熔焊工艺课件

《材料成形工艺基础》授课教案间题：金属连接方法有哪几类?金属连接方法1.借助于螺栓或铆钉的机械连接法2.焊接法3.粘接法零件螺栓a)螺栓连接螺母一、概述1.何为焊接?>

利用局部加热或(和)

加压等手段，使分离的金

属通过原子的结合和扩散而形成永久性连接的工艺方法。2.焊接的本质>

焊接的本质：通过适当的物理化学过程使两个构件表面的原子接近到金属晶格距离。>金属焊接障碍：表面粗糙度、表面的氧化膜及其

他污染物。(埋弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊电阻焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊软钎焊硬钎焊封接粘接手弧焊电弧焊《气体保护焊3.焊接方法钎焊及封粘熔

焊压力焊4.焊接的主要特点：(1)节省材料，减轻质量；(2)简化复杂零件和大型零件的制造；

(3)可实现特殊结构件的生产；(4)可实现不同材料间的连接成形；5.

焊接方法的应用：(1)制造金属结构件；(2)

制造机器零件和工具；(3)修复。汽车制造无轨爬行式全位置焊接机器人系统石化建设摩天大厦的建造离不开焊接技术e)

装配好的车身送进顶盖b)

侧壁

c)

顶画电阻点焊机器人g)

车身焊接线f)车身装配线d)

前翼板送进侧壁送进底板a)底

板§10.1熔焊原理及过程§10.2焊接接头的组织与性能§10.3焊接变形和焊接应力§10,4

熔焊方法及工艺本节重点：

焊接接头的组织和性能；焊接应

力和变形。本节难点：

焊接应力与变形。第十章熔焊工艺完成焊接的方法。一

、熔焊的本质及特点1.熔化焊的本质：

小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的冶金过程。2.熔焊冶金特点①冶金反应温度高：金属烧损②冶金过程短：易出现成分偏析③冶金条件差：焊接熔池暴露，周围空气易发

生各种冶金反应10.1

熔焊原理及过程熔焊：指焊接过程中将焊件加热至熔化状态，不加压力而特点二、

熔化焊的三要素1.热源能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热

影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。2.熔池的保护可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，

并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。3.填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到

力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯(空心】和焊丝【实心】。L.热源电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。

将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧的三个区：

阴极一

弧住区

阳极阴极区、阳极区和弧柱区。

阴极区

阳极区焊接电弧的温度

(K)

和

热量

分布温度阳极区：

2600弧柱区：

6000～800阴极区：

2400图10.2焊接电弧的构成2.熔池的保护焊剂保护的效果：形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。(1)

渣保护：焊剂和电渣。焊剂是由SiO2

,MnO、MgO及CaF【

碱性药皮】等组成的硅酸盐

。>

一方面防止金属氧化和吸气；>

另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能；>同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射。a)无渣保护有渣保护氧化皮熔渣气孔熔地夹杂(2)

气保护>

用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体，并在高

温下不分解，或是低氧化

性的不溶于金属液体的双

原子气体(如Ar或CO2)。一般常用二氧化碳，重要的零件才用氩气。>

喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。质费气流中心层流层

涡流混

台区1.熔注深件(3)

渣-气联合保护利用渣的良好的冶金反应和焊缝成形特点以及气

体的优良电弧热效率和稳

弧作用，可获得良好的熔

池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。液态熔渣渣尧工使择维熔池金属熔商钢芯

药皮气体(4)酸性药皮与碱性药皮两者的性质>

酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差。>

碱性药皮中有益元素多，

能使焊接接头力学性能提高。>

碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮【液态金属含

氢过多发生裂纹】。可以提高焊缝金属的抗裂性。>碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气孔。(氧化性较强】>碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质(HF

等),因

而应注意通风。。【生成有毒物质】3.填充金属>填

满焊缝，提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，用焊丝和焊芯(填充金属)过渡合金元素。>

常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。>H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表含碳量的万分之几；A

为高级优质钢；E

代表特级优质钢。>

碳素钢丝，合金钢丝，不锈钢丝§10.2

焊接接头的组织与性能一

、焊接接头包括两部分：焊缝和热影响区。>

焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。>

热影响区---受焊接热循环的影响

，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。二、焊缝的组织和性能热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始冷却结晶，以垂直

熔合线的方式向熔池中

心生长为柱状树枝晶。低熔点物质将会被

推向焊缝最后结晶部位，

形成成分偏析。(a)

(b)熔合线

柱状晶区

熔池三

、热影响区的组织和性能1)

熔合区：>

加热温度：液固相线之间，约1490-1530℃。>组织：粗大的液态结晶组织和

过热组织。>性能：热影响区中力学性能很差的部位。2)

过热区>加热温度：1100-1490℃(

国委

相线)>

组织：粗大的过热组织。>性能：热影响区中性能最差的部

位。3)正火区加热温度：Acs-1100℃

;组织：均匀细小的F+P组织。性能：性能优于母材。4)

部分相变区>

加热温度：Ac1-Ac3

之间。>组织：部分组织转变成细小的F+P组织，部分为粗大的F,组织不均匀。>

性能：力学性能较差。小结：熔合区和过热区是焊接接实取得羽的那也，孩实的断裂往往出现在此区域。10

.

3焊接应力和焊接变形1.焊接应力和焊接变形的产生焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，

不能自由膨胀和收缩。产生原因：不均匀的局部加热和冷却是导致焊接应力和变形的根本原因。2.焊接应力与变形的危害①降低焊件结构的使用性能；②影响焊件结构的精度；③易引起焊接裂纹。危害

(-)(-)

△l′冷却后焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊

接残余变形。焊接应力和焊接变形总是同时存在。『焊缝和近缝区：产生压应力，)同时产生压缩变形。(

近缝区两侧：产生拉应力。焊缝和近缝区：产生拉应力。两侧：产生压应力。低碳钢平板对焊时焊接应力产生分析焊

接中冷却后焊接中(+)③多层焊，减小应力。锤击焊缝；⑤焊前预热可减小焊件

温差。⑥去应力退火：加热温

度为500～650℃,可

进行整体或局部去应力退火。3.焊接应力的防止及消除尽量减少焊缝数量和尺寸，并避免焊缝密集和交叉；②采用合理的焊接顺序，

尽量使焊缝自由收缩；图10.12合理的焊接顺序图10.13

多层焊示意图a)

焊接应力小b)

焊接应力大去应力退火示意图纵向收缩收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形4.焊接变形的基本形式图10.15焊接变形示意图基本形式横向收缩角变形量角变形量挠度5.焊接变形的防止和消除1)在结构设计上：尽量减少焊缝的数量和尺寸；结构设计上、合理选用焊缝的截面形状；合理地安排焊缝位置；2)在工艺上：图10

.

16反变形法示例a)

预置反变形；b)塑性预弯反变形；

e)

强制预弯反变形；

1—螺旋夹头。①反变形法；②加余量法；图10.16反变形示意图焊

前a)焊后

b)焊前焊

后c

)图10.17

刚性固定法防止角度变形示例a)

用夹具夹紧凸缘；b)

用压铁压紧薄板；1—固定夹2—压铁3—焊件4—平台5—定位焊点③刚性固定法；④合理选用焊接方

法和焊接规范；⑤

选用合理的装配

焊接顺序；图10.18

X形坡口焊接次序

a)

合理b)

不合理3)矫正焊接变形的方法机械矫正(火焰矫正矫

正

方

法a)

用压力机矫正弯曲变形b)

用辊轮矫正失稳变形b)

矫正弯曲变形a

〕矫正角变形防止措施：①限制母材和焊接材料

的低熔点杂质；②提高焊缝成形系数(即焊道的宽度与计算

厚度之比);③细化焊缝晶粒，减少

偏析；④减少焊接应力(预

热);⑤操作上填满弧坑。焊接裂纹1.热裂纹(在固相线附近高温下产生的裂纹)图10.16

提高焊缝成形系数产生的原因2.

冷型

致

(在马氏

体开始转变温度以下

产生的裂纹)产生的原因焊接接头存在淬硬组织；焊接接

头氢含量较高；较大的

焊接拉应力。最常见的冷裂纹为延迟裂纹。冷裂

纹的特征为无分支、穿晶开裂、断

口表面无氧化色等。图10.17

热影响区延迟裂纹形成过程6入

CC'①减少氢来源。用碱性焊条，要烘干，接头要清洁；②避免产生淬硬组织，如采用焊前预热、焊后缓冷的方法；③降低焊接

应力，采用合理的焊接工艺规范和焊后热处理等

；④焊后立即进行消氢处理(即加热到250℃,保温一定时间，

使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面),减少氢的危害。防止措施思考题o.*减少焊接应力考虑，拼焊如题图1所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序?试在图中标出，

并说明理由。图1、气体保护焊四、电潜焊五、等离子弧焊

电

子束焊七、激光焊10.4熔焊方法及工艺手

弧

焊理

弧

焊一、手弧焊1.手弧焊的焊接过程：a)引燃电弧b)送进焊条c)沿焊缝移动焊件焊钳选进方向弧焊机手弧焊焊接过程焊条，电极与工件接触—→产生短路电流→金属熔化、蒸发、

气化为气体，产生电子逸出和气体电离→

阴极产生热电子

发射一提起电极，形成电场→

自由电子高速飞出，撞击空隙气体使其部分电离一带电质点定向运动，相互碰撞和复合，产生大量热和弧光——形成电弧。2.焊接电弧的产生3.手弧焊的工艺：(1)直流手弧焊由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使

用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：直

流

正

接

：焊件接正极，焊条接负极(厚板、酸性焊条)直流负接：焊件接负极，焊条接正极(薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金)直流电焊机(2)交流手弧焊：50

Hz的工频交流电，两极不存在温度差。焊钳

焊条(-)工件焊钳焊条(-)筋反

接正

接工件(+)4.电

焊

条(1)电焊条的组成及作用>

组成：焊芯和药皮；>作用：焊芯一作为电极和填充金属；药皮一稳弧、造气、造渣、脱氧脱硫、渗合金等。>药皮必须含有造气剂和造渣剂。>

药皮中还应含有稳弧剂和合金剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。(2)焊条的种类和编号种

类

：结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆

焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、钛及钛合金焊条、铝及铝

合金焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条。牌号：

J×××,A×××,Z×××。>以结构钢焊条为例：J422。其

中：J——

结构钢焊条；42

——焊缝金属抗拉强度大于等于42

0MPa;2

—

—

药皮类型(钛钙型)和电源种类(交直流);

J507

——

低氢，直流。(3)按药皮熔化后熔渣的化学性质不同分为：ua)酸性焊条熔渣呈酸性，药皮中含有SiO2

、TiO2

、MnO等氧化物。缺点：氧化性强，合金元素烧损较大；脱硫能力差，氢含

量较高，焊缝金属的力学性能比碱性焊条差。优点：具有良好的工艺性(稳弧性好，易脱渣，飞溅小

等),可采用直流或交流。用于一般结构件的焊接。□b)碱性焊条熔渣呈碱性，药皮含有较多的CaCO3和CaF2。优点：焊缝金属力学性能好，抗裂性好；缺点：焊接工艺性较差，只能采用直流焊接，用于焊接重

要的结构件。(4)电焊条的选用原则①

等强度原则：适用于低碳钢和普通低合金钢构件，

一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。

同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定。②

等成分原则：适用于焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢等。焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。5.特点及应用(1)

特

点

；a)

设备简单、可靠，操作灵活；b)适用性非常广：①各种焊接位置：平焊、立焊、横焊、仰焊等；

②各种接头：对接，搭接，角接头；③各种材料和板厚；手弧焊可焊接的空间位置(2)应用：只适合于低碳钢和低合金钢；单件小批量短焊缝。④各种形状焊缝：直缝，环缝，弯曲缝。二、埋弧焊埋弧焊，多为埋弧自动焊：指利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生电弧而自动进行焊接的方法。1.焊接过程：如图所示。2.焊接设备：埋弧焊机，

控制箱和焊接小车。3.焊接材料：焊丝和焊剂。1

)

焊

丝

；作用与焊芯相同。2)焊剂：即焊接时所用的熔剂，其作用为保护焊缝和对焊缝进行脱氧和渗合金等；埋弧焊示意图MZE-1250

交、直流两用埋弧焊机埋弧焊焊丝4.埋弧焊的工艺(1)焊前准备：板厚小于14mm

时，可不开坡口；板厚为14～22

mm时，应开Y

型坡口；板厚为22～50mm

时，可开双Y型或U型坡口。Y型和双Y型坡口的角度为50°~60°。c)双型坡口b)T型坡口a)I型坡口焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和引出板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中。冷铜成型底板进行单面焊双面成型。(3)环焊缝焊接环焊缝时，焊丝起弧点应与环的中心线偏离一距离e,以防止熔池金属的流淌。

一般偏离距离为20~40

mm,

直径小

于250mm的环缝一般不采用埋

弧自动焊。一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双面焊接，也可采用打底焊

或焊剂垫或垫板。为提

高生产率，也可采用水管e)

水冷钢板(②)平板对接焊)采用锁底坡口C)采用塑板a)观面焊b

)打底焊锅炉环焊缝5

.

埋弧焊的特点①效率高，比焊条电弧焊

提高生产率5～10倍；②焊接质量高；③劳动强度低，劳动条件好；④焊丝利用率高，焊剂用量少，省工省料。①设备投资较高；②只适用于平焊位置；③不适合焊接厚度小于

1mm的薄板；④焊接检验不方便，且对

焊前准备要求高。缺点优

点6.埋弧焊的应用主要用于各种钢结构的焊接，特别适用于大批量生产的中、厚板结构的长直焊缝与较大直径的环形焊缝。压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械(行车)利惰性气体(Ar)活性气体(CO,)钨极氩弧焊氩弧焊

熔化极氩弧焊钨极脉冲氩弧焊二氧化碳气体保护焊三、气体保护焊气体保护焊，是指利用外加气体作电弧介质并保

护电弧和焊接区的电弧焊方法。保护

气体

方法(

1

)

钨

极

氩

弧

焊以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩

弧焊。1

.氩弧焊：

利用氩气保护电弧热源及焊缝区进行焊接。氩弧焊按照电极材料不同分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。1-钨极；2-导电嘴；3-铜丝网；4-喷嘴；5-进气管；

B-

焊丝;7-氩气流；8-熔池;

9-工件钨极氩弧焊示意图氩弧焊实照①明弧操作，易实现机械化和自动化；②适用于焊接厚度为6mm以下的薄板；③焊接钢件时，多采用直流正接，以减少钨极烧损；

④焊接铝、镁及其合金时，应采用交流电源或直流反点

接，以便获得“阴极破碎”作用；⑤需加填充金属。(2)熔化极氩弧焊：指用连续兼作填充金属的惰性气体保护烂①焊接电流大，生产率

高，适宜焊接厚度在25

mm

以下的中厚板；1-送丝轮；2-焊丝；3-导电喵；4-铜

丝网；5-喷嘴；6-

进气管；7-氩气流

;8-电弧；9-工伴钨极

氩弧

焊特②常采取直流反接；特

点氟弧娟焊机氨弧焊焊丝(3)氩弧焊的特点及应用①

机械保护效果很好，

焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊缝成形美观。②

电弧稳定，可实现单面焊双面成型。③

可全位置自动焊接。④

氩气贵，成本高。氩弧焊主要用于易氧化的非铁金属、稀有金属和合金钢的焊接。如铝、钛、钼、高强度合金钢和不锈钢等。2.二氧化碳气体保护焊以CO2

为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。①

CO₂

气体COz

气体密度大，高温体积膨胀大，保

护

效果好。但CO2

在高温下易分解为CO和O,

导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2

纯度要大于99.8%。②COz焊时的飞溅COz+Fe=FeO+CO个FeO

进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：FeO+C=Fe+CO生成的CO

在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。③防止飞溅的措施CO2焊常用H08Mn2SiA焊丝来进行脱氧，合金化。采用短路过渡和细颗粒过渡。为使电弧稳定，飞溅少，CO2焊采用直

流反接。采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。采用药芯焊丝。④应用CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢薄板的焊接。四、

电渣焊利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊

丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。引出板~焊丝渣池熔池滑块焊件冷却水管焊缝引入板

引弧板电渣焊过程示意图1.电渣焊的原理2.电渣焊的特点及应用：(1)特点：1)厚大截面可一次焊成，生产效率高；2)焊缝金属比较纯净；3)接头组织粗大，焊后需进行正火处理。(2)应用：广泛用于锅炉制造，重型机械和石油化工等行业。电渣焊除焊接碳钢、低合金、中合金钢和高合金钢以及

铸铁外，也可用来焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金和铜。五、等离子弧焊借助水冷喷嘴对电弧的约束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法称为等离子弧焊。1.三种压缩效应：(1)机械压缩效应：电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩；(2)

热压缩效应：

在冷气流的强迫冷却下，带电粒子流《离子和电子〉往弧柱中心集中；(3)

电磁收缩效应：弧柱带电粒子的电流线为平行电流线，相互磁场作用使电流线产生相互吸引而收缩。等离子弧温度高达24000

K以上，能量密度很高，因而可一次性熔化较厚的材料。等离子弧发生原理示意图集颜子弧惧工作录普图2.等离子弧焊接工艺(1)穿孔型等离子弧焊接在大电流(100～300

A)和大的离子气流量的工艺参

数条件下，利用穿孔焊接可在不用衬垫的情况下实现单面焊双面成形。应用：穿孔型等离子弧焊接最适用于焊接3～8mm不锈钢，12mm以下钛合金，

2-6mm低碳钢或

低合金钢，以及铜、黄铜、镍及镍基合金的对接缝。熔池焊接方向焊缝反面焊缝正面焊缝小孔(2)熔入型等离子弧焊当等离子弧的离子气流量较小时，穿孔效应消失，等离子