金属材料焊接成形工艺原理与方法

金属材料成形基础主讲徐晓峰第四章

焊接

概述

一、金属焊接成形用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。二、焊接成形的分类1．熔化焊：

2．压力焊：3．钎焊：电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等软钎焊、硬钎焊三、焊接成形的特点1．接头牢固、封性好。2．可化大为小、以小拼大。

3．可实现异种金属的连接。4．重量轻、加工装配简单。5．焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。§1-1焊条（手工）电弧焊的焊接过程

第一节

金属焊接成形工艺原理

一、手工电弧焊的特点1.设备简单、应用灵活方便。2.劳动条件差、生产率低、质量不稳定。二、手工电弧焊焊接过程①引弧②形成熔池③形成焊缝三、焊接电弧1.焊接电弧的概念焊条工件焊接电弧具备两个条件使气体电离阴极发射电子接触电阻：R短路电流：I电阻热：Q=I2RtE=V/dd在焊条末端和工件两极之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象。+-d

焊接电弧的稳定燃烧—就是带点粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。热电离碰撞电离2.电弧的构造及热量分布阴极区：阳极区：弧柱区：2400k36%2600k42%5000~8000k21%3.电弧的极性直流电源正接极：直流电源反接极：工件—正极（阳极）；焊条—负极（阴极）。工件—负极（阴极）；焊条—正极（阳极）。用于薄板金属的焊接§1-2焊接冶金过程与电焊条一、熔焊冶金过程特点1.熔池温度2.反应过程短熔池金属冷却快，处于液态的时间短焊接钢材时，熔池温度在1600℃以上使金属元素强烈蒸发、烧损。10s化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。3.冶金条件差空气、铁锈、油污等对焊缝的影响严重O2[O]Fe+[O]

FeOMn+[O]

MnOSi+[O]

SiO2C+[O]

CO1）O2：氧化的结果①合金元素被烧损；②焊缝产生夹渣的缺陷；③形成CO气孔。2）N2

：Fe+[N]

Fe4N使接头的塑性、韧性下降。3）H2

：氢气孔

氢脆二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施1.对焊接区域采取保护措施—减少有害气体进入熔池；2.对熔池进行冶金处理—渗入合金元素、清除已进入熔池的有害元素。[N]N2[H]H2三、电焊条1.电焊条的组成及作用电焊条焊条芯药皮焊缝的填充材料

—填充焊缝电极传导电流

—导电机械保护的作用冶金的作用稳定电弧的作用焊条芯药皮①氧化钛型；②氧化钛钙型；③钛钙型；④氧化铁型；⑤高纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。2.电焊焊条条的的分分类类结构构钢钢焊焊条条—J；钼和和铬铬耐耐热热钢钢焊焊条条—R；低温温钢钢焊焊条条—W；不不锈锈钢钢焊焊条条—A；堆焊焊焊焊条条—D；铸铸铁铁焊焊条条—Z；镍及镍合合金焊条条—Ni；铜铜及铜铜合金焊焊条—T；铝及铝合合金焊条条—L；特特殊用途途焊条—TSJ422药皮种类（钙钛型）抗拉强度结构钢焊条E5015药皮种类（低氢型）和电流种类抗拉强度结构钢焊条全位置焊接酸性焊条：碱性焊条：在熔渣中中以酸性性氧化物物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中中以碱性性氧化物物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO））三、电焊焊条的选选用1.等强强度原则则—根据被焊焊工件的的强度选选用2.等化化学成分分原则—根据被焊焊工件的的化学成成分选用用3.根根据被焊焊工件工工作条件件和结构构选用4.低低成本原原则一、焊焊接热热循环焊接接头头焊缝区焊接热影影响区1）焊缝缝区熔池金属属冷却结结晶所形形成的铸铸态组织织。2）焊接接热影响响区二、焊焊接接接头金属属组织与与性能的的变化焊缝两侧侧的母材材，由于于焊接热热的作用用，其组织和和性能发发生变化化的区域域。§1-3焊接接头头金属的的组织与与性能①熔合区是焊缝和和母材金金属的交交界区。。（0.1-1mm）加热温度度：T液~T固强度、塑塑性、韧韧性极差差，是裂裂纹和局局部脆断断的发源源地。②过热区加热温度度：T固~1100℃塑性和韧韧性很低低，是裂裂纹的发发源地。。在热影响响区内具具有过热热组织或或晶粒显显著粗大大的区域域。（1-3mm）③正火区加热温度度：1100℃~AC3在热影响响区内相相当于受受到正火火处理的的区域。。（1.2-4mm）力学性能能优于母母材。④部分相变变区在热影响响区内发发生部分分相变的的区域。。加热温度度：AC3~AC1力学性能能较母材材稍差。。力学性能能最差的的区域：：熔合区和过热区3.焊接参数数—小电流、快速速焊接；4.熔合比—小；5.焊后热处理—正火§1-4焊接应力与变变形一、焊接应力力与变形产生生的原因焊接应力与变变形产生的根根本原因是：：焊件(工件）在焊接接过程中受到到局部加热和和快速冷却。。三、影响焊接接接头性能的的因素1.焊剂与焊芯；；2.焊接方法—采用先进的焊焊接方法；L0ⅠⅡ焊接应力状态态：焊缝区域—拉应力两侧冷金属—压应力焊接变形：焊件整体缩短

L二、焊接变形形的基本形式式1.收缩变形2.角变形3.弯曲变形4.扭曲变形5.波浪形变形三、减小焊接接应力与变形形的措施1.焊接应力的防防止及消除措措施1）设计时，焊焊缝不要密集集交叉，截面面和长度也应应尽可能小。。2）合理选择焊焊接顺序。ⅡⅠⅢ②（Ⅰ—Ⅲ）①（Ⅰ—Ⅱ）（Ⅱ—Ⅲ）—ⅢⅡⅠⅢ123）锤击或碾压压焊缝4）加热“减应应区”法5）焊前预热（（150℃~450℃）、焊后缓缓冷6）焊后进行去应力退火可消除应力80%左右2.焊接变形的防防止及矫正措措施1）设计时，焊焊缝不要密集集交叉，截面面和长度也应应尽可能小。。2）合理选择焊焊接顺序。12341—4——3——212343）加裕量法。。4）反变形法。。1234561—4——5—2—3—61—2——3——45）采用焊前刚刚性固定法。。6）采用合理的的焊接规范（（小电流、快快速焊接）。。7）焊接变形的的矫正①机械矫正②火焰矫正第二节常用焊接成形形方法§2-1熔化焊一、埋弧焊焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电电弧热溶池保护：焊焊剂（气、渣渣）1.埋弧自动焊设设备及焊接过过程2.埋弧自动焊工工艺1）焊前准备2)采取防漏漏措施①双面焊；②②手工电弧焊焊封底；③焊焊剂垫；④采采用锁底坡口口；⑤水冷铜铜垫板。板厚在20~25mm以下的工件可可不开坡口；；但在实际生生产中，板厚在14~22mm应开Y型坡口，板厚在22~50mm，可开双Y型坡口或U型坡口。3)要有引弧弧板和引出板板环焊缝：焊丝丝起弧点应与与环的中心偏偏离一定距离离a；（a=20~40mm）。直径小于250mm一般不采用埋埋弧焊。3.埋弧自动焊工工艺特点1）生产率高高（手弧焊的的5~10倍倍）2）焊接质量量高且稳定。。3）节约金属属材料、生产产成本低。4）劳动条件件好。5）只能在水水平位置焊接接。应用：主要用于较厚厚钢板的长直直焊缝和较大大直径的环形形焊缝焊接。。如压力容器的的环焊缝和直直焊缝、锅炉炉冷却壁的长长直焊缝、船船舶和潜艇壳壳体、其重机机械、冶金机机械（高炉炉炉身）等的焊焊接。二、氩弧焊利用氩气作为为保护性介质质的电弧焊方方法。焊接热源：电弧热保护介质：ArAr①不与金属发发生化学反应应—不产生夹夹渣缺陷②不溶解于液液体金属中——不产生气孔孔缺陷③比重大于空空气（25%）“阴极雾化”作用1）熔化极极氩弧焊25mm以下的工件件2））非非熔熔化化极极氩氩弧弧焊焊适于于6mm以下下工工件件的的焊焊接接熔化化极极亚亚弧弧焊焊非熔熔化化极极亚亚弧弧焊焊3））氩氩弧弧焊焊的的特特点点及及应应用用①机械械保保护护效效果果好好，，焊焊缝缝金金属属纯纯净净，，焊焊缝缝成成形形美美观观，，焊接质量优良良。②电弧燃燃烧稳稳定，，飞溅溅小。。③焊接热热影响响区和和变形形小。。④可进行全位位置焊接。。⑤氩气昂贵，，设备造价价高。应用：适用于易氧氧化的有色色金属及合合金钢材料料的焊接。。如：铝、、镁、钛及及其合金和和耐热钢、、不锈钢等等。适用所有金金属材料的的焊接。以CO2气体作为保保护性介质质的电弧焊焊方法。焊接热源：：电弧热保护介质：：CO2CO2①与金属属发生化学学反应—产产生夹渣缺缺陷②溶解于于液体金属属中—产生生CO气孔缺陷③比重大大于空气（（25%））①氧化严严重；②气孔倾倾向大（CO）；③飞溅严严重。1)存在问题三、CO2气体保护焊焊①生产率高（（是手弧焊焊的1~3倍）。②成本低（是是手弧焊的的40%）。③焊接热影响响区和变形形小。④可进行全位位置焊接。⑤飞溅严重，，焊缝成形形差。应用：适用于低碳碳钢和强度度级别不高高的低合金金结构钢的的焊接。目前广泛用用于造船、、机车车辆辆、汽车制制造、农业业机械等。。2）CO2气体保护焊焊的特点及及应用四、电渣焊焊利用电流通通过液态熔熔渣时产生生的电阻热热，同时加加热熔化焊丝和金金属母材的的焊接方法法。焊接热源：：电阻热保护介质：：液态熔渣1.焊接过程2.焊接特点及及应用1）大厚度工工件可一次次焊成。单丝—40~60mm；单丝摆动动—60~150；三丝摆动—450mm；板极电渣渣焊—2）生产率高高，成本低低。3）焊接质量量好。不易产生夹夹渣、气孔孔等缺陷。。4）热影响区区大。—焊后热处理理。应用：①适用于碳钢钢、合金钢钢、不锈钢钢等材料；②适用于厚大大工件。厚厚度大于40mm的大型结构构件。§2-2压力焊一、电阻焊焊通过加压、、或同时加加热加压，，使焊件产产生塑性变变形，并经再结晶晶和扩散作作用，使两两部分金属属达到原子子间的结合，实现现连接的焊焊接方法。。1.点焊工艺参数电极压力焊接电流通电时间适中对组合焊件件经电极加加压，利用用电流通过过焊接接头头的接触面面及邻近区区域产生的的电阻热，，实现焊接接。焊点距离太近—分流现象严严重太远—强度不够应用：4mm以下的薄板板搭接。2.缝焊应用：3mm以下的薄板板搭接。如：密封的的容器（油油箱、水箱箱等）、管管道等。3.对焊主要用于棒棒料的对接接。1）电阻对焊焊应用：用于断面简简单，直径径（或边长长）小于20mm或强度要求求不太高的的工件。2）闪光对焊焊应用：用于重要工工件的焊接接。可焊相相同金属，，也可焊异种种金属（铝铝—钢、铝—铜等）。工件直径—0.01mm~200mm。二、摩擦焊焊1.摩擦焊焊接接过程2.摩擦焊接头头型式3.特点及应用用①质量稳定；；②不需填充充金属及及焊剂；；③生产率高高，易实实现自动动化。应用：适用于黑黑色金属属、有色色金属；；也适用于于特种材材料、异异种材料料焊接。。§2-3钎焊是将钎料熔化，利利用液态态钎料湿湿润母材材，填充充接头间间隙并与与母材相互扩散散，冷凝后后实现连连接的焊焊接方法法。一、钎焊焊的种类类1.软钎焊2.硬钎焊钎料的熔熔点在450℃以下。。接头强度度低，一一般为60~190MPa，工作温温度低于于100℃钎料的熔熔点在450℃以上。。接头强度度高，在在200MPa以上，工工作温度度较高。。钎料的作作用①连接②填充钎料的种种类①软钎料：：②硬钎料：：锡铝合金金（焊锡锡）铝基、铜铜基、银银基、镍镍基合金金等。2.溶溶剂溶剂的作作用①清理理作用②降低低表面张张力③保护护作用去除表面面氧化皮皮改善液态态钎料对对焊件的的湿润性性，增强强毛细管管作用。二、钎料料和溶剂剂1.钎钎料2.可可焊同种种、异种种金属和和厚薄悬悬殊的工工件。3.生生产率高高。易于于实现自自动化。。4.设设备简单单，生产产投资费费用少。。应用：主要焊接接精密、、微型、、复杂、、多焊缝缝异种金金属的焊接。。目前：软钎焊广广泛用于于电子、、电器、、仪表等等行业；；硬钎焊焊用于硬质质合金刀刀具、钻钻探钻头头、换热热器的焊焊接。三、钎焊焊的特点点及应用用加热温度度低，接接头组织织、性能能变化小小；焊接接变形小小，工件尺寸寸精确。。1.金属材料料的焊接接性指被焊金金属在一一定的工工艺条件件下（焊焊接方法法、焊接接材料、、工艺参参数及结结构形式式），获获得优质质焊接接接头的难难易程度度。焊接性①工艺焊接接性：②使用焊接接性：焊接接头产生生工艺缺陷的的倾向。尤其其指出现各种种裂纹的可能性焊接接头在使使用中的可靠靠性。包括力力学性能及其其它特殊性能能2.影响焊接性的的因素1）焊接方法4）工艺参数数2）焊接材料3）焊件化学成成分第三节常常用金属材材料的焊接§3-1材料的焊接性性3.焊接性的评定定方法1）实验法十字接头试验验法、Y型坡口试验法法、“小铁研研”试验法等等。2）碳当量估算算法C—影响最显著—基本元素—折合成碳的相当含量对焊接性的影影响其它元素CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15CE<0.4%CE=0.4%~0.6%CE>0.6%具有良好的焊接性性焊接性较差焊接性差§3-2碳钢的焊接1.低碳钢钢的焊接低碳钢：C<0.25%CE<0.4%焊接性良好。2.中碳钢钢的焊接中碳钢：C<0.25~0.60%焊接性由良好较差。CE<0.4%CE=0.4%~0.60%问题焊缝区易产生生热裂纹热影响区易产产生冷裂纹3.高碳钢钢的焊接高碳钢：C>0.60%焊接性差。CE>0.60%问题焊缝区易产生生热裂纹热影响区易产产生冷裂纹措施焊前预热（250~350℃），焊后缓冷冷。选用低氢型焊焊条。焊件开坡口，，且采用细焊焊条、小电流流、多层焊。。避免选用高碳钢作作为焊接结构件。焊补措施焊前预热（150~250℃），焊后缓冷冷。选用低氢型焊焊条。焊件开坡口，，且采用细焊焊条、小电流流、多层焊。。§3-3合金结构钢的的焊接合金结构钢机械制造用结结构钢普通低合金结结构钢（调质钢、渗渗碳钢）（压力容器、、锅炉、桥梁梁、车辆、船船舶等结构。。）普通低合金结结构钢：低强度普通低低合金结构钢钢：高强度普通低低合金结构钢钢：σs<400MPaCE<0.4%16Mn、09Mn2Siσs>400MPaCE<0.4%~0.5%焊接性良好。焊接性较差。。15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV焊前预热（150~250℃），，焊焊后后缓缓冷冷；；选用用低低氢氢型型焊焊条条；；焊焊件件开开坡坡口口，，且且采采用用细细焊焊条条、、小小电电流流、、多多层层焊焊。。§3-4铸铁铁的的焊焊补补一、、铸铸铁铁焊焊补补的的特特点点（（困困难难））1.熔合合区区易易产产生生白白口口组组织织和和淬淬硬硬组组织织；；2.焊缝缝区区易易产产生生裂裂纹纹；；3.焊缝缝区区易易产产生生气气孔孔；；4.熔池池金金属属易易流流失失；；二、、铸铸铁铁焊焊补补的的方方法法1.热焊焊法法焊前前将将焊焊件件整整体体或或局局部部预预热热至至600~700℃℃并施施焊焊，，焊焊后后缓缓冷冷。。用于于形形状状复复杂杂，，焊焊后后需需要要机机械械加加工工的的重重要要件件。。如汽汽缸缸体体、、汽汽缸缸盖盖、、机机床床导导轨轨等等2.冷焊焊法法焊前前不不预预热热或或低低温温预预热热（（400℃℃）的的焊焊补补方方法法。。焊条条①钢芯芯铸铸铁铁焊焊条条：：适用用于于非非加加工工表表面面的的焊焊补补②石墨墨化化铸铸铁铁焊焊条条：：⑤高钒钒铸铸铁铁焊焊条条：：④镍基基铸铸铁铁焊焊条条：：③铜基基铸铸铁铁焊焊条条：：适用用于于较较大大灰灰口口铸铸铁铁件件的的焊焊补补主要用用于一一般铸铸铁件件的焊焊补主要用用于重重要件件加工工表面面的焊焊补可进行行机械械加工工、塑塑性和和抗裂裂较好好。焊缝性性能与与母材材基本本相同同，具具有良良好的的加工工性抗裂性性好，，可进进行机机械加加工。。具有良良好的的抗裂裂性与与加工工性主要用用于一一般铸铸铁件件的焊焊补§3-5有色金金属的的焊接接一、铝铝及铝铝合金金的焊焊接1.铝及铝铝合金金的焊焊接特特点1）易氧氧化；；2）易产产生气气孔；；4）接头头易软软化；；3）易变变形开开裂；；2.铝及铝铝合金金的焊焊接方方法氩弧焊焊、气焊、、钎焊焊、电电阻焊焊。二、铜铜及铜铜合金金的焊焊接1.铜及铜铜合金金的焊焊接特特点2）易氧氧化；；3）易产产生气气孔；；1）难难熔合合；4）易变变形开开裂；；2.铜及铜铜合金金的焊焊接方方法氩弧焊焊、气焊、、钎焊焊、碳碳弧焊焊。第四节节焊接工工艺设设计§4-1焊接结结构材材料的的选用用1.尽量选选用焊焊接性性好的的材料料—低碳钢钢和低低强度度低合合金钢钢2.尽量选选用同同一牌牌号的的材料料；3.材料的的厚度度最好好相等等；4.尽量选选用型型材。。§4-2焊接方方法的的选择择焊接方方法的的选择择应充充分考考虑材材料的的焊接接性、、焊件厚度度、焊焊缝长长短、、生产产批量量及焊焊接质质量等等因素素。§4-3焊接接接头形形式的的设计一、接接头形形式的的设计计1.对接接接头2.搭接接接头3.角接接接头4.T字接接接头对接接接头—接头受受力简简单、、均匀匀，应应力集集中较较小，，强度较较高，，优先先选用用搭接接接头—接头强强度好好。但但受力力复杂杂，应应力集集中严严重，，易产生生焊接接缺陷陷。二、坡坡口形形式的的设计计不同厚厚度的的工件件焊接接时：：1.焊缝应应避免免密集集交叉叉§4-4焊缝的的布置置2.焊缝应应对称称分布布3.焊缝应应避开开应力力集中中处和和最大大应力力处4.焊缝应应远离离机械械加工工表面面5.焊缝的的布置置应便便于焊焊接操操作9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。21:57:0421:57:0421:5712/28/20229:57:04PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2221:57:0421:57Dec-2228-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。21:57:0421:57:0421:57Wednesday,December28,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2221:57:0421:57:04December28,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。28十十二二月月20229:57:04下下午午21:57:0412月月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月229:57下下午12月-2221:57December28,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2821:57:0421:57:0428December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。9:57:04下下午9:57下下午午21:57:0412月月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。21:57:0421:57:0421:5712/28/20229:57:04PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2221:57:0421:57Dec-2228-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:57:0421:57:0421:57Wednesday,December28,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里