《制造工程基础》课件 第三章 金属的焊接成形

第三章

金属的焊接成形21.1焊接的概念和特点——通过加热或加压（或两者同时并用），可使用或不用填充材料，使分离焊件产生原子结合和扩散而连接成一体的一种加工方法。1.1.1焊接的概念和分类根据实现原子结合的途径不同，焊接技术分为熔焊、压焊和钎焊三大类。3焊接熔焊压焊钎焊母材局部熔化，填充金属材料,不加压加热或不加热，以加压为主母材不熔化，填充钎料熔化电弧焊气焊、电渣焊电子束、激光焊电阻焊摩擦焊超声波焊、爆炸焊软钎焊（锡焊）硬钎焊（铜焊、银焊）41.1.2焊接的特点

可以实现异种材料的永久性连接，可节省贵重材料；

可以化大为小，化复杂为简单；

焊件整体刚度大，接头力学性能好，密封性好；

容易产生裂纹等缺陷，不可拆卸。

容易产生变形，残余应力及应力集中。51.1.3焊接的应用——焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、航空及航天工业等领域应用十分广泛。旧金山的金门大桥，它是由87750吨钢材焊接拼成的。采用焊接工艺制造的核潜艇62.1熔焊的本质及特点熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。熔焊过程焊接方向7热源熔池保护焊缝填充材料热源：电弧、等离子弧、电渣热、电子束、激光束2.1.1熔焊的三个要素8——在电极与工件间强烈而持久的气体介质放电现象，即气体介质被击穿而导电。热源：电弧、等离子弧、电渣热、电子束、激光束9阴极区（负极端10-5~10-6cm）:热量约占36%，平均温度2400K；弧柱区（中间区）：热量21%，弧柱中心温度可达6000

~

8000K。阳极区（正极端10-3~10-4cm）：热量约占43%，平均温度2600K;10直流焊机的正接、反接正接——工件接电源正极，焊条接负极反接——工件接电源负极，焊条接正极用钢焊条焊接钢材时：交流电焊机无正接与反接，两极温度均约为2500K。阳极区（正极端）~2600K(热量43%)

阴极区（负极端）~2400K(热量36%)

弧柱区（中间区）6000~8000K(热量21%)

（厚大工件）（薄小工件）11热源：电弧、等离子弧、电渣热、电子束、激光束等离子弧：能力密度集中，温度高，挺直度好。自由电弧等离子弧1—钨极；2—喷嘴；3—冷气套；4—热气套；5—弧柱保护气体保护气体冷却水24000~50000K12热源：电弧、等离子弧、电渣热、电子束、激光束电渣热：特制的电渣——大量离子——正负离子定向移动形成电流——导电并放热——融化金属电渣热源电极渣池焊件熔化金属焊缝电源2000~2200K13热源：电弧、等离子弧、电渣热、电子束、激光束电子束：钨——2600K时产生电子——强电场作用下，产生大的能力密度——熔化金属激光束：单波长、单色性、方向性强、能力密度高——金属瞬间气化或熔化（穿透力差）电子束激光束电子束熔深大熔深小激光束熔池保护：1.熔池温度高，大量金属蒸发；当有空气侵入电弧时，液态金属发生氧化、氮化反应；2.空气中的水分、焊接材料的油、锈、水在高温下分解氢原子，可溶于液态金属，导致氢脆（接头部位塑性、韧性急剧下降）

或形成气孔，造成冷裂纹；3.金属熔池体积小（约2~3cm3），处于液态的时间短（10s左右），冶金反应不充分，焊缝的化学成分不均匀；4.熔池中的气体、化合物来不及浮出，容易造成气孔、夹渣等缺陷。1415改善措施：渣保护：为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣，防止金属氧化、吸气和向熔池过渡合金元素。渣保护、气体保护、渣-气联合保护渣保护材料：焊剂、电渣16渣保护材料：焊剂、电渣焊剂：保证热源的稳定，S、P元素含量低，熔点和粘度合适，脱渣性好，不析出有害气体等；电渣：焊剂性能、合适的电导率、高的蒸发温度熔炼焊剂：保护作用非熔炼焊剂：保护；渗合金、脱氧、去硫焊剂牌号：HJ13017气体保护：高温下不分解的惰性气体；低氧化、不溶于液体金属的气体；混合气体。改善措施：渣保护、气体保护、渣-气联合保护18改善措施：渣保护、气体保护、渣-气联合保护焊接方向药皮：含有造气剂和造渣剂二氧化碳加药芯：空心金属筒中心包裹粉剂稳弧剂、合金剂、脱氧剂、脱硫剂、去氢剂、粘结剂酸性药皮、碱性药皮19焊缝填充金属：当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能填满焊缝，这时必须外加焊丝焊芯和焊丝对于低合金钢，必须用合金焊丝和焊芯过渡合金元素，提高焊缝性能和强度。保证强度和韧性：磷、硫含量<0.03%。H：焊接用钢丝；A：高级优质钢；E：特级优质钢202.1.2焊接接头的组织和性能焊接接头组成示意图1——焊缝金属；2——熔合区；3——热影响区32121一、焊接热循环:焊接过程中，焊缝及其附近母材上某点的温度-时间变化过程。低碳钢焊接热循环特征22二、焊缝金属的组织和性能：

焊接时，熔池金属受电弧吹力和保护气体吹动，熔池底壁的柱状晶生长受到干扰，柱状晶呈倾斜层状，晶粒有所细化。同时由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属的性能不低于母材。23按最高加热温度的不同，热影响区又分为：熔合区过热区正火区部分相变区三、热影响区：

在电弧热作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织或性能变化的区域，称为焊接热影响区。24过热区：具有过热组织、晶粒明显粗大，塑性差，较易产生裂纹。最高加热温度在1100℃以上的区域。正火区：相变重结晶区，晶粒细，性能好，是焊接接头中性能最好的区域。部分相变区：发生部分相变的区域。区内晶粒大小不均匀，力学性能劣于母材。熔合区：焊缝金属与热影响区之间的过渡带。0.1~1mm，2526四、影响焊接接头性能的因素1.焊剂和焊丝2.焊接方法3.焊接工艺参数4.熔合比：被熔化的母材在焊缝金属中

所占的体积百分比27改善焊接接头组织性能的方法焊后热处理焊后正火处理焊接方法和焊接过程282.2.1.焊接应力和变形产生的原因——焊件局部进行的不均匀加热和冷却是产生应力和变形的根本原因。内应力存在规律：加热膨胀受阻（受压：－）

冷却收缩受阻（受拉：＋）2.2焊接应力与变形△Lˊ△L292.2.2焊接应力的防止和消除①选择合理的焊接顺序：合理选择焊接顺序可以减少焊接应力的产生。选择的主要原则是：应尽量使焊缝自由收缩而不受较大的拘束。先焊收缩量较大的焊缝或先焊工作时受力较大的焊缝；拼焊时，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。30减小焊接件各部位之间的温差，降低焊缝区冷却速度，减小焊接应力和变形。②焊前预热（350~400℃）③加热“减应区”：在焊接结构上选择合适的部位加热后再焊接，可大大减少焊接应力。所选的加热部位称“减应区”④焊后热处理：去应力退火过程可以消除焊接应力，即将工件均匀加热到600~650℃，保温一定时间后缓慢冷却。312.2.3焊接变形的防止和消除焊接变形的基本形式（a）尺寸收缩；（b）角变形；（c）弯曲变形；（d）波浪变形；（e）扭曲变形32防止和减少焊接变形的措施①合理设计焊接构件。尽量减少焊缝数量、焊缝长度及焊缝截面积；要使结构中所有焊缝尽量处于对称位置。厚大件焊接时，应开两面坡口进行焊接，避免焊缝交叉或密集。33②采取必要的技术措施。反变形法：在焊接时，使焊件按角变形方向的反方向放置，以抵消焊接变形。34②采取必要的技术措施。反变形法：经过计算或凭实际经验预先判断焊后的变形大小和方向，或焊前进行装配时，将焊件安置在与焊接变形方向相反的位置。或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊接后所发生的变形。加裕量法：焊前对焊件加放0.1%~0.2%的收缩量，以补充焊后的收缩。35②采取必要的技术措施。反变形法：经过计算或凭实际经验预先判断焊后的变形大小和方向，或焊前进行装配时，将焊件安置在与焊接变形方向相反的位置。或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊接后所发生的变形。加裕量法：焊前对焊件加放0.1%~0.2%的收缩量，以补充焊后的收缩。刚性夹持法：采用夹具或点焊固定等手段来约束焊接变形。36②采取必要的技术措施。反变形法：经过计算或凭实际经验预先判断焊后的变形大小和方向，或焊前进行装配时，将焊件安置在与焊接变形方向相反的位置。或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊接后所发生的变形。加裕量法：焊前对焊件加放0.1%~0.2%的收缩量，以补充焊后的收缩。刚性夹持法：采用夹具或点焊固定等手段来约束焊接变形。选择合理的焊接顺序：合理选择焊接顺序能大大减小变形，如构件的对称两侧都有焊缝，应该设法使两侧焊缝的收缩量能互相抵消或减弱。37②采取必要的技术措施。反变形法：经过计算或凭实际经验预先判断焊后的变形大小和方向，或焊前进行装配时，将焊件安置在与焊接变形方向相反的位置。或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊接后所发生的变形。加裕量法：焊前对焊件加放0.1%~0.2%的收缩量，以补充焊后的收缩。刚性夹持法：采用夹具或点焊固定等手段来约束焊接变形。选择合理的焊接顺序：合理选择焊接顺序能大大减小变形，如构件的对称两侧都有焊缝，应该设法使两侧焊缝的收缩量能互相抵消或减弱。采用合理的焊接方法：采用对称焊、分段焊、多层多道焊等，都能减小焊接变形。38图1对称焊接方法（图中数字表示焊接顺序）图2分段倒退焊方法在长焊缝中的应用（图中数字表示焊接顺序）角变形弯曲变形扭曲变形39⑴平焊焊缝倾角0°～5、焊缝转角0°～10°的焊接位置称为平焊位置。在平焊位置进行的焊接就称为平焊。

⑵立焊焊缝倾角80°～90°、焊缝转角0°～180°的焊接位置称为立焊位置。在立焊位置进行的焊接就称为立焊。

⑶横焊焊缝倾角0°～5°，焊缝转角70°～90°的焊接位置称为横焊位置。在横焊位置进行的焊接就称为横焊。

⑷仰焊焊缝倾角0°～15°，焊缝转角165°～180°的焊接位置称为仰焊位置。全位置焊4041图3大型X形坡口的多层焊接工艺（图中数字表示焊接顺序）42焊接变形的矫正方法①机械矫正法：用手工锤击，矫正机，辊床，压力机等机械外力，使焊件产生与焊接变形反向塑性变形而达到矫正。②火焰加热矫正法：利用火焰在焊件上产生伸长变形的部位上加热，然后冷却产生收缩变形来矫正焊件原有的伸长变形。加热区一般呈三角形，防止热量集中。机械矫正法火焰矫正法432.3焊接缺陷及防止措施（1）焊接接头的缺陷：焊缝外形尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、未焊透、夹渣、裂纹和气孔等缺陷。4445（2）热裂纹和冷裂纹：热裂纹：热裂纹可发生在焊缝区或热影响区。微观特征是沿晶界开裂，所以又称为晶间裂纹。因热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。46热裂纹产生的原因:晶间存在液态薄膜。接头中存在拉应力。热裂纹的防止:限制钢材和焊条、焊剂的低熔点杂质，如硫和磷含量。适当提高焊缝成形系数，防止中心偏析。调整焊缝化学成分，避免低熔点共晶物形成，缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性减少偏析。减少焊接应力的工艺措施，如采用小线能量，焊前预热，合理的焊缝布置等。施焊时填满弧坑。47冷裂纹：焊缝和热影响区都可能产生。特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。焊道下裂纹焊趾裂纹焊根裂纹最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。48延迟裂纹的产生原因:焊接接头(焊缝和热影响区)的淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大局部压力，使接头脆化。存在较大的拉应力。因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹。49防止延迟裂纹的措施:选用碱性焊条或焊剂，减少焊缝金属中氢的含量，提高焊缝金属塑性。焊前清理一定要严格，焊条焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去油水；除锈，减少氢的来源。工件焊前预热，焊后缓冷，可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力。采取减小焊接应力的工艺措施，如对称焊，小线能量的多层多道焊等。焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250℃，保温2～6h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。焊后进行清除应力的退火处理。50（3）气孔：熔池保护不好溶入熔池的气体越多气孔越多焊缝气孔有三种：氢气孔高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。51一氧化碳气孔当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：

FeO+C=Fe+CO↑若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出，便产生CO气孔。熔池氧化愈严重，含碳量愈高，越易产生CO气孔。氮气孔熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。

52防止措施：烘干焊条、焊剂母材去除锈、油、水短弧焊、碱性焊条CO2气体保护焊+药芯焊丝/低碳材料532.3常用电弧焊方法2.3.1手工电弧焊——焊工手工操作焊条（焊芯+药皮），通过短路引燃电弧进行焊接的电弧焊。54特点：设备简单，应用灵活方便，可以进行各种位置及各种不规则焊缝的焊接；焊接厚度一般在3～20mm之间，生产率较低，仅适宜焊接性好的低碳钢、低合金钢的单价小批量焊接；焊工需在高温、尘雾环境下工作，劳动条件差，强度大。551.焊条（焊芯+药皮）焊芯主要作用传导电流；熔化后作为填充材料。（50%~70%）药皮的主要作用机械保护作用：造气、造渣以隔绝空气，保护熔化金属。冶金处理作用：对熔化金属进行脱氧、去硫、渗合金元素等，在焊接过程中，熔渣与熔池金属相互进行冶金反应。改善工艺性能：易于引弧，稳定电弧燃烧，减少飞溅，并使焊缝成形美观。56焊条的种类：根据熔渣化学性质的不同，焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条：熔渣中以酸性氧化物为主。具有良好的工艺性能，焊接电流可用交流或直流，但焊缝的力学性能不如用碱性焊条焊接的焊缝好，故用于一般结构件的焊接。碱性焊条：药皮中以碱性氧化物为主，脱氧、除氢、渗合金作用强。焊缝塑性、韧性好，抗冲击能力强，价格较高，故只适于焊接重要结构件。引弧困难，电弧稳定性差，要求使用直流。57焊条型号：根据国家标准GB5117-1995和GB5118-1995E43

03焊条electrode最小抗拉强度σbMPa焊接位置，0和1表示全位置2适于平焊及平角焊4适合于向下立焊药皮类型和焊接电源种类58焊条牌号是焊接行业统一的焊条代号，其形式与含义是：焊条牌号前大写字母，表示焊条各大类。字母后面的三位数字中，前两位数字表示各大类中的若干小类，具体含义因大类不同而异。第三位数字表示焊接电流种类和药皮类型。592.3.2埋弧焊——电弧在焊剂下燃烧进行焊接的方法，它是利用电气及机械装置控制送丝和移动电弧的一种焊接方法。60焊丝焊剂熔化了的焊剂渣壳焊接方向基本金属金属熔池焊缝611.埋弧焊的工艺引弧板引出板引弧板和引出板焊缝间隙要均匀（1）焊前准备板厚δ＜14mm：可不开坡口；δ=14~22mm：开Y型坡口；δ=22~50mm：开双Y型或U型坡口。62（2）平板对接焊（a）双面焊（b）打底焊（c）采用垫板（d）采用锁底坡口（e）采用水冷铜板63（3）环焊缝起弧点偏移距离：e=20~40mm适用范围：环焊缝直径＞250mm642.埋弧焊的特点和应用范围生产效率高，是手工弧焊的5-10倍以上焊缝成形美观，质量高节省材料（<14mm不开坡口，少飞溅）劳动条件好对坡口加工与焊件装配精度要求高适应性差（长且规则平焊，不适于薄的、短的、不规则或空间焊缝等）设备投资较大652.3.3气体保护焊——采用特定的气体作为电弧介质，并保护电弧、熔池和焊接区的方法。常用保护气体：Ar（氩）、He（氦）、N2、CO2等。661.氩弧焊：用氩气保护电弧区和焊接区的弧焊方法。钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊67钨极氩弧焊的工艺特点：保护效果好，焊缝质量高；焊接应力变形小；操作方便（明弧无熔渣），适用于空间各种位置焊接电弧稳定，无飞溅成本高，设备复杂，表面清理要求高，生产率低。适用于不锈钢、耐热钢及铜、钛、铝、镁等有色金属的（＜3mm）薄板焊接或重要构件的打底焊。68熔化极氩弧焊的工艺特点：焊接所有金属——铝，铜及合金，不锈钢；母材熔深大、焊速快、生产率高；明弧可见，易于操作；焊缝质量好；全位置焊接，常用于焊接δ＜25mm的焊件。69基本原理：用CO2气体作为保护气体的气体保护焊。焊丝既是电极又是填充金属，利用电弧热熔化金属。2.CO2气体保护焊70CO2易分解成一氧化碳和氧气。氧气：使Fe，C，Mn，Si和其他合金元素烧损，降低焊缝力学性能；一氧化碳：从液态金属中逸出时，会造成金属的飞溅，形成气孔。焊丝中加入脱氧元素：Si、MnH08MnSiAH08Mn2SiA71CO2气体保护弧焊的工艺特点：

成本低，生产率高；焊缝质量较好；明弧无渣可见，易于操作；飞溅较严重，焊缝成形不够光滑，烟雾较大，弧光强烈，容易产生气孔。应用：适于焊接低碳钢、强度等级不高的低合金结构钢（<25mm）。72732.3.4电渣焊（属于熔焊）——利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热将工件和填充金属熔合成焊缝的熔焊方法。除了引弧（熔化焊剂）外，焊接过程中不产生电弧。电源送丝轮实芯焊丝焊枪水冷成形滑块金属熔池焊缝金属母材金属74生产率高，成本低，可一次焊接任意厚度工件（40mm以上）焊缝金属纯净，焊缝质量好。焊接特点：电渣焊的优点：电渣焊的局限性：焊缝晶粒粗大，力学性能差。焊后需正火或回火；一般用于立焊直焊缝，不能平焊，电渣焊不适于厚度在30mm以下的工件，焊缝也不宜过长。753.1结构工艺性：指在一定的生产规模条件下，如何选择零件加工和装配的最佳工艺方案，因而焊接件的结构工艺性是焊接结构设计和生产中一个比较重要的问题，是经济原则在焊接结构生产中的具体体现。763.2焊接接头的工艺设计3.2.1焊缝的布置原则1：尽可能分散，减少焊缝数量；（避免热影响区过大）77原则2：焊缝位置尽可能对称；（抵消焊接变形）78原则3：焊缝位置尽量避开最大应力和应力集中的位置79原则4：焊缝位置尽可能避开机械加工表面——避免焊后破坏机加工精度80原则5：焊缝位置应便于焊接操作813.2.2接头型式的选择与设计——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、坡口加工等因素综合考虑。手工电弧焊的接头型式有对接、角接、丁字接头和搭接四大类。82对接接头：受力较均匀，适用于重要的受力焊缝，用得最多手工电弧焊板厚度在6mm以下对接时，一般可不开坡口直接焊成。板厚较大时，为了保证焊透，接头处根据工件厚度应预制各种坡口。V形和U形只需一面焊，可焊性较好，但焊后角变形较大，焊条消耗量也大些。双Y形坡口和双U形坡口两面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗量也较小，但必须两面都可焊到，所以有时受到结构形状限制。U型和双面U型坡口根部较宽，容易焊透，且焊条消耗量也较小，但坡口制备成本较高，一般只在重要的受动载的厚板结构中采用。83不同厚度钢板对接较薄板的厚度δ1/mm≥2~5≥5~9≥9~12≥12允许厚度差（δ-δ1）mm123484角接头及坡口选择：只起连接作用，不能用来传递工作载荷，且应力分布很复杂，承载能力低。I形坡口K形坡口V形坡口单边U形坡口单边V形坡口角接头的坡口形式85T形接头及坡口形式：常用于在空间类焊件上。86搭接接头：应力分布复杂，往往产生弯曲附加应力，降低接头强度。常用于焊前准备和装配要求简单的板类焊件结构中。塞焊开槽焊搭接接头87埋弧焊对接接头形式，平焊为主焊件厚度>14mm，应开坡口焊件厚度为14~20mm，多采用V坡口焊件厚度为20~50mm，多采用X坡口受力大的重要焊缝多采用U形坡口V形和X形坡口，坡口角度一般为50°~60°88884.1焊接性的概念——采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即其对焊接加工的适应性。改变焊接条件，同一金属材料的可焊性是可以变化的。如：不锈钢采用氩弧焊时具有很好的可焊性，而采用手工电弧焊则可焊性很差。8989焊接性包括两个方面：——指一定的金属材料在指定的焊接工艺条件下能否获得优质致密、无缺陷接头的能力。1

工艺焊接性——焊接接头在使用过程中的可靠性，主要指机械性能是否足够。2

使用焊接性90904.2钢材焊接性的评估方法4.2.1碳当量估算法C—影响最显著—基本元素其它元素—折合成碳的相当含量对焊接性的影响91914.2.1碳当量估算法塑性好，淬硬性倾向不明显，焊接性优良；

塑性下降，淬硬性倾向明显，焊接性中等；

塑性低，淬硬性倾向很强，焊接性差。92924.2.2小型抗裂试验法试样刚性底板十字接头试验法、Y型坡口试验法、刚性固定对接试验法。将被焊金属做成一定形状和尺寸的试样，在规定的工艺条件施焊，鉴定产生缺陷倾向的程度。93934.3常用金属材料的焊接性4.3.1碳钢低碳钢（C<0.25%）焊接性好；用各种焊接方法都能获得优质焊缝。只有厚大结构、低温焊接才考虑焊前预热和焊后热处理。例如：焊接厚度δ＞50mm，低温（＜0℃）的构件，或者焊接厚度δ＞