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第9章焊接

利用加热或加压（加热和加压），使分离的两部分金属靠得足够近，以便原子互相扩散，形成原子间的结合，从而获得永久性连接的工艺方法。第9章焊接常用焊接方法分类

１．熔焊：利用局部加热的方法，把焊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，将两部分金属连接起来，成为焊接结构的工艺方法。２．压焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。３．钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化之后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一类焊接方法。第9章焊接焊接成形的特点1．接头牢固、密封性好。2．可化大为小、以小拼大。

3．可实现异种金属的连接。4．重量轻、加工装配简单。5．焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。第9章焊接9.1焊接工程理论基础

9.1.1焊接冶金过程熔焊时焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。

实质：金属在焊接条件下的再熔炼过程。第9章焊接9.1.1焊接冶金过程

１、焊接电弧由焊接电源供给的，具有一定电压的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。电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。9.1焊接工程理论基础9.1.1焊接冶金过程

2、焊接电源（1）对焊接电源的要求（电压随负载增大而迅速降低）：

1）具有一定的空载能力，以满足引弧的需要；2）具有适当的短路电流，以保证焊接过程频繁短路时，电流不致无限增大而烧毁电源。3）电弧长度变化时，能保证电弧的稳定。9.1焊接工程理论基础9.1.1焊接冶金过程

（1）焊接电源的类型：交流弧焊机、直流弧焊机和交、直流两用弧焊机。

（2）电弧焊机的选用：酸性焊条选用交流弧焊机；碱性焊条选用直流弧焊机；无电网供电时选用内燃机驱动的直流弧焊机。9.1焊接工程理论基础9.1.1焊接冶金过程

3、焊接冶金过程特点

电弧焊的焊缝金属是由熔池内的液态金属凝固而成。

焊接熔池好似一个微型炼钢炉，在高温下进行着类似金属冶炼时发生的物理化学反映（金属的蒸发、元素的氧化、还原、气体的溶解等）。9.1焊接工程理论基础电弧焊的冶金特点

（1）熔池冶炼温度很高冶金反应剧烈，容易造成合金元素的蒸发与烧损。9.1焊接工程理论基础

（2）焊接熔池冷却极快

熔池中的气体、氧化物、氮化物等杂质来不及向外排出而残存于焊缝金属中，形成气孔和夹渣，甚至产生裂纹。

（3）冶金条件差焊缝金属的塑性、韧性显著下降。为此，焊前必须对焊件进行清理；焊接过程中必须对焊接熔池金属进行机械保护和冶金处理。电弧焊的冶金特点

机械保护：焊条药皮在施焊时产生的大量气体、熔渣，也可用保护气体等机械地把熔池与空气隔开；

冶金处理：向熔池中添加合金元素，以改善焊缝金属的化学成分和组织。9.1焊接工程理论基础

9.1.2焊接接头的组织和性能焊接接头区域热影响区过渡区焊缝区9.1焊接工程理论基础

9.1.2焊接接头的组织和性能

１、焊缝区

熔池凝固后在焊件之间形成的结合部分。

9.1焊接工程理论基础焊缝金属的成分主要决定于焊芯金属的成分。通过选择焊条保证焊缝金属的力学性能。

9.1.2焊接接头的组织和性能

2、熔合区位于焊缝与母材之间，部分金属熔化，又称为半熔化区。9.1焊接工程理论基础

成分和组织极不均匀，强度下降塑性很差，是产生裂纹及局部脆性破坏的发源地。9.1.2焊接接头的组织和性能3、热影响区再结晶区部分相变区正火区过热区9.1焊接工程理论基础热影响区：在焊接过程中，焊缝两侧金属因焊接热作用而产生组织和性能变化的区域。２、热影响区

（１）过热区：具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。过热区的塑性、韧性差，容易产生焊接裂纹。（２）正火区：具有正火组织的区域。空冷后，金属发生重结晶，晶粒细化，其力学性能优于母材。（3）部分相变区：部分组织发生相变的区域。该区的晶粒大小不均匀，力学性能稍差。（4）再结晶区：材料产生回复和再结晶而细化，力学性能提高。9.1焊接工程理论基础２、热影响区9.1焊接工程理论基础

凡温度高、热量集中的焊接方法，热影响区小。选用过大的焊接规范和减慢焊接速度，都会使热影响区变宽。

对热影响区的大小、组织和性能可以通过不同的焊接方法，焊接规范等工艺措施加以控制，但无法消除。

9.1.3焊接应力与变形

产生的原因：焊接时焊件及接头受到不均匀的加热和冷却，同时受到焊件结构和外部约束的限制，使焊接接头产生不均匀的塑性变形。

危害：造成焊件裂纹，甚至断裂。9.1焊接工程理论基础9.1.3焊接应力与变形

２、变形的形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形、错边变形等。9.1焊接工程理论基础３、焊接应力与变形的预防措施（１）合理选择焊件结构：减少焊缝数目、长度及截面积。焊缝尽可能对称，减少焊缝交叉。（２）焊前预热，焊后缓冷：减少温差，减小焊接应力和变形。9.1焊接工程理论基础（３）焊前组装时，采用反变形法：抵消焊接变形。9.1焊接工程理论基础（４）刚性固定法：限制焊接变形。

（5）预留收缩变形量（6）加热“减应区”：焊前加热“减应区”使之伸长，冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可减少焊接应力和变形。３、焊接应力与变形的预防措施

（7）安排合理的焊接顺序：使焊缝的纵向和横向都能自由收缩，减少应力和变形。9.1焊接工程理论基础

（9）焊后热处理：采取去应力退火。

（8）锤击焊缝法：延伸变形，补偿收缩；释放应力，减少应力和变形。焊接应力与变形４、焊接应力与变形的矫正方法焊接变形不可避免，当变形超过规定值时必须矫正。矫正焊接变形的基本原理：使焊接结构产生塑性变形来抵消焊接变形。9.1焊接工程理论基础４、焊接应力与变形的矫正方法

（１）机械矫正法最常见的是锤击变形部位或用油压机对焊接结构变形部位施压，以消除变形。用于塑性较好的焊接结构。9.1焊接工程理论基础４、焊接应力与变形的矫正方法（２）火焰矫正法利用火焰在焊接结构的适当部位加热。

原理：使加热部位膨胀(压缩)；冷却过程中产生收缩（拉伸）。利用压缩变形和收缩变形抵消焊接变形。9.1焊接工程理论基础9.2.1

电弧焊

一、手工电弧焊电弧焊：利用电弧热作为热源的熔焊方法。

手工电弧焊：利用电弧热局部熔化焊件，手工操纵焊条进行焊接的方法。

特点：适应性广；设备简单，容易维护，灵活方便。

9.2常用焊接方法一、手工电弧焊

（一）焊接过程

1、点火引弧；2、熔化金属；3、形成焊缝。焊条药皮产生CO2气体使熔池与空气隔绝，保护熔化金属不被氧化，并与熔化金属中的杂质发生化学反应，结成较轻的熔渣浮到熔池表面。9.2.1

电弧焊（二）电弧焊设备

电弧焊设备：供给焊接电弧的电源。

１、交流弧焊机

一种电弧专用的降压、变压器—弧焊变压器。其输出电压随输出电流的变化而变化。

一、手工电弧焊

特点：结构简单、噪声小、价廉、轻巧、使用维修方便、效率高；电源级性交变，焊条药皮有稳弧剂，以保护电弧的稳定。２、直流弧焊机

1）发电机式：由一台交流电动机和一台直流弧焊发电机组成，发电机由电动机带动。

特点：电弧稳定，焊接质量好；结构复杂，制造成本高，维修较困难，噪声大。２）整流式：在交流弧焊机上加上整流器，将交流电变成直流电。

优点：电弧稳定性好；结构简单，噪声小。

一、手工电弧焊（二）电弧焊设备直流弧焊机输出端有正负级之分，焊接时电弧两端的级性不变。１）正接用于厚和高熔点的金属。２）反接用于薄和低熔点的金属以及碱性焊条。一、手工电弧焊（三）电焊条

１、电焊条的组成及作用

电焊条：涂有药皮供手工电弧焊用的焊接材料。由金属焊芯（含C、S、P较低）和药皮（含Mn、Si）两部分组成。（1）焊芯的作用：①作为电级，起导电作用：②作为焊缝的填充金属，与母材一起组成焊缝。（2）药皮的作用：①稳定电弧；②产生保护气体；③造渣，保护焊缝；④补充合金元素，提高焊缝金属的力学性能。一、手工电弧焊（三）电焊条

２、电焊条的类型

按用途分：结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条等。一、手工电弧焊（三）电焊条

按熔渣化学性质分：酸性焊条、碱性焊条。

酸性焊条氧化性强，焊缝力学性能差，但工艺性好，有利于气体逸出，焊缝中不易形成气孔。

碱性焊条有较强的脱氧、去氢、除硫和抗裂纹的能力，焊缝力学性能好，但工艺性差。一、手工电弧焊３）焊条的选用原则

①焊接低碳钢、低合金钢时，应使焊缝金属与母材等强度；②焊接耐热钢、不锈钢时，应使焊缝金属的化学成分与焊件的化学成分相近；③焊接形状复杂和刚度大的结构及承受冲击、交变载荷的结构时，应选用抗裂性好的碱性焊条；④焊接难以在焊前清理的焊件时，应选用抗气孔性能好、脱渣性好、电弧稳定的酸性焊条。⑤在满足使用性能要求的前提下应优先选用酸性焊条。一、手工电弧焊二、埋弧焊

利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生电弧而自动焊接的方法。

9.2.1电弧焊金属的焊接成形方法焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）1.埋弧自动焊设备及焊接过程2.埋弧自动焊工艺1）焊前准备2)采取防漏措施①双面焊；②手工电弧焊封底；③焊剂垫；④采用锁底坡口；⑤水冷铜垫板。板厚在20~25mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板厚在14~22mm应开Y型坡口，半厚在22~50mm，可开双Y型坡口或U型坡口。3)要有引弧板和引出板环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=20~40mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。3.埋弧自动焊工艺特点1）生产率高（手弧焊的5~10倍）2）焊接质量高且稳定。3）节约金属材料、生产成本低。4）劳动条件好。5）只能在水平位置焊接。应用：主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。三、气体保护焊

用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。

１、氩弧焊用氩气作保护气体的气体保护焊。

按所用电极不同，分为熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊两种。9.2.1电弧焊气体保护电弧焊原理图直流氩弧焊机9.2.1电弧焊１、氩弧焊

特点：

1）机械保护效果好。氩气既不与金属发生化学反应，又不溶解于金属引起气孔。

2）电弧很稳定。

3）明弧焊接，便于观察，易于控制。

4）氩气贵，焊接成本高。用于焊接易氧化的有色金属、稀有金属、高强度合金钢及一些特殊性能的合金钢。9.2.1电弧焊２、二氧化碳气体保护焊

利用CO2作为保护气体的电弧焊方法。

CO2是一种氧化性气体。焊接过程中不仅会使焊件金属和合金元素氧化烧损，导致焊缝金属机械性能下降，还会导致气孔和飞溅。不适用焊接有色金属和高合金钢。

逆变惰性气体保护电焊机9.2.1电弧焊２、二氧化碳气体保护焊

特点：

1）成本低；

2）生产率高。焊接时电流密度大、熔深大，焊接速度快，不需清渣；

3）抗裂性好，易保证焊缝性能；

热影响区较小，加上气流的冷却作用，焊接变形小；

4）明弧施焊，能全位置施焊。

5）焊缝成形较差，飞溅大；需用直流焊机。9.2.1电弧焊

9.2.2其他焊件方法一、压焊（电阻焊）

焊接过程中，必须对焊件施加压力，以完成焊接的方法。

包括电阻焊、摩擦焊、超声波焊等。

电阻焊：焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生电阻热进行焊接的方法。包括对焊、点焊和缝焊。9.2常用焊接方法一、电阻焊（１）点焊：将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极间，利用电阻热熔化母材．形成焊点的电阻焊方法。点焊时，铜合金电极中间通水冷却。靠焊件之间的接触电阻热使焊件局部熔化，形成熔核，随后断电，保持或增大电极之间的压力，使熔核在压力作用下结晶，形成组织致密的焊点。用于焊接薄板结构及钢筋结构件。9.2.2其他焊件方法一、电阻焊（２）缝焊：属于搭接电阻焊的一种（转动的滚轮电极代替点焊时所用的圆柱状电极）。用于焊缝较规则，有密封要求的薄壁结构。9.2.2其他焊件方法一、电阻焊（３）对焊：利用电阻热使对接接头在整个接触面上焊合的焊接工艺。分为电阻对焊和闪光对焊。

电阻对焊：将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热将焊件加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法。适应于形状简单、小断面的金属型材的对焊。9.2.2其他焊件方法一、电阻焊

闪光对焊：将焊件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移进达到局部接触，利用电阻热加热接触点（产生闪光），使端面金属迅速熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。

特点：１）焊接质量高；２）焊前焊件清理要求低。用于受力要求高的重要焊件。9.2.2其他焊件方法二、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、低于母材熔点的温度，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的焊接方法。9.2.2其他焊件方法二、钎焊

钎焊过程：（１）浸润将钎料和焊件加热到焊接温度，钎料熔化并浸润焊件表面；（２）铺展熔融态钎料在接缝的毛细管作用下沿接缝流动铺展。（３）连接熔融态钎料充满接缝后，沿晶界渗入母材内部；扦料与母材互相渗透，形成合金层，使焊件牢固地连接在一起。9.2.2其他焊件方法二、钎焊

特点：（１）焊接温度低，焊接应力小、变形较小，易保证焊接结构的精度；（２）可以整体加热，一次焊完整个结构的全部焊缝，生产率高；（３）接头的强度较低，焊前的准备工作要求较高。

9.2.2其他焊件方法钎焊分类及应用

软钎焊：钎料熔点低于450℃的钎焊。适应于焊接力不大、工作温度较低的电子工业。钎剂为松香、松香酒精、氯化锌溶液等。接头强度小于70Mpa，但导电性优异。

硬钎焊：钎料熔点高于450℃的钎焊。适用于受力较大及工作温度较高的结构件的焊接。钎剂为硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。接头强度大于200Mpa。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

特点：缩小焊接热影响区、减少焊接应力与变形、改善焊接质量、提高焊接效率。应用于高精尖产品零件、难熔金属及高合金的焊接。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

１、电子束焊

利用加速和聚焦的电子束轰击焊件所产生的热能实现焊接的方法。

特点：不使用填充材料、焊透能力强、热影响区小；成本高。用于焊接其他工艺方法难以焊接的材料。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

2、电渣焊

利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行熔焊的方法。

特点：可一次焊接较大厚度工件，生产率高，焊缝金属纯净，不开坡口，节约钢材和焊接材料，经济效益好。用于碳钢、低合金钢、不锈钢等厚大工件的立焊，及铸－焊、锻－焊组合件的焊接。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

3、摩擦焊

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时迅速顶锻的一种压焊方法。

特点：表面清洁要求不高、焊接质量好、生产率高、容易实现自动化，尤其适于异性材料的焊接。但设备投资大，工件必须有一个回转体，不宜焊接摩擦因素小及惰性材料。

9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

4、超声波焊

利用超声波的高频振荡对焊接接头进行局部加热和表面清理，然后施加压力实现焊接的一种压焊方法。

原理：用两个压脚对焊接面施加垂直的压紧力，其中一个压脚上连接超声波传感器，发出平行和垂直于焊件表面的振动。振动产生的应力把焊接面的氧化层和杂质击碎并排除，通过压紧力可实现焊件间的结合。适用于薄板、箔材和线材的焊接。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

5、激光焊

以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热能进行焊接的方法。

特点：热影响区小、变形小、生产率高、适应性强、容易实现异种金属材料的焊接。适用于排列非常密集和热敏感的焊件。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

6、等离子焊

利用压缩电弧作热源的金属气体保护焊。

原理：经强迫压缩后的电弧弧柱中的气体充分电离，形成高温、高能量的等离子弧，从而熔化金属并形成焊接接头。

特点：穿透力强，焊接质量好，热影响区小，焊接变形小。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

7、爆炸焊

利用炸药产生爆炸产生的巨大冲击力和热量造成焊件的迅速碰撞而实现连接的焊接方法。

特点：焊接接头强度高，热影响区小。无需专用设备，工件形状、尺寸不限。用于材料性能差异大而其它方法难以焊接的场合。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

8、扩散焊

在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形，经长期的原子扩散而实现连接的焊接方法。

特点：焊接质量好，焊接变形小，可焊接非金属材料、异种材料和不适于熔焊的材料，可制造多层复合材料。9.2.2其他焊件方法三、高能高效焊接技术

9、磁力脉冲焊

利用被焊工件之间脉冲磁场相互作用而产生冲击来实现金属之间的连接。原理与爆炸焊相似。

可焊接薄壁管材、异种金属。9.2.2其他焊件方法9.2.3气焊与气割

（一）气焊

利用可燃气体和氧气混合燃烧时产生的高温火焰作为热源使焊件和焊丝局部熔化为填充金属的焊接方法。可燃气体（乙炔）燃烧时产生大量CO2和CO气体包围熔池，排开空气，保护熔池。焊接不锈钢、铸铁、铜合金、铝合金时使用焊剂去除焊接过程中产生的氧化物。9.2常用焊件方法（一）气焊

特点：①焊接温度较低，焊件的加热时间较长，生产率低；②焊接热影响区较大，过热区较宽，焊件容易变形；③火焰对熔池保护性差，焊接质量不高；④容易控制，操作简便、灵活，不需电源。9.2.3气焊与气割（二）气割（氧气切割）

用气体火焰对金属预热到燃点，并用氧气流使之燃烧而实现切割的方法。9.2.3气焊与气割（二）气割

金属气割应具备的主要条件：１）金属在燃烧时放出大量的热量，同时，金属的导热性小；２）金属的燃点低于熔点，以保证金属在固态时燃烧并被切割；３）焊渣的熔点低于金属本身的熔点，以保证氧化物呈液态被吹走。碳的质量分数超过１％的钢难以气割，铸铁、铜铝合金不能气割。9.2.3气焊与气割9.2.4焊接技术的发展趋势一、计算机在焊接中的应用及发展１、计算机辅助焊接过程控制；２、焊接结构计算机辅助设计和制造；３、焊接过程的模拟及定量控制；9.2常用焊接方法9.2.4焊接技术的发展趋势

二、高效焊接技术的应用与发展

１、焊接设备方面的新进展

（1）新型焊接电源；（2）焊接设备的配套化。

２、新型焊接材料（1）新型气体保护焊丝；（2）单面衬垫材料。

３、自保护焊接方法，基础气体保护焊４、焊接机器人9.2常用焊接方法9.3金属材料的焊接

9.3.1材料的焊接性１、概念：

焊接性：金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

影响焊接性的因素：母材的化学成分、焊件的厚度、焊接方法及其他工艺条件等。9.3.1材料的焊接性

２、把钢中合金元素的含量，按其对焊接性影响程度换算成碳当量。用碳当量作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳当量越高，钢材的焊接性越差。9.3金属材料的焊接CE<0.4%CE=0.4%~0.6%CE>0.6%具有良好的焊接性焊接性较差焊接性差预热温度与碳当量、板厚关系9.3金属材料的焊接9.3.2钢材的焊接

一、低碳钢的焊接

特点：１、塑性好，没有淬硬倾向，焊接热过程不敏感，焊接性能好；２、不需采用特殊的工艺措施；３、对厚度大于50mm的构件，需用多层焊，焊后退火；４、低温焊接刚度大的构件时，焊接应力较大，应预热。9.3金属材料的焊接二中、高碳钢的焊接

特点：随含碳量的增加淬硬性增加，焊接性能变差，焊接接头易形成气孔和裂纹。

防止措施：选择低氢或不锈钢焊条；选择焊前预热；采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊等焊接工艺。

9.3.2钢材的焊接三、低合金结构钢的焊接

特点：随含碳量及合金元素的增加淬硬性增加，热影响区的脆性增加，塑性、韧性下降。

防止措施：焊前预热，焊后及时进行去应力退火。9.3.2钢材的焊接9.3.3铸铁的补焊

特点：铸铁含碳量高，含硫、磷等杂质较多，塑性差，焊接性能差。焊接过程中易形成白口组织、裂纹、气孔和夹渣。一般采用气焊和手工电弧焊。分为热焊法（预热到600~700℃）和冷焊法（不预热或预热到400℃以下）两种。9.3金属材料的焊接一、铝和铝合金的焊接

焊接性能差，原因：１、易氧化；２、氢能溶于液态铝，不溶于固态铝，易形成气孔；３、铝膨胀系数大，焊接应力和变形大，高温下铝的强度和塑性低，易开裂；４、易烧穿和塌陷。采用氩弧焊、电阻焊、钎焊和气焊。

9.3.4非铁金属的焊接二、铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接性能差，原因：（１）导热性强，焊接时热损失大，造成焊不透等缺陷；（２）线膨胀系数和收缩率大，焊接热影响区宽，易产生较大的焊接应力，变形和裂纹倾向大；（３）液态易氧化，生成Cu2O并与Cu形成脆性、低熔点共晶体，分布于晶界上，易产生热裂纹；（４）吸气性强，易形成气孔。采用氩弧焊、手工电弧焊、钎焊和气焊。9.3.4非铁金属的焊接9.3.5难熔金属及其合金的焊接

钛、镐、钼铌加热时会强烈吸收氧、氢、氮等气体，使焊接接头性能恶化。采用氩弧焊、等离子弧焊和电子束焊。

9.3金属材料的焊接9.3.6非金属材料的焊接

1、陶瓷（熔点、硬度、强度高、不易变形，热导率和电导率低