性影响最明显。

低碳钢

——钢材塑性好，焊接性良好，焊接时一般不需要预热；

中碳钢——钢材的塑性下降，易产生淬硬组织及裂纹，焊接性较差，焊接时需采用预热和一定工艺措施；

高碳钢

——钢材塑性较低，淬硬和裂纹倾向严重，焊接性很差，焊接时需要采用较高的预热温度和严格的工艺措施。

合金钢——焊接性随合金钢的强度等级的提高而变差。

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二、常用金属材料的焊接

(—)碳钢的焊接

1．低碳钢的焊接低碳钢碳的质量分数小于0.25％。一般情况下，采用任意一种焊接方法，都能得到优质焊接接头。但在0℃以下低温环境焊接厚件时，应考虑预热，预热温度在100～150℃左右。电渣焊焊后应正火处理以细化晶粒。

低碳钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊C02气体保护焊、电渣焊及电阻焊等。采用焊条电弧焊时：

一般结构可选用酸性焊条，如E4303(J422)、E4301(J423)；

重要结构可选用碱性焊条，如E5015(J507)、E5016(J506)；埋弧焊时，一般可选用H08A或H08MnA焊丝，配合HJ430、HJ431；C02气体保护焊时，可选用H08MnSi

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2．中碳钢的焊接中碳钢碳的质量分数在0.25％～0.6％之间。为了保证焊后不产生裂纹和得到满意的力学性能，应采取如下措施：

(1)焊前预热，减缓焊接接头的冷却速度，减少淬硬倾向和降低焊接应力。

(2)采用抗裂性较好的低氢焊条(如E5015、E6015-D)，如果不要求焊缝与母材等强度时，可采用强度低一些的焊条(如E4316、E4315)，以提高焊缝的塑性。

(3)焊接时采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊等，以减少母材的熔化量，降低焊缝碳的质量分数，防止热裂纹的产生。

中碳钢常用的焊接方法有手弧焊和气焊。如果焊件过厚可考虑应用电渣焊，但焊后要进行相应的热处理。

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3．高碳钢的焊接高碳钢碳的质量分数大于0.6％，其特点与中碳钢基本相同，但焊接性更差，一般不用于制造焊接结构件，主要用于工件焊补。

(二)低合金结构钢的焊接

低合金结构钢具有较高的强度，而且韧性也很好，所以这类钢广泛用于制造压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等。强度等级大于或等于392MPa的低合金结构钢，随着合金元素的增加，强度明显提高，但淬硬、冷裂倾向也随之增大，焊接性差。为避免产生冷裂纹，一般焊前要进行预热。还可以适当增大焊接电流，减慢焊接速度；焊条电弧焊时选用抗裂好的低氢焊条，焊后还要及时进行去应力退火。低合金结构钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊等，在选用时要考虑被焊的钢材种类、结构特点、使用性能要求及生产批量等。

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(三)铸铁的焊补铸铁中碳的质量分数高，硫、磷杂质多，其强度低，几乎无塑性，焊接性差。铸铁不能用于制造焊接构件，但铸件的缺陷及在使用中发生的局部损坏或断裂，可以通过焊补的方式进行修复。

1．热焊首先将工件整体或局部预热到600～700℃，焊接过程中始终保持温度不低于400℃，焊后在炉中缓冷，以降低冷却速度，减小应力，防止白口组织和裂纹的产生。热焊常用的焊接方法有手弧焊、气焊，其中气焊应用的较多，焊补的质量容易保证。气焊时采用铸铁焊丝作为填充金属，并要用气焊熔剂去除氧化物，通常用CJ201或硼砂等。热焊一般用于焊补小型复杂且焊后需要加工的重要件，如汽缸体和机床导轨等。热焊的焊补质量较好。

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2．冷焊焊前不预热或预热温度较低(400℃以下)。冷焊常用的焊接方法是焊条电弧焊。在焊接过程中可依靠焊条成分来调整焊缝的性能，并配合以相应的工艺参数和工艺措施来避免白口组织及裂纹的产生，比如小电流、短弧焊、窄焊缝、短焊道(每次焊缝长度不超过50mm)，焊后立即锤击焊缝，以松弛焊接应力等。

冷焊焊补质量不如热焊，因此主要用于焊补要求不高和怕高温预热引起变形的铸件及非加工表面。

铸铁冷焊常用的焊条有：镍基焊条(Z308)、铸铁芯焊条(Z248)、钢芯石墨化铸铁焊条(Z208)及铜基铸铁焊条(Z607)等。

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(四)有色金属的焊接

1．铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接性较差。铜及铜合金常用的焊接方法有氩弧焊、气焊、焊条电弧焊、钎焊等。其中氩弧焊的接头质量最好。气焊时需采用气焊熔剂“CJ301”以去除表面氧化物和杂质。焊条电弧焊时应选用相应的铜及铜合金焊条。

2．铝及铝合金的焊接

铝及铝合金的焊接性较差。常用的焊接方法有：氩弧焊、气焊、电阻焊和钎焊。氩弧焊是应用最普遍的方法。氩弧焊焊接质量较高。对于焊接质量要求不高的工件，可采用气焊，气焊时必须采用气焊熔剂“CJ401”，以去除表面氧化物和杂质。

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第五节焊接结构工艺性

焊接结构工艺性——设计的焊接结构在满足使用性能要求的前提下，力求做到制造方便，生产率高，成本低、焊接质量好。焊接结构工艺性主要包括以下三个方面：一、焊接结构材料的选择

应尽量选择焊接性好的金属材料来制造焊接结构。１、低碳钢和强度级别低的低合金结构钢具有良好的焊接性，应优先选用；２、碳的质量分数大于0.5％的碳钢一般不宜采用；３、焊接结构件要尽量选用工字钢、槽钢等各种型材，以减少焊缝数量和简化焊接工艺，同时也能提高结构的强度和刚性；４、应尽量选用同种金属材料，如必须选用异种金属材料，焊接时则应采用合适的工艺措施；

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５、镇静钢的组织致密，可作为重要焊接结构的用材，沸腾钢焊接时易产生裂纹，用于一般焊接结构的用材。二、焊接接头焊接接头形式的选择应根据结构形状、强度要求、工件厚度、焊缝位置、焊后应力与变形大小、坡口加工难易程度及焊接材料消耗等因素综合考虑。

(一)焊条电弧焊的接头形式

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1．对接接头

焊接结构应用最多的接头形式，其接头受力比较均匀，检验方便，接头质量也容易保证，适用于重要的受力焊缝，如锅炉、压力容器等结构。

不同厚度的钢板对接焊接时，如果对接钢板厚度差超过教材中表12-10的规定，则应在较厚板上加工出单面或双面斜边的形式，以保证接头质量，如图12-28所示。

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2．搭接接头

因两焊件不在同一个平面内，受力时产生附加弯矩，降低接头强度，一般应避免采用。但搭接接头不用开坡口，备料、装配比较容易，对受力不大的平面连接(如厂房屋架、桥梁等)，采用搭接接头可以节省工时。

3．T形接头和角接接头

两者受力情况比对接接头复杂，当接头要求呈直角连接时才采用。

(二)焊条电弧焊坡口形式的选择

将焊件的待焊部位加工出一定形状的沟槽称坡口。为了保证将焊件根部焊透，并减少母材在焊缝中的比例，焊条电弧焊时钢板厚度大于6mm时需要开坡口(重要结构中板厚大于3mm时要求开坡口)。

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焊条电弧焊常见的坡口基本形式有：I形坡口、X形坡口、V形坡口、U形坡口等几种。如图12-29、图12-30、图12-31所示。

X形坡口适用于钢板厚度12～60mm以及要求焊后变形较小的结构；

U形坡口适用于钢板厚度20～60mm较重要的焊接结构；

V形坡口加工比较容易，但焊后变形大，适用于钢板厚度3～26mm的一般结构。

机械制造基础第十二章坡口形式的选择，主要根据板厚和熔透要求，同时应考虑坡口加工的可能性和焊缝的可焊到性、能否进行双面焊等。

机械制造基础第十二章(三)其它焊接方法的接头形式

埋弧焊：

1、接头形式与焊条电弧焊基本相同，因采用的电流大，所以熔深也大，当焊件厚度小于14mm时可开I形坡口单面焊接；

2、当焊件厚度小于25mm时，可开I形坡口双面焊接；

3、焊厚件时，开坡口角度小于焊条电弧焊，钝边应略大于焊条电弧焊。

气焊：气焊由于变形大，一般多采用对接接头或角接接头，在焊接小于2mm的薄板时为了避免烧穿工件可以采用卷边接头。

点焊和缝焊只能用搭接接头。

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三、焊缝布置原则

(1)

焊缝的布置应尽量分散，避免密集、交叉，以防止金属严重过热，力学性能下降，如图12-32所示。图12-32a、b、c为焊缝集中和重叠，均为不合理的结构，应改为图12-32d、e、f的形式。

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(2)焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的部位。对大跨度钢梁，板料接口焊缝不应布置在梁的中间，如图12-33a所示，而把焊缝移到两边靠近支承点的地方，并尽量采用斜焊缝，如图12-33b、c所示。对于压力容器不能采用平板接头和无折边的封头，如图12-34a、b所示，而采用碟形封头(图12-34c)或椭圆封头。

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(3)焊缝位置应尽量均匀、对称、以减少焊接应力与变形。图12-35a所示焊缝偏置于焊件中性轴一侧，焊后会产生较大的弯曲变形。

图12-35b所示焊缝对称于中性轴，有可能使弯曲变形抵消。图12-35c所示焊缝在中性轴上，焊后变形较小。

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(4)焊缝位置应便于操作，焊条电弧焊时，应考虑焊接操作的空间。图12-36a所示的内侧焊缝，焊条无法伸到待焊部位。

图12-36b为合理焊缝布置。

机械制造基础第十二章点焊与缝焊时，应考虑电极能伸到待焊位置，如图12-37所示。埋弧焊时应考虑接头便于安放焊剂，如图12-38所示。

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(5)焊缝应尽量避开机械加工表面，以免破坏加工表面的精度和表面质量，如图12-39所示。

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第六节常见的焊接缺陷及产生原因

焊接缺陷的存在，不但减少焊缝截面，降低承载能力，更严重的是导致脆性断裂，影响焊接结构的使用安全。

常见的焊接缺陷

缺陷名称、特征图例产生的原因说明咬边焊缝与焊件交界处所形成的凹陷1．焊接电流太大2．电弧拉的太长3．焊条、焊丝角度倾斜不当在重要结构或受动载荷的结构中，一般不允许有咬边存在焊瘤在焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属瘤1．.焊接电流过大2．焊接速度太慢3．焊条角度或运条方法不正确4．焊件装配间隙太大焊瘤使承受动载荷的焊接结构强度降低，因此对焊瘤大小和长度均有限制

机械制造基础第十二章缺陷名称、特征

图例

产生的原因说明气孔焊接熔池的气泡在结晶时来不及逸出而残留下来所形成的空穴1．被焊部位和填充金属的表面有油、锈2．熔化金属凝固太快3．电弧过长，空气侵入熔池4．焊接电流过小，焊接速度太快气孔的存在，降低了焊接结构的力学性能，气孔严重时会使金属结构遭到破坏夹渣焊后残留焊缝中的熔渣1．焊件边缘及焊层之间清理不干净2．电流过小，焊速过快熔渣来不及浮起分离3．运条不正确夹渣易造成应力集中，使缝强度和冲击韧度降低，而导致裂纹的产生，因此重要结构的焊缝不允许有夹渣未焊透焊接时接头根部未完全熔透的现象1．坡口角度或间隙太小2．表面杂质未清理干净3．焊速太快，焊接电流太小，弧长过大4．焊条焊丝角度不正确不仅减小了焊缝的有效工作截面，而且易产生应力集中，降低接头强度，导致裂纹的产生而使结构破坏

机械制造基础第十二章

缺陷名称、特征

图例

产生的原因

说明热裂纹在固相线附近高温时产生裂纹，沿晶界开裂，具有氧化色泽，多发生在焊接区1．焊缝中存在低熔点共晶体等杂质2．焊接接头内存在较大应力裂纹是一种最危险的缺陷，是结构破坏的根源，所以焊接结构中不允许存在此种缺陷冷裂纹焊接接头冷却到马氏体转变温度以下产生的裂纹，有时焊后立即出现，有时焊后延迟一段时间才出现，冷裂纹常出现在母材或母材和焊缝交界的熔合线上1．焊接接头存在着淬硬组织2．扩散氢的作用3．焊接接头内存在的应力过大

机械制造基础第十二章

第七节热切割

利用热能使材料分离的方法称热切割。热切割方法有气割、氧熔剂切割、等离子弧切割、激光切割。目前生产中应用气割、等离子弧切割较为普遍。一、气割气割时，由于使用的预热火焰不同，可将其分为：氧乙炔切割、氧丙烷(液化石油气)切割和氧甲烷(天然气)切割三种方法。

(一)气割原理气割是利用气体火焰的热能，将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧气流，使金属燃烧，并放出热量而实现切割的方法。

机械制造基础第十二章低碳钢气割分三个阶段，如图12-40所示。

①预热利用预热火焰，将起割处金属预热到该金属的燃点温度。②燃烧对已经预热到燃点温度的金属喷出高速切割氧流，使金属在纯氧中剧烈地燃烧。③吹渣燃烧的金属表面氧化后，生成熔渣，并产生很高的热量，熔渣被高速氧气流吹除，使金属分离，产生的热量又将下层金属加热至燃点，使气割不断进行，随着割炬的移动，形成所需形状尺寸的割缝。

机械制造基础第十二章

(二)被气割金属的条件

(1)金属的燃点必须低于熔点，这是金属维持正常气割的最基本条件。如低碳钢的燃点为1350℃，熔点约为1500℃左右，可以进行气割。随着钢中碳的质量分数增加，其燃点升高，熔点降低，使气割难以进行。

铸铁、铝、铜的燃点高于熔点，不能采用气割。

(2)金属氧化物熔点应低于金属材料本身的熔点。这是因为氧化物的熔点低，流动性