01-第一讲焊接

1、热加工工艺基础热加工工艺基础 （工程材料及机械制造基础（工程材料及机械制造基础） 焊接：是通过加热或加压，或两者同时并用，并且焊接：是通过加热或加压，或两者同时并用，并且 用或者不用填充材料，使工件产生原子间结用或者不用填充材料，使工件产生原子间结 合力而连接成一体的成形方法。合力而连接成一体的成形方法。 实质：两部分金属产生原子间结合实质：两部分金属产生原子间结合 分类：分类： (1)(1)熔焊熔焊 将工件焊接处局部加热到熔化状态，形将工件焊接处局部加热到熔化状态，形 成熔池（通常还加入填充金属），冷却成熔池（通常还加入填充金属），冷却 结晶后形成焊缝，被焊工件结合为不可结晶后形成焊缝，被焊

2、工件结合为不可 分离的整体。分离的整体。 常见的熔焊方法：气焊、电弧焊、电渣焊、等离子常见的熔焊方法：气焊、电弧焊、电渣焊、等离子 弧焊、电子束焊、激光焊等。弧焊、电子束焊、激光焊等。 (2)(2)压焊压焊 在焊接过程中无论加热与否，均需要加在焊接过程中无论加热与否，均需要加 压压 的焊接方法。的焊接方法。 常见的压焊：电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、常见的压焊：电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、 爆炸焊等。爆炸焊等。 (3)(3)钎焊钎焊 采用熔点低于被焊金属的钎料采用熔点低于被焊金属的钎料( (填充金属填充金属) ) 熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金 属属

3、 相互扩散实现连接。相互扩散实现连接。 应用：焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、应用：焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、 电力设备生产、航空及航天工业等应用广泛。电力设备生产、航空及航天工业等应用广泛。 优点优点: : (1) (1)连接性能好；连接性能好； (2)(2)省料、省工、成本低；省料、省工、成本低； (3)(3)质量轻；质量轻； (4)(4)简化工艺。简化工艺。 缺点缺点: : (1) (1)焊接结构不可拆卸；焊接结构不可拆卸； (2)(2)焊接接头的性能与轧制的母材金属相比会有不同焊接接头的性能与轧制的母材金属相比会有不同 程度的降低；程度的降低； (3)(3)焊接结

4、构中会存在焊接应力和变形；焊接结构中会存在焊接应力和变形； (4)(4)焊接接头的组织性能往往不均匀，并会产生焊接焊接接头的组织性能往往不均匀，并会产生焊接 缺陷等。缺陷等。 表表 常见焊接缺陷常见焊接缺陷 缺陷名称缺陷名称 示意图示意图 特征特征 产生原因产生原因 气气 孔孔 焊接时，熔池中的过饱和焊接时，熔池中的过饱和H、N 以及冶金反应产生的以及冶金反应产生的CO，在熔，在熔 池凝固时未能逸出，在焊缝中形池凝固时未能逸出，在焊缝中形 成的空穴成的空穴 焊接材料不清洁；弧长太长，保护焊接材料不清洁；弧长太长，保护 效果差；焊接规范不恰当，冷速太效果差；焊接规范不恰当，冷速太 快；焊前清理不

5、当快；焊前清理不当 裂裂 纹纹 热裂纹：沿晶开裂，具有氧化热裂纹：沿晶开裂，具有氧化 色泽，多在焊缝上，焊后立即开色泽，多在焊缝上，焊后立即开 裂裂 冷裂纹：穿晶开裂，具有金属冷裂纹：穿晶开裂，具有金属 光泽，多在热影响区，有延时性光泽，多在热影响区，有延时性 ，可发生在焊后任何时刻，可发生在焊后任何时刻 热裂纹：母材硫、磷含量高；焊缝热裂纹：母材硫、磷含量高；焊缝 冷速太快，焊接应力大；焊接材料冷速太快，焊接应力大；焊接材料 选择不当选择不当 冷裂纹：母材淬硬倾向大；焊缝含冷裂纹：母材淬硬倾向大；焊缝含 氢量高；焊接残余应力较大氢量高；焊接残余应力较大 夹夹 渣渣 焊后残留在焊缝中的非金属夹

6、焊后残留在焊缝中的非金属夹 杂物杂物 焊道间的熔渣未清理干净；焊接电焊道间的熔渣未清理干净；焊接电 流太小、焊接速度太快；流太小、焊接速度太快； 操作不当操作不当 咬咬 边边 在焊缝和母材的交界处产生的在焊缝和母材的交界处产生的 沟槽和凹陷沟槽和凹陷 焊条角度和摆动不正确；焊接电流焊条角度和摆动不正确；焊接电流 太大、电弧过长太大、电弧过长 焊焊 瘤瘤 焊接时，熔化金属流淌到焊缝焊接时，熔化金属流淌到焊缝 区之外的母材上所形成的金属瘤区之外的母材上所形成的金属瘤 焊接电流太大、电弧过长、焊接速焊接电流太大、电弧过长、焊接速 度太慢；焊接位置和运条不当度太慢；焊接位置和运条不当 未焊透未焊透 焊

7、接接头的根部未完全熔透焊接接头的根部未完全熔透 焊接电流太小、焊接速度太快；坡焊接电流太小、焊接速度太快；坡 口角度太小、间隙过窄、钝边太厚口角度太小、间隙过窄、钝边太厚 第二节第二节 熔焊过程与接头性能熔焊过程与接头性能 一、熔焊过程一、熔焊过程 熔焊过程：一般是利用热源把工件待焊处局部加热到熔化熔焊过程：一般是利用热源把工件待焊处局部加热到熔化, , 形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体 金属冷却结晶而形成焊缝。金属冷却结晶而形成焊缝。 包括：热过程、化学冶金过程、焊缝结晶过程包括：热过程、化学冶金过程、焊缝结晶过程 1.1.熔焊的化学冶金过程熔

8、焊的化学冶金过程 冶金过程：焊缝的有害元素与焊缝金属产生的化学反应。冶金过程：焊缝的有害元素与焊缝金属产生的化学反应。 防止措施：防止措施： 焊前要清除工件待焊处的锈、水、油污；焊前要清除工件待焊处的锈、水、油污； 要按规定参数烘干焊条、焊剂；要按规定参数烘干焊条、焊剂； 采取措施防止空气进入，以保护熔滴、熔池金属、高采取措施防止空气进入，以保护熔滴、熔池金属、高 温的焊缝金属；温的焊缝金属； 焊条药皮和焊剂中加入铁合金，焊丝中加入合金元素。焊条药皮和焊剂中加入铁合金，焊丝中加入合金元素。 熔焊过程示意图熔焊过程示意图 2.2.熔焊的热过程熔焊的热过程 热过程：焊缝及附近的母材经历的加热和冷却

9、过程。热过程：焊缝及附近的母材经历的加热和冷却过程。 焊接热循环：在焊接过程中，焊件上某点的温度随时焊接热循环：在焊接过程中，焊件上某点的温度随时 间变化的过程。间变化的过程。 参数：加热速度、最高加热温度、过热温度下的停留参数：加热速度、最高加热温度、过热温度下的停留 时间、冷却速度时间、冷却速度 特点：加热速度和冷却速度极快特点：加热速度和冷却速度极快 影响因素：焊件厚度、焊接接头形式、焊接方法、焊影响因素：焊件厚度、焊接接头形式、焊接方法、焊 接工艺参数、焊前预热温度、焊后缓冷、接工艺参数、焊前预热温度、焊后缓冷、 施焊环境温度、母材导热性等。施焊环境温度、母材导热性等。 理想热循环：在

10、过热温度停留时间短一些理想热循环：在过热温度停留时间短一些( (保持细晶保持细晶 粒粒) )，焊后在，焊后在650650附近的冷却速度慢一些。附近的冷却速度慢一些。 图图 焊接热循环曲线焊接热循环曲线 3.3.焊接熔池的结晶过程焊接熔池的结晶过程 结晶过程：从熔池底壁上半熔化状态的晶粒开始，结晶过程：从熔池底壁上半熔化状态的晶粒开始， 垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状枝垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状枝 晶。晶。 影响偏析的因素：焊缝成形系数影响偏析的因素：焊缝成形系数焊道的宽度与计焊道的宽度与计 算厚度之比。太小，形成中心线算厚度之比。太小，形成中心线 偏析，易产生热裂纹。偏析，易产生热裂纹

11、。( (图图3-3)3-3) 4.4.焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形 产生原因：焊件各部分不能同步加热和冷却，不能产生原因：焊件各部分不能同步加热和冷却，不能 自由冷缩热胀。自由冷缩热胀。 影响：影响： 焊接应力：降低焊接结构的承载能力；引起裂纹。焊接应力：降低焊接结构的承载能力；引起裂纹。 焊接变形：影响焊接结构的形状尺寸、制造成本、焊接变形：影响焊接结构的形状尺寸、制造成本、 使用要求。使用要求。 形成过程：如图形成过程：如图3-33-3所示。所示。 如图如图3-3a3-3a所示，图中虚线表示接头横截面的温度分布，所示，图中虚线表示接头横截面的温度分布， 也也 表示金属若能自由膨胀的

12、伸长量分布。实际上接头是个表示金属若能自由膨胀的伸长量分布。实际上接头是个 整体，无法进行自由膨胀，平板只能在宽度方向上整体整体，无法进行自由膨胀，平板只能在宽度方向上整体 伸长伸长ll，造成焊缝及邻近区域的伸长受到远离焊缝区域，造成焊缝及邻近区域的伸长受到远离焊缝区域 的限制而产生压应力，而远离焊缝区的部位则产生拉应的限制而产生压应力，而远离焊缝区的部位则产生拉应 力，当焊缝及邻近区域的压应力超过材料的屈服点时，力，当焊缝及邻近区域的压应力超过材料的屈服点时， 便会产生压缩的塑性变形，塑性变形量为图便会产生压缩的塑性变形，塑性变形量为图3-3a3-3a中虚线中虚线 包围的空白部分。焊后冷却时

13、，金属若能自由收缩，由包围的空白部分。焊后冷却时，金属若能自由收缩，由 于焊缝及邻近区域高温时已产生的压缩塑性变形会保留于焊缝及邻近区域高温时已产生的压缩塑性变形会保留 下来，不能再恢复，故会缩至图下来，不能再恢复，故会缩至图3-3b3-3b中的虚线位置，两中的虚线位置，两 侧则恢复到焊接前的原长，但这种自由收缩同样无法实侧则恢复到焊接前的原长，但这种自由收缩同样无法实 现，由于整体作用，平板的端面将共同缩短至比原始长现，由于整体作用，平板的端面将共同缩短至比原始长 度短度短ll的位置，这样焊缝及邻近区域受拉应力作用，的位置，这样焊缝及邻近区域受拉应力作用， 而其两侧受到压应力作用。而其两侧受

14、到压应力作用。 图图3-33-3低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成 （a a）焊接中）焊接中 （b b）冷却后）冷却后 变形形式变形形式 示意图示意图 产生原因产生原因 收缩变形收缩变形 由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊 缝宽度方向）收缩引起缝宽度方向）收缩引起 角角 变变 形形 由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引 起起 弯曲变形弯曲变形 T形梁焊接时，焊缝布置不对称，由焊缝纵向收缩引起形梁焊接时，焊缝布置不对称，由焊缝纵向收缩引起 扭

15、曲变形扭曲变形 工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结 构上出现扭曲构上出现扭曲 波浪变形波浪变形 薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起 表表 常见焊接变形的基本形式常见焊接变形的基本形式 预防和减小焊接应力和变形的工艺措施预防和减小焊接应力和变形的工艺措施 1.1.焊前预热焊前预热 预热的目的是减小焊件上各部分的温差，降低预热的目的是减小焊件上各部分的温差，降低 焊缝区的冷却速度，从而减小焊接应力和变形焊缝区的冷却速度，从而减小焊接应力和变形, ,预热温度预热温度 一般为一般为400400以

16、下。以下。 2.2.选择合理的焊接顺序选择合理的焊接顺序 1)1)尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。图示尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。图示 为一大型容器底板的焊接顺序为一大型容器底板的焊接顺序, ,若先焊纵横向焊缝若先焊纵横向焊缝3 3，再焊，再焊 横向焊缝横向焊缝1 1和和2 2，则焊缝，则焊缝1 1和和2 2在横向和纵向的收缩都会受到在横向和纵向的收缩都会受到 阻碍，焊接应力增大，焊缝交叉处和焊缝上都极易产生裂阻碍，焊接应力增大，焊缝交叉处和焊缝上都极易产生裂 纹。纹。 2)2)采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段

17、退焊 或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低 且分布均匀，可减小焊接应力和变形，如图所示。且分布均匀，可减小焊接应力和变形，如图所示。 3.3.加热减应区加热减应区 铸铁补焊时，在补焊前可对铸件上铸铁补焊时，在补焊前可对铸件上 的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位 伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一 起收缩，从而减小焊接应力。被加热的部位称为起收缩，从而减小焊接应力。被加热的部位称为 减应区，这种方法叫做加热减应区法，如图所示。减应区，这种方法叫做

18、加热减应区法，如图所示。 利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。 4 4反变形法反变形法 焊接前预测焊接变形量和变形方向，焊接前预测焊接变形量和变形方向， 在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向 进行人为的变形，以达到抵消焊接变形的目的，进行人为的变形，以达到抵消焊接变形的目的， 如图所示。如图所示。 5 5刚性固定法刚性固定法 利用夹具、胎具等强制手段，以外利用夹具、胎具等强制手段，以外 力固定被焊工件来减小焊接变形，如图所示。力固定被焊工件来减小焊接变形，如图所示。 该法能有效地减小焊接变形，但

19、会产生较大的焊该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊 接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。 消除焊接应力和矫正焊接变形的方法消除焊接应力和矫正焊接变形的方法 1 1消除焊接应力的方法消除焊接应力的方法 (1)(1)锤击焊缝锤击焊缝 焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进 行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定 的释放。的释放。 (2)(2)焊后热处理焊后热处理 焊后对焊件进行去应力退火，对于消焊后对焊件进行去应力退火，对于消 除焊接应力具有良好效果。碳钢或低合

20、金结构钢焊除焊接应力具有良好效果。碳钢或低合金结构钢焊 件整体加热到件整体加热到580580680680，保温一定时间后，空，保温一定时间后，空 冷或随炉冷却，一般可消除冷或随炉冷却，一般可消除80%80%90%90%的残余应力的残余应力. .对对 于大型焊件，可采用局部高温退火来降低应力峰值。于大型焊件，可采用局部高温退火来降低应力峰值。 (3)(3)机械拉伸法机械拉伸法 对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑 性拉伸，可以使残余应力降低。例如，压力容器在性拉伸，可以使残余应力降低。例如，压力容器在 进行水压试验时，将试验压力加到工作压力的进行水压试验时，将试验

21、压力加到工作压力的1.21.2 1.51.5倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。 2 2矫正焊接变形的措施矫正焊接变形的措施 常用的矫正方法有：常用的矫正方法有： (1)(1)机械矫正机械矫正 利用机械力产生塑性变形来矫正焊接利用机械力产生塑性变形来矫正焊接 变形，如图所示。适用于塑性较好、厚度不大的变形，如图所示。适用于塑性较好、厚度不大的 焊件。焊件。 (2)(2)火焰矫正火焰矫正 利用金属局部受热后的冷却收缩来抵利用金属局部受热后的冷却收缩来抵 消已发生的焊接变形。这种方法主要用于低碳钢消已发生的焊接变形。这种方法主要用于低碳钢 和低淬

22、硬倾向的低合金钢。火焰矫正一般采用气和低淬硬倾向的低合金钢。火焰矫正一般采用气 焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰 加热的位置和加热温度。加热温度范围通常在加热的位置和加热温度。加热温度范围通常在 600600800800。图示为。图示为T T形梁上拱变形的火焰矫正形梁上拱变形的火焰矫正 方法。方法。 5.5.焊接裂纹焊接裂纹 (1)(1)热裂纹热裂纹 热裂纹：焊接过程中热裂纹：焊接过程中, ,焊接接头冷却到固相线附近的焊接接头冷却到固相线附近的 高温区产生的焊接裂纹。高温区产生的焊接裂纹。 位置：焊缝区位置：焊缝区 防止：防止： 限制焊接材料

23、和被焊钢材中产生低熔点杂质的磷、限制焊接材料和被焊钢材中产生低熔点杂质的磷、 硫、碳的含量；硫、碳的含量； 控制焊接工艺参数以适当提高焊缝成形系数；控制焊接工艺参数以适当提高焊缝成形系数； 采用小焊接电流和合理的焊接顺序以减小焊接应采用小焊接电流和合理的焊接顺序以减小焊接应 力。力。 (2)(2)冷裂纹冷裂纹 冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度( (钢在钢在MsMs温度以下温度以下) ) 时产生的焊接裂纹。时产生的焊接裂纹。 原因：产生淬硬组织、氢的聚集、焊接应力原因：产生淬硬组织、氢的聚集、焊接应力 防止：防止： 焊前预热和焊后缓冷；焊前预热和焊后缓冷； 选用碱性焊

24、条；选用碱性焊条； 使用前烘干焊条和焊剂；使用前烘干焊条和焊剂； 清除焊丝表面、坡口及其两侧母材的锈、水、油清除焊丝表面、坡口及其两侧母材的锈、水、油; ; 焊后立即将接头加热到焊后立即将接头加热到250250350350, ,保温保温6 612h;12h; 采用合理的焊接顺序和小电流焊接采用合理的焊接顺序和小电流焊接; ; 及时进行焊后热处理。及时进行焊后热处理。 二、焊接接头的性能二、焊接接头的性能 焊接接头：是用焊接方法连接的接头。焊接接头：是用焊接方法连接的接头。 包括：焊缝、熔合区、热影响区包括：焊缝、熔合区、热影响区 1.1.焊缝的组织与性能焊缝的组织与性能 焊缝：焊接熔池冷凝结晶

25、而形成的区域。焊缝：焊接熔池冷凝结晶而形成的区域。 组织：晶粒粗大、成分偏析，组织不致密组织：晶粒粗大、成分偏析，组织不致密 性能：焊缝金属的力学性能一般不低于母材。性能：焊缝金属的力学性能一般不低于母材。 2.2.熔合区的组织与性能熔合区的组织与性能 熔合区：焊缝与热影响区的的过渡区。熔合区：焊缝与热影响区的的过渡区。 组织：部分铸态组织和部分过热粗晶组织：部分铸态组织和部分过热粗晶 性能：强度、塑性和韧性都下降，是焊接接头中性能：强度、塑性和韧性都下降，是焊接接头中 力学性能最差的薄弱部位。力学性能最差的薄弱部位。 3.3.热影响区的组织与性能热影响区的组织与性能 (1)(1)过热区过热区 过热区：在热影响区中，最高加热温度在过热区：在热影响区中，最高加热温度在11001100以上，以上， 具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。具有过热组织