工程材料及成形工艺基础-常用金属材料的焊接

第十九讲：常用金属材料的焊接

WeldingofMetalsinCommonUse一.金属材料焊接性

(WeldingPerformanceofMetals)二.碳素结构钢和低合金结构钢焊接

(WeldingofCarbonSteelandLowAlloySteel)三.铸铁焊补

(RemedyWeldingofCastIron)四.有色金属焊接

(WeldingofNonferrousAlloys)五.焊接新工艺(NewTechnologiesofWelding)一.金属材料焊接性

WeldingPerformanceofMetals

1．概念：金属材料接受焊接，获得优质接头难易程度。2．影响因素(Factors)1）化学成分：以钢为例，随碳和合金元素量增加，焊接性下降。2）焊接方法不同、焊条不同和工艺参数不同均会影响焊接性。3．间接评价金属材料焊接性:

A.碳当量估算法

EstimationwithCarbonEquivalent

碳当量：Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)

Ce<0.4%,焊接性良好；

Ce=(0.4-0.6)%,焊接性一般；

Ce>0.6%,焊接性很差。B.冷裂纹敏感系数法二.碳素和低合金结构钢焊接1．碳钢分类：低碳钢C<0.25%

中碳钢C=O.25%-0.6%

高碳钢C>0.6%2．低碳钢焊接

WeldingofLowCarbonSteel

碳当量小于0.4%，焊缝无淬硬和冷裂倾向，塑性好，焊接时一般无需采用辅助措施；在以下特殊情况应采用辅助措施：1）焊件厚度大于50mm或环境温度低于0℃，应预热焊件100-150℃，且去应力退火2）电渣焊厚件，应正火处理。3．中碳钢焊接

WeldingofMiddleCarbonSteel

碳含量增加，淬硬倾向增大，焊接易产生冷裂，应采用辅助措施：

1）焊前清理焊缝处油污，

并将焊件预热150-250℃；

2）细焊条、小电流、多层多道焊，以防冷裂；

3）用碱性焊条(低氢）。4．高碳钢

WeldingofHighCarbonSteel

碳含量太高，冷裂严重，以不能焊接，只能焊补，且采用中碳钢辅助措施以外，还应增加以下措施：（1）焊补前预热250-350℃，

刚度大的件应在焊补过程中保持预热；（2）焊补后缓慢冷却或回火处理。低合金结构钢焊接

WeldingofLowAlloySteel

1．概念及其焊接问题

5%以下合金元素结构钢叫低合金高强度钢。由于合金元素的影响，易形成淬硬组织或冷裂纹。

2．级别低的低合金结构钢

如16Mn，碳当量=0.4%，焊接性良好，

一般不需预热，但在以下情况应采取措施：（1）焊件厚度达32-38毫米或环境温度较低时，

应将焊件预热到100-150℃；

2）焊后退火处理。3．级别高的低合金结构钢

由于淬硬组织、冷裂倾向大，应采取以下措施：

1）焊接时应预热；

2）用碱性焊条；

3）采用多层多道焊；

4）焊后回火处理或消氢处理。

三.铸铁焊补

RemedyWeldingofCastIron1．铸铁焊接性：WeldingPerformanceofCastIron

铸铁中C、Si含量高，焊接性很差，只可以焊补。铸铁易出现：白口组织、裂纹、气孔（一氧化碳）和夹渣等。2.铸铁焊补工艺

1）热焊（HotWelding)A.概念：焊前预热焊件600-700℃以上，且在焊接过程中保持预热温度不低于400

℃，焊后缓冷（或退火）以消除焊接应力。B.采用焊条：碳、硅含量高铸铁焊条。

C.焊接方法：气焊或手弧焊（可局部预热），以碳酸钠和硼砂为熔剂。

D.应用范围：适用结构复杂、重要铸铁件

加工表面的焊补。注：热焊补可机加工，但生产率低，成本高。(2)冷焊（ColdWelding)A.概念：

焊前不预热或预热温度低于400℃。靠焊条成分改善焊接部位塑性，防止白口和裂纹。

B.焊条：钢芯：熔合区为白口，硬度高，难以机加工，

只用于非加工表面焊补。铸铁：含C、SI高，凝固形成灰口，可机加工，常用在灰铸铁件的焊补。此外，还有铜基和镍基焊条，焊后均可机加工，镍基焊条抗裂性和机加工性好，主要用于重要铸铁件加工表面的焊补。C.焊接方法：

焊补部位的大小、方位不同，用手弧焊或气焊方法，且采用小电流、分段焊和轻敲焊缝的工艺措施。

D.应用：

冷焊补适合各种位置、生产率高和劳动条件好，应用广泛，但焊补质量不如热焊补。四.有色金属焊接

WeldingofNonferrousAlloysA.铜合金焊接1．焊接铜合金易出现问题：1)气孔(Blowhole)

由于溶解度的降低，氢以分子形态析出；氧化亚铜遇氢形成水汽。2)裂纹(Cracking)

种类：热裂和冷裂。原因：1)晶界处低熔点氧化亚铜和铜的共晶物；

2)铜膨胀系数大、氢气或水汽内压力大、过热组织和高温下材料强度和塑性差。(3)过热：晶粒粗大。

此外，铜合金的焊接还会出现未熔合和变形等。

2．采取措施：

1)焊丝中加脱氧剂，防止氧化亚铜产生。（如：磷青铜焊丝中的磷是脱氧用的）

2)焊前清除焊件、焊丝和熔剂油、锈和水。

3)加大功率，消除未熔合并使氢逸出。

4)焊前预热。

5)焊后锤击焊缝。（通过再结晶退火细化晶粒）

3．焊接方法1)紫铜和青铜焊接最好用氩弧焊，以防氧化烧损；没有条件也可用手弧焊和钎焊，但不能用电阻焊。

2)黄铜焊接采用气焊。（因锌沸点为900℃，易蒸发且ZnO蒸汽有毒，采用氧化性气焊形成ZnO薄膜，阻止蒸发）或采用含硅焊丝，形成二氧化硅薄膜防止锌蒸发。B.铝及其合金焊接1．易产生问题：1)氧化形成高熔点AI2O3（2050℃，且比重大），易形成夹渣和未熔合缺陷。2)气孔（由于吸氢严重）3)裂纹和变形（由于易熔共晶的存在、膨胀系数大和高温下强度低）2．采取措施：1)去除AI2O3

通过焊丝脱氧；或氩弧焊采用直流反接或交流弧焊，以击碎AI2O3膜。(2)去除氢气1）减少氢气来源（清除焊件表面的油、锈水）；

2）降低冷却速度，以利氢的排出。3)消除热裂选择成分合适的焊丝且不要使接头过热。4)减小变形1）采用夹具；2）加快焊接速度；3）加垫板防止塌陷；4）尽可能采用能量集中的焊接方法。3．焊接方法:

最好是氩弧焊，对一般件也可采用气焊、电渣焊、电阻焊和钎焊等方法。（因氩弧焊对焊缝保护好，且氩离子可清除焊件表面的AI2O3膜）

焊接新工艺

NewTechnologiesofWelding

一、焊接新工艺分类、及发展趋势

1．分类：熔化焊：等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊压力焊：摩擦焊、扩散焊、爆炸焊2.发展趋势

新材料出现促使高能束流的焊接；改进焊接工艺提高焊接质量或生产率；利用微机控制焊接过程和机器人焊接。二、几种焊接新工艺简介

等离子弧焊真空电子束焊激光焊超声波焊摩擦焊扩散焊（一）等离子弧焊1、概念：等离子弧焊枪产生等离子弧，在保护气体（氩气）下焊接金属。（1）等离子弧实质：电离度很高的“压缩”电弧：密度105~106W/cm2，温度可达2~5万K。（2）等离子弧产生原理：

1）机械压缩效应

2）热压缩效应

3）电磁压缩效应等离子弧焊：（3）等离子弧焊特点1）能量集中：105-106W/cm2、温度达2-5万K；2）很强吹力，填充性好；3）等离子弧呈中性。

2．分类：

1）大电流（穿透法）—

利用小孔效应，不开坡口直接焊2-12.5mm焊件；单面施焊双面成形。

2）微束等离子弧焊—

电流小：30-0.1A，喷射速度和能量密度小；焊接0.025-2.5mm箔材和薄板。3、应用范围（1）大电流等离子弧：

适焊一定板厚、单面施焊双面成形的难熔金属。（2）微束等离子弧焊：

适合焊箔材和薄板；应用于航空、军工和尖端科技的铜及铜合金、钛及钛合金，如钛合金的导弹壳体、波纹管和膜盒等。（二）真空电子束焊

1．定义：利用真空内高速运动的电子束，经加速、聚焦、偏转撞击工件将动能转变为热能的焊接。2．原理：

1）加热材料，发射电子；

2）电子被电场加速；

3）用电子光学系统，将低密度电子束聚焦形成高密度电子束；

4）电子束撞击工件形成焊缝。3．电子束焊特点1）真空保护，焊接质量好。2）电子束能量密度大：106-108W/cm2，比电弧高100-1000倍。焊接速度快、焊缝深。3）变形小。4）工艺调节范围广，适应性强。如钢板0.1-300mm、铝板300mm以上。5）设备复杂、造价高，焊件大小受真空室限制。出现：（1）低真空电子束焊：比氩气纯度高（2）非真空电子束焊：电子束进入氦气室4、电子束焊的应用1）适合焊性能活泼、纯度高和极易被污染金属：铝、钛、锆、钼、铍、高合金钢和不锈钢。2）焊接已加工好的组合件：组合齿轮。3）焊接异种金属：铜-镍、钼-镍、钼-铜、钼-钨。4）宇宙飞船的修补最适宜采用电子束焊接，宇宙空间为天然真空室。5）低真空或非真空焊可实现大型结构件的焊接。（三）激光焊

激光：原子受激辐射，产生一种单色性好、方向性强、相干性强、亮度高的光束，能量密度高：1013W/cm2。1/1000秒将光能转变为热能，温度达1万℃以上，可熔化或汽化对激光有吸收能力的金属和非金属。用于焊接金属或非金属。1、分类：脉冲式和连续式两类。

按焊缝形成原理：分传热式和深穿入焊式两种。2.激光焊特点：

1）能量密度大，焊接变形小。可焊精密零件和热敏感材料。2）可达性好，用偏转棱镜或光导纤维将激光引到难以接近的部位，如真空管中电极的焊接；3）激光辐射放出能量极其迅速，生产率高，焊件不易氧化，可在各种气氛下焊接，几乎可焊所有金属与非金属；3．应用：

1）脉冲式激光焊---

适合焊电子和仪表工业微型器件：如0.2mm以上薄片、薄膜，直径0.02mm-0.2mm丝的密封焊；异种金属或材料的焊接，如集成电路外引线、密封性继电器等。

2）连续激光焊---

如CO2激光器，从薄板到50mm板的深穿入焊。（四）超声波焊1、概念：固相焊接，通过声学系统的高频弹性振动以及工件间的静压力实现焊接。2、按接头分：点焊、缝焊、环焊。3、特点及应用：（1）可焊同种或异种金属、金属与非金属及塑料间的焊接；如铝合金与铝合金、不锈钢与铝合金、金属与半导体及钼与铍等热敏感材料的焊接。（2）适于焊金属箔片、细丝以及微型器件：

0.002毫米的金箔和铝箔。

（3）焊接厚薄悬殊或多层薄片的特殊件：热电偶丝、电阻应变片及电子管灯丝等。（4）比熔化焊耗电少、变形小、联结强度高，且稳定性好。应用：在电子、电器仪表、宇航及原子能工业、冶金和机械工业得到广泛应用。（五）摩擦焊1．定义：利用工件表面相互摩擦产生的热量，将金属局部加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接。2．特点及应用

1）接头质量好、稳定；

2）生产率高，如蛇形管接头120件/h，闪光焊为20件/h；

3）成本低，节电、节省金属。

4）可焊异种金属如：铜-钢、铝-钢、钢-锆、铜-不锈钢。

5）易于机械化、自动化。应用：杆状工件，最大截面不超过20000mm2，

不能焊非