焊接成型完整版本

第四章焊接成型将分离的半成品件或零件通过加热、加压（或加热加压）等方式，借助于原子间的扩散和结合，连接成不可拆卸的的整体零件。焊接方法熔化焊压力焊钎焊焊接方法分类§4.1

概述

＊焊接接头的密封性好；＊节省金属，材料利用率高；＊不可拆卸，维修不方便；焊接应力和变形较大，且接头的组织性能不均匀。焊接成型的特点：＊能以小拼大，化大为小，简化了复杂的机器零部件，可获得最佳技术经济效果；＊能制造多金属结构，充分利用了材料性能；§4.2

焊接基础知识

一.电弧焊基本概念（以电弧焊为例，分析焊接基本原理）电弧：两个电极之间的气体介质内产生的一种强烈而持久的放电现象。焊接电弧：由焊接电流供给的具有一定电压的两电极间（或电极、母材间）在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。电弧焊：利用电弧作为热源的焊接方法。熔池：熔焊时，在焊接热源作用下，焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分。焊缝：焊件经焊接后所形成的结合部分。二.焊接原理和焊接冶金过程1.焊接原理电弧形成的条件：正负电极之间具有一定的电压；两电极之间的气体介质处于电离状态。

将两电极接通电源，短暂接触并迅速分离，接触时：发生短路，产生极大的短路电流，使接触点产生大量的热，电极表面迅速升温，两者均熔化；分离时：大量电子放射，形成电弧。直流焊机直流正接直流反接交流焊机无正接反接之分电弧的极性构造电弧的极性构造随着所用的电源类型不同而不同。直流电弧构造交流电弧构造

直流正接直流反接2.焊接冶金过程电弧焊的焊接过程,如同一座微型电弧炼钢炉在炼钢一样，要进行一系列的冶金反应过程。电弧焊的冶金过程特点：（1）金属熔池体积很小(2～3cm3)，而且熔池处于液态的时间很短(10秒钟以下),各种冶金反应进行得不充分。（2）在电弧高温作用下,金属易氧化、氮化，形成有害杂质，如：FeO、SiO2、CO、MnO等。（3）在电弧高温作用下，有益金属元素发生剧烈的烧损和蒸发，降低了焊缝的性能。（4）焊缝熔池周围被冷金属包围，温度梯度很大，易使焊件产生较大的应力和变形，甚至产生裂缝。3.采取措施（1）限制空气侵入焊接区；（2）渗入有用的合金元素，提高焊缝的力学性能；（3）焊接时，清除焊件和焊条等表面的杂物（如：油，水，氧化皮等）。2.焊接接头金属的组织与性能（1）焊缝金属的组织与性能组织：焊缝金属组织是由熔池金属结晶得到的铸造组织,晶体的长大方向指向熔池中心,形成柱状树枝晶。三.焊接接头的组织与性能1.焊件上温度的变化和分布

焊接接头由焊缝和热影响区两个部分组成。性能：一方面，柱状晶比较细密，其性能不低于基本金属；另一方面，由于焊芯是高级优质材料以及焊条药皮的作用,可以使得焊缝金属的化学成分优于母材,所以焊缝金属的性能一般高于母材。（2）热影响区的组织与性能热影响区组织熔合区过热区正火区部分相变区再结晶区熔合区:粗大的过热组织，在焊接接头中其性能很差。过热区:粗大的过热组织，是热影响区中性能最差的的部位,易在此区产生裂纹。正火区:均匀细小的铁素体和珠光体组织,其性能优于母材。部分相变区:晶粒大小不均匀，其性能较差。再结晶区:该区域金属的力学性能变化不大，塑性略有增加。（母材在焊接前若经过冷塑性变形，焊接过程中才会有再结晶现象；若没有经过冷塑性变形，则无此区域。）性能：焊接材料:主要是焊芯材料的化学成分。＊焊条或焊丝熔化后直接影响焊缝金属的成分，从而影响其性能。焊接工艺参数:主要是焊接电流、电弧电压、焊接速度等。＊通过影响焊接接头的热量输入，改变加热和冷却条件，从而改变热影响区的大小和接头的组织和性能。焊接方法:主要是热影响区宽度。＊不同的焊接方法，其保护效果和热影响区大小不同。热源越集中、焊接速度越快的焊接方法，热影响区越小。3.影响焊接接头性能的因素

4.改善焊接接头组织与性能的措施思路：使熔合区和过热区尽可能小。措施：（1）母材尽量选择低碳钢（碳，硫，磷的含量均比较低）；（2）加快焊接速度，减小焊接电流；（3）对较大的焊缝采用多层焊；（4）焊后进行热处理，消除应力，细化晶粒，改善接头的力学性能；5.焊接变形的基本形式（1）收缩变形：由于焊缝横向和纵向收缩而引起尺寸缩小；（2）角度变形：焊缝截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均匀而引起；（3）弯曲变形：焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲；（4）扭曲变形：焊缝布置不对称或焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭曲变形；（5）波浪变形：薄板件在焊接应力作用下失稳。焊接变形示意

角度变形

扭曲变形6.预防和减小焊接应力与焊接变形的措施焊前预热法

在焊接之前，把工件全部或局部进行适当预热，然后进行焊接。一般的预热温度为150～350℃。主要适用于塑性较低，容易产生裂缝的材料。例如,中碳钢、中碳合金钢、铸铁等。焊后热处理法对于受力复杂的重要焊件，以及有精度要求的零件，焊接之后应进行除应力退火,一般温度为600～650℃，可消除焊件中80～90%的残余应力。选择合理的焊接工艺和次序＊尽量保证焊缝能自由收缩先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。＊尽量使其变形能互相抵消或减弱＊长焊缝采用

分散对称焊

工艺（使其变形能够互相抵消或减弱）反变形法焊前组装时注意焊后的变形方向。加热减应区焊缝应对称布置刚性固定法焊后热处理法对于受力复杂的重要焊件，以及有精度要求的零件，焊接之后应进行除应力退火,一般温度为600～650℃，可消除焊件中80～90%的残余应力。锤击或碾压焊缝变形的矫正7.

消除焊接应力和矫正焊接变形的方法机械矫正火焰矫正思路：用新的变形抵消原来的变形。§4.2

熔化焊

熔化焊是将焊件的连接处局部加热到熔化状态，通常还需另加填充金属以形成共同的熔池，冷却凝固后形成整体零件的焊接方法。熔化焊手工电弧焊埋弧自动焊气体保护焊电渣焊气焊激光焊等离子弧焊电子束焊直流焊机常用直流焊机主要有两种：发电机式直流焊机（目前很少使用），整流式直流焊机。1.电弧焊设备一.手工电弧焊手工电弧焊是由电焊工用手工操作，利用电弧的热量加热,熔化金属（焊条和焊件）,并凝固成焊缝,获得牢固接头的电弧焊方法。变压器整流器380V交流电降压直流电交流焊机交流焊机是一种特殊的变压器，具有陡降的外特性。因电流的大小和方向总在变化，电弧燃烧不稳定，焊接质量不如直流焊机。2.焊条（1）焊条的组成与作用

组成：焊条焊芯药皮焊芯的作用＊作电极—传导焊接电流，产生电弧；＊作填充金属—熔化后填充焊缝；药皮的作用＊保护电弧稳定燃烧，造气造渣，隔绝空气，保护熔化的金属；＊加入锰铁、硅铁、铬铁等,起到脱氧作用；＊加入有益元素,如锰、硅、铬、钒、钨等,起到渗合金作用；＊加入稳弧剂,起到稳弧的作用；作用：（2）焊条的种类及特点种类：（焊条按熔渣的化学性质分类）酸性焊条:

熔渣以酸性氧化物(SiO2、TiO2等)为主的焊条。碱性焊条:

熔渣以碱性氧化物(CaO、CaF2等)为主的焊条。特点：酸性焊条:

焊缝含氢量较高，抗裂性差，用于一般结构件；交、直流焊机均可使用。碱性焊条:

低氢型，焊缝的力学性能和抗裂性较好，可焊接重要结构件和压力容器；但工艺要求高，只用于直流焊机。种类酸性碱性保护作用:气保护气体中有氢气,焊缝易产生氢脆。保护气体中氢气少,主要是CO2气体。保护作用:渣渣是氧化性;有元素烧损。渣是还原性;元素烧损少。脱氧较差好去硫、磷差好焊缝抗裂性较差好两种焊条比较牌号：焊条行业统一的焊条代号。焊条按用途分类（共十类），如：结构钢焊条

(J);钼和铬钼耐热钢焊条(R);不锈钢焊条(B);铜及铜合金焊条(T);铝及铝合金焊条(L);铸铁焊条(Z)

等。（3）焊条的牌号和型号种类酸性碱性电弧稳定性好差飞溅性小大焊缝成型光滑粗糙脱渣性易清除不易清除对口准备容易困难结(或J)

50

2表示结构钢焊条表示焊缝金属最低的抗拉强度值500Mpa表示药皮类型和焊接电源种类电焊条的牌号型号：国家标准中的焊条代号。焊条按化学成分分类。E

43

03焊接位置抗拉强度为430Mpa

焊条代号——药皮类型两种焊条分类的对应关系

焊条按用途分类—行业标准

焊条按成分分类—国家标准类别名称代号国家标准名称代号一结构钢焊条J（结）GB5117—1995碳钢焊条E一结构钢焊条J（结）GB5118—1995低合金钢焊条二耐热钢焊条R（热）三低温钢焊条W（温）四不锈钢焊条G—铬A—奥GB983—1985不锈钢焊条五堆焊焊条D（堆）GB984—1985堆焊焊条ED六铸铁焊条Z（铸）GB10044—1988铸铁焊条EZ七镍合金焊条Ni（镍）///八铜合金焊条T（铜）GB3670—1993铜合金焊条TCu九铝合金焊条L（铝）GB3669—1983铝合金焊条TAl十特殊用途焊条TS（特）///（4）焊条的选用①根据母材的力学性能与化学成分＊低碳钢，低合金钢—

等强度原则

要求焊缝金属与母材金属的强度尽量相等。＊高合金钢—

等成分原则

要求焊缝金属与母材金属的成分尽量一致。②焊接件的工艺性与使用条件—

酸碱性原则

＊

一般结构件，焊前清理困难，容易生成气孔的工件，用酸性焊条。＊重要结构件，对焊缝要求高而母材又容易裂的工件，用碱性焊条。③生产条件：若无直流焊机，只能采用交、直流两用焊条（多为酸性焊条）。特点＊生产率高；焊接质量好；节省金属材料；劳动强度低；劳动条件好。＊焊接位置不够灵活。1.埋弧焊的焊接材料与设备二.埋弧自动焊电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方法称为埋弧焊；若引弧、焊丝送进、移动电弧以及收弧等均由机械完成,称埋弧自动焊。焊接材料焊丝（相当于焊条的焊芯）焊剂（相当于焊条的药皮）设备：埋弧自动焊装置包括焊接电源（电弧焊变压器）、控制箱和焊接小车三部分。1—车架2—立柱3—横梁4—操纵盘5—焊丝盘6—机头7—焊剂漏斗8—焊缝9—渣壳10—焊剂11—焊接电缆3.埋弧焊的工艺特点板厚：H＜14mm，单面焊；H＜28mm，单面焊，开坡口；两面焊，不开；H＞28mm，两面焊，开坡口；2.埋弧焊的焊接过程三.气体保护焊用外加气体作为电弧介质，保护电弧和焊接区的电弧焊方法称为气体保护焊。若焊丝既作电极导电，又熔化作填充金属，称为熔化极气体保护焊；而焊丝只作填充金属，另有钨棒（或钨合金棒）作电极则称为非熔化极气体保护焊。1.氩弧焊—氩弧焊的保护气体为氩气。非熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊氩弧焊的焊接工艺特点＊由于使用隋性气体(氩气)

保护，因此适宜焊接各类合金钢和易氧化的有色金属。＊电弧非常稳定,明弧操作,无焊渣,热影响区小,焊接变形小，焊缝成型好，焊接质量好。＊全位置焊接,所有焊接参数均可精确控制，易实现自动化。＊成本高,一般用于3mm以下的薄板焊接。工艺措施＊钨极氩弧焊在焊接合金钢和铜合金时，采用直流正接，有利于工件熔化；焊接铝镁合金时，采用直流反接。＊熔化极氩弧焊均采用直流反接。2.CO2气体保护焊—保护气体为CO2CO2气体保护焊的焊接工艺特点＊由于CO2气体在高温时可分解,因此只适宜焊接低碳钢和低合金钢。＊焊接速度快,无焊渣,生产率高。＊焊缝含氢量少,抗裂性好;热影响区小,变形小,焊接质量较高。特别适合焊薄板件。＊CO2气体价格低，成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的40%～50%。＊全位置焊接,易实现自动化。工艺措施为了保持电弧稳定，一般要求用直流反接焊接。四.其他熔化焊方法1.电渣焊利用电流通过熔融的熔渣时所产生的电阻热来熔化焊丝和焊件的焊接方法。电渣焊在焊接较厚板材和长焊缝时有很大的优越性，因此，适合焊接大型零件。电渣焊的焊接工艺特点＊适宜焊接板厚在40mm以上的直缝或环缝焊件,生产率高。＊冷却速度慢，冶金反应完全，所以焊缝缺陷少，焊接质量较好。＊焊前的准备工作简单,节省焊接材料,成本低。＊接头组织粗大，焊后应作正火处理。3.激光焊以聚焦的激光束作为能源轰击焊件，而激光具有单色性好，方向性强，能量密度高的特点，光能转换成热能（温度高达10000℃），熔化母材进行焊接的方法。激光焊的焊接工艺特点＊热量集中（焦点附近），热影响区小，焊接变形小，焊件尺寸精度高。＊光学系统可引导光束到很难焊接的部位进行焊接，因此，工艺适应性好。＊设备复杂，价格昂贵，成本高。

§4.3

压力焊和钎焊一.压力焊在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。压力焊时不需另加填充金属，通过对两焊件加压使之紧密接触，并在焊接部位产生一定的塑性变形，促使原子扩散，使两工件焊接在一起。1.电阻焊（包括点焊，缝焊，对焊）利用电流通过焊件及其接触处产生的电阻热将连接处加热到塑性状态或局部半熔化状态，再施加压力形成接头的焊接方法。点焊

将焊件装成搭接接头并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热使其局部熔化，然后在压力作用下结晶形成焊点。点焊缝焊缝焊

原理与点焊相同，只是电极为盘状。点焊一般用于4mm

以下的薄板；缝焊只适用于3mm以下、有气密性要求的薄板结构，如油箱、管道等。对焊

根据焊接过程不同，对焊分为电阻对焊和闪光对焊。＊电阻对焊

先使两焊件的端面紧密接触，再通电加热使接触处升温至塑性状态，再断电，同时施加顶锻力，使接触处产生一定的塑性变形而焊合。＊闪光对焊

先对两焊件通电加热，再使焊件靠拢接触，然后施加顶锻力使接触处产生一定的塑性变形而焊合。

电阻对焊一般仅用于断面简单，截面积小于250mm2和强度要求不高的杆件对接。闪光对焊的焊接质量比电阻对焊好，可用于焊接重要件，如：刀具、钢筋、钢轨等杆状件的对接。特点＊焊接质量好，焊件尺寸精度高，特别适合圆形截面工件的对接。＊适于焊接异种金属。2.摩擦焊摩擦焊是利用焊件接触端面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶锻力，实现焊接的一种压焊方法。＊焊接生产率高，成本低，易于实现自动化。＊焊接非圆截面工件比较困难；盘状工件和薄壁管件不易夹持，也较难焊接。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而低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充间隙，并与母材相互扩散，实现焊接。钎焊分为软钎焊和硬钎焊。

钎焊的特点＊对母材本身的物理和化学性质影响很小，焊接应力和变形都小。＊可完成不同金属的焊接，而且能同时完成多条焊缝的焊接；外形美观，成本低。＊焊件强度低，耐热性差。钎焊的应用钎焊要求两焊件的接触面清洁，因此，须用钎剂清除其表面的杂质。软钎焊：钎料熔点低于450℃，广泛用于电子工业。常用钎料为锡、铅等；常用钎剂为松香。硬钎焊：钎料熔点高于450℃，常用来焊接受力较大的钢和铜合金工件、硬质合金刀具，钻头及各类容器等。常用钎料为黄铜钎料和银基钎料；常用钎剂为硼砂、硼酸和碱性氟化物的混合物。§4.4

焊接性常用金属材料的焊接

一.金属的焊接性能1.金属焊接性能的概念金属的焊接性能是指在一定焊接工艺条件下（焊接方法，焊接材料，工艺参数及结构形式）金属能获得优质焊接接头的能力。焊接性能工艺性能形成优质接头，不出现工艺缺陷的能力在使用条件下安全工作的能力使用性能金属的焊接性能与其化学成分、组织结构有关金属的焊接性能与焊接时的工艺条件有关2.影响金属焊接性能的因素3.金属焊接性能的评定

国际焊接学会推荐的碳当量法：CE

<0.4——可焊性良好;CE

=0.4～0.6——可焊性中等;CE

>0.6——可焊性差;C当量=C+

+

+

(%)

Cr+Mo+V5Mn6Ni+Cu15CE低碳钢（CE＜0.25%）

低碳钢的焊接性能是最好的,用任何一种焊接方法和用最普通的焊接工艺都能获得优质的焊接接头。

低碳钢可以焊接各种大、中、小型结构件。工艺措施：＊低温时焊接厚度大，刚性大的结构件时，应预热，否则易出裂纹；＊重要结构件应作热处理，消除焊接应力；

二.常用金属材料的焊接1.钢的焊接中碳钢（CE≈0.25%～0.6%）

中碳钢的可焊性为中等,焊缝区易产生热裂纹，热影响区则易产生淬硬组织(马氏体)导致产生冷裂，根据具体的焊接件结构尺寸，要选择适当的焊接方法和焊接工艺。

中碳钢的焊接主要是在铸造、锻造毛坯的组合件及补焊中应用。工艺措施：＊焊前预热，焊后缓冷；＊选用碱性焊条；＊焊接采用小电流，多层焊工艺，焊件开坡口；高碳钢（CE＞0.6%）高碳钢的焊接特点与中碳钢的焊接基本相同,但其焊接性能差，焊接时必须使用特殊的焊接工艺和焊后热处理。

高碳钢一般不用来制造焊接结构件，通常用于铸造、锻造毛坯缺陷的修补工作。低合金结构钢

低合金结构钢低合金低强度钢（强度级别≤400MPa）低合金高强度钢（强度级别≥400MPa）低合金低强度钢（CE＜0.4%）焊接与低碳钢相似低合金高强度钢（CE＞0.4%）焊接与中碳钢相似不锈钢（特殊性能的合金钢）焊接特点＊碳含量不高而合金元素（尤其是Cr）含量高，焊接时容易发生晶界腐蚀；＊耐热，导热率小，线膨胀系数大，焊接时容易出现热裂纹；焊接工艺措施＊小电流（比焊接低碳钢时低20%），快速焊，强制冷却；＊焊接电弧短，减少加热范围；＊大焊缝多层焊时，应等前一层冷至60℃以下，再焊后一层；焊接方法＊热焊法

焊补前将铸件全部或局部预热到600～700℃,并在焊接过程中保持一定的温度,且焊后缓冷。＊冷焊法

焊补前对铸件预热到400℃以下进行焊接。2.铸铁的焊接

由于铸铁的焊接性能差（焊缝组织为白口组织；焊缝易产生裂纹、气孔；熔池金属易流失；），因此不能用焊接的方法来生产结构件,只能进行工件的局部修补工作。（1）铜及铜合金的焊接焊接特点＊难熔合——主要是导热系数大；＊易变形——热影响区宽；＊易产生裂纹——高温下容易氧化，生成Cu2O;＊易产生气孔——吸气严重(主要H2)；焊接方法紫铜和青铜：一般用氩弧焊；黄铜：气焊；工艺措施

采用有脱氧作用的焊丝；焊前清理焊件和焊丝；焊前预热，焊后热处理。3.常用有色金属的焊接（2）铝及铝合金的焊接焊接特点＊易氧化——容易生成Al2O3，形成夹渣;＊易产生气孔——吸气严重(主要H2)；＊易产生裂纹——高温时强度低，塑性差；＊操作困难——从固态转为液态时无塑性过程焊接方法质量要求高的焊件：氩弧焊；

一般件：气焊；工艺措施

焊前、焊后清理；厚度较大的零件，焊前应预热。三．焊接结构件工艺设计1.焊接件材料的选择（1）根据工艺性能选择焊接材料优先选用含碳量低于0.25%的碳钢或碳当量低于