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工程材料与热加工基础程晓宇 工程材料与热加工基础 第十一章 焊接 机械工程系机械工程系 金工教研室金工教研室 工程材料与热加工基础程晓宇 引言 第一节 焊接的基本原理 第二节 焊条电弧焊 第三节 其它焊接方法 第四节 压焊与钎焊 第五节 堆焊与热喷涂 第六节 常用金属材料的焊接 第七节 焊接结构设计 参 考 资 料 第十一章焊 接第十一章焊 接 工程材料与热加工基础程晓宇 引言引言 1、何为焊接 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料， 使工件达到结合的一种方法。 1）.熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。 2）.压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完 成焊接的方法称为压焊。 3）.钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的 金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶 化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。 工程材料与热加工基础程晓宇 2、焊接分类 工程材料与热加工基础程晓宇 一、 焊接的实质 二、 焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响 三、 焊接应力与变形 第一节 焊接的基本原理第一节 焊接的基本原理 工程材料与热加工基础程晓宇 一、 焊接的实质一、 焊接的实质 焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用， 在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质 点的扩散作用形成一个整体的过程。 1. 焊接电弧 由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气 体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。电弧燃烧 后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热能和强烈的光。 焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。如图3-1所示。阴 极区是电弧紧靠负电极的区域，阴极区很窄，约为0.1um- 0.01um，温度约为2400K。阳极区是指电弧紧靠正电极的区域，阳 极区较阴极区宽，约为10um-1um，温度约为2600K。电弧阳极区 和阴极区之间的部分称为弧柱，弧柱区温度最高，可达6000K- 8000K。焊接电弧两端间（指电极端头和熔池表面间）的最短距离 称为弧长。 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-1 焊接电弧示意图 工程材料与热加工基础程晓宇 2. 焊接的冶金特点 1 1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均 匀性，常常发生匀性，常常发生偏析、夹杂等缺陷。偏析、夹杂等缺陷。 2 2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收 电弧热量而分解电弧热量而分解成化学性质十分活泼的原子或离子状成化学性质十分活泼的原子或离子状 态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧 化、脆化和其它缺陷。化、脆化和其它缺陷。 3 3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰 铁等物质，除起铁等物质，除起到渗入合金作用、补充烧损元素外，到渗入合金作用、补充烧损元素外， 亦可起到脱氧作用。亦可起到脱氧作用。 4 4）焊缝中硫或磷的质量分数超过）焊缝中硫或磷的质量分数超过0.040.04时，极易产生时，极易产生 裂纹。因此，裂纹。因此，应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通 过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保 证焊缝质量。证焊缝质量。 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化 工程材料与热加工基础程晓宇 二、 焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响二、 焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响 （一） 焊接热循环 焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。 焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊缝。焊缝及其 邻近区域的总称叫焊缝区。 在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温 度，然后再逐渐冷却到常温。由于焊件上各点所处的 位置不同，其被加热的最高温度亦不相同；而热量的 传递需要一定的时间，故各点达到其最高温度的时间 亦不相同。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随 时间变化的过程称为焊接热循环。 工程材料与热加工基础程晓宇 二焊缝区的金属组织与性能 1. 焊缝金属区 焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属 的区域。熔焊时，是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域；电阻 焊时，是指焊后形成的熔核部分。 焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，母材金属和填 充金属熔化后共同形成液态熔池。冷却结晶是以熔池和母材交界 处半熔化状态的母材金属晶粒为结晶核心，沿着垂直于散热面的 反方向生长，成为柱状晶的铸态组织。 2. 熔合区 焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材 半熔化区。此区是焊缝和母材金属的交界区，温度在固相线和液 相线之间，焊接过程中母材金属部分熔化，故亦称半熔化区。熔 化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成过热 粗晶，其塑性和韧性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏。虽然 此区只有0.1mm-0.4mm，但它对焊接接头的性能影响很大，是焊 接接头的危险区域之一。 工程材料与热加工基础程晓宇 3. 热影响区 是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化） 而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为 以下四个区域 （1） 过热区 指焊接热影响区中，具有过热组织 或晶粒显著粗大的区域。此区的温度范围为固相线至1100℃，因 加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其 是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热 影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件，此区容易产生 裂纹。 （2） 细晶区 此区温度范围为Ac3以上，而尚未达到过热 温度。由于焊后为空冷，相当于热处理后的正火组织，亦称正火 区。此区的力学性能优于母材金属。 工程材料与热加工基础程晓宇 （3） 不完全重结晶区 此区温度范围为Ac3至Ac1之间。在此区间 珠光体已转变为奥氏体，部分铁素体深入奥氏体，尚未溶入奥氏 体的铁素体晶粒不断长大。空冷时，奥氏体又折出较细的铁素 体，到Ar1线时，残余奥氏体直接转变为共析组织珠光体，未深 入奥氏体的铁素体却将粗大晶粒保持下来，亦称部分相变区。该 区金相组织很不均匀，力学性能较差。 （4） 再结晶区 此区温度 范围在Ac1至500℃-450℃之间。焊前经过冷变形加工的焊件，由 于母材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生 回复及再结晶而细化，其力学性能提高。焊前未经冷加工变形的 焊件不存在再结晶区。s 工程材料与热加工基础程晓宇 图11－3 平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图 工程材料与热加工基础程晓宇 二焊接裂纹与焊接变形的形式 焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过 该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断 裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接裂纹包括纵向裂纹、 横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变 形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等， 见图11-4。 图11-4 焊接变形形式a 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-4 焊接变形形式b 图11-4 焊接变形形式c 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-4 焊接变形形式d 工程材料与热加工基础程晓宇 三预防和减小焊接应力及焊接变形的措施 1. 合理设计焊接结构 尽量减少焊缝及焊缝的长度和截面 积，并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等， 详见焊接结构工艺性一节。 2. 焊前预热 焊前对焊件预热，可减少焊件各部分的温差， 对减小焊接应力与变形较为有效。重要焊件可整体预热， 还有局部预热即焊前选择焊件的合理部位局部加热使其伸 长，焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。 3. 反变形法 根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方 向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度， 以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。 工程材料与热加工基础程晓宇 4. 刚性固定法 采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不 能完全消除焊后残余变形。 5. 选择合理的焊接顺序 应尽量使焊缝的纵向和横向都能自由收 缩，避免交叉焊缝处应力过大产生裂纹；采用对称焊接顺序以减 小变形；长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法。 6. 锤击焊缝法 用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤 击，以延伸变形，补偿其收缩，同时释放出部分能量，减小焊接 应力和变形。 7. 强迫冷却法 将焊缝区的热量迅速散掉，使焊接时金属受热面积 减小，此法又称散热法。 8. 焊后热处理 采取去应力退火的方法将焊件整体或局部加热到 600℃-650℃，保温一定时间后（不小于1h）缓慢冷却，这样可消 除焊接余应力80％-90％。 工程材料与热加工基础程晓宇 四接变形的矫正 1. 机械矫正法 即用机械的方法将变形矫正过来，生产中常用 的设备有辊床、压力机、矫直机等；薄板焊接最常见的变形 为波浪变形，其矫正较难，一般用锤击法进行矫正 2. 火焰矫正法 采用局部加热焊件的某些部位，使其受热时膨 胀，受周围冷金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而 矫正变形。 工程材料与热加工基础程晓宇 电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。焊条电弧 焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊具有设 备简单，操作灵活，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的 装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，是 生产中应用最广的焊接方法。但焊条电弧焊时有强烈弧光和烟尘 污染，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求较高，焊接 质量不够稳定。因此，主要应用于单件小批量生产中焊接碳素钢、 低合金结构钢、不锈钢、耐热钢和对铸铁的补焊等。适宜板厚为 3mm-20mm。 一、焊条电弧焊电源 二、焊条 三、焊条电弧焊接工艺规范 第二节 焊条电弧焊第二节 焊条电弧焊 工程材料与热加工基础程晓宇 一、 焊条电弧焊电源一、 焊条电弧焊电源 1. 电源的要求 焊条电弧焊电源应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利 于引弧，保证安全；当电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压 应急剧下降；还应保证焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；同 时焊接电流应能灵活调节，以适应不同的焊件及焊条的要求。 2. 电源种类 （1） 交流弧焊机 它是一种特殊的降压变压器，具有结构简单、噪 声小、成本低等优点，但电弧稳定性较差。 （2） 直流弧焊机 直流弧焊机有弧焊发电机（由一台三相感应电动 机和一台直流弧焊发电机组成）和焊接整流器（整流式直流弧焊机） 两种类型。 工程材料与热加工基础程晓宇 二、 焊条二、 焊条 焊条的组成和作用 焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯 两部分组成。 焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又溶化作为填充 金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属；药皮是压涂在焊芯表面的 涂料层，主要作用是在焊接过程中造气，起保护作用，防止空气进 入焊缝；同时具有冶金作用，如脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等；并 具有稳弧、脱渣等作用，以保证焊条具有良好的工艺性能，形成美 观的焊缝。 工程材料与热加工基础程晓宇 2. 焊条的分类 1焊条按熔渣的化学性质分为两大类 1）酸性焊条 溶渣呈酸性，药皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化 物。 2）碱性焊条 熔渣呈碱性，药皮的主要成分为CaCo3和CaF2 。 2焊条按用途可分为十一大类 碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼 耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍 及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。 工程材料与热加工基础程晓宇 3 焊条型号 由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法。如标准规定碳 钢焊条型号为“E“，其中，字母“E“表示焊条；前二位数 字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊接位置， “0“及“1“表示焊条适用于全位置（平焊、立焊、横焊、仰焊）焊 接，“2“为平焊及平角焊，“4“表示焊条适用于向下立焊；第三位 和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。在第四位数 字后附加“R“表示耐吸潮焊条；附加“M“表示耐吸潮和力学性能有 特殊规定的焊条；附加“-1“表示冲击性能有特殊规定的焊条。 工程材料与热加工基础程晓宇 3.焊条的选用 （1）按强度等级和化学成分选用 1）焊接一般结构，如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选与 焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近。 2）焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条。 3）焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件 化学成分相同或相近的特种焊条。 4）焊件碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。 5）焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素的质量分数 较高，而且多数铸件厚度、刚度较大，形状复杂，故一般选用 碱性焊条。 工程材料与热加工基础程晓宇 （2）按焊件的工况条件选用焊条 1）焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱 性焊条。 2）焊接承受静载的结构件时，应选用酸性焊条。 3）焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用酸性 焊条。 4）焊接在特殊条件，如在腐蚀介质、高温等条件下工作的结构件 时，应选用特殊用途焊条。 工程材料与热加工基础程晓宇 （3）按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊条 1）厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条。 2）厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊结构件，应 选用适当的酸性焊条。 3）除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位 置焊条。 工程材料与热加工基础程晓宇 三、 焊条电弧焊接工艺规范三、 焊条电弧焊接工艺规范 1. 焊条直径的选择 焊条直径主要取决于焊件厚度、接头形式、焊 缝位置、焊层（道）数等因素。根据焊件厚度平焊时焊条的选用 原则一般当焊件板厚t≤4mm时，焊条直径dt；当t4mm时， 常采用多层焊，焊条直径为4mm-6mm。 2. 焊接电流的选择 焊接电流大小根据焊条直径来选择。 焊接电流选择亦可用经验公式进行估算，估算公式为IKd，式 中I-焊接电流（A）；d-焊条直径（mm）；K-经验系数，常取30- 40（A/mm）。 工程材料与热加工基础程晓宇 一、 埋弧焊 二、 气体保护电弧焊 三、 电渣焊 四、 等离子弧焊 五、 电子束焊 六、 激光焊 第三节 其它焊接方法第三节 其它焊接方法 工程材料与热加工基础程晓宇 一、 埋弧焊一、 埋弧焊 1. 定义电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊。 2. 特点 1）生产率高； 2）焊接质量高、稳定； 3）节约金属材料； 4）改善劳动条件。 3. 应用常用来焊接厚度为6mm-60mm的长直焊缝和较大直径 （一般不小于250mm）的环形焊缝。 工程材料与热加工基础程晓宇 二、 气体保护电弧焊二、 气体保护电弧焊 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气 体保护焊。 （一） 氩弧焊 1. 定义氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。 2. 特点 1）焊件不易氧化； 2）便于操作，容易实现全位置自动化； 3）焊接热影响区小，焊件不易变形； 4）焊缝致密，成形美观； 5）焊接成本高。 3. 应用主要用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、 钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。为了防止保护气流破环，氩弧 焊只能在室内进行。 工程材料与热加工基础程晓宇 （二） 二氧化碳气体保护焊 1. 定义利用CO2作为保护气体的气体保护焊，简称CO2焊。 2. 特点 1）电流密度大，生产效率高； 2）焊接热影响区小，焊件不易变形； 3）焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好； 4）焊接成本低。 3. 3. 应用应用 适合于各种位置的焊接，目前，适合于各种位置的焊接，目前，CO2CO2焊已在全国广泛焊已在全国广泛 普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。 工程材料与热加工基础程晓宇 三、 电渣焊三、 电渣焊 1. 定义电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接 的方法。 2. 特点 1）厚大截面可一次焊成，生产效率高； 2）焊缝金属比较纯净； 3）接头组织粗大，焊后需进行正火处理。 3. 3. 应用适用于板厚应用适用于板厚40mm40mm以上结构的焊接。一般用于直缝焊接，以上结构的焊接。一般用于直缝焊接，目 前，电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械等大型设，电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械等大型设 备制造中得到广泛使用。备制造中得到广泛使用。 工程材料与热加工基础程晓宇 四、 等离子弧焊四、 等离子弧焊 1. 定义借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等 离子弧进行焊接的方法称为等离子弧焊。 2. 特点 1）焊件不易氧化； 2）便于操作，容易实现全位置自动化； 3）焊接热影响区小，焊件不易变形； 4）焊缝致密，成形美观； 5）电弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁结构； 6）弧柱温度高，焊接速度快，生产率高。 3. 3. 应用等离子弧焊接已日益广泛应用于生产中，特别是等离子弧焊接已日益广泛应用于生产中，特别是国防工业 和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如 钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封接钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封接 及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-5 等离子弧焊 工程材料与热加工基础程晓宇 五、 电子束焊五、 电子束焊 定义利用加速和聚焦电子束轰击置于真空或非真空中焊件所生的 热能进行焊接的方法称为电子束焊。 2. 特点 1）焊缝金属纯度高； 2）焊缝表面质量好，内部熔合性好； 3）焊接热影响区小，焊件不易变形； 4）控制灵活，精度高，适应性强。 3. 应用电子束焊应用广泛，从微型电子线路组件、真空膜盒、钼 箔蜂窝结构、原子燃料器件到大型的导弹外壳都可以采用电子束焊 接。此外，熔点、导热性、溶解度相差很大的异种金属，在真空中 使用的器件和内部要求真空的密封器件等，用真空电子束焊接也能 得到良好接头。 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-6 电子束焊 工程材料与热加工基础程晓宇 六、 激光焊六、 激光焊 1. 原理利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统聚焦到十分 微小的焦点，当调焦到焊件接头处时，光能转换为热能，从而使金 属熔化形成接头。 2. 特点 1）焊接热影响区极小，焊件难于变形； 2）焊件不易被氧化，可在空气中焊接； 3）焊接设备与焊件间无接触，可焊接难于接近的接头。 3. 3. 应用激光焊比较容易实现异种金属和异种材料的焊接，目前已应用激光焊比较容易实现异种金属和异种材料的焊接，目前已 广泛用于电子工业和仪表工业中微型件的焊接。广泛用于电子工业和仪表工业中微型件的焊接。 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-7 激光焊 工程材料与热加工基础程晓宇 焊接过程中，必须对焊件施加压力 （加热或不加热），以完成焊接的方 法称为压焊。 一、 电阻焊 二、摩擦焊 三、钎焊 第四节 压焊与钎焊第四节 压焊与钎焊 工程材料与热加工基础程晓宇 工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称为电阻焊。 电阻焊分为对焊、点 焊和缝焊。 一对焊 对焊是使用两个被焊工件沿整个接触面焊合的电阻工艺。按工艺不 同可分为电阻对焊和闪光对焊。见图3-8。 1. 电阻对焊 电阻对焊是将工件装配成对接接头，使其端面紧密接 触，利用电阻热加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法。 电阻对焊适用于直径20mm以下的棒料和管材的焊接。 2. 闪光对焊 工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达 到局部接触，利用电阻热加热这些接触点（产生闪光），使端面金属熔 化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成 焊接的方法，称为闪光对焊。 闪光对焊广泛应用于建筑、机械制造、 电气工程等部门，如钢筋、钢管、汽车轮缘、自行车轮圈、切削刀具， 以及铝铜电缆过渡接头的焊接等。 一、 电阻焊一、 电阻焊 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-8 对焊 工程材料与热加工基础程晓宇 二电阻点焊 电阻点焊是焊件装配成搭接 接头，并压紧在两电极之间，利 用电阻热熔化母材金属，形成焊 点的电阻焊方法，见图11-9。 电阻点焊主要适用于各种薄板、 板料冲压结构及钢筋构件，广泛 应用于飞机、汽车、拖拉机、农 机、轻工、电子器件、仪表和日 常生活用品的生产中。 图11-9 点焊 工程材料与热加工基础程晓宇 三胶接点焊 胶接点焊是以胶接加强电阻点焊强度的连接方法。它是近年来发 展起来的新工艺。与电阻点焊相比，胶接点焊接头的搭接抗剪强度可 提高3倍，疲劳强度可提高9倍。 四缝焊 工件装配成搭接接头、对接接头、T形接头、角接接头等接头形 式（如图3-11所示），并置于两滚轮电极之间，滚轮加压工件并转 动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法称为缝焊，见 图3-10。 缝焊主要应用于焊缝较规则，有密封要求的3mm以下薄壁结 构，如消声器、油箱、小型容器等。 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-11 常用焊接接头形式（a） 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-11 常用焊接接头形式b 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-11 常用焊接接头形式c 图11-11 常用焊接接头形式d 工程材料与热加工基础程晓宇 摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达 到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。 摩擦焊的特点焊接表面不易氧化，接头质量稳定，不 易产生夹渣、气孔等缺陷，废品率低，无需焊条、焊剂及填 充金属，操作简单、成本低、生产率高，易于实现机械化， 自动化。同种金属及异种金属均可施焊。摩擦焊适用于圆形 截面的棒材或管材，亦可将管材焊在平板上。实心焊件截面 直径为2mm-100mm，空心焊件最大外径可达几百毫米。 二、摩擦焊二、摩擦焊 工程材料与热加工基础程晓宇 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。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、低于母材熔化温度，利用液态钎 料料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。常用钎焊设备见图11-12、 11-112。 三、钎焊三、钎焊 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-12 网带式钎焊炉 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-13 保护气氛铜钎焊炉 工程材料与热加工基础程晓宇 根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。 硬钎焊硬钎焊 使用硬钎料（熔点高于使用硬钎料（熔点高于450450℃℃）进行的钎焊称为硬钎焊。）进行的钎焊称为硬钎焊。常常 用的钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金。钎剂常用硼砂、硼酸、用的钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金。钎剂常用硼砂、硼酸、 氯化物、氟化物等。加热方法有火焰加热、盐浴加热、炉内加热、氯化物、氟化物等。加热方法有火焰加热、盐浴加热、炉内加热、 电阻加热、高频感应加热等。硬钎焊接头强度较高，可达电阻加热、高频感应加热等。硬钎焊接头强度较高，可达490 490 MPaMPa，，适用于受力较大及工作温度较高的焊件，如自行车车架，切适用于受力较大及工作温度较高的焊件，如自行车车架，切 削刀具等。削刀具等。 软钎焊软钎焊 使用软钎料（熔点低于使用软钎料（熔点低于450450℃℃）进行的钎焊称为软钎焊。）进行的钎焊称为软钎焊。 常用的钎料为锡、铅钎料。焊剂为松香、松香酒精溶液、氯化锌溶常用的钎料为锡、铅钎料。焊剂为松香、松香酒精溶液、氯化锌溶 液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在40Mpa40Mpa- -140Mpa140Mpa之间，用于之间，用于 受力不大或工作温度较低的工件，如电子器件、仪器、仪表等。受力不大或工作温度较低的工件，如电子器件、仪器、仪表等。 钎焊的特点是加热温度低，焊件本身不熔化，故接头组织与性钎焊的特点是加热温度低，焊件本身不熔化，故接头组织与性 能变化小，焊件的应力和变形也小，易保证焊件尺寸，接头光滑能变化小，焊件的应力和变形也小，易保证焊件尺寸，接头光滑 平整，外形美观，同种、异种金属均可焊接，设备简单、易于实平整，外形美观，同种、异种金属均可焊接，设备简单、易于实 现自动化。但接头强度低，耐热温度不高，焊前对焊件清理要求现自动化。但接头强度低，耐热温度不高，焊前对焊件清理要求 较严，不适于大型构件较严，不适于大型构件 工程材料与热加工基础程晓宇 一、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称为堆焊。 堆焊的目的是提高零件表面的耐磨、耐热、耐蚀等性能或修复 已磨损的零件使其恢复原尺寸。堆焊时必须根据其目的不同选用合 适的堆焊焊条，国家标准GB984-85对各种不同堆焊焊条的型号、堆 焊层金属化学成分、堆焊后硬度等指标都作出了详细规定。需要时 可进行查阅。 金属极焊条电弧焊堆焊是最简单的堆焊方法，堆焊时采用小电 流、短电弧。为了防止焊件变形和减小焊接应力，堆焊时应尽量缩 小热影响区。为了使热量分散，焊道间可采用间跳堆焊，纵向对称 堆焊或螺旋形堆焊，见图11-14，若需多层堆焊时，层与层之间的堆 焊方向可互成90度。 第五节 堆焊与热喷涂第五节 堆焊与热喷涂 工程材料与热加工基础程晓宇 图11-14 堆焊焊道形式 工程材料与热加工基础程晓宇 二、热喷涂 热喷涂是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷 射在零件表面上，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。喷涂材料可 以是线材，也可以是粉末材料。喷枪热源可以是气体火焰，也可以是 电弧或等离子弧等。 金属喷涂时，由于熔融金属被雾化后高速喷射到金属表面， 所以喷涂层含有金属氧化物粒子，比轧制材料更硬、更脆、且具有多 孔性。除各种金属线材的喷涂外，还可以喷涂制成粉末材料的陶瓷、 玻璃、塑料等非金属材料，以满足各种零件表面性质的使用要求。 工程材料与热加工基础程晓宇 一、金属材料的焊接性 二、碳素钢的焊接 三、低合金钢的焊接 四、不锈钢的焊接 五、铸铁的补焊 六、有色金属的焊接 第六节 常用金属材料的焊接第六节 常用金属材料的焊接 工程材料与热加工基础程晓宇 金属材料的焊接性是指材料在限定的施工条件下，焊接成 按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受 材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。焊接性 的好坏主要从两个方面来衡量。一是焊接工艺性的优劣，如焊接 接头产生的缺陷，尤其是出现各种裂纹倾向的大小；二是焊接接 头在使用过程中的可靠性，如焊接接头的力学性能、耐蚀、耐热、 导电、导磁等方面性能的持久性。一般情况下，合金的含碳量越 高，其焊接性就会越差。 一、金属材料的焊接性一、金属材料的焊接性 工程材料与热加工基础程晓宇 二、碳素钢的焊接二、碳素钢的焊接 低碳钢的焊接 低碳钢塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感， 具有良好的焊接性。焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施即可获得 优质接头。但对于厚度大于50mm的构件，需用多层焊，焊后应进行消 除应力退火；在低温条件下焊接刚度大的构件时，由于温差大而变形 又受到限制，会导致较大的焊接应力，应进行焊前预热，重要构件常 进行焊后去应力退火或正火。 低碳钢可以用各种方法进行焊接，常用的是焊条电弧焊、埋 弧焊、电阻焊、电渣焊和气体保护焊。一般结构常使用酸性焊条，如 E4303，E4320，E4301，E4310等；对于承受重载或低温下工作的重要 构件，以及厚度大、刚度大的构件可采用低氢型焊条，如E5015， E5016、E4316等。埋弧焊一般采用H08A或H08MnA焊丝，配以HJ431焊 剂进行焊接。 补焊而很少用于构件的焊接。 工程材料与热加工基础程晓宇 中、高碳钢的焊接 中、高碳钢属于淬火钢，随着碳的质量分数的增加，其淬硬 倾向渐趋严重，焊接性明显变差。通常焊接中碳钢的铸件或锻件， 焊接时一般从两方面着手一是选用适当的焊条，如抗裂性好的低 氢型焊条或奥氏体不锈钢焊条等；二是采用一定的焊接工艺措施， 如焊前预热工件，采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，防止母 材金属过多地深入焊缝，以防止产生热裂纹，并采用焊后缓冷以防 止产生冷裂纹等。 高碳钢工件则只用于补焊而很少用于三、低合金钢的焊接 工程材料与热加工基础程晓宇 低合金钢焊接经常出现的问题 （1） 热裂纹 热裂纹指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固 相线附近的高温区产生的焊接裂纹。其原因在于低合金钢的焊接过程 中铜、硼、氮等元素成为形成裂纹的敏感元素。 （2） 冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以 下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹常发生在高强度钢的厚板 结构中。其原因是接头的刚度大，造成的局部应力大，或在冷却过程 中氢析出后聚集造成局部应力超过了钢的强度极限。 （3） 白点 在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形 斑点称为白点。其产生原因是焊接过程中吸收了过量的氢，故又称氢 白点。 低合金钢焊接主要根据不同钢号的屈服点等级选择焊接材料，应遵守 等强度（某些钢号应考虑成分相同或相近）原则。对于厚度大、刚度 大的构件或在低温下焊接时应考虑使用低氢型焊条，焊前进行预热 等，严格按照焊接工艺规范施焊。 三、低合金钢的焊接三、低合金钢的焊接 工程材料与热加工基础程晓宇 五、铸铁的补焊五、铸铁的补焊 为修补工作（铸件、锻件、机械加工件或焊接结构件）的缺陷 而进行的焊接称为补焊。 1. 避免白口和裂纹的措施 白口组织出现的主要因素是碳含量高。如 果能使焊缝金属缓慢冷却、调整热循环，使碳元素可以自由地游离出 来，就可以降低白口组织的形成；若能进一步调节焊缝金属的化学成 分则会达到更好的效果。硅、铝等是促进石墨化元素，其含量的提高 可促进碳以石墨形态析出；而硫、铬等则是反石墨化元素。在焊接材 料中应增大促进石墨化元素的含量，降低反石墨化元素的含量，以防 止或降低白口的形成倾向。同时，在焊接过程中应采取种种措施，减 小焊接应力，防止裂纹的产生 工程材料与热加工基础程晓宇 2. 2. 铸铁的补焊方法及补焊材料铸铁的补焊方法及补焊材料 （（1 1）铸铁的补焊方法）铸铁的补焊方法 补焊方法有热焊法，即焊前将工件全部或局补焊方法有热焊法，即焊前将工件全部或局 部预热到部预热到500500℃℃- -700700℃℃，焊后在炉中缓慢冷却；半热焊法，即焊前，焊后在炉中缓慢冷却；半热焊法，即焊前 将工件预热到将工件预热到400400℃℃以下进行补焊的方法。以下进行补焊的方法。 （（2 2）铸铁补焊材料）铸铁补焊材料 一般采用铸铁焊条。常用的铸铁焊条有两类一般采用铸铁焊条。常用的铸铁焊条有两类 一类为焊缝金属是铸铁组织的焊条，如一类为焊缝金属是铸铁组织的焊条，如EZCEZC，，EZCQEZCQ；；另一类是焊缝另一类是焊缝 组织为非铸铁组织的焊条，如组织为非铸铁组织的焊条，如 EZVEZV等。等。 工程材料与热加工基础程晓宇 一铜及铜合金的焊接 1.铜及铜合金的焊接特点 1）导热性强（纯铜的热导率约为低碳钢的8倍），因此要求强热 源，否则容易产生焊不透等缺陷。对于厚而大工件焊前需预热。 2）膨胀系数大，液固转变时的收缩也大。因此焊接时易产生较 大的焊接应力，变形和裂纹倾向大。 3）液态时易氧化生成Cu2O，结晶时和铜形成低熔点的共晶体， 也是产生裂纹的原因之一。 4）液态时吸气性强，特别容易吸收氢，若凝固时析出不充分容 易生成气孔。 5）铜的电阻极小，故不适于采用电阻焊。 六、有色金属的焊接六、有色金属的焊接 工程材料与热加工基础程晓宇 2.2.铜及铜合金的焊接工艺铜及铜合金的焊接工艺 （（1 1）气焊）气焊 气焊时一般依工件厚度不同，开气焊时一般依工件厚度不同，开I I形、形、V V形、形、X X形形 坡口。坡口。 （（2 2）焊条电弧焊）焊条电弧焊 焊条电弧焊应先开坡口并清理污物。一焊条电弧焊应先开坡口并清理污物。一 般采用低氢型焊条。般采用低氢型焊条。 （（3 3）手工氩弧焊）手工氩弧焊 氩弧焊是铜及铜合金焊接的首选方案。氩弧焊是铜及铜合金焊接的首选方案。 可有效地保护熔池不被氧化和熔入气体，得到优良的焊接可有效地保护熔池不被氧化和熔入气体，得到优良的焊接 接头，工件变形小，若板厚小于接头，工件变形小，若板厚小于3mm3mm，，可开可开I I形坡口；板厚形坡口；板厚 在在3mm3mm- -10mm10mm时开时开V V形坡口；板厚大于形坡口；板厚大于10mm10mm时开时开x x形坡口。焊形坡口。焊 前应清理除去焊件坡口边缘焊丝表面的氧化膜。焊接时要前应清理除去焊件坡口边缘焊丝表面的氧化膜。焊接时要 合理地选择焊接工艺规范，焊接速度要高；焊接电流选择合理地选择焊接工艺规范，焊接速度要高；焊接电流选择 与板厚、工件结构、预热温度等因素有关。焊后要进行热与板厚、工件结构、预热温度等因素有关。焊后要进行热 处理。处理。 工程材料与热加工基础程晓宇 一、焊接结构材料的选择 二、焊接结构的工艺性 三、焊接接头的形式与坡口 第七节 焊接结构设计第七节 焊接结构设计 工程材料与热加工基础程晓宇 在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接 性能较好的材料。一般碳的质量分数小于0.25％的 碳素钢和碳的质量分数小于0.20％的低合金都具有 良好的焊接性，应尽量采用；碳的质量分数大于 0.50％的碳素钢和碳的质量分数大于0.40％的合金 钢焊接性不好，应尽量避免采用。同一构件焊接时应 尽量选用同种金属材料。 一、焊接结构材料的选择一、焊接结构材料的选择 工程材料与热加工基础程晓宇 一焊接结构应尽量选用型材或冲压件 设计焊接结构时应尽量采用工字钢、槽钢、角钢 和钢管等成形材料以减少焊缝、简化工艺。 二合理布置焊缝 1） 焊缝布置应尽量分散，且不宜过长。焊缝之间的 距离应大于板厚的3倍，且不小于100mm，见图11 －15。 图11－15 焊缝布置应尽量分散 二、焊接结构的工艺性二、焊接结构的工艺性 工程材料与热加工基础程晓宇 2） 焊缝的位置应尽量对称布置，否则会由于焊缝 不在中心引起弯曲变形，见图11－16。 图11－16 焊缝应对称布置 工程材料与热加工基础程晓宇 3） 焊缝的布置不得交叉，见图11－17。 图11－17 焊缝的布置不得交叉 工程材料与热加工基础程晓宇 4） 应尽量减少构件或焊接接头部件的应力集中，避免 尖角焊缝，见图11－18。 图11－18 尽量避免尖角焊缝 工程材料与热加工基础程晓宇 5） 焊缝应避开最大应力和应力集中的部件，见图11－ 19。 图11－19 焊缝应避开应力集中位置 工程材料与热加工基础程晓宇 6
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