金属工艺学第四篇 焊接

第四篇焊接

2—、概述

本质利用加热或加压力等手段，借助金属原子的结合和扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。

原理

1）局部加热至熔化，通过结晶凝固而连接。2）局部加热加压至塑性状态而连接。3）通过其他物理方式获得连接效果。3

应用

广泛用于制造各种金属结构，如桥梁、船舶、密封压力容器、化工设备、机车、车辆和飞行器等。3主要章节第一章电弧焊第二章其他常用焊接方法第三章常用金属材料的焊接第四章焊接结构设计45第一章电弧焊

第一节焊接电弧焊接电弧是在电极与工件之间的气体介质中长时间的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。返回6焊接电弧

电弧电源：交流电和直流电两种。

电弧工作电压：16~35V

温度分布：弧柱区：5000~8000K

阳极区：2600K

阴极区：2400K

电弧结构：由阳极区、阴极区和弧柱区构成。7工件

阴极区2400K弧柱区6000-8000K阳极区2600K（+）（-）8焊接电源直流电源焊接时，有正接和反接两种方法。正接：将工件接到电源的正极，焊条接负极反接：将工件接到电源的负极，焊条接正极空载电压:焊接时的引弧电压，一般50V-90V.电弧电压:电弧稳定燃烧时的电压，与电弧长度有关。长度越大，电弧电压越高。16V-35V9第二节焊接接头的组织和性能一焊接工件上温度的变化与分布在焊接过程中，焊缝的形成是一次冶金过程，焊缝附近区域的金属相当于受到一次不同规范的热处理，必然产生相应的组织和性能的变化。10二、焊接接头的组织与性能焊接接头由焊缝区、热影响区构成。低碳钢焊接接头温度分布与组织1500

T,C焊缝熔合区热影响区Wc,%熔合区过热区正火区部分相变区11

热影响区（3~6mm）组织变异状况：部分相变区（Ac1~Ac3）：不完全正火或淬火，力学性能减弱。正火区（Ac3~Ac3+100~200C

）:受热正火（奥氏体化，空泠）热处理，力学性能改善。对于中碳、高碳钢、合金钢，有淬火倾向，出现马氏体，硬度脆化。熔合区温度处于固相线和液相线之间过热区（Ac3+100~200C

）:晶粒显著粗大,

形成过热组织，塑性、韧性差。12焊缝两旁相当于进行了一次不同温度规范的热处理，此称热影响区。热影响区组织变异，对焊接接头性能不利，使之脆弱，且熔焊过程中无法自动消除。三、改善焊接热影响区组织和性能的方法焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时，不经处理即可使用。重要的碳钢结构、合金钢构件或电渣焊焊接的构件，一般采用焊接后正火处理。13第三节焊接应力与变形原因

焊件局部不均匀加热和冷却，膨胀和收缩受到牵制，相关部位产生焊接应力并出现变形。ll（+）（+）（-）ll’（+）（-）（-）焊接中冷却后应力规律

焊缝区—拉应力（+）远离焊缝两侧对应边缘—压应力（-）14焊接应力的防止和消除1.结构设计时选用塑性好的材料，

避免焊缝密集交叉，避免焊缝截面过大和过长。2.在施焊时选用正确的焊接次序，

焊前对焊件预热，减少温差，

采用小能量焊接方法，

捶击焊缝。3.焊后去应力退火。15

变形规律

焊接变形越大，焊接应力减小，通过变形来平衡或释放应力，即变形总朝力图减小焊接应力的方向弯曲或扭曲。

焊接变形形式

—整体尺寸收缩、角变形、弯曲、扭曲等。16防止或减小焊接变形措施

（1）结构设计合理；对称结构，大刚度结构件（2）采用正当焊接工艺；如：刚性固定法反变形法

用夹具防止焊件变形示意图17（3）焊缝分散，不宜密集和过于交叉；焊缝设计时应尽可能对称布置。

18（4）合理安排焊接次序；对于长焊缝，可许时应分段施焊。12341—4—3—212341234561—4—5—2—3—61—2—3—419

（5）焊后矫正处理

包括机械矫正和火焰矫正。20第四节焊条电弧焊1）焊条电弧焊的焊接过程电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件和焊芯同时熔化形成熔池，同时也使焊条的药皮熔化和分解。药皮熔化后与液态金属发生物理化学反应，所形成的熔渣不断从熔池中浮起。药皮受热分解产生保护气体。焊缝质量由母材金属、焊条质量、焊前的清理速度、焊接时电弧的稳定情况、焊接参数、焊接操作技术、焊后冷却速度以及焊后热处理而决定。21第四节焊条电弧焊焊芯药皮

药皮

保证焊接顺利进行并使焊缝具有一定的化学成分和力学性能。造渣、造气（CO2）；隔离空气，保护熔池；渗入合金元素，调整成份。

焊芯作用导电、熔补金属；要求低硫、低磷、低碳；专用冶炼、轧制与拉拔而成；2）电焊条电焊条用于焊条电弧焊；电焊条由外覆药皮和中间焊芯组成；223）焊条的种类、型号与牌号按化学成分分为七大类：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。焊条型号是国家标准中的焊条代号。E4303、E5015E表示焊条；前两位数字是抗拉强度等级；第三位数字表示焊条的焊接位置。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。焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号。一般用一个大写字母和三位数字来表示。J422、23

3）焊条的种类、型号与牌号

碱性焊条药皮中碱性氧化物多。一般要求采用直流电源，焊缝塑性韧性好，抗冲击能力强。电弧不稳定，价格较高，只适宜焊接重要结构件。

按熔渣性质分：酸性焊条药皮中酸性氧化物比碱性氧化物多。适合各种电源，操作性较好，电弧稳定，成本低，但焊缝塑性韧性稍差，渗合金作用弱，不适合焊接承受动载荷的要求高强度的重要结构件。244）焊条选用原则

2.对动载或受冲击等重要零件的焊接，用碱性焊条。3.低碳钢与低合金结构钢焊接，可按异种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。4.铸钢一般选用碱性焊条，并进行预热。5.焊接不锈钢等应选用相应的专用焊条。1.满足焊缝与母材等强度要求，熔敷金属成分与母材基本一致。

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焊条工艺参数

焊接速度：保护焊透，焊缝良好前提下尽量快速施焊。

焊机空载电压：60~70V。电弧工作电压：20~35V。

焊接电流

=（30~45）d焊条（A）

焊条（焊芯）直径与被焊件厚度相当。

d件=3mm；d焊条=2.5，3mm；

d件=4~7mm；d焊条=3.2，4mm；26

第五节埋弧焊1）埋弧焊的焊接过程熔剂层下熔渣覆盖电弧；焊机带着焊丝匀速沿工件坡口移动或工件相对焊机机头移动；熔剂从漏斗中不断输送并覆盖被焊部位。大部分熔剂不熔化，可从新回收使用。27

2）埋弧焊主要特点

焊缝质量好，焊缝均匀美观；

焊接效率高。电流大，熔深大，焊接速度快，焊丝自动进给。

节省焊接材料，中厚板不开坡口，一次焊透，多余焊剂回收使用，降低了损耗。

劳动条件较好，暗弧操作，实现了机化，减少了烟尘。283）应用：平焊，长直焊缝，大直径焊缝。不适合薄板、曲线焊缝。293）埋弧焊的焊丝与焊剂焊丝的作用相当于焊芯；焊剂的作用相当于药皮。埋弧焊焊剂按照制造方法分为熔炼焊剂和陶质焊剂两大类。熔炼焊接在炉中熔炼而成，呈玻璃状，颗粒强度大，化学成分均匀，不易吸收水分，适于大量生产。高锰、中锰、低锰、无锰。陶质焊剂是非熔炼焊剂，用矿石、铁合金及粘结剂按一定比例配制成颗粒状，经300-400度干燥而成。易于添加元素，但颗粒强度较低，容易吸潮。304）埋弧焊工艺1.要求下料仔细，准备坡口和装配。2.一般平焊位置焊接，20mm以下工件，可以采用单面焊接。超过20mm，双面焊接，或开坡口单面焊接。一般加引弧板、引出板、焊剂垫和垫板。3焊接筒体对接焊缝时，工件旋转，焊丝不动，焊丝位置逆旋转方向偏离焊件中心线一定距离。31

第六节气体保护焊（氩弧焊、CO2气体保护焊）

氩弧焊分为：熔化极氩弧焊；不熔化极氩弧焊。

氩弧焊是以氩气作为保护（熔池）气体的电弧焊。高温下，Ar不电离，不熔于金属。氩弧焊质量很高。1）氩弧焊

32工件Ar+焊丝熔化极氩弧焊

以连续送进的焊丝作为电极，用氩气（纯度

99.7%）保护熔池，可供焊接厚度25mm以下的板件。33

以高熔点的钨棒（含钍和铈）为电极，钨极不熔化，只起导电和引弧作用。因通过电流有限，故适于6mm以下的薄板，多用直流焊接电源。工件Ar+V丝V焊钍钨棒或铈钨棒不熔化极氩弧焊34

特点

电弧稳定，飞溅小，没有熔渣，焊缝致密，成形美观；

熔池金属受Ar保护，明弧可见，易实现自动化，可用弧焊机器人操作；

热量集中，焊接速度快，热影响区窄，变形小；应用

适于焊接各类合金钢、不锈钢、耐热钢，非铁金属及锆、钽、钼等有色金属材料；但氩气较贵，相对成本高。35钨极脉冲氩弧焊电流的幅值按一定的频率周期变换.特点:(1)焊缝是脉冲式的熔化凝固,易于控制,可避免烧穿工件,适合于焊接0.1-5毫米的钢材或管材.实现单面焊双面成形。(2)熔池脉冲式熔化凝固,易于克服因表面张力小或自重影响所造成的焊缝偏浆与塌腰等缺陷,适合于各种位置焊接。(3)容易调节焊接参数、能量和焊缝在高温下的停留时间,适合焊接易淬火钢材和高强钢。(4)质量稳定,接头力学性能比普通氩弧焊高.36

2）二氧化碳气体保护焊

用焊丝作电极，焊丝自动送进并熔化，用CO2气体保护熔池金属，隔离空气。

CO2属于氧化性气体，电弧分解出[O]和[CO]，造成熔池金属氧化烧损、飞溅，需要高Mn、高Si焊丝，如H08MnSiA或H08Mn2SiA焊丝等。37

成本低。主要是CO2廉价易得，为埋弧焊或焊条电弧焊的40%；

生产效率高。比焊条电弧焊高1~3倍，基于送丝自动化；

明弧操作，容易及时发现质量事故并处理；

质量比焊条电弧焊稳定。热影响区域小,变形和裂纹倾向小；应用广泛用于造船和车辆制造。特点38CO2保护焊的缺点：由于CO2的氧化作用，熔滴飞溅较为严重，因此焊缝成形不够光滑。另外，容易产生气孔。药芯焊丝简介断面有O、E、T形等形状。39第七节等离子弧焊与切割等离子弧电弧焊中的一般电弧，称为自由电弧。

等离子弧是基于三种压缩效应的细小收缩电弧，使得弧柱内的气体（Ar或N2）完全电离，能量高度集中，温度高达16000K以上。工件ArH2O钨极喷嘴等离子弧原理图+-40

等离子弧的三种压缩效应：

机械压缩电弧（气体电离）通过细孔道喷嘴，弧柱受到强力压缩；

强冷压缩（热压缩）一定压力和流量的冷气而被压缩成高度集中的带电粒子流（离子和电子）；

电磁压缩带电粒子流自身磁场新生电磁力使得弧柱进一步缩小。41用于焊接，称为等离子弧焊接；用于切割，称为等离子弧切割。切割效率高。等离子弧焊接是一种具有压缩效应的氩弧焊。特点：（1）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，焊接弧度10-12mm的钢材可不开坡口，一次焊透双面成形。（2）当电流小到0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，并保持良好的挺直度和方向性，可焊接很薄的箔材。42第二章其它常用焊接方法第一节电阻焊电阻焊是利用电流通过焊件及其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。特点：需要大电流。生产效率高、焊接变形小、劳动条件好、不需另加焊接材料、操作简便、易实现机械化。但设备较复杂，耗电量大，适用的接头形式受到限制。分为点焊、缝焊、对焊三种形式。返回43一、点焊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。分流现象分流使焊接处电流减小，影响焊接质量，因此，两个焊点间应有一定距离。44一、点焊影响点焊质量主要因素：焊接电流、通电时间、电极压力及工件表面清理情况等。焊接规范：硬规范较短的时间内通以大电流。适合导热性好的金属。软规范较长的时间内通以小电流。适合淬硬倾向大的金属。电极压力

作用：保证工件紧密接触，依靠压力消除缩孔和缩松。工件厚度越大、材料高温强度越大，电极压力越大。45一、点焊接头形式采用搭接接头点焊主要适用于厚度为4mm以下的薄板、冲压结构及线材的焊接，每次焊一个点或一次焊多个点。46二、缝焊缝焊：用旋转的圆盘状滚动电极代替柱状电极。焊接时，盘状电极压紧焊件并转动（也带动焊件向前移动），配合断续通电，即形成连续重叠的焊点。焊点重合50%以上，密封性好。主要用于制造要求密封性的薄壁结构。分流现象严重。只适用于厚度3mm以下的薄板结构47

三、对焊

工件对接，电阻热来自于被焊工件整个对接面。分为电阻对焊和闪光对焊：电阻焊48三、对焊（1）电阻对焊将两个工件装夹在对焊机的电极钳口中，施加预压力使两个工件端面接触，并被压紧，然后通电。当电流通过工件和接触断面时产生电阻热，将工件接触处迅速加热到塑性状态，再对工件施加较大的顶锻力并同时断电，使接头在高温下产生一定的塑性变形而焊接起来。一般用于焊接截面形状简单、直径（或边长）小于20mm和强度要求不高的工件。49三、对焊（2）闪光对焊将工件两端稍加清理后夹在电极钳口中，接通电源并使两工件轻微接触。因工件表面不平，首先只是某些点接触，强电流通过时，这些接触点的金属即被迅速加热融化，甚至蒸发，在蒸汽压力和电磁力作用下，液体金属产生爆破，以火化形式从接触处飞出而形成闪光。此时应继续送进工件，保持一定闪光时间，待焊件端面全部被加热熔化时，迅速对焊件施加顶锻力并切断电源，焊件在压力作用下产生塑性变形而焊在一起。5051三、对焊优点：接头夹渣少，质量好，强度高。缺点：金属损耗大，需清理毛刺，费电。闪光对焊常用于对重要工件的焊接。可焊相同金属件，也可焊接一些异种金属。截面可大可小焊件截面应尽量相同。主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条的焊接。52

２、摩擦焊

摩擦焊是利用工件相对旋转于接头处摩擦生热至高温塑性状态并加压而获取焊接头。53优点:（1）焊接质量稳定，焊件尺寸精度高，接头废品率低于电阻对焊和闪光对焊。（2）适于焊接异种金属。（3）加工费用低，省电，焊件无需特殊清理。（4）操作简单，易实现机械化和自动化。缺点：设备复杂，一次性投资大。广泛用于圆形工件、棒料及管类件的焊接。54接头形式55

３、钎焊

利用熔点比焊件低的钎料作填充金属，加热时钎料溶化而将工件连接起来。

１）硬钎焊钎料熔点>450℃，接头强度>200MPa。用于硬钎焊的钎料有铜基、银基和镍基等。钎焊工作温度900~1100℃。主要用于钢质或铜类构件的焊接，如自行车架、带锯锯条以及硬质合金刀片与刀头的焊接等。

钎焊分为硬钎焊和软钎焊。56

２）软钎料钎料熔点<450℃，接头强度低，一般不超过70MPa。常用钎料是锡铅合金(熔点低于230℃)，通常称锡焊。软钎焊常用于仪表器件、导电板及铜合金焊接。比如汽车仪表、电器、铜质蜂窝散热器等。57

３）钎焊工艺要点

应用烙铁加热、火焰加热、电阻炉加热、感应加热或盐浴加热等加热方式。烙铁加热适用于软钎焊。

采用搭接或套接封闭接头。

钎接面积足够大。接头装配间隙合理，一般取0.05~0.2mm.

钎剂作用：去除被焊工件表面氧化物及杂质，改善钎料对工件表面的湿润性。

钎剂先引路。常用钎剂是氧化锌，松香（软钎焊）或硼砂、硼酸、氧化物（硬钎焊）等。58钎焊的特点：（1）工件加热温度较低，组织和力学性能变化小，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，可同时钎焊多条接缝组成的复杂形状构件，生产率高。（4）设备简单，投资费用少。接头强度低，特别是动载强度低，允许的工作温度不高，焊前清理要求严格，钎料价格较贵。第三章常用金属材料的焊接第一节金属材料的焊接性１、焊接性的概念金属材料的焊接性即获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包括两个方面：工艺焊接性主要是指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。使用焊接性主要是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其他特殊性能。焊接性可通过估算和试验方法来确定。

返回59二、钢材焊接性的估算方法用碳当量来评价对于钢材的焊接性，一般用“碳当量”。即以钢中化学成分折算成碳的影响来估计

WE＝Wc+WMn/6+(WCr+WMo+WV)/5+(WNi+WCu)/1560

根据生产经验：

当WE>0.6%时，焊接性不好。焊前预热，焊后缓冷并加热处理，以减小和消除焊接应力，改善焊后组织，以防裂纹。

当WE=0.4%~0.6%时，焊接性较差，焊前要预热，焊后要缓冷。

当WE<0.4%时，焊接性好，无明显淬硬倾向，一般情况下不至于出现焊接裂纹。61第二节碳钢的焊接一、低碳钢的焊接低碳钢焊接性好，不需要采取特殊的工艺措施，焊后也不需要进行热处理。厚度大于50mm的低碳钢结构，常用大电流多层焊，焊后进行内应力退火。低温下焊接应当进行焊前预热。低碳钢可用各种方法进行焊接。62二、中、高碳钢的焊接中碳钢随着含碳量的增加，淬硬倾向越加明显，焊接性逐渐变差。中碳钢焊接特点：（1）热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。（