《工程材料与热加工技术》课件第11章

第11章焊接11.1焊接概述

11.2焊条电弧焊

11.3其他焊接方法

11.4常用金属材料的焊接

11.5焊接结构设计

11.6焊接质量及其控制

知识窗——焊接现状及展望

自测习题

11.1焊

接

概

述

1．焊接的概念与特点焊接是指将两个物体通过加热、加压或两者并用，使原子扩散实现不可拆连接的一种工艺方法。被连接的两个物体可以是各种同类或不同类的金属、非金属，也可以是金属与非金属。目前，焊接技术已广泛应用于航空航天、石油化工、车辆、锅炉、起重设备、原子能、船舶、电子等领域。可以这样说：没有焊接技术的发展与应用，就不会有现代工业和科学技术的今天。焊接技术之所以获得如此广泛的应用，是由于它具有许多其它加工方法不具备的优点。

(1)焊接可以非常方便地将两个工件连在一起，具有操作简单、生产率高的特点。

(2)焊接是一种原子(或分子)间的连接，具有整体性好、刚度大等特点。

(3)利用焊接方法制造的毛坯，与铸造、锻造相比，具有节能、加工量少、生产率高等特点。

(4)采用焊接方法，不仅可以连接金属与金属、非金属与非金属，而且也可以连接金属与非金属。

(5)采用焊接方法，可将大型、复杂的结构分解为小零件或部件分别加工，然后通过焊接连接成整体，做到“以小拼大”。

2．焊接方法的分类

1)熔化焊接使被焊的母材局部加热熔化成液态，然后冷却结晶成一体的焊接方法称为熔化焊接。为了实现熔化焊接，必须有一个热量集中、温度足够高的加热热源。按照加热热源形式的不同，熔化焊接的基本方法分为：气焊(以氧—乙炔火焰或其它可燃气体燃烧火焰为热源)、铝热焊(以铝热剂放热反应热为焊接热源)、电弧焊(以气体导电产生的电弧热为焊接热源)、电渣焊(以焊接熔渣导电时产生的电阻热为焊接热源)、电子束焊(以高速运动的电子束流为热源)、激光焊(以单色光子束流为热源)等若干种。

其次，根据焊接过程对熔池的保护方式，可分为真空保护、气相保护、熔渣保护三种。例如，电弧焊根据保护方式就可分为埋弧焊、气体保护焊(CO2气体保护焊、氩弧焊等)等。此外，电弧焊方法还按照电极特征分为熔化极和非熔化极两大类，如钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊等。

2)压力焊接在焊接过程中，必须对焊件施加压力(加热或不加热)，以完成连接的焊接方法称为压力焊。压力的性质可以是静压力、冲击力或爆炸力等。在少数压力焊(如点焊、缝焊等)过程中，焊接区域母材也发生熔化现象，然后在压力的作用下冷却、结晶形成焊接接头，但由于突出了压力在焊接中的主导地位，通常也将其归为压力焊接。大多数压力焊情况下，母材并不熔化，属于固相焊接。为了使固相焊接容易实现，大都在加压的同时伴随加热措施，但加热温度都低于母材的熔点。压力焊接的基本方法有：冷压焊(焊接过程中不采取加热措施)、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻点焊、电阻缝焊、电阻对焊、闪光对焊等。

3)钎焊利用熔化的钎料作媒介，通过熔化钎料的润湿和毛细作用吸入或保持在两被焊件的间隙中，然后冷却结晶形成结合的连接方法称为钎焊。钎焊并没有达到原子(或分子)间的连接，所以，如果严格从焊接概念上讲，钎焊不属于真正意义上的焊接，但习惯上我们也把它列为焊接范畴。根据钎焊热源的不同，钎焊可以分为烙铁钎焊、火焰钎焊(利用氧—乙炔燃烧火焰作热源)、真空或充气感应钎焊(以高频感应电流产生的电阻热作热源)、电阻钎焊、盐浴钎焊(以高温盐浴为热源)、电阻炉钎焊(以电阻炉的辐射热为热源)等若干种。

11.2焊

条

电

弧

焊

1．焊接电弧

1)电弧的本质电弧并不是一般的燃烧现象，而是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程，是一种气体导电现象(如图11-1所示)。借助这种气体导电过程，电能转化为热能、机械能和光能。焊接时主要利用热能和机械能达到焊接金属的目的。

图11-1焊接电弧示意图

表11-1常见气体及元素的电离能El、逸出功Wy

2)电弧的构造电弧由阳极区、阴极区和弧柱区组成，如图11-1所示。阴极区是一薄层空间，其热量主要由正离子碰撞阴极和电子复合释放的位能转化来，约占电弧总热量的36%。阳极区也是一薄层空间，其热量主要由电子的动能和逸出功转化而来，约占电弧总热量的43%。弧柱区热量主要由正负离子复合时释放的电离能转化而来，约占电弧总热量的21%。阴极和阳极的温度和材料的沸点有关，钢材焊接时，阴极表面温度约2400K，阳极表面温度约2600K，而弧柱中心温度可达6000K以上。

3)焊接电弧的极性及其选用采用直流焊接电源时，由于阳极区比阴极区的温度高，热量大，实际焊接有正接法和反接法两种接极方法。正接法指工件接正极，焊条接负极；反接法正好相反。一般情况下，焊接薄板时适合用反接法，焊接厚板时适合用正接法。但采用交流焊接电源时，不存在正接与反接的区分。

2．手弧焊的焊接过程焊条电弧焊又叫手工电弧焊(或简称手弧焊)，焊接过程如图11-2所示。焊条加在焊钳上，当焊条与工件接触后，迅速将焊条提起，产生电弧，利用电弧产生的热量熔化母材和焊条形成熔池，熔池随着电弧向前运动，凝固后形成焊缝，形成的渣壳覆盖在焊缝上。

图11-2焊条电弧焊过程

1)手工电弧焊的工艺特点手工电弧焊具有以下优点：

(1)工艺灵活、适应性强。适用于碳钢、低合金高强钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等各种金属材料的平、立、横、仰各种位置以及不同厚度、结构形式的焊接。

(2)接头质量好。与气焊及埋弧焊相比，焊接接头金相组织细、热影响区小、接头性能好。

(3)设备简单、操作方便。

(4)易于通过工艺调整来控制焊接变形和改善应力。

其缺点如下：

(1)对焊工要求高。焊工的操作技术和经验直接影响焊接质量的好坏。

(2)工人劳动条件差。由于是手工焊接，工人劳动强度大，而且还要受到高温、烟尘等危害。

(3)生产率低。由于手工电弧焊一般选择的工艺参数小，焊接生产率较低。其应用范围有：造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备、起重机械、桥梁等制造维修行业。

2)手工电弧焊的工艺参数焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接质量而选择的诸物理量。选择合适的焊接工艺参数，对提高焊接质量和生产率是十分重要的。焊接工艺参数很多，在此只介绍焊接电源及极性、焊条直径、焊接电流等几个主要参数。

(1)焊接电源种类和极性选择。手工电弧焊采用的电源有交流和直流两类。通常，酸性焊条可采用交、直流两种电源。碱性焊条由于电弧稳定性差，一般只能用直流焊机，对药皮中含有较多稳弧剂的焊条，也可以使用交流焊机。

(2)焊条直径。焊条直径是指组成焊条的焊芯直径，焊条直径的选择应综合考虑焊件厚度(见表11-2)、装配间隙、焊接位置等因素。

表11-2焊条直径与厚度的关系

(3)焊接电流的选择。焊接电流是手工电弧焊最重要的工艺参数，也是焊接过程中惟一需要焊工调节的参数。焊接电流的选择主要由焊条直径、焊接位置和焊道层次来决定。焊条直径越粗，选择的焊接电流应越大。每种直径都有一个最合适的电流范围(见表11-3)。也可以根据经验公式来选择：I=(35～55)d。式中，I为焊接电流(A)；d为焊条直径(mm)。

表11-3各种直径焊条使用电流参考值

在平焊位置焊接时，可选择较大的焊接电流，而横、立、仰位置焊接时，焊接电流应比平焊小10%～20%。通常打底焊时，要使用较小的电流；为提高生产率，填充焊要使用较大的焊接电流；盖面焊时，为防止咬边，能够获得成形美观的焊缝，使用的电流要稍小些。

3．电弧焊的冶金特点在熔化焊过程中，焊接区域内的各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。这是一个极为复杂的物理化学变化过程，焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、性能以及焊接接头的某些缺陷(如气孔、裂纹等)、焊接工艺性能都有很大的影响。手工电弧焊时，系统内有三个相互作用的相，即液态金属、熔渣和电弧气氛。所以手工电弧焊焊接冶金过程就包括了气相与金属的作用(主要是氮、氢、氧对金属的作用)、熔渣与金属的作用(焊缝金属的合金化、焊缝金属的脱硫、脱磷等)等。与一般冶金过程相比，电弧焊具有如下特点：

(1)冶金温度高。焊接电弧和金属熔池的高温时合金元素大量蒸发和烧损，使焊缝金属的力学性能下降。

(2)冶金时间短、条件差。焊接熔池从形成到凝固一般为10s左右，各种反应不充分，难以大大平衡状态。同时，有害气体的侵入，形成脆性的氧化物、氮化物和气孔，焊缝金属的塑性、韧性显著下降。

为了保证焊接质量，焊接过程中通常采取：①

清除工件表面的铁锈、油污，烘干焊条等。②

造成保护气氛。利用药皮、焊剂、气体等，使熔池和外界空气隔绝。③

添加合金元素。通过药皮、焊剂等除去有害杂质，添加合金元素，获得良好的焊缝质量。

4．电焊条

1)焊条的组成

(1)焊芯。手工电弧焊时，焊芯有两个作用，一是作为电极传导电流和产生电弧，为焊接提供热量；二是受热熔化作为焊缝的填充金属，与熔化的母材熔合形成焊缝。根据被焊材料，应按照GB/T14957—94《熔化焊用钢丝》等相应标准选择相应牌号的焊丝作焊芯。通常所说的焊条直径即是指焊芯直径。我国碳钢焊条直径有1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、5.6、6.0、6.4、8.0等规格，常用3.2mm、4mm和5mm三种。

低碳钢焊芯中的含碳量，应在保证与母材基本等强度的情况下越少越好。焊芯含碳量升高，不仅会增大焊缝产生裂纹和气孔的倾向，而且使焊接过程飞溅加大，使焊接过程不稳定。低碳钢焊芯的含碳量一般应当低于0.10%。

(2)焊条药皮。焊条的性能在极大程度上取决于药皮。药皮原材料的作用归纳起来主要有：稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘结和成型等。应当指出，有时一种物质在焊条药皮中可能会同时具有几种作用，所以在设计焊条药皮配方，选择药皮原材料时，在考虑其主要作用的同时，还要考虑兼顾其次要作用。

2)焊条的分类按用途焊条可分为：①结构钢焊条：主要用于焊接碳钢和低合金高强钢；②钼和铬钼耐热钢焊条：主要用于焊接珠光体耐热钢和马氏体耐热钢；③不锈钢焊条：主要用于焊接不锈钢和热强钢，可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢焊条两大类；④堆焊焊条：主要用于堆焊，以获得具有诸如红硬性、耐磨性、耐蚀性等性能的堆焊层；⑤低温钢焊条：主要焊接在低温下工作的焊接结构，其熔敷金属具有不同的低温性能；⑥铸铁焊条：主要用于铸铁构件的焊补；⑦镍及镍合金焊条：主要用于镍及镍合金的焊接，也可用于异种金属的焊接；⑧铜及铜合金焊：主要用于焊接铜及其合金，包括纯铜焊条和青铜焊条两类；⑨铝及铝合金焊条：主要用于焊接铝及铝合金；⑩特殊用途焊条。

按药皮类型焊条可分为氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢钾型、低氢钠型、石墨型和盐基型焊条等。按焊接熔渣的酸碱度焊条分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条溶渣中含有较多酸性氧化物。焊接时焊条的焊接工艺性好，焊缝成型美观、波纹细密；碱性焊条药皮中含有较多大理石和氟石，并有较多铁合金。使用这类焊条焊接的焊缝含氢量低，故又称低氢型焊条，主要用于焊接性能要求高的重要结构。

3)焊条的国标型号与产品牌号焊条国标型号是国家标准规定的焊条代号。结构钢焊条相应的标准是GB/T5117—1995，表示方法为E××××□。E4303是酸性焊条，E5015是碱性焊条。

“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属最小抗拉强度(kgf/mm2)；第三位数字表示焊条适用的焊接位置。其中，“0”、“1”适于全位置(平、立、横、仰)焊接，“2”适合平焊和平角焊，“4”适于立向下焊；第三位和第四位组合表示焊条药皮类型及焊接电源；“□”表示附加代号。

焊条的产品牌号的编制方法：牌号最前面的字母表示焊条的大类(如结构钢焊条用“J”表示)；第一、二位数字表示各大类焊条中的若干小类，但对于结构钢焊条则表示焊缝金属的不同强度级别(单位为kgf/mm2)；第三位数字表示焊条药皮类型和适用的焊接电源种类(见表11-4)。例如，J422表示焊缝强度不小于420MPa，氧化钛钙型药皮类型，可用直流或交流电源焊接的结构钢焊条。

表11-4焊条牌号中第三位数字的含义

11.3其他焊接方法

11.3.1埋弧焊埋弧焊是一种生产效率较高的机械化焊接方法，全称为埋弧自动焊，又称焊剂层下自动电弧焊。焊接时，焊机机头上的送丝机构将焊丝送入电弧区，电弧在焊剂下燃烧，小车带动焊丝均匀沿坡口移动(或机头不动，工件运动)。在焊丝前面，焊剂从漏斗中不断流出覆盖在待焊部位。埋弧焊过程如图11-3所示。

图11-3埋弧焊的纵截面示意图

1.埋弧焊的特点埋弧焊的主要优点如下：

(1)焊接质量高。由于熔渣的保护效果好，焊缝中的含氮量和含氧量大大降低；由于自动化水平较高，对工人的技术水平要求不高，焊缝成分稳定，焊接质量高。

(2)生产效率高。一方面由于焊丝导电长度缩短，可以提高电流和电流密度；另一方面由于焊剂及熔渣的隔热作用，电弧基本没有热的辐射散失，热量集中，飞溅也小。一般不开坡口，单面一次焊接熔深可达20mm。以厚度为8～10mm钢板对接焊为例，单丝埋弧焊接速度可达30～50m/h，而手工电弧焊则只有6～8m/h。

(3)工人劳动条件好。埋弧焊的电弧是埋在焊剂下面的。当焊丝在母材上引燃电弧时，电弧热使母材、焊丝和焊剂熔化和蒸发，蒸汽形成一个气泡，电弧就在这一气泡内燃烧，所以埋弧焊的电弧不可见，没有弧光辐射。另一方面，埋弧焊由于自动化水平高，降低了工人的劳动强度。

埋弧焊的缺点如下：

(1)主要适用于水平面(或接近水平面)焊缝的焊接。由于埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成焊接及保护条件的，因此正常情况下不采取特殊工艺措施，难以实现横、立、仰焊。

(2)难以焊接氧化性强的金属。由于埋弧焊用焊剂主要是MnO、SiO2等金属及非金属氧化物，因此难以焊接铝、钛等活泼性强的金属及合金。

(3)只适用于长焊缝的焊接。由于调整时间长，设备较复杂，灵活性差，短焊缝的焊接体现不出埋弧焊生产率高的优点。

(4)不适宜薄板焊接。由于埋弧焊焊接电弧的电场强度大，电流小于100A时，电弧不稳定，因此，埋弧焊不适宜焊接厚度小于1mm的薄板。

(5)对气孔敏感性大。埋弧焊由于熔池较深，因此对气孔敏感性大。

2．埋弧焊的应用埋弧焊是现代工业制造中最常用的一种自动电弧焊方法。埋弧焊主要焊接各种钢板结构，可焊接碳素结构钢、低合金高强钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢及复合钢等。此外，用埋弧焊堆焊耐磨、耐蚀合金或焊接镍基合金及铜合金也是比较理想的。埋弧焊可以应用于造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械、冶金机械等行业中。

11.3.2气体保护焊(CO2、氩气)

1．CO2气体保护焊

CO2气体保护焊是20世纪50年代初期发展起来的焊接方法，其焊接过程如图11-4所示。在焊接过程中，焊丝在送丝机构的推动下进入焊接区，CO2气体从喷嘴中喷出，排开空气形成保护。由于CO2气体保护焊具有很多优点，迅速获得广泛应用。

图11-4CO2气体保护焊示意图

1) CO2气体保护焊的特点

CO2气体保护焊的优点如下：

(1)焊接生产率高。CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，焊接生产率可比手弧焊高1～3倍。

(2)焊接成本低。由于CO2价格便宜，加之CO2气体保护焊的焊接能耗低，因此CO2气体保护焊的焊接成本只有埋弧焊和手弧焊的一半左右。

(3)焊缝抗锈能力强。由于CO2气体高温分解出的氧原子可以与氢结合成不溶于液态金属的氢氧根离子，因此CO2气体保护焊的焊缝含氢量低，抗裂性能好。

(4)焊后不需清渣。CO2气体保护焊焊后无渣，又是明弧，便于监控。

(5)适用范围广。CO2气体保护焊可以全位置焊接；可以焊接1mm左右厚度的薄板，最厚几乎可以不受限制(多层焊)。

其缺点如下：

(1)飞溅大。CO2气体保护焊过程中，由于CO2气体的导热性好，高温分解吸热以及电弧气氛的氧化性等因素，使CO2气体保护焊焊接飞溅大。CO2气体保护焊的飞溅是由CO2气体本身的性质决定的，而且焊丝越粗，飞溅越大。

(2)合金元素的烧损严重。由于在焊接时电弧中存在着大量具有氧化性的CO2、CO和O2，因此合金元素的烧损比较严重。所以必须使用含有高合金化和脱氧剂元素的焊丝。焊接低碳钢和合金结构钢时，常用H08Mn2SiA焊丝。

2) CO2气体保护焊的应用

CO2气体保护焊主要用于焊接低碳钢、低合金钢的焊接。还可以焊接对焊缝要求不高的不锈钢。另外，CO2气体保护焊还可以用于堆焊、铸钢件的焊补以及电铆焊等。

2．钨极氩弧焊钨极氩弧焊通常又叫TIG焊或非熔化极氩弧焊，是利用氩气保护的一种气体保护焊，其焊接过程如图11-5所示。在焊接过程中，从喷嘴中喷出的氩气排开空气，在焊接区造成一个保护层，在氩气的保护下，电弧在钨极(金属钨或其合金棒)和工件之间燃烧。

图11-5钨极氩弧焊示意图

1)钨极氩弧焊的特点钨极氩弧焊具有如下优点：

(1)保护效果好，焊接质量高。氩气是惰性气体，既不与任何金属反应，也不溶于任何金属，焊接过程基本上是金属熔化和结晶的简单过程。

(2)焊接变形小。与气焊相比，钨极氩弧焊焊接电弧热量集中、温度高，所以焊接热影响区窄，焊接变形小。

(3)电弧稳定。由于氩气热导性差，对电弧的冷却作用小，因而电弧稳定。在各种气体保护焊中，氩弧的稳定性最好。

其缺点如下：

(1)成本较高。由于氩气和钨极价格高，钨极氩弧焊的焊接成本高。目前一般只用于打底焊、不锈钢和有色金属的焊接。

(2)不宜焊接厚板。由于钨极载流量有限，使电弧功率受到限制，致使焊接熔深小，焊接速度低，因此钨极氩弧焊一般只适宜焊接厚度小于6mm的工件。

(3)氩弧的紫外线强。氩弧产生的紫外线约为手工电弧焊的5～30倍，对焊工有害。

2)钨极氩弧焊的应用几乎所有的金属都可用钨极氩弧焊焊接，特别适宜焊接化学性质活泼的金属，常用于铝、镁、铜、钛及其合金、不锈钢、高温合金等的焊接。

3．熔化极氩弧焊使用熔化电极的氩弧焊叫熔化极氩弧焊，简称MIG焊。如图11-6所示，焊接过程中焊丝在送丝滚轮的作用下通向焊接区，与母材产生电弧，熔化焊丝和母材形成熔池，氩气从喷嘴中喷出形成保护。

图11-6钨极氩弧焊示意图

熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，除基本具备钨极氩弧焊的优点外，还具有以下特点：

(1)焊接生产率高。由于电极是焊丝，焊接电流可大大增加，可用于焊接厚板，焊接生产率高。

(2)可直流反接。直流钨极氩弧焊一般只能正接，基本上无法焊接铝及其合金。熔化极氩弧焊可以直流反接，焊接铝及其合金时具有良好的阴极雾化作用。

11.3.3电渣焊电渣焊是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。其焊接过程如图11-7所示，电源的一端接在电极(焊丝)上，另一端接在焊件上，电流通过电极和熔渣后再到焊件。由于熔渣电阻较大，将产生大量的电阻热，将熔渣加热到很高的温度(1700～2000℃)，高温的熔渣将热量传递给电极和焊件，使其熔化，熔化的金属由于密度大而沉在底部形成熔池，熔渣则浮于上部。随着焊接过程连续进行，下部的金属逐渐冷却结晶形成焊缝。

图11-7电渣焊示意图

1．电渣焊的特点电渣焊具有以下优点：

(1)大厚度焊件可一次焊成，且不开坡口，通常用于焊接厚度大于40mm的焊件。

(2)焊缝缺陷少。不易产生气孔、夹渣和裂纹等。

(3)焊接成本低。焊剂消耗量少，厚度越大，成本相对越低。

2．电渣焊的应用电渣焊的应用从根本上改变了重型机械、大型结构的制造和安装过程。可采用铸—焊、锻—焊代替大型铸、锻件，从而可减少大型的铸锻车间和装备。电渣焊除焊接碳钢、合金钢外，也可焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金和铜。

11.3.4电阻焊电阻焊的过程为：首先将两个焊件组合后通过电极施加压力，然后通电，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接。电阻焊又叫接触焊。电阻焊过程的物理本质是利用焊接区金属本身的电阻热和塑性变形，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点、焊缝或对接接头。

图11-8电阻焊示意图(a)对焊；(b)点焊；(c)缝焊

11.3.5钎焊

1．钎焊的特点钎焊具有以下优点：

(1)加热温度低。由于钎焊加热温度低，焊接应力和变形小，对母材的性能影响不大，并易保证焊件的尺寸。

(2)可以一次完成多零件的连接，且实现连接往往不受结构是否开敞的影响。

(3)可以实现不同金属、金属与非金属的连接。

钎焊还有以下一些缺点：(1)焊接接头的强度低，耐热能力差。(2)较多采用搭接接头形式，增加了结构重量。

2．焊接材料

(1)钎料。钎焊过程中使用的填充材料叫钎料，又叫焊料。钎焊过程对钎料的基本要求有：①

合适的熔点。钎料的熔点要低于被焊金属熔点50～60℃以上。②

良好的润湿作用。钎料必须能够润湿被焊金属，并与被焊金属发生良好的物理化学作用。③

稳定的化学成分。各成分在钎焊过程中应保持基本稳定。

常用的钎料有：锡铅钎料、银基钎料、铜基钎料、镉基钎料、铝基钎料、锰基钎料、镍基钎料和贵金属钎料等。钎料不同，适宜焊接的金属不同。

(2)钎剂。钎焊过程中使用的起保护、去膜、增加润湿性等作用的物质称为钎剂。对钎剂的基本要求有：①

钎剂的熔点要低于钎料的熔点，活化温度(积极反应的温度)也要低于钎料的熔点，同时其沸点要高于钎料熔点。②

钎剂必须具有一定的去膜能力、润湿填缝能力和覆盖能力。③

钎剂熔化后应成分稳定，对母材和钎料腐蚀性小。④

钎焊后钎剂的残渣应当容易清除。⑤

要易于保存，毒性小。

3．钎焊的分类按钎料的熔点不同，钎焊可分为硬钎焊(钎料的熔点高于450℃)和软钎焊(钎料的熔点低于450℃)。软钎焊常用的钎料是锡铅钎料、锌锡钎料，常用的钎剂有松香、氧化锌等。软钎焊适宜焊接受力不大、工作温度不高的工件。硬钎焊常用的钎料有银基钎料、铜基钎料、铝基钎料等，常用的钎剂有硼砂、氯化物、氟化物等。硬钎焊适宜机器零部件以及刀具的焊接等。

11.4常用金属材料的焊接

1．金属材料的可焊性

1)金属材料的焊接性金属材料的焊接性(或叫可焊性)就是金属是否能够适应焊接加工，从而获得优质焊接接头的难易程度。它包括两方面的内容：一是金属材料在焊接时是否容易产生焊接缺陷，即结合性能；二是焊接接头在一定的使用条件下可靠运行的能力，即实用性能。金属材料焊接性的内容是多方面的，对于不同材料、不同工作条件下的焊件，焊接性的内容不同。因此，焊接性是一个相对概念。

2)碳当量及其应用碳当量是判断钢铁材料焊接性最简便的方法之一。所谓碳当量，是指把钢种的合金元素(包括碳)的含量按其对焊接性的影响换算成碳的相当含量(常用wCE表示)，作为评价钢材焊接性的一种参考指标。国际焊接学会推荐碳钢和低合金结构钢焊接的碳当量计算公式为

式中wCE表示碳当量的质量分数；wC、wMn、wNi、wCu、wCr、wMo、wV分别表示碳、锰、镍、铜、铬、钼、钒的质量分数。

根据经验：wCE

＜0.4%时，钢材的焊接性良好，焊接时不必预热，属于易焊材料；wCE＝0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，焊接时，需要采取适当预热和控制线能量等工艺措施，属于可焊材料；wCE＞0.6%时，淬硬倾向更大，焊接时需采取较高的预热温度和严格的工艺措施，属于难焊材料。需要指出：利用碳当量来评价钢材的焊接性，只是一种近似的方法，因为并没有考虑焊接方法、焊接结构特点、焊接工艺条件等一系列因素对焊接性的影响。

2．碳钢的焊接

1)低碳钢的焊接低碳钢焊接时无淬硬倾向，也不易产生焊接裂纹，采用各种焊接方法都能获得优质的焊接接头，焊接性良好。低碳钢焊接时一般不需预热，除重要结构焊后需进行去应力退火、电渣焊结构焊后需进行正火处理外，一般均不需焊后热处理。对于较厚的焊接结构、低温下进行焊接或焊接硫、磷杂质较多的钢材，焊前应适当预热，预热温度一般不超过150℃。

2)中碳钢的焊接随着含碳量的增加，钢材的淬硬倾向加大，焊接时产生热裂纹和冷裂纹的倾向也加大，焊接性逐渐变差。尤其当工件刚度较大、焊材选择不合理以及工艺不当时，会导致在焊缝和热影响区产生裂纹。此外，随着含碳量的加大，气孔敏感性也加大。

中碳钢的焊接工艺特点为：

(1)在大多数情况下，中碳钢的焊接需要预热，多层焊时要控制层间温度(一般不能低于预热温度)，以降低冷却速度，控制马氏体的形成和焊接应力。预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚度、焊接方法和工艺参数等。

(2)当在不预热情况下焊接时，应采取工艺措施，降低冷却速度，防止开裂。如开U型坡口，减小熔合比；多层焊第一层焊道用小直径焊条和小电流，以减小熔深等。

(3)焊后最好立即进行消除应力热处理，至少应在焊件冷却到预热温度或层间温度之前进行。消除应力回火温度一般为600～650℃。若焊后不可能立即进行消除应力热处理，也应进行后热，以便去氢。

3)高碳钢的焊接高碳钢随着含碳量的增加，淬硬倾向和裂纹敏感性更大，焊接性更差。这类钢不用于制作焊接结构，所以，高碳钢的焊接主要指焊补。高碳钢的焊接工艺特点为：

(1)高碳钢应先退火后方能焊接。

(2)采用结构钢焊条，焊前必须预热，预热温度和层间温度应在350℃以上。

(3)尽量减小熔合比、小电流、低焊速，焊接过程中应尽量连续施焊，中间不停止。

(4)焊后工件保温，并应立即将工件送入炉中进行消除应力、高温回火，随后再根据需要进行相应的热处理。

3．低合金结构钢的焊接

1)低合金结构钢的焊接性低合金钢强度高，可用来代替碳素结构钢，可以减少钢材直径或厚度，节约材料20%～30%。由于低合金结构钢的化学成分不同，焊接性的差异也较大。

焊接时易出现的主要问题有：

(1)热影响区的淬硬倾向。含碳量和合金元素越多，其淬硬倾向越大；焊后冷却速度越大，淬硬倾向越大。冷却速度取决于焊件的厚度、尺寸大小、接头形式、焊接方法焊接工艺参数和预热温度等。

(2)焊接接头冷裂纹。在焊接强度级别高、厚板时，易在焊缝和热影响区产生冷裂纹。

(3)热裂纹。低合金钢产生热裂纹的可能性比冷裂纹小，只有S、C等超标时才有可能产生。

2)低合金结构钢的焊接工艺特点

(1)焊接材料的选择。要按照等强度原则选择焊接材料，但焊缝的强度最高不应超过母材标准规定上限值加30MPa。

(2)预热。预热是防止冷裂纹、热裂纹和热影响区出现淬硬组织的有效措施。强度在低于350MPa时，一般不需预热。强度级别不一样，预热温度也不同，强度级别越高，预热温度也越高。

(3)焊后热处理。多数低合金结构钢焊后不需进行热处理，只有在钢材强度级别较高、厚壁容器、电渣焊接头等情况下才进行焊后热处理。低合金结构钢焊后热处理有三种方法：消除应力退火、正火或正火＋回火、淬火＋回火(一般用于调质钢)。焊后热处理应注意的问题：不要超过母材的回火温度，以免造成母材性能下降；对于有回火脆性的材料，应避开脆性温度区间；对于含有一定沉淀强化元素如铜、钼、钒、钛等的低合金钢，在进行消除应力退火时，应防止产生再热裂纹。几种低合金钢的焊后热处理参数见表11-5。

表11-5低合金钢的焊后热处理参数

4．铸铁的焊补铸铁的焊补应用于两种情况：一是铸造缺陷的焊补；二是铸铁件损坏焊补。下面以灰铸铁为例介绍铸铁的焊补。灰口铸铁的焊接性较差，如果选择焊接材料或工艺措施不当，焊接过程中就会产生很多缺陷，其中最常见的缺陷是白口和裂纹。

(1)白口。在焊补灰铸铁时，往往会在半熔化区产生白口组织，由于白口组织脆而硬，难以进行机械加工，对于焊后需要进行机械加工的焊件，将带来很大的困难。铸铁焊补时产生白口的原因有：一方面是冷却速度快，来不及石墨化；另一方面是选材不当，焊接材料中石墨化元素含量不足。

(2)裂纹。焊接铸铁时极易产生裂纹，产生裂纹的原因主要是由于铸铁的塑性几乎为零，抗拉强度又低，焊接时如果焊缝强度高于母材，焊缝收缩时就有可能在熔合线处断裂；此外，当出现白口组织时，由于白口组织的收缩率大于基体金属，在焊缝冷却时促使裂纹产生。

灰铸铁的焊接方法有冷焊法、热焊法、气焊等。

(1)冷焊法。冷焊法的特点是：焊前不预热、成本低、生产率高等。但由于冷焊时冷却速度大，极易产生白口组织和裂纹。冷焊时，应注意以下几点：①

焊前彻底清除焊接区域的油污，裂纹两端打止裂孔。②

采用钢芯和铸铁芯以外的焊条时，应尽量用小电流焊接，以减小焊接应力和热影响区的宽度；坡口形式应便于焊接和减少母材的熔化量。

③

采用短段焊、断续焊、分散焊等，并在每焊15mm左右后，立即锤击焊缝，待冷却到大约60℃时，再焊下一道，以减少焊接应力。冷焊法常用的焊条有钢芯铸铁焊条(只用于小型薄壁铸铁件刚度不大部位的缺陷焊补)、纯镍焊条、镍铁铸铁焊条、镍铜铸铁焊条等。其中，使用量大的是纯镍焊条。

(2)热焊法。焊前将焊件整体或有缺陷的局部位置加热到600～700℃(暗红色)，然后进行焊补，焊后进行缓冷的铸铁焊补工艺称为热焊法。对结构复杂而焊补处刚度又很大的工件，宜采用整体预热。对于结构简单而焊补处刚度又较小的工件，可以采用局部预热。热焊法可以使石墨化过程比较充分地进行，可防止白口及淬硬组织的产生，从而有效地防止了裂纹的产生。当选材得当时，可以获得与母材力学性能相当、颜色一致的焊接接头。热焊法的缺点是：焊接工艺复杂，成本高，生产周期长，劳动条件差。热焊时，常使用钢芯铸铁焊条和铸铁芯铸铁焊条，采用大电流(焊接电流可为焊条直径的50倍)、连续焊。

(3)气焊。氧—乙炔火焰温度(<3400℃)比电弧温度(6000～8000℃)低，而且热量不集中，很适宜薄壁件的焊补。由于气焊时，需较长时间才能将焊补处加热到焊补温度，而且加热面积较大，这样就相当于将焊补处局部预热后再焊接的过程。当采用适当成分的铸铁焊丝进行气焊焊补时，由于冷却速度慢，有利于石墨化进程，焊缝易得到灰铸铁组织，焊接热影响区也不易出现白口和淬硬组织。但由于气焊时加热时间长，工件受热面积大，焊接热应力较大，故当焊接刚度大的缺陷时，容易发生冷裂纹，一般气焊主要适用于刚度小的薄壁件的缺陷焊补。对于刚度大的结构应采用整体预热600～700℃后气焊或用加热减应区法焊接。

5．非铁金属焊接

1)铝及铝合金的焊接铝及铝合金有易氧化、热导性好、线胀系数大、高温强度小、颜色变化不明显等特点，给焊接带来了一定的困难。具体表现为：

(1)易氧化。铝的化学活泼性强，易与氧结合，生成的氧化膜阻碍金属间的良好结合，造成熔合不良；铝的氧化物与铝密度接近，极易造成夹渣。

(2)气孔。由于液态铝及铝合金溶解氢的能力很强，故易在焊缝凝固过程中逸出而形成气孔。纯铝对氢的敏感性最大，所以，同样条件下焊接时，纯铝出现氢气孔的可能性更大。

(3)易烧穿。铝及铝合金从固态向液态转变时，没有明显的颜色变化，所以不易判断母材温度，另外铝的高温强度低，焊接时容易烧穿。

(4)热裂纹。铝的线胀系数大，所以在拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应力。另一方面，当成分中的杂质超过规定的范围时，在熔池中将形成较多的低熔点共晶物。以上两种因素共同作用的结果，使焊接铝及铝合金时容易出现热裂纹。

(5)接头与母材不等强度。形变强化铝合金焊接后，接头强度低于母材；时效强化铝合金，无论是在退火状态还是在时效状态下焊接，接头强度均低于母材。在时效状态下焊接的硬铝，即使焊后经人工时效处理，其接头强度系数(接头的强度与母材强度之比的百分数)也不超过60%。

铝及铝合金的焊接工艺特点为：

(1)焊前清理。焊接之前彻底清除焊口和焊丝表面的氧化膜和油污，对焊接质量有极为重要的影响。可以用化学方法和机械方法清理。

(2)垫板。为保证焊透而又不烧穿或塌陷，焊接时可以在焊缝背面放置垫板。

(3)预热。由于铝的热导性好，焊接厚度大于5mm的铝件时，可预热100～300℃。

(4)焊后清理。焊后留在焊缝及附近的残存焊渣，在空气、水分的参与下会腐蚀焊件，必须及时清理干净。

表11-6铝及铝合金焊接方法的选择

2)铜及铜合金的焊接铜及铜合金根据化学成分可以分为纯铜、黄铜、青铜和白铜。由于铜及铜合金的导热系数、线胀系数和收缩率大等原因，铜及铜合金的焊接性不良。具体表现为：

(1)难熔合及易变形。焊接铜及铜合金时，如果采用的焊接规范与同厚度的低碳钢焊接相同，则母材就很难熔化，填充金属与母材不能很好地溶合，产生焊不透现象。另外，焊接铜及铜合金时，焊接变形也较严重，这些都与铜及铜合金的导热系数、线胀系数和收缩率有关。

(2)气孔。铜及铜合金焊接时产生气孔倾向远远大于钢材，其中一个直接原因是铜及铜合金的导热系数大，熔池凝固速度快的缘故。但根本原因是气体在金属中的溶解度随温度降低而急剧下降及熔池中化学反应产生气体所致。气孔的类型有氢溶解造成的扩散气孔和水蒸气造成的反应气孔。发生反应气孔的原因是在高温下铜与氧有较大的亲和力而生成Cu2O，它在1200℃以上能溶解于液态铜，在1200℃就从液态铜中开始析出，随着温度下降，其析出量也随之增加，与溶解在液态铜中的氢发生反应，生成铜与水。反应生成的水不溶于铜，当熔池凝固时来不及逸出就会形成气孔。

(3)热裂纹。氧是铜中经常存在的杂质，铜在熔化状态下容易氧化而生成Cu2O。而Cu2O能与Cu形成(Cu+Cu2O)低熔点共晶体，其共晶温度为1065℃，低于铜的熔点(1083℃)，使焊缝容易产生热裂纹。选择焊接方法时，必须综合考虑母材的焊接性和厚度、生产条件、对焊接质量的要求等因素。铜及铜合金常用焊接方法及适用范围见表11-7。

表11-7铜及铜合金常用焊接方法及适用范围

11.5焊接结构设计

1．焊接结构件材料的选择焊接结构材料的选择，对于获得优质产品、提高生产率、降低成本等具有重要的意义。焊接结构材料的选用应本着以下原则进行：

(1)必须满足焊接结构对材料力学性能、物化性能等方面的要求。

(2)选用焊接性良好的材料，这样就可以采用简单的焊接工艺进行生产，使焊接生产过程简单、高效。在常用的钢材中，低碳钢、碳当量小于0.4%的低合金钢等都具有良好的焊接性能。

(3)优先选择常用、低价焊接结构材料。可以依据现有的有关焊接方面的资料选择焊接材料和制定(或初步制定)焊接工艺，减少了许多不必要的重复焊接试验。

(4)立足国内资源。按照立足国内、就近购买的原则，可以大幅度降低采购成本。

(5)可以根据焊接结构的需要，在不同的部位选用不同的材料，以达到降低成本的目的。但此时必须注意不同钢材的焊接性，我国低合金钢的化学成分和物理性能比较相近，这些异种钢焊接一般困难不大。

2．焊缝的布置在焊接结构的设计时，焊缝的布置对于获得优质接头，减小焊接变形和应力，提高焊接结构使用性能和寿命，提高生产率都具有重要的意义。焊缝的布置也应从以下几个方面综合考虑：

(1)尽量减少接头的数量。减少焊缝数量就意味着在一定程度上减少了焊接应力与变形。所以，在焊接结构设计时应多用型材，有效减少焊缝的数量。

(2)焊缝的位置应尽可能对称布置。目的是为了尽可能地减小焊接变形，如图11-9所示。

图11-9焊缝对称布置的设计(a)不合理；(b)不合理；(c)合理；(d)合理；(e)合理

(3)应将焊缝布置在易于施焊和检验的位置。这样便于工人操作和检验，容易获得优质焊缝。

(4)避免焊缝的密集和交叉。如果焊缝布置的太密集和有交叉，一方面加大了焊接变形和焊接应力，另一方面会出现三向复杂应力，降低了结构的使用性能，如图11-10所示。

图11-10焊缝分散布置的设计(a)不合理；(b)不合理；(c)不合理；(d)合理；(e)合理；(f)合理

(5)应将焊缝避开最大受力和应力集中处，如图11-11所示。

图11-11焊缝避开最大应力和应力集中的设计(a)不合理；(b)不合理；(c)不合理；(e)合理；(e)合理；(f)合理

(6)焊缝应尽量避开机械加工表面。另外，焊缝应尽量布置在平焊位置，尽量避免布置在仰焊位置，减少横焊位置，以便于焊接操作或减少翻转次数。

3．焊接方法的选择

(1)从母材焊接性方面考虑：气焊、手工电弧焊几乎可焊接所有金属；埋弧焊可以焊接碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等；钨极氩弧焊适宜焊接有色金属及合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金、难熔活泼金属(如钼、铌、锆等)；熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊一样，几乎可焊接所有的金属，尤其适合焊接铝及铝合金、铜及铜合金以及不锈钢等材料；CO2气体保护焊主要适宜焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属；等离子弧焊几乎可焊接所有金属。

(2)从焊缝形式特点考虑：短小、分散的焊缝应用手工焊等，长而规则的焊缝应优先选用自动化程度较高的埋弧焊、CO2气体保护焊、熔化极氩弧焊等，可以大大提高焊接质量和生产率。

(3)从焊缝厚度方面考虑：如果所焊焊缝较薄，应选用气焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护焊；相反，当焊缝较厚时，应考虑选用埋弧焊、熔化极氩弧焊、电渣焊等。

表11-8各种熔化焊接方法特点及应用

4.接头形式选择与设计接头形式的设计应根据结构形式、接头性能要求、工件厚度、焊接材料消耗、焊接变形、可焊到性、坡口加工难易程度等因素综合考虑。根据GB985—80《手工电弧焊焊接接头的形式与尺寸》，焊接碳钢和低合金钢的接头形式可分为对接接头、搭接接头、丁字接头和角接接头四种。各种接头形式都有其自己的特点：

(1)对接接头受力均匀，是比较理想的接头形式，应优先选用。常见对接接头形式及尺寸见图11-12。

图11-12对接接头形式及尺寸

(2)搭接接头应力分布不均匀，疲劳强度较低，而且受力时将产生附加力矩，金属消耗量大，不是焊接接头的理想形式。但是它的焊前准备和装配工作比对接接头简单，其横向收缩也比对接接头小，所以在焊接结构中也得到了比较广泛的应用。常见搭接接头形式及尺寸见图11-13。

图11-13常见搭接接头形式及尺寸

(3)丁字(十字)接头是将相互垂直的被连接件用角焊缝连接的接头形式。丁字(十字)接头能承受各方向的力和力矩。在这类接头中，由于单面角焊缝根部有很深的缺口，承载能力很低，应尽量避免选用；对较厚的板，可采用K形坡口，然后根据需要决定是否焊透；对要求完全焊透的丁字接头采用单面V形坡口，先从一面焊，然后再清根焊满，这样比采用K形坡口可靠。常见丁字接头形式及尺寸见图11-14。

图11-14丁字接头形式及尺寸

(4)角接接头多用于箱形构件上，应根据结构特点和对焊缝性能要求选用。常见角接接头形式及尺寸见图11-15。

图11-15角接接头形式及尺寸

11.6焊接质量及其控制

11.6.1焊接接头的组织与性能焊接过程中，焊缝及其附近区域在焊接热源的作用下分别经受了不同的热过程，焊缝受到一次冶金过程，焊缝附近区域相当于受到一次不同规范的热处理，因此必然有相应的组织与性能的变化。

1．不易淬火钢不易淬火钢包括低碳钢和含合金元素较少的低合金高强钢(如Q345、Q390等)，其热影响区可分为四个小区，见图11-16。

图11-16焊接热影响区

(1)过热区：在焊接热影响区中具有过热组织或晶粒显著粗大的区域，对低碳钢来说为1100～1490℃的区域。该区域中的铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，所以奥氏体晶粒急剧长大，冷却后使金属的冲击韧性大大降低，一般比基本金属低25%～30%，是热影响区中的薄弱区域。

(2)正火区：过热区以下、加热温度在

以上的区域，对低碳钢来说为900～1100℃的区域。该区母材中的铁素体和珠光体全部变为奥氏体，由于温度升得不高，晶粒长大得较慢，空冷后得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理中的正火组织。正火区由于晶粒细小均匀，既具有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，是热影响区中综合力学性能最好的区域。

(3)部分相变区：加热温度在

之间的区域，对低碳钢来说为750～900℃的区域。该区母材中的珠光体和部分铁素体转变为晶粒比较细小的奥氏体，但仍保留部分铁素体。冷却时，奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体，而未熔入奥氏体的铁素体不发生转变，晶粒比较粗大，故冷却后的组织晶粒大小极不均匀，所以力学性能也不均匀，强度有所下降，该区又称不完全重结晶区。

(4)再结晶区：加热温度在450℃～

之间的区域，对低碳钢来说为450～750℃的区域。对于经过压力加工，即经过塑性变形的母材，晶粒发生破碎现象，在此温度区域内就发生再结晶。本区域的组织没有变化，仅塑性稍有改善。对于焊前未经塑性变形的母材，则不出现再结晶区。

2．易淬火钢易淬火钢包括中碳钢(35、40、45、50钢)、低碳调质高强钢(含碳量小于等于0.25%)、中碳调质高强钢(含碳量为0.25%～0.45%)、耐热钢和低温钢等，其热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。如果母材焊前是退火状态，则可分为完全淬火区和不完全淬火区两个区域；如果母材焊前是淬火状态，则还要形成一个回火区。

(1)完全淬火区。当加热温度超过

以上的区域时，由于钢种的淬火倾向较大，故焊后冷却时得到淬火组织马氏体。在靠近焊缝附近，由于晶粒严重长大，故为粗大的马氏体。而相当于正火区的部分将得到细小的马氏体。该区由于存在淬火组织，强度和硬度增高，塑性和韧性下降，并且容易产生冷裂纹。

(2)不完全淬火区。母材被加热到

～

温度之间的热影响区。由于焊接时的快速加热，母材中的铁素体很少溶解，而珠光体、贝氏体和索氏体等转变为奥氏体，在随后的快速冷却中，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，仅有不同程度的长大，最后形成马氏体-铁素体组织。该区的组织和性能很不均匀，塑性和韧性下降。

(3)回火区。如果母材焊前是淬火状态，则在温度低于

的区域，还要发生不同程度的回火处理，称为回火区。由于回火区的温度不同，所得组织也不一样，紧靠

温度区，相当于瞬时高温回火，具有回火索氏体组织，温度越低，则淬火金属的回火程度降低，相应获得回火屈氏体、回火马氏体等组织。

11.6.2焊接应力与变形

1．焊接变形的基本形式

焊接变形的基本形式见图11-17。所有的变形都是由焊缝纵向和横向收缩引起的。

(1)收缩变形。工件焊接后，纵向和横向尺寸发生缩短的现象叫收缩变形。收缩一般是随焊缝长度的增加而增加的。另外，母材线膨胀系数大，焊后焊件的纵向收缩量也大。多层焊时，第一层收缩量最大。

(2)角变形。焊后构件两侧钢板离开原来位置向上翘起一个角度，这种变形叫角变形。角变形的发生是由于横向收缩变形在厚度方向上的不均匀造成的。

(3)波浪变形。在焊接薄板结构时，由于薄板在焊接应力作用下失稳而引起波浪变形。

(4)扭曲变形。由于焊缝在构件横截面上布置不对称或装焊工艺不合理等原因等都会产生扭曲变形。

(5)弯曲变形。在焊接梁、柱、管道等焊件时尤为常见。焊缝的纵向收缩和横向收缩都会造成弯曲变形。

图11-17焊接变形基本形式

2．焊接应力的分类按产生应力的原因来分，焊接应力可分为以下几类：

(1)温度应力。由于焊接时温度分布不均匀而引起的应力称为温度应力，也称热应力。

(2)组织应力。焊接时，由于温度变化而引起金属组织的变化，这种组织变化引起金属局部体积的变化所产生的应力称为组织应力。

(3)凝固应力。焊接时，由于金属熔池从液态凝固成固态，其体积收缩受到约束而产生的应力称为凝固应力。

3．预防和减少焊接变形与应力的措施预防和减少焊接变形与应力不外乎从两方面着手：一是从设计方面考虑，设计合理的结构；二是采取合理的工艺措施。下面仅简单介绍工艺方面的措施。

(1)选择合理的焊接顺序。①

应先焊收缩量大的焊缝，使焊缝可以自由收缩，这样可以有效减小焊接应力。②

先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。在拼接钢板时，可以减小焊接应力。

③

采取对称焊接顺序，能有效减少焊接变形。所以，当结构具有对称布置的焊缝时，应尽量采用对称焊接。④

先焊焊缝少的一侧。对于焊缝布置不对称的结构，先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，可以使后焊的变形抵消另一侧的变形。⑤

长焊缝焊接时，直通焊变形最大。可以根据情况灵活采用断续焊、分段焊、跳焊、退焊等措施，如图11-18所示。

图11-18焊接顺序变换法(a)对称法；(b)跳焊法；(c)分段倒退法

(2)反变形法。焊接前先将焊件向与焊接变形相反的方向进行人为的反变形，以抵消焊接变形，这种方法称为反变形法。

(3)刚性固定法。焊接之前对焊件采用刚性拘束，强制焊件在焊接时不能自由变形，这种防止焊接变形的方法称为刚性固定法，如图11-19所示。这种方法将产生大的焊接应力。

图11-19刚性固定法

(4)加余量法。根据经验，在工件下料尺寸上增加一定的余量，以补充焊接收缩，也是预防和减少焊接变形与应力的一项有效措施。当然，预防和减少焊接变形与应力的措施不止以上几种，还有控制线能量法、散热法等，究竟采用何种措施，应视具体情况而定。

4．矫正焊接残余变形的方法在焊接过程中，即使采用了减少焊接变形的措施，焊后有时仍会有超过允许值的变形，必须进行矫正。矫正的方法如下：

(1)机械矫正法。利用机械外力来矫正焊接变形，可采用辊床、压力机、矫直机等设备，也可以采用手工锤击等方法。

(2)火焰加热矫正法。利用氧—乙炔火焰在焊件适当部位上加热，使焊件在冷却收缩时产生新的变形，来矫正焊接时所产生的变形。这种方法适用于低碳钢和淬硬性小的低合金钢。加热温度为600～800℃，加热方式有点状加热、线状加热和三角形加热等。火焰加热矫正法的关键是确定加热的位置、加热温度和加热次数。

5．消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法有以下几种：

(1)高温回火。分整体高温回火和局部高温回火两种。这种方法是将焊件整体或局部加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。回火温度越高，保温时间越长，消除应力越彻底。

(2)机械拉伸法。产生焊接残余应力的根本原因是焊缝焊后产生了压缩塑性变形，因此，如果焊后对焊件进行拉伸，使之产生拉伸塑性变形，就可以有效减少焊接残余应力。

(3)温差拉伸法。具体方法是在焊缝两侧加热到150～200℃，然后用水冷却，使焊缝区域受到拉伸塑性变形，从而消除或减小纵向焊接残余应力。此方法常用于焊缝规则、厚度小于40mm的板、壳结构。

(4)振动法。对焊缝区域施加振动载荷，使焊缝区域产生塑性变形，可达到消除焊接残余应力的目的。振动法对于消除碳素钢、不锈钢的内应力具有较好的效果。

11.6.3焊接接头的主要缺陷及检验

1．常见的焊接缺陷在焊接过程中，由于设计、工艺、操作不当等原因，往往会产生一些缺陷。常见的焊接缺陷有：

(1)焊缝表面尺寸不符合要求。焊缝表面高低不平、焊缝宽窄不齐、尺寸过大过小、角焊缝单边以及焊脚尺寸不符合要求等均属于焊缝表面尺寸不符合要求。

(2)焊接裂纹。在焊接应力、低熔点共晶或其它致脆因素的共同作用下，焊接接头局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙叫焊接裂纹。它具有尖锐的缺口和大的长宽比特征。根据产生的温度区间和特征，焊接裂纹分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂。裂纹是最严重的一种缺陷。

(3)气孔。焊接时，熔池中的气泡在熔池凝固时未能逸出，残存下来形成的空穴叫气孔。常见的气孔有氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔。

(4)夹渣。焊后残留在焊缝中的熔渣叫夹渣。焊接过程中，电流太小、焊接速度过快、多层焊时层间清渣不彻底等都可能造成夹渣。

(5)咬边。由于焊接参数选择不当或操作不当，沿焊趾的母材部位烧熔成的沟槽或凹陷叫咬边(见图11-20)。

图11-20咬边

(6)未焊透。焊接时接头根部未完全熔透的现象叫未焊透(见图11-21)。

图11-21未焊透

(7)未熔合。熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分叫未熔合(见图11-22)。

图11-22未熔合

(8)焊瘤。焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属瘤叫焊瘤(见图11-23)。

图11-23焊瘤

(9)烧穿。焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出形成穿孔的缺陷叫烧穿。

2．焊接检验焊接检验可分为破坏性检验和非破坏性检验两大类。属于非破坏性检验(又称无损检验)的方法有外观检查、密封性检验、耐压检验、渗透探伤、磁粉探伤、超声波检验、X射线和射线检验等；属于破坏性检验的方法有机械性能试验、化学分析和金相组织检验等。现将常见的非破坏性检验方法简介如下：

(1)外观检查。外观检查是用肉眼或不超过30倍的放大镜对焊件进行检查，用以判断焊接接头外表的质量。外观检查是一种最简单而又不可缺少的检查手段。

(2)密封性检验。检查有无漏水、漏气和漏油等现象的试验。①

气密性试验。在容器内部通一定压力的压缩空气(低压)，在焊缝外表面涂刷肥皂液，不出现肥皂泡为合格。应注意，空气压力要远远低于产品工作压力。②

煤油渗漏检验。在焊缝一面涂上白垩粉水溶液，待干燥后，在另一面涂上煤油，在焊缝有穿透性缺陷时，白垩粉一面会出现明显的油斑或带条。本方法适用于低压薄壁容器。

(3)耐压检验。将水、油或气等充入容器内徐徐加压，以检查其泄露、耐压、破坏等的试验叫耐压检验。通过耐压检验可以检验受压元件中焊接接头穿透性缺陷和结构的强度，并有降低焊接应力的作用。①

水压试验。用水泵将容器中的水压提高到容器工作压力的1.25～1.5倍，在此压力下持续一段时间(一般为20min)再把压力降到工作压力，此时，检验人员用重量为1～1.5kg左右的圆头小锤在距焊缝约15～20mm处沿焊缝方