第十三章焊接工艺基础讲述

1、3/17/2022 10:14 AM3/17/2022 10:14 AM螺纹连接（机械）螺纹连接（机械）铆接（机械）铆接（机械）粘接（物化连接）粘接（物化连接）焊接（冶金连接）焊接（冶金连接）第第4 4篇篇 焊接焊接材料连接的方法有螺材料连接的方法有螺纹连接、销钉连接、纹连接、销钉连接、铆接及焊接等多种。铆接及焊接等多种。3/17/2022 10:14 AM本章重点：本章重点：深刻地理解焊接工程的基本理论；深刻地理解焊接工程的基本理论；对焊接接头的组织与性能、焊接应力与变形的形成过程对焊接接头的组织与性能、焊接应力与变形的形成过程有清楚的认识；有清楚的认识；掌握防止和消除焊接变形的常用方法。掌

2、握防止和消除焊接变形的常用方法。 第第13章章 焊接工艺基础焊接工艺基础13.1 概述概述13.2 电弧焊工艺基础电弧焊工艺基础13.3 焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能13.4 焊接应力与变形焊接应力与变形 焊接焊接作业：作业：P19913.6、13.73/17/2022 10:14 AM焊接方法的应用：焊接方法的应用： （1 1）制造金属结构件）制造金属结构件 （2 2）制造机器零件和工具）制造机器零件和工具 （3 3）修复）修复131 概述概述焊接：焊接：是通过是通过加热加热或或加压加压，或者两者并用，并且，或者两者并用，并且用用或或不用不用填充材料，使焊接件达到填充材料，使焊接

3、件达到原子结合原子结合的一种方法。的一种方法。焊接方法：焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。熔化焊、压力焊、钎焊等。焊接的主要特点是：焊接的主要特点是： （1）节省材料，减轻质量；）节省材料，减轻质量； （2）简化复杂零件和大型零件的制造；）简化复杂零件和大型零件的制造； （3）适应性好；可实现特殊结构的生产；）适应性好；可实现特殊结构的生产； （4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型； （5）降低劳动强度，改善劳动条件。）降低劳动强度，改善劳动条件。3/17/2022 10:14 AM焊接方法焊接方法压力焊压力焊摩擦焊摩擦焊超声波焊超声

4、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3/17/2022 10:14 AM气门芯气门芯3/17/2022 10:14 AM13.2.1熔焊的本质及特点熔焊的本质及特点 熔化焊的本质是小熔池熔熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。结晶的过程。 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，氧冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。化严重；

5、热影响区大。 冷却速度快，应力大，结冷却速度快，应力大，结晶后易生成粗大的柱状晶晶后易生成粗大的柱状晶。132电弧焊工艺基础电弧焊工艺基础 3/17/2022 10:14 AM熔化焊的三要素熔化焊的三要素 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

6、芯和焊丝。 热源热源 能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小能量要集中，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、等离子弧、电渣热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。热、电子束和激光。3/17/2022 10:14 AM焊接电弧焊接电弧 电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧的三个区电弧的三个区 阴

7、极区、阳极区和弧柱区阴极区、阳极区和弧柱区焊接电弧的温度焊接电弧的温度C和热量分布和热量分布 温度温度 C 热量分布热量分布 阳极区：阳极区： 2600 43 弧柱区：弧柱区： 60008000 21 阴极区阴极区 ： 2400 36 3/17/2022 10:14 AM 由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：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）直流负接：直流负接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性

8、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）3/17/2022 10:14 AM 药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。13.2.2 13.2.2 电弧焊的焊接过程：电弧焊的焊接过程： 手工电弧焊是利用焊条与工件手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。进行焊接的。 电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本电弧在焊条与被焊工

9、件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。3/17/2022 10:14 AM电弧焊的冶金过程特点：电弧焊的冶金过程特点： 电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度。使金属电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度。使金属元素强烈蒸发，导致元素强烈蒸发，导致金属烧损金属烧损或形成或形成有害杂质有害杂质。 金属熔池体积小，熔池处于液态的时间很短，一般在金属熔池体积小，熔池处于液态的时间很短，一般在秒左右。导致化学秒左右。导致化学成分不够均匀成分

10、不够均匀，气体和杂质来，气体和杂质来不及浮出，易产生不及浮出，易产生气孔和夹杂气孔和夹杂等缺陷。等缺陷。 熔池不断更新，有害气体容易进入熔池，形成熔池不断更新，有害气体容易进入熔池，形成氧化氧化物物、气孔、杂质气孔、杂质等缺陷。等缺陷。3/17/2022 10:14 AM 焊剂保护的效果焊剂保护的效果形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的形成熔融的液态焊剂薄膜，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。含气量，提高焊缝韧性。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。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。13.2.3 13.2

11、.3 熔池的保护熔池的保护焊剂是由焊剂是由SiO2，MnO、MgO及及CaF等组成的硅酸盐。等组成的硅酸盐。3/17/2022 10:14 AM渣保护渣保护 为了使熔池与空气隔离，为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣可在熔池上覆盖一层熔渣 一方面防止金属氧化和吸气一方面防止金属氧化和吸气 另一方面向熔池过渡合金元素，另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能提高焊缝性能 同时，还可以减少散热，提同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射高生产率，防止强光辐射 3/17/2022 10:14 AM气保护气保护 用于保护熔池和溶滴的气用于保护熔池和溶滴的气 体应是惰性气体，并在高体应是惰

12、性气体，并在高温下不分解，或是低氧化温下不分解，或是低氧化性的不溶于金属液体的双性的不溶于金属液体的双原子气体原子气体( (如如Ar或或CO2) )。 喷嘴结构应尽可能使气体喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。以层流流出。3/17/2022 10:14 AMCO2气体气体 COCO2 2为无色无味气体，密度是空气的为无色无味气体，密度是空气的1.51.5倍，在常温下很稳定，但在高倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。温下易分解。 COCO2 2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。电弧方面，效果良好

13、。 但但COCO2 2气体为氧化性气体，在高温下将分解为气体为氧化性气体，在高温下将分解为COCO和和O O2 2： COCO2 2 CO + OCO + O2 2 所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。氩气氩气 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%99.9% 氩

14、弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格3/17/2022 10:14 AM渣渣- -气联合保护气联合保护 利用渣的良好的冶金反应利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体和焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。及二氧化碳加药芯。3/17/2022 10:14 AM填充金属填充金属 填满焊缝，提高焊缝填满焊缝，提高焊缝性能，使性能，使焊缝与母材焊缝与母材等强度等强度，用焊丝和焊，用焊丝和焊芯（填充金属）过渡芯

15、（填充金属）过渡合金元素。合金元素。 常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。不锈钢丝。3/17/2022 10:14 AM13.2.4 电焊条电焊条 电焊条的组成及作用电焊条的组成及作用组成：组成：焊芯和药皮焊芯和药皮作用：作用：焊芯焊芯填充金属填充金属 药皮药皮稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。药皮必须含有造气剂和造渣剂。药皮必须含有造气剂和造渣剂。药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。 焊条的种类和编号焊条的种类和编号种

16、类：种类：结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、钛及钛合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金温钢焊条、铸铁焊条、钛及钛合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条。焊条、特殊用途焊条。编号：编号：以结构钢焊条为例：以结构钢焊条为例：422422 其中：其中： 结构钢焊条结构钢焊条 焊缝金属抗拉强度大于等于焊缝金属抗拉强度大于等于 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） 507 7 507 7 低氢，直流低氢，直流3/17/2022 10:14 AM酸性药皮

17、与碱性药皮两者的性质酸性药皮与碱性药皮两者的性质 碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（HF等），因而应注意通风。等），因而应注意通风。 碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和产生飞溅和CO气孔。气孔。 碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以可以提高焊缝金属的抗裂性。提高焊缝金属的抗裂性。 酸性药皮工艺性好，而酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差碱性药皮工艺性差。碱性药皮中有益元素多，碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高能使焊接接头力学性

18、能提高。3/17/2022 10:14 AM电焊条的选用原则电焊条的选用原则 焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。选用相应的专用焊条。 低碳钢低碳钢与与低合金结构钢低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中焊接，可按某一种钢接头中强度较低强度较低的钢材来选用相应的焊条。的钢材来选用相应的焊条。 同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定和抗裂性能而定。 等强度原则等强度原则：低碳钢和

19、普通低合金钢构件，一般都：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，要求焊缝金属与母材等强度， 因此可根据钢材强度因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。等级来选用相应的焊条。3/17/2022 10:14 AM焊缝区的高温向工件金属传导热量，必然焊缝区的高温向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。生变化。 焊缝区焊缝区在焊接接头横截面上在焊接接头横截面上 测量的焊缝金属的区域。测量的焊缝金属的区域。 熔合区熔合区熔合线两侧有一个很熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。窄的焊缝与热影响区的过渡区。 热影响

20、区热影响区-受焊接热循环的影响，受焊接热循环的影响， 焊缝附近的母材因焊接热作用发生焊缝附近的母材因焊接热作用发生 组织或性能变化的区域组织或性能变化的区域（过热区、（过热区、 正火区、部分相变区）正火区、部分相变区）。热影响区中的热影响区中的过热区过热区，对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。，对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。 熔合区熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。差的部位。 13.3 13.3 焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能 3/17/2022 10:14 AM焊缝热影响

21、区焊缝热影响区在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决降，而且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。定焊接接头的性能。3/17/2022 10:14 AM焊缝的组织和性能焊缝的组织和性能 热源移走后，熔池焊热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始缝中的液体金属立刻开始冷却结晶冷却结晶，以垂直熔合线，以垂直熔合线的方式向熔池中心生长为的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶。柱状树枝晶。 低熔点物质将会被推向低熔点物质将会被推向焊缝最后结晶部位，形成焊缝

22、最后结晶部位，形成成分成分偏析偏析。3/17/2022 10:14 AM 焊接接头热循环的特焊接接头热循环的特点是：加热和冷却速度很点是：加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导致快，对易淬火钢，易导致马氏体相变马氏体相变；对其它材料，；对其它材料，易易产生焊接变形产生焊接变形、应力及应力及裂纹。裂纹。3/17/2022 10:14 AM焊接应力与变形产生的原因：焊接应力与变形产生的原因： 焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。自由膨胀和收缩。13.4 焊接应力与变形焊接应力与变形 3/17/2022 10:14 AM焊接应力与

23、变形产生焊接应力与变形产生当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无 残余变形。残余变形。当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产 生残余变形。生残余变形。3/17/2022 10:14 AM上次课内容的回顾上次课内容的回顾熔焊的本质及特点：熔焊的本质及特点：小熔池熔炼与铸造、熔池存小熔池熔炼与铸造、熔池存在时间短，温度高；冷却速度快在时间短，温度高；冷却速度快熔化焊的三要素：熔化焊的三要素：热源、熔池的保护、填充金属热源、熔池的保护、填充金属直流正接与直流负接直流正接与直流负

24、接熔池的保护：熔池的保护：渣保护、气保护、渣渣保护、气保护、渣-气联合保护气联合保护电焊条：电焊条：组成与作用组成与作用酸性药皮与碱性药皮两者的性质酸性药皮与碱性药皮两者的性质电焊条的选用原则：电焊条的选用原则：等强度原则等强度原则3/17/2022 10:14 AM3/17/2022 10:14 AM焊件焊后的变形形式主要有：焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。等。3/17/2022 10:14 AM13.4.1 13.4.1 焊接变形与应力的危害焊接变形与应力的危害 产生焊接变形，可能使焊接结构产生焊接变

25、形，可能使焊接结构尺寸不合要求尺寸不合要求，组装组装困难困难，间隙大小不一致等，从而，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量影响焊件质量。 焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载降低承载能力能力；还会引起；还会引起裂纹裂纹，甚至造成，甚至造成脆断脆断，应力的存在会，应力的存在会诱发诱发应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹。 残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件产生一定的变形，使构件尺寸不稳定尺寸不稳定，所以减少和防，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。止焊接变形和应力是十分必要的。

26、3/17/2022 10:14 AM13.4.2 13.4.2 焊接应力的防止及消除焊接应力的防止及消除采取合理的采取合理的焊接顺序焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少，使焊缝能够自由地收缩，以减少 应力（图应力（图a）。而图）。而图b因先焊焊缝因先焊焊缝1导致对焊缝导致对焊缝2的拘束度的拘束度 增加，而增大残余应力。增加，而增大残余应力。3/17/2022 10:14 AM焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊 接局部加热，从而减少焊接应力。接局部加热，从而减少焊接应力。焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。3/17/2022 10:14 AM当焊缝还处在较高温度时，