金属工艺学第四篇焊接

篇焊接13.1

概述13.2

电弧焊工艺基础13.3

焊接接头的组织与性能13.4

焊接应力与变形本章重点：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有清楚的认识；掌握防止和消除焊接变形的常用方法。2019/2/21作业：

P19913.1、13.4、13.7第13章

焊接工艺基础第四篇焊接2第一节

概述焊接：通过加热或加压，或两者兼用，并且用或不用填充金属，使分离的两部分金属形成原子间结合的一种工艺方法。焊接是一种永久连接金属材料的工艺方法。一、焊接成形的特点1.

重量轻，节省材料。2.

生产率高，生产周期短，劳动强度低，易实现自动化。3.

可实现异种金属的连接。4.

可进行组合件的生产。5.

焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。第四篇焊接2019/2/213二、

焊接成形的分类1.

熔化焊：

把焊件连接处局部加热到熔化状态，然后冷却凝固成

一体，不加压力完成的焊接方法。2.

压力焊：

在焊接过程中必须对焊件施加压力(加热或不加热)

的焊接方法。3.

钎焊：

在焊接过程中采用低熔点的填充金属(钎料)熔化后，与固态母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。第四篇焊接2019/2/21手工电弧焊气体保护焊埋弧焊焊等离子弧焊电子束焊激光焊电阻焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊感应焊电弧焊电渣焊化学热焊高能束焊第

四

篇

焊

接熔

化

焊软钎焊硬钎焊2019/2/215名称工件焊料熔化焊熔化熔化压力焊熔化无焊料钎焊不熔化熔化三、各种焊接方法的特征第四篇焊接2019/2/21送进侧壁送进底板d)

前

翼

板

e)

装配好的车身送进顶盖第四篇焊接气门芯2019/2/21电阻点焊机器人g)

车身焊接线f)

车身装配线b)

侧壁c)

顶画a)底板7第二节

电弧焊工艺基础1、焊接电弧的概念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。电弧形成条件：

(1)使气体电离；(2)阴极发射电子。2、

电弧的构造及热量分布阴极区：2400k

36%阳极区：2600k

42%弧柱区：

5000~8000k

21%焊条bod

阴极区弧柱阳极区工件△电焊机第四篇焊接2019/2/21十83、电弧的极性(1)直流电源正接：正极接工件，工件温度稍高。

直流电源反接：负极接工件，工件温度稍低。

对薄板的焊接，可采用反接。(2)交流焊机无正反接特点，两极温度均为2500

K。(3)适当的空载电压以保证引弧，

一般为50～90

V。(4)提供电弧工作电压，保证电弧稳定燃烧。电弧长度越大，电弧工作电压也越高，

一般为16

～35

V。第四篇焊接2019/2/21b)反接a)正接4.电弧焊冶金过程(1)在电弧高温作用下，工件和焊条同时产生局部熔化，形成熔池。(2)电弧的移动形成动态熔池，熔池前部的加热融化与后部的顺序冷却结晶，形成完整的焊缝。(3)

药皮熔化→进入熔池发生冶金反应→形成熔渣→构成渣壳保护；

药皮分解→CO2,CO,H2等气体→

围绕在

电弧和熔池周围→保护熔化熔池。焊接方向熔渣气体渣壳焊缝焊件、焊条熔滴熔池第四篇焊接2019/2/21105.

电弧焊冶金特点①

电弧焊冶金反应的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。②

熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。③

冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶；有害气体容易进入熔池，形成氧化物、气孔等缺陷，使焊缝金属的塑性、韧性下降。第四篇焊接2019/2/21116.

熔化焊的三要素√

热源能量要集中，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、电子束和激光。熔池的保护可用渣保护、气保护和渣-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。√

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

力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。第四篇焊接2/21/20193:56

PM药皮的种类：

①

氧化钛型；②氧化钛钙型；③钛铁矿型；④氧化钛型；⑤纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。2019/2/21焊缝的填充材料—填充焊缝电极传导电流—导电保护焊缝和焊接过程控制焊缝金属的化学成分

稳定电弧第四篇焊接焊芯7.电焊条的组成及作用焊芯药皮电焊条药皮13J422药皮种类(氧化钙钛型)抗拉强度420MPa结构钢焊条2019/2/218.电焊条的分类结构钢焊条—J;低温钢焊条—W;堆焊焊条—D;镍及镍合金焊条—Ni;铝及铝合金焊条—L;钼和铬耐热钢焊条—R;不锈钢焊条—A;铸铁焊条—Z;铜及铜合金焊条—T;特殊用途焊条—TSJ507药皮种类(低氢钠型)抗拉强度500MPa结构钢焊条第四篇焊接14酸性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主(TiO₂

、SiO₂

、Fe₂O₃)碱性焊条：在熔渣中以碱性氧化物为主(K,O、Na₂O

、CaO

、MnO)9.

电焊条的选用(1)等强度原则：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，

因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。(2)同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：

焊接

件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定；(3)低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢

材来选用相应的焊条。(4)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。2019/2/21第四篇焊接15第三节

焊接接头的组织与性能1、焊接热循环焊接热循环的特点是加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导

致马氏体相变；对其它材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。2、焊接接头金属组织与性能的变化焊缝区焊接热影响区1)焊缝区熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。2)焊接热影响区

焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性

能发生变化的区域。tgs热影响区包括：熔合区、过热区、正火区和部分相变区。2019/2/21第四篇

焊接焊接接头温

度

(

℃

)16①

熔合区是焊缝和母材金属的交界区。0.1-1mm)

加热温度：

T

液~T

固熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，

是焊接接头中的最差的部位。强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。②

过热区在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。(1-3mm)

加热温度：

T

固~1100℃力学性能较母材稍差。塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。第四篇焊接2019/2/2117③

正火区在热影响区内相当于受到正火处理的区域。

(1.2-4mm)加热温度：1100

℃~AC3力学性能优于母材。④

部分相变区在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：

AC3~AC1力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：

熔合区和过热区2019/2/21

18第四篇焊接焊缝的组织和性能热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始

冷却结晶，以垂直熔合线

的方式向熔池中心生长为

柱状树枝晶。低熔点物质将会被推向焊缝最后结晶部位，形成成分偏析。第四篇焊接b)B/H

敏小2/21/20193:56

PM较

大a)BHIⅡl焊接应力状态：焊缝区域—拉应力两侧冷金属一压应力焊接变形：

焊件整体缩短

L第四节

焊接应力与变形一、焊接应力与变形产生的原因根本原因：焊件在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。(b)冷却以后第四篇焊接(a)

焊

接

过

程

中2019/2/21201.收缩变形2.角变形4.扭曲变形5.波浪形变形c)

d)2019/2/21二、焊接变形的基本形式第四篇焊接3.弯曲变形a)

b21e)三、

焊接应力与变形的防止1)设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。

第四篇焊接不正确正确2019/2/21222)合理选择焊接顺序。①尽量保证焊缝能自由收缩(先自由后约束)

(I—Ⅱ)—Ⅲ(I—Ⅲ)—(Ⅱ—Ⅲ)②

使其变形能相互抵消或减弱3

23ⅡⅢⅡⅢ4

1—4—5—2—3—61-2-3-41-4-3-22019/2/21第四篇焊接2232I4)采用小能量、多层焊

5)焊前预热(150℃~350℃)6)焊后热处理(去应力退火):可消除应力80%左右。3)反变形法

第四篇焊接2019/2/2124①

机械矫正②

火焰矫正7)采用焊前刚性固定法。8)焊接变形的矫正。第四篇焊接2019/2/2125思考题●

.*减少焊接应力考虑，拼焊如图1所示的钢板时，应怎样确

定焊接顺序?试在图中标出，并说明理由。图12019/2/21第四篇焊接26思考题●

.*减少焊接应力考虑，拼焊如图1所示的钢板时，应怎样确

定焊接顺序?试在图中标出，

并说明理由。先焊成三个长条，然

后再焊在一起。即先焊1-2,1-3,4-5,6-7,然后再焊两个长缝。第四篇焊接2019/2/21图127第十四章

其他常用焊接方法第

一节

手工电弧焊一、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形成焊缝焊接过程冶金特点：1.

熔池金属温度高于一般冶金温度

2000k

使金属元素强烈蒸发、烧损。2.

熔池金属冷却快，处于液态的时间短

10s化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。2019/2/21第四篇焊接28第二节

埋弧焊一、埋弧焊的原理及特点

埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可

连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。1.设备及焊接过程

焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂(气、渣2019/2/21焊丝焊剂

溶化的焊剂

渣亮第四篇焊接焊接方向焊接焊件焊缝熔池电弧29二、埋弧自动焊工艺1)焊前准备

板厚小于14mm

时，可不开坡口；板厚为14～22mm

时，应开Y

型坡口；板厚为22～50mm

时，可开双Y

型或U

型坡口。Y

型和双Y

型坡口的角度为50°~60°第四篇焊接c)

双Y型坡口b)Y型坡口a)I

型坡口2019/2/2130环焊缝：

焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a;

(a=20~40mm)。

直径小于250mm

一般不采用埋弧焊。2)采取防漏措施①双面焊；②手工电弧焊封底；③焊剂垫；④采用锁底坡口；⑤水冷铜垫板。焊缝间隙应均匀，焊直缝时，

应安装引弧板和熄弧板，以防

止起弧和熄弧时产生的气孔、

夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入

工件焊缝之中2019/2/213)要有引弧板和引出板第四篇

焊接a)

b)C)

d)出水管e)31三

、埋弧自动焊工艺特点1)生产率高(手弧焊的5~10倍)2)焊接质量高且稳定。3)节约金属材料、生产成本低。4)劳动条件好。5)只能在水平位置焊接。应用：

主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊

接。如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械(高炉炉身)等的焊

接。2019/2/21第四篇焊接32第三节

气体保护焊一

、氩弧焊利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热

保护介质：

Ar①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷Ar

②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷③

比重大于空气(25%)1)非熔化极氩弧焊

喷嘴导电嘴钨极氩弧焊

焊电

钨极以钨钍合金和钨铈合金为阴极，

弧流利用钨合金熔点高，发射电子能力阴极产热少，钨极寿命长的特点，开

成不熔化极氩弧焊。适于6mm

以下工件的焊接2019/2/21第四篇焊接332)熔化极氩弧焊以焊丝为一

电极(正极),工件为另一

电极(负极),焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所用电流比较大，

生产率高。板厚8mm

以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。送丝轮焊丝导电嘴25mm

以下的工件

喷嘴1

一进气管氩气流电弧焊件第四篇焊接2019/2/21343)氩弧焊的特点及应用①

机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观，

焊接质量优良。②

电弧燃烧稳定，飞溅小。③

焊接热影响区和变形小。④

可进行全位置焊接。⑤

氩气昂贵，设备造价高。应用：适用所有金属材料的焊接。适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：

铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。第四篇焊接2019/2/2135二

、CO2

气体保护焊

以CO2

气体作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热

保护介质：

CO₂①

与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷CO₂②

溶解于液体金属中—产生

CO

气孔缺陷③

比重大于空气(25%)1)存在问题①

氧化严重；

②气孔倾向大

(CO);③

飞溅严重。√CO+Fe=FeO+CO

个FeO

进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：FeO+C=Fe+CO生成的CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。2019/2/21第四篇焊接36√

防止飞溅的措施·CO2

焊常用H08Mn2SiA

焊丝来进行脱氧，合金化。采用短路过渡和细颗粒过渡。·为使电弧稳定，飞溅少，

CO2

焊采用直流反接。采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。采用药芯焊丝。·CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢

和低合金结构钢薄板的焊接。第四篇焊接2019/2/21372)CO₂气体保护焊的特点及应用①

生产率高(是手弧焊的1~3倍)。②

成本低(是手弧焊的40%)。③

焊接热影响区和变形小。④

可进行全位置焊接。⑤

飞溅严重，焊缝成形差。应用：适用于低碳钢和强度级别不高的低碳钢和低合金结构钢薄

板的焊接。目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。第四篇焊接2019/2/2138第四节

电渣焊利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热，同时加热熔化

焊丝和金属母材的焊接方法。

焊接热源：电阻热

保护介质：液态熔渣第四篇焊接1.

焊接过程2019/2/21(b)(a)392、焊接特点及应用1)大厚度工件可一次焊成。2)生产率高，成本低。3)焊接质量好。不易产生夹渣、气孔等缺陷。4)热影响区大。

—焊后热处理。应用：①

适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料；②

适用于厚大工件。厚度大于40mm

的大型结构件。第四篇焊接2019/2/2140第五节

等

离子弧

焊√

利

用机械压缩效应(电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩)、热压缩效应(在冷气流的强迫冷却下，带电粒子流〈离子和电

子〉往弧柱中心集中)和电磁收缩效应(弧柱带电粒子的电流

线为平行电流线，相互磁场作用使电流线产生相互吸引而收缩)将电弧压缩为细小的等离子体。√等离子弧温度高达24000K

以上，能量密度可达105~106W/cm2,

因而可一次性熔化较厚的材料。

等离子弧可

用于焊接和切割。等离子弧的形成

2019/2/211-钨极；2-离子

(Ar或N);3-

冷却水进口；

4-冷却水出口；5-离频振荡器；6-直流电源；7-电阻；8-喷嘴；9-等离子弧；10-工件第四篇焊接而受到特别重视。正面焊缝等离子弧焊接工艺1、

穿孔型等离子弧焊接在大电流(100～300A)和大的离子气流量的工艺参数条件下，穿孔型等离子弧焊接最适用于焊接3～8

mm

不

锈钢，12mm

以下钛合

金，2-6mm

低碳钢或低合金钢，以及铜、黄铜、

镍及镍基合金的对接缝。

可实现不开坡口，不加

填充金属，不用衬垫的

单面焊双面型。厚度大

于上述范围时可采用Y型坡口多层焊。利用穿孔焊接可在不用衬垫的情况下实现单面焊双面成形，因第四篇焊接反面焊缝2019/2/21当等离子弧的离子气流量较小时，穿孔效应消失，等离子

弧焊接同钨极氩弧焊相似，称为熔入型等离子弧焊。熔入型等

离子弧焊适用薄板，多层焊缝的盖面及角焊缝的焊接，填加或

不加填充焊丝，优点是焊速较快。由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔的有效方法。2、熔入型等离子弧焊接

第四篇焊接hF2

-

66

=

0.

0262019/2/21等离子弧切割通常采用氮和压缩空气作离子气，将切口金属熔化并吹除。特别是空气等离弧切割，近年来受到国内外的重视。由于空气等离子弧的热焓值高，加上氧和金属相互作用过程中放热，切割速度提高，切口质量也很好。等离子弧切割

低碳钢的厚度为0.6～80mm。3、微東等离子弧焊接√

15～30A

以下的熔入型等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。√

除此之外还有脉冲等离子弧焊接，熔化极等离子弧焊接和变极性等离子弧焊接。4、

等离子弧切割

第四篇焊接2019/2/215、等离子弧焊的特点及应用√等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强。10~12mm厚钢材可不开坡口，

一次焊透双面成型，焊接速度

快，生产率高，应力变形小。√

电流小到0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，能保持良好的挺直度与方向性，所以可焊接很薄的箔材。√等离子弧焊接在生产中已广泛应用，特别是国防工业及

尖端技术所用的铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金