工程材料及成形工艺 第3版 课件 11章 焊接

第11章焊接11.1焊接的类型、特点及应用11.2熔焊过程与焊接质量11.3常用焊接方法11.4常用材料的焊接11.5焊接结构工艺设计11.1.1什么是焊接11.1焊接的类型、特点及应用

粘接法(物理和化学的连接)主要用于异种材料和非金属材料之间的，以及复杂零件之间的组装连接。机械连接法借助于螺栓或铆钉的连接，主要用于机架与机器的装配，易损件的连接。焊接法(冶金连接),主要用于金属材料及金属结构的连接。对制造而言,焊接技术是一种毛坯制造方法。就其工艺而言，焊接首先是一种连接技术。常用金属连接方法如下。焊接的优点①连接性能好：焊接接头的力学性能（强度、塑性）耐高温、低温、高压性能和导电性、耐腐蚀性、耐磨性、密封性等均可达到与母材性能一致。②省料、省工、成本低，生产率高，结构重量轻简化工艺，能以小拼大，被喻为神奇的“钢铁裁缝”。③与铆接相比，采用焊接工艺制造的金属结构重量轻，节约原材料，制造周期短，成本低。世界上50～60％的钢要进行焊接。焊接的不足①结构无可拆性;②焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化；而产生焊接残余应力、焊接变形和焊接裂纹等缺陷;③焊接缺陷的隐避性，易导致焊接结构的意外破坏。

固态金属之所以能够保持固定的形状，是因为其内部原子之间距离（晶格）非常小，原子之间形成了牢固的结合力（金属键）。把两个分离的金属零件连接在一起，从物理本质上来看，就是要使这两个构件连接表面的原子彼此接近到金属晶格距离（0.3-0.5nm）。金属焊接的本质金属焊接的障碍一般情况下，当我们把两个金属构件放在一起时，由于其表面粗糙度（即使经精密磨削加工的金属表面粗糙度仍达几到几十微米）和表面存在的氧化膜及其它污染物，实际阻碍着不同构件表面金属原子之间接近到晶格距离并形成结合力。焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程克服上述困难。11.1.2焊接的本质金属结合面平齐而无杂物金属结合面粗燥或有氧化膜为了克服阻碍材料表面紧密接触的各种因素，主要采用的措施：加压对被连接的材质施加压力，目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的截面积，从而达到紧密接触。加热对被连接材料加热（局部或整体）。对金属来说，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力。同时也会增加原子的振动能，促使扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。大多数焊接方法都需要借助加热或加压。或同时实施加热和加压，以实现原子结合。11.1.3焊接的分类3．钎焊

用熔点低于被焊金属的材料作钎料，使其熔化并填充到接头间隙中，通过扩散和浸润作用，然后冷却凝固，将被焊工件连接在一起。1．熔化焊

把被连接的工件结合处加热到熔化状态，并加入填充金属，冷却凝固后获得牢固连接。2．压力焊

对被连接的工件结合处加压(或同时加热)，使其紧密接触并产生一定的塑性变形(或局部熔化)，在压力下获得牢固接合。常用焊接方法应用于桥梁建造-------船舶制造11.1.4焊接的应用应用于飞机、汽车及武器制造应用于锅炉等的制造11.2.1熔焊过程与焊条1．焊接电弧

把工件和焊条分别接到焊接电源的正极和负极,当其瞬时接触时，在气体介质中会产生持久而强烈的放电现象，称为焊接电弧。2．焊接过程包括焊条和工件局部的熔化、熔池的形成，熔池的冷却结晶，焊缝与渣壳的形成等几个过程。3．焊条由焊芯和药皮两部分组成。1）焊芯一是导电，产生电弧；二是熔化后作为填充金属进入熔池，用来形成焊缝和调整焊缝成分。2）药皮使焊条具有好的焊接工艺性；保护焊缝；冶金作用。11.2熔焊过程与焊接质量直流电弧的温度分布使用直流电源焊接时，焊件接正极，焊条接负极，称为正接；反之则称为反接。4．熔焊过程冶金特点1）加热时熔池金存在于冷却快的金属包围中，需要热源能量集中。电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。2）熔化态熔池金属温度很高，导致金属元素烧损或形成有害杂质。需要保护熔池。焊剂和电渣形成渣保护；用吹CO2或Ar来进行保护；渣-气联合保护。2）冷却凝固时熔池体积小，冷却速度快。容易产生气孔和夹渣等缺陷，还由于应力大，易产生变形和裂纹。手工电弧焊的焊接过程示意图

11.2.2焊接热循环焊接时，电弧沿着工件逐渐前移并对工件进行局部加热，因此，在焊接过程中，焊缝附近的金属都将由常温状态被加热到较高的温度，然后再逐渐冷却到室温。由于各点金属所在的位置不同，与焊缝中心的距离不相同，所以各点的最高加热温度也不相同，它们所达到最高加热温度的时间亦不同。焊缝及其母材上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。热循环使焊缝附近金属相当于受到一次不同规范的热处理。焊接热循环的特点是加热和冷却速度都很快，对易淬火钢，焊后会发生空冷淬火，产生马氏体组织；对其它材料，还会产生焊接变形、应力及裂纹。11.2.3焊接接头的组织与性能低碳钢焊接过程造成的金属组织性能的变化，如右图所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织和性能发生变化的区域，称为焊接热影响区。熔焊焊缝和母材交界线称为熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区（也称半熔化区）。因此，焊接接头通常由焊缝区、熔合区及热影响区组成。1-热影响区2-熔合区3-熔合线4-柱状树枝晶焊接接头中熔合区和过热区的力学性能最差。焊接结构往往不在焊缝上破坏，而在热影响区内破坏。改善措施：加强对焊缝金属的保护；合理选择焊接方法及焊接工艺；对焊件进行局部或整体热处理。焊缝及热影响区的组织示意图11.2.4焊接应力与变形1．焊接应力与变形产生的原因对焊件进行不均匀的局部加热和冷却。2．焊接变形的基本形式收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪形变形。3．防止及消除焊接应力的措施焊缝勿密集交叉；选择合理的焊接顺序；锤击或碾平焊缝；小能量、多层焊；焊前预热、焊后缓冷；焊后去应力退火。4、防止和消除焊接变形的措施焊缝勿密集交叉；反变形法；刚性固定法；采用合理的焊接规范；选用合理的焊接顺序；机械或火焰矫正法。

右图为平板对焊的应力与应变示意图。a焊接过程中b冷却以后

右图为焊接变形的基本形式示意图。a收缩变形b角变形c弯曲变形d扭曲变形e波浪变形1）上图为钢板对接反变形法2）右上图为对称焊接方法3）右下图为用夹具防止变形法分段堆焊法a变形最大b变形较小c变形最小机械矫正法火焰矫正法11.3.1气体保护焊特点为：生产率高，比手弧焊快；焊接质量好；操作性能好；明弧便于观察。1．CO2气体保护焊以CO2作为保护气体的电弧焊方法，用焊丝作电极。成本低。但CO2在高温下易分解为CO和O，形成气孔，导致飞溅。适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢材料，主要是薄板焊接。11.3常用焊接方法CO2保护焊示意图1-工件2-熔池3-焊缝4-电弧5-CO2保护区6-焊丝7-导电嘴8-喷嘴9-CO2气瓶10-焊丝盘11-送丝辊轮12-送丝电极13-直流焊接电源2．氩弧焊用氩气作保护气体的电弧焊，可获得高质量的焊缝。保护效果好；电弧稳定；焊接热影响区和变形小；但氩气昂贵，设备造价高，焊前清理要求严格。氩弧焊适用于易氧化的有色金属及合金钢等材料的焊接，如铝、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。熔化极氩弧焊非熔化极氩弧焊

1-送丝轮2-焊丝3-导电嘴4-铜丝网5-喷嘴6-进气管7-氩气流8-电弧9-工件1-钨极2-导电嘴3-铜丝4-网喷嘴5-进气管6-氩气流7-电弧8-填充金属丝9-工件11.3.2埋弧自动焊在颗粒状的焊剂层下产生电弧的熔化焊。生产率高；焊接质量高且稳定；节省金属材料，生产成本低；劳动条件好，看不到明弧。用于碳钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等材料。1-焊件2-焊剂3-焊剂斗4-焊丝5-送丝滚轮6-导电嘴7-焊缝8-焊渣a双面焊b打底焊c采用垫板d采用锁底坡口e水冷铜板12.3.3电渣焊是一种利用电流通过熔渣时产生的电阻热，同时加热熔化焊丝和母材来进行焊接的熔焊方法。电渣焊焊接特点及应用①大厚度工件可一次焊成三丝摆动可焊厚度达450mm。②生产率高，成本低焊接任何厚度均不需开坡口。③焊接质量好。④电渣焊的不足之处是：焊缝力学性能较差，对重要结构件，焊后需正火处理，以改善性能。电渣焊适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料，主要用于厚壁压力容器，铸-焊、锻-焊、厚板拼焊等大型构件的焊接。焊接厚度一般应大于40mm。a电渣焊过程b电渣焊焊件装配电渣焊示意图1-焊件2-焊缝成形滑块3-金属熔池4-渣池5-电极（焊丝）6-焊缝金属7-冷却水管8-金属熔滴9-送丝机构10-导丝管11-导电板12-变压器13-焊件14-引弧板15-引出板16、17-水冷却铜滑块18-∏形定位板11.3.4电阻焊属压力焊，根据接头形式常分为点焊、缝焊和对焊。1．点焊点焊是将焊件装配成搭接接头后，压紧在两柱状电极间，然后通电，利用电阻热局部熔化母材，形成焊点的电阻焊方法。2．缝焊缝焊是连续的点焊过程。3．对焊对焊是利用电阻热将焊件断面对接焊合的一种电阻焊，可分为电阻对焊和闪光对焊。4．特点焊件热影响区及变形小，易获得优质接头；不需外加填充金属和焊剂；劳动条件好；易于获得形状复杂的零件；易实现机械化、自动化，生产率高。但接头质量不稳定，耗电量大，焊机复杂，造价较高。5、应用点焊适用于板厚4㎜以下的薄板冲压结构及钢筋的焊接；缝焊主要用于板厚3㎜以下、焊缝规则的密封结构的焊接；对焊主要用于制造密闭形零件、轧制材料接长、异种材料制造。1）右上为点焊接头形式示意图2）左下为点焊示意图

3）右下为电阻缝焊示意图a无凸肩搭接b有凸肩搭接c内弯搭接d外弯搭接e纵横交叉处带斜面的焊接f熔焊焊缝和横向缝焊焊缝的交叉g熔焊用于纵横焊焊缝的交叉h双重焊缝接头下图为各种缝焊接头型式a电阻对焊b闪光对焊1）左为对焊方式示意图2）右为对焊接头型式示意图11.3.5钎焊钎焊属于物理连接，亦称钎接。1.钎焊种类

软钎焊（钎料熔点低于450℃）;硬钎焊（钎料熔点高于450℃）。2.钎焊加热方式火焰加热;电阻加热;感应加热;烙铁加热等。接头型式3．钎焊特点及应用焊件变形小，工件尺寸精确；可焊接异种金属；生产率高；设备简单，生产投资费用少。钎焊主要用于焊接精密、微型、复杂、多焊缝、异种材料的焊件。11.4.1金属材料的焊接性能1．焊接性的概念焊接性包括两个方面内容：一是指焊接时产生缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；二是指焊接接头在使用中的可靠性，包括接头的力学性能，以及耐热、耐蚀等特殊性能。2．钢材焊接性的评价方法常用碳当量WcE来评价被焊钢材的焊接性。WcE愈大，焊接性愈差。WcE<0.4%时，钢材的塑性良好，焊接性优良，WcE=0.4%～0.6%时，钢材塑性下降，焊接性下降，淬硬及冷裂倾向增加，焊前需适当预热，焊后缓慢冷却；WcE>0.6%时，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，焊前需高温预热，焊接时要求采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后需要适当热处理。11.4常用材料的焊接11.4.2碳素钢的焊接1．低碳钢的焊接焊接性良好。一般情况下，无需采取特殊的工艺措施，用任何焊接方法均可得到优质接头。但在低温环境施焊或焊接较厚大的结构时，应适当考虑焊前预热（100～150℃）。对壁厚大于50mm的工件，焊后应进行正火或去应力退火，以消除残余应力并细化晶粒，提高焊接接头性能。2．中、高碳钢的焊接中碳钢常采用手工电弧焊，选用E5015（J507）焊条，焊前应预热（150～400℃）；一般采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊；焊后应缓慢冷却，防止冷裂纹的产生，必要时进行去应力退火。厚壁件也可采用电渣焊。高碳钢焊接性能更差，需采用更高的预热温度，更严格的工艺措施来保护。高碳钢材通常不用于做焊接结构，主要用来修复损坏的机件。11.4.3低合金结构钢的焊接一般采用手工电弧焊、埋弧自动焊和CO2气体保护焊焊接。强度级别较低的低合金钢结构（屈服强度小于400MPa），合金元素少，碳当量低（WcE<0.4%），焊接性能接近低碳钢，具有良好的焊接性能，一般不需预热，焊接时，不必采取特殊的工艺措施。但在低温下或较厚大板时，需预热到100～150℃。强度级别较高的低合金钢（屈服强度大于450MPa），随合金元素含量及强度的增高，热影响区的淬硬倾向增大，焊接性能较差。此外，接头产生冷裂纹的倾向也相应增大，焊前需预热（150～250℃），并加大焊接电流，减小焊速，同时选用低氢焊条，焊后还要及时进行热处理或消氢处理（焊件加热至200～350℃，保温2～6h使氢逸出），这样可以预防冷裂纹的产生。11.4.4不锈钢的焊接不锈钢具有良好的耐酸、耐热及耐腐蚀等性能，在生产中应用广泛。应用最为广泛的奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，可采用手弧焊、氩弧焊和埋弧焊进行焊接，焊接时，一般不需要采取特殊的工艺措施。需要指出的是，奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题是焊缝的热裂倾向及焊接接头的晶间腐蚀倾向，为防止其发生，应按母材金属类型选择不锈钢焊条，采用小电流、短弧、焊条不摆动、快速焊等工艺，尽量避免过热；对耐蚀性要求高的重要结构，焊后还要进行高温固溶处理，以提高其耐蚀性。马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的焊接性较差，应采取严格的工艺措施，如焊前预热、采用细焊条、小电流焊接、焊后去应力退火等。11.4.5铸铁的焊接铸铁焊接性差，主要用于焊补，即修复铸件缺陷或损坏的部位。根据焊前是否预热，焊补工艺分为热焊和冷焊两种。1．热焊焊前将焊件整体或局部加热到600～700℃，用气焊或手工电弧焊进行焊补，焊补过程中焊件保持预热温度，焊后缓冷或去应力退火，质量稳定，易机械加工。但此法需要加热设备，成本高，劳动条件差，生产率低，一般用于小型、中等厚度（>10mm）的铸铁件和焊后需要加工的复杂、重要的铸铁零件，如机床导轨和汽车的气缸。采用气焊焊补时，使用铸铁焊芯并配气焊熔剂；手弧焊焊补时，采用铸铁芯、镍基铸铁焊条或钢芯石墨化焊条。2．冷焊焊前不预热或低温预热（400℃以下），易出现白口组织，但其生产率高，成本低。冷焊法采用手弧焊进行，常用焊条有：铜基铸铁焊条、高钒铸铁焊条、钢芯铸铁焊条、镍基铸铁焊条。11.4.6非铁金属的焊接1.铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接比较困难，主要因为：①铝极易氧化形成高熔点的氧化铝，阻碍金属的熔合;②铝的导热系数较大，焊接时热量散失快;③铝的高温强度低，焊接应力较大，易使焊件变形开裂;④铝及铝合金液态溶氢量大，凝固时易形成气孔。可用氩弧焊、气焊、电阻焊、钎焊等方法进行焊接。2.铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接性较差，主要表现在:①容易出现不熔合和焊不透的现象;②易形成气孔;③易产生较大的焊接应力而变形甚至开裂;④易引起焊接裂纹。铜及铜合金可采用氩弧焊、气焊、埋弧焊、等离子弧焊等方法进行焊接。紫铜和青铜采用氩弧焊焊接时质量最好，黄铜常用气焊进行焊接，埋弧焊适用于焊接厚度较大的紫铜板。

11.5.1焊接材料的选择焊接结构选材的总原则是在满足使用性能前提下，选用焊接性好的材料。应优先选用含碳量小、焊接性好的低碳钢及低合金钢。碳当量大于0.4%的碳钢和合金钢，焊接性稍差，一般不宜选用。镇静钢脱氧完全，组织致密，可用作重要焊接结构。对于用异质钢材或异质金属拼焊的复合构件，需要保证焊缝与低强度金属等强度；工艺上应按焊接性较差的高强度金属设计。另外，工程上应尽量采用工字钢、槽钢、角钢、钢管等型材制作焊接结构，以减少焊缝，简化工艺。11.5焊接结构工艺设计11.5.2焊接方法的选择制造焊接结构，必须根据各种焊接方法的特点和适用范围、结构材料的焊接性、焊件厚度、焊缝长短、生产批量和现场条件等综合考虑，选择适宜的焊接方法。基本原则是：在保证产品质量的前提下，优先选用常用的焊接