第八章 金属焊接成型 - 副本

1、 将分离的半成品件或零件通过加热、加压（或将分离的半成品件或零件通过加热、加压（或 既加热又加压）等方式，借助于原子间的扩散既加热又加压）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。和结合，连接成不可拆卸的的整体零件。焊接方法焊接方法熔化焊熔化焊压力焊压力焊钎钎 焊焊 焊接方法分类焊接方法分类名名 称称工工 件件焊焊 料料熔化焊熔化焊熔熔 化化熔熔 化化压力焊压力焊熔熔 化化无焊料无焊料钎钎 焊焊不熔化不熔化熔熔 化化各种焊接方法的特征各种焊接方法的特征焊接优点：焊接优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高）连接性能好，密封性好，承压能力高 ；2）省料，重量轻，成本低；）省

2、料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短）加工装配工序简单，生产周期短 ；4）易于实现机械化和自动化。）易于实现机械化和自动化。 缺点：缺点：1 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ；2 2）焊接接头的组织和性能可能变坏；）焊接接头的组织和性能可能变坏；3 3）要产生焊接残余应力和焊接变形；）要产生焊接残余应力和焊接变形； 4 4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。 一一. .电弧焊基本概念电弧焊基本概念（以电弧焊为例，分析焊接基本原理）（以电弧焊为例，分析焊接基本原理） 电弧：两个

3、电极之间的气体介质内产生的一种电弧：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。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。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。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。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。焊

4、缝：焊件经焊接后所形成的结合部分。焊接原理焊接原理 电弧形成的条件：正电弧形成的条件：正负电极之间具有一定的电负电极之间具有一定的电压；两电极之间的气体介压；两电极之间的气体介质处于电离状态。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。量电子放射，形成电弧。直流焊机直流焊机直流正接直流正接直流反接直流反接交流焊机交流焊机无正接

5、反接之分无正接反接之分2. 焊接接头金属的组织与性焊接接头金属的组织与性能能（1 1）焊缝金属的组织与性能）焊缝金属的组织与性能组织：焊缝金属组织是由组织：焊缝金属组织是由熔池金属结晶得到的铸造熔池金属结晶得到的铸造组织组织, , 晶体的长大方向指晶体的长大方向指向熔池中心向熔池中心, , 形成柱状树形成柱状树枝晶。枝晶。三三. .焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能1. 焊件上温度的变化和分布焊件上温度的变化和分布 焊接接头由焊接接头由焊缝焊缝和和热热影响区影响区两个部分组成。两个部分组成。性能：一方面，柱状晶比较细密，其性能不低性能：一方面，柱状晶比较细密，其性能不低于基本金属；另一方

6、面，由于于基本金属；另一方面，由于焊芯焊芯是高级优质是高级优质材料以及材料以及焊条药皮焊条药皮的作用的作用,可以使得焊缝金属的可以使得焊缝金属的化学成分优于母材化学成分优于母材,所以所以焊缝金属的性能一般高焊缝金属的性能一般高于母材于母材。（2）热影响区的组织与性能）热影响区的组织与性能热影响热影响区组织区组织熔合区熔合区过热区过热区正火区正火区部分相变区部分相变区再结晶区再结晶区 低碳钢焊接接头的组织变化低碳钢焊接接头的组织变化1)1)熔合区熔合区: :化学成分不均匀，组织粗大，化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、

7、韧性极差，组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。接头中最差的。2）过热区过热区：最高加热温度在：最高加热温度在11000C以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中除熔合区以外的力学性能最影响区中除熔合区以外的力学性能最差的部位。差的部位。3 3）正火区正火区：最高加热温度在：最高加热温度在Ac3至至11000C的区域，焊后空冷得到晶粒的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。较细小的正火组织，力学性能较好。4 4

8、）部分相变区部分相变区：最高加热温度在：最高加热温度在AcAc1 1至至AcAc3 3的区域，只有部分组织发生相变，的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。晶粒不均匀，性能较差。 低碳钢焊接接头的组织变化低碳钢焊接接头的组织变化 焊接材料焊接材料: :主要是焊芯材料的化学成分。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。而影响其性能。 焊接工艺参数焊接工艺参数: : 主要是主要是焊接电流焊接电流、电弧电压电弧电压、焊接速度焊接速度等。等。通过影响焊接接头的热量输入，改变加热和冷却通过影响焊接接头的热量输

9、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条件，从而改变热影响区的大小和接头的组织和性能。性能。 焊接方法焊接方法: : 主要是热影响区宽度。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，热同。热源越集中、焊接速度越快的焊接方法，热影响区越小。影响区越小。 4. 改善焊接接头组织与性能的措施改善焊接接头组织与性能的措施思路思路：使熔合区和过热区尽可能小使熔合区和过热区尽可能小。措施措施：（1）母材尽量选择低碳钢（碳，硫，磷的含量母材尽量选择低碳钢（碳，硫，磷的含量均比较低）；均比

10、较低）；（2）加快焊接速度，减小焊接电流；加快焊接速度，减小焊接电流；（3）对较大的焊缝采用多层焊；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，焊后进行热处理，消除应力，细化晶粒， 改善接头的力学性能；改善接头的力学性能；四四. .焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形1.焊接应力与焊接变形的产生原因焊接应力与焊接变形的产生原因 在焊接过程中，对焊件进行局部的、不均匀在焊接过程中，对焊件进行局部的、不均匀的加热和冷却，是产生焊接应力与变形的根本原的加热和冷却，是产生焊接应力与变形的根本原因。因。2.焊接变形的基本形式焊接变形的基本形式（1）收缩变形收缩变形：由：由于焊缝横向

11、和纵向收于焊缝横向和纵向收缩而引起尺寸缩小；缩而引起尺寸缩小； （2）角度变形角度变形：焊：焊缝截面形状上下不对缝截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不称，焊缝横向收缩不均匀而引起；均匀而引起；（3）弯曲变形弯曲变形：焊：焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯缝布置不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲；曲；（4）扭曲变形扭曲变形：焊缝布置不对称或焊接工艺不合理，使：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；工件产生纵向扭曲变形；（5）波浪变形波浪变形：薄板件在焊接应力作用下失稳。：薄板件在焊接应力作用下失稳。3. 焊接应力与变形的危害焊接应力与变形的危害焊接应力：

12、焊接应力：1 1）增加结构工作时的应力，降低承载能力；）增加结构工作时的应力，降低承载能力；2 2）引起焊接裂纹，甚至脆断；）引起焊接裂纹，甚至脆断；3 3）促使产生应力腐蚀裂纹；）促使产生应力腐蚀裂纹；4 4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。 焊接变形：焊接变形：1）使工件形状尺寸不合要求；）使工件形状尺寸不合要求；2）影响组装质量；）影响组装质量；3）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性；）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性；4）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载）使结构形状发生变化，并产生附加应力，

13、降低承载能力。能力。 4.4.焊接应力和变形的防止焊接应力和变形的防止焊接应力的防止及消除措施：焊接应力的防止及消除措施：6 6）采取合理的）采取合理的 ，使焊缝较自由的收缩，如下图所示；，使焊缝较自由的收缩，如下图所示；2 2）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；残余应力；3 3）采用）采用 焊接，焊接， ，减少残余应力；，减少残余应力；4 4） 预热预热可减少工件温差，减少残余应力；可减少工件温差，减少残余应力；5 5） 进行去应力退火，消除焊接残余应力。进行去应力退火，消除焊接残余应力。 1 1）结构设计要避

14、免）结构设计要避免 交叉，交叉， 要尽可能小；要尽可能小； 焊缝密集焊缝密集 焊缝截面和长度焊缝截面和长度小线能量小线能量 多层焊多层焊焊前焊前焊后焊后焊接顺序焊接顺序一般焊接顺序为：一般焊接顺序为：1 1）先焊收缩量较大的焊缝；）先焊收缩量较大的焊缝； 2) 2) 工作时受力较大的焊缝；工作时受力较大的焊缝； 3) 3) 先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。 焊接变形的防止和消除措施：焊接变形的防止和消除措施：平板对接焊反变形平板对接焊反变形 工字梁反变形工字梁反变形1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和

15、长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；2 2）焊前组装时，采用反变形法；）焊前组装时，采用反变形法；3 3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力）刚性固定法，但会产生较大的残余应力 刚性固定防止变形刚性固定防止变形4 4）采用合理的焊接规范；）采用合理的焊接规范；5 5）选用合理的焊接顺序，如下图的对称焊和分段退焊。）选用合理的焊接顺序，如下图的对称焊和分段退焊。长焊缝的分段退焊长焊缝的分段退焊对称焊对称焊6 6）采用机械或火焰矫正法来减少变形。）采用机械或火焰矫正法来减少变形。机械矫正法机械矫正法火焰矫正法火焰矫正法 8.4 常用金属

16、材料的焊接常用金属材料的焊接一、金属的焊接性能一、金属的焊接性能1 1、基本概念、基本概念 焊接性能焊接性能是金属材料对焊接加工的适应性，主要是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。易程度。工艺性能：工艺性能： 焊接性能焊接性能使用性能：使用性能：在使用条件下安全工作的能力在使用条件下安全工作的能力形成优质接头不出现工艺缺陷的能力形成优质接头不出现工艺缺陷的能力2 2、影响金属焊接性能的因素、影响金属焊接性能的因素1 1）金属的化学成分、组织结构）金属的化学成分、组织结构2 2）焊接工艺条件）焊接工艺

17、条件3 3、金属焊接性能的评定、金属焊接性能的评定碳当量法碳当量法：在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金：在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。其计算公式如下：和叫碳当量。其计算公式如下： 1556CECuNiVMoCrMncwwwwwwwCECE0.6%时，冷裂倾向严重，焊接性差，时，冷裂倾向严重，焊接性差， 需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。 钢材的焊接性还受钢材的焊接

18、性还受结构刚度结构刚度、焊后应力条件焊后应力条件、环境温度环境温度的影响，故的影响，故应应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。 低碳钢低碳钢（CE0.25%） 低碳钢的焊接性能是最好的低碳钢的焊接性能是最好的, , 用任何一种焊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方法和用最普通的焊接工艺都能获得优质的焊接接头。接接头。 低碳钢低碳钢可以焊接各种大、中、小型结构件。可以焊接各种大、中、小型结构件。 工艺措施工艺措施：低温时焊接厚度大，刚性大的结构件时，低温时焊接厚度大，刚性大的结构件时，重要结构件重要结构件 二、二、常用金属材料的

19、焊接常用金属材料的焊接1.1.钢的焊接钢的焊接应预热，否则易出裂纹；应预热，否则易出裂纹；应作热处理，消除焊接应力；应作热处理，消除焊接应力； 中碳钢中碳钢（CE0.25%0.6%） 中碳钢的可焊性为中等中碳钢的可焊性为中等, , 焊缝区易产生热裂焊缝区易产生热裂纹，热影响区则易产生淬硬组织纹，热影响区则易产生淬硬组织( ( 马氏体马氏体 ) )导致导致产生冷裂，根据具体的焊接件结构尺寸，要选择产生冷裂，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。适当的焊接方法和焊接工艺。 中碳钢中碳钢的焊接主要是在铸造、锻造毛坯的组的焊接主要是在铸造、锻造毛坯的组合件及补焊中应用。合件及补焊中

20、应用。 工艺措施工艺措施：焊前预热，焊后缓冷；焊前预热，焊后缓冷；选用碱性焊条；选用碱性焊条；焊接采用小电流，多层焊工艺，焊件开坡口；焊接采用小电流，多层焊工艺，焊件开坡口； 高碳钢高碳钢（CE0.6%）高碳钢的焊接特点与中碳钢的焊接基本相同高碳钢的焊接特点与中碳钢的焊接基本相同, ,但但其其焊接性能差焊接性能差，焊接时必须使用特殊的焊接工艺，焊接时必须使用特殊的焊接工艺和焊后热处理。和焊后热处理。 高碳钢高碳钢一般不用来制造焊接结构件，通常用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。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 低合金低合金结构钢结构钢低合

21、金低强度钢低合金低强度钢（强度级别（强度级别400MPa）低合金高强度钢低合金高强度钢（强度级别（强度级别400MPa）低合金低强度钢低合金低强度钢（ CE0.4%）焊接与低碳钢相似焊接与低碳钢相似低合金高强度钢低合金高强度钢（CE 0.4%）焊接与中碳钢相似焊接与中碳钢相似 不锈钢不锈钢（特殊性能的合金钢）（特殊性能的合金钢） 焊接特点焊接特点碳含量不高而合金元素（尤其是碳含量不高而合金元素（尤其是Cr）含量高，）含量高，焊接时容易发生焊接时容易发生晶界腐蚀晶界腐蚀；耐热，导热率小，线膨胀系数大，焊接时容耐热，导热率小，线膨胀系数大，焊接时容易出现易出现热裂纹热裂纹； 焊接工艺措施焊接工艺措

22、施小电流（比焊接低碳钢时低小电流（比焊接低碳钢时低20%），快速焊，），快速焊，强制冷却；强制冷却；焊接电弧短，减少加热范围；焊接电弧短，减少加热范围；大焊缝多层焊时，应等前一层冷至大焊缝多层焊时，应等前一层冷至60以下，以下，再焊后一层；再焊后一层； 焊接方法焊接方法热焊法热焊法 焊补前将铸件全部或局部预热到焊补前将铸件全部或局部预热到600700, ,并在焊接过程中保持一定的温度并在焊接过程中保持一定的温度, , 且焊后缓冷。且焊后缓冷。冷焊法冷焊法 焊补前对铸件预热到焊补前对铸件预热到400以下进行焊接。以下进行焊接。2. 铸铁的焊接铸铁的焊接 由于由于铸铁的焊接性能差铸铁的焊接性能差（

23、焊缝组织为白口（焊缝组织为白口组织；焊缝易产生裂纹、气孔；熔池金属易流组织；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。只能进行工件的局部修补工作。（1）铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接 焊接特点焊接特点难熔合难熔合 主要是导热系数大；主要是导热系数大；易变形易变形 热影响区宽；热影响区宽；易产生裂纹易产生裂纹 高温下容易氧化，生成高温下容易氧化，生成CuCu2 2O;O;易产生气孔易产生气孔 吸气严重吸气严重( (主要主要H H2 2) )； 焊接方法焊接方法紫铜紫铜和和青铜青铜：一般用氩

24、弧焊；：一般用氩弧焊；黄铜黄铜：气焊；：气焊； 工艺措施工艺措施 采用有脱氧作用的焊丝；焊前清理焊件和焊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。丝；焊前预热，焊后热处理。3.常用有色金属的焊接常用有色金属的焊接（2）铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接 焊接特点焊接特点易氧化易氧化 容易生成容易生成Al2O3 ，形成夹渣，形成夹渣; ;易产生气孔易产生气孔 吸气严重吸气严重( (主要主要H2) )；易产生裂纹易产生裂纹 高温时强度低，塑性差；高温时强度低，塑性差；操作困难操作困难 从固态转为液态时无塑性过程从固态转为液态时无塑性过程 焊接方法焊接方法质量要求高的焊件质量要求

25、高的焊件：氩弧焊；：氩弧焊； 一般件一般件：气焊；：气焊； 工艺措施工艺措施 焊前、焊后清理；焊前、焊后清理； 厚度较大的零件，焊前厚度较大的零件，焊前应预热。应预热。一一. .焊接件材料的选择焊接件材料的选择1.1.根据根据工艺性能工艺性能选择焊接件材料选择焊接件材料 优先选用含碳量低于优先选用含碳量低于0.25%的碳钢或碳当量的碳钢或碳当量低于低于0.4%的合金钢。这类材料的焊接性能、切的合金钢。这类材料的焊接性能、切削性能等都比较好。削性能等都比较好。2. 根据根据焊接件结构焊接件结构选择焊接件材料选择焊接件材料 在满足承载能力等工作条件的前提下，考虑在满足承载能力等工作条件的前提下，考

26、虑体积、重量、经济性等因素，尽量选用型材和管体积、重量、经济性等因素，尽量选用型材和管材，以减少焊缝数量，简化焊接工艺。材，以减少焊缝数量，简化焊接工艺。二二. .焊接方法的选择焊接方法的选择三三. .焊缝布置焊缝布置1.尽量使焊缝位置处于方便操作之处尽量使焊缝位置处于方便操作之处 手工电弧焊的操作空间手工电弧焊的操作空间不合理不合理合合 理理方案（方案（a）（）（b）（）（c）方案（方案（d）（）（e）（）（f） 不合理不合理合合 理理4.尽可能使焊缝对称于中性轴布置尽可能使焊缝对称于中性轴布置不合理不合理合合 理理减少减少不不合合理理合合理理6.尽量使焊缝避开机械加工表面尽量使焊缝避开机械

27、加工表面不合理不合理合合 理理不合理不合理合合 理理四四. .焊接接头设计焊接接头设计 包括焊接接头形式设计和坡口形式设计。包括焊接接头形式设计和坡口形式设计。1.1.焊接接头形式设计焊接接头形式设计 常用的接头形式有常用的接头形式有对接接头对接接头、角接接头角接接头、搭接接头搭接接头、T T形接头形接头、盖板接头盖板接头、十字接头十字接头和和卷边接头卷边接头等。其选择应根据等。其选择应根据焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度要求和施工条件而定，焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度要求和施工条件而定，要考虑易于要考虑易于保证焊接质量保证焊接质量和和尽量降低成本尽量降低成本。T形接头形接头 十字接头十字接头 角接接头角接接头 卷边接头卷边接头焊接接头形式焊接接头形式搭接搭接：钎焊，电阻焊的点焊和缝焊，桁架结构：钎焊，电阻焊的点焊和缝焊，桁架结构对接对接：对焊，压力容器：对焊，压力容器卷边接头卷边接头：气焊、钨极氩弧焊：气焊、钨极氩弧焊熔化焊熔化焊可采用可采用对接、搭接，角接和对接、搭接，角接和T T形接形接对比选择。对比选择。2. 焊接接头坡口形式设计焊接接