1、第4章 焊接,返回,浙江科技学院,焊接是利用加热或加压（或者加热和加压），使分离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子间的结合的连接方法。在机械制造、建筑、车辆、石油化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。,焊接的特点：优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ；2）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短 ；4）易于实现机械化和自动化。,缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ；2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形； 4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。,焊接方法可分为： 1）熔焊：利用局部加热的方法，把工件的焊接
2、处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝，将两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。,2）压焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。3）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方法。,第 1节 焊接成形基础,4.1.1 熔焊的冶金过程,4.1.1.1 焊接电弧,熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为气焊 、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等。以下以电弧焊为例来分析。,1. 焊接电弧的产
3、生 焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接,触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。,2. 焊接电弧的结构 电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4-1所示。1）阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K；2）阳极区：受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K；3）弧柱区：阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达60008000K。,图4-1 电弧的结构示意图,4.1.1.2
4、焊接的冶金过程,焊接的冶金过程如图4-2所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。 金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：,图4-2 焊条电弧焊过程,能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图4-3所示；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。 氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。 其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降，如图4-4所示；析出的氮在焊缝中形成气孔
5、，部分还以针状氮化物（Fe4N）形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。,焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点：1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分；2）熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。,为保证焊缝质量，可从两方面采取措施：1）减少有害元素进入熔池，主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊焊剂和气体保护焊的保护气体（CO2，氩气）等）。2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。,4.1.1.3 焊接热循环,焊接热循环：在焊接加热和冷却过
6、程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图4-5所示。不同点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。对焊接质量起重要影响的参数有：最高加热温度、在过热温度11000C以上停留时间和冷却速度等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。,图4-5 焊接热循环曲线,以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-6所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫焊接热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区。焊接接头由焊缝区、熔合区和
7、热影响区组成。,图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化,4.1.1.4 焊接接头组织与性能,1.焊缝区 焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图4-7所示；结晶过程中将在最,图4-7 焊缝的柱状树枝晶,后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。,2.熔合区 化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，
8、产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。,3. 热影响区 热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图4-6所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。,1）过热区：最高加热温度在11000C以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位。2）正火区：最高加热温度在Ac3至11000C的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。3）部分相变区：最高加热温度在Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。,图4-6 低碳钢焊接接头的组织变化,低碳钢焊接接头的组织、性能变化如图4-8所示，熔
9、合区和过热区性能最差，热影响区越小越好，其影响因素有焊接方法、焊接规范、接头形式等。4. 影响焊接接头性能的因素 焊接接头的力学性能决定于它的化学成分和组织。具体有：,1）焊接材料、焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分。2）焊接方法，一方面影响组织粗细，一方面影响有害杂质含量。,图4-8 低碳钢焊接接头的性能分布,3）焊接工艺。焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫焊接工艺参数。线能量:指熔焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。4）焊后热处理
10、：如正火，能细化接头组织，改善性能。5）接头形式、工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。,4.1.2 金属的焊接性能,1.金属焊接性的概念 焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。包括工艺焊接性，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；使用焊接性，焊接接头对使用要求的适应性，包括焊接接头的力学及其他特殊性能。 焊接性能随焊接方法、焊接材料和焊接工艺而变，不同条件下焊接性能有很大差别。如钛的手工电弧焊接性极差，但氩弧焊则好。,2.金属焊接性的间接评价方法 碳当量法：在粗略估计碳钢和低合金
11、结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。其计算公式如下：,碳当量越高，焊接性越差。一般当CE0.6%时，冷裂倾向严重，焊接性差，需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。 值得注意的是，钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响，故应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。,4.1.3 焊接应力和变形,1.焊接应力与变形产生的原因 焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。图4-9是低碳钢平板对接焊时产生应力和变形的示意图。 平板焊接时，要产生热胀冷缩。加热时，如自由膨胀则如图4-9a中虚
12、线所示，但由于受到阻碍，产生同样伸长，故高温处产生压应力，低温处产生拉应力，两者平衡。冷却后，由于冷却速度不同，高温处冷却慢，收缩大。同样最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力。,一般情况下，焊件塑性好，结构刚度小时，焊件收缩容易，焊件变形大，焊接应力小；反之焊接变形小，焊接应力大。焊接变形的基本形式如表4-1所示。,2. 焊接应力与变形的危害焊接应力：1）增加结构工作时的应力，降低承载能力；2）引起焊接裂纹，甚至脆断；3）促使产生应力腐蚀裂纹；4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。,焊接变形：1）使工件形状尺寸不合要求；2）影响组装质量；3）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低
13、接头塑性；4）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载能力。,3.焊接应力和变形的防止焊接应力的防止及消除措施：1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小； 2）采取合理的焊接顺序，使焊缝较自由的收缩，如图4-10所示；3）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；4）采用小线能量焊接，多层焊，减少残余应力；5）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力；6）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。,焊接变形的防止和消除措施：1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；2）焊前组装时，采用反变形法 ，如图4-11
14、，图4-12所示；3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力，如图4-13所示；4）采用合理的焊接规范；5）选用合理的焊接顺序，如图4-10的对称焊，图4-14的分段退焊。6）采用机械或火焰矫正法来减少变形。如图4-15，图4-16所示。,思考题1.焊接接头包括哪几部分？低碳钢焊接接头各部分的性能如何？2.解释下列名词：焊接热循环、金属的焊接性、碳当量。3.焊接应力和变形有哪些危害，产生原因是什么？,第2节 焊接方法,焊接方法的种类很多，按照焊接过程的物理特点可分为熔焊、压焊和钎焊三类。常用焊接方法有:,熔焊,堆焊与喷涂,高能焊,电渣焊,电弧焊,气焊,激光焊,电子束焊,等离子弧焊,气体保护焊,埋弧
15、焊,焊条电弧焊,压焊,摩擦焊,扩散焊,电阻焊,超声波焊,爆炸焊,对焊,点焊,缝焊,钎焊,真空钎焊,感应钎焊,炉中钎焊,电阻钎焊,盐浴钎焊,火焰钎焊,烙铁钎焊,4.2.1 熔焊,4.2.1.1 焊条电弧焊,焊条电弧焊是利用电弧作为热源，手工操纵焊条进行焊接的方法，又称手工电弧焊。手工电弧焊的特点：1）设备简单、操作灵活；2）可焊接多种金属材料；3）室内、外焊接效果相近；4）对焊工操作水平要求较高，生产率较低。,4.2.1.2 埋弧焊,埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。1.埋弧焊设备 埋弧焊设备由焊接电源、焊车、控制箱三部分组成。焊车由送丝
16、机头、行走小车、控制盘、焊丝盘和焊剂漏斗等组成。 2.埋弧焊的焊接过程及工艺 埋弧焊焊接过程如图4-17所示；埋弧焊焊缝形成过程如图4-18所示。埋弧焊焊丝从导电嘴深处长度较短，故可采用大电流焊接，比手工电弧焊高4倍，故适宜焊接较厚材料，也可焊接大直径筒体，如图4-19所示。,3. 埋弧焊特点及应用优点：1）生产率高、节省焊接材料，成本低 ；2）焊接质量好；3）劳动条件好。,埋弧焊适于成批生产中、厚板结构的长直缝与直径较大的环缝。,缺点：1）适应性较差 ，焊前准备工作量大；2）焊接电流强度大，不适于3mm以下薄板；3）难以完成铝、钛等强氧化性金属及合金的焊接；4）设备一次性投资较大。,气体保护
17、焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。常用保护气体有惰性气体（氩气、氦气和混合气体）和活性气体（二氧化碳气）两种，分别成为惰性气体保护焊和CO2焊。,4.2.1.3 气体保护电弧焊,1. 惰性气体保护焊（1）保护气体和电极材料 保护气体有氩气（Ar）和氦气（He），或其混合气体，分别称为氩弧焊和氦弧焊及混合气体保护焊。 氩弧焊分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊，如图4-20所示。 钨极氩弧焊的电极材料可用纯钨或钨合金，一般采用铈钨极，其在焊接过程中不熔化，故需采用焊丝。焊接电流较小，适于薄板焊接。,熔化极氩弧焊采用焊丝作为电极，可使用大电流，适于中厚板焊接。 氩弧焊设备由
18、送丝系统、主电路系统、供气系统、水冷系统、控制系统、焊枪等组成，如图4-21所示。（2）电源种类和极性 钨极氩弧焊一般采用直流正接，以减少钨极烧损，但焊接铝、镁金属时，为去除氧化物而利用“阴极破碎”可采用直流反接。 熔化极氩弧焊一般采用直流反接。（3）惰性气体保护焊的特点及应用1）可焊化学性质活泼的非铁金属及其合金或特殊性能钢；2）电弧燃烧稳定、飞溅小，表面无熔渣，焊缝成形美观，质量好。,3）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊缝周围气流冷却，热影响区小，焊后变形小，适于薄板焊接；4）电弧为明弧可见，操作方便，易于自动控制焊缝。5）氩气、氦气价格较贵，焊件成本高。 惰性气体保护焊适于焊接铝、镁、
19、钛及其合金，稀有金属锆、钼，不锈钢，耐热钢，低合金钢等。,2. CO2气体保护焊 CO2焊采用CO2为保护气体，其焊接过程如图4-22所示。 CO2在高温下会分解氧化金属，故不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢。同时需采用能脱氧和渗合金的特殊焊丝。 CO2焊可分为自动CO2焊和半自动CO2焊（送丝自动，电弧移动手工）。其设备包括：主电路系统、控制系统、焊枪、供气系统、冷却系统。,CO2焊的特点：1）生产率高；电流大，易于自动化，无渣壳。2）成本低；无需涂料焊条和焊剂， CO2价廉；3）焊缝质量较好；4）采用气体保护，能全位置焊接，易于自动控制 ；5）焊缝成形差，飞溅大 ；6）不能焊接易氧化的非铁金
20、属和不锈钢；7）设备较复杂，使用和维修不便。 CO2焊适于焊接低碳钢和强度级别不高的普通低合金结构钢。,4.2.1.4 电渣焊 电渣焊是利用电流通过熔渣产生的熔渣电阻热加热熔化母材与电极（填充金属）的一种焊接方法。按电极形状可分为丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊和熔管电渣焊。 丝极电渣焊过程如图4-23所示。焊接过程为先引弧，形成渣池，电弧过程变为电渣过程，熔化金属凝固成形。,电渣焊的特点:1）可一次焊成很厚的焊缝；2）生产率高，焊接材料消耗少，不需开坡口；3）焊缝金属较纯净，渣池覆盖住熔池，保护良好，有利于气体和杂质浮出；4）接头金属在高温下停留时间长，过热区大，接头金属组织粗大，焊后应进
21、行正火处理。,电渣焊主要用于厚壁压力容器和铸焊、锻焊、厚板拼焊等大型构件的制造，厚度应大于40mm的碳钢、合金钢和不锈钢等。,4.2.1.5 高能焊,高能焊是利用高能量密度的束流，如等离子弧、电子束、激光束等作为焊接热源的熔焊方法。,1. 等离子弧焊和切割1）等离子弧的产生。 等离子弧是一种电离度很高的压缩电弧，温度高，能量密度大，其发生装置如图4-24所示。在三个压缩作用下形成等离子弧。a）机械压缩效应；b）热压缩效应；c）电磁压缩效应。温度可达24000K 50000K。,2）等离子切割。它利用能量密度高的高温高速的等离子流，将切割金属局部熔化并随即吹除，形成整齐的切口。常用于切割不锈钢、
22、铝、铜、钛、铸铁及钨、锆等难熔金属和非金属材料。,3）等离子弧焊接。需用等离子弧焊电源和等离子焊枪及填充金属。分为 大电流等离子弧焊。这种焊接又可分为穿孔型等离子弧焊和熔入型等离子弧焊。 微束等离子弧焊。其特点是： 有小孔效应，能较好实现单面焊双面自由成形； 微束等离子弧焊可焊接箔材和薄板。 能量集中，热影响区小，焊接质量好，生产率高。,等离子弧焊用于航空航天等军工和尖端工业技术的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接。,2. 电子束焊 电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。电子束产生原理如图4-25所示。电子束焊不需要加焊丝。
23、电子束焊可分为：1）真空电子束焊。把工件放在真空室内，利用在真空室内产生的电子束经聚焦和加速，撞击工件后动能转化为热能的一种熔化焊。需严格除锈和清洗。2）低真空电子束焊。使电子束通过隔离阀及气阻孔道进入焊接工作室。工作室的真空度保持在1 13Pa。,3）非真空电子束焊，将真空条件下形成的电子束流经过充氦的气室，然后与氦气一起进入大气的环境中施焊。电子束焊的特点：1）保护效果极佳，焊接质量好 ；2）能量密度大；106 108W/cm2；3）焊接变形小；4）焊接工艺参数调节范围广，适应性强 ；5）设备复杂，造价高，焊件尺寸受真空室限制。,电子束焊用于原子能、航空航天等军工尖端技术部门的特殊材料和结
24、构的焊接；也用于大批量生产和流水线生产，如齿轮组合件、轴承等。,3.激光焊与切割 1）激光焊：利用聚焦后的激光束的高能量密度（1013W/cm2)，对工件进行焊接。分为脉冲激光焊接和连续激光焊接。激光焊设备的结构框图如图4-26所示。2）激光焊的特点： 能量密度大，适合于高速加工，能避免热损伤和焊接变形； 灵活性比较大； 激光辐射放出能量极其迅速，不仅焊接生产率高，而且被焊材料不易氧化，可以在大气中焊接，不需真空环境或气体保护； 装置复杂，效率较低。,激光焊常用于精密零件、热敏感性材料，异种金属异种材料的焊接。,3）激光切割：利用聚焦后的激光束使工件材料瞬间气化而形成割缝；可切割各种金属和非金
25、属材料。根据切割机理可分为： 激光蒸发切割，适于极薄材料； 激光熔化吹气（氩、氦、氮等）切割，适于非金属材料； 激光反应气体（纯氧，压缩空气）切割，适于金属材料。,4）激光切割的优点：1）切割质量好，效率高；2）切割速度快；3）切割成本低。,4. 堆焊与喷涂1）堆焊：为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。有振动电弧堆焊、等离子弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等。2）堆焊加工的特点与应用： 采用堆焊修复已失去精度或表面破损的零件，可节省材料、费用、工时，延长零件使用寿命； 堆焊层的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能，发挥材料的综合性能和工作潜力； 具有
26、明显的异种金属焊接特点，对焊接工艺及其参数要求较高。 堆焊应用于机械产品的制造和维修，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工设备等领域有广泛应用。,3）喷涂： 将金属粉末或其他物质熔化，并用压缩空气将其以雾状喷射到被加工工件的表面上，形成覆盖层的工艺方法。使材料表面具备防腐、导电、耐蚀、耐热、外形美观。 常用热喷涂的热源为氧乙炔、电弧、等离子弧、电子束、激光束等；喷涂材料可用低熔点金属和高熔点金属以及各种合金、金属氧化物、碳化物、非金属陶瓷、塑料等。如火焰线材喷涂原理如图4-27所示。 常用喷涂方法有氧乙炔焰喷涂、氢氧焰喷涂、等离子弧喷涂等。4）喷涂特点： 加热温度较低，工件表面温升较
27、小，对工件组织和性能影响小； 可喷涂加工的对象广泛，金属和大部分非金属均可； 操作工艺过程简单，零件大小不受限制。,4.2.2 压焊,压焊是指在加热或不加热状态下对组合焊件加压，使其产生塑性变形，并通过再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子达到形成金属键而连接的焊接方法。常用的有电阻焊和摩擦焊。,4.2.2.1 电阻焊,电阻焊是利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性或局部熔化状态，再在电极压力作用下形成接头的一种焊接方法。电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊。,1.点焊 点焊：是利用电流通过两圆柱形电极和搭接的两焊件产生电阻热，将焊件加热并局部熔化，形成一个熔核（其周围
28、为塑性状态），然后在压力下熔核结晶，形成一个焊点的焊接方法。如图4-28所示。点焊的接头形式如图4-29所示，均为搭接接头，焊接前应清理。 点焊的主要焊接参数是电极压力、焊接电流和通电时间。压力过大、电流过小，会使热量少，焊点强度下降；压力过小、电流大会使热量大而不稳定，易飞溅，烧穿。 点焊时会发生点焊分流现象，如图4-30所示，故焊点间距不宜过小。,2.缝焊 缝焊与点焊同属于搭接电阻焊，焊接过程与点焊相似，采用滚盘作电极，边焊边滚，相邻两个焊点重叠一部分，形成一条有密封性的焊缝。焊接原理如图4-31所示。焊接接头形式如图4-32所示。焊接分流现象较严重，故同等条件下焊接电流较大，主要用于有密
29、封性要求的薄板件。,3. 对焊 对焊是利用电阻热将焊件断面对接焊合的一种电阻焊，可分为电阻对焊和闪光对焊。如图4-33所示。对焊的应用可见图4-34所示。,1）电阻对焊：先加预压，使两端面压紧，再通电加热，使待焊处达到塑性温度后，再断电加压顶锻，产生一定塑性变形而焊合。适于截面简单、直径小于20mm和强度要求不高的杆件。2）闪光对焊：两焊件不接触，先加电压，再移动焊件使之接触，由于接触点少，其电流密度很大，接触点金属迅速达到熔化、蒸发、爆破，呈高温颗粒飞射出来，称为闪光；经多次闪光加热后，端面均匀达到半熔化状态，同时多次闪光把端面的氧化物也清除干净，于是断电加压顶锻，形成焊接接头。 对焊断面形
30、状应相近，以保证断面均匀加热。 其焊接质量较高，常用于重要零件焊接。,4. 电阻焊特点及应用1）加热迅速，温度较低，焊接热影响区及变形小，易获得优质接头；2）不需外加填充金属和焊剂；3）电阻对焊无弧光，噪声小，烟尘、有害气体少，劳动条件好；4）焊件结构简单、重量轻、气密性好，易于获得形状复杂的零件；5）易实现机械化、自动化，生产率高。6）焊接接头质量不稳定；7）焊机复杂，造价较高； 点焊适于低碳钢、不锈钢、铜合金、铝镁合金，厚度4mm以下的薄板冲压结构及钢筋的焊接。缝焊适于板厚3mm以下，焊缝规则的密封结构的焊接。对焊主要用于制造封闭形零件，轧制材料接长、异种材料制造的焊接。,摩擦焊是利用工件
31、金属焊接表面相互摩擦产生的热量，将金属局部加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接的一种热压焊接方法。,4.2.2.2 摩擦焊,1. 摩擦焊的工艺过程 摩擦焊过程如图4-35所示，分为连续驱动式和储能式。,2. 摩擦焊接头形式 接头一般是等断面，也可为不等断面，但其中必须有一个为圆形。如图4-36所示。,3. 摩擦焊的特点及应用,1）接头质量好且稳定；2）生产率高、成本低；3）适用范围广；4）生产条件好； 摩擦焊用于圆形工件、棒料管子的对接。,4.2.3 钎焊,钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互
32、扩散实现连接的焊接方法。钎焊按钎料熔点可分为软钎焊、硬钎焊。钎剂能除去氧化膜和油污等杂质，保护母材接触面和钎料不受氧化，并增加钎料湿润性和毛细流动性。,1. 软钎焊 钎料熔点在4500C以下的钎焊；常用锡铅钎料，松香、氯化锌溶液作钎剂。其接头强度低，工作温度低，具较好的焊接工艺性，用于电子线路的焊接。2. 硬钎焊 钎料熔点在4500C以上的钎焊；常用铜基和银基钎料；硼砂、硼酸、氯化物、氟化物组成钎剂。接头强度较高，工作温度也高，用于机械零部件的焊接。,3.钎焊接头及加热方式 钎焊的接头形式有板料搭接、套件镶接等，如图4-37所示。 钎焊的加热方式有：火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热、盐浴
33、加热和烙铁加热。,4. 钎焊特点及应用1）采用低熔点的钎料作为填充金属，钎料熔化，母材不熔化；2）工件加热温度较低，接头组织、性能变化小，焊件变形小，接头光滑平整，焊件尺寸精确；3）可焊接异种金属，焊件厚度不受限制；4）生产率高，可整体加热，一次焊成整个结构的全部焊缝，易于实现机械化自动化。,5）钎焊设备简单，生产投资费用少。 钎焊主要用于焊接精密、微型、复杂、多焊缝、异种材料的焊件。,思考题1. 埋弧自动焊和手工电弧焊相比有何特点，应用范围怎样？2. 试简要介绍电阻焊中的点焊、缝焊和对焊？3. 钎焊和熔焊比有何根本区别？钎剂有何作用？,第3节 焊接结构工艺设计,焊接工艺设计是根据产品的生产性
34、质和技术要求，结合生产实际条件，运用现代焊接技术知识和先进生产经验，确定焊接生产方法和程序的过程。 焊接工艺设计的主要内容是根据焊接结构工作时的负荷大小和种类、工作环境、工作温度等使用要求，合理选择结构材料、焊接材料和焊接方法，正确设计焊接接头、制定工艺和焊接技术条件等。 焊接结构的主要生产工艺过程为： 备料装配焊接焊接变形矫正质量检验表面处理。,4.3.1 焊接材料,不同焊接方法，焊接材料不同，这里主要介绍焊条电弧焊和埋弧焊的焊接材料。,4.4.1.1 焊条电弧焊焊接材料1. 焊条的组成及其作用 焊条由焊芯和药皮组成。1）焊芯。一方面作电极，起导电作用，产生电弧，提供焊接热源；另一方面作为填
35、充金属，与熔化的母材共同组成焊缝金属。焊芯采用焊接专用金属丝。如H08C等。2）药皮。焊条药皮的主要作用有：改善焊接工艺性；机械保护作用；冶金处理作用。焊条药皮的组成物按其作用分为：稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂等。,2. 焊条的种类、型号、牌号1）焊条的种类。按用途分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜合铜合金焊条、铝和铝合金焊条等。 按药皮性质分为：酸性焊条（酸性氧化物为主）、碱性焊条（碱性氧化物和萤石CaF2为主）。 2）焊条型号。国家标准中的焊条代号。如E4303，E表示焊条，43表示熔敷金属抗拉强度最小值（kg
36、f/mm2 ）；03表示焊接位置为全位置、电流种类为交直流及药皮类型为钛铁矿型 。3）焊条牌号。焊条行业统一的焊条代号，用一个大写汉语拼音字母和三个数字表示。如J422，J表示结构钢焊条；42表示焊缝金属抗拉强度等级（kgf/mm2 ）；2表示药皮类型和电流种类。,4）碱性焊条和酸性焊条特性。 两者性能差别很大，使用时不能随意互换。碱性焊条的特点有：力学性能好；工艺性能差；焊缝金属抗裂性好；对锈、油、水的敏感性大，易出气孔；有毒烟尘多。用于重要的结构钢或合金钢结构。酸性焊条力学性能较差，但工艺性能好，用于一般结构钢。,3.焊条的选用1）等强度原则；2）同成分原则；3）抗裂性要求；4）抗气孔要求
37、；5）低成本要求。,4.3.1.2 埋弧焊焊接材料,埋弧焊的焊接材料有焊丝和焊剂。 焊丝除作电极和填充金属外，还有渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。 焊剂分为熔炼焊剂和非熔炼焊剂，前者主要起保护作用，后者还起渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。使用前均需烘干。,1. 碳素结构钢和低合金结构钢的焊接性能1）低碳钢：焊接性能优良，可采用任何一种焊接方法。2）中碳钢：焊接性能中等，焊缝易产生热裂，热影响区易产生脆硬组织甚至冷裂。常采用手工电弧焊和气焊，须预热。3）高碳钢：焊接性能差，采用焊条电弧焊对其补焊，应预热。4）低合金结构钢：强度级别低的焊接性好，强度级别较高的焊接性较差。常用手工电弧焊和埋弧焊。,4.
38、3.2.1 常用金属材料的焊接性能,4.3.2 焊件材料,2. 铸铁的焊接性能 铸铁的焊接性能差。1）焊接接头易产生白口和脆硬组织；2）裂纹倾向大；3）焊缝中易产生气孔和夹渣。 铸铁不宜作焊接结构材料，只进行修复性补焊。可采用热焊（4000C以上）和冷焊。焊接方法可采用电弧焊和气焊。3. 常用有色金属及其合金的焊接性能（1）铜及铜合金 焊接性能比低碳钢差。1）导热性好，热容量大，易产生焊不透现象；2）线膨胀系数大，凝固收缩率大，焊接应力或变形大；3）易生成氢气孔；,常采用氩弧焊、气焊和钎焊。焊前预热，焊后热处理。可采取如下措施：1）严格控制母材和填充金属的有害成分，可采用脱氧铜；2）清除焊件、
39、焊丝等表面上的油、锈和水分，减少氢的来源；3）焊前预热，焊后再结晶退火。（2）铝及铝合金 焊接特点如下：1）极易氧化，应清除氧化物，采用氩气保护；2）容易形成气孔；,4）铜在高温易氧化，引起热裂纹；5）铜合金中的合金元素易氧化和蒸发，降低焊缝力学性能，易产生热裂、气孔和夹渣。,（3）钛及钛合金1）焊接时易吸收气体使接头变脆。2）易产生裂纹。 常采用氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊、点焊。,4.3.2.2 焊件材料的选择 焊接结构在选材时，总的原则是在满足使用性能的前提下，选用焊接性好的材料。如低碳钢和低合金钢；对不同部位选用不同材料时，要考虑其焊接性的差异，对焊接性较差的材料可采用预热和焊后热
40、处理，并尽量采用型材。,3）容易产生热裂纹；4）易产生焊缝塌陷，须采用垫板。,4.3.3 焊接接头工艺,4.3.3.1 焊缝形式 焊缝形式由焊接接头的形式而定，根据焊缝的截面形状可分为：对接焊缝、角焊缝和塞焊缝等。4.3.3.2 焊缝的布置 焊缝布置影响结构件的焊接质量和生产率，应考虑下列原则：1. 焊缝应尽量处于平焊位置2. 焊缝要布置在便于施焊的位置 如图4-38，如图4-39所示。,3. 焊缝布置要有利于减少焊接应力与变形1）尽量减少焊缝数量及长度，缩小不必要的焊缝截面尺寸，如图4-40所示。2）焊缝布置应避免密集或交叉，如图4-41所示。3）焊缝布置应尽量对称，如图4-42所示。4）焊
41、缝布置应尽量避开最大应力位置或应力集中位置，如图4-43所示。5）焊缝布置应避开机械加工表面。如图4-44所示。,4.3.3.3 焊接接头设计 焊接接头设计包括焊接接头形式设计和坡口形式设计。,1.焊接接头形式设计 常用的基本接头形式有对接接头、盖板接头、搭接接头、角接接头、T形接头、十字接头和卷边接头等，如图4-45所示。其选择应根据结构的形状和焊接生产工艺而定，要考虑易于保证焊接质量和尽量降低成本。 对于钎焊，电阻焊的点焊和缝焊采用搭接；对焊采用对接；熔化焊可采用对接、搭接，角接和T形接对比选择。压力容器一般采用对接，桁架结构一般采用搭接。对于气焊和钨极氩弧焊可采用卷边接头。,2. 焊接接
42、头坡口形式设计 开坡口的目的是为了使接头根部焊透，使焊缝成形美观，通过控制坡口大小调节母材金属和填充金属的比例。加工方法有气割、切削加工、碳弧气刨等。坡口形式主要取决于板料厚度。,1）对接接头坡口形式设计。 对接接头的基本坡口形式有I形坡口、Y形坡口、双Y形坡口、U形坡口、双U形坡口等，如图4-46所示。同样板厚条件下：双Y形坡口比V形坡口所需金属少，焊接工时也少，焊接变形也小；U形坡口也比V形坡口省焊条，省工时，焊接变形也小。,2）角接接头坡口形式设计。 角接接头基本坡口形式有I形坡口、错边I形坡口、Y形坡口、V形坡口等，如图4-47所示。3）T形接头坡口形式设计。 T形接头基本坡口形式有I
43、形坡口、V形坡口等，如图4-48所示。,4）对不同厚度的板材，接头两侧板厚截面应尽量相同或相近，如图4-49所示。,4.3.4 焊接方法的选择 选择焊接方法时应根据下列原则：1）焊接接头使用性能及质量要符合结构技术要求。2）提高生产率，降低成本。,4.3.5 焊接参数选择 焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫焊接参数。1）焊条直径和焊接电流选择。焊条直径根据焊件厚度选择。焊件较薄选较细焊条。焊接电流一般按I=（3060）d选取。并根据焊件厚度、接头形式、焊接位置、焊条种类，通过试焊调整。2）焊接速度。根据焊缝形式确定，不宜过快，
44、也不宜过慢。3）弧长。焊接电弧的长度，一般采用短弧操作。,4.3.6 焊接实例,例题 图4-50所示为低压储气罐，壁厚为8mm，压力为1.0MPa，常温工作，压缩空气，大批量生产。,1）结构分析。筒体由筒节、封头焊合。整个结构由筒体再加四个法兰管座焊合而成，如图4-50所示。2）选择母材材料。封头需拉伸，筒节卷圆，故需较好塑性，再考虑焊接工艺及成本，故筒节、封头、法兰选用普通碳素结构钢（Q235A），短管选用优质碳素结构钢（10钢）。,3）设计焊缝位置及焊接接头、坡口形式。 筒节纵焊缝与环焊缝采用对接I型坡口双面焊，法兰与短管采用不开坡口角焊缝；法兰管座与筒体采用开坡口角焊缝。如图4-50所示
45、。4）选择焊接方法和焊接材料。 角焊缝采用手工电弧焊，选用结构钢焊条J422；选用弧焊变压器；对接焊缝采用埋弧焊，焊丝选用H08A，配合焊剂HJ431。5）主要工艺流程如图4-51。,第4节 焊接技术新发展,1. 计算机技术在焊接中的应用2. 焊接机器人和智能化3. 焊接能源4. 提高焊接产率。,思考题：1. 简述碳素钢和低合金结构钢的焊接性能。2. 简述焊缝布置的基本原则。3. 试为下列情况选择焊接方法。1）钢板（厚度20mm）拼成大型工字梁；2）角钢组成的汽车吊臂（桁架结构）；3）铝制压力容器；4）电路板；5）薄板焊成的带轮、胶带罩。,返回文档,图4-3 氧（氧化亚铁）对低碳钢力学性能的影
46、响,图4-4 氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系,返回文档,表4-1 焊接变形的基本形式,返回文档,一般焊接顺序为：1）先焊收缩量较大的焊缝；2) 工作时受力较大的焊缝；3) 先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。,图4-10 合理安排焊接顺序,返回文档,图4-11 平板对接焊反变形,返回文档,图4-12 工字梁反变形,返回文档,图4-13 刚性固定防止变形,图4-14 长焊缝的分段退焊,返回文档,返回文档,图4-15 机械矫正法 图4-16 火焰矫正法,返回文档,图4-17 埋弧焊焊接过程1焊件 2焊剂 3焊剂漏斗 4焊丝5送丝滚轮 6导电嘴 7焊缝 8渣壳,图4-18 埋弧焊焊缝成形示意图,返
47、回文档,返回文档,图4-19 环焊缝埋弧焊示意图,图4-20 氩弧焊示意图1焊丝或电极 2导电嘴 3喷嘴 4进气管5氩气流 6电弧 7焊件 8填充焊丝 9送丝滚轮,返回文档,返回文档,图4-21 氩弧焊设备组成示意图,返回文档,图4-22 CO2焊示意图,返回文档,图4-23 电渣焊过程示意图,返回文档,图4-24 等离子弧焊,返回文档,图4-25 真空电子束焊,返回文档,图4-26 激光焊示意图,返回文档,图4-27 火焰线材喷涂,返回文档,图4-28 点焊示意图,图4-29 点焊接头形式,返回文档,图4-30 点焊分流现象,返回文档,返回文档,图4-31 电阻缝焊,返回文档,图4-32 缝焊接头形式,返回文档,图4-33 对焊示意图,Fj夹紧力 Fw挤压力 Fd顶锻力,
