第4章 金属的焊接成形

第4章 金属的焊接成形第一节概述一、焊接：通过加热或加压等手段，借助于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的工艺方法。被焊接的也可以是非金属,如塑料，用钎焊还可以把金属与非金属连接起来。

二、焊接方法根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来划分。1、熔化焊：将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。2、压焊：通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。它包括爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。3、钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料熔点低于母材熔点的情况下，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。它包括硬钎焊、软钎焊等。三、焊接的特点1、节约金属材料，产品密封性好2、以小拼大，化简单为复杂3、便于制造双金属结构缺点：焊缝处的力学性能有所降低，个别焊接方法的焊接质量检验仍有困难。

四、焊接的应用1、制造金属结构2、制造金属零件或毛坯3、连接电器导线第二节

熔化焊

利用电弧产生的热量使连接处金属局部熔化而实现连接的焊接方法。一、手工电弧焊（焊条电弧焊）

用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。特点：设备简单，操作灵活，成本低，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，是生产中应用最广的焊接方法。但焊条电弧焊时有强烈弧光和烟尘污染，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求较高，焊接质量不够稳定。应用：主要应用于单件小批量焊接碳素钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢和对铸铁件的补焊等。适宜板厚为3mm-20mm。1、焊接电弧：电极与工件之间的气体介质持久而强烈的放电现象。1）电弧的形成过程（1）焊条与工件接触短路短路时，电流密集的个别接触点被电阻热Q=I2Rt所加热，极小气隙中形成很高的电场强度。（2）提起焊条保持恰当距离在热激发和强电场作用下，负极发射电子并作高速定向运动，撞击中性分子和原子使之激发或电离，发出光和热。

2）电弧的构造与温度分布电弧由三部分构成，即阴极区、阳极区和弧柱区

序号项目阴极区阳极区弧柱区1正接时所处位置焊条端头白热区工件熔池上的薄亮区气隙间2所进行的物理过程①发射电子；②正离子撞击焊条、端头熔化金属的白亮区、与表面电子复合放出热和光。①电子撞击工件熔池的薄亮区，并与正离子复合放出光和热；②撞击个别电子和正离子；③无发射电子任务，不消耗大量能量。①电子和正离子不断形成和复合；②带电粒子在电场作用下作定向运动；③释放强烈的光和热。3产生的热量（%）36%，熔化焊条热量的主要来源43%，熔化工件金属热量的主要来源21%，不是焊接热量的主要来源4平均温度（K）240026006100电弧的温度分布3）电弧稳定燃烧的条件（1）应有符合焊接电弧电特性要求的电源。

a）应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；b）电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；c）焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；d）焊接电流应能灵活调节，以适应不同的焊件及焊条的要求。（2）做好清理工作，选用合适药皮的焊条。（3）防止偏吹（焊接过程中，因气流的干扰、磁场的作用或焊条偏心的影响，使电弧中心偏离电极轴线的现象）。

4）电极的极性在焊接中，采用直流电焊机时，有正接和反接两种方法。（1）正接——焊件接电源正极，焊条接负极。一般焊接作业均采用正接法（2）反接——焊件接电源负极，焊条接正极。焊接薄板时，为了防止烧穿，一般采用反接法

大量使用的是交流电弧焊设备，不存在极性问题。2、焊条电弧焊的焊接过程1）焊接过程2）焊条电弧焊加热特点（1）局部加热温度高。焊缝附近金属受热极不均匀，可能造成工件变形、产生残余应力，组织转变与性能变化不均匀。（2）加热速度快（1500度/秒），温度分布不均匀，可能出现在热处理中不应出现的组织和缺陷。（3）热源是移动的，加热和冷却的区域不断变化。3、电弧焊的冶金特点（1）反应区温度高（2000K），使合金元素强烈蒸发和氧化烧损。（2）金属熔池体积小，处于液态的时间很短（10s），导致化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出而易产生气孔和夹渣等缺陷。4、焊条1）焊条的组成手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。（1）焊芯作用①作为电弧焊的一个电极，与焊件之间导电形成电弧；②在焊接过程中不断熔化，并过渡到移动的熔池中，与熔化的母材共同结晶形成焊缝；（2）焊条药皮①药皮的作用a）对熔池造成有效的气、渣联合保护；b）使熔池内金属液脱氧、脱硫并向熔池金属中渗合金，提高焊缝的力学性能；c）起稳弧作用，以改善焊接的工艺性。

②药皮的组成a）稳弧剂：主要是易于电离的钾、钠、钙的化合物。b）造渣剂：形成熔渣覆盖在熔池表面，不让大气侵入熔池，且起冶金作用。c）造气剂：分解出CO和H2等气体包围在电弧和熔池周围，起到隔绝大气、保护熔滴和熔池的作用。d）脱氧剂：主要应用锰铁、硅铁、钛铁、铝铁和石墨等，脱去熔池中的氧。e）合金剂：主要应用锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钒铁和钨铁等铁合金。f）粘结剂：常用钾、钠水玻璃。（3）焊条药皮的种类a）酸性焊条——药皮中含有多量酸性氧化物，如SiO2、TiO2、Fe2O3等。b）碱性焊条——药皮中含有多量碱性氧化物，如CaO、FeO、MnO、Na2O、MgO等。

2）焊条的种类和型号焊条共分为十大类：结构钢焊条（J）、低温钢焊条（W）、钼和铬钼耐热钢焊条（R）、不锈钢焊条（B）、堆焊焊条（D）、铸铁焊条（Z）、镍及镍合金焊条（N）、铜及铜合金焊条（T）、铝及铝合金焊条（L）和特殊用途焊条（TS）。型号：EXX

XX

焊条种类

溶敷金属σb

电源种类及药皮类型

第三位数字表示焊接位置，"0"及"1"表示焊条适用于全位置（平焊、立焊、横焊、仰焊）焊接，"2"为平焊及平角焊，"4"表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。J422：

结构钢焊条，焊缝抗拉强度不低于420MPa，2型药皮，交直流；3）焊条的选用原则（1）低碳钢和低合金钢构件，一般要求焊缝金属与母材等强度，可根据钢材强度等级来选用相应的焊条；异种钢焊接，按强度等级较低的钢材选用焊条。（2）对焊缝的塑性、冲击韧性、抗裂强度或低温性能要求较高时，应选用碱性焊条，否则选用酸性焊条；（3）焊接铸钢件时，一般应选用碱性焊条；（4）焊接特种钢时，应选用专业焊条。保证焊缝金属的主要化学成分及性能与母材相同；（5）根据焊接结构的使用条件选择焊条药皮的类型；熔合区过热区部分相变区正火区5、焊接接头的金属组织和性能的变化1）焊件上温度的变化与分布2）焊接接头处组织与性能的变化经历了一次冶金过程！散热快，药皮保护且渗合金，性能一般不低于母材受到不同规范的热处理组织性能最差比淬火组织脆性还大正火处理晶粒细化晶粒大小不均匀3）焊接接头的主要缺陷（1）气孔：熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸出而形成的空穴。防止措施：a）烘干焊条，仔细清理焊件的待焊表面及附近区域；b）采用合适的焊接电流，正确操作。（2）夹渣：焊后残留在焊缝中的熔渣。预防措施：a）仔细清理待焊表面；b）多层焊时层间要彻底清渣；c）减缓熔池的结晶速度。

（3）焊接裂纹

热裂：焊接过程中，焊接接头的金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。预防措施：减小结构刚度、焊前预热、减小合金化、选用抗裂性好的低氢型焊条等。

冷裂：焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。预防措施：a）用低氢型焊条并烘干、清除焊件表面的油污和锈蚀；b）焊前预热、焊后热处理。

中间散热！形成拉应力6、焊接应力与焊接变形1）焊接应力与变形的根本原因：焊接时局部加热不均匀2）焊接变形的基本形式横向收缩和纵向收缩角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形3）防止与减小焊接变形的工艺措施（1）反变形法:焊前使焊件处于反变形位置,以抵消焊后变形

平板焊的反变形(a)焊前反变形（b）焊后（2）加余量法:工件尺寸加大0.1~0.2%

（3）刚性夹持法:将工件固定夹紧,或点焊在工作台上。适于塑性好的低碳钢件。

（4）选择合理的焊接工艺

X型坡口焊接次序(a)合理(b)不合理梁的焊接次序4）减小焊接应力的工艺措施（1）选择合理的焊接顺序（2）预热法（3）焊后退火处理

二、埋弧自动焊

电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，称为埋弧焊。埋弧焊的引弧、焊条送进一般均由自动装置完成，因此又称为埋弧自动焊。1、埋弧自动焊的焊接过程

焊机头将焊丝自动送入，保证弧长。电弧在焊剂下燃烧,靠焊机移动(或工件动)。

焊剂从漏斗中不断流出，撒在焊丝前工件上,焊剂熔化成熔渣,部分未熔可回收。

埋弧焊示意图1—工件；2—焊剂；3—焊丝；4—电弧；5—熔池；6—熔渣；7—焊缝；8—渣壳焊接电流大焊丝连续中、薄件接头不开坡口电弧区保护严密气体、杂质易浮出弧光不外泄适用于平焊长直焊缝和较大直径的环形焊缝

2、埋弧自动焊的主要特点

不能立焊和仰焊3、焊丝和焊剂焊丝---相当于焊芯，具有引弧和填充金属的作用焊剂---相当于药皮，起隔离空气、保护溶池和焊缝金属及冶金作用4、埋弧自动焊的工艺特点（1）焊前准备工作要求严格；（2）焊接电流大，熔深大；（3）采用引弧板和引出板，保证引弧处和断弧处焊接质量；（4）采用焊剂垫或钢垫板，以防电流过大而烧穿焊件；（5）采用导向装置三、气体保护焊(用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊)1、氩弧焊：使用氩气作为保护气体的气体保护焊。氩气是惰性气体，可保护电极和熔化金属不受空气的有害作用。氩弧焊按所用电极的不同分为：（1）非熔化极氩弧焊电极只发射电子、产生电弧，填充金属另加。常用掺有氧化钍或氧化铈的钨极，其特点是电子热发射能力强，熔点沸点高（3700K和5800K）。（2）熔化极氩弧焊钨极氩弧焊电流小、熔深浅。中厚以上的钛、铝、铜等合金的焊接多选用高生产率的熔化极氩弧焊。氩弧焊的特点（1）可以焊接各种金属，尤其是在焊接过程中易氧化的有色金属和稀有金属；（2）电弧稳定，飞溅小，焊缝致密、美观；（3）保护中的电弧可见，便于操作，易实现全位置自动焊接；（4）热量集中，熔池小、焊接速度快，热影响区窄，工件焊后变形小。(5）焊接成本高。应用主要用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。为了防止保护气流破环，氩弧焊只能在室内进行。

2、二氧化碳气体保护焊：利用CO2作为保护气体的气体保护焊。

CO2的保护作用主要是使焊接区与空气隔离，防止空气中的氮气对熔化金属的有害作用。焊接时：2CO2=2CO+O2CO2=C+O2因此焊接是在CO2、CO、O2氧化气氛中进行的。

O2进入熔池，会使Fe、C、Mn、Si和其它合金元素氧化烧损，降低焊缝力学性能，故选用Si、Mn较高的焊丝，或合金钢焊丝。

二氧化碳气体保护焊的特点：（1）焊速高，可实现自动焊，生产率高。（2）明弧焊接，易于控制焊缝成形。（3）对铁锈敏感性小、焊后熔渣少。（4）价格低廉。（5）飞溅大，弧光强，焊缝不美观，易产生气孔。

应用适合于各种位置的焊接，目前，CO2焊已广泛普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。

第三节

其它常用焊接方法

一、电渣焊：利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。1、焊接过程固态熔剂形成渣池形成焊缝2、电渣焊的特点（1）可一次焊成很厚的焊件。（2）生产率高，成本低。（3）焊缝金属比较纯净。（4）适于焊接中碳钢与合金结构钢。（5）焊缝区高温停留时间长，晶粒粗大，焊后需正火处理来细化晶粒。3、电渣焊的应用适用于板厚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。

二、等离子弧焊与切割：弧柱区的气体被完全电离为电子和离子的焊接弧1、等离子弧的概念（1）一般焊接电弧为自由电弧，电弧区只有部分气体被电离，温度不够集中。（2）

当自由电弧被压缩成高能量密度的电弧，弧柱气体被充分电离，成为只含有正离子和负离子的状态时，即出现物质的第四态——等离子体。等离子弧具有高温（15000~30000K）、高能量密度（480千瓦/厘米2）和等离子流高速运动（可数倍于声速）的特点，具有三种压缩效应a）机械压缩效应：在等离子枪中，当高频震荡引弧以后，气体电离形成的电弧通过焊嘴细小喷孔，受到喷嘴内壁的机械压缩。b）热压缩效应：由于喷嘴内冷却水的作用，使靠近喷嘴内壁处的气体温度和电离度急剧降低，迫使电弧电流只能从弧柱中心通过，使弧柱中心电流密度急剧增加，电弧截面进一步减小，对电弧产生第二次压缩。c）电磁收缩效应：由于弧柱电流密度大大提高而伴生的电磁收缩力使电弧得到第三次压缩。三种压缩效应，使等离子弧直径仅有3mm左右，且能量密度、温度及气流速度大为提高。气体电离形成机械压缩效应被冷却的氩气产生热压缩效应气体电离带电粒子流形成电磁收缩效应2、等离子弧焊的特点（1）能量密度大，温度梯度大，热影响区小，可焊接热敏感性强的材料或制造双金属件。（2）电弧稳定性好，焊接速度高，可用穿透式焊接，使焊缝一次双面成型，表面美观，生产率高。（3）气流喷速高，机械冲刷力大，可用于焊接大厚度工件或切割大厚度不锈钢、铝、铜、镁等合金。（4）电弧电离充分，电流下限达0.1A以下仍能稳定工作，适合于用微束等离子弧（0.2~30A）焊接超薄板（0.01~2mm），如膜盒、热电偶等。3.应用：等离子弧焊接已应用日益广泛，特别是国防工业和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封接及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。三、真空电子束焊：利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，形成焊缝工作原理交流电加热灯丝直流高压阴极阳极发出电子集聚电子束不开坡口，不用焊丝、焊剂等。保证焊缝金属，高纯度，内部熔合好，无气孔、无夹渣。参数调节范围宽控制灵活，适应性强。热源密度大，焊缝宽深比大。无焊接变形，不产生裂纹。真空电子束真空电子束焊的特点真空电子束焊的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。四、激光焊：以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。激光焊的特点：（1）激光焊能量密度大，作用时间短，热影响区和变形小，可在大气中焊接，而不需气体保护或真空环境。（2）激光束可用反光镜改变方向，焊接过程中不用电极去接触焊件，因而可以焊接一般电焊工艺难以焊到的部位。（3）激光可对绝缘材料直接焊接，焊接异种金属材料比较容易，甚至能把金属与非金属焊在一起。（4）功率较小，焊接厚度受一定限制。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。

五、电阻焊---利用电流通过焊件及接触处所产生的电阻热、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。电阻焊分为：点焊、缝焊和对焊。1、点焊：将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊主要用于薄板焊接。点焊的工艺过程：（1）预压，保证工件接触良好。（2）通电，使焊接处形成熔核。（3）断电锻压，使熔核在压力作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、无裂纹的焊点。

通电、加压电阻发热---金属熔化—形成焊点。点焊的焊接原理盘状电极----压紧、拖动焊件---形成焊缝缝焊原理：2、缝焊：将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。主要用于焊接焊缝较为规则、要求密封的结构，板厚一般在3mm以下。3、对焊：使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。（1）电阻对焊：将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。

（2）闪光对焊：将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。闪光焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要清理接头的预焊表面。常用于重要焊件的焊接。可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。

对焊原理六、摩擦焊：利用焊件表面相互摩擦所产生的热量，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊的特点：（1）由于摩擦，焊件接触表面的氧化膜和杂质被清除，使焊接接头组织致密，不产生气孔和夹渣等缺陷。（2）既可焊同种金属，更适合于异种金属的焊接。（3）生产率高。摩擦焊适用于圆形截面的棒材或管材，亦可将管材焊在平板上。实心焊件截面直径为2mm-100mm，空心焊件最大外径可达几百毫米。摩擦焊原理加压（F）、摩擦（旋转）----产生热量、接头处于高温塑性----刹车----形成焊接接头焊件1七、钎焊：利用熔点比焊件低的钎料（钎丝）作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的焊件联结起来的焊接方法1、钎焊的种类根据钎料熔点不同，钎焊分为硬钎焊和软钎焊（1）硬钎焊：钎料熔点高于450℃的钎焊为硬钎焊。硬钎料有铜基、银基、铝基等合金。硬钎焊接接头强度高达490MPa，适用于受力较大及工作温度较高的工件。（2）软钎焊：钎料熔点低于450℃的钎焊为软钎焊。

常用软钎料为锡铅合金。２、钎焊的特点(1)工件加热温度较低，组织和力学性能变化很小，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确。(2)可焊接性能差异很大的异种金属，对工件厚度的差别也没有严格限制。(3)工件整体加热钎焊时，可同时钎焊多条(甚至上千条)接缝组成的复杂形状构件．生产率很高。(4)设备简单，投资费用少。但钎焊的接头强度较低，尤其是动载强度低，允许的工作温度不高，焊前清整要求严格，不适于大型构件第四节

常用金属材料的焊接

一、金属材料的焊接性1、焊接性的概念焊接性就是被焊金属材料在一定的焊接条件下获得优质焊接接头的难易程度。包括两方面：（1）

结合性能：焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性。（2）

使用性能：焊接接头对使用要求的适应性。

可焊性好：用最简单、最普遍