《机械制造基础》 自考 课件 第9章 焊接

第9章焊接本章要点19.1焊接的工艺基础9.2熔化焊9.3压力焊

9.4钎焊9.5常用金属材料的焊接9.6焊接结构的工艺性9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接29.1.1焊接的分类、特点和应用焊接的主要方法为熔化焊、压力焊和钎焊。熔化焊（熔焊）是利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。压力焊（压焊）是在焊接过程中对工件加压（加热或不加热）完成焊接的方法。钎焊是利用熔点比母材低的填充金属熔化以后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的焊接方法。1.焊接方法分类焊接是通过加热或加压（或两者并用），使焊件形成原子（分子）间结合的一种成形方法，是一种不可拆卸的永久性连接方法，可以使用（或不用）填充材料。9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接39.1.1焊接的分类、特点和应用（1）工艺的优点：节省金属材料，结构重量轻。简化复杂零件和大型零件的制造过程。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。焊接接头具有良好的力学性能和密封性。适应性强。能够制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。（2）存在的问题：焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化；容易产生焊接裂纹等缺陷；焊接后会产生残余应力与变形；焊接结构不可拆卸，给维修带来不便。2.特点切削刀具的刀头和刀体可用不同材料制造后焊接在一起；电子产品中的芯片和印刷电路板之间的连接，要求导电并具有一定的强度，到目前为止，只能用钎焊连接。9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接49.1.1焊接的分类、特点和应用焊接工艺广泛应用于汽车、船舶、飞机、锅炉、压力容器、建筑和电子等工业部门，如汽车车身、飞机起落架、舰船船体、高炉炉壳等产品的制造，都离不开焊接。全球钢产量的50%~60%要经过焊接才最终投入使用。焊接方法在制造大型结构构件或复杂机器部件时，更显优越。可以用化大为小、化复杂为简单的方法来准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大、拼简单成复杂，这是其他工艺方法难以做到的。在制造大型机器设备时，可以采用铸焊或锻焊复合工艺。制成双金属构件，如具有复合层的容器。对不同材料进行焊接。3.应用9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接59.1.2焊接冶金过程焊接化学冶金反应过程从焊接材料被加热、熔化开始，经熔滴过渡，最后到达熔池中，该过程是分区域（药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区）连续进行的。1.熔焊的化学冶金金属熔池可以看成一个微型冶炼炉，熔池内要进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等一系列的物理和化学过程。由于大多数的熔化焊是在大气中进行的，金属熔池中的液态金属与周围的熔渣及空气接触，会产生复杂、激烈的化学反应，这就是焊接的冶金过程。I-药皮反应区；Ⅱ-熔滴反应区；Ⅲ-熔池反应区焊接冶金反应区9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接69.1.2焊接冶金过程（1）药皮反应区。主要发生水分的蒸发、某些物质的分解、铁合金的氧化等。反应析出的大量气体，一方面隔绝了空气，另一方面，也对被焊金属和药皮中的铁合金产生了很大的氧化作用，结果，将显著改变焊接区气相的氧化性。（2）熔滴反应区。包括熔滴形成、长大到过渡至熔池前的整个阶段。发生气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原、焊缝金属的合金化等。反应时间虽短（0.01~0.1s），但平均温度高（2000~2800K），液态金属与气体及熔渣的接触面积大，所以是冶金反应最激烈的部位，对焊缝成分的影响也最大。1.熔焊的化学冶金9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接79.1.2焊接冶金过程（3）熔池反应区。熔滴金属和熔渣以很高的速度落入熔池后，即同熔化了的母材混合或接触，各反应继续进行。该区温度较熔滴反应区低，约为1800~2200K，反应时间较长，为数秒。有两个显著特点：一是温度分布极不均匀，熔池头部和尾部存在温度差，因而冶金反应可以同时向相反的方向进行。二是反应过程不仅在液态金属与气、渣界面上进行，而且也在液态金属与固态金属和液态熔渣的界面上进行。1.熔焊的化学冶金9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接89.1.2焊接冶金过程（1）焊接区内的气体来源焊接区内的气体来源主要有：焊接材料、热源周围的气体介质、焊丝和母材表面的杂质、材料的蒸发。产生的气体中，对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2、H2O。（2）保证焊缝质量减少有害元素进入熔池。主要措施是机械保护，使电弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进入；还应清理坡口及两侧的锈、水、油污；烘干焊条，去除水分等。清除已进入熔池中的有害元素，增添合金元素。主要通过焊接材料中的合金元素进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金等，从而保证和调整焊缝的化学成分。2.对熔池的保护和冶金处理9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接99.1.3熔池结晶和接头组织焊接熔池的结晶过程服从液相金属凝固理论的一般规律，熔池金属结晶后形成焊缝。结晶首先从熔池底壁开始，沿垂直于熔池和母材（基体金属）的交界线向熔池中心长大，形成柱状结晶。在熔池的结晶过程中，由于冷却快（从熔化到结晶的时间约10s），已经结晶的焊缝金属中的化学元素来不及扩散，造成合金元素偏析，从而影响焊缝性能。1.熔池结晶的特点和结晶形态焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区熔池的柱状结晶示意图9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接109.1.3熔池结晶和接头组织焊缝组织是由液态金属结晶而成的铸态组织（由铁素体和少量珠光体组成），具有晶粒粗大、成分偏析和组织不致密等缺点。由于焊接熔池小（2~3cm³）、冷却快，且碳、硫和磷等的含量都较低，而且可以通过焊接材料（焊条、焊丝和焊剂等）向熔池金属中渗入某些细化晶粒的合金元素以调整焊缝的化学成分，从而保证焊缝性能。（1）焊缝属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶，硫、磷等形成的低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，焊缝的强度一般不低于母材。（2）熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。此区成分及组织极不均匀，晶粒长大严重，冷却后为粗晶粒，强度下降，塑性和冲击韧度很差，往往成为裂纹的发源地。虽然熔合区只有0.1~1mm，但它对焊接接头的性能有很大影响。2.焊接接头的组织和性能9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接119.1.3熔池结晶和接头组织（3）热影响区。焊接过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域，包括过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区。2.焊接接头的组织和性能a）焊缝区各点温度的变化b）低碳钢焊接接头的组织变化焊接接头及热影响区9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接129.1.3熔池结晶和接头组织（1）过热区具有过热组织或晶粒显著粗大的区域，温度范围为固相线至1100℃，宽度约1~3mm。由于温度高，晶粒粗大，使塑性和韧性降低。焊接刚度大的结构时，常在过热区产生裂纹。（2）相变重结晶区温度范围为1100℃~Ac3之间，宽度约为1.2~9.0mm。由于金属发生了重结晶（即同素异构转变），随后在空气中冷却，因此可以得到均匀细小的正火组织。该区的金属力学性能良好。（3）不完全重结晶区温度范围在Ac1~Ac3之间，只有部分组织发生相变。由于部分金属发生了重结晶，冷却后可获得细化的铁素体和珠光体，而未重结晶的部分金属则得到粗大的铁素体。由于晶粒大小不一，故力学性能不均匀。2.焊接接头的组织和性能9.1焊接的工艺基础机械制造基础第9章焊接139.1.3熔池结晶和接头组织焊缝及热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范、接头形式等因素。根据焊接过程的特点，改善其组织性能措施：加强对焊缝金属的保护，防止焊接时各种杂质进入焊接区。对焊缝进行合金化及冶金处理，以获得要求的焊缝金属组织性能。合理选择焊接方法和焊接工艺，尽量使熔合区和热影响区减至最小。焊前预热工件，可减缓焊件上的温差及冷却速度。对焊件进行整体或局部热处理，以消除焊件应力，细化晶粒，提高焊接接头的性能。3.改善焊接接头组织和性能的措施9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接14电弧是一种气体导电现象。电弧放电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。焊条电弧焊就是利用电弧的热量熔化熔池和焊条的。手弧焊操作包括引燃电弧、送进焊条和沿焊缝移动焊条。电弧在焊条与工件（母材）之间燃烧，电弧热使母材和焊芯熔化形成熔池。燃烧、熔化的药皮进入熔池成为熔渣浮在熔池表面，药皮受热分解产生大量的CO2、CO和H2等保护性气体，包围在电弧周围。熔渣和保护性气体能防止空气中氧和氮的进入，起到保护熔化金属的作用。当焊条向前移动熔化新母材时，原熔池和熔渣冷却凝固，形成焊缝和渣壳。1.焊接原理焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，也称手弧焊9.2.1焊条电弧焊焊接的冶金过程（手弧焊）设备简单、操作灵活，可焊接多种金属材料，室内外焊接效果相近，是焊接生产中应用最广泛的方法。但焊条电弧焊对焊工操作水平要求较高，生产率较低。9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接15（1）焊条的组成焊条由焊芯与药皮组成，焊芯是一根具有一定长度与直径的专用钢丝，称为焊丝，如H08A、H08MnA等。焊条的直径就是指焊芯的直径。结构钢焊条直径从Φ1.6mm~Φ8mm，共分8种规格。焊条的长度是指焊芯的长度，一般均在200~550mm之间。药皮的主要作用：药皮中的稳弧剂可以使电弧稳定燃烧，飞溅少，焊缝成形好。药皮中有造气剂，熔化时释放的气体可以隔离空气，保护电弧空间。药皮中的造渣剂熔化后产生熔渣。熔渣覆盖在熔池上可以保护熔池。药皮中有脱氧剂（主要是锰铁、硅铁、钛铁等）、合金添加剂，通过冶金反应，可以去除有害杂质。添加合金元素，可以改善焊缝的力学性能。碱性焊条中的氟石CaF2可以通过冶金反应去氢。2.焊条9.2.1焊条电弧焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接16（2）焊条的种类按用途分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍合金焊条、铜合金焊条、铝合金焊条等。按熔渣的性质分为：酸性焊条与碱性焊条。如果熔渣的组成物主要以酸性氧化物为主，则对应的焊条为酸性焊条；如果以碱性氧化物和氟石为主，则对应的焊条为碱性焊条。2.焊条9.2.1焊条电弧焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接17（3）焊条的型号和牌号焊条型号根据焊缝金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类划分。碳钢焊条用E××××表示。E表示焊条；前两位数字表示焊缝金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊条适用于的焊接位置（0和1表示全位置焊，2表示平焊，4表示向下立焊），第三、四位数字组合表示药皮类型和使用的焊接电源种类。如E4301、E1100。焊条牌号是对焊条产品的具体命名。是根据焊条的主要用途及性能特点来命名的。每种焊条产品只有一个牌号，但多种牌号的焊条可以同时对应于一种型号。焊条牌号通常以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。如：结构钢牌号J422，其中“J”表示结构钢焊条，第一、二位数字＂42＂则表示焊缝金属的抗拉强度等级，末位数字“2”表示药皮类型及焊接电源的种类。2.焊条9.2.1焊条电弧焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接18（4）焊条的选用焊条的选用原则：要求焊缝和母材具有相同水平的使用性能。结构钢焊条的选用，一般是根据母材的抗拉强度，选择相同强度等级的焊条。例如，Q345的σb为520MPa，因此选用E5003、E5015或E5016焊条。焊接重要的结构，如压力容器、桥梁等，或所焊对象的焊接性能较差、结构刚度大、工件厚度大易产生裂纹时，应该选用碱性焊条。焊接一般的结构可选用酸性焊条。2.焊条9.2.1焊条电弧焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接19埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，也称埋弧自动焊。焊接时，工件被焊处覆盖着一层30~50mm厚的颗粒状焊剂，焊接机头将光焊丝自动送入电弧区并保持选定的弧长。电弧在颗粒状焊剂层下燃烧，焊机带着焊丝均匀地沿坡口移动（或者焊机机头不动，工件匀速运动）。在焊丝前方，焊剂从漏斗中不断流出铺撒在被焊部位。焊接时，部分焊剂熔化形成熔渣覆盖在焊缝表面，大部分焊剂不熔化，可回收重新使用。1.埋弧焊的焊接过程9.2.2埋弧焊埋弧焊焊接过程示意图9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接20埋弧焊焊缝的形成过程：焊丝端部与工件之间接触并引燃电弧后，焊丝端部周围的焊剂被熔化，并有一部分蒸发。生成的气体将电弧周围熔渣排开，形成一个封闭的空间，使电弧与外界空气隔绝。电弧在此空间内继续燃烧，不断地熔化焊丝和母材接头处的金属，形成焊接熔池。电弧向前移动后，熔池金属冷却凝固后形成焊缝，熔渣冷却凝固后形成渣壳。1.埋弧焊的焊接过程9.2.2埋弧焊埋弧焊焊缝的形成过程9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接21（1）埋弧焊的优点生产率高埋弧焊的焊接电流可达1000A以上，比焊条电弧焊高6~8倍，使用连续送进的光焊丝，生产率比手弧焊提高5~10倍。焊接质量高且稳定焊剂对熔池金属保护得比较严密，空气较难进入，熔池保持液态的时间较长，冶金过程进行得比较彻底，气体和熔渣也易于浮出。节省金属材料埋弧焊的电弧热量集中，熔深较大，厚度为20~25mm以下的工件，可以不开坡口直接进行焊接，而且无焊条头浪费，飞溅很小。改善了劳动条件埋弧焊看不到弧光，焊接烟雾也很少。焊接时，焊工只要调整、管理焊机就可以进行自动焊接，劳动条件得到很大改善。2.埋弧焊的特点与手弧焊相比，埋弧焊有三点不同，即用“颗粒状焊剂”代替“焊条药皮”、用“连续自动送进的光焊丝”代替“焊条焊芯”、用“焊机自动操作”代替“焊工的手工操作”。9.2.2埋弧焊（2）埋弧焊的缺点一次性投资较大，设备比较复杂，焊接成本较高。焊前的准备工作量较大，对焊件坡口加工、接缝装配均匀性等要求较高。适应性较差，只能进行平焊，且不能焊接任意弯曲的焊缝。不能焊接薄的工件，否则，会产生烧穿缺陷。9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接22焊接前，应将焊缝两侧50~60mm内的锈、水和油污除掉，以免产生气孔。一般在平焊位置焊接长的直线焊缝，采用对接接头或T形接头。工件厚度小于20mm时，采用单面焊。如果设计上有要求（如锅炉与容器），也可采用双面焊。工件厚度大于20mm时，采用双面焊，或采用开坡口单面焊。由于引弧处和断弧处质量不易保证，焊前应在焊缝两端焊上引弧板和引出板，焊后再去掉。为保证焊缝成形和防止烧穿，生产中常采用各种类型的焊剂垫和垫板，或者先用焊条电弧焊封底。3.埋弧焊工艺9.2.2埋弧焊埋弧焊的引弧板和引出板a）焊剂垫b）钢垫板c）铜垫板埋弧焊的焊剂垫和垫板9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接23二氧化碳气体保护焊是以CO2气体作为保护介质的气体保护焊方法。用可熔化的焊丝作为电极和填充金属，靠焊丝和工件之间产生的电弧熔化工件金属和焊丝形成熔池，冷却凝固后成为焊缝，它属于熔化极气体保护焊。1.二氧化碳气体保护焊气体保护焊是利用特定的某种气体作为保护介质的一种电弧焊方法。常用的保护气体有氩气和二氧化碳气两种。9.2.3气体保护焊CO2气体保护焊示意图焊丝由送丝机构送入送丝软管，再经导电嘴送出。CO2气体从焊炬喷嘴中以一定流量喷出。电弧引燃后，焊丝端部及熔池被CO2气体所包围，可以防止空气对高温金属的侵害。9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接24（1）优点成本低。焊接时不需要药皮焊条和焊剂，且CO2气体价廉，尽管焊丝成本高一些，但总成本仅为焊条电弧焊和埋弧焊的40%左右。生产率高。焊接电流密度大，电弧热量集中，熔深较大，焊接速度快，使用连续送进的光焊丝，且焊后无需清渣，生产率比焊条电弧焊提高1~3倍。操作性能好。明弧可见，容易发现问题，并及时调整处理，适于各种空间位置的焊接。质量较好。由于电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，因而焊接热影响区小，变形和产生裂纹的倾向较小。（2）缺点CO2的氧化作用使熔滴飞溅较为严重，导致接头处不够光滑。此外，如果控制或操作不当，容易产生气孔。广泛应用于造船、机车车辆、汽车和农业机械等工业部门，主要焊接厚度为30mm以下的低碳钢和低合金结构钢工件。1.二氧化碳气体保护焊9.2.3气体保护焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接25氩弧焊是用氩气作为保护气体的一种气体保护焊方法。氩气是惰性气体，不与金属起化学反应，也不溶解于液体金属。所以，氩气是一种可靠的保护介质。氩弧焊可以获得高质量的焊缝。氩弧焊是焊接不锈钢的主要方法，也广泛用于焊接铝合金、钛合金、锆合金等材料；用于航空航天、核工业等部门。2.氩弧焊9.2.3气体保护焊氩弧焊的特点电弧稳定，金属熔滴飞溅少，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观。明弧焊接，便于观察，操作灵活，可进行各种空间位置的焊接，易于实现全位置自动焊接。电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，焊接速度较快，热影响区较小，工件焊后变形小。氩弧焊主要用于焊接铝、镁、钛及其合金，也用于焊接不锈钢、耐热钢和一部分重要的低合金钢工件。9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接26按照所用电极的不同，氩弧焊可分为：（1）不熔化极氩弧焊（钨极氩弧焊）用稀土铈-钨或稀土钍-钨棒作为电极。钨极在焊接时不熔化，仅起产生电弧、发射电子的作用。焊接时，在钨极与工件之间建立电弧，填充焊缝的焊丝从一侧进入。一般用于焊接4mm以下的薄板。（2）熔化极氩弧焊利用金属焊丝作为电极，焊丝自动送进并熔化。焊接电流大，适合焊接3~25mm的中、厚板。主要用于焊接不锈钢与非铁合金。熔化极氩弧焊焊丝熔化后，以喷射过渡的形式过渡到熔池。喷射过渡不产生焊丝和工件的短路现象。电弧燃烧稳定，飞溅很小。2.氩弧焊9.2.3气体保护焊a）不熔化极氩弧焊；b）熔化极氩弧焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接27气焊是利用氧气与可燃性气体（最常用的是乙炔气）混合燃烧产生的高温火焰，熔化金属，进行焊接的一种加工方法。特点及用途：气焊主要用于熔焊或钎焊小件、薄板、铸铁及有色金属。还可用气焊火焰进行喷涂、渗碳和热处理的加热，并能切割钢件。气焊设备简单，操作方便，不需电能，适用于各种材料的全位置焊接。但这种方法火焰温度低，加热时间长，生产效率低，热影响区宽，焊后变形大，焊接质量差，只适用于薄板、有色合金的焊接及钎焊刀具、铸铁件修补等。最常用的是氧乙炔焊。乙炔和氧气在焊炬（即焊枪）中混合，然后从焊嘴喷出燃烧，将工件和焊丝熔化形成熔池，冷却凝固后形成焊缝。气体燃烧时产生大量的CO2和CO气体笼罩熔池，起到保护熔池的作用。9.2.4气焊气焊示意图9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接28根据氧和乙炔的混合比值不同，可将氧乙炔焰分为以下三种。（1）碳化焰氧、乙炔混合比小于1的火焰。火焰最高温度可达2700~3000℃，整个火焰比中性焰长。这种火焰适用于碳含量较高的高碳钢、铸铁、硬质合金及高速工具钢的焊接。（2）中性焰氧、乙炔混合比（体积比）为1~1.2时燃烧所形成的火焰。中性焰最高温度可达3000~3150℃，这种火焰在生产上应用最广，适用于低碳钢、中碳钢、低合金钢、不锈钢、纯铜和铝及铝合金等材料的焊接。（3）氧化焰氧、乙炔的混合比大于1.2的火焰。整个火焰很短，燃烧时发出“嘶嘶”声。氧化焰最高温度可达3100~3300℃。只在焊接黄铜和锡青铜时采用，焊接时生成一层氧化物膜覆盖在熔池上，以防止锌、锡在高温下蒸发。9.2.4气焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接29焊接时将工件分开一定的距离，用两块水冷滑块和工件一起构成熔渣池与金属熔池。电流通过液态熔渣时产生电阻热，熔化焊丝和母材从而形成焊缝。由于焊缝金属和近缝区在高温（1000℃以上）停留时间长，易引起晶粒粗大，产生过热组织，造成焊接接头冲击韧度降低。所以对某些钢种焊后一般都要求进行正火或回火热处理。在制造业中，用于板厚在30mm以上的厚板拼接，大断面结构、圆筒形结构和变断面结构的焊接。在机器制造、重型机械、锅炉压力容器、船舶、高层建筑等工业部门中经常遇到。9.2.5电渣焊电渣焊结构示意图9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接30电渣焊的特点生产率高可以一次焊接很厚的工件，从而可以提高焊接生产率。常焊的板厚约在30~50mm。工件不需开坡口，只要两工件之间有一定装配间隙即可，因而可以节约大量填充金属和加工时间。以立焊位置焊接。由于熔渣密度较轻，底部熔池凝固后，浮在顶部的熔渣产生的电阻热又不断熔化金属母材而建立新的熔池，立焊位置能保证焊接不断进行。焊缝组织均匀。金属液纯净熔池中的气体和杂质较易通过熔渣析出，故一般不易产生气孔和夹渣等缺陷。由于焊接速度较慢，近缝区加热和冷却速度缓慢，减少了近缝区产生淬火裂缝的可能性。便于调整焊缝金属的化学成分。由于母材熔深较易调整和控制，所以使焊缝金属中的填充金属和母材金属的比例可在很大范围内调整，这对于调整焊缝金属的化学成分及降低有害杂质具有特殊意义。9.2.5电渣焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接31电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空的工件所产生的热能进行焊接的方法。真空电子束焊是目前应用最广的一种电子束焊，它需要把工件置于真空室内。电子枪由加热灯丝、阴极、阳极积聚焦装置等组成，其阴极被灯丝加热到高温而发射大量电子，这些电子在阴极和阳极（与工件等电位）间的高压作用下加速，经透镜聚焦成高能量密度（106~108W/cm2）的电子束，以极大的速度射向工件极小的面积上，使电子的动能转变为热能，其能量密度是普通电弧的100~1000倍，因而使工件金属迅速熔化，甚至汽化。根据工件的熔化程度，适当移动工件，即得到要求的焊接接头。9.2.6真空电子束焊真空电子束焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接32真空电子束焊的特点保护效果极佳，焊接质量好。焊接在真空中进行，焊缝不会氧化、氮化，也不会吸氢，无焊缝金属污染问题，保证了焊缝金属的高纯度。热源能量密度大、熔深大、速度快、焊缝深而窄（宽深比可达1：20），能单道焊厚件。热影响区小，基本上不产生焊接变形，从而防止难熔金属焊接时产生裂纹。厚件不必开坡口，一般不需填充焊丝。但要求接头平整洁净、装配紧、不留间隙。电子束焊接工艺参数可在较宽范围内调节，焊接过程的控制灵活，适应性强。真空电子束焊设备复杂、造价高，对工件的加工、清整与装配要求高，且焊接尺寸受真空室尺寸限制，因而其应用也受到一定限制。9.2.6真空电子束焊9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接339.2.7激光焊激光焊激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。激光聚焦后的激光束能量密度可达105~1015W/cm2，用于金属或非金属材料的焊接、穿孔和切割。在焊接中应用的激光器，主要有固体和气体两种介质。固体激光器的激光材料是红宝石、钕玻璃等，适合对电子工业及仪表工业的微型焊件进行焊接。气体激光器常使用CO2，适合缝焊，可进行从薄板到50mm厚板的多种焊接。激光器受激产生激光束，通过聚焦系统聚焦到十分微小的焦点（光斑）上，其能量进一步集中，能量密度级别为106W/cm2。当把激光束调焦到工件接缝处时，光能被工件材料吸收后转化成热能，在焦点附近产生高温使金属瞬间熔化，冷凝后形成焊接接头。9.2熔化焊机械制造基础第9章焊接34激光焊的特点能量密度大、热量集中、作用时间短，焊接热影响区极小，工件变形小，尤其适于热敏材料的焊接。激光辐射能量的释放极其迅速，不仅焊接生产率高，而且被焊材料不易氧化，可在空气中焊接，不需要气体保护或真空环境。灵活性好。激光焊时，焊接装置不需要和焊件接触，激光束能用反射镜、偏转棱镜或通过光导纤维引导到难接近的部位进行焊接。此外，激光还可以穿透透明材料进行焊接，如真空管中电极的焊接。可对绝缘材料直接焊接，焊接异种金属材料也比较容易，甚至能将金属与非金属焊在一起。激光焊设备的功率较小，可焊接的厚度受到一定的限制，而且操作与维护的技术要求较高。9.2.7激光焊9.3压力焊机械制造基础第9章焊接35电阻焊是利用电流通过工件及其接触处所产生的电阻热，将工件加热至塑性状态或局部熔化状态，然后在一定压力下实现连接的焊接方法。电阻焊的主要方法有点焊、缝焊、凸焊、对焊。电阻焊的生产率高，不需要填充金属，焊接变形较小，操作简便，易于实行机械化和自动化。焊接时，加在工件上的电压很低（几伏至十几伏），但焊接电流很大（几千安至几万安），因而要求电源功率大。主要适于大批量生产棒料、管料的对接和薄板的搭接。9.3.1电阻焊a）点焊b）缝焊e）凸焊d）对焊电阻焊示意图1-电极2-工件3-极夹具9.3压力焊机械制造基础第9章焊接36点焊是利用柱状电极加压、通电，将搭接好的工件逐点焊合的电阻焊方法。焊接时，先加压使两工件紧密接触，然后接通电流。由于两工件接触处电阻较大，电流流过所产生的电阻热使该处温度迅速升高，局部金属可达熔点温度，熔化形成液态熔核。断电后，继续保持压力或加大压力，使熔核在压力下冷却结晶，形成组织致密的焊点。焊完一个点后，电极再移至另一点进行焊接。工件的表面状态对焊接质量影响很大。如工件表面存在氧化膜、油污等，将使工件间电阻显著增大，甚至存在局部不导电而影响电流通过。因此，点焊前必须对工件进行酸洗、喷砂或打磨处理等。点焊都采用搭接接头形式。1.点焊9.3.1电阻焊9.3压力焊机械制造基础第9章焊接371.点焊9.3.1电阻焊点焊接头形式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。可以焊接碳钢、不锈钢、铝合金等。已广泛用于制造汽车、车厢、飞机等的薄壁结构以及轻工和生活用品等。9.3压力焊机械制造基础第9章焊接38缝焊与点焊相似，只是用旋转的圆盘状电极代替了柱状电极。焊接时，圆盘状电极压紧工件并转动（也带动工件连续移动），配合断续通电，即形成连续的焊缝。缝焊常采用搭接接头形式。2.缝焊（滚焊）9.3.1电阻焊缝焊接头形式缝焊时的焊点相互重叠50%以上，密封性好，焊缝平整，主要用于制造要求密封性的薄壁结构，如油箱、小型容器与管道等。缝焊只适用于厚度为3mm以下的薄板。9.3压力焊机械制造基础第9章焊接39凸焊的特点是在焊接处事先加工出一个或多个突起点，这些突起点在焊接时和另一被焊工件紧密接触。通电后，突起点被加热，压塌后形成焊点。由于突起点接触提高了凸焊时焊点的压力，并使焊接电流比较集中。所以凸焊可以焊接厚度相差较大的工件。多点凸焊可以提高生产率，并且焊点的距离可以设计得比较小。3.凸焊9.3.1电阻焊9.3压力焊机械制造基础第9章焊接40对焊是利用电阻热将两个对接好的工件在整个断面上进行焊接的一种电阻焊方法。对焊采用对接接头形式。对焊分为电阻对焊和闪光对焊两种。4.对焊9.3.1电阻焊对焊接头形式9.3压力焊机械制造基础第9章焊接41（1）电阻对焊电阻对焊的焊接过程：在电极夹具中装工件并夹紧-加压，使两个工件紧密接触-通电流-接触电阻热加热接触面到塑性状态-切断电流-增加压力-形成接头。电阻对焊焊接接头较光滑，不需去毛刺，但焊前需清理工件，适于小截面金属型材的对接，如直径小于20mm的低碳钢棒料或管材的对接。（2）闪光对焊闪光对焊的焊接过程：在电极夹具中装工件并夹紧-使工件不紧密地接触，真正接触的是一些点-通电流-接触点受电阻热熔化及汽化-液体金属发生爆裂，产生火花与闪光-继续移动工件-连续产生闪光-端面全部熔化-迅速加压工件-切断电流-工件在压力下产生塑性变形-形成接头。闪光对焊的热量集中在接头表面，焊接热影响区较小，焊接质量较高，但焊后需处理毛刺。适于低碳钢、低合金钢、不锈钢及铜铝等有色金属重要工件的对接，焊件可以是直径小于0.01mm的金属丝，也可以是截面大于20mm²的金属棒或型材。广泛用于焊接钢筋、车圈、管道等。4.对焊9.3.1电阻焊9.3压力焊机械制造基础第9章焊接42摩擦焊是利用两个相对高速旋转工件的断面接触摩擦而产生的热量，将金属断面加热至塑性状态，然后迅速加压使工件连接的焊接方法。9.3.2摩擦焊摩擦焊装置9.3压力焊机械制造基础第9章焊接439.3.2摩擦焊a）焊接准备

b）摩擦加热开始c）摩擦加热终了

d）顶锻焊接摩擦焊焊接过程a）棒-管；b）管-管；c）棒-棒；d）管-管；e）管-板；f）杆-板摩擦焊的接头形式摩擦焊焊接过程：工件1高速旋转-工件2向工件1方向移动-两工件接触时减慢移动速度，加压-摩擦生热-接头被加热到一定温度-工件1迅速停止旋转-进一步加压工件2-保压一定时间-接头形成。9.3压力焊机械制造基础第9章焊接44摩擦焊的特点：接头质量好且稳定。摩擦焊温度低于焊件金属熔点，热影响区小；接头在顶锻力作用下，完成塑性变形，组织致密；焊件接触面的氧化膜与杂质被摩擦清除，不易产生气孔和夹渣等缺陷。生产率高、成本低。焊接操作简单，不需填充材料，且易于实现自动控制。同时，设备简单，能耗少（只有闪光对焊的1/15~1/10）。生产条件好。摩擦焊无火花、弧光及尘毒，操作方便，工人劳动强度小。适用范围较广。不仅可焊接同种金属，也可以焊接异种金属，甚至金属件与非金属件、非金属件与非金属件。广泛应用于圆形工件、棒料及管料的对接。可焊接实心工件直径为2~100mm，管件外径可达150mm。在发动机、石油钻杆等产品的轴杆类零件中应用较多。9.3.2摩擦焊9.3压力焊机械制造基础第9章焊接45高频焊是利用流经工件接触面的高频电流（10~500kHz）所产生的电阻热加热，实现工件间相互连接的焊接方法。焊接时，可以在工件接触面施加一定压力。高频焊利用了高频电流的集肤效应和邻近效应两大特性来实现焊接。集肤效应是高频电流倾向于在金属导体表面流动的一种现象。邻近效应是当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流集中流动于导体邻近侧的一种奇异现象。集肤效应可使高频电流能量集中于工件表层，邻近效应又可控制高频电流流动路线的位置和范围。9.3.3高频焊9.3压力焊机械制造基础第9章焊接46无论是对接接头还是T形接头，两相邻边彼此平行且留有小间隙，并将两边与高频电源相连，使之组成往复回路，在集肤效应和邻近效应作用下，使电流集中从工件两边表面层流过而被迅速加热到熔化或焊接温度，然后在外压力作用下即形成焊接接头。9.3.3高频焊接缝长度有限的高频焊焊接过程示意9.3压力焊机械制造基础第9章焊接47高频焊的特点焊接速度高。电流高度集中于焊接区，加热速度极快，焊接速度可达150~200mm/min。热影响区小。因焊接速度高，热量输入少，集中在很窄的连接面上，而且工件的自冷作用强，因而不仅热影响区小，而且不易氧化，可获得具有良好组织与性能的焊缝。焊前可不清除工件待焊处表面氧化膜及污物。因为高频电流的电压很高，对表面氧化膜能导通，且焊接时一般能把它们从接缝中挤出去。焊接的金属种类广泛，产品的形状规格多。不仅能焊碳钢、合金钢、不锈钢、铜、铝、镍、锆及其合金等，也能进行异种金属的焊接。高频焊的电源回路的高压部分对人体与设备的安全有威胁，因而对绝缘有较高要求。另外，回路中的振荡管等元件的工作寿命较短，且维修费用较高。高频焊在管材制造方面获得了广泛应用。9.3.3高频焊9.4钎焊机械制造基础第9章焊接48钎焊是利用熔点比母材低的钎料作为填充金属，加热时，钎料熔化而母材不熔化，液态钎料浸润固态母材，填充工件接头间隙并与母材金属原子相互扩散来焊接工件的焊接方法。钎焊的加热温度稍高于钎料的熔点，而低于母材金属的熔点。钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化膜，覆盖在母材和钎料的表面，隔绝空气，具有保护作用。钎剂同时可以改善液体钎料对母材的润湿性能。按钎焊的加热方式，钎焊可分为烙铁钎焊、炉中钎焊、感应钎焊、真空钎焊等。钎焊都采用板料搭接或套件镶接的接头形式。钎焊接头形式9.4钎焊机械制造基础第9章焊接49钎焊可分为硬钎焊和软钎焊两类。钎料熔点高于450℃的钎焊称为硬钎焊（又称为高温钎焊），常用的硬钎料有铜基、银基和镍基等钎料。接头的强度大，用于受力较大、工作温度较高的场合，如钢铁和铜合金件以及刀具、工具等的焊接。钎料熔点低于450℃的钎焊称为软钎焊（又称为低温钎焊），常用的软钎料有铅基和锡基钎料。主要用于受力不大、工作温度较低的仪器仪表、电子元件、电路等的焊接。焊接电子零件时，钎料是焊锡，钎剂是松香。9.4钎焊机械制造基础第9章焊接50钎焊的特点工件加热温度较低，接头组织和力学性能变化很小，焊接变形小。接头光滑平整，焊件尺寸精确。可焊接性能差异大的异种金属，甚至非金属，焊件厚度没有严格限制。生产率高。对工件整体加热钎焊时，可同时钎焊由多条焊缝组成的复杂构件。设备简单，投资费用少。由于钎焊的接头强度较低，尤其是动载强度低，允许的工作温度不高，焊前清理要求严格，而且钎料价格较贵。因此，钎焊主要用于精密、微型、复杂、多焊缝或异种材料的焊件，如硬质合金刀头的焊接以及电子工业、电机、航空航天等工业。9.5焊接性和常用金属材料的焊接机械制造基础第9章焊接51焊接结构件在选材时，总的原则是在满足使用性能的前提下，选择焊接性好的材料。对于不同部位选用不同强度和性能材料拼焊而成的复合构件，应充分注意不同材料焊接性的差异，一般要求焊接接头强度不低于被焊材料中的强度较低者。焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性的影响因素有焊接材料、焊接方法、构件类型及使用要求等，包含工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容。9.5.1金属焊接性的概念9.5焊接性和常用金属材料的焊接机械制造基础第9章焊接52（1）工艺焊接性指焊接接头产生缺陷的倾向，尤其是出现各种裂缝的可能性。（2）使用焊接性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（如耐热、耐腐蚀性能等）。前者说明该金属材料能不能焊接的问题，后者说明焊接后能不能使用的问题。金属材料的焊接性不是一成不变的。同一种金属材料采用不同的焊接方法、焊接材料与焊接工艺（包括预热和热处理等），其焊接性可能有很大的差别。如化学活泼性极强的钛的焊接是比较困难的，曾一度认为其焊接性不好，但自从氩弧焊应用比较成熟以后，钛及其合金的焊接结构已在航空等工业部门中得到广泛应用。9.5.1金属焊接性的概念9.5焊接性和常用金属材料的焊接机械制造基础第9章焊接539.5.2常用金属材料的焊接金属材料常用焊接方法低碳钢焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊等。焊条电弧焊，一般结构可选用酸性焊条，焊接动载荷结构、复杂结构或厚板结构时，应选用碱性焊条中碳钢焊条电弧焊，选用抗裂能力较强的低氢型焊条，焊后应进行相应的热处理。焊前应预热，使焊接时工件各部分温差变小。当要求焊缝与工件材料等强度时，根据钢材强度选择E5015、E5016、E6015和E6016等焊条。如果不要求等强度，选用E4315和E4316等低强度焊条，以提高焊缝塑性高碳钢一般仅限于用焊条电弧焊或气焊进行修补工作。焊条电弧焊，当要求强度高时，选用E7015或E6015焊条；要求低时，可选用E5016或E5015焊条，并预热至更高温度（250~350℃或以上）低合金结构钢焊条电弧焊、埋弧焊或气体保护焊焊接9.5焊接性和常用金属材料的焊接机械制造基础第9章焊接549.5.2常用金属材料的焊接铸铁焊条电弧焊和气焊，个别大件可采用电渣焊。热焊法，焊前将工件整体或局部预热到600~700℃，焊后缓冷。能防止工件产生白口组织和裂纹，补焊质量较好，焊后可进行机械加工。采用铸铁焊条Z248等。冷焊铸铁可采用镍基铸铁焊条，焊接前不预热。采用小电流、分段焊等工艺措施不锈钢多采用氩弧焊或焊条电弧焊，焊接时采用化学成分接近的焊条或焊丝铜及铜合金氩弧焊、气焊和钎焊等。其中，氩弧焊主要用于焊接紫铜和青铜，气焊主要用于焊接黄铜铝及铝合金氩弧焊、气焊、电阻焊和钎焊等。氩弧焊较好，焊接时可不用溶剂，但要求氩气纯度大于99.9%。8mm之下的铝合金板可采用钨极氩弧焊，8mm以上的铝合金板可采用熔化极氩弧焊。气焊常用于焊接要求不高的铝及铝合金工件钛及钛合金氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊等。9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接55不同的焊接方法都具有各自的特点及适用范围，选择时，应根据焊件的结构形状、材质、焊接质量要求、生产批量和现场设备等进行选择，以保证获得优良质量的焊接接头，并具有较高的生产率。选择焊接方法时，应遵循的原则：焊接接头使用性能及质量符合要求。提高生产率，降低成本。9.6.1焊接方法的选择9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接569.6.1焊接方法的选择焊接方法热影响区大小变形大小生产率可焊接空间位置适用板厚（一般钢材）/mm设备费用焊条电弧焊较大较小较低全可焊1以上，常用3~20较低埋弧焊小小高平可焊3以上，常用6~60较高氩弧焊小小较高全0.5~25较高CO2气体保护焊小小较高全0.8~30较低～较高等离子弧焊小小高全可焊0.025~1000以上，常用1~12高电子束焊极小极小高平5~60高点焊小小高全可焊10以下，常用0.5~3较低～较高缝焊小小高平3以下较高电渣焊大大高立可焊25~1000以上，常用35~450较高气焊大大低全0.5~3低9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接57合理的焊缝位置是焊接结构设计的关键，与产品质量、生产率、成本及劳动条件等密切相关。焊缝的布置应考虑以下原则：焊缝位置应便于焊接操作。焊缝应尽量处于平焊位置。各种位置的焊缝，其操作难度不同。以焊条电弧焊焊缝为例，焊缝应尽量在平焊位置，尽量避免仰焊焊缝，并减少横焊焊缝。焊缝要布置在便于施焊的位置。焊缝应尽量避开机械加工面。有些焊件的某些表面需切削加工，为加工方便，有时应先机械加工，后焊接，为避免已加工表面的加工精度受焊接变形的影响，焊缝布置应离加工面远些。对机械加工面要求高的零件，为避免焊接接头的硬化组织影响加工质量，焊缝布置应避开机械加工面。1.焊缝的布置焊接接头的工艺设计包括焊缝的布置、接头形式的选择与设计等。9.6.2焊接接头的工艺设计a）平焊缝；b）横焊缝；c）立焊缝；d）仰焊缝焊缝的空间位置9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接589.6.2焊接接头的工艺设计2.接头形式的选择与设计焊接接头形式应根据结构形状、强度要求、工件厚度、焊后变形大小、焊条消耗量、坡口加工的难易程度和焊接方法等因素综合考虑决定。主要包括接头形式和坡口形式等。碳钢和低合金结构钢常用的接头形式分为对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头，还有盖板接头、十字接头、卷边接头等。9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接59（1）对接接头最常用的接头形式，接头受力比较均匀，重要的受力焊缝应尽量选用此接头形式。（2）搭接接头两工作面不在同一平面，接头处部分相叠，应力分布不均匀，受力时产生附加弯矩，降低了疲劳强度，且金属消耗量大，一般应避免采用。但接头不需开坡口，装配尺寸要求不高，对某些受力不大的平面连接与空间构架，采用搭接接头可节省工时。（3）T形接头同角接接头，接头处也常开坡口。当接头成直角或一定斜角连接时使用。2.接头形式的选择与设计9.6.2焊接接头的工艺设计9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接60（4）角接接头根部易出现未焊透缺陷，引起应力集中，因而接头处常开坡口，保证焊缝质量。受力比对接接头复杂，当接头成直角或一定斜角连接时使用，多用于箱式结构。2.接头形式的选择与设计9.6.2焊接接头的工艺设计a）对接接头；b）搭接接头；c）T形接头；d）角接接头e）盖板接头；f）十字接头；g）卷边接头焊接接头形式9.6焊接结构的工艺性机械制造基础第9章焊接61当工件厚度较大时，无法焊透，需要开坡口。焊条电弧焊对接接头的坡口形式。当两焊接母材厚度相同时，可采用V形坡口、U形坡口、V形坡口（带钝边）及双V形坡口（带钝