材料成型原理与工艺之焊接部分总结

1、第一篇第一篇 连接成形理论基础连接成形理论基础 本章讲授目的本章讲授目的 3 3、了解焊接熔池特征、焊接热循环的主要参数、了解焊接熔池特征、焊接热循环的主要参数 2 2、掌握焊接接头的组织与性能（焊缝、热影响区）、掌握焊接接头的组织与性能（焊缝、热影响区） 1 1、掌握焊接相关的概念：、掌握焊接相关的概念：焊接、熔焊、压焊、钎 焊、HAZ、焊接温度场、焊接电弧、联生结晶、焊 接热循环 1 一、焊接定义一、焊接定义 第第1节节 焊接定义、分类和应用焊接定义、分类和应用 通过加热或加压，通过加热或加压， 或者两者并用，并且或者两者并用，并且 用或不用填充材料，用或不用填充材料， 使焊接件达到使焊接

2、件达到原子原子 结合结合而形成而形成永久性连永久性连 接接的一种方法。的一种方法。 r0 物理本质物理本质：使两个独立的工件 实现了原子间结合原子间结合。 只有当被连接金属原子间的 距离接近rA(0.30.5nm)时， 金属键才能起作用，这时金属 原子之间的结合力最大。 原子间作用力与距离关系原子间作用力与距离关系 1 1斥力；斥力；2 2引力；引力；3 3合力合力 如何使金属原子间的距离接近rA? 使金属表面紧密接触的几种措施：使金属表面紧密接触的几种措施： （1）对被焊接金属施加压力或不断地摩擦，破坏接 触表面的氧化膜，使结合处紧密接触。 （2）将金属加热熔化或到塑性状态，增加原子的振 动

3、能，施加压力破坏接触面的氧化膜，促进扩散 和结晶过程的进行。 （3）通过液态中间材料，如粘结剂或低熔点金属， 将两个固态金属连接在一起。 焊接方法分类焊接方法分类 压焊压焊 摩擦焊摩擦焊 超声波焊超声波焊 爆炸焊爆炸焊 扩散焊扩散焊 高频焊高频焊 钎焊及封粘钎焊及封粘 软钎焊软钎焊 硬钎焊硬钎焊 封接封接 粘接粘接 熔熔 焊焊 电弧焊电弧焊 电渣焊电渣焊 等离子弧焊等离子弧焊 电子束焊电子束焊 激光焊激光焊 手弧焊手弧焊 气体保护焊气体保护焊 埋弧焊埋弧焊 电阻焊电阻焊 一、一、熔焊原理熔焊原理 手手 工工 电电 弧弧 焊焊 熔焊：熔焊：通过通过局部加热局部加热使连接处达到使连接处达到熔化熔化

4、状态，然后冷状态，然后冷 却却结晶结晶形成形成共同晶粒共同晶粒。 1 1、熔焊本质及特点：熔焊本质及特点： 熔焊的本质熔焊的本质是是小熔池熔炼小熔池熔炼 与铸造与铸造，是金属，是金属熔化熔化与与结晶结晶 的过程。的过程。 熔池存在时间短，温度高；熔池存在时间短，温度高； 冶金过程进行不充分，氧化冶金过程进行不充分，氧化 严重；热影响区大。严重；热影响区大。 冷却速度快，结晶后易生冷却速度快，结晶后易生 成粗大的柱状晶。成粗大的柱状晶。 熔焊三要素熔焊三要素 热源热源 能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减 小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离

5、子弧、电渣热、小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、 电子束和激光。电子束和激光。 熔池的保护熔池的保护 可用渣保护、气保护和渣可用渣保护、气保护和渣- -气联合保护。以防止氧化，气联合保护。以防止氧化， 并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。 填充金属填充金属 保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到 力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。 两种接线方法：在使用直流电焊机焊接时，电弧产生的热两种接线方法：在使用直流电焊机焊接时，

6、电弧产生的热 量在阳极和阴极上有一定的差异。量在阳极和阴极上有一定的差异。 u直流正接：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条） u直流反接：直流反接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊 条、低合金钢和铝合金）条、低合金钢和铝合金） 阴极雾化阴极雾化 焊接过程涉及：焊接过程涉及：加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、 固态相变直至形成焊接接头。固态相变直至形成焊接接头。 归纳为三个相互交错联系的局部过程：归纳为三个相互交错联系的局部过程： 焊接热过程 化学冶金化学冶金 物理

7、冶金物理冶金 保护目的保护目的: u使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊 缝韧性。缝韧性。 u延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹 渣的析出。渣的析出。 熔池的保护熔池的保护 焊接接头主要由焊缝（焊接接头主要由焊缝（weld metal）、热影）、热影 响区（响区（heat affected zone /HAZ）、熔合区）、熔合区 （fusion zone）组成。）组成。 焊缝焊缝 熔合区熔合区热影响区热影响区 母材母材 熔池凝固的特点熔池凝固的特点 联生结晶联生结晶/交互结

8、晶交互结晶/外延结晶外延结晶 依附于母材晶粒的现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式 择优成长择优成长 并非“齐步前进”。当散热最快的 方向与晶体成长的结晶位向相同时， 有利于柱状晶的成长 熔池凝固组织形态的多样性熔池凝固组织形态的多样性 凝固组织的形态有柱状晶（平面晶、胞状晶、胞状树枝 晶和树枝晶）及等轴晶等 焊缝金属的组织：焊缝金属的组织： 固态相变，影响因素：化学成分固态相变，影响因素：化学成分+冷却条件冷却条件 低碳钢焊缝低碳钢焊缝： 固态相变时，首先沿奥氏体晶界析出共 析铁素体，然后发生共析转变： AP（FFe3C） 得到铁素体加珠光体。 焊缝金属过热时，奥氏体晶界或晶粒内 部还会析出塑

9、韧性差的网状魏氏组织。 低合金钢低合金钢珠光体珠光体 铁铁 素素 体体 先共析（晶界或粒界/块状）铁素体 侧板条铁素体 针状铁素体 细晶铁素体 马氏体马氏体 板条马氏体 片状马氏体 贝氏体贝氏体 上贝氏体 下贝氏体 HAZ组织分布组织分布 a. 低碳钢及不易淬火的低合金钢低碳钢及不易淬火的低合金钢（Q235、20、16Mn等） 熔合熔合/半熔化区半熔化区：最高温度在固相线和液相线之间。局部 熔化，成分与组织不均匀，塑性差 过热区过热区/粗晶区粗晶区：固相线到1100左右。塑韧性差 相变重结晶区（正火区）相变重结晶区（正火区）： 1100Ac3相当于 正火组织 （细晶FP）塑韧性好 不完全重结晶

10、区不完全重结晶区：Ac1Ac3， （部分细晶FP以及粗晶F） 组织不均匀 （2）焊接热影响区的组织和性能变化）焊接热影响区的组织和性能变化 b. 易淬火钢易淬火钢(低碳调质钢、中碳钢、中碳调质钢，如： 18CrMoNb、45、30CrMnSi等) 与焊前热处理状态有关 焊前正火或退火态焊前正火或退火态，HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火 区组成。 调质态调质态， HAZ主要由完全淬火区、不完全淬火区和回火 区组成。 第一篇第一篇 连接成形理论基础连接成形理论基础 返 回 本章讲授目的本章讲授目的 重点掌握重点掌握： 焊接性概念和评价方法，尤其是碳当量法焊接性概念和评价方法，尤其是碳当量法 利用

11、焊接性分析材料在指定焊接工艺条件利用焊接性分析材料在指定焊接工艺条件 下可能出现的问题下可能出现的问题 金属材料的焊接性金属材料的焊接性 碳钢的焊接碳钢的焊接 本章主要内容本章主要内容 有色金属的焊接有色金属的焊接 铸铁的焊补铸铁的焊补 焊接性焊接性（Weldability） 指被焊金属在指被焊金属在限定的施工条件限定的施工条件（焊接方法、焊接材（焊接方法、焊接材 料、工艺参数及结构型式），焊接成按规定设计要求的料、工艺参数及结构型式），焊接成按规定设计要求的 构件，并满足预定服役要求的能力。构件，并满足预定服役要求的能力。 即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出的即金属材料在一定的焊接工艺

12、条件下，表现出的焊焊 接难易程度接难易程度。 金属材料的焊接性金属材料的焊接性 钢的焊接性评价方法钢的焊接性评价方法 碳、合金元素含量碳、合金元素含量 焊接性焊接性 国际焊接学会国际焊接学会 IIW 碳钢及低碳钢及低 合金钢合金钢 MnCrMo VNiCu CE C 6515 碳对冷裂纹敏感性的影响最明显，其它元素的影响碳对冷裂纹敏感性的影响最明显，其它元素的影响 折合成碳的影响。折合成碳的影响。 间接方法间接方法 碳当量碳当量 CE0.4%，钢材塑性良好，淬硬和冷裂纹倾向不，钢材塑性良好，淬硬和冷裂纹倾向不 明显，可焊性良好。明显，可焊性良好。一般不会产生裂纹，但对厚大工件一般不会产生裂纹，

13、但对厚大工件 或低温下焊接时应考虑预热。或低温下焊接时应考虑预热。 CE E=0.4%0.6%，钢材塑性下降，淬硬和冷裂倾向，钢材塑性下降，淬硬和冷裂倾向 明显，可焊性较差。明显，可焊性较差。需要焊前预热，焊后缓冷及一定的需要焊前预热，焊后缓冷及一定的 焊接工艺措施。焊接工艺措施。 CE E0.6%，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向很强，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向很强， 可焊性很差。可焊性很差。焊前预热，减少焊接应力和防止开裂，焊焊前预热，减少焊接应力和防止开裂，焊 后热处理。后热处理。 碳当量越高，焊接性越差碳当量越高，焊接性越差 从一般焊接工艺焊后有无裂缝或裂缝多少，初步 评定试板材料的可焊

14、性；调整工艺再焊接试板，达到 不裂，从而制订出合理的焊接工艺规程与规范。 直接方法直接方法 针对钢材在焊接过程中出现的裂纹设计的直观评价针对钢材在焊接过程中出现的裂纹设计的直观评价 焊接冷裂纹试验 焊接热裂纹试验 再热裂纹试验 层状撕裂试验 脆性断裂试验 Chapter 3 焊接过程中的冶 金反应原理 （一） 第一篇第一篇 连接成形理论基础连接成形理论基础 焊接方法焊接方法 焊接材料焊接材料 焊缝的成份焊缝的成份 焊缝的性能焊缝的性能 化学冶金过程化学冶金过程 焊接过程中，焊接过程中，高温液态金属高温液态金属会与会与气体和熔渣气体和熔渣之间发生之间发生 相互作用（相互作用（冶金反应）。通过本章

15、的学习，了解影响焊件。通过本章的学习，了解影响焊件 的性能的的性能的气体和熔渣气体和熔渣的的来源来源及其与金属的及其与金属的相互作用机制相互作用机制。 本章讲授目的本章讲授目的 本章主要内容本章主要内容 第第1 1节连接成形的冶金反应特点节连接成形的冶金反应特点 第第2 2节液态金属与气体界面的反应节液态金属与气体界面的反应 第第4 4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响节合金化及工艺条件对冶金反应的影响 第第3 3节液态金属与熔渣的相互作用节液态金属与熔渣的相互作用 连接成形的冶金反应特点： 存在保护、分区域（药皮反应区、熔滴反应区和 熔池反应区）进行、与焊接工艺有关 药皮反应区药皮反应区：温

16、度低（钢焊条1200）。 水蒸发及药皮中固态物质的分解，造渣和造气。 熔滴反应区熔滴反应区：温度高（21002800 ）、熔滴比表 面积大，是焊接冶金反应最激烈的部位。气体分 解和溶解、金属蒸发、氧化还原及焊缝金属合金化。 熔池反应区熔池反应区：温度平均1770 左右，反应比溶滴区 弱些。温度分布不均，不同部位冶金反应不同。 头部金属熔化和吸气，尾部金属凝固和气体逸出。 N2、H2、O2 CO2和和H2O 焊接区的气体焊接区的气体 焊接材料，如：焊条药皮、焊剂、焊接材料，如：焊条药皮、焊剂、 焊芯焊芯、高价氧化物及有机物、高价氧化物及有机物 母材坡口的油污、铁锈、水分母材坡口的油污、铁锈、水分

17、 空气中的气体、水分空气中的气体、水分 保护气体及其杂质气体保护气体及其杂质气体 直接进入直接进入间接分解间接分解 气体的来源与产生气体的来源与产生 1有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧 2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解 3材料的蒸发材料的蒸发 4、气体的分解、气体的分解 p 气体的控制措施气体的控制措施 限制气体的来源 控制工艺参数 冶金处理 限制气体的来源限制气体的来源 氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除比较困 难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防 止空气与金属接触。 限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护

18、或渣气联合 保护。保护。 氢主要来源于水分氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料等），包括原材料（母材、焊接材料等） 本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化 膜中的结晶水、化合水等。材料内的膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物碳氢化合物和材料和材料 表面的表面的油污油污等也是氢的重要来源。等也是氢的重要来源。 限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质 和油污。和油污。 限制气体的来源限制气体的来源 氧主要来源于焊材或矿石，氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的在焊接要求

19、比较高的 合金钢和活泼金属时，应合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量尽量选用不含氧或氧含量 少的焊接材料少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，采，如采用高纯度的惰性保护气体，采 用低氧或无氧的焊条、焊剂等。用低氧或无氧的焊条、焊剂等。 控制工艺参数控制工艺参数 增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触 机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采 用用短弧焊短弧焊。 p 焊接电流增加时，焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作，气体与熔滴作 用时

20、间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、 熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。 冶金处理冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气 处理，是降低金属中气体含量的有效方法。 冶金法脱氮 液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元 素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从 而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。 但要严格控制加铝量。 焊接过程中的脱氢焊接过程中的脱氢 （1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物 （2）控制焊接材料的

21、氧化势）控制焊接材料的氧化势 （3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素 （4）焊后消氢处理）焊后消氢处理 熔渣的作用熔渣的作用 1. 机械保护作用机械保护作用 2. 冶金处理作用冶金处理作用 3. 改善成形工艺性能作用改善成形工艺性能作用 焊接熔渣的类型焊接熔渣的类型 1.按焊接熔渣的组成物分类：按焊接熔渣的组成物分类： 盐型熔渣盐型熔渣 盐盐氧化物型熔渣氧化物型熔渣 氧化物型熔渣氧化物型熔渣 2.按熔渣的性质分为酸性熔渣和碱性熔渣按熔渣的性质分为酸性熔渣和碱性熔渣 熔渣的来源与构成熔渣的来源与构成 1、 药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮 2

22、、 埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂 熔渣碱度的分子理论熔渣碱度的分子理论 按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与 酸性氧化物浓度的比值。表示为：酸性氧化物浓度的比值。表示为： 碱性氧化物：碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等等 ， 酸性氧化物：酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。等。 考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为： 0.018CaO+0.015MgO+0.006CaF2+0.014(K2O+Na2O)+0.007(M

23、nO+FeO) B1 = 0.017SiO2 + 0.005(Al2O3 + TiO2 + ZrO2） 当当B11为碱性渣，为碱性渣，B11为酸性渣，为酸性渣，B1=1为中性渣。为中性渣。 酸性氧化物的摩尔分数 碱性氧化物的摩尔分数 B 2. 熔渣碱度的离子理论熔渣碱度的离子理论 碱度：碱度：液态熔渣中自由氧离子的浓度液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）。（或氧离子的活度）。 渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为： Mi 是渣中第是渣中第 I 种氧化物的摩尔分数，种氧化物的摩尔分数，ai 是该氧化物的碱度系数。是该氧化物的碱度系

24、数。 当当B20时为碱性渣，时为碱性渣，B20为酸性渣，为酸性渣，B2= 0为中性渣为中性渣。 表表8-4 渣中常见氧化物的渣中常见氧化物的ai值值 n i ii Ma 1 2 B 氧化物氧化物K2ONa2OCaOMnOMgOFeOSiO2TiO2ZrO2Al2O3Fe2O3 ai值值9.08.56.054.84.03.4-6.31-4.97-0.2-0.20 熔渣的物理性质熔渣的物理性质 熔渣的凝固温度与密度熔渣的凝固温度与密度 熔渣的粘度熔渣的粘度 熔渣的表面张力及界面张力熔渣的表面张力及界面张力 熔渣的凝固温度与密度熔渣的凝固温度与密度 讨论：讨论： Why? 熔渣的熔点熔渣的熔点：固体

25、熔渣开始熔化的温度：固体熔渣开始熔化的温度 造渣温度造渣温度：焊条药皮开始熔化的温度（药皮熔点）高：焊条药皮开始熔化的温度（药皮熔点）高 金属熔焊中，要求熔渣的熔点略低于母材金属。金属熔焊中，要求熔渣的熔点略低于母材金属。 密度密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运 动速度。动速度。密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。 选用焊材时，首先要保证熔渣具有合适的凝固温度范选用焊材时，首先要保证熔渣具有合适的凝固温度范 围和较低的密度。围和较低的密度。 熔渣的粘度熔渣的粘度 粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速

26、粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速 度，焊缝表面成形不良，易产生气孔、夹杂。度，焊缝表面成形不良，易产生气孔、夹杂。 粘度过小的熔渣容易流失，不能均匀覆盖焊缝影响对粘度过小的熔渣容易流失，不能均匀覆盖焊缝影响对 熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。 根据熔渣粘度随温度变化的速根据熔渣粘度随温度变化的速 率，熔渣分为率，熔渣分为“长渣长渣”和和“短短 渣渣”。 随温度增高粘度急剧下降的渣随温度增高粘度急剧下降的渣 称为短渣，而随温度增高粘度称为短渣，而随温度增高粘度 下降缓慢的渣称为长渣。下降缓慢的渣称为长渣。 短渣在焊缝凝固后

27、迅速凝固，短渣在焊缝凝固后迅速凝固， 可保证可保证全位置全位置焊缝外观成型。焊缝外观成型。 长渣长渣 T1 T2 T 短渣短渣 熔渣粘度与温度的关系熔渣粘度与温度的关系 含含 SiO2 多的酸性渣为长渣。多的酸性渣为长渣。 碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓 度增大，粘度迅速下降，因此度增大，粘度迅速下降，因此碱性渣为短渣。碱性渣为短渣。加入加入 CaF2 可起到很好的稀释作用可起到很好的稀释作用。 熔渣的表面张力熔渣的表面张力(Surface Tension)及界及界 面张力面张力 熔渣与气相之间的界面张力熔渣表面张力熔渣与气相之间的

28、界面张力熔渣表面张力 熔渣与液态金属间的界面张力熔渣与液态金属间的界面张力 表面张力的表面张力的 影响因素影响因素 温度温度T，升高，表面张力减小，升高，表面张力减小 原子间键能（金属键的键能大，原子间键能（金属键的键能大， 表面张力大）表面张力大） 碱性渣碱性渣表面张力较大：易造成表面张力较大：易造成熔滴粗化，飞溅增多熔滴粗化，飞溅增多。 酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，焊酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，焊 缝鱼鳞纹细密，外观成形好。缝鱼鳞纹细密，外观成形好。 活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对金属的氧化 扩散氧化扩散氧化 置换氧化置换氧化 脱氧处理脱氧处理 先期脱氧先期

29、脱氧 沉淀脱氧沉淀脱氧 扩散脱氧扩散脱氧 在焊接材料中加入合适的材料或铁合金（脱氧在焊接材料中加入合适的材料或铁合金（脱氧 剂：锰铁、硅铁、钛铁和铝粉等）使之在冶金反剂：锰铁、硅铁、钛铁和铝粉等）使之在冶金反 应过程中夺取氧，将金属还原。应过程中夺取氧，将金属还原。 1.1.应用合金焊丝或带极应用合金焊丝或带极 2.2.应用药芯焊丝或药芯焊条应用药芯焊丝或药芯焊条 3.3.应用合金药皮或粘结焊剂应用合金药皮或粘结焊剂 4.4.应用合金粉未应用合金粉未 合金化的方式合金化的方式 1. 合金过渡系数合金过渡系数：描述合金元素利用率：描述合金元素利用率 高低，等于熔敷金属中的实际含量与高低，等于熔敷

30、金属中的实际含量与 原始含量之比原始含量之比 cobcw d e d CKC C C C 式中，Cd-合金元素在熔敷金属中含量 Ce-合金元素原始含量 Cco-合金元素在药皮中的含量 Ccw-在焊芯中的含量 Kb-焊条药皮的重量系数 合金化的效果合金化的效果 熔合比：熔合比：焊缝中局部熔化的母材所占的比例焊缝中局部熔化的母材所占的比例 熔合比熔合比 Ap Ad p pd A AA 式中，式中，Ap为焊缝截面中母材所占的面积；为焊缝截面中母材所占的面积；Ad为焊为焊 缝截面中填充金属所占的面积；缝截面中填充金属所占的面积；为熔合比。为熔合比。 考虑合金元素在焊接中的损失，焊缝金属中某合金元考虑合

31、金元素在焊接中的损失，焊缝金属中某合金元 素的实际含量素的实际含量Cw为：为： (1) wbd CCC 式中，式中，Cb为某元素在母材中的质量分数；为某元素在母材中的质量分数；Cd为熔为熔 敷金属（即真正过渡到熔池中去的那部分焊条金属）中敷金属（即真正过渡到熔池中去的那部分焊条金属）中 某元素的质量分数；某元素的质量分数；为熔合比。为熔合比。 焊条焊条ElectrodeElectrode 焊剂焊剂welding fluxwelding flux 焊丝焊丝welding wirewelding wire 重点掌握重点掌握 1、焊条分类及制备、焊条分类及制备 2、焊条、焊剂及焊丝的型号和牌号、焊条

32、、焊剂及焊丝的型号和牌号 3、典型焊条的冶金性能、典型焊条的冶金性能 4、焊剂的性能用途、焊剂的性能用途 5、气保焊丝和药芯焊丝、气保焊丝和药芯焊丝 Introduction 1. Definition of welding consumables 焊接材料是焊接时所消耗材料的通称焊接材料是焊接时所消耗材料的通称 (焊条、焊丝、焊条、焊丝、 焊剂、气体等）焊剂、气体等） 2. Function of welding consumables l 焊条、焊丝是焊接过程的一个电极焊条、焊丝是焊接过程的一个电极 l 焊条、焊丝作为填充金属焊条、焊丝作为填充金属 l 药皮、焊剂及保护气体，保证焊接质量及

33、进行药皮、焊剂及保护气体，保证焊接质量及进行 必要的冶金反应。必要的冶金反应。 焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。 以结构钢为例，以结构钢为例，型号编制法型号编制法为字母为字母“E”表示焊条，第表示焊条，第 一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表 示焊条的焊接位置（示焊条的焊接位置（“0”及及“1”表示焊条适用于全位置焊接表示焊条适用于全位置焊接 （即可平、立、仰、横焊），（即可平、立、仰、横焊），“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，表示焊条适用于平焊及平角焊， “4”表示焊条适用于向下立

34、焊表示焊条适用于向下立焊），第三、四位数字表示焊），第三、四位数字表示焊 接电流种类及药皮类型。接电流种类及药皮类型。 焊条的型号与牌号焊条的型号与牌号 焊条型号举例如下：焊条型号举例如下： E4 303 表示焊条药皮为钛钙型， 并可交、直流焊接 表示焊条适用于全位 置焊接 表示熔敷金属抗拉强度 的最小值（kgf/mm2） 表示焊条 焊条的牌号焊条的牌号 以结构钢为例：以结构钢为例：牌号编制法牌号编制法，结，结XXX，结为结构钢，结为结构钢 焊条，第焊条，第1、2位数：代表熔敷金属抗拉强度位数：代表熔敷金属抗拉强度 ，第，第3位数代位数代 表药皮类型、焊接电流要求。有特殊性能和用途的，则表药皮

35、类型、焊接电流要求。有特殊性能和用途的，则 在牌号后面加注起主要作用的化学元素符号或主要用途在牌号后面加注起主要作用的化学元素符号或主要用途 的拼音字母。的拼音字母。 （1）以结构钢（包括碳钢和低合金钢）焊条为例：）以结构钢（包括碳钢和低合金钢）焊条为例： J422，其中：，其中： J结构钢焊条结构钢焊条 42熔敷金属的抗拉强度大于等于熔敷金属的抗拉强度大于等于420MPa 2药皮类型（钛钙型）和电源种类（交直流）药皮类型（钛钙型）和电源种类（交直流） J507CuP 低氢型药皮、直流低氢型药皮、直流 熔敷金属抗拉强度不低于熔敷金属抗拉强度不低于 490MPa490MPa 结构钢焊条结构钢焊条

36、 以以J 507CuP 焊条为例：焊条为例： 用于焊接铜磷钢，有抗大气和用于焊接铜磷钢，有抗大气和 耐海水腐蚀的特殊用途耐海水腐蚀的特殊用途 作电极传导电流，产生电弧作电极传导电流，产生电弧 作填充金属（调整成分）作填充金属（调整成分） 机械保护作用机械保护作用(气体和熔渣气体和熔渣) 冶金处理（熔渣）冶金处理（熔渣） 改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定）改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定） 焊条的组成焊条的组成: : 焊芯的作用焊芯的作用： 药皮的作用药皮的作用： 专用焊接专用焊接 金属丝金属丝 由多种矿石粉由多种矿石粉 铁合金配成铁合金配成 电焊条的组成电焊条的组成 引弧端引弧端 焊芯材料用量

37、最多的是焊芯材料用量最多的是H08、H08A和和H08E。 电焊条的选用电焊条的选用 不锈钢、耐热钢焊条不锈钢、耐热钢焊条 按相同成分选择焊条按相同成分选择焊条 结构钢焊条结构钢焊条 按等强原则选相同强度等级焊条按等强原则选相同强度等级焊条 焊缝和母材具有相同水平的使用性能。焊缝和母材具有相同水平的使用性能。选用原则：选用原则： 例：例：16 Mn ，抗拉强度，抗拉强度520 Mpa ， 可选用可选用 E5003 (J502)， E5015 (J507)， E5016 (J506) 焊剂焊剂 焊剂焊剂：焊接时能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属：焊接时能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属 起保护和

38、冶金处理作用的一种颗粒状物质。起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质。 焊剂和焊丝都是埋弧焊、电渣焊时使用的焊接材料。焊剂和焊丝都是埋弧焊、电渣焊时使用的焊接材料。 焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。 熔炼焊剂形成、特点和分类：熔炼焊剂形成、特点和分类： （1）形成：块状组分）形成：块状组分电弧炉电弧炉1500-1550熔炼熔炼熔融态经熔融态经 水冷粒化水冷粒化烘干烘干筛选筛选 （2）特点：）特点： 多数为多数为MnO、SiO2、CaF2为主的酸性、中性焊剂，为主的酸性、中性焊剂， 工艺性能好；工艺性能好； 不能含脱氧剂和合金剂不能含脱氧剂和合金剂合

39、金化能力差；合金化能力差； 抗潮性极强，可长期保存，用前不烘干。抗潮性极强，可长期保存，用前不烘干。 （3）分类：成分、化学性质、颗粒结构）分类：成分、化学性质、颗粒结构 按制造方法分类：按制造方法分类： 非熔炼焊剂非熔炼焊剂 熔炼焊剂熔炼焊剂 焊剂的类型焊剂的类型 非熔炼焊剂的特点、形成和分类非熔炼焊剂的特点、形成和分类 特点：特点： 可制成酸性、碱性、高碱性可制成酸性、碱性、高碱性 可加脱氧剂、合金剂、抗锈、合金化能力强；可加脱氧剂、合金剂、抗锈、合金化能力强； 吸潮性强，不易保存吸潮性强，不易保存 分类和形成分类和形成 粘结焊剂粘结焊剂：粉状组分加水玻璃粘合成团粒化经约 400烘干 烧结

40、焊剂烧结焊剂：粉状组分加水玻璃粘合成团粒化经约 1000烘干 pGB5293GB529319991999埋弧焊用埋弧焊用碳钢碳钢焊丝和焊剂焊丝和焊剂 型号中型号中“F F”表示焊剂；第一位数字表示焊丝焊剂组合表示焊剂；第一位数字表示焊丝焊剂组合 的熔敷金属抗拉强度的最小值（包括抗拉强度、屈服强度和的熔敷金属抗拉强度的最小值（包括抗拉强度、屈服强度和 延伸率）；第二位字母表示试件的热处理状态，延伸率）；第二位字母表示试件的热处理状态，“A”A”表示焊表示焊 态，态，“P”P”表示焊后热处理状态；第三位数字表示熔敷金属冲表示焊后热处理状态；第三位数字表示熔敷金属冲 击吸收功不小于击吸收功不小于27

41、J27J时的最低试验温度；时的最低试验温度；“”后面表示焊丝后面表示焊丝 牌号。牌号。 完整的焊丝焊剂型号示例如下：完整的焊丝焊剂型号示例如下： 焊剂型号和牌号编制方法焊剂型号和牌号编制方法 p 熔炼熔炼焊剂的牌号焊剂的牌号 字母字母“HJ（焊剂）（焊剂）”表示埋弧焊及电渣焊焊剂；表示埋弧焊及电渣焊焊剂；第一数字第一数字 表示焊剂中表示焊剂中MnO含量含量; HJ无锰 HJ低锰 HJ中锰 HJ高锰 第位数字表示焊剂中氧化硅、氟化钙含量第位数字表示焊剂中氧化硅、氟化钙含量 焊剂低硅低氟焊剂中硅低氟 焊剂高硅低氟 焊剂低硅中氟 焊剂中硅中氟 焊剂 高硅中氟 焊剂低硅高氟 焊剂中硅高氟 焊剂待发展

42、牌号第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号牌号第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号 按、顺序排列 对同一牌号焊剂生产两种粒度时，在细粒产品对同一牌号焊剂生产两种粒度时，在细粒产品 后加一个细字（后加一个细字（X）。）。 例如：例如：HJ431/焊剂焊剂431表示埋弧焊及电渣焊所用焊剂表示埋弧焊及电渣焊所用焊剂 ，高锰高硅低氟型，高锰高硅低氟型 p 烧结烧结焊剂的牌号焊剂的牌号 字母字母“SJ（焊剂）（焊剂）”表示埋弧焊用烧结焊剂；表示埋弧焊用烧结焊剂；第一位数字第一位数字 表示焊剂熔渣的渣系类型表示焊剂熔渣的渣系类型; 第、第、3位数字表示同一渣系类型的烧结焊剂的不同牌位数字表示同一渣系类型的烧

43、结焊剂的不同牌 号，按号，按01、02，09顺序编排。顺序编排。 焊丝的型号和牌号焊丝的型号和牌号 1）气体保护焊气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝用碳钢、低合金钢焊丝 型号表示方法为型号表示方法为ER-，“ER”表示焊丝，表示焊丝， ER后的两位数字表示熔敷金属的抗拉强度最低值，短后的两位数字表示熔敷金属的抗拉强度最低值，短 划划“-”后面的字母或数字表示焊丝化学成分分类代号。后面的字母或数字表示焊丝化学成分分类代号。 其他化学元素用元素符号表示，以短划其他化学元素用元素符号表示，以短划“-”与前面数字与前面数字 分开。分开。 型号型号 实芯焊丝实芯焊丝H08Mn2SiA 药芯焊丝药芯焊丝YJ4

44、22-1 有色金属、铸铁焊丝有色金属、铸铁焊丝HS221 牌号牌号 焊条、焊丝及焊剂的选用 焊缝机械性能与基体金属一致；焊缝机械性能与基体金属一致； 其次，在化学成分方面接近基体其次，在化学成分方面接近基体 还应根据焊接位置及板厚确定药皮类型。还应根据焊接位置及板厚确定药皮类型。 Chapter 5 Chapter 5 焊接结构设计焊接结构设计 第一篇第一篇 连接成形理论基础连接成形理论基础 重点和难点：重点和难点： p 焊接结构的设计要求和原则焊接结构的设计要求和原则 p 焊接接头的设计（接头、坡口等）焊接接头的设计（接头、坡口等） p 焊接结构的设计案例焊接结构的设计案例 焊接结构设计的焊

45、接结构设计的基本要求基本要求和和遵循原则遵循原则 u 基本要求基本要求：实用性、安全性、工艺性和经济性实用性、安全性、工艺性和经济性等。等。 u 遵循原则遵循原则： 1) 合理选择合理选择材料的种类，尽量材料的种类，尽量采用采用标准件、通用件和型材标准件、通用件和型材。 2) 合理地设计合理地设计结构形式结构形式。尽量采用。尽量采用简洁明快的结构简洁明快的结构构造形式，构造形式， 采用采用最简单和最合理的接头形式最简单和最合理的接头形式，并且，并且种类越少越好种类越少越好，减少短而，减少短而 不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。 3) 合理地合理

46、地布置焊缝布置焊缝。例如。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密 集集，重要的重要的工作焊缝要工作焊缝要连续连续，次要的次要的联系焊缝可用联系焊缝可用断续焊缝断续焊缝，这，这 有利于焊接施工和减少焊接工作量，便于控制有利于焊接施工和减少焊接工作量，便于控制焊接应力和变形焊接应力和变形。 4) 施工方便并考虑施工方便并考虑改善工人劳动条件改善工人劳动条件。设计结构时就要。设计结构时就要考虑考虑 到日后施工的很多问题到日后施工的很多问题，如，如可达性问题可达性问题，保证各种施工必需的操，保证各种施工必需的操 作空间问题等。作空间问题等。 焊接接头形式焊接接头形式 对接接头

47、对接接头 角接接头及角接接头及 T字形接头字形接头 搭接接头搭接接头 焊接接头形式焊接接头形式 （a）对接接头；）对接接头； （b）角接接头；）角接接头； （c）搭接接头）搭接接头 焊接接头的三种形式焊接接头的三种形式 焊接坡口焊接坡口 为保证全熔透和焊为保证全熔透和焊 接质量，减少焊接接质量，减少焊接 变形，施焊前，一变形，施焊前，一 般将焊件连接处预般将焊件连接处预 先加工成各种形状。先加工成各种形状。 不同的焊接坡口，不同的焊接坡口， 适用于不同的焊接适用于不同的焊接 方法和焊件厚度。方法和焊件厚度。 坡口形式坡口形式 形形 V型型 单边单边V形形 U形形 J形形 基本坡口形状基本坡口形

48、状 组合形状组合形状 坡口形状坡口形状 特殊形状特殊形状 坡口形式的选择坡口形式的选择 熔焊坡口形式熔焊坡口形式根据其形根据其形 状可分为状可分为三类：三类： 基本型基本型，I形、形、V形和形和 单单V形、形、U形和单形和单U形形等；等； 特殊型特殊型，如卷边的、带，如卷边的、带 垫板的、锁边的和塞焊、垫板的、锁边的和塞焊、 开槽焊等；开槽焊等； 组合型组合型 压焊接头压焊接头 电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊和爆炸焊统称为电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊和爆炸焊统称为 压焊压焊，其中，其中电阻焊和摩擦焊电阻焊和摩擦焊应用最广。应用最广。 电阻焊电阻焊和和摩擦焊摩擦焊在汽车工业中应用很普遍，在

49、汽车工业中应用很普遍，电阻焊电阻焊中中 的的点焊点焊和和缝焊缝焊多是采用多是采用搭接接头搭接接头。摩擦焊接头摩擦焊接头通常采用通常采用对对 接接头接接头。 钎焊接头钎焊接头 钎焊接头也有多种类型，但钎焊接头也有多种类型，但基本类型基本类型只有只有对接接头和对接接头和 搭接接头搭接接头两种。两种。 坡口形式的选择坡口形式的选择 1) 工厂的加工条件工厂的加工条件。采用双。采用双V形、形、Y形、单边形、单边V形、双形、双 单边单边V形、形、V形、形、I形等坡口可用形等坡口可用气割、等离子弧切割气割、等离子弧切割或或金金 属切削方法属切削方法加工。但双加工。但双U形、带钝边形、带钝边U形、带形、带

50、钝边钝边J形、形、U 形、形、Y形坡口一般需用形坡口一般需用刨边机加工刨边机加工，效率较热切割低。，效率较热切割低。 2) 可达性的好坏可达性的好坏。采用。采用Y形、带垫板形、带垫板Y形、带垫板形、带垫板V形、形、 VY形形(上图上图g)、带钝边的、带钝边的U形形(上图上图h)等坡口的接头，施焊等坡口的接头，施焊 时，一般时，一般可不需翻转可不需翻转。 内径较小内径较小的容器或管道，的容器或管道，不便翻转不便翻转的结构，为的结构，为避免仰避免仰 焊焊及及不能从内侧施焊不能从内侧施焊，可采用这种坡口和焊缝形式。，可采用这种坡口和焊缝形式。 坡口形式的选择坡口形式的选择 3) 减小焊接材料的消耗量

51、减小焊接材料的消耗量。一般熔敷金属量小，焊接。一般熔敷金属量小，焊接 材料消耗也小，也节省加工时间。同样板厚：材料消耗也小，也节省加工时间。同样板厚：Y形形比比双双Y形形 坡口坡口的熔敷金属量的熔敷金属量增加增加最大可达最大可达50，双双U形或形或UY形形则更则更 加节省熔敷金属。因此，常用于加节省熔敷金属。因此，常用于大厚度的焊接接头大厚度的焊接接头。 4) 考虑焊接变形与应力考虑焊接变形与应力。例如：。例如：单面焊单面焊可能引起可能引起角变角变 形形和焊缝根部的严重和焊缝根部的严重焊接残余应力焊接残余应力，此时要考虑材料，此时要考虑材料(母材母材) 特点，采用特点，采用适当的工艺适当的工艺

52、和和坡口形式坡口形式，以便获得合格的接头。，以便获得合格的接头。 易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸 形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其 它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。 焊接结构设计的基本原则焊接结构设计的基本原则 1尽量采用对接接头尽量采用对接接头 角焊缝，改用对接焊缝图角焊缝，改用对接焊缝图5（a）改为（）改为（b）和（）和（c）。 减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头 的内部质量。的内部质量。 举例：举例： 图图5 容器接管的角接和对接容器接管的角接和对接 （a）（b）（c） 2尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径 较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面 焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或 采用带垫板的坡口等。采用带垫板的坡口等。 指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下 空隙的现象。空隙的现象