1、第4章 焊 接,焊接是通过加热或同时加压和加热，使分离的金属产生原子间的结合与扩散，形成永久性连接的工艺方法。 用于制造各种金属结构和机械零件及零部件的修复。,焊接方法分为三大类。 1熔化焊。主要有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊、气焊、电渣焊、等离子弧焊等。 熔化焊的特点：1、使用填充金属，2、工件结合处、填充金属形成共同的熔池，3、熔池需要保护。,2压力焊。主要有电阻焊（点焊、缝焊和对焊）、摩擦焊。 压力焊的特点： 1、不使用填充金属， 2、加热又加压，工件接合处产生塑性变形， 3、不需要保护措施。,3钎焊。 特点：1、用比工件熔点低的钎料，与工件一同加热，2、工件不熔化，钎料熔化，填充
2、到工件连接处，冷却凝固后，将工件连接在一起。,焊接结构的优缺点 1、优点： 与铆接结构相比，节省材料，密封性好。 采用铸造焊接或锻造焊接，产品生产方法更灵活。 可以制造双金属和复合层结构零件。 2、缺点： 焊接应力和变形大； 焊缝易产生气孔、 裂纹、夹渣等缺陷； 有些金属材料 不适合焊接。,4.1 金属熔化焊工艺基础,4.1.1 焊接电弧 焊接热源的要求：温度高，热量集中，热源稳定连续。 熔化焊最广泛的热源：电弧热。 焊接电弧是电极之间的气体介质放电现象，充满高温电离气体。 电弧沿着长度分为三个区域：阳极区、弧柱区、阴极区。 阳极区的热量最多，约43； 阴极区的热量其次，约36； 弧柱区的热量
3、最少，约21。 阳极区的温度为2600K， 阴极区的温度为2400K， 在电极材料沸点左右； 弧柱区散热慢，温度最高可达60008000K。,阳极区和阴极区热量、温度都有差别， 手工电弧焊选用直流电源焊接时，就有极性的选择问题。 工件接电源的正极，焊条接负极，称为正接法； 工件接电源的负极，焊条接正极，称为反接法。 选择电源极性主要根据焊条材料和工件所需热量。 酸性焊条焊接厚板，采用正接法。 焊接薄板，采用反接法。 碱性焊条一般用反接法。 至于交流电弧，没有极性选择问题。,4.1.2 熔化焊的冶金特点,一、焊接温度高 在高温作用下，合金元素强烈地蒸发和烧损；同时，金属液体的吸气能力也随温度的提
4、高而增加，冷却时氧、氮、氢等气体析出聚集成气泡，来不及浮出，会产生气孔缺陷。 二、金属熔池的体积小，保持在液态的时间短 各种冶金反应很难达到平衡状态。 后果：焊缝金属化学成分不均匀；气体或杂质来不及浮出熔池，易产生气孔、夹渣缺陷。,三、熔化焊中需采取的措施 1. 有效保护，隔离空气。 目的是防止空气对焊接区的有害作用。 气渣联合保护：手工电弧焊，焊条药皮造气剂产生保护性气体，隔离空气；造渣剂熔化形成熔渣，覆盖在熔池表面，隔离空气。 渣保护：埋弧自动焊，焊剂熔化形成熔渣隔离空气。 气保护：气体保护焊，保护性气体形成保护层隔离空气。 真空焊接：真空电子束焊。 2. 控制焊缝金属的化学成分。 可以向
5、焊条药皮或焊剂中加入合金元素，也可以向焊条芯或焊丝中加入合金元素。 目的：补偿焊接过程中的合金元素蒸发、烧损；特定的合金元素可以改善焊缝金属的力学性能。 3. 脱氧和脱硫、磷。 空气中的氧气、工件表面的氧化皮、锈、油污、水分等。 焊前工件应仔细清理，焊接材料加入脱氧剂。 硫形成热裂纹，磷形成冷裂纹。 药皮或焊剂的造渣剂进行脱硫、脱磷。,4.1.3 焊接接头的金属组织及性能,焊接接头是由两部分所组成，即焊缝区和焊接热影响区。 焊接接头性能与焊缝区和焊接热影响区都有关。 一、焊缝金属 焊缝金属一般是由熔化的填充金属和局部熔化的工件金属形成的熔池凝固区域。 仍然是成核、晶核长大的过程。 焊缝金属的结
6、晶特点： 焊缝组织结晶形成柱状晶形态的组织。 液态金属过热度很大，合金元素 蒸发、烧损严重，异质晶核比较少， 结晶在熔池壁表面成核长大。散热 最快的方向是垂直于熔池壁的方向， 因此以柱状晶形态向焊缝中心长大。,已经凝固的焊缝金属中的合金元素来不及扩散，化学成分不均匀，存在偏析；杂质和气体来不及析出，形成夹渣和气孔。 焊接过程中，一般要通过焊接材料向熔池金属中加入一些合金元素，使焊缝金属合金元素的质量分数高于被焊金属。 好处在于，强化焊缝；细化焊缝的晶粒。 只要采用正确的焊接工艺，就可以避免产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷，保证焊缝金属的性能不低于被焊金属的性能。,二、焊接热影响区 焊缝附近金属因焊接
7、热作用而使组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。 随着距离金属熔池的远近不同，工件所受的热作用和升高的温度不同。因此，焊缝附近区域的金属相当于受到了不同规范的热处理，使组织和性能发生了变化。 焊接热影响区不仅与焊接热作用有关，还与母材化学成分、焊前热处理状态有关。 以低碳钢为例。 1）熔合区。焊缝与被焊金属 交界区。温度在液、固相线之间。 组织：过热而长大的粗晶组织和 部分新结晶的铸态组织。 化学成分、组织性能不均匀。 范围很窄。 对焊接接头的强度、塑性影响大， 常产生裂纹、脆断。,2）过热区。温度在固相线1100。 晶粒粗大的过热组织。 塑性和韧性低。 3）正火区。 温度在1100A3线
8、。 发生重结晶（铁素体、珠光体转变为奥氏体），等于正火处理。 细小均匀的铁素体、珠光体组织。 力学性能优于母材金属。 4）部分相变区。 温度在A3A1之间。 部分发生重结晶（珠光体转为奥氏体），冷却后是细小的珠光体。未转变的铁素体变为粗大的铁素体。 组织、晶粒不均匀，性能不均匀。,热影响区中各区的组织变化和分布与被焊金属的化学成分及焊前的热处理状态有关。 不易淬火的钢种与低碳钢基本相同。 易淬火的钢种（中碳钢、高碳钢、合金钢等）与焊前热处理状态有关。 焊前正火或退火状态，在相当于低碳钢的过热区和正火区部位将出现马氏体的组织，将该区域称为淬火区。部分相变区形成部分淬火区。 焊前淬火状态，靠近部分
9、淬火区的区域还会形成回火区。 1-熔合区；2-过热区；3-正火区；4-部分相变区；5-未受影响的金属；6-淬火区；7-部分淬火区；8-回火区。 出现马氏体，塑性、韧性低，易产生裂纹。,对于低碳钢，熔合区和过热区对焊接性能的不利影响最大，应尽可能减小焊接热影响区的范围。 不同焊接方法焊接低碳钢热影响区的平均尺寸图。 手工电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、埋弧自动焊的热影响区都比气焊、电渣焊小，可以优先选用。 小直径焊条、小电流快速焊、多层焊也有利于减小热影响区。 焊后热处理可以有效改善和消除热影响区。 低碳钢、低合金钢重要结构件，电渣焊结构件，焊后正火处理。 焊前预热，可以减慢工件焊接后的冷却速
10、度，防止产生淬火组织。,4.1.4 焊接应力、变形及裂纹,一、焊接应力 工件不均匀的局部的加热是产生焊接应力和变形的根本原因。 焊接应力的结论： 焊缝及附近区域产生拉应力，而两边区域产生压应力。 焊接应力和变形同时存在。刚度小、塑性好，变形大、应力小；刚度大、塑性差，变形小、应力大。,二、焊接变形及防止 1、焊接变形的基本形式 1、收缩变形，焊缝收缩导致工件尺寸变小。 2、角变形，截面或布置不对称，截面大焊缝收缩大。 3、弯曲变形，布置不对称，工件长度方向收缩。 4、扭曲变形，不对称或焊接顺序不合理，工件长度方向发生角变形。 5、波浪变形，薄板在焊接应力（主要是压应力）作用失稳。,2、减小焊接
11、变形的工艺方法 1）加余量法，工件尺寸加大。收缩变形。 2）反变形法 。 3）刚性固定法 。会增大焊接应力。一般塑性好金属使用。 4）合理的焊接顺序。 焊缝对称或工件焊接位置对称。 使两侧焊缝的收缩抵消或减弱。 长焊缝用逆向分段焊接法。 150mm200mm小段，每段焊接方向与总焊接方向相反。,3、焊接变形的矫正方法 1）机械矫正法。手工捶击、压力机、矫直机。 2）火焰加热矫正法。加热适当位置，冷却后发生与焊接变形相反的新变形。 一般用氧乙炔火焰加热。 关键是：加热位置、加热范围和加热温度。 脆性材料不能用此方法。,三、减小和消除焊接应力的措施 焊前预热。焊前将工件整体或局部预热到150350
12、，然后进行焊接。减小焊接应力，防止出现淬火区。 去应力退火。是消除焊接应力最常用的方法。 减小焊接应力可以减小焊接变形， 但减小焊接变形的方法并不一定都可以减小焊接应力。 例如，刚性固定法只能减小焊接变形，不能减小焊接应力。,焊接裂纹 焊接应力特别是拉应力超过材料抗拉强度，就会产生焊接裂纹。比较普遍，后果严重。 热裂纹 位置：焊缝，固相线高温区产生。沿着晶界开裂，表面有氧化色。主要在杂质多的焊缝中。杂质形成的低熔点共晶体分布在晶界，强度低。拉应力作用下开裂。 冷裂纹 位置：焊接热影响区。在200 300区间产生。主要在中碳钢、 高碳钢、合金钢中。最常见是延迟 裂纹，焊后一段时间后出现。 主要因
13、素：含氢量、淬火组织和 焊接应力。,焊接裂纹的防止 1）控制有害杂质。S、P、C。 焊缝加入Mo、Ti、V等，细化晶粒，提高抗热裂纹性能。 使用低氢焊接材料（碱性焊条），焊前烘干。 2）防止和减小焊接应力措施都可以减小焊接裂纹的倾向。 焊缝位置、顺序；焊前预热、焊后缓冷；焊后热处理。 降低接头的淬硬程度，改善应力状态，利于氢析出。,4.2 焊接方法,4.2.1 手工电弧焊 应用最广泛；设备简单、操作灵活； 劳动强度大，生产率低。,4.2 焊接方法,一、手工电弧焊的焊接过程 熔化的焊条金属形成熔滴，与熔化的工件金属混合，形成熔池。 药皮分解、燃烧、熔化，形成保护性气体； 药皮熔化包覆在熔滴表面，
14、并与熔池中的液态金属发生物理化学反应形成熔渣，从熔池中上浮，覆盖在熔池表面。 气流和熔渣起到了隔离空气的保护作用。,二、电焊条,1焊条的组成 焊条是手弧焊最基本材料，由焊条芯和焊条药皮两部分组成。 （1）焊条芯（简称焊芯）经过特殊冶炼的钢丝，焊接专用钢丝。其化学成分直接影响焊缝质量，占焊缝金属的5070。 焊条芯的作用： 1、作为电极，导电，产生电弧。2、作为填充金属。 低碳钢、低合金钢焊接，通常用低碳钢焊丝为焊条芯。 焊丝常用的有H08和H08A、H08MnA等。,H,08,A,焊接用钢,含碳量0.08,高级优质,焊条直径指焊条芯的直径。,（2）焊条药皮 主要作用是： 1、机械保护作用， 分
15、解燃烧的保护性气体、形成的熔渣隔离空气。 2、冶金处理作用， 脱氧剂、造渣剂与液态金属反应，除去有害杂质（如O、H、S、P等）；合金剂添加有益的合金元素，补偿烧损、蒸发的元素，使焊缝金属化学成分满足性能要求。 3、改善工艺性能， 稳弧剂易于引弧，放电稳定，飞溅少。容易去除渣壳。,焊条药皮的组成物相当复杂，一种焊条药皮配方中，通常由七、八种以上原料配成。,2焊条分类及牌号,按照国家标准，手弧焊用焊条共分九大类。 J结构钢焊条； R耐热钢焊条； B不锈钢焊条； D堆焊焊条；（堆焊是在工件的表面或边缘进行熔敷一层耐磨、耐蚀、耐热等性能金属层的焊接工艺。对修复和提高零件的使用寿命，合理使用材料，提高产
16、品性能，降低成本有显著的经济效益。） W低温焊条； Z铸铁焊条； N镍及镍合金焊条； T铜及铜合金焊条； L铝及铝合金焊条； 其中应用最多的是结构钢焊条。,老牌号： 字母焊条种类；前2位小类；最后1位药皮类型和适用电源。 J422，“42”表示焊缝金属的b420MPa，最后一位“2”表示氧化钛钙型药皮、交直流两用。 J507，“50”表示焊缝金属的b500MPa，最后一位“7”表示低氢型药皮、直流专用。 新牌号： E4303、E5015和E5016。（J422，J507，J506） 型号中的“E”表示焊条；前两位数字“43”或“50”表示焊缝金属的抗拉强度最小值430MPa、500MPa；第三
17、位数字“0”或“1”表示适用于各种位置焊接（平焊、立焊、仰焊、横焊）；第四位数字表示焊条药皮类型和焊接电源的种类，“3”表示药皮为钛钙型，交、直流两用；“5”表示低氢（钠）型，用直流焊机；“6”表示低氢（钾）型，交、直流两用。,结构钢焊条生产上还常按其药皮熔化后形成熔渣的酸碱度，分成酸性焊条和碱性焊条两大类。 酸性焊条，熔渣以酸性氧化物为主，结*1、2、3、4、5。 工艺性能好，价格便宜，交、直流电源均可，对工件的表面杂质敏感性不大，应用广泛；但脱氧能力差，合金元素烧损严重，去硫、磷能力低，焊缝金属的塑性、韧性及抗裂性较差。 碱性焊条（低氢性焊条），熔渣以碱性氧化物为主，结*6、7。脱氧剂、合
18、金剂多，熔渣中多CaO、CaF2，脱氧、氢、硫、磷能力强。焊缝金属的塑性、韧性好，具有较高的抗裂性能。 主要用于重要结构、承受冲击载荷结构的焊接。 但是CaF2阻碍电离，常需要用直流电源反接法，对工件表面铁锈、油污等杂质敏感，焊前应仔细清理工件表面。 碱性焊条使用前必须烘干。 工艺性差，成本高。,3焊条的选用原则 使焊缝金属的性能符合焊接结构性能的要求。 （1）根据被焊金属的强度 焊条的选择应满足等强度原则，按照结构钢强度选择相应等级的焊条。要求焊缝金属与被焊金属强度相等或相近。 （2）根据被焊结构的特点和工作条件 在承受冲击载荷或在低温、高压下工作的结构（既要求强度又要求冲击韧性），此时要选
19、用低氢型焊条。 形状复杂、厚度大、刚度大的工件，防止产生裂纹，选用低氢型焊条。 （3）根据具体施工条件及成本 满足产品质量的条件下，优先选用工艺性好、价格便宜的酸性焊条。,三、手工电弧焊工艺,1、焊接的四种空间位置：平焊、立焊、横焊和仰焊。 尽量用平焊。其他位置存在液态金属和熔渣下流的趋势。,三、手工电弧焊工艺,2、开坡口。工件厚，加工接头边缘，以便能够焊透。 小于6mm，不开坡口；大于6mm，坡口形状V型、X型、U型、双U型。 与V型对比，X型省焊条，可以对称焊接，变形小；但要翻转工件； 大厚度工件常采用U型、双U型，加工较困难。,3、焊接规范：焊接各种工艺参数的综合。 1）焊条直径：根据工
20、件厚度、接头形状、焊缝位置、层数。 小于4mm，约等于工件厚度； 大于4mm，36mm。 多层焊，底层较细直径，依次增大直径，提高焊接生产率。 立焊、横焊、仰焊位置焊接，细径焊条，防止液态金属和熔渣下流。 2）焊接电流：主要决定于焊条直径，直径越大，焊接电流越高。 还要考虑工件厚度、接头形式、焊缝空间位置、工作温度。 厚度大、温度低，焊接电流上限。厚度较小，可减小焊接电流。 保证质量的前提下，大焊接电流，高焊接速度，提高生产率。 立焊、横焊、仰焊位置焊接，小焊接电流。 3）电弧弧长、焊接速度 电弧过长，放电不稳定，增加飞溅；电弧长度尽量短。 焊接速度关系生产率、焊缝变形，手工控制。,4.2.2
21、 埋弧自动焊,一、焊接过程 埋弧自动焊时，电弧引燃、焊丝送进、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾，完全由机械来完成。焊接小车（送丝机构、焊剂漏斗、焊丝盘、操作盘） 电弧在焊剂层下面； 焊后引弧板、引出板切除。,4.2.2 埋弧自动焊,焊剂和金属蒸发的气体形成一个气泡，电弧在气泡内部放电。 气泡上方被熔渣膜包围，隔离空气，屏蔽电弧光，防止金属熔滴飞溅。,二、焊丝与焊剂 主要焊接低碳钢、普通低合金钢。 常用焊丝：H08A、H08MnA、H08Mn2. 焊剂： 用途钢用、非铁金属用。 制造方法熔炼、非熔炼。 熔炼焊剂高、中、低、无（锰）。 （1）高锰焊剂（如焊剂431）配合低碳钢焊丝H08A，重要结构可用
22、中锰焊丝H08MnA。 （2）无锰焊剂（如焊剂130）或低锰焊剂（如焊剂230）配合高锰焊丝H08Mn2。,三、埋弧自动焊的特点及适用范围 1、生产率高 可以采用较大的焊接电流。焊接速度快，熔深大，可达20mm。一般不开坡口。 2、焊接质量高，熔渣保护效果好，焊机自动控制，焊接质量高、均匀，焊缝成形好，表面光滑。 3、无电弧光辐射，烟雾少，劳动条件好。 4、设备复杂，焊前工件装配要求高。埋弧自动焊一般限于水平位置焊缝的焊接，小于3mm薄板不适用。 5、常用于焊接生产批量较大，长而直的且处于水平位置的焊缝或直径较大（一般要大于500mm）的环焊缝。,4.2.3 气体保护焊,气体保护焊是利用气体作
23、为保护介质的一种电弧焊方法。 保护气体有氩气、二氧化碳气体等。 根据电极材料，分为不熔化极（钨棒）、熔化极（焊丝）2种。 根据操作方法，分为手工、半自动（自动送焊丝，手工焊接），自动（自动送焊丝和焊接） 气体保护焊的特点 1、与埋弧自动焊相比，用气体保护，可以明弧焊接，适宜全位置焊接，可见熔池，易于发现问题；不形成熔渣，焊后也不用清渣，易于自动化，从而提高了焊接生产率。 2、与手工电弧焊相比，保护气流对电弧有压缩作用，热量集中，使焊接熔池和热影响区较窄，变形和裂纹倾向较小。特别适用薄板焊接。 3、气体保护焊不宜在室外有风的地方进行焊接，设备较复杂。,一、氩弧焊,氩弧焊按照电极材料不同分为熔化极
24、和不熔化极两种。 氩弧焊的特点 1、氩气是惰性气体，与金属不发生化学反应，合金元素无氧化烧损。 2、保护效果好，并且电弧稳定，产生的飞溅少，焊缝致密，成形美观。 3、氩弧焊设备复杂，氩气价格较高。 4、主要用于焊接铝、镁、钛等金属及其合金、不锈钢、耐热钢等合金钢以及一些稀有金属等。 手工氩弧焊、半自动氩弧焊主要焊接薄板短焊缝或不规则焊缝； 自动氩弧焊主要焊接平直长焊缝或环焊缝。,二、二氧化碳气体保护焊,CO2气体保护焊的特点 1、合金元素烧损，CO2分解CO+O，不允许焊接易氧化材料。氧化作用会导致气孔和飞溅，必须采取脱氧措施，并补充合金元素（焊丝加入Mn、Si） 2、只用于焊接低碳钢和低合金
25、钢等， 3、焊接低碳钢时常采用H08MnSiA焊丝 4、焊接低合金钢时常采用H08Mn2SiA焊丝。 5、焊接成本低，约是手工电弧焊和埋弧自动焊成本的40。 对工件焊前清理要求不高， 焊缝含氢量低，裂纹倾向小。 飞溅较大，尤其焊接电流大时， 较为严重。,电渣焊：电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源，熔化被焊的工件金属和填充金属进行焊接的一种熔化焊方法。 工件垂直放置，进行装配。 焊接开始时，电弧将焊剂熔化，形成液态熔渣构成的渣池。 渣池有一定的导电性，当达到一定深度时，电弧消失转为熔渣产生的电阻热，此时为电渣焊过程。 渣池始终浮在熔池上方，具有良好的保护作用。,焊剂形成的熔渣要求有导电性，有
26、专用的电渣焊焊剂。常用的有焊剂360，用于低碳钢、低合金钢。 也可以采用埋弧焊的焊剂，如焊剂431、350、250等。 电渣焊的焊丝通常合金元素含量较多，如H08MnA、H08Mn2Si、H10Mn2等。,电渣焊适合于焊接厚大工件（30mm以上）。 工件不需开坡口，可以一次焊成，生产率高。 焊接速度慢，焊缝区在高温条件下的时间较长，熔池中的气体、杂质容易析出，焊缝质量纯净，不易产生气孔和夹渣等缺陷。 但焊接热影响区比较宽，焊缝晶粒粗大。 通常焊后工件需进行正火热处理。 主要用于大厚度结构件的焊接，也可以用于大截面的直焊缝、大直径的环焊缝。,4.3 压力焊,4.3.1 压力焊 工件结合处加热同时
27、加压，产生塑性变形， 不需要填充金属，不需要保护。 一、电阻焊 电流通过工件及其接触部分产生电阻热作为 焊接热源。 工件表面氧化膜，导电性差，工件接触处电 阻大。首先达到焊接温度。 主要分为点焊、缝焊、对焊。 1点焊 点焊过程，1、工件搭接加预压， 施加一定的压力； 2、通以强大的电流。接触处局部熔化， 形成熔核，周围发生塑性变形。 3、断电，加压力，熔核结晶。卸压。,分流现象 部分电流通过已经焊好的焊点，使焊接处电流减小，影响质量。 与工件材料的厚度及导电性有关， 导电性越强，厚度越大，分流现象越严重。 加大点距，减小分流。 点焊主要用于焊接薄板冲压结构 点焊工件厚度为0.34mm，采用搭接
28、。,2缝焊,缝焊是连续的点焊过程。通常用圆盘状电极替代柱状电极。 滚盘电极压紧工件并转动，带动工件移动，配合断续通电，形成重叠的焊点，最后形成焊缝。,缝焊时，焊点重叠,分流现象严重。 板料越厚，分流效应越严重； 为了压紧和带动工件，电极上施加的压力越大。 因此，厚件焊接，焊机功率大，电极寿命短，成本不如其他方法。 只限于焊接3mm以下的薄板结构。,缝焊工件的表面光滑平整，焊缝气密性好。 常用来焊接要求密封的薄壁容器如汽车油箱、消音器等，广泛应用于汽车等制造业。,3对焊,对焊：2个工件在对接接触面上焊接。 接头形式对接接头。 分为电阻对焊和闪光对焊。,电阻对焊： 1）截面相同或相近的工件首先装卡
29、在电极夹具中， 2）施加预压力将2个工件的端面紧密接触，然后通电。 电流通过工件接触面产生大量电阻热，工件接触部分被加热到塑性状态。 3）再次施加顶锻压力，同时切断电流。使工件接头产生塑性变形，形成焊接接头。,电阻对焊的特点： 接头光滑无毛刺； 焊前工件端部表面加工、清理要求高，否则会导致接触面加热不均匀或产生局部氧化、夹杂，影响焊接接头质量； 焊接接头强度低，尤其是冲击韧性差。 用于截面简单、强度要求不高的工件。,闪光对焊： 1）工件装卡在设备的电极夹具中。 2）工件先接通电源，再缓慢靠近接触。 由于工件端面微观不平，接触点依次被加热熔化；熔化的液滴发生爆破，出现大量火花，形成闪光。 3）随
30、着接触点不断熔化，直到工件端面全部熔化，迅速加压，并切断电源。 4）端面的液滴在压力下被挤出，形成毛刺；端面发生塑性变形，得到焊接接头。,闪光对焊的特点 工件接触面的内部气压大于外部气压，阻止空气的侵入，并且工件端面的部分氧化物、夹杂物随闪光带出，或被加压挤出。因此焊接接头的氧化物、夹杂物少，接头质量高。 工件损耗大，焊接时要求较大的余量，接头有毛刺，焊后需要清理。 焊缝的强度高且塑性、韧性好，常用于重要、受冲击工件的焊接。如刀具、钢轨、钢筋、锚链、车轮轮圈等。,对焊主要用于焊接截面小而长度大的工件。 工件对焊截面形状应尽量相同。截面差异过大会导致加热不均匀，影响接头质量。 通常差值不超过15
31、。,摩擦焊是利用工件接触端面相互摩擦所产生的热量作为焊接热源，将工件接合处加热到塑性状态，然后在压力作用下进行焊接的一种压力焊方法。 工件各自装卡到夹具上；一个工件高速旋转，另一个工件在压力下前进，接触面发生摩擦产生热量，达到塑性状态时，紧急刹车，并施加更大的顶锻压力，形成焊接接头。,摩擦焊的特点： 工件接触面发生强烈摩擦，表面的氧化膜、杂质等破碎，并在压力下被挤出焊缝，因此接头质量好，性能稳定。 摩擦焊设备简单，自动化程度高，焊机功率小；但要求刹车、和加压装置响应速度快。,6t立式摩擦焊机 用于生产内燃机气阀,10t摩擦焊机 Toyota公司用于焊接车桥外壳,摩擦焊接头通常为等截面，也可以是
32、不等截面。 但是要求有一个工件的截面为圆形或圆管形。 避免薄壁接头。 摩擦焊可以焊接各种钢材和非铁合金。 还可以焊接异种金属如铝-铜、铝-钢接头。 摩擦系数低的材料，不宜采用。,钎 焊,钎焊：工件与填充金属同时加热，在工件不熔化的情况下，填充金属熔化、浸润并填满工件连接处的间隙中，借助原子间的结合扩散形成牢固接头。 填充金属钎料。 特点： 1、低于工件的熔点； 2、与工件金属浸润性好； 3、原子结合、扩散能力强。 根据钎料熔点和钎焊接头强度，分为硬钎焊、软钎焊。,硬钎焊： 钎料的熔点在450以上，接头强度比较高。用于焊接受力大、工作温度高的工件， 如：自行车架、刀具、钻头。 常见钎料有：铜、银
33、、铝、镍。 软钎焊： 钎料的熔点在450以下，接头强度比较低。用于受力小、温度低的工件， 如：导线、仪器仪表元件。 常见钎料：锡铅、铅银等。,通常还要使用钎剂。 钎剂的作用： 1）清除工件金属和钎料表面的氧化膜及杂质； 2）形成液态薄膜，覆盖在工件和钎料的表面，隔离空气起保护作用； 3）降低液态钎料的表面张力，改善浸润性，增大钎料的填充能力。,钎焊的接头形式，通常为搭接接头或套接接头。 目的是增大搭接面积，提高焊接接头的承载能力。 钎焊前，对工件准备工作要求较高，如装配间隙均匀平整，工件表面需仔细清理。,钎焊特点： 工件加热温度较低，因此工件组织和性能影响小，焊接变形小。 钎焊接头表面光滑平整
34、，尺寸精度高，能保证致密性。 钎焊不仅可以焊同种金属、异种金属，还可以焊接金属与非金属材料。 钎料价格较贵，钎焊的成本较高。 主要用于精密仪器、电气零部件、异种金属结构件、薄板件、导线、硬质合金刀具等。,常用金属材料的焊接,4.4.1 金属材料的焊接性 一、焊接性 在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力称为金属材料的焊接性。 优质焊接接头：无缺陷、力学及机械性能符合要求。 选择焊接材料，确定焊接方法，制定焊接工艺的依据。 焊接性好，可以用各种焊接方法，工艺简单； 焊接性差，焊接方法有限，工艺复杂。 焊接性的影响因素： 化学成分、工件厚度、接头形式、焊接方法、焊接材料、焊接工艺等。 最关
35、键的因素：被焊金属的化学成分。 同一种金属，不同焊接方法和材料，焊接性不一样。,评估焊接性： 1、形成完整焊接接头的能力，产生缺陷（裂纹等）的倾向； 2、焊接接头的使用性能，力学性能。 碳对接头淬硬性和裂纹倾向的影响最大。 通常用碳当量来估算被焊钢材的焊接性。 碳素钢和低合金钢的碳当量计算公式：（质量百分数） C当量=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 碳当量愈大，钢的焊接热影响区硬度愈高，产生焊接裂纹的倾向愈大，焊接性愈差。 C当量小于0.4时，钢的焊接性优良； C当量在0.40.6时，钢的焊接性较差； C当量大于0.6%时，钢的焊接性不好。 焊接性优良的钢材，一般不
36、预热。厚件、低温条件下要预热。 焊接性较差的钢材，焊接时需要选用一定的焊接材料，采用适当的预热和一定的工艺措施； 焊接性不好的钢材，焊接时需要采用更高的预热温度和严格的工艺措施。,4.4.2 钢的焊接,一、碳素钢的焊接 1、低碳钢的焊接 低碳钢碳的质量分数低，塑性好，硬度低，焊接性好。 各种焊接方法都可以。根据等强度原则，选择焊条或焊丝。 焊接一般简单、静载荷结构件，可以采用酸性焊条； 动载荷、复杂、大厚度的重要结构件，尽量要用碱性焊条。 通常焊后不需要热处理。 低温条件焊接大刚度的工件时，应考虑焊前预热，预热温度100 150； 厚度大于50mm的工件，应预热或焊后热处理，降低或消除焊接应力
37、。,2、中碳钢的焊接 中碳钢碳的质量分数较高，焊接性较差。 主要问题： （1）焊接热影响区易产生淬硬组织及冷裂纹。 属于易淬火钢。热影响区会出现马氏体，形成淬火区。易于产生冷裂纹。 （2）焊缝金属易产生热裂纹。 被焊金属含C高，焊接时被焊金属熔化到焊缝金属，使焊缝金属C含量增高，易导致热裂纹。 解决方法： （1）尽可能选用抗裂性好的碱性焊条。提高焊缝金属塑性，降低裂纹倾向。 （2）采取焊前预热的工艺措施，可以减慢焊后冷却速度，减小焊接应力，防止形成淬火区，从而防止出现冷裂纹。,高碳钢焊接性更差，裂纹倾向更大。 一般不采用这种钢材，焊接只限于高碳钢零件的修复。 焊接时，多采用含C量低于被焊钢材的
38、高强度低合金钢焊条，降低焊缝金属的含C量，并且通过合金元素增强焊缝金属的强度。 焊前预热， 小焊接电流，以减小熔深； 焊后热处理，消除焊接应力，防止产生裂纹。,3、普通低合金钢 强度较低的钢材，焊接性能接近低碳钢； 强度较高的钢材，焊接性差。 焊接时易出现的主要问题： （1）焊接热影响区的淬硬倾向 热影响区可能出现淬火组织（马氏体） 淬硬倾向与化学成分、强度等级有关。 含C少，强度低的普低钢如09Mn2、09Mn2Si（300MPa），淬硬倾向小； 16Mn（350Mpa）淬硬倾向较小； 强度大于450MPa，淬硬倾向大，热影响区会产生马氏体，形成淬火区。造成焊接接头硬度增加，塑性、韧性下降。
39、 （2）焊接接头的裂纹倾向 易产生冷裂纹（淬火组织、氢、焊接应力等）。 淬硬倾向越大，冷裂纹可能性越大。 含C低，有Mn，有利于脱硫，热裂纹倾向不大。,焊接普低钢采取的工艺措施如下： （1）强度等级较低的普低钢，如16Mn，在常温下焊接时，所采用的工艺与焊接低碳钢时基本相同。 低温、大刚度、大厚度件，预热或增大焊接电流，减慢焊接速度，防止产生淬火组织。 低温下使用的容器或厚壁高压容器，焊后去应力退火。,（2）强度高的钢材，焊前要预热。严格控制焊接热影响区的冷却速度，焊后及时热处理，消除氢的影响、焊接应力。 普低钢焊接选用原则：焊缝金属强度应稍高于被焊金属强度。不宜超过太多，否则会造成接头塑性下
40、降，甚至裂纹。,4.4.3 铸铁的焊补,1铸铁的焊接性很差， 原因：含C高，冷却速度敏感。 1）焊接接头易产生白口及淬硬组织。 焊接冷却速度快，不利于石墨析出。焊缝、熔合区易出现白口组织；热影响区易出现淬硬组织。 都是硬脆组织，因此冷裂纹倾向大。 2）焊接接头易产生裂纹。 本身塑性差，强度低。 焊接应力大，热影响区易产生裂纹。,2铸铁的焊补方法 铸铁常用的焊补方法有手工电弧焊、气焊、钎焊。 热焊法 焊前将工件整体或局部预热到600700，然后焊接，焊后缓慢冷却。 热焊法可防止接头产生白口、淬硬组织和裂纹，焊补质量较好，但是，此法生产率低，成本高，工人劳动条件差。 主要用于刚度大、焊后机械加工的
41、零件。 冷焊法 冷焊法一般采用手工电弧焊，焊前对工件不预热，为了防止产生白口组织和裂纹，根据选用焊条种类，采取不同的工艺措施。 同质类焊条（焊条芯铸铁），便宜，色泽一致，适于大件、较大缺陷。采用大电流，连续焊，控制焊后冷却速度。 异质类焊条（焊条芯非铸铁，镍、铜等），塑性较好，适于小件、较小缺陷。采用小电流、短段断续焊接。,4.5 焊接结构设计,4.5.1 焊接结构材料的选择 在满足使用性能要求的前提下，应尽量选用焊接性好的材料来制造焊接结构。 低碳钢（含C小于0.25）和普通低合金结构钢（含C小于0.20） ，有良好的焊接性。优先选择。 含C大于0.5的碳素钢和含C大于0.4的合金钢，焊接性
42、差，不宜选用。 强度等级低的普低钢，焊接性良好，可以用各种焊接方法进行焊接。可用于替代低碳钢，减轻重量；或取代中碳钢，改善焊接性。 强度等级较高的低合金钢，焊接性虽比低碳钢差些，但是如果采用合适的焊接材料、合理的工艺措施，也可获得满意的焊接接头，设计强度要求高的重要结构时，可以选用。 如果结构中选用新钢种，应对此钢材进行必要的焊接性试验，以便为正确制定设计方案及工艺措施提供依据。,4.5.2 焊接方法的选择,在保证获得优质焊接接头的前提下，优先选择常用的焊接方法，批量大时，还应考虑生产率高、成本低。 低碳钢焊接性好，可选用各种焊接方法。 工件是薄板轻型结构，无密封要求，可以采用点焊； 若有密封
43、要求，则可采用缝焊、CO2气体保护焊、钎焊；（缝焊、 CO2气体保护焊生产率高，成本低 ） 中等厚度工件，可用埋弧焊、手弧焊、 CO2气体保护焊； 工件为中等厚度，长直焊缝，生产批量也较大，可以选用埋弧自动焊，以提高生产率； 单件，焊缝短，又在不同空间位置，可以采用手工电弧焊； 如果为截面小而长度大的工件（如棒材、管材、型材等）要求对接，宜采用对焊（电阻或闪光）或摩擦焊； 如果为大厚度结构，可以采用电渣焊。 氩弧焊的成本高，不宜用来焊接低碳钢、普低钢。 如果结构材料为铝合金，应选用氩弧焊。,4.5.3 焊接接头型式的选择,按照被焊工件的相互位置，焊接接头有四种基本型式： 对接接头、T形接头、角
44、接接头和搭接接头。 厚板焊接时，为了使整个截面都能焊透，要在接缝处加工成一定形状的坡口。 各类接头型式中应用最普遍的是对接接头。变形、应力分布均匀，不受厚度限制，性能好。 T形接头和角接接头一般应用在空间类结构的制造上，接头受力都比对接接头复杂。 搭接接头，由于板材要重叠，消耗量比较大，增加了结构的重量，而且受力状态复杂，所以设计时应尽量避免，但这种接头对装配尺寸要求不严格，常用于装配要求简单的板状结构。 搭接接头是薄板结构点焊和缝焊以及钎焊的基本接头型式。,4.5.4 焊接结构工艺性,一、焊缝布置应有利于减小焊接应力和变形 1 尽量减少焊缝数量 在设计焊接结构时应多采用型材或冲压件，来减少焊缝数量。,避免焊缝密集和交叉 焊缝交叉或过分集中会造成接头处严重过热，增大热影响区范围，且增大焊接应力和变形。,焊缝应尽量对称布置 焊缝对称布置，使焊缝引起的变形相互抵消，这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。,二、焊缝布置应考虑焊接结构的受力情况,在最大应力和应力集中的位置不应该布置焊缝。,三、焊缝位置应远离加工表面,焊缝位置应远离加工表面，以避免焊接变形、焊接应力影响加工精度。,四、焊缝位置应便于操作,焊缝布置必须有良好的焊接操作性，即有足够的焊接操作空间，否则无法保证焊接质量。,
