《材料成型基础》焊接基础课件

材料成形基础材料成形基础第三章(连)焊接常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械连接等第三章(连)焊接常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械连接等第三章(连)焊接3

一、焊接的实质焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。焊件可以是金属材料，也可以是非金属材料，如塑料、玻璃等。焊接的本质是使焊件达到原子间的结合。焊接概述第三章(连)焊接3一、焊接的实质焊接概第三章(连)焊接4第三章(连)焊接4第三章(连)焊接5第三章(连)焊接5第三章(连)焊接6焊接方法的分类：第三章(连)焊接6焊接方法的分类：第三章(连)焊接一、电弧的产生电弧的实质是电极与工件之间的气体介质产生强烈持久的放电现象，气体放电的一种特殊形式.§3.1焊接基本原理3.1.1焊接电弧第三章(连)焊接一、电弧的产生§3.1焊接基本原理3.焊接电弧的产生热电离碰撞电离焊接电弧的产生热电离碰撞电离电弧放电过程是将电能转换成热能，伴有强烈的弧光。产生电弧的电极可以是金属丝、钨极、碳棒.电弧的构造根据其物理特征,沿长度方向分为：阴极区、阳极区和弧柱区三部分由于阴极区发射电子要消耗一定的能量，而阳极区不发射电子，不消耗发射电子所需的能量；

阴极温度约为2400K，阳极约为2600K，弧柱中心5000～8000K。

§3.1焊接基本原理电弧放电过程是将电能转换成热能，伴有强烈的弧光。二、正接法和反接法采用直流电焊接时，当焊机的正极与焊件相接，负极与焊条相接时，称为正接法或正极性；反之，当焊机的负极与焊件相接，正极与焊条相接时，称为反接法或反极性。§3.1焊接基本原理二、正接法和反接法§3.1焊接基本原理阴极区的温度小，焊接厚钢板时，应采用正接法，熔深大；焊接薄板时应采用反接法。

三、焊机空载电压/引弧电压

(50～90V)高些，利引弧，不安全。四、电弧电压/稳定电压

15～35V§3.1焊接基本原理阴极区的温度小，焊接厚钢板时，应采用正接法，熔深大3.1.2焊接冶金过程在熔焊过程中，焊接接头的液态金属、熔渣和气体三者相互作用，发生一系列的物理化学反应，是金属再冶炼的过程，称为熔焊冶金过程。焊缝区的化学冶金过程：气体和合金，在焊接熔池中

产生复杂的化学冶金反应。热影响区的物理冶金过程：热影响区的组织和性能发

生了变化。冶金过程§3.1焊接基本原理1、冶金过程3.1.2焊接冶金过程在熔焊过程中，焊接接头的液态液态金属+熔渣+气体——冶金反应空气+

铁锈/油污/潮气高温分解氧、氮氧化物、氮化物氢+烧损金属、性能下降、塑性、韧性下降氮气/氢气气孔氢脆溶解§3.1焊接基本原理液态金属+熔渣+气体——冶金反应空气+铁锈/油污/潮气3、焊接冶金过程保护措施：机械保护冶金处理各种保护焊接方法的应用添加有益合金元素（锰、硅等）去除有害元素（氧、氢、硫等）通过药皮、焊剂、保护气体等途径实现保护

2、焊接冶金过程特点：1)熔池小，反应不充分；

2)温度高，元素烧损多；3)冶金过程短，易出现成分偏析；4)冶金条件差：熔池暴露，周围空气易发生各种冶金反应。§3.1焊接基本原理3、焊接冶金过程保护措施：机械保护冶金处理各种保护焊接方法的焊缝附近各点温度曲线3.1.3焊接接头的组织和性能§3.1焊接基本原理焊缝附近各点温度曲线3.1.3焊接接头的组织和性能§3.13.1.3焊接接头的组织和性能焊接接头是由相互联系，而在组织和性能上又有区别的三部分组成，包括焊缝区、熔合区和热影响区。3.1.3焊接接头的组织和性能焊接接头是由相互联系焊缝金属是由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而成的。一、焊缝区焊缝金属在结晶时，以熔池和母材金属的交界处的半熔化金属晶粒为晶核，沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶。焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。但由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用，使焊缝化学成分优于母材，所以焊缝金属的力学性能一般不低于母材。结晶之前结晶过程结晶结束3.1.3焊接接头的组织和性能焊缝金属是由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而二、熔合区温度处于液相线与固相线之间，是焊缝金属到母材金属的过渡区域，宽度只有0.1～1mm。其组织为部分铸态组织和部分过热组织，化学成分和组织极不均匀，是焊接接头中力学性能最差的薄弱部位。焊缝与热影响区的的过渡区称熔合区，也称半熔化区.3.1.3焊接接头的组织和性能二、熔合区温度处于液相线与固相线之间，是焊缝金属到母3.1.3焊接接头的组织和性能三、热影响区焊接过程中工件焊缝周围相当于进行了一次不同规范的热处理，母材发生组织和性能发生变化，这一区域称为焊接热影响区。热影响区按加热温度的不同,可划分为过热区、正火区、部分相变区等区域。过热区—A长大,塑、韧性低，脆性大，形成过热组织；正火区—得均匀细小F+P组织，性能优;部分相变区—晶粒不匀，较正火区稍差;3.1.3焊接接头的组织和性能三、热影响区焊接过程3.1.3焊接接头的组织和性能3.1.3焊接接头的组织和性能一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。影响热影响区宽度的因素有加热的最高温度、相变温度以上的停留时间等。焊接方法各区平均尺寸总宽度过热区正火区部分正火区手工电弧焊埋弧焊电渣焊气焊电子束焊2.2～3.00.8～1.218～2021—1.5～2.50.8～1.75.0～7.04.0—2.2～3.00.7～1.02.0～3.02.0—5.9～8.52.3～3.925～30270.05～0.75表3-4焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸（mm）§3.1焊接基本原理一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。影四、改善焊接热影响区组织与性能的方法细定工艺措施（合理的焊接方法与焊接工艺规范）；焊后热处理（正火处理）；重要工件可另选方法。§3.1焊接基本原理四、改善焊接热影响区组织与性能的方法细定工艺措施（合理的焊接3.1.4焊接应力与变形一、焊接应力与变形对结构的影响§3.1焊接基本原理应力产生的根本原因：焊接过程是一个受热不均匀的过程，冷却速度亦不相同。3.1.4焊接应力与变形一、焊接应力与变形对结构的影响§33.1.4焊接应力与变形二、焊接应力产生的原因3.1.4焊接应力与变形二、焊接应力产生的原因3.1.4焊接应力与变形焊接时冷却后3.1.4焊接应力与变形焊接时冷却后3.1.4焊接应力与变形焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊接残余变形；焊件应力和焊接变形总是同时存在。焊接过程是一个不均匀的加热过程。焊件各部位在热胀冷缩和塑性变形的影响下产生内应力、变形或裂纹。焊接时内应力存在规律：

加热膨胀受阻（受压：“-”）

冷却收缩又阻（受拉：“＋”）3.1.4焊接应力与变形焊后残留在焊件内的应力和变3.1.4焊接应力与变形三、消除和预防焊接应力的措施3.1.4焊接应力与变形三、消除和预防焊接应力的措施3.1.4焊接应力与变形温差拉伸法示意图1——喷水排管；2——焊件；3、4——氧乙炔焰炬3.1.4焊接应力与变形温差拉伸法示意图3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式四、焊接变形3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式四、焊接变形3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形当焊缝1横向收缩大于焊缝2时当焊缝1左端收缩大于右端时当焊缝1左端收缩大于右端，焊缝3右端收缩大于左端时3.1.4焊接应力与变形当焊缝1横向收缩大于焊缝2时当焊缝3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形变形形式示意图产生原因收缩变形

由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起角变形由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起弯曲变形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构上出现扭曲波浪变形薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起3.1.4焊接应力与变形变形形式示意图产生原2、防止焊接变形的措施3.1.4焊接应力与变形1）以毒攻毒反变形；2）刚性夹持对塑性；3）焊接顺序规定好；4）机械矫正消变形;5）火焰矫正倒三角反变形措施2、防止焊接变形的措施3.1.4焊接应力与变形1）以毒攻毒2、防止焊接变形的措施2、防止焊接变形的措施2、防止焊接变形的措施刚性夹持2、防止焊接变形的措施刚性夹持合理的焊接顺序合理选择焊接规范2、防止焊接变形的措施退焊跳焊对称分散焊对称焊合理的焊接顺序合理的焊接顺序合理选择焊接规范2、防止焊接变形的措施退焊跳焊3.1.4焊接应力与变形3.1.4焊接应力与变形3.1.5焊接裂纹一、热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。1、热裂纹产生的原因§3.1焊接基本原理3.1.5焊接裂纹一、热裂纹焊接过程中，焊缝和热影2、防止热裂纹产生的措施1）限制母材和焊接材料的低熔点杂质；2）提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与厚度之比）；3）细化焊缝晶粒，减小偏析；4）减小焊接应力；5）操作上填满弧坑3.1.5焊接裂纹2、防止热裂纹产生的措施1）限制母材和焊接材料的低熔点杂质；3.1.5焊接裂纹二、冷裂纹焊接接头冷却到较低温度时(对于钢来说在MS温度，即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下)产生的焊接裂纹。3.1.5焊接裂纹二、冷裂纹焊接接头冷却到较低温度3.1.5焊接裂纹冷裂纹产生的原因①焊接接头存在淬硬组织，性能脆化。②扩散氢含量较高，使接头性能脆化。③较大的焊接拉应力3.1.5焊接裂纹冷裂纹产生的原因①焊接接头存在淬硬组织3.1.5焊接裂纹冷裂纹的预防措施①选用碱性焊条，减少焊缝金属中氢含量、提高焊缝金属塑性②减少氢来源，焊材要烘干，接头要清洁（无油、无锈、无水）③避免产生淬硬组织，焊前预热、焊后缓冷（可以降低焊后冷却速度）④降低焊接应力，采用合理的工艺规范，焊后热处理等⑤焊后立即进行消氢处理（即加热到250℃，保温2～6小时左右，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。3.1.5焊接裂纹冷裂纹的预防措施①选用碱性焊条，减少焊第三章(连)焊接一、金属材料的焊接性1、焊接性的概念

采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即其对焊接加工的适应性。3.1.6常用金属材料的焊接第三章(连)焊接一、金属材料的焊接性1、焊接性的概念3.1.6

常用金属材料的焊接焊接性一般包括两个方面：工艺性能：主要指在给定的焊接工艺条件下，形成完好焊接接头的能力，特别是接头对产生裂纹的敏感性；使用性能：在给定的焊接工艺条件下，焊接接头在使用条件下安全运行的能力，包括焊接接头的力学性能和其它特殊性能（如耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等）。

焊接性是金属的工艺性能在焊接过程中的反映，了解及评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接方法、制定焊接工艺的重要依据。3.1.6常用金属材料的焊接焊接性一般包括两个方面：钢的焊接性评定方法由于钢的裂纹倾向与其化学成分有密切关系，因此，可以根据钢的化学成分评定其焊接性的好坏。

3.1.6

常用金属材料的焊接评定钢的焊接性的参考指标：碳当量碳当量越高，裂纹倾向越大，钢的焊接性越差。

钢的焊接性评定方法3.1.6常用金属材料的焊接评定钢的焊接WCE<0.4%时，钢的淬硬和冷裂倾向不大,焊接性良好；WCE=0.4%～0.6%时，钢的淬硬和冷裂倾向逐渐增加,焊接性较差,焊接时需要采取一定的预热、缓冷等工艺措施，以防止产生裂纹；WCE>0.6%时，钢的淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，一般不用于生产焊接结构。3.1.6

常用金属材料的焊接WCE<0.4%时，钢的淬硬和冷裂倾向不大,焊接性良好；3.材料成形基础材料成形基础第三章(连)焊接常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械连接等第三章(连)焊接常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械连接等第三章(连)焊接52

一、焊接的实质焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。焊件可以是金属材料，也可以是非金属材料，如塑料、玻璃等。焊接的本质是使焊件达到原子间的结合。焊接概述第三章(连)焊接3一、焊接的实质焊接概第三章(连)焊接53第三章(连)焊接4第三章(连)焊接54第三章(连)焊接5第三章(连)焊接55焊接方法的分类：第三章(连)焊接6焊接方法的分类：第三章(连)焊接一、电弧的产生电弧的实质是电极与工件之间的气体介质产生强烈持久的放电现象，气体放电的一种特殊形式.§3.1焊接基本原理3.1.1焊接电弧第三章(连)焊接一、电弧的产生§3.1焊接基本原理3.焊接电弧的产生热电离碰撞电离焊接电弧的产生热电离碰撞电离电弧放电过程是将电能转换成热能，伴有强烈的弧光。产生电弧的电极可以是金属丝、钨极、碳棒.电弧的构造根据其物理特征,沿长度方向分为：阴极区、阳极区和弧柱区三部分由于阴极区发射电子要消耗一定的能量，而阳极区不发射电子，不消耗发射电子所需的能量；

阴极温度约为2400K，阳极约为2600K，弧柱中心5000～8000K。

§3.1焊接基本原理电弧放电过程是将电能转换成热能，伴有强烈的弧光。二、正接法和反接法采用直流电焊接时，当焊机的正极与焊件相接，负极与焊条相接时，称为正接法或正极性；反之，当焊机的负极与焊件相接，正极与焊条相接时，称为反接法或反极性。§3.1焊接基本原理二、正接法和反接法§3.1焊接基本原理阴极区的温度小，焊接厚钢板时，应采用正接法，熔深大；焊接薄板时应采用反接法。

三、焊机空载电压/引弧电压

(50～90V)高些，利引弧，不安全。四、电弧电压/稳定电压

15～35V§3.1焊接基本原理阴极区的温度小，焊接厚钢板时，应采用正接法，熔深大3.1.2焊接冶金过程在熔焊过程中，焊接接头的液态金属、熔渣和气体三者相互作用，发生一系列的物理化学反应，是金属再冶炼的过程，称为熔焊冶金过程。焊缝区的化学冶金过程：气体和合金，在焊接熔池中

产生复杂的化学冶金反应。热影响区的物理冶金过程：热影响区的组织和性能发

生了变化。冶金过程§3.1焊接基本原理1、冶金过程3.1.2焊接冶金过程在熔焊过程中，焊接接头的液态液态金属+熔渣+气体——冶金反应空气+

铁锈/油污/潮气高温分解氧、氮氧化物、氮化物氢+烧损金属、性能下降、塑性、韧性下降氮气/氢气气孔氢脆溶解§3.1焊接基本原理液态金属+熔渣+气体——冶金反应空气+铁锈/油污/潮气3、焊接冶金过程保护措施：机械保护冶金处理各种保护焊接方法的应用添加有益合金元素（锰、硅等）去除有害元素（氧、氢、硫等）通过药皮、焊剂、保护气体等途径实现保护

2、焊接冶金过程特点：1)熔池小，反应不充分；

2)温度高，元素烧损多；3)冶金过程短，易出现成分偏析；4)冶金条件差：熔池暴露，周围空气易发生各种冶金反应。§3.1焊接基本原理3、焊接冶金过程保护措施：机械保护冶金处理各种保护焊接方法的焊缝附近各点温度曲线3.1.3焊接接头的组织和性能§3.1焊接基本原理焊缝附近各点温度曲线3.1.3焊接接头的组织和性能§3.13.1.3焊接接头的组织和性能焊接接头是由相互联系，而在组织和性能上又有区别的三部分组成，包括焊缝区、熔合区和热影响区。3.1.3焊接接头的组织和性能焊接接头是由相互联系焊缝金属是由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而成的。一、焊缝区焊缝金属在结晶时，以熔池和母材金属的交界处的半熔化金属晶粒为晶核，沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶。焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。但由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用，使焊缝化学成分优于母材，所以焊缝金属的力学性能一般不低于母材。结晶之前结晶过程结晶结束3.1.3焊接接头的组织和性能焊缝金属是由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而二、熔合区温度处于液相线与固相线之间，是焊缝金属到母材金属的过渡区域，宽度只有0.1～1mm。其组织为部分铸态组织和部分过热组织，化学成分和组织极不均匀，是焊接接头中力学性能最差的薄弱部位。焊缝与热影响区的的过渡区称熔合区，也称半熔化区.3.1.3焊接接头的组织和性能二、熔合区温度处于液相线与固相线之间，是焊缝金属到母3.1.3焊接接头的组织和性能三、热影响区焊接过程中工件焊缝周围相当于进行了一次不同规范的热处理，母材发生组织和性能发生变化，这一区域称为焊接热影响区。热影响区按加热温度的不同,可划分为过热区、正火区、部分相变区等区域。过热区—A长大,塑、韧性低，脆性大，形成过热组织；正火区—得均匀细小F+P组织，性能优;部分相变区—晶粒不匀，较正火区稍差;3.1.3焊接接头的组织和性能三、热影响区焊接过程3.1.3焊接接头的组织和性能3.1.3焊接接头的组织和性能一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。影响热影响区宽度的因素有加热的最高温度、相变温度以上的停留时间等。焊接方法各区平均尺寸总宽度过热区正火区部分正火区手工电弧焊埋弧焊电渣焊气焊电子束焊2.2～3.00.8～1.218～2021—1.5～2.50.8～1.75.0～7.04.0—2.2～3.00.7～1.02.0～3.02.0—5.9～8.52.3～3.925～30270.05～0.75表3-4焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸（mm）§3.1焊接基本原理一般焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。影四、改善焊接热影响区组织与性能的方法细定工艺措施（合理的焊接方法与焊接工艺规范）；焊后热处理（正火处理）；重要工件可另选方法。§3.1焊接基本原理四、改善焊接热影响区组织与性能的方法细定工艺措施（合理的焊接3.1.4焊接应力与变形一、焊接应力与变形对结构的影响§3.1焊接基本原理应力产生的根本原因：焊接过程是一个受热不均匀的过程，冷却速度亦不相同。3.1.4焊接应力与变形一、焊接应力与变形对结构的影响§33.1.4焊接应力与变形二、焊接应力产生的原因3.1.4焊接应力与变形二、焊接应力产生的原因3.1.4焊接应力与变形焊接时冷却后3.1.4焊接应力与变形焊接时冷却后3.1.4焊接应力与变形焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊接残余变形；焊件应力和焊接变形总是同时存在。焊接过程是一个不均匀的加热过程。焊件各部位在热胀冷缩和塑性变形的影响下产生内应力、变形或裂纹。焊接时内应力存在规律：

加热膨胀受阻（受压：“-”）

冷却收缩又阻（受拉：“＋”）3.1.4焊接应力与变形焊后残留在焊件内的应力和变3.1.4焊接应力与变形三、消除和预防焊接应力的措施3.1.4焊接应力与变形三、消除和预防焊接应力的措施3.1.4焊接应力与变形温差拉伸法示意图1——喷水排管；2——焊件；3、4——氧乙炔焰炬3.1.4焊接应力与变形温差拉伸法示意图3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式四、焊接变形3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式四、焊接变形3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形当焊缝1横向收缩大于焊缝2时当焊缝1左端收缩大于右端时当焊缝1左端收缩大于右端，焊缝3右端收缩大于左端时3.1.4焊接应力与变形当焊缝1横向收缩大于焊缝2时当焊缝3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形1.焊接变形的基本形式3.1.4焊接应力与变形变形形式示意图产生原因收缩变形

由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起角变形由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起弯曲变形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构上出现扭曲波浪变形薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起3.1.4焊接应力与变形变形形式示意图产生原2、防止焊接变形的措施3.1.4焊接应力与变形1）以毒攻毒反变形；2）刚性夹持对塑性；3）焊接顺序规定好；4）机械矫正消变形;5）火焰矫正倒三角反变形措施2、防止焊接变形的措施3.1.4焊接应力与变形1）以毒攻毒2、防止焊接变形的措施2、防止焊接变形的措施2、防止焊接变形的措施刚性夹持2、防止焊接变形的措施刚性夹持合理的焊接顺序合理选择焊接规范2、防止焊接变形的措施退焊跳焊对称分散焊对称焊合理的焊接顺序合理的焊接顺序合理选择焊接规范2、防止焊接变形的措施退焊跳焊3.1.4焊接应力与变形3.1.4焊接应力与变形3.1.5焊接裂纹一、热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。1、热裂纹产生的原因§3.1焊接基本原理3.1.5焊接裂纹一、热裂纹焊接过程中，焊缝和热影2、防止热裂纹产生的措施1）限制母材和焊接材料的低熔点杂质；2）提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与厚度之比）；3）细化焊缝晶粒，减小偏析；4）减小焊接应力；5）操作上填满弧坑3.1.5焊接裂纹2、防止热裂纹产生的措施1）限制母材和