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1、材料成形技术基础,建筑之家,第三章 金属焊接成形工艺,第三章 金属焊接成形工艺,一、焊接：,通过加热或加压或者两者并用，并且用或不用填充材料，使金属材料达到原子结合的一种成形方法。,二、分类,熔焊：,气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊电子束焊、激光焊等,压力焊：,电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等,钎焊：,软钎焊、硬钎焊,三、特点,1.焊接结构重量轻，节省金属材料。,3.接头具有良好的力学性能和密封性,4.维修不便（焊接结构不可拆卸）,机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、航空及航天工业等应用十分广泛。,5.焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷,四、应用
2、：,2.可化大为小、以小拼大,第一节金属焊接成形理论基础,一、熔焊冶金过程,(一)、焊接电弧,1.电弧及形成条件,两极间的气体处于电离状态,(3)引弧过程：,一种强烈而持久的气体放电现象,(1)电弧：,(2)形成条件,两电极间具有一定的电压,电阻热：Q=I2Rt,E=V/d,d,焊接电弧的稳定燃烧 就是带电粒子产生、运动、复合、燃烧的动态平衡过程。,热电离,碰撞电离,2.电弧特点：,电压低(2030V)，,电流大(几十几千A),温度高(5000K以上)，,3.电弧组成,阴极区：,发射电子，温度约2400K 热量 36%,温度高于阴极区，约2600K，热量43%,温度达60008000K 热量2
3、1%,阳极区：,弧柱区：,4.弧焊电源：,交流、直流、脉冲、逆变,能量密度大、移动性好,5.两极接法(直流焊机),工件正极；焊条负极,工件负极；焊条正极,直流正接：,适合焊接厚大工件、酸性焊条,直流反接：,适合焊接薄小工件、碱性低氢焊条、易氧化的有色金属,(二)焊接冶金过程,1.特点,冶金温度高，相界大，反应速度快,2000k使金属元素强烈蒸发、烧损。,液态金属会发生强烈氧化、氮化反应夹渣,氢原子易溶入液态金属中形成氢脆。,各种化学反应难以达到平衡状态，化学成分不够均匀，易产生气孔和夹杂等缺陷。,熔池小(约23cm3)，冷却快(液态时间10s左右)。,2.工艺措施,对熔化金属进行机械保护,气体
4、保护,熔渣保护,气-渣联合保护,清理坡口及两侧的锈、水、油污,烘干焊条，去除水分,(1)减少有害元素进入熔池,(2)对熔池进行冶金处理,焊接材料中加入一定量的脱氧剂锰铁和硅铁,加入一定量的合金元素补偿烧损,(三)焊接接头的组织与性能,接头组成：,焊接热影响区,1.焊缝金属,由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而成的,组织：铸态柱状晶组织,性能：力学性能不低于母材。,焊缝金属、熔合区、,1焊缝区（熔化区）2熔合区（半熔化区）3热影响区4母材,2.熔合区：,加热温度：,组织：,强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断发源地,焊缝与热影响区的过渡区。,部分铸态组织+部分过热组织,T液T固，宽度 0
5、.11mm。,性能：,3.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。,(1)过热区,T固1100，宽度约13mm,粗大过热组织(奥氏体晶粒严重长大),加热温度：,组织：,性能：,塑性和韧度明显下降。是裂纹的发源地。,(2)正火区：,加热温度：,1100 Ac3，宽度约1.24.0mm。,组织：,均匀而细小的F+P,性能：,力学性能优于母材。,(3)部分相变区(也称部分正火区),加热温度：,Ac3Ac1之间,组织：,细小的(F+P)+原始组织,性能：,晶粒大小不均匀，力学性能较差(较母材稍差)。,(4)再结晶区,加热温度:,Ac1450之间,塑性有所增加。,小
6、结：,力学性能最差的区域:熔合区和过热区,(四)改善焊接接头组织和性能的主要措施：,1.选用低C、P、S的钢材作为焊接结构材料,2.热影响区冷却速度恰当,3.采用多层焊,后层对前层有回火作用,4.焊后热处理,退火或正火处理可以细化晶粒，改善焊接接头的力学性能,二、焊接应力与变形,1.原因：,在焊接过程中对焊件进行的不均匀加热和冷却。,2.机理：热胀冷缩。,3.焊接应力分布规律：,同铸造热应力,(一)焊接应力产生的原因,4.变形方向：,同铸造应力变形方向,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,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,焊缝横截面
7、形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起,T形梁焊接时，焊缝布置不对称，由焊缝纵向收缩引起,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,薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起,5.焊接变形的基本形式,6.焊接应力和变形危害：,造成焊件的尺寸、形状变化；,矫正变形会使性能降低，成本增加；,焊接应力会降低承载能力；,引起焊接裂纹；,应力衰减会产生变形。,(二)减小和预防焊接应力和变形的工艺措施,1.尽可能减少不必要的焊缝,3.合理地选择焊缝的尺寸和形式,4.焊前预热,2.合理安排焊缝位置,焊缝数量 多，焊件所受的热量相应多，变形大,合 理,焊缝对称分布，收缩变形可相互抵消，焊件整体
8、不会产生挠曲变形,不合理,预热温度：400以下,5.选择合理的焊接顺序,(1)尽量使焊缝自由收缩,采用分散对称焊工艺,（）,（）,（）,1 4 3 2,1 2 3 4,对称焊可使对称于截面中性轴的两侧焊缝的收缩能够互相抵消或减弱，以减小焊接变形。,长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊工艺,6.采用小电流，快速焊,分散焊加热时间短、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形,分段退焊使温度分布均匀，能减小焊接变形,7.加热减应区,8.散热法,对厚大焊件采用多层多道焊,9.锤击或碾压焊缝,10.焊后拉伸或振动工件,11.焊后去应力退火,12.预先反变形,13.刚性固定法,(三)矫正焊接变形的措施,1.机械矫
9、正法,适用于塑性较好、厚度不大的焊件。,2.火焰加热矫正法,用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢,矫正工艺：,以点状、线状和三角形加热变形伸长部分,加热温度为600800,动画,会产生较大焊接应力。只用于塑性较好的低碳钢结构,三、焊接质量检验,(一)常见焊接缺陷,表3-2,影响美观，减小有效承载面积，造成应力集中,危害：,常见缺陷：,咬边、焊瘤、未焊透、气孔、裂纹、夹渣,(二)焊接质量检验过程,1.焊前检验,2.生产过程中的检验,3.成品检验,主要是外观检验,(三)焊接质量检验方法,四、金属的焊接性,1.焊接性:在一定的焊接工艺条件(焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数和结构形式)下，获得优质焊接 接
10、头的难易程度。,焊接性,焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能。,焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性。,(一)焊接性的概念,工艺焊接性,使用性能,2.影响焊接性的因素,(1)焊接方法,(2)焊接材料,(3)焊件化学成分,(4)工艺参数,(二)钢的焊接性评定方法,1.碳当量法,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响,其它元素,CE0.4%,CE=0.4%0.6%,CE0.6%,焊接性能良好,焊接性能较差 焊前预热，焊后缓冷,焊接性能很差焊前必须预热，焊后要适当热处理 一般不用于生产焊接结构。,2.冷裂纹敏感系数法 Pc,考虑了合金元素的含量、
11、板厚及氢含量,预热温度T=1440Pc-392,式中 h板厚，mm；H焊缝金属扩散氢含量(ml/100g),Pc越大，则产生冷裂纹的可能性越大，焊接性越差。,第二节 金属焊接成形工艺方法,一、熔焊,1.工艺过程,(一)手工电弧焊 也称为焊条电弧焊,引弧,2.特点与应用,(1)设备简单，应用灵活方便,(2)焊条系列完整，可焊接大多数常用金属。,(3)劳动条件差，强度大,(4)焊接厚度一般在320mm,生产率较低，质量不稳定,(5)不适合焊接一些活泼金属、难熔金属及低熔点金属,动画,(二)埋弧焊,电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。,焊接电源,控制箱,焊接小车,焊接热源：电弧热,1.埋弧自动焊设备及
12、焊接过程,溶池保护：焊剂(气、渣),2.埋弧自动焊工艺,坡口间隙均匀一致，高低平整。,单面焊：14mm,双面焊：28mm,动画,坡口形式：V、X形,单面焊时，应采用反面衬垫。,要有引弧板和熄弧板,防止烧穿、保证焊缝反面成形,防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂等缺陷进入工件焊缝之中,电弧引燃位置向旋转反方向偏离焊件中心线一定距离e=2040mm,(6)大型环焊缝：,3.特点,与手工电弧焊相比,(1)生产率高(手弧焊的520倍）,(2)焊接质量好且稳定,(3)劳动条件好,4.应用,适于钢、Ni基合金、Cu合金等。不能焊Al、Ti等活泼金属及合金（焊剂为MnO、SiO2）,适用于批量生产,钢板厚度66
13、0mm的水平长直焊缝和直径250mm以上的环形焊缝,（焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观）,（无弧光、飞溅，劳动强度低）,(三)气体保护焊,用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊,1.CO2气体保护焊,(1)工艺过程,焊接热源：电弧热,保护介质：CO2,(2)特点,成本低(为手工电弧焊和埋弧 焊的4050),CO2作为保护气体，焊丝作电极,焊接时操作性能好,明弧焊，适于全位置焊接,焊接质量较好,接头的抗裂性好；焊件变形小,生产率高(比手工电弧焊提高14倍),氧化严重,飞溅严重，焊缝成形差；烟雾大，弧光强；容易产生CO气孔。,(3)工艺措施,焊丝中含有Si、Mn元素(脱氧和渗合金),低碳钢用
14、H08MnSiA焊丝，低合金钢用H08Mn2SiA焊丝,采用直流反接,直流：保证电弧稳定燃烧(CO2气流对电弧冷却作用较强),反接：减小飞溅(工件温度低),(4)应用,适合焊接钢板厚度130mm低碳钢和低合金结构钢,不宜焊接非铁金属和合金钢,2.氩弧焊,使用高纯度氩气作为保护气体的气体保护焊,不熔化极氩弧焊,焊接热源：电弧热,保护介质：Ar,种类,熔化极氩弧焊,工艺要点,a.钢、钛合金和铜合金直流正接,减少W烧损，有利于焊件的熔化,b.铝、镁合金交流电源,“阴极破碎”作用,c.适用于0.56mm的薄板,为减少钨极烧损，电流不宜过大,(1)不熔化极氩弧焊(W极氩弧焊),原理：,钨棒作电极，焊丝作
15、填充金属,(2)熔化极氩弧焊,原理：,焊丝作电极并兼作充填金属,动画,动画,工艺要点,a.均采用直流反接(无电极烧损问题),提高了电弧稳定性；对易氧化合金有“阴极破碎”作用,b.焊接电流范围增大,可焊接中厚板，板厚为825mm,(3)脉冲氩弧焊 电流为脉冲形式,原理：,利用高脉冲电流熔焊件形成焊点，低脉冲电流时焊点凝固，并维持电弧稳定燃烧。,a.可降低热输入，避免薄板烧穿，实现单面焊双面成 形，并能进行全位置焊接。,工艺要点,b.适于焊接0.15mm的管材和薄板。,(4)氩弧焊的特点和应用：,电弧燃烧稳定，飞溅小。,焊缝金属纯净(Ar保护)，焊缝成形美观，焊接质量优良。,焊接热影响区和变形小,
16、操作性能好(明弧、全位置焊),焊接成本较高(氩气价格高),焊前清理要求严格(氩气无冶金作用),应用：,适用于易氧化的有色金属及合金钢材料，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。,3.药芯焊丝气体保护焊,(1)原理：同普通熔化极气体保护焊,采用纯CO2或CO2+Ar混合气体作为保护气。采用内部装有焊剂的药芯焊丝，实现气渣联合保护,(2)特点和应用,飞溅少，电弧稳定，焊缝成形美观,生产率比手工电弧焊高35倍,可以焊接多种材料,抗气孔能力较强,药芯焊丝制造较困难，且易变潮，使用前应在250 300下烘烤,采用直流反接、半自动焊，可进行全位置焊接。,用于焊接碳钢、低合金钢、不锈钢和铸铁等。,1.工艺
17、过程,2.分类 根据电极形式,(四)电渣焊,利用电流通过液态熔渣产生的电阻热进行焊接的一种熔焊方法。,焊接热源：电阻热,保护介质：液态熔渣,(1)丝极电渣焊 焊丝作电极,动画,单丝可焊厚度4060mm,横向摆动后可焊60150mm,三丝摆动可焊450mm。,用于厚度40450mm的长焊缝、大型焊件的环焊缝,(2)板极电渣焊,适用于焊接大断面短焊缝。,成本低，生产率高；但电源功率大，焊缝长度1.5m,3.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(气体和熔渣能充分浮出),(4)焊缝力学性能较差，焊件需正火热处理,(5)不能平焊，不适于厚度30mm工件，焊缝不
18、宜过长,应用：厚度40450mm的碳钢、合金钢、不锈钢等材料,用金属板作为熔化电极,(五)高能焊,如等离子弧、电子束、激光束等,利用高能量密度的束流作为焊接热源的熔焊方法的总称,1.等离子弧焊接与切割,一种压缩的、能量更为集中的电弧,(1)等离子弧,特点：热量集中，温度高(24000K)，电弧挺度高、冲击力大(流达数倍音速),等离子弧的产生 三种压缩效应,a.机械压缩效应,b.热压缩效应,c.电磁压缩效应,弧柱中气体完全电离，获得等离子弧,(2)等离子弧焊,电极：钨极,工作气体：氩气,工艺方法,a.穿孔型等离子弧焊,工艺特点：,电流100300A；,无需开坡口，不要留间隙；,单面焊双面一次成形
19、；,板厚上限为：碳钢7mm，不锈钢10mm。,动画,利用电弧压缩效应，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法,电流0.130A，焊接厚度为0.0252.5mm。,b.微束等离子弧,工艺特点：,焊接过程基本与钨极氩弧焊相似,等离子弧能量密度大，弧柱温度高，一次熔深大，热影响区小,b.可焊超薄焊件 最小厚度可达0.025mm,电流0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，并保持良好的挺直度和方向性，,c.设备复杂，气体消耗量大，只适用于室内焊接,应用,适用于难熔、易氧化、热敏感性强的材料，如Mo、W、Cr、Ti及其合金、不锈钢等,特点,a.生产率高，焊缝质量好，应力变形小,(3)等离子弧切割,利用等离子弧的
20、高温高速弧流使切口的金属局部熔化以致蒸发，并借助高速气流或水流将熔化的材料吹离基体形成切口的切割方法。,特点：,工件切口狭窄，边缘光滑平整，变形小等。,切割速度快，生产率高，,用途：,主要用于不锈钢、非铁合金、铸铁等难以用氧乙炔火焰切割的金属材料以及非金属材料的切割。,切割厚度可达200mm,2.电子束焊,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,(1)电子束焊过程,(2)种类,高真空电子束焊,工作室与电子枪同在一室，真空度为10-210-1Pa,适用于难熔、活性、高纯金属及小零件的精密焊接。,例：锆、钼、钛、钽、镍、铂、铍,动画,低真空电子束焊,工作室与电
21、子枪被分为两个真空室，工作室真空度为10-115Pa。,适用于较大型的结构件和对氧、氮不太敏感的难熔金属,非真空电子束焊 不设真空工作室,适用于碳钢、低合金钢、不锈钢、难熔金属及铜、铝合金等的焊接。,(3)特点及应用,能量密度为普通电弧的500010000倍，热量集中，热影响区小(0.050.75mm)，焊缝窄而深(120)，可对精加工后的零件进行焊接。,焊接变形小，可进行装配焊接,焊接质量高,真空中焊接，金属不会被氧化、氮化，接头强度高,焊接设备复杂，成本高，且焊件尺寸受真空室限制,激发X射线，焊接辅助时间长，生产率低,可焊板厚0.1300mm；可焊形状复杂件；能焊一般金属材料，也可焊难熔金
22、属(如钛、钼等)、活性金属(除锡、锌等低沸点元素较多的合金外)、复合材料及异种金属构件。,应用：,适合焊接一些难熔、活性或高纯度金属以及热敏感性强的金属。,焊接适应性强(工艺参数调节范围宽),主要用于焊接原子能、航空航天部门中特殊的材料和结构,3.激光焊,利用聚集的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量将焊件熔化，进行焊接的方法,(1)激光焊过程,激光单色性好、方向性好，能量密度大。,激光器产生激光束，通过聚焦系统聚焦在焊件上，光能转化为热能，使金属熔化形成焊接接头。,激光焊有点焊和缝焊两种,(2)激光焊的特点及应用,焊接操作灵活,动画,激光不受电磁场的影响，不产生X射线，无需真空保护(焊接极快，
23、被焊材料不易氧化)，可以用于大型结构的焊接。,可直接焊接绝缘导体；也能焊接物理性能差别较大 的异种材料(如金硅、锗金、钼钛等)。,广泛用于电子、仪表工业的微型器件焊接,能量密度大，热影响区、变形小。特别适于光敏材料,设备复杂，价格昂贵，能量转化率低(5%20%)，输出功率较小，焊件厚度受到一定限制，并且对激 光束吸收率低的材料和低沸点材料不宜采用。,(六)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,特点：,可修复已失去精度或表面破损的零件,省材料、省费用、省工时，延长零件的使用寿命。,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工作潜力。,应用：已
24、遍及各种机械产品的制造和维修部门。在冶 金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化 工设备等领域均有广泛的应用。,焊接工艺及其参数要求较高(异种金属焊接),利用电阻热将连接处加热到塑性状态或局部熔化状态，再施加压力形成接头的焊接方法。,二、压焊,(一)电阻焊,通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形，并经再结晶和扩散作用，使两部分金属达到原子间的结合，实现连接的焊接方法。,电阻焊的特点：,(1)电压低，电流大，生产率高,(2)无需填充金属，焊接变形小(加热迅速且温度较低),(3)劳动条件好，操作简单，易于实现自动化生产,(4)设备复杂，投资大，只适用于成批大量生产,(5)接头质量不稳定，限制
25、了在受力较大的构件上的应用,电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种,1.点焊,(1)点焊过程：,焊接第二点时，有一部分电流会流经已焊好的焊点,(2)分流现象：,分流使焊接区电流减小，影响焊点质量。,危害：,控制焊点距离,太近分流现象严重,太远强度不够,措施：,(3)接头形式：搭接,动画,如汽车驾驶室、车厢、电器、仪表、飞机制造,(4)应用：,4mm以下的低碳钢、合金钢、铜合金、铝镁合金等薄板。,2.缝焊,(1)缝焊过程：与点焊相似，盘状电极代替柱状电极,(2)特点：,分流现象严重(焊点互相重叠约50以上),焊接电流大，约为点焊的1.52倍左右。,厚度0.12mm有气密性要求的低碳钢、不锈钢、耐热钢、铝
26、合金等，如油箱、净化器和管道等。,(3)应用：,动画,用于接头强度和质量要求不太高、断面简单，直径小于20mm的碳钢、不锈钢、铜和铝等棒料、管材。,3.对焊,即对接电阻焊,(1)电阻对焊,电阻对焊过程,b.端面加工、清理要求高，质量不易保证。,应用,特点,a.操作简单，接头外观光滑、毛刺小。,如钢筋、门窗等。,(2)闪光对焊,闪光对焊过程,特点,a.接头质量高,b.焊前对端面清理要求不高,c.焊件烧损较多，焊后毛刺需清理,d.适应性强,应用,可用于同种金或异种金属焊接；,可焊直径小于0.01mm的金属丝，也可焊截面2000mm2的金属棒或金属型材。,用于重要杆状件的焊接。工件直径0.01mm2
27、00mm。如刀具、管子、钢筋、钢轨、车圈等。,动画,利用焊件接触端面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶锻力实现焊接的一种固相压焊方法。,(二)摩擦焊,1.焊接过程,动画,(2)焊接生产率高(比闪光对焊高56倍),(1)接头的质量好而且稳定(废品率低于电阻对和闪光对焊),(3)适用范围广(适于焊接异种金属),温度低于焊件金属的熔点，热影响区小；,顶锻力作用下完成塑性变形和再结晶，组织致密；,焊件端面氧化膜和油污被摩擦清除，不易产生气孔和夹渣,2.特点及应用,(4)成本低,焊件无需特殊清理，比闪光对焊节电8090,(5)生产条件好,操作简单，易实现机械化和自动化，无火花、弧光
28、及有害气体。,(6)非圆截面、盘状工件及薄壁管件焊接较困难,(7)可焊接的最大截面为20000mm2(受焊机电机功率的限制),(8)一次性投资费用大，适于大批量生产,适用于黑色金属、有色金属；也适用于特种材料、异种材料焊接。摩擦系数小的铸铁、黄铜不易采用摩擦焊。,应用：,(三)超声波焊,利用超声波的高频振荡使焊件局部接触处加热和变形，然后施加一定压力实现焊接的一种压焊方法。,1.超声波焊过程,2.特点及应用,(1)接头力学性能高于电阻焊，焊接变形小,接头无铸态组织或脆性金属化合物，强度比电阻焊高1520；焊件温度低，焊接应力与变形很小。,(2)焊件表面清理要求不严，耗电较少(仅为电阻焊的5),
29、(3)可焊接厚度差异很大和多层箔片结构,(4)适焊材料广泛,在美、日等发达国家的微电机制造中，超声波焊已几乎取代了电阻焊和钎焊，用来焊接铜、铝线圈和导线。,(四)扩散焊,在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持较长时间，使焊件接触面之间的原子相互扩散而形成接头的焊接方法。,1.扩散焊过程,2.特点及应用,(1)焊接应力变形小，接头强度高,(2)可实现各类同种材料和异种 材料间的焊接,(3)能焊接结构复杂以及厚薄相 差大的工件,(4)焊件表面加工及清理要求高，生产率低，成本高，设备投资大。,应用：,用于熔焊、钎焊难以满足质量要求的精密、复杂的小型焊件。,(五)爆炸焊,利用炸药爆炸时产生的冲击波
30、使焊件迅速撞击，短时间内实现焊接的一种压焊方法。,1.爆炸焊过程,2.特点及应用,适于焊接双金属构件，可节省大量的贵重金属。,高速、高能成形,如钢铜、钢铝、钛钢、锆铌等复合板和复合管等。,采用比母材熔点低的金属作钎料，将焊件和钎料加热，只使钎料熔化而焊件不熔化，利用液态钎料填充间隙、浸润母材并与母材相互扩散实现连接的方法。,三、钎焊,(一)钎焊过程,钎料的浸润、铺展和连接三阶段,(二)钎焊分类,1.钎料：形成钎焊接头的填充金属,钎料要求：,a.合适的熔点、良好的润湿性和填缝能力，能与母材相互扩散；,b.一定的力学性能和物理化学性能。,2.钎焊分类,(1)按熔点,钎料熔点高于450钎焊,接头强度
31、高200490MPa。,特点:,多用于受力较大的钢和铜合金工件及工具的钎焊。如硬质合金刀具、钻探钻头、自行车车架,常用钎料：,黄铜和银基钎料,硬钎焊,钎料熔点低于450的钎焊。,特点：,用于电子产品、电机电器和汽车配件。,接头强度低，60140MPa。,常用钎料：,软钎焊,锡铅钎料,(2)按加热方法分：,火焰钎焊、感应钎焊、浸沾钎焊、炉中钎焊以及烙铁钎焊、电阻钎焊、扩散钎焊、红外线钎焊、反应钎焊、电子束钎焊、激光钎焊等。,3.钎剂,作用,保护钎料和母材接触面不被氧化,增加钎料润湿性和毛细流动性,要求,钎剂残渣对母材和接头的腐蚀性应较小,软钎焊松香或氯化锌溶液。,种类,硬钎焊硼砂、硼酸和碱性氟化
32、物的混合物,清理作用,降低表面张力,保护作用,去除表面氧化皮和油污杂质,熔点应低于钎料,(三)接头形式,套管嵌接,接头间隙0.050.2mm。,板料搭接,便于控制接头间隙，使钎料在接头中均匀分布。,特点：,增加焊件之间的结合面，弥补钎料强度的不足；,(四)特点及应用,(1)应力变形小；接头光滑平整，工件尺寸精确,(2)可焊接性能差异很大的异 种金属,对工件厚度无限制,(3)生产率高,(4)设备简单，生产投资费用少。,(5)接头强度较低，耐热能力差,(6)焊前清理要求严格，而且钎料价格较高,钎焊不适于一般钢结构和重载动载机件的焊接，主要用来焊接精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及某些复杂薄板结
33、构，,如夹层构件和汽车水箱散热器等，各类导线与硬质合金刀具。,第三节 金属焊接成形工艺及焊件结构设计,工艺设计内容：,选择结构材料、焊接材料和焊接方法，设计焊接接头、制定工艺和焊接技术条件。,一、焊接材料,(一)焊条,1.组成及作用,2.种类及型号,(1)种类,根据熔渣化学性质分,酸性焊条,碱性焊条,以酸性氧化物为主(TiO2、SiO2、Fe2O3）,特点：,a.有良好的工艺性,对油、水、锈不敏感，交直流电源均可用。,b.氧化性强，合金元素烧损大，焊缝的塑性和 韧度不高。,c.焊缝中含氢量高，抗裂性差。,应用：一般结构件,酸性焊条,d.成本低,碱性焊条（又称低氢焊条）,药皮中以碱性氧化物与莹石
34、为主(K2O、Na2O、CaO、MnO),特点,脱氧、除氢、渗金属作用强，焊缝力学性能与 抗裂性好,工艺性较差 对油、水、锈较敏感，抗气孔性差,成本高,应用：重要的结构件。,电弧稳定性差 一般采用直流反接,焊条行业统一将焊条按用途分为十类,国家标准将焊条按化学成分划分若干大类,(2)焊条型号与牌号,型号 国家标准代号,碳钢焊条GB5117-1995,E,如“03”表示交直流电源均可用、钛钙型药皮,“E”表示焊条,前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度（MPa）,第三位数字表示焊条使用的焊接位置,“0”、“1”均表示适用于全位置焊接，“2”表示适用于平焊和平角焊，“4”表示适用于向下立焊；,第三、
35、四位数字组合表示电流种类和焊条药皮类型,如E4303、E5015、E5016等。,焊条牌号 行业统一代号。,表示方法：,例：J422,“J”表示结构钢焊条,“42”表示熔敷金属的抗拉强度（Rm）不低于420 MPa,“2”表示氧化钛钙型药皮，交流、直流电源均可使用,Z248,“Z”表示铸铁焊条,“2”表示熔敷金属主要化学成分的组成类型（铸铁）,“4”是牌号编号,“8”表示石墨型药皮，交流、直流电源均可使用,3.焊条的选用,(1)焊条牌号选择,考虑母材的力学性能和化学成分,等强度原则：焊件抗拉强度与焊条强度等级相同,用于低碳钢和低合金结构钢。,同成分原则：焊件化学成分与焊条相近。,用于耐热钢、不
36、锈钢等材料,考虑结构的使用条件和特点,承受动载或冲击载荷，或结构复杂、大厚度的焊件，选择碱性焊条,原则,母材中碳、硫、磷较高：选择碱性焊条(抗裂性较好),考虑焊接设备,(2)焊条直径,焊接件愈厚，焊条直径应愈大,考虑焊条的工艺性,焊前清理困难，且易产生气孔的焊件：选择酸性焊条,(二)埋弧焊焊接材料,1.焊剂,非熔炼焊剂,保护作用，冶金处理作用,起保护作用 目前大多使用,熔炼焊剂,种类,熔炼焊剂牌号:,“焊剂”或“HJ”和三个数字表示,第一位数字表示焊剂中锰含量，,第二位数字表示SiO2、CaF2的含量，,第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号,如“焊剂431”或“HJ431”,2.焊丝,直径1.
37、66mm的实芯,作用,作为电极和填充金属；,脱氧、去硫、渗合金等冶金处理。,牌号：,大写字母“H”(焊)和钢材牌号表示 如H08,。,(1)低碳钢：C0.25%,CE 0.4%,焊接性良好。,(2)中碳钢：C0.250.60%,问题,焊缝区易产生热裂纹,热影响区易产生冷裂纹,二、焊件结构材料的选择,(一)常用金属材料的焊接性能及焊接特点,1、碳素钢,常用焊接方法：,手工电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊和电阻焊。,措施,焊前预热（150250)，焊后缓冷。,选用低氢型焊条。,焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,常用焊接方法：手工电弧焊,(3)高碳钢：C0.60%,焊接性差。,问题:同中碳钢
38、,措施:同中碳钢,预热温度更高（250350）,避免选用高碳钢作为焊接结构件。,焊补,低强度普通低合金结构钢：,高强度普通低合金结构钢：,s390MPa,CE0.4%,16Mn、09Mn2Si,s420MPa,CE0.4%0.5%,焊接性良好。,焊接性较差。,15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV,2.低合金结构钢,焊前预热（150250），焊后缓冷；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。选用低氢型焊条；焊后及时进行消除应力热处理 去氢处理,采用手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、压焊等。,采用手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊,3.奥氏体不锈钢,1Cr18Ni9、1Cr18Ni9
39、Ti、0Cr18Ni9等,问题,晶间腐蚀,热裂纹,常用焊接方法：手工电弧焊、氩弧焊和埋弧焊。,措施：,严格控制焊缝金属的含碳质量,采用含有Ti、Nb等元素的焊接材料和母材,措施：,选用碳质量分数很低的母材和焊接材料(塑性好),采用含适量Mo、Si等铁素体形成元素的焊接材料,焊接工艺：,采用小电流、快速焊,减少加热范围,多层焊时，应等前面一层冷至60以下。,强制冷却。稳定化处理。,一般不用来制造焊接结构，多为补焊。,4.铸铁,焊接性很差,(1)铸铁的焊接性问题,熔合区易产生白口组织和淬硬组织,焊缝区易产生裂纹(冷裂纹、热裂纹),焊缝区易产生气孔(CO与CO2),熔池金属容易流失(铸铁的流动性好不
40、宜立焊),(2)铸铁补焊方法:手工电弧焊和气焊，厚大件采用电渣焊,(3)手工电弧焊补焊方法,焊前将焊件整体或局部预热到600700，补焊过程中温度不低于400，焊后缓冷,热焊法,补焊质量较好,工艺复杂，生产率低，成本高，劳动条件差。,形状复杂、焊后要求切削加工的重要铸件，如汽缸、机床导轨、主轴箱等。,焊前不预热或预热温度较低(400),特点：,应用：,冷焊法,措施：,用于补焊后不要求切削加工的铸件或高温预热易引起变形的铸件,a.依靠焊条来调整焊缝化学成分和提高塑性,b.采用小电流、分段焊(每段50mm)、短弧焊，焊后轻锤焊缝以松驰应力等工艺措施,特点：,a.生产率高、成本低、劳动条件好,b.焊
41、接处切削加工困难,应用：,5.非铁金属,(1)铜及铜合金,焊接性较差(与低碳钢相比),焊接性问题,b.变形开裂倾向大,c.易产生气孔和氢脆现象,a.难熔合,d.铜合金易氧化,焊接工艺措施,a.选择能量密度大的焊接方法，并焊前预热(150550),b.选择适当的焊接顺序，并在焊后锤击焊缝,c.焊前彻底清除氧化物、水分、油污,d.使用熔剂(萤石)对熔池脱氢，降低熔池冷却速度,e.在焊接材料中加入脱氧剂(磷进行脱氧),f.焊后进行退火处理,焊接方法,手工电弧焊、气焊、氩弧焊。不宜采用电阻焊,a.纯铜和青铜：氩弧焊,b.黄铜：气焊(温度较低，锌蒸发较少),(2)铝及铝合金的焊接,焊接性问题,a.易氧化
42、 Al2O3阻碍金属的熔合，容易形成夹杂,b.易形成气孔 液态铝可溶解大量氢,c.易变形、开裂 线膨胀系数和收缩率大，导热性好,d.操作困难 易产生变形，难以掌握加热温度,焊接工艺措施,a.焊前清理,有利于熔合，防止气孔、夹渣,b.厚度超过58mm的焊件，预热至100300,焊接方法,常用的方法：氩弧焊、电阻焊、气焊,减小焊接应力、裂纹；有利于氢的逸出,防止其与空气、水分作用，腐蚀焊件,c.焊后清理残留焊剂和焊渣,(3)钛及钛合金的焊接,焊接性问题,a.易氧化、脆化,b.容易出现裂纹,易吸氢、吸氧、吸氮；合金导热性差,措施：,严格清理焊件表面；焊接时应加强保护,不能用氧乙炔气焊、手工电弧焊和C
43、O2气体保护焊,焊接方法,钨极氩弧焊、等离子焊、真空电子束焊、点焊等,6.异种金属的焊接,(1)焊接性问题,互溶性,材料熔点、膨胀系数、热导率、电阻率等 的差异使焊接困难,易形成脆性大的金属间化合物,例如：FeAl、Fe2Al3、Fe2Al7、FeTi、Fe2Ti,焊缝的成分、组织结构和力学性能与被焊 金属存在差异,(2)工艺措施,防止或减少生成金属间化合物,有效地保护被焊金属,熔焊、压焊、钎焊,(3)焊接方法,(二)焊接选材的基本原则,1.在满足使用性能的前提下，选用焊接性好的材料,按低强度金属选择焊接材料，高强度金属制定焊接工艺,3.采用焊接性不确定的新材料时，必须预先进行焊接性试验,4.
44、尽量选用型材,2.强度和性能不同的钢材拼焊,三、焊接方法的选择,1.低碳钢和低合金结构钢,各种焊接方法均适用,(1)板厚为中等厚度(1020mm),手弧焊、埋弧焊和气体保护焊,(2)生产批量较大长直焊缝或大直径环形焊缝埋弧焊,(4)薄板轻型结构,无密封要求点焊,有密封要求缝焊,(5)若工件为35mm以上厚板重要结构电渣焊,2.合金钢、不锈钢等重要工件氩弧焊,6mm以下的工件不熔化极氩弧焊,熔化极氩弧焊焊接25mm以下的工件,(3)单件生产或焊缝短且处于不同空间位置手弧焊,3.铝合金构件,氩弧焊,4.稀有或高熔点金属的特殊构件,等离子弧焊接、真空电子束焊接或脉冲氩弧焊,微束等离子弧焊接或脉冲激光
45、点焊,5.微型箔件,四、焊接工艺参数的选择,焊接工艺参数：,为保证焊接质量而选定的物理量的总称,手弧焊的工艺参数：,焊条直径、焊接电流、焊接速度、电弧长度,焊条直径主要取决于焊件的厚度,焊接电流根据焊条直径选取,焊接速度尽可能大,电弧长度不能超过所选焊条直径,T形接头：广泛采用在空间类焊件上，具有较高的强度，如船体结构中约70的焊缝采用了T形接头。,五、焊件结构设计,(一)焊接接头和坡口型式的设计,1.焊接接头形式,对接接头,角接接头,T形接头,搭接接头,2.坡口形式,(1)坡口的作用：,保证厚度较大的焊件能够焊透,调整焊缝的性能（调节母材和填充金属的比例）,(2)坡口形式:,不开坡口(I形坡
46、口),V形坡口,X形坡口,U形坡口,(3)坡口型式选择根据,根部较宽，容易焊透，焊条消耗量较小，坡口制备成本较高，用于重要的受动载的厚板结构件,手工电弧焊板厚6mm对接时，一般开设坡口；,重要结构，板厚3mm应开设坡口,厚度相同的工件,a.V、U型坡口,可焊到性较好(一面焊)，焊后角变形大，焊条消耗量大,b.X、双面U型坡口,两面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗量较小,c.U型、双面U型坡口,b.厚度差（t-t1）超过规定时,厚度不同的工件,接头处易应力集中；产生焊不透,a.厚度差（t-t1）不超过表3-7的规定时,接头的基本形式和尺寸按厚度较大的板确定,应在厚板上作出单面或双面斜度。,(二
47、)焊缝布置,1.焊缝位置应便于施焊，有利于保证焊缝质量,(1)平焊缝操作最方便、质量最易保证,(2)应考虑各种所需要的施焊操作空间,焊条运行需空间不够,不便于电极安放,气体的保护效果差,接头处不易存放焊剂,(3)应考虑对熔化金属的保护,2.焊缝尽可能分散布置，避免密集交叉,3.尽可能对称分布焊缝,焊缝集中分布使接头过热，力学性能降低，甚至出现裂纹,焊缝间距(35)t 且不小于100mm,焊缝对称布置可以使各条焊缝的焊接变形相抵消,4.焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位,5.焊缝应尽量避开机械加工面,6.焊缝转角处应平缓过渡,大跨距梁，中间外加应力最大，焊接应力与外加应力叠加易造成应力过大而开
48、裂,增加一条焊缝，改善了焊缝的受力情况，结构承载能力上升,焊接残余应力影响加工精度 焊缝的机械加工性能不好 焊缝会影响工件力学性能,转角易产生应力集中，尖角处应力集中更为严重,(三)焊接结构图的绘制,用以表明焊缝横截面的形状,1.焊缝的图示法表示,2.焊缝的符号表示,(1)基本符号,(2)辅助符号,(3)补充符号,用以补充说明焊缝的某些特征，如是否带有垫板等,采用近似于焊缝横截面形状的图形表示,用以表明焊缝表面形状特征,六、典型焊件的工艺设计,Q345C钢板焊接组合成形,(一)组合工字梁,梁有两块翼板、一块腹板、12块筋板组成,上翼板2000mm+1500mm2 3块下翼板2500mm+150
49、0mm+520mm2 4块腹板2500mm+1250mm2 3块筋板789mml46mm(厚6mm)8块,1)焊缝布置,2)焊条的选择,选用抗裂性较好、伸长率较高的低氢型焊条,E5015(J507),焊条直径为3.2mm或4mm焊接电流为100130A或160210A,3)焊接接头及坡口,材料厚度大于6mm，需开坡口。,4)焊件的热处理,焊缝由对接、T形、角接三种焊接接头组成,Q345C低合金高强度结构钢,焊件较大，形状较复杂，刚性较大，焊接内应力较大。所以，焊前需采取100200预热,wCE=0.50，焊接性能较好，焊后不需进行热处理,(二)液化石油气钢瓶,组成：瓶体、瓶嘴,材料：20钢（或
50、16Mn）,壁厚：3mm,生产类型：大量生产,设计要点：瓶体要耐压，必须绝对安全。材料的焊接性不存在问题。关键技术是结构的成形和焊接,1.确定焊缝位置,上、下封头拉伸变形小，易成形；焊缝多，工作量大，轴向焊缝处于拉应力最高位置,瓶体半部可一次拉伸成形 合理,2.焊接接头设计,瓶体与瓶嘴的焊缝：角焊缝（不开坡口）,瓶体主环缝：衬环对接或缩口对接（V型坡口）,3.焊接方法和焊接材料的选择,瓶体环缝：埋弧自动焊（生产率高、焊接质量稳定）焊接材料采用H08A、H08MnA,配合HJ431,瓶嘴焊缝：手工电弧焊 焊条采用E4303(20钢)，E5015(16Mn),4.主要工艺过程,5.瓶体焊接结构工艺
