金屬的焊接成形

第7章金屬的焊接成形材料學(xué)院王振玲2、焊接的分類1.焊接：

通過加熱或加壓；或兩者并用，并且用或不用填充材料，使被焊材料之間達到原子結(jié)合而形成永久性連接的工藝方法。3.焊接的特點及應(yīng)用

①連接性能好：焊接接頭的機械性能(強度、塑性)耐高溫、低

溫、高壓性能和導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐磨性、密封性等均可

達到與母材性能一致。

②省料、省工、成本低，生產(chǎn)率高，結(jié)構(gòu)重量輕。簡化工藝，

能以小拼大，被喻為神奇的“鋼鐵裁縫”。4.焊接的不足之處是：

①結(jié)構(gòu)無可拆性。

②焊接時局部加熱，而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。

③焊接缺陷的隱避性，易導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的意外破壞。§7-1熔焊成形基本原理

熔化焊：利用電弧放電產(chǎn)生的熱量將被焊工件和焊接材料加熱至熔化狀態(tài)在進行了一系列的冶金反應(yīng)后，液態(tài)金屬凝固形成焊縫的焊接方法。（+）（-）一、焊接電弧電?。河珊附与娫刺峁┚哂幸欢妷旱膬呻姌O間或電極與焊件間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強烈而持久的放電現(xiàn)象。物質(zhì)(氣體、固體)被加熱成為氣態(tài)分子，分子進一步分

解成原子，原子經(jīng)電離形成帶電的粒子(正離子、負離子、電

子)，帶電粒子在電場中作定向運動而形成焊接電流。電弧放電的實質(zhì)：

把電能轉(zhuǎn)換為熱能、光能和機械能的能量轉(zhuǎn)換過程。分解電離M2————2M—————M++e-(放出熱能、光能和機械能)§7-1熔焊成形基本原理2.焊接電弧構(gòu)造及熱量、溫度分布3.直流電源焊接的兩種接法

①直流正接法：工件接電源正極，多用于焊厚板和高熔點金屬；

②直流反接法：工件接電源負極，用低氫型焊條，焊薄板或低熔點金屬時常用此接法。

③交流電源無正、負接法。二、焊接的化學(xué)冶金過程1、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)(1)藥皮反應(yīng)區(qū)碳酸鹽和高價氧化物分解產(chǎn)生氣體保護(2)熔滴反應(yīng)區(qū)氣體、熔渣與液態(tài)金屬反應(yīng)(3)熔池反應(yīng)區(qū)2、氣相對焊縫金屬的影響

O,N,H3、熔渣對焊縫金屬的作用機械保護、改善焊縫成形和焊接冶金（脫氧硫）1．焊接接頭的概念用焊接方法連接的接頭稱為焊接接頭。它包括：焊縫區(qū)、熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)，焊接接頭的性能取決于兩部分中最薄弱的部分。三、焊接接頭的組織與性能母材熱影響區(qū)焊縫熔合區(qū)焊接接頭母材焊縫熔合區(qū)熱影響區(qū)焊接接頭低碳鋼焊接接頭的組織變化1．熔化金屬2．熔合區(qū)3．過熱區(qū)4．正火區(qū)5．部分相變區(qū)6．母材2．結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭的組織和性能（1）焊縫區(qū)(T＞T液)

在焊接接頭橫截面上測量的焊縫金屬(焊縫表面和熔合線所包圍的部分)的區(qū)域。①組織：鑄造組織，化學(xué)成分取決于焊芯和母材化學(xué)成分及熔合比，焊接時元素的氧化損失率等因素。焊縫具有成分偏析現(xiàn)象，焊接工藝或操作不當(dāng)，可能出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂縫、咬邊等缺陷。②性能：焊縫合金元素含量一般比母材高，合格焊縫的機械性能一般不低于母材。（2）熔合區(qū)(T固～T液)

焊接接頭中焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。組織：過熱的半熔化粗晶粒上聯(lián)生的束狀樹枝晶組織。性能：塑性、韌性差，是影響焊接接頭性能的關(guān)鍵部位。（3）焊接熱影響區(qū)焊接(或熱切割)過程中，材料因受熱的影響(但未熔化)發(fā)生金相組織和性能變化的區(qū)域。（1）過熱區(qū)：溫度高于AC3溫度以上100-200℃。組織：晶粒產(chǎn)生急劇長大，過熱組織。性能：塑性韌性↓對于易淬硬鋼材，危害更大。接頭中性能較差（2）正火區(qū)：溫度高于AC1至AC3溫度以上100-200℃。組織：發(fā)生重結(jié)晶，晶粒細化，正火組織（P和F）

性能：機械能提高（3）部分相變區(qū)：溫度在AC1--AC3溫度之間組織：部分相變（F、P）晶粒不均（部分F和P重結(jié)晶成為較細晶粒，未轉(zhuǎn)變的F長大）

性能：稍差①對焊縫滲透合金，加強脫氧、脫硫、脫磷；加強對焊縫的保護。②選擇焊接方法，控制焊接加熱溫度和加熱時間，盡量減小熱影響區(qū)寬度。③焊后熱處理，消除內(nèi)應(yīng)力和淬硬組織，細化晶粒。3．改善焊接接頭組織性能的措施一、焊條電弧焊（手工電弧焊）工件焊條A+-焊接電源v焊條焊縫母材§7-2焊接成形方法1、焊接過程電焊條由焊芯和藥皮組成。（1）焊芯

①焊芯作用：傳導(dǎo)電流；熔化后成為焊縫填充成分。

②焊芯材料：H08、H08A(焊芯材料嚴格限制C、S、P雜質(zhì)含

量，如H08A中，C≤0.10%、S≤0.03%，P≤0.03%)。

③焊條的規(guī)格(焊條直徑)有：1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0mm

等，長度為200～450mm。3、電焊條2、焊接設(shè)備電焊機，直流和交流（2）

藥皮藥皮的作用：

①改善焊接工藝性能：易引弧、穩(wěn)弧，減小飛濺，使焊縫成形美觀；

②機械保護作用：氣體、熔渣隔離空氣，保護熔液和熔池金屬；

③冶金處理作用：藥皮中的某些元素可起到滲合金、脫氧、脫

硫、去氫作用。（3）電焊條種類、型號國產(chǎn)電焊條按用途分為九大類：①碳鋼焊條；②低合金鋼焊條；③不銹鋼焊條；④鑄鐵焊條；⑤鋁及鋁合金焊條；⑥銅及銅合金焊條；⑦鎳和鎳合金焊條；⑧堆焊焊條；⑨特殊用途焊條。1）碳鋼焊條按GB984-85規(guī)定，其型號表示為：Ｅ××××

表示藥皮類型和允許使用電流種類(交流或直流)，其中：0、5分別屬于高纖維素鈉型和低氫鈉型，規(guī)定必須采用直流電流反接，其它編號均可用交流或直流電源焊接。

表示焊條適合的焊接位置(0、1表示可用于全位置焊接；2表示平焊和平角焊位；4用于向下立焊位)。

表示熔敷金屬抗拉強度的最低保證值(常用42、50、55、60、70、75、85等，如E42表示σb≥420MPa，E50表示σb≥500MPa)。表示焊條（4）電焊條的選用原則1）按材料種類選焊條種類。2）結(jié)構(gòu)鋼按“等強度原則”選擇焊條強度等級。例：Q235σs≥235MPa，σb＝410～430MPa，宜選

E43××。

16Mnσs≥330MPa，σb＝500MPa，宜選E50××。3）按焊件結(jié)構(gòu)特點選藥皮類型

①焊接性好的普通結(jié)構(gòu)，宜選酸性焊條(E××03、E××02等)。

②承受重載、沖擊、高壓、低溫(0℃以下)的焊接結(jié)構(gòu)和厚板、

剛性結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生裂紋的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選堿性焊條(E××15、

E××16)。

③無直流電源的施工環(huán)境，應(yīng)選交、直流兩用的焊條。（2）焊接參數(shù)4.焊接工藝（1）焊接的空間位置

平焊立焊橫焊仰焊1）焊條直徑2）焊接電流3）焊接速度二、埋弧自動焊1．焊接工藝過程①用顆粒狀焊劑取代焊條藥皮②用連續(xù)自動送進的焊絲取代焊芯③用自動焊機取代焊工的手工操作

主要由焊接電源、焊車、控制箱組成。

如MZ-1000，MZ-1000等,其中的“MZ”表示埋弧焊機；

“1000”表示額定焊接電流為1000A。2．埋弧自動焊設(shè)備3．焊接材料

1）焊絲：H08A、H08MnA、H10Mn2、H08MnMo、

H08Mn2Mo等。A熔煉焊劑：高錳高硅低氟(焊劑430、焊劑431或用代號HJ430、HJ431)：用于焊重要低碳鋼及普低鋼；①低錳高硅低氟(焊劑230或用代號為HJ230)：焊低碳鋼、普

低鋼；②低錳中硅中氟(焊劑250或用代號為HJ250)：焊低合金高強

度鋼；③低錳高硅中氟(焊劑260或用代號為HJ260)：焊不銹鋼。B陶質(zhì)焊劑：多用于堆焊、滲合金。①焊絲和焊劑兩者必須配合使用。②焊劑易吸潮，焊前必須烘干后才能使用。2）焊劑主要工藝參數(shù)：①焊絲直徑：根據(jù)工件厚度選用②焊接電流：根據(jù)工件厚度和焊絲直徑確定。電流大、熔深大、

生產(chǎn)率高③電弧電壓：控制電弧電壓，可控制焊縫寬度和保證焊縫成形④焊接速度：保證焊縫質(zhì)量的前提下，增大焊接速度，可提高生

產(chǎn)率(由實驗確定)。4．埋弧自動焊工藝①生產(chǎn)率高(為手弧焊的5～10倍)②焊接質(zhì)量好(渣保護效果好、焊接規(guī)范穩(wěn)定)③勞動條件好④適應(yīng)性較差，一般只宜焊平焊位的直縫和環(huán)縫，不能焊空間位

置焊縫和不規(guī)則焊縫，焊前試驗、調(diào)整等工作量較大。5．埋弧自動焊的特點⑤節(jié)省金屬材料

常用于焊接碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、球墨鑄鐵、鎳合金、銅合金材料；成批生產(chǎn)的中、厚板(6～60mm)結(jié)構(gòu)的長直焊縫與直徑大于250mm的環(huán)縫的平焊。6．應(yīng)用（一）氬弧焊氬氣(Ar)是惰性氣體，在高溫下，

既不同金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不溶于液

態(tài)金屬。是較理想的焊接保護氣體。氬弧焊使用的氬氣要求純度達99.9%。三、氣體保護焊①鎢電極：用鎢合金制成電極棒，端部為圓錐形(加入了少量放

射性元素鈰、釷)，鎢的熔點高(約3600℃)，只用于傳導(dǎo)電流，

保證電弧穩(wěn)定燃燒，本身不熔化，鈰、釷元素的蒸發(fā)對人體

健康有一定影響。②氬氣流：隔離空氣，對焊接區(qū)金屬進行保護。③脈沖鎢極氬弧焊用于焊接厚度0.8mm以下的薄壁工件；采用直流電流正接法：用于焊接低合金鋼、不銹鋼、耐

熱鋼、鈦合金等。采用交流電源：用于焊接鋁、鎂合金(具有“陰極破碎”作用)；④鎢極氬弧焊時為防止電極燒損，電流不宜過大，熔深較淺，多用于焊接厚度＜6mm薄壁工件。1、鎢極氬弧焊(TIG)用焊絲作電極，焊絲熔化后作焊縫填充金屬，可用較大的電流，熔深較大，生產(chǎn)率高，適用于焊接厚度為3～25mm的工件。2、熔化極氬弧焊(MIG)①保護效果好，焊接質(zhì)量高；②能量集中，熱影響區(qū)小，應(yīng)力、變形傾向小；③可適應(yīng)各種焊位，便于實現(xiàn)自動化焊接；④氬氣成本較高，不宜在室外焊接。4)應(yīng)用

適用于焊接各種有色金屬、稀有金屬、合金鋼，如鋁、鎂、銅、鉬、鈦及其合金、不銹鋼、耐熱鋼及對焊接質(zhì)量要求較高的重要結(jié)構(gòu)。焊件的厚度一般＜25mm。3、氬弧焊的特點用CO2作保護氣的電弧焊。（二）CO2氣體保護焊

CO2氣體在高溫下要分解，具有氧化性。焊接低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼用CO2作保護氣體，可有效

地隔離空氣中的氮氣。采用硅錳合金焊絲(H08MnSiA，

H08Mn2SiA)對焊縫滲合金、脫氧、脫硫，可阻止CO2氣體

對金屬的氧化，保證焊縫質(zhì)量。2、CO2保護焊的特點①焊接成本低(約為手弧焊的40%)；生產(chǎn)率高(約為手弧焊的

2～5倍)；②焊接質(zhì)量好(焊縫含氣量低，熱影響區(qū)較小)；③能全位焊，易于實現(xiàn)焊接過程的自動化；④焊縫表面粗糙，粗絲CO2焊飛濺大；不能焊易氧化的有色

金屬和合金鋼。1、CO2是最經(jīng)濟的焊接保護氣體主要用于焊接低碳鋼和強度等級較低的低合金結(jié)構(gòu)

鋼，適用于焊接中、薄板結(jié)構(gòu)。①細絲(d=0.5～1.2mm)CO2保護焊，主要用于焊0.8～

4mm的薄鋼板；粗絲(d=1.6～5mm)CO2保護焊，多用于焊3～25mm

厚的鋼板。②CO2保護焊既可用于縫焊，還可用于點焊，在車輛、船

舶生產(chǎn)中，CO2保護焊機器人正在發(fā)揮重要作用。3、CO2保護焊的應(yīng)用焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進行焊接的方法。1、電阻焊三、其它常用焊接方法用兩柱狀電極壓緊工件→通電→接觸面發(fā)生點狀熔化(熔核)→斷電，在壓力下完成一個焊點的結(jié)晶過程。多用于薄板的非密封性連接。1．點焊用滾輪電極滾壓工件，配合斷續(xù)通電，相鄰的焊點互相重疊，而形成連續(xù)致密焊縫。多用于焊接有密封性要求的薄壁結(jié)構(gòu)(δ≤3mm)。2．縫焊1）電阻對焊將焊件裝配成對接接頭，使其端面緊密接觸，利用強電

流通過接頭時產(chǎn)生的電阻熱，將金屬加熱至塑性狀態(tài)，然后

迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。特點：接頭性能較差，多用于對接頭強度和質(zhì)量要求不很高，直徑小于20mm的棒料、管材、門窗等構(gòu)件的焊接。3．對焊將焊件裝配成對接接頭，接通電源，并使其端面逐漸靠攏

達到局部接觸，利用強電流產(chǎn)生的電阻熱，將接觸面(點)金

屬迅速熔化達一定深度后，迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。

焊接過程:

兩電極夾緊工件、通電→可動電極左移使端面接觸(閃光)→斷電、頂鍛。2）閃光對焊①焊接質(zhì)量好，生產(chǎn)率高；②可焊同種金屬或異種金屬(鋼-鋼、銅-鋼、鋁-鋼、鋁-銅等)；③可焊直徑為0.01mm的金屬絲和斷面為上萬平方毫米的金屬棒、管或異型材料。多用于焊接重要管道、鋼軌、錨鏈、刀具、鋼筋等。

對焊要求焊件截面形狀應(yīng)盡量相同，圓棒直徑、方料邊長、管子壁厚之差不應(yīng)超過15%。3）閃光焊的特點及應(yīng)用§2.2摩擦焊

摩擦焊是利用焊件接觸面的強烈摩擦產(chǎn)生的熱量，將焊件連接面快速加熱到塑性狀態(tài)，并在壓力下形成接頭的熱壓焊方法。①加熱溫度低，接頭質(zhì)量好；②焊接生產(chǎn)率高(1200件/h)，成本低(耗電為閃光焊的10～

20%,焊接成本為CO2電弧焊的70%左右)；③能焊同種金屬、異種金屬及某些非金屬材料；④焊接過程可控性好，質(zhì)量穩(wěn)定，焊件精度高；⑤勞動條件好，無弧光、煙塵、射線污染；⑥要求被焊工件至少應(yīng)有一件是旋轉(zhuǎn)體(如棒料、管材)；⑦摩擦焊設(shè)備的一次投資大，適用于成批大量生產(chǎn)。1)摩擦焊的特點2)摩擦焊的應(yīng)用①在各種回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的焊接方法中，可逐步取代電弧焊、電

阻焊、閃光焊；②一些用熔焊、電阻焊不能焊的異種金屬，可用摩擦焊焊接

(如銅—鋁摩擦焊等)。釬焊是采用熔點比母材低的金屬作焊料，將焊件加熱到高于焊料熔點，低于母材熔點的溫度，使焊料填充接頭間隙，與母材產(chǎn)生相互擴散，冷卻后實現(xiàn)焊件連接的方法。§2.3釬焊使用硬焊料進行的釬焊。常用的硬焊料有：銅、銀、鎳、鋁等焊料；其熔點＞450℃，接頭強度可達500MPa。主要用于受力較大，工作溫度較高的工件焊接，如刀具、冰箱壓縮機管道等。1．硬釬焊使用軟焊料進行的釬焊。軟焊料多采用錫-鉛合金，熔點＜450℃，接頭強度低(σb＜70MPa)。主要用于受力不大，工作溫度較低的焊件。如各種電器導(dǎo)線的連接，儀表、儀器元件的焊接等。2．軟釬焊①清除氧化膜及雜質(zhì)；②改善焊料充填接頭間隙的性能(潤濕性)；③防止被焊金屬氧化。硬釬焊用焊劑由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物所組成。

軟釬焊用焊劑由松香、氯化鋅與氯化銨溶液等。3．釬焊熔劑(簡稱焊劑)①加熱溫度低，焊接應(yīng)力與