金属的焊接成形

第7章金属的焊接成形材料学院王振玲2、焊接的分类1.焊接：

通过加热或加压；或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊材料之间达到原子结合而形成永久性连接的工艺方法。3.焊接的特点及应用

①连接性能好：焊接接头的机械性能(强度、塑性)耐高温、低

温、高压性能和导电性、耐腐蚀性、耐磨性、密封性等均可

达到与母材性能一致。

②省料、省工、成本低，生产率高，结构重量轻。简化工艺，

能以小拼大，被喻为神奇的“钢铁裁缝”。4.焊接的不足之处是：

①结构无可拆性。

②焊接时局部加热，而产生焊接残余应力和焊接变形。

③焊接缺陷的隐避性，易导致焊接结构的意外破坏。§7-1熔焊成形基本原理

熔化焊：利用电弧放电产生的热量将被焊工件和焊接材料加热至熔化状态在进行了一系列的冶金反应后，液态金属凝固形成焊缝的焊接方法。（+）（-）一、焊接电弧电弧：由焊接电源提供具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。物质(气体、固体)被加热成为气态分子，分子进一步分

解成原子，原子经电离形成带电的粒子(正离子、负离子、电

子)，带电粒子在电场中作定向运动而形成焊接电流。电弧放电的实质：

把电能转换为热能、光能和机械能的能量转换过程。分解电离M2————2M—————M++e-(放出热能、光能和机械能)§7-1熔焊成形基本原理2.焊接电弧构造及热量、温度分布3.直流电源焊接的两种接法

①直流正接法：工件接电源正极，多用于焊厚板和高熔点金属；

②直流反接法：工件接电源负极，用低氢型焊条，焊薄板或低熔点金属时常用此接法。

③交流电源无正、负接法。二、焊接的化学冶金过程1、焊接化学冶金反应区(1)药皮反应区碳酸盐和高价氧化物分解产生气体保护(2)熔滴反应区气体、熔渣与液态金属反应(3)熔池反应区2、气相对焊缝金属的影响

O,N,H3、熔渣对焊缝金属的作用机械保护、改善焊缝成形和焊接冶金（脱氧硫）1．焊接接头的概念用焊接方法连接的接头称为焊接接头。它包括：焊缝区、熔合区和焊接热影响区，焊接接头的性能取决于两部分中最薄弱的部分。三、焊接接头的组织与性能母材热影响区焊缝熔合区焊接接头母材焊缝熔合区热影响区焊接接头低碳钢焊接接头的组织变化1．熔化金属2．熔合区3．过热区4．正火区5．部分相变区6．母材2．结构钢焊接接头的组织和性能（1）焊缝区(T＞T液)

在焊接接头横截面上测量的焊缝金属(焊缝表面和熔合线所包围的部分)的区域。①组织：铸造组织，化学成分取决于焊芯和母材化学成分及熔合比，焊接时元素的氧化损失率等因素。焊缝具有成分偏析现象，焊接工艺或操作不当，可能出现气孔、夹杂、裂缝、咬边等缺陷。②性能：焊缝合金元素含量一般比母材高，合格焊缝的机械性能一般不低于母材。（2）熔合区(T固～T液)

焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。组织：过热的半熔化粗晶粒上联生的束状树枝晶组织。性能：塑性、韧性差，是影响焊接接头性能的关键部位。（3）焊接热影响区焊接(或热切割)过程中，材料因受热的影响(但未熔化)发生金相组织和性能变化的区域。（1）过热区：温度高于AC3温度以上100-200℃。组织：晶粒产生急剧长大，过热组织。性能：塑性韧性↓对于易淬硬钢材，危害更大。接头中性能较差（2）正火区：温度高于AC1至AC3温度以上100-200℃。组织：发生重结晶，晶粒细化，正火组织（P和F）

性能：机械能提高（3）部分相变区：温度在AC1--AC3温度之间组织：部分相变（F、P）晶粒不均（部分F和P重结晶成为较细晶粒，未转变的F长大）

性能：稍差①对焊缝渗透合金，加强脱氧、脱硫、脱磷；加强对焊缝的保护。②选择焊接方法，控制焊接加热温度和加热时间，尽量减小热影响区宽度。③焊后热处理，消除内应力和淬硬组织，细化晶粒。3．改善焊接接头组织性能的措施一、焊条电弧焊（手工电弧焊）工件焊条A+-焊接电源v焊条焊缝母材§7-2焊接成形方法1、焊接过程电焊条由焊芯和药皮组成。（1）焊芯

①焊芯作用：传导电流；熔化后成为焊缝填充成分。

②焊芯材料：H08、H08A(焊芯材料严格限制C、S、P杂质含

量，如H08A中，C≤0.10%、S≤0.03%，P≤0.03%)。

③焊条的规格(焊条直径)有：1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0mm

等，长度为200～450mm。3、电焊条2、焊接设备电焊机，直流和交流（2）

药皮药皮的作用：

①改善焊接工艺性能：易引弧、稳弧，减小飞溅，使焊缝成形美观；

②机械保护作用：气体、熔渣隔离空气，保护熔液和熔池金属；

③冶金处理作用：药皮中的某些元素可起到渗合金、脱氧、脱

硫、去氢作用。（3）电焊条种类、型号国产电焊条按用途分为九大类：①碳钢焊条；②低合金钢焊条；③不锈钢焊条；④铸铁焊条；⑤铝及铝合金焊条；⑥铜及铜合金焊条；⑦镍和镍合金焊条；⑧堆焊焊条；⑨特殊用途焊条。1）碳钢焊条按GB984-85规定，其型号表示为：Ｅ××××

表示药皮类型和允许使用电流种类(交流或直流)，其中：0、5分别属于高纤维素钠型和低氢钠型，规定必须采用直流电流反接，其它编号均可用交流或直流电源焊接。

表示焊条适合的焊接位置(0、1表示可用于全位置焊接；2表示平焊和平角焊位；4用于向下立焊位)。

表示熔敷金属抗拉强度的最低保证值(常用42、50、55、60、70、75、85等，如E42表示σb≥420MPa，E50表示σb≥500MPa)。表示焊条（4）电焊条的选用原则1）按材料种类选焊条种类。2）结构钢按“等强度原则”选择焊条强度等级。例：Q235σs≥235MPa，σb＝410～430MPa，宜选

E43××。

16Mnσs≥330MPa，σb＝500MPa，宜选E50××。3）按焊件结构特点选药皮类型

①焊接性好的普通结构，宜选酸性焊条(E××03、E××02等)。

②承受重载、冲击、高压、低温(0℃以下)的焊接结构和厚板、

刚性结构，易产生裂纹的结构，应选碱性焊条(E××15、

E××16)。

③无直流电源的施工环境，应选交、直流两用的焊条。（2）焊接参数4.焊接工艺（1）焊接的空间位置

平焊立焊横焊仰焊1）焊条直径2）焊接电流3）焊接速度二、埋弧自动焊1．焊接工艺过程①用颗粒状焊剂取代焊条药皮②用连续自动送进的焊丝取代焊芯③用自动焊机取代焊工的手工操作

主要由焊接电源、焊车、控制箱组成。

如MZ-1000，MZ-1000等,其中的“MZ”表示埋弧焊机；

“1000”表示额定焊接电流为1000A。2．埋弧自动焊设备3．焊接材料

1）焊丝：H08A、H08MnA、H10Mn2、H08MnMo、

H08Mn2Mo等。A熔炼焊剂：高锰高硅低氟(焊剂430、焊剂431或用代号HJ430、HJ431)：用于焊重要低碳钢及普低钢；①低锰高硅低氟(焊剂230或用代号为HJ230)：焊低碳钢、普

低钢；②低锰中硅中氟(焊剂250或用代号为HJ250)：焊低合金高强

度钢；③低锰高硅中氟(焊剂260或用代号为HJ260)：焊不锈钢。B陶质焊剂：多用于堆焊、渗合金。①焊丝和焊剂两者必须配合使用。②焊剂易吸潮，焊前必须烘干后才能使用。2）焊剂主要工艺参数：①焊丝直径：根据工件厚度选用②焊接电流：根据工件厚度和焊丝直径确定。电流大、熔深大、

生产率高③电弧电压：控制电弧电压，可控制焊缝宽度和保证焊缝成形④焊接速度：保证焊缝质量的前提下，增大焊接速度，可提高生

产率(由实验确定)。4．埋弧自动焊工艺①生产率高(为手弧焊的5～10倍)②焊接质量好(渣保护效果好、焊接规范稳定)③劳动条件好④适应性较差，一般只宜焊平焊位的直缝和环缝，不能焊空间位

置焊缝和不规则焊缝，焊前试验、调整等工作量较大。5．埋弧自动焊的特点⑤节省金属材料

常用于焊接碳钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢、球墨铸铁、镍合金、铜合金材料；成批生产的中、厚板(6～60mm)结构的长直焊缝与直径大于250mm的环缝的平焊。6．应用（一）氩弧焊氩气(Ar)是惰性气体，在高温下，

既不同金属发生化学反应，也不溶于液

态金属。是较理想的焊接保护气体。氩弧焊使用的氩气要求纯度达99.9%。三、气体保护焊①钨电极：用钨合金制成电极棒，端部为圆锥形(加入了少量放

射性元素铈、钍)，钨的熔点高(约3600℃)，只用于传导电流，

保证电弧稳定燃烧，本身不熔化，铈、钍元素的蒸发对人体

健康有一定影响。②氩气流：隔离空气，对焊接区金属进行保护。③脉冲钨极氩弧焊用于焊接厚度0.8mm以下的薄壁工件；采用直流电流正接法：用于焊接低合金钢、不锈钢、耐

热钢、钛合金等。采用交流电源：用于焊接铝、镁合金(具有“阴极破碎”作用)；④钨极氩弧焊时为防止电极烧损，电流不宜过大，熔深较浅，多用于焊接厚度＜6mm薄壁工件。1、钨极氩弧焊(TIG)用焊丝作电极，焊丝熔化后作焊缝填充金属，可用较大的电流，熔深较大，生产率高，适用于焊接厚度为3～25mm的工件。2、熔化极氩弧焊(MIG)①保护效果好，焊接质量高；②能量集中，热影响区小，应力、变形倾向小；③可适应各种焊位，便于实现自动化焊接；④氩气成本较高，不宜在室外焊接。4)应用

适用于焊接各种有色金属、稀有金属、合金钢，如铝、镁、铜、钼、钛及其合金、不锈钢、耐热钢及对焊接质量要求较高的重要结构。焊件的厚度一般＜25mm。3、氩弧焊的特点用CO2作保护气的电弧焊。（二）CO2气体保护焊

CO2气体在高温下要分解，具有氧化性。焊接低碳钢和低合金结构钢用CO2作保护气体，可有效

地隔离空气中的氮气。采用硅锰合金焊丝(H08MnSiA，

H08Mn2SiA)对焊缝渗合金、脱氧、脱硫，可阻止CO2气体

对金属的氧化，保证焊缝质量。2、CO2保护焊的特点①焊接成本低(约为手弧焊的40%)；生产率高(约为手弧焊的

2～5倍)；②焊接质量好(焊缝含气量低，热影响区较小)；③能全位焊，易于实现焊接过程的自动化；④焊缝表面粗糙，粗丝CO2焊飞溅大；不能焊易氧化的有色

金属和合金钢。1、CO2是最经济的焊接保护气体主要用于焊接低碳钢和强度等级较低的低合金结构

钢，适用于焊接中、薄板结构。①细丝(d=0.5～1.2mm)CO2保护焊，主要用于焊0.8～

4mm的薄钢板；粗丝(d=1.6～5mm)CO2保护焊，多用于焊3～25mm

厚的钢板。②CO2保护焊既可用于缝焊，还可用于点焊，在车辆、船

舶生产中，CO2保护焊机器人正在发挥重要作用。3、CO2保护焊的应用焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。1、电阻焊三、其它常用焊接方法用两柱状电极压紧工件→通电→接触面发生点状熔化(熔核)→断电，在压力下完成一个焊点的结晶过程。多用于薄板的非密封性连接。1．点焊用滚轮电极滚压工件，配合断续通电，相邻的焊点互相重叠，而形成连续致密焊缝。多用于焊接有密封性要求的薄壁结构(δ≤3mm)。2．缝焊1）电阻对焊将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用强电

流通过接头时产生的电阻热，将金属加热至塑性状态，然后

迅速施加顶锻力完成焊接的方法。特点：接头性能较差，多用于对接头强度和质量要求不很高，直径小于20mm的棒料、管材、门窗等构件的焊接。3．对焊将焊件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐靠拢

达到局部接触，利用强电流产生的电阻热，将接触面(点)金

属迅速熔化达一定深度后，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。

焊接过程:

两电极夹紧工件、通电→可动电极左移使端面接触(闪光)→断电、顶锻。2）闪光对焊①焊接质量好，生产率高；②可焊同种金属或异种金属(钢-钢、铜-钢、铝-钢、铝-铜等)；③可焊直径为0.01mm的金属丝和断面为上万平方毫米的金属棒、管或异型材料。多用于焊接重要管道、钢轨、锚链、刀具、钢筋等。

对焊要求焊件截面形状应尽量相同，圆棒直径、方料边长、管子壁厚之差不应超过15%。3）闪光焊的特点及应用§2.2摩擦焊

摩擦焊是利用焊件接触面的强烈摩擦产生的热量，将焊件连接面快速加热到塑性状态，并在压力下形成接头的热压焊方法。①加热温度低，接头质量好；②焊接生产率高(1200件/h)，成本低(耗电为闪光焊的10～

20%,焊接成本为CO2电弧焊的70%左右)；③能焊同种金属、异种金属及某些非金属材料；④焊接过程可控性好，质量稳定，焊件精度高；⑤劳动条件好，无弧光、烟尘、射线污染；⑥要求被焊工件至少应有一件是旋转体(如棒料、管材)；⑦摩擦焊设备的一次投资大，适用于成批大量生产。1)摩擦焊的特点2)摩擦焊的应用①在各种回转体结构的焊接方法中，可逐步取代电弧焊、电

阻焊、闪光焊；②一些用熔焊、电阻焊不能焊的异种金属，可用摩擦焊焊接

(如铜—铝摩擦焊等)。钎焊是采用熔点比母材低的金属作焊料，将焊件加热到高于焊料熔点，低于母材熔点的温度，使焊料填充接头间隙，与母材产生相互扩散，冷却后实现焊件连接的方法。§2.3钎焊使用硬焊料进行的钎焊。常用的硬焊料有：铜、银、镍、铝等焊料；其熔点＞450℃，接头强度可达500MPa。主要用于受力较大，工作温度较高的工件焊接，如刀具、冰箱压缩机管道等。1．硬钎焊使用软焊料进行的钎焊。软焊料多采用锡-铅合金，熔点＜450℃，接头强度低(σb＜70MPa)。主要用于受力不大，工作温度较低的焊件。如各种电器导线的连接，仪表、仪器元件的焊接等。2．软钎焊①清除氧化膜及杂质；②改善焊料充填接头间隙的性能(润湿性)；③防止被焊金属氧化。硬钎焊用焊剂由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物所组成。

软钎焊用焊剂由松香、氯化锌与氯化铵溶液等。3．钎焊熔剂(简称焊剂)①加热温度低，焊接应力与