第八章焊接加工及应用

金属材料与热加工基础教案（章节备课）章次第八章焊接加工及应用课时安排总学时数：12理论教学时数：8实验教学时数：4习题讨论时数：教学目的与要求本章主要通过焊接加工的特点、方法的学习，掌握常用金属的焊接性能和电弧焊工艺基础知识。初步具有焊条电弧焊工艺设计，选择毛坯或零件焊接加工方法，动手操作电弧焊，焊接变形产生原因的能力。本章知识结构图示焊条电弧焊埋弧焊焊条电弧焊埋弧焊气体保护电弧焊焊接的概念电弧焊焊接的概念电弧焊气焊与气割电阻焊摩擦焊钎焊焊焊接加工及应用焊接方法焊接方法金属材料焊接金属材料焊接焊接结构工艺性生产常见问题分析焊接结构工艺性生产常见问题分析章重点与难点重点：1、焊接方法2、焊接接头的组织与性能变化难点：焊接结构工艺性教学方法手段1.教法：（1）案例引导法（2）问题法（3）小组讨论法（4）实验法2.学习法：（1）文献查阅法（2）分组合作学习法（3）自主学习法3.教学手段：多媒体、焊接操作视频。主要参考资料金属材料与热加工基础备注金属材料与热加工基础教案（课时备课）第1次课0.5学时本次重点难点重点：焊接的分类难点：焊接的特点教学内容与进程安排一、课程介绍及教学要求（5分钟）二、焊接的分类（5分钟）焊接方法的种类很多，按照焊接过程的特点通常分为熔焊、压焊和钎焊。1.熔焊熔焊是熔化焊的简称它是将两个焊件的连接部位加热至熔化状态，加入（或不加入）填充金属，在不加压力的情况下，使其冷却凝固成一体，从而完成焊接的方法。2.压焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的焊接方法，称为压焊。3.钎焊采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，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工艺方法，称为钎焊。三、焊接的特点（5分钟）焊接与铆接等其他连接方法相比，具有以下一些突出特点：（1）可减轻结构重量，节省金属材料。（2）可以制造双金属结构。例如，利用对焊、摩擦焊等方法。（3）能化大为小，由小拼大。如轮船体等的制造都是通过由小拼大实现的。（4）结构强度高，产品质量好。焊接结构的产品质量比铆接要好，目前焊接已基本上取代了铆接。（5）焊接时的噪声较小、工人劳动强度较低，生产率较高，易于实现机械化与自动化。（6）容易产生焊接应力、焊接变形及焊接缺陷等。随着焊接技术的迅速发展，焊接工艺不断完善，焊接质量及生产率不断提高，焊接生产在建筑、桥梁、船舶、航天、机械制造、电子等各个领域也将得到更广泛的应用和发展。提示：焊接是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜戈，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折，接合良好；春秋战国时期曾候乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，就是采用分段钎焊连接的；公元前3000多年埃及出现了锻焊技术。四、小结及作业布置（5分钟）备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第2次课3学时本次重点难点重点：常用的电弧焊方法：焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊难点：每种焊接方法的操作过程及特点教学内容与进程安排一、课程介绍及教学要求（5分钟）二、电弧焊（90分钟）电弧焊是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接方法。常用的电弧焊主要有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。（一）焊条电弧焊焊条电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法，是目前生产中应用最广泛、最普遍的一种焊接方法。1.焊接电弧的产生焊接电弧是由焊接电源供给的，在两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。焊接电弧产生的过程如图8-3所示。2．电弧的构造及热量分布焊接电弧由阴极区、阳极区、弧柱区三部分组成。（1）阴极区阴极区是发射电子的区域，产生的热量约占电弧总热量的36％。用低碳钢焊条焊接钢材时，阴极区的温度约为2400K。（2）阳极区阳极区是接收电子的区域，产生的热量约占电弧总热量的43％。用低碳钢焊条焊接钢材时，阳极区的温度约为2600K。（3）弧柱区是指阴极和阳极之间的气体空间区域，产生的热量约占总热量的21％，但弧柱中心散热差，温度比两极高达6000～8000K。3．电弧极性及其选用阴极区和阳极区的温度与热量不同，当采用直流电源时，有下列两种极性接法。正接—工件接电源正极，焊条接负极，如图8-5a所示，此时工件受热多，宜焊厚板大工件。反接―工件接电源负极，焊条接正极，如图8-5b所示，此时工件受热少，宜焊薄板小工件。提示：正接法和反接法的选用只适合直流电焊机，当采用交流电焊机时，因正负极不断交替变化，所以不存在正接和反接。4．焊条电弧焊焊接过程焊条电弧焊焊接过程如图8-6所示。5．焊条（1）焊条的组成与作用焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊芯起导电和填充金属的作用。通常焊接钢用的焊芯材料有：碳素结构钢、低合金结构钢和不锈钢三类。药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，对保证焊缝金属的质量和力学性能极为重要，在焊接过程中的主要作用如下：1）改善焊接工艺性。2）机械保护作用。3）冶金处理作用。（2）焊条分类、型号及牌号1）焊条的分类按照化学成分和用途可分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条焊条，其中以碳钢焊条和低合金钢焊条应用最为广泛。按照药皮性质分为酸性焊条和碱性焊条。2）焊条的型号及牌号焊条型号是国家标准中规定的焊条代号，按GB/T5117-2012、GB/T5118-2012规定，碳钢焊条型号用一个大写的英文字母和四位数字表示。如E4303、E5003、E7015等。E表示焊条，前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值（单位为kgf/mm2）；第三位数字表示焊条的焊接位置，（“0”与“1”表示全位置焊，2表示平焊，4表示立焊）；第三位、第四位数字表示药皮类型和电流种类。表8-1为几种常用碳钢焊条的型号及适用范围。焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号，一般用大写拼音字母和三个数字表示。如J422、J607等，拼音字母表示焊条的类别，前两位数字表示焊缝金属抗拉强度的最低值，单位为kgf/mm2，最后一位数字表示药皮类型和电源种类。如J表示结构钢焊条，焊缝金属抗拉强度不低于42kgf/mm2，最后一个数字2表示钛钙型药皮、直流或交流电源。表8-2所示为常用的焊条型号和牌号对照表。提示：对于特殊性能的焊条，可在焊条牌号后缀主要用途的汉字（或汉语拼音字母），如高韧压力容器用焊条有J507R；打底焊条有J507D；超低氢焊条有J507H；低尘焊条有J507DF；立向下焊条有J507X等。（3）焊条的选用结构钢焊条选用原则是要求焊缝和母材具有相同水平的使用性能。结构钢焊条选用时，主要考虑以下两点：1）选择与母材的化学成分相同或相近的焊条，焊件为碳素结构钢或低合金结构钢应选用结构钢焊条。2）选择与母材等强度焊条。根据母材的抗拉强度，按等强度原则选择相同强度等级的焊条。如Q345（16Mn）的抗拉强度约为520MPa，因此选用型号J502或J506、J507焊条。3．焊条电弧焊工艺设计基础（1）焊接接头用焊接方法将两个焊件连接起来，连接的部位称为焊接接头。1）焊接接头的形式包括焊条电弧焊在内的各种熔焊方法常用的接头形式有对接、搭接、角接和T形接等，如图8-7所示。2）坡口形式及应用根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽，称为坡口。常用的对接接头的坡口形式有I形坡口（不开坡口）、V形坡口、X形坡口、U形坡口等四种。如图8-8所示。（2）焊接位置焊接时，焊件接缝所处的空间位置称为焊接位置。按焊缝在空间位置的不同可分为平焊、立焊、横焊和仰焊，如图8-9所示。焊缝位置是否合理，对焊接接头质量和生产率影响很大，因此在焊接时，合理设计焊缝位置非常重要，一般应从以下方面考虑：便于焊接操作，避免密集交叉，避开最大应力和应力集中位置，对称布置。（3）焊接参数的选择焊接参数主要包括焊接电流、焊条直径、焊接层数、电弧长度和焊接速度等，下面主要介绍焊条直径和焊接电流的选择。1）焊条直径的选择焊条直径的大小与焊件厚度、接头形式、焊接位置、焊缝层数及接头形式有关。厚度大的工件，应选用直径较大的焊条。当用细焊条焊厚度大的工件时，常会出现焊不透缺陷；而用粗焊条焊厚度小的工件时，则容易出现烧穿缺陷。平焊时所用的焊条直径可大些，立焊时的焊条直径不超过5mm；仰焊或横焊时焊条直径不超过4mm。多层焊时，为防止焊不透，第一层焊道应采用较小直径焊条进行焊接，其余各层可根据工件厚度，选用较大直径焊条。T形接头、搭接接头散热条件比对接接头好，可选用较粗直径的焊条，以提高生产效率。2）焊接电流的选择焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流。焊接电流的选择主要取决于焊条直径（表8-3），焊条直径越大，焊接电流也越大。焊接电流太小时，会造成未焊透、未熔合等缺陷，并使生产率降低；焊接电流太大时焊条尾部要发红，部分药皮要失效或崩落，机械保护效果变差，容易产生气孔、咬边、烧穿等焊接缺陷，并使焊接飞溅加大，影响焊缝质量，因此选择焊接电流首先应在保证焊接质量的前提下，尽量选用较大的电流，以提高劳动生产率。（二）埋弧焊1.埋弧焊的焊接过程在焊接过程中电弧被焊剂覆盖，有机械装置驱制送丝和电弧移动，如图8-10所示。焊接时，自动焊机头将焊丝自动送入电弧区自动引燃并保证一定的弧长，焊剂从焊丝前面的漏斗中不断流出堆在工件表面电弧周围，电弧在颗粒状熔剂（焊剂）下燃烧，工件金属与焊丝被融化成较大体积的熔池，焊机带着焊丝自动均匀向前移动，熔池金属被电弧气体排挤向后堆积形成焊缝。2．埋弧焊的特点与应用埋弧焊与焊条电弧焊相比，优点如下：（1）焊缝质量好。焊接参数自动调整控制，焊接过程稳定。（2）生产率高。（3）成本低。一般厚度的焊件不需要开坡口等，可节约大量能源材料和工时，因此成本低。（4）劳动条件改善。埋弧焊过程已实现机械化、自动化、无可见弧光，烟尘较少。但也存在一些不足，例如焊接时电弧不可见，不能及时发现问题，接头的加工与装配要求较高，焊前准备时间长。埋弧焊主要用于焊接非合金钢、低合金高强度钢和不锈钢等材料，适于焊接较厚的大型结构件的直线焊缝和大直径环形焊缝，广泛应用于船舶、机车车辆、飞机起落架、锅炉及化工容器等设备中，如图8-11所示。（三）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，简称气体保护焊。按保护气体的不同，气体保护电弧焊分为二氧化碳气体保护焊和惰性气体保护焊（氩弧焊．氦弧焊等）两类。1．二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为保护气体的气体保护焊，如图8-12所示。二氧化碳气体保护焊具有成本低（CO2来源充足、价廉）、焊接质量好、生产率较高和操作方便等优点，常用于低碳钢和低合金结构钢的焊接，主要焊接薄板。2．氩弧焊氩气是惰性气体，不溶于液态金属。氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊，也是常用的一种惰性气体保护焊。按所用电极不同，氩弧焊分为熔化极氩弧焊和不熔化极（钨极）氩弧焊两种，如图8-13所示。氩弧焊的特点是焊缝金属纯净，成形美观，焊缝致密，焊接变形小；焊接电弧稳定，飞溅少，表面无熔渣；明弧可见，便于操作，易于实现自动化。其缺点是设备和控制系统较复杂，氩气较贵，焊接成本较高。氩弧焊常用于各类合金钢、易氧化的有色金属及合金的焊接。三、气焊与气割（10分钟）(一)气焊气焊是指利用气体火焰作为热源的焊接方法。常见的气焊是氧乙炔焊。1.气焊火焰得到三种不同性质的气焊火焰，如图8-14所示。（1）中性焰适合于焊接低中碳钢、低合金钢、紫铜、铝及其合金等。（2）氧化焰适合于焊接黄铜、镀锌铁皮等。（3）碳化焰适合于焊接高碳钢、高速钢、铸铁及硬质合金等。2.气焊过程如图8-15所示为氧乙炔焊接过程。气焊前，先调节好氧气和乙炔压力，装好焊矩。点火时，先打开氧气阀门，再打开乙炔阀门，随后点燃火焰，将火焰调节成所需要的火焰；焊接时，氧气与乙炔的混合气体在焊嘴中配成，混合气体点燃后加热焊丝和焊件的接边，形成熔池。移动焊嘴和焊丝，形成焊缝；灭火时，应先关乙炔阀门，再关氧气阀门，否则提示：气焊焊丝一般选用与母材相近的金属丝，焊接时常与焊剂配合使用。气焊焊剂用来去除焊接过程中产生的氧化物，还具有保护熔池，改善熔融金属流动的作用。3.气焊的特点气焊设备简单，不需要电源，气焊火焰易于控制，操作简便，灵活性强。气焊的焊接温度低，对焊件的加热时间长，焊接热影响区大，过热区大。但气焊薄板时不易烧穿焊件，对焊缝的空间位置也没有特殊要求。气焊常用于焊接厚度在3mm以下的薄钢板、铜合金、铝合金等，也用于焊补铸铁。气焊对无电源的野外施工有特殊的意义。（二）气割气割是利用预热火焰将被切割的金属预热到燃点，再向此处喷射氧气流，被预热到燃点的金属在氧气流中燃烧形成金属氧化物，如图8-16所示。气割的效率高、成本低、设备简单操作灵活，且不受切割厚度与形状的限制，并能在各种位置进行切割。目前，气割广泛应用于纯铁、低碳非合金钢、中碳非合金钢和普通低合金钢的切割。四、电阻焊（10分钟）电阻焊是工件组合后，通过电极施加压力，并利用电流通过接头的接触面产生的电阻热进行焊接的方法。电阻焊常分为点焊、缝焊和对焊三种。1.点焊点焊是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，如图8-17所示的一种焊接方法。点焊时，先加压使两工件紧密接触，然后接通电流。因为两工件接触处电阻最大，所以产生热量最大，电阻热将焊件搭接之处的接触点加热到局部熔化状态，形成一个熔核。断电后在压力作用下熔核结晶形成焊点，然后移动焊件或电极到新焊点。点焊主要用于不要求密封的薄板冲压壳体件的焊接，尤其是汽车、飞机薄板外壳的拼焊和装配，电子仪器、仪表、自行车等工业品都离不开点焊。点焊的工件厚度一般为0.05～6mm，有时扩大到从10μm（精密电子器件）至30mm（钢梁、框架）。2.缝焊缝焊的焊接过程与点焊相似，如图8-19所示，只是采用滚盘作电极，边焊边滚，焊件在电极之间连续送进，配合间断通电，形成连续焊点，并使相邻两个焊点重叠一部分，形成一条有密封性的焊缝。缝焊用于有气密性要求的薄板结构，如汽车油箱及管道等。缝焊分流现象严重，一般只用于板厚3mm以下的薄板结构。3.对焊对焊是对接电阻焊，按焊接过程不同分为电阻对焊和闪光对焊。（1）电阻对焊焊接过程如图8-20所示。电阻对焊操作简单，接头外形较圆滑，但焊前对工件端面加工和清理有较高的要求，否则接触面容易发生加热不均匀，产生氧化物夹杂，使焊接质量不易保证，因此，电阻对焊一般仅用端面简单、直径小于20mm和强度要求不高的焊件。（2）闪光对焊焊接过程如图8-21。闪光对焊常用于焊接受力大的重要焊件，它即可以进行同种金属焊接，也可进行异种金属焊接，如钢与铜、铝与钢对接等，常用于锚链、刀具，自行车圈、钢轨等焊接。五、摩擦焊（5分钟）摩擦焊是指利用焊件表面相互摩擦所产生的热，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。其特点是焊接变形小、质量高，能够进行全位置焊接，操作简单，无烟尘、辐射、飞溅、噪声、弧光等危害。易实现焊接自动化，生产率高，尤其适合于焊接异种材料，如铜与铝的焊接、铜与不锈钢的焊接等。六、钎焊（5分钟）钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将母材和钎料加热，使钎料熔化而母材不熔化，利用液态钎料填充接头间隙，润湿母材并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。1.钎焊的分类按所用钎料熔点不同，可把钎焊分为软钎焊和硬针焊两种。（1）软钎焊钎料熔点在450℃以下的钎焊称为软钎焊。软轩焊接头强度低，工作温度低，主要用于电子线路元件的连接等。（2）硬钎焊钎料熔点高于450℃的钎焊称为硬钎焊。硬钎焊接头强度较高，工作温度高，主要用于受力较大的钢铁、铜合金构件的焊接，如自行车架、硬质合金刀具等。钎焊的加热方法很多，如烙铁加热、气体火焰加热、电阻加热、高频加热等，如图8-22所示。2.钎焊的特点（1）尺寸精度高。钎焊时加热温度低，故钎焊金属的组织和性能变化小，变形也小。（2）钎焊可以实现性能差异大的异种金属的连接。（3）生产率高，操作简单，易于实现机械化生产，可一次同时钎焊几条焊缝。钎焊接头的承载能力与接头连接面积大小有关。通常钎焊接头为搭接接头如图8-23所示。一般通过增加接头长度（为板厚的2～5倍）来提高接头的强度。另外使焊件之间的装配间隙尽量小（约为0.05～0.2mm）,目的是增强毛细作用，增加钎料渗透能力，以增加焊件结合面积,从而提高接头的强度。七、小结及作业布置（10分钟）备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第3次课1学时本次重点难点重点：金属材料的焊接性难点：常用金属材料的焊接性教学内容与进程安排一、课程介绍及教学要求（5分钟）二、金属材料的焊接性（15分钟）1.焊接性概念金属材料的焊接性是指材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度。包括两方面内容：一是工艺性，即在一定工艺条件下，焊接接头产生工艺缺陷的作用，尤其是出现裂纹的可能性；二是使用性，即焊接接头在使用中的可靠性，包括力学性能及耐热、耐蚀等特殊性能。2.钢焊接性的评定钢材的焊接性取决于碳当量，即钢中碳及合金元素的含量。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量称碳当量，用符号WCE表示。碳钢和低合金结构钢常用碳当量来评定它的焊接性。国际焊接学会推荐的碳当量公式为在计算碳当量时，各元素的质量分数都取成分范围的上限。经验表明，碳当量愈高，裂纹倾向愈大，焊接性愈差。当WCE＜0.4％时，钢材的焊接性良好，焊接冷裂倾向小，焊接时一般不需要预热等工艺措施；WCE＝0.4％～0.6％时，钢材焊接性较差，冷裂倾向明显，焊接时需要预热和采取其他工艺措施防止裂纹产生；wCE＞0.6％时，钢材焊接性差，冷裂倾向严重，需采取较高预热温度和严格工艺措施。三、常用金属材料的焊接（20分钟）1.非合金结构钢的焊接（1）低碳钢的焊接低碳钢的碳当量较低，焊接性好，一般不需要预热，不需要其他的焊接工艺措施，即可获得优质的焊接接头。另外，低碳钢可用各种焊接方法进行焊接，只有在厚度大的结构或在0℃以下低温焊接时才考虑预热，需要将焊件预热至100～150℃。（2）中、高碳钢的焊接中碳钢的碳当量较高，焊接性比低碳钢差，因此，焊接前必须进行预热，使焊接时焊件各部分的温差较小，以减少焊接应力。如45钢焊接时，一般预热至150～250℃。另外，焊接时，应选用抗裂能力强的低氢型焊条，如E5015、E5016等，并采用细焊条、小电流、开坡口、多层多道焊，焊后要缓冷等。高碳钢焊接性更差，一般不作为焊接结构用材料。高碳钢的焊接主要是工具或刀具焊补工作。2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢由于化学成分不同，焊接性也不同。当wCE＜0.4％时，焊接性良好，一般不需要预热，是制造锅炉、压力容器等重要结构的首选材料。当板厚大于较大或环境温度较低时，焊前要预热，焊后要进行消除应力的热处理。当wCE＞0.4％时，焊接性较差，焊前需预热，焊接时要在工艺上采取一系列措施防止冷裂纹，焊后应及时进行消除应力的热处理。3.不锈钢的焊接在各类不锈钢材料中，奥氏体不锈钢应用最广。奥氏体不锈钢属于高合金钢，不能用碳当量公式评定其焊接性。其中以1Cr18Ni9为代表的不锈钢，焊接性良好，适用于焊条电弧焊、氩弧焊、埋弧焊。焊条电弧焊选用化学成分相同的奥氏体不锈钢焊条；氩弧焊和埋弧焊时，选用焊丝应保证焊缝化学成分与母材相同。4.铸铁的焊补铸铁中碳的质量分数高，硫、磷杂质含量也较多，因此，焊接性差。铸铁的焊补主要问题有两方面：一是易产生白口组织，加工困难；二是易产生裂纹，此外还易产生气孔。5.铝及其合金的焊接性铝及铝合金的焊接较为困难。铝极易生成熔点很高的氧化铝薄膜，阻碍金属融合；铝的线膨胀系数大，易变形；铝及铝合金熔化时无明显颜色变化而不易被操作者觉察，焊接时容易烧穿等。6.铜及其合金的焊接性铜及铜合金焊接性能较差。铜的导热系数很高，易焊不透；铜的线膨胀系数和收缩率大，焊接变形严重；铜在高温下易氧化产生热裂纹等。提示：焊接黄铜时易产生锌蒸发现象。蒸发的锌会在焊接区产生一层白色烟雾，不仅使焊接操作困难，而且还影响焊工身体健康。此外，锌的蒸发还使黄铜的力学性能降低。为了防止锌的蒸发可采用含硅的焊丝，因为硅氧化后会在熔池的表面形成―层氧化物薄膜，阻止了锌的蒸发。四、小结及作业布置（5分钟）备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第4次课1.5学时本次重点难点重点：1.焊接接头的组织与性能；2.焊接应力和变形难点：焊接缺陷及质量检验教学内容与进程安排一、课程介绍及教学要求（5分钟）二、焊接接头的组织与性能（10分钟）焊接接头的金属组织和性能对焊接质量有重要影响。焊接接头包括焊缝区、熔合区和热影响区三部分。1.焊缝组织和性能焊缝组织是由熔池金属结晶后得到的铸态组织。熔池中金属的结晶一般从液固交界的熔合线上开始，晶核从熔合线向两侧和熔池中心长大。由于晶核向熔合线两侧生长受到相邻晶体的阻挡，所以，晶核主要向熔池中心长大，这样就使焊缝金属获得柱状晶粒组织，如图8-25所示。2.熔合区的组织和性能熔合区既有液态金属的结晶组织，又有高温形成的粗大奥氏体组织。此区域在焊接过程中始终处于半熔化状态，该区域晶粒粗大，塑性和韧性差，化学成份不均匀，容易产生裂纹，是焊接接头组织中力学性能最差的区域。3.热影响区的组织和性能热影响区由于温度分布不均匀，可以将热影响区分为过热区、正火区和部分相变区。（1）过热区过热区是邻近熔合区外侧的区域，温度为固相线至1100℃之间。由于温度高，奥氏体晶粒急剧长大，形成过热粗晶组织。因此塑性、韧性大大降低，容易产生裂纹，也是焊接接头的一个薄弱区域。（2）正火区正火区处于过热区外侧，温度为1100℃至Ac3线之间。由于在该温度下停留时间很短，奥氏体发生重结晶转变为均匀细小的铁素体和珠光体，相当于进行了一次正火处理。因此力学性能良好，是焊接接头中力学性能最好的区域。（3）部分相变区部分相变区处于正火区外侧，温度为Ac3至Ac1线之间。部分组织进行了第二次结晶，获得细小晶粒的铁素体和珠光体，还有部分组织没有发生相变，仍然保持原始组织状态，这样，部分相变区的晶粒大小是不均匀的，因此力学性能略低于母材。三、焊接应力和变形（25分钟）工件焊接后会产生残余应力和焊接变形，对构件的制造和使用带来许多不利影响，因而必须设法加以防止和消除。（一）焊接应力与焊接变形焊接构件因焊接而产生的内应力称焊接应力，焊件因焊接而产生的变形称为焊接变形。变形是焊件自身降低其应力状态的结果，变形的表现形式与工件的截面尺寸、焊缝布置、焊接构件的组合方式及焊接接头的型式等因素有关。常见焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。焊接变形不但影响焊接结构的尺寸精度和外形美观，严重时还可能降低承载能力，甚至造成事故，所以在焊接过程中要加以控制。（二）预防和减少焊接应力与焊接变形的措施1.采用合理的结构设计焊接结构时，在保证结构有足够承载能力情况下采用尽量小的焊缝尺寸、数量；焊缝尽量对称布置；焊缝分散，避免集中。2.反变形法Y形坡口对接时，由于焊缝收缩产生变形，可用反变形法消除。焊接前将工件安放在与焊接变形相反的位置。3.刚性固定法焊前将工件各部分用夹具、刚性支撑等强制固定以防止和减小变形。但此法会产生较大的焊接应力，故只适用于塑性较好的低碳钢结构，如图8-28所示.4.合理的焊接顺序安排焊接顺序时应尽可能考虑焊件各个部分及各个方向均匀收缩，如图8-29所示，对称截面梁各焊缝要交替进行焊接，即按1、2、3、4顺序焊接。较长的焊件要采取中分分段退焊方法进行焊接，将焊件接缝划分成若干段，分段进行焊接，每段施焊时在与整条焊缝增长方向相反的方向焊接一小段。5.焊前预热，焊后处理焊前对工件预热可以减少焊件各部位温差，降低焊后冷却速度，减小残余应力和变形。焊后进行去应力退火或用锤子对红热状态下的焊缝进行均匀迅速的敲击，使之得到延伸，均可有效地减小焊接应力和变形。（三）矫正焊接变形的方法焊后对焊接变形进行矫正是必不可少的一个工序，常用的矫正焊接变形的方法有机械矫正法和火焰矫正法两大两类。1.机械矫正法利用机械力的作用使焊件变形部分恢复到焊前所要求的形状和尺寸。如图8-31所示。2.火焰矫正法对焊件的局部进行适当加热，使焊件在冷却收缩时产生新的变形，以矫正焊接时产生变形。如图8-32所示。四、焊接缺陷及质量检验（25分钟）（一）焊接缺陷常见的焊接缺陷主要有：1.裂纹焊接裂纹是危害最大的缺陷。按发生的时间不同，焊接裂纹又可分为热裂纹和冷裂纹两种。热裂纹是焊接接头冷却到固相线附近在高温时产生的裂纹，多发生在焊缝中心。冷裂纹是焊接接头冷却到300～200℃以下的低温形成的裂纹。其中有些是在焊后几小时、几天、甚至几十天才出现，这些延迟出现的裂纹称为延迟裂纹，是较普遍的形式。常用结构钢的冷裂纹一般发生在热影响区，主要出现在易淬硬的钢材，如中碳钢、合金钢和钛合金中。2.气孔熔池中的气泡在凝固前未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔，孔内多为H2或CO、N2。其产生原因主要是焊件表面清理不良、药皮受潮或保护作用不好等。3.未焊透焊接时接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。未焊透部位相当于存在一个裂纹，它不仅削弱了焊缝的承载能力，还会引起应力集中形成一个开裂源。形成该缺陷原因有：坡口角度或间隙太小，坡口不干净，焊条太粗，焊接速度过快，焊接电流太小及操作不当所致。4.咬边由于焊接参数选择不当或操作工艺不正确，沿焊缝的母材部位产生沟槽或凹陷称为咬边。5.夹渣焊后残留在焊缝中的焊渣称为夹渣。产生原因是：坡口角度小，焊件表面不干净，电流太小，焊接速度过大。预防措施是：认真清理待焊表面，多层焊时层间要彻底清渣，减缓熔池的结晶速度。6.焊瘤熔化金属流敷在未熔化焊件或凝固在焊缝上所形成的金属瘤称为焊瘤，其产生原因：焊接电流太大，电弧过长，焊接速度太慢，焊件装配间隙太大，操作不熟练，运条不当等。（二）焊接质量检验质量检验包括焊前检验、工艺过程中检验、成品检验三部分。焊前和焊接过程中对影响质量的因素进行检查，以防止和减少缺陷。成品检验是在全部焊接工作完毕后进行，常用的方法有外观检验和焊缝内部检验。外观检验是用肉眼或低倍（小于20倍）放大镜及标准焊板、量规等工具，检查焊缝尺寸的偏差及表面是否有缺陷，如咬边、烧穿、气孔、未焊透和裂纹等。焊缝内部检验是用专门仪器检查内部有否有气孔、夹渣、裂纹、未焊透等缺陷。常用的法有Ⅹ射线、Y射线和超声波探伤等。对于要求密封和承受压力的容器或管道，应进行焊热致密性检验。提示：焊接速度对焊缝厚度和焊缝宽度有明显的影响，当焊接速度增加时，焊缝厚度和焊缝宽度都大为下降。这是因为焊接速度增加时，焊缝中单位时间内输入的热量减少的缘故；焊速过大时，则易形成末焊透、咬边、焊缝粗糙不平等缺陷；焊速过小，则会形成易裂的“蘑菇形”焊缝或产生烧穿、夹渣、焊缝不规则等缺陷。五、小结及作业布置（5分钟）备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第5次课1学时本次重点难点重点：焊接结构材料的选择难点：焊缝的合理布置教学内容与进程安排一、课程介绍及教学要求（5分钟）二、焊接结构材料的选择（10分钟）在满足焊接结构使用性能的前提下，应尽可能选择焊接性好的金属材料来制造焊接结构。特别是优先选用低碳钢和普通低合金钢等材料，其价格低廉，焊接性好，焊接工艺简单，易于保证焊接质量，常用金属材料不同焊接方法的焊接性比较如表8-4。三、焊缝的合理布置（25分钟）焊缝的位置直接影响到焊件的质量和焊接过程能否顺利进行，因此，要进行合理的布置。布置焊缝位置一般时应考虑以下几点：1.应尽量采用平焊位置因为平焊操作方便，劳动条件好，生产率高，焊缝质量容易保证。2.要便于施焊在布置焊缝时，要留有足够的焊接操作空间，以满足焊接时不同的焊接工具能自如地进行焊接操作，保证焊接质量，图8-34a所示焊缝布置不合理，无法施焊，改为图8-34b所示焊缝后，操作便能顺利进行。图8-35a所示结构不合理，应改为图8-35b所示的结构。3.尽量减少焊缝长度和数量减少焊缝长度和数量，能有效地减少焊接应力和变形，减少产生焊接缺陷的几率，同时减少焊接材料消耗，降低成本，提高生产率。如图8-36a、b所示焊件用四块钢板组焊而成，有四道焊缝。若改造为图8-36c、d结构，采用型材和冲压件减少焊缝，可简化焊接工艺和减少焊接变形。4.焊缝应尽量对称布置、避免密集交叉焊接结构中，如果焊缝密集或交叉，会使热影响区反复加热，而导致金属严重过热，组织恶化，接头性能严重下降，并在焊接残余应力作用下，极易引起断裂。5.焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位焊缝应避开最大应力位置。如简支梁，最大应力部位在跨度中间，若焊缝也在图8-37a所示的跨度中间最大应力处，结构承载能力弱；应改为图8-37b所示的焊缝布置，把焊缝移到两边靠近支承点处，改善焊缝受力状况，提高横梁承载能力。又如对压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处，采用蝶形封头，如图8-38d所示的结构较合理。6.焊缝应尽量远离机械加工要求高的表面焊接结构在某些部位要求较高精度，且