连接成形(电弧焊)

2023/12/151第三章连接成形§3.1熔焊成形基础§3.2电弧焊§3.3其它焊接方法

§3.4常用金属材料的焊接

§3.5焊接件的结构工艺性

§3.6胶接

2023/12/152第三章连接成形§3.1熔焊成形基础一、焊接电弧与电弧冶金过程二、焊接接头的组织和性能三、焊接应力与变形四、常用电弧焊方法五、焊接缺陷与检验

2023/12/153常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械联接等。焊接：通过加热或加压，或两者同时并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体。分类如下：

熔焊将焊接处加热熔化、冷却结晶后形成不可分离的整体。

(气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊)压焊在焊接过程中无论加热与否，均需要加压的焊接方法。

(电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、爆炸焊)钎焊采用熔点低于被焊金属的钎料（填充金属）熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。§1熔焊成形基础2023/12/154

焊接生产的特点：(1)节省金属材料，结构重量轻。(2)以小拼大、化大为小，制造重型、复杂的机器零部件，简化铸造、锻造及切削加工工艺，获得最佳技术经济效果。(3)焊接接头具有良好的力学性能和密封性。(4)能制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。§1熔焊成形基础2023/12/155

焊接生产：应用：

在机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、航空及航天工业等应用十分广泛。不足：

焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；焊接结构中会存在焊接应力和变形；焊接接头的组织性能往往不均匀，并会产生焊接缺陷等。§1熔焊成形基础2023/12/156

一、焊接电弧与电弧冶金过程（一）焊接电弧电弧：

强烈而持久的气体放电现象；将一极为工件，另一极为填充金属丝或焊条接通电源，短暂接触并迅速分离，两极相互接触时发生短路，形成电弧；电弧形成后，只要两极之间保持一定的电位差，即可维持电弧的燃烧。§1熔焊成形基础2023/12/157

一、焊接电弧与电弧冶金过程（一）焊接电弧电弧特点：

电压低、电流大、温度高、能量密度大、移动性好

20～30V维持电弧的稳定燃烧

电流可以从几十安培到几千安培

电弧的温度＞5000K，可以熔化各种金属。电弧组成：

阴极区、阳极区、弧柱区三部分。§1熔焊成形基础2023/12/158

一、焊接电弧与电弧冶金过程（一）焊接电弧电弧组成：阴极区、阳极区、弧柱区三部分。§1熔焊成形基础2023/12/159

一、焊接电弧与电弧冶金过程（一）焊接电弧弧焊电源：两大大类：交流弧焊电源、直流弧焊电源、直流正接：[直流焊机]工件接阳极，焊条接阴极，此时工件受热大，适合焊接厚大件；直流反接：工件接阴极，焊条接阳极，此时工件受热小，适合焊接薄小工件。§1熔焊成形基础2023/12/1510

一、焊接电弧与电弧冶金过程（二）焊接冶金过程

在电弧热作用下，母材和焊条不断熔化成熔池，在高温下，液态金属、熔渣和气体会发生一系列冶金反应，与普通（冶金）炼钢过程类似，是金属再冶炼的过程。但焊接化学冶金过程又有着与一般冶炼过程不同的特点。

首先，焊接冶金温度高，液态金属会发生强烈的氧化、氮化反应和大量金属蒸发；而油、锈、水在电弧高温下分解出的氢原子可溶入液态金属中，导致接头塑性和韧度降低（氢脆），以至产生裂纹。§1熔焊成形基础2023/12/1511

一、焊接电弧与电弧冶金过程（二）焊接冶金过程

其次，在高温下会出现大量金属蒸发以及合金烧损，导致接头力学性能下降。另外，焊接熔池小，冷却快，使各种冶金反应难以达到平衡状态，焊缝中化学成分不均匀，且熔池中气体、氧化物等来不及浮出，容易形成气孔、夹渣等缺陷，甚至产生裂纹。§1熔焊成形基础2023/12/1512

一、焊接电弧与电弧冶金过程（二）焊接冶金过程

为了保证焊缝的质量，通常会采取以下措施：

（1）对熔化金属进行机械保护，使之与空气隔开。保护方式：气体保护、熔渣保护和气-渣联合保护。（2）对焊接熔池进行冶金处理，主要通过在焊接材料（焊条药皮、焊丝、焊剂）中加入一定量的脱氧剂（主要是锰铁和硅铁）和一定量的合金元素，在焊接过程中排除熔池中的FeO，并补偿合金元素的烧损。§1熔焊成形基础2023/12/1513二、焊接接头的组织和性能

焊接时电弧的高温使被焊金属局部加热熔化，同时加入填充金属（焊条或焊丝），形成金属液体熔池。当电弧移开时，由于周围冷态金属的导热，使熔池的温度迅速降低，熔池即凝固成焊缝。焊缝周围的母材金属，被电弧加热到不同温度（从室温直至熔化温度），相当于受到一次不同规范的热处理，电弧移开后又冷却下来，组织和性能发生了变化，形成热影响区。焊缝和热影响区统称为焊接接头。§1熔焊成形基础2023/12/1514二、焊接接头的组织和性能

接头由焊缝金属、熔合区和焊接热影响区组成。（一）焊缝金属的组织和性能

焊缝金属在结晶时，以熔池和母材金属交界处的半熔化金属晶粒为晶核，沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶，最后这些柱状晶在焊缝中心相接触而停止生长。由于焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。但由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用，使焊缝化学成分优于母材，所以焊缝金属的力学性能一般不低于母材。§1熔焊成形基础2023/12/1515§1熔焊成形基础2023/12/1516二、焊接接头的组织和性能（一）焊缝金属的组织和性能1－熔合区2－过热区3－正火区4－不完全重结晶区5－再结晶区§1熔焊成形基础2023/12/1517二、焊接接头的组织和性能

（二）熔合区和热影响区的组织和性能（1）熔合区液相线与固相线之间，是焊缝金属到母材金属的过渡区域，宽度0.1～0.4mm。焊接时，该区内液态金属与未熔化的母材金属共存，冷却后，其组织为部分铸态组织和部分过热组织，化学成分和组织极不均匀，是焊接接头中力学性能最差的薄弱部位。（2）过热区温度在固相线至1100℃之间，宽度约1～3mm。焊接时，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧性明显下降§1熔焊成形基础2023/12/1518二、焊接接头的组织和性能

（二）熔合区和热影响区的组织和性能（3）正火区在1100℃～Ac3之间，宽约1.2～4.0mm。焊后空冷使该区的金属进行了正火处理，故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，力学性能优于母材。（4）不完全重结晶区也称部分正火区，温度在Ac3～Ac1之间。焊接时，只有部分组织转变为奥氏体；冷却后获得细小的铁素体和珠光体，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。§1熔焊成形基础2023/12/1519二、焊接接头的组织和性能

（二）熔合区和热影响区的组织和性能（5）再结晶区温度在Ac1～450℃之间。只有焊接前经过冷塑性变形的母材金属，才会在焊接过程中出现再结晶现象。该区域金属的力学性能变化不大，只是塑性有所增加。如果焊前未经冷塑性变形，则热影响区中就没有再结晶区。

一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。影响热影响区宽度的因素有加热的最高温度、相变温度以上的停留时间等。如果焊件大小、厚度、材料、接头形式一定时，焊接方法的影响也很大。§1熔焊成形基础2023/12/1520§1熔焊成形基础2023/12/1521二、焊接接头的组织和性能

（三）改善焊接接头组织和性能的措施

由于按等强度原则选择焊条，所以焊缝金属的强度一般不低于母材，其韧性也接近母材，只有塑性略有降低，而焊接接头上塑性和韧度最低的区域在熔合区和过热区，这主要是由于粗大的过热组织所造成的；又由于在这两个区域，拉应力最大，所以它们是焊接接头中最薄弱的部位，往往成为裂纹发源地。§1熔焊成形基础2023/12/1522二、焊接接头的组织和性能

（三）改善焊接接头组织和性能的措施（1）使热影响区的冷却速度适当。对低碳钢，用细焊丝、小电流、高焊速，可提高接头韧度，减轻接头脆化；对易淬硬钢，在不出现硬脆马氏体时适当提高冷却速度，可以细化晶粒，有利于改善接头性能。（2）采用多层焊，利用后层对前层的回火作用，使前层的组织和性能得到改善。（3）进行焊后热处理。焊后进行退火或正火处理可以细化晶粒，改善焊接接头的力学性能。

§1熔焊成形基础2023/12/1523三、焊接应力与变形

焊接应力和变形的存在会降低结构的使用性能，引起结构形状和尺寸的改变，影响结构精度，甚至会引起焊接裂纹，造成事故，还会影响到焊后机械加工的精度。减小焊接应力和变形，可以改善焊接质量，大大提高焊接结构的承载能力。（一）焊接应力和变形产生的原因

原因：焊接过程中对焊件的不均匀加热和冷却。§1熔焊成形基础2023/12/1524三、焊接应力与变形

（一）焊接应力和变形产生的原因

原因：焊接过程中对焊件的不均匀加热和冷却。图3-3低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成

（a）焊接中

（b）冷却后§1熔焊成形基础2023/12/1525三、焊接应力与变形

（一）焊接应力和变形产生的原因常见焊接变形的基本形式：

收缩变形

角变形

弯曲变形

扭曲变形波浪变形

§1熔焊成形基础2023/12/1526三、焊接应力与变形

（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施1．焊前预热预热减小焊件上各部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，从而减小焊接应力和变形,预热温度一般为400℃以下。2．选择合理的焊接顺序

1）尽量使焊缝能自由收缩，

这样产生的残余应力小§1熔焊成形基础2023/12/1527三、焊接应力与变形

（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施2．选择合理的焊接顺序2）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，

这样加热时间短、温度低

且分布均匀，可减小焊接

应力和变形。

§1熔焊成形基础2023/12/1528三、焊接应力与变形（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施3.加热减应区铸铁补焊时，在补焊前可对铸件上的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力。被加热的部位称为减应区，这种方法叫做加热减应区法，如图3-7所示。利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。

§1熔焊成形基础2023/12/1529三、焊接应力与变形（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施3.加热减应区§1熔焊成形基础2023/12/1530三、焊接应力与变形（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施4．反变形法焊接前预测焊接变形量和变形方向，在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到抵消焊接变形的目的。§1熔焊成形基础2023/12/1531三、焊接应力与变形（二）预防和减小焊接应力和变形的工艺措施5．刚性固定法利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形，如图3-9所示。该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构

§1熔焊成形基础2023/12/1532三、焊接应力与变形

（三）消除焊接应力和矫正焊接变形的方法1．消除焊接应力的方法（1）锤击焊缝焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。（2）焊后热处理焊后对焊件进行去应力退火，对于消除焊接应力具有良好效果。碳钢或低合金结构钢焊件整体加热到580℃～680℃，保温一定时间后，空冷或随炉冷却，一般可消除80%～90%的残余应力。对于大型焊件，可采用局部高温退火来降低应力峰值。§1熔焊成形基础2023/12/1533三、焊接应力与变形

（三）消除焊接应力和矫正焊接变形的方法1．消除焊接应力的方法（3）机械拉伸法对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑性拉伸，可以使残余应力降低。例如，压力容器在进行水压试验时，将试验压力加到工作压力的1.2～1.5倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。§1熔焊成形基础2023/12/1534三、焊接应力与变形

（三）消除焊接应力和矫正焊接变形的方法2．矫正焊接变形的措施常用的矫正方法有：（1）机械矫正利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形，如图3-10所示。这种方法适用于塑性较好、厚度不大的焊件。§1熔焊成形基础2023/12/1535三、焊接应力与变形

（1）机械矫正§1熔焊成形基础2023/12/1536三、焊接应力与变形

（三）消除焊接应力和矫正焊接变形的方法2．矫正焊接变形的措施常用的矫正方法有：（2）火焰矫正利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形。这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢。火焰矫正一般采用气焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰加热的位置和加热温度。加热温度范围通常在600℃～800℃。图3-11为T形梁上拱变形的火焰矫正方法。

§1熔焊成形基础2023/12/1537三、焊接应力与变形

（2）火焰矫正§1熔焊成形基础2023/12/1538五、焊接缺陷与检验

（一）焊接缺陷

在焊接生产过程中，由于设计、工艺、操作中各种因素的影响，往往会产生各种焊接缺陷。焊接缺陷不仅会影响焊缝的美观，还有可能减小焊缝的有效承载面积，造成应力集中引起断裂，影响焊接结构使用的可靠性。§1熔焊成形基础2023/12/1539五、焊接缺陷与检验

（一）焊接缺陷

缺陷示意图特征产生原因气孔过饱和H、N、CO，未能逸出不清洁；弧太长，保护差；规范当，冷速太快；焊前清理不当裂纹热裂：具有氧化色，多在焊缝上，焊后立即开裂冷裂：具有金属光泽，多在热影响区，可发生在焊后任何时刻热裂：母材硫、磷高；冷速太快；焊接材料选择不当冷裂：母材淬硬倾向大；焊缝含氢量高；焊接残余应力较大§1熔焊成形基础2023/12/1540五、焊接缺陷与检验

（一）焊接缺陷

缺陷示意图特征产生原因夹渣残留在焊缝中的非金属夹杂物熔渣未清干净；电流太小、速度太快；操作不当咬边焊缝和母材的交界处产生的沟槽和凹陷焊条角度和摆动不正确；焊接电流大、电弧过长§1熔焊成形基础2023/12/1541五、焊接缺陷与检验

（一）焊接缺陷

缺陷示意图特征产生原因焊瘤熔化金属流淌到焊缝区之外的母材上所形成的金属瘤电流太大、弧过长、速度太慢；焊接位置和运条不当未焊透接头的根部未完全熔透电流小、速度快；坡口角度太小、间隙过窄、钝边太厚§1熔焊成形基础2023/12/1542五、焊接缺陷与检验

（二）焊接质量检验

检验分类：破坏性检验和非破坏性检验两类。

破坏性检验：主要包括焊缝的化学成分分析、金相组织分析和力学性能试验，主要用于科研和新产品试生产；

非破坏性检验：由于不对产品产生损害，因而在焊接质量检验中占有很重要的地位。§1熔焊成形基础2023/12/1543五、焊接缺陷与检验

（二）焊接质量检验〔非破坏性检验〕常用的非破坏性检验方法：1.外观检验用肉眼或借助样板、低倍放大镜(5～20倍)检查焊缝成形、焊缝外形尺寸是否符合要求，焊缝表面是否存在缺陷，所有焊缝在焊后都要经过外观检验。§1熔焊成形基础2023/12/1544五、焊接缺陷与检验

（二）焊接质量检验〔非破坏性检验〕2．致密性检验对于贮存气体、液体、液化气体的各种容器、反应器和管路系统，都需要对焊缝和密封面进行致密性试验，常用方法如下：（1）水压工作压力的1.2～1.5倍,保持5min以上,降至工作压力,并用圆头小锤沿焊缝轻轻敲击,检查焊缝的渗漏情况。（2）气压注入压缩空气，检查渗漏位置。也可将容器放入水槽，然后向焊件中通入压缩空气，观察是否有气泡冒出。（3）煤油对不受压容器的检漏。在焊缝一侧涂上白垩粉水溶液，待干燥后，在另一侧涂刷煤油。若焊缝有穿透性缺陷，则会在涂有白垩粉的一侧出现明显的油斑。§1熔焊成形基础2023/12/1545五、焊接缺陷与检验

（二）焊接质量检验〔非破坏性检验〕3.磁粉检验用于检验焊件表面或近表面处缺陷(裂纹、气孔、夹渣等)。将焊件放置在磁场中磁化，使其内部通过分布均匀的磁力线，并在焊缝表面撒上细磁铁粉，若焊缝表面无缺陷，则磁铁粉均匀分布，若表面有缺陷，则一部分磁力线会绕过缺陷，暴露在空气中，形成漏磁场，则该处出现磁粉集聚现象。根据磁粉集聚的位置、形状、大小