金屬工藝學 課件12、13 焊接工藝基礎、常用的焊接方法

厚德博學追求卓越12焊接工藝基礎主要內(nèi)容概述一電弧焊工藝基礎二三焊接接頭組織與性能及改善方法四焊接應力與變形焊接

焊接是采用物理或化學的方法，使分離的材料產(chǎn)生原子或分子結(jié)合，形成具有一定性能要求的整體。

焊接與膠接、機械連接等同屬材料連接技術(shù)。焊接

人類歷史上應用最早的焊接技術(shù)是釬焊。公元前350年羅馬人開始用Sn-Pb合金連接Pb制水管或Cu制金屬工具，我國在春秋中晚期開始采用Sn或Sn-Pb合金作為釬料。

著名的秦兵馬俑出土的銅車馬采用了青銅鑄焊技術(shù)，焊接質(zhì)量上乘，認為是2000前的中國焊接技術(shù)。

現(xiàn)代意義的焊接技術(shù)出現(xiàn)在19世紀初的西方國家。1885年俄羅斯Benardos發(fā)明碳弧焊，1888年俄羅斯H.г.Cлавянов

發(fā)明金屬電極電弧焊，1895年法國LeChatelier獲得了氧乙炔火焰焊的發(fā)明證書，從此焊接技術(shù)開始得到迅速發(fā)展，成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分。秦銅車馬國家體育場（鳥巢）鋼結(jié)構(gòu)焊接一、概述1.1焊接方法的分類

焊接是借助金屬原子的結(jié)合與擴散，使分離的兩部分金屬牢固地、永久地結(jié)合起來的工藝。

焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊件達到原子結(jié)合的一種加工方法。熔焊電渣焊電弧焊焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊高能束焊電子束焊激光焊等離子弧焊化學熱焊氣焊鋁熱焊壓焊摩擦焊超聲波焊爆炸焊擴散焊高頻焊電阻焊釬焊及封粘軟釬焊硬釬焊封接粘接1.1焊接方法的分類

（1）熔焊

熔焊是一種將焊件接頭部位加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接過程的方法。采用局部加熱方法，使工件的焊接接頭部位出現(xiàn)局部熔化，通常還須填充金屬，共同構(gòu)成熔池。

熔池經(jīng)冷卻結(jié)晶后，形成牢固的原子間結(jié)合，使分離的工件成為一體。熔焊的加熱速度快，加熱溫度高，接頭部位經(jīng)歷熔化和結(jié)晶過程。熔焊適合于各種金屬和合金的焊接加工。

（2）壓焊

壓焊是在焊接過程中必須對焊件施加壓力（加熱或不加熱）以完成焊接的方法。

在壓力作用下，被焊工件的結(jié)合部位緊密接觸，在無填充金屬的條件下，依靠原子擴散或塑性變形及再結(jié)晶（或局部熔化與結(jié)晶），獲得原子間的相互結(jié)合和永久性連接。

（3）釬焊

釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于母材熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的方法。1.2焊接方法的特點

節(jié)省材料與減輕質(zhì)量焊接的金屬結(jié)構(gòu)件可比鉚接節(jié)省材料10%-25%，采用點焊的飛行器結(jié)構(gòu)重量明顯減輕，運載能力提高，油耗降低簡化復雜零件大型零件的制造焊接方法靈活，可化大為小，以簡拼繁，加工快，工時少，生產(chǎn)周期短。適應性好幾乎可焊接所有的金屬材料和部分非金屬材料，可焊范圍較廣，而且連接性能較好，焊接接頭可達到與工件金屬等強度能滿足特殊連接要求不同材料焊接到一起，能使零件的不同部分或不同位置具備不同的性能，達到使用要求。

雖然焊接方法有很多優(yōu)點，但焊接加工在應用中仍存在某些不足。例如，不同焊接方法的焊接性有較大差別，焊接接頭的組織不均勻性，焊接熱過程造成的結(jié)構(gòu)應力與變形以及各種裂紋問題等1.3焊接方法的應用

制造金屬結(jié)構(gòu)件焊接方法廣泛用于各種金屬結(jié)構(gòu)的制造，如橋梁、船舶、壓力容器、化工設備、機動車輛、礦山機械、發(fā)電設備及飛行器等。制造機器零件和工具焊接件具有剛性好、改型快、周期短、成本低的優(yōu)點，適于單件或小批量生產(chǎn)加工各類機器零件和工具，如機床機架和床身等。修復采用焊接方法修復某些有缺陷、失去精度或有特殊要求的工件，可延長其使用壽命，提高使用性能。二、電弧焊工藝基礎2.1焊接電弧

1.電弧的產(chǎn)生與持續(xù)

焊接電弧是在具有一定電壓的電極與焊件之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強烈而持久的放電現(xiàn)象，即在局部氣體介質(zhì)中有大量電子流通過的導電現(xiàn)象。引燃焊接電弧時，由焊接電源提供一定的兩極電壓，兩極輕觸，產(chǎn)生較大的短路電流，使接觸點溫度急劇升高，同時產(chǎn)生電子逸出和氣體電離，陰極產(chǎn)生熱電子發(fā)射；當兩極分開時，在電場力作用下，自由電子高速飛出，撞擊空隙間氣體的原子和分子，使其部分電離；帶電質(zhì)點同時在電場力的作用下做定向運動，即自由電子和陰離子向陽極運動，陽離子向陰極運動；

若要使電弧穩(wěn)定燃燒，必須要提供并維持一定的電弧電壓，同時要保證電弧空間的介質(zhì)有足夠的電離程度，并將電弧長度控制在一定范圍內(nèi)。具備上述條件的電弧可不間斷地持續(xù)燃燒。2.1焊接電弧

2.電弧構(gòu)造與電源

焊接電弧由陽極區(qū)、陰極區(qū)和弧柱組成。陰極區(qū)發(fā)射電子，產(chǎn)生的熱量約占總熱量的36%；陽極區(qū)因陽極表面受到高速電子撞擊，產(chǎn)生的熱量稍高于陰極區(qū)，約占總熱量的43%；弧柱產(chǎn)生的熱量約占總熱量的21%。

各區(qū)的溫度也有所不同，如用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接鋼材時，陰極區(qū)平均溫度為2400K，陽極區(qū)平均溫度為2600K，弧柱中心區(qū)溫度最高，約為6000~8000K。2.1焊接電弧

2.電弧構(gòu)造與電源

由于陽極區(qū)和陰極區(qū)溫度不同，故在使用直流電源時，正接和反接的效果不同。

正接時（工件接正極，焊條接負極），電弧熱量相對集中于工件，可加大熔深。反接時（工件接負極，焊條接正極）則正好相反。直流電源正接：直流電源反接：工件—正極（陽極）；焊條—負極（陰極）工件—負極（陰極）；焊條—正極（陽極）厚板、酸性焊條薄板、堿性低氫焊條、低合金鋼和鋁合金如果焊接時使用的是交流弧焊機，因為電極每秒鐘正負變化達一百次之多，所以兩極加熱溫度一樣，都在2500K左右，因而不存在正接和反接問題。2.2電弧焊冶金過程及特點

1.電弧焊冶金過程

在電弧高溫作用下，焊條和工件同時發(fā)生局部熔化，形成熔池；熔化的填充金屬呈球滴狀過渡到熔池。

電弧的移動形成動態(tài)熔池，熔池前部的加熱熔化與后部的順序冷卻結(jié)晶同時進行，形成完整的焊縫。焊條藥皮在電弧高溫下一部分分解為氣體，包圍電弧空間和熔池，形成對熔池保護。另一部分直接進入熔池，與熔池金屬發(fā)生冶金反應，并形成熔渣而浮于焊縫表面，構(gòu)成渣殼保護。

電弧在沿焊接方向移動中，熔池前部不斷參與熔化，并依靠電弧吹力和電磁力的作用，將熔化金屬吹向熔池后部，逐步脫離電弧高溫而冷卻結(jié)晶。2.2電弧焊冶金過程及特點

2.電弧焊冶金特點010203反應區(qū)溫度高于一般的冶煉溫度，熔化金屬與熔渣的接觸面積大，冶金反應激烈。熔池小而冷卻速度快，液態(tài)金屬存留時間短。冶煉條件差，有害氣體容易進入熔池，形成氧化物、氮化物、氣孔及雜質(zhì)等缺陷，使焊縫金屬的塑性韌性顯著下降。2.2電弧焊冶金過程及特點

2.電弧焊冶金特點

電弧焊時，焊接前要對焊件進行清理，焊接過程中必須對熔池金屬進行機械保護和冶金處理。

機械保護就是利用熔渣、保護氣體等機械方式把熔池和空氣隔開；冶金處理是指向熔池中添加合金元素，改善焊縫金屬的化學成分和組織。

（1）渣保護為了使熔池與空氣隔離，可在熔池上覆蓋一層熔渣。

一方面防止金屬氧化和吸氣；另一方面向熔池過渡合金元素，提高焊縫性能；同時，還可以減少散熱，提高生產(chǎn)率，防止強光輻射；2.2電弧焊冶金過程及特點

（2）氣保護用于保護熔池和溶滴的氣體應是惰性氣體，并在高溫下不分解，或是低氧化性的不溶于金屬液體的雙原子氣體(如Ar或CO2)。噴嘴結(jié)構(gòu)應盡可能使氣體以層流流出。（3）渣-氣聯(lián)合保護

利用渣的良好的冶金反應和焊縫成型特點以及氣體的優(yōu)良電弧熱效率和穩(wěn)弧作用，可獲得良好的熔池保護效果。如焊條的藥皮及二氧化碳加藥芯。2.3焊條

1.焊條的組成和作用

焊條電弧焊的焊條由兩部分組成。中間是金屬絲制成的焊芯，外部包覆著一定厚度的藥皮。

（1）焊芯是由專門冶煉的焊條鋼經(jīng)軋制和拉拔而成，其主要作用是作為電極和填充金屬。通常結(jié)構(gòu)鋼焊條的含碳量較低。焊芯直徑d一般為1.6~8mm，焊芯長度L一般為200~650mm。

（2）藥皮由多種礦物、鐵合金、有機物和化工材料混合而成。①提高電弧燃燒的穩(wěn)定性；②對焊接過程和焊縫起保護作用；③控制焊縫金屬的化學成分。藥皮的作用：2.3焊條

2.焊條的類型

我國的焊條按用途分為十類；每種類型的焊條又因藥皮類型不同，可具有不同的焊接工藝性能和不同的焊縫力學性能。2.3焊條

2.焊條的類型

我國的焊條按用途分為十類；每種類型的焊條又因藥皮類型不同，可具有不同的焊接工藝性能和不同的焊縫力學性能。2.3焊條

2.焊條的類型

根據(jù)GB/T5117-2012規(guī)定，焊條型號的編制方法如下：用大寫字母和四位數(shù)字表示，字母表示焊條類別；前兩位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強度的最小值，單位為MPa；第三位數(shù)字表示焊條適用的焊接位置；第三位和第四位數(shù)字的組合表示藥皮類型及焊接電流種類。

例如：焊條型號E4303，按從左至右的順序，E表示焊條類別，43表示熔敷金屬抗拉強度的最小值為430MPa，0表示焊條焊條適用于全位置焊接，03表示焊條藥皮為鈦型、電流類型為交直兩用。

常用的結(jié)構(gòu)鋼焊條的牌號表示方法用字母J和三位數(shù)字表示。J表示結(jié)構(gòu)鋼焊條，前兩位數(shù)字表示焊縫金屬抗拉強度，第三位表示藥皮類型及采用電源。

例如，焊條牌號J507，按從左至右的順序，J表示焊條類別為結(jié)構(gòu)鋼焊條，50表示熔敷金屬抗拉強度的最小值為500MPa，7表示焊條藥皮為低氫鈉型、電流類型為直流電源。2.3焊條

2.焊條的類型酸性焊條與堿性焊條的區(qū)別？使用時應如何選擇？藥皮中含有多量酸性氧化物（TiO2、SiO2等）的焊條稱為酸性焊條。酸性焊條能交直兩用，焊接工藝性能較好，對水、銹產(chǎn)生氣孔的敏感性不大，電弧穩(wěn)定、飛濺小、熔渣流動性好、易于脫渣、焊縫外表美觀。酸性焊條因藥皮中含有較多酸性氧化物，氧化性強，導致焊縫區(qū)合金元素燒損較多，焊縫的力學性能，特別是沖擊韌度較差，適用于一般低碳鋼和強度較低的低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接，是應用最廣的焊條。酸性焊條與堿性焊條的區(qū)別？使用時應如何選擇？藥皮中含有多量堿性氧化物（CaO、MgO、Na2O等）的焊條稱為堿性焊條。堿性焊條主要靠碳酸鹽（如大理石中的CaCO3）分解出的CO2作為保護氣體，在弧柱氣氛中H的分壓較低，而且螢石中的CaF2在高溫時與H結(jié)合成氟化氫HF，從而降低了焊縫中含氫量，故堿性焊條又稱為低氫焊條。堿性渣中的CaO數(shù)量多，熔渣脫S能力強，抗裂性能較好，且由于O和H含量低，非金屬夾雜物較少，故焊件有較高的塑性和韌性，及較好的抗冷裂紋性能；但由于藥皮中含有較多的CaF2，影響氣體電離，所以堿性焊條一般要求直流電源，用反接法焊接。只有當藥皮中加放穩(wěn)弧劑才可以用交流電源焊接。2.3焊條

3.焊條的選用原則

（1）等強度原則：低碳鋼和普通低合金鋼構(gòu)件，一般都要求焊縫金屬與母材等強度，因此可根據(jù)鋼材強度等級來選用相應的焊條。

（2）同一強度等級的酸性焊條和堿性焊條的選用。主要應考慮：焊接件的結(jié)構(gòu)形狀、鋼板厚度、載荷性質(zhì)和抗裂性能而定。

（3）低碳鋼與低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接，可按某一種鋼接頭中強度較低的鋼材來選用相應的焊條。（4）焊接不銹鋼或耐熱鋼等有特殊性能要求的鋼材，應選用相應的專用焊條三、焊接接頭組織與性能及改善方法3.1焊接接頭組織與性能焊接時，電弧沿著工件逐漸移動并對工件進行局部加熱。因此在焊接過程中，焊縫及其附近的金屬都是由常溫狀態(tài)開始被加熱到較高的溫度，然后再逐漸冷卻到常溫。

由于各點因與焊縫中心距離不同，所受的最高加熱溫度不同，相當于對焊接接頭區(qū)域進行了一次不同規(guī)范的熱處理，因此焊接接頭的各部位會出現(xiàn)不同的組織轉(zhuǎn)變和性能變化。焊縫區(qū)各點溫度變化情況

焊接熱循環(huán)的特點是加熱和冷卻速度很快，對易淬火鋼，易導致馬氏體相變；對其它材料，易產(chǎn)生焊接變形、應力及裂紋。

電弧焊熱源的高溫集中熔化焊縫區(qū)金屬，并向工件金屬傳導熱量，必然引起焊縫及附近區(qū)域金屬的組織和性能發(fā)生變化。

整個焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)構(gòu)成。3.1焊接接頭組織與性能

1.焊縫區(qū)

焊縫區(qū)金屬是由母材和焊條（絲）熔化形成的熔池經(jīng)冷卻結(jié)晶而成的。

焊縫金屬在結(jié)晶時，是以熔池和母材金屬交界處的半熔化晶粒為晶核，向散熱最快方向生長成為柱狀晶粒，最后這些柱狀晶在焊縫中心相接觸而停止生長，呈柱狀鑄態(tài)組織。

這種結(jié)晶過程使化學成分和雜質(zhì)易在焊縫中心區(qū)產(chǎn)生偏析，引起焊縫金屬力學性能下降。

焊接時，熔池金屬受電弧吹力和保護氣體的吹動，熔池底壁柱狀晶體的成長受到干擾，柱狀晶體呈傾斜狀，晶粒有所細化。

同時由于焊接材料的滲合金作用，焊縫金屬中錳、硅等合金元素含量可能比母材(即焊件)金屬高，焊縫金屬的力學性能一般不低于母材金屬的性能。低碳鋼焊接接頭組織3.1焊接接頭組織與性能

2.熔合區(qū)

熔合區(qū)是焊接接頭中，焊縫金屬向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。

該區(qū)很窄，兩側(cè)分別為經(jīng)過完全熔化的焊縫區(qū)和完全不熔化的熱影響區(qū)。熔合區(qū)的加熱溫度在合金的固-液相線之間。

熔合區(qū)具有明顯的化學不均勻性，從而引起組織不均勻，其組織特征為少量鑄態(tài)組織和粗大的過熱組織，因而塑性差，強度低，脆性大，易產(chǎn)生焊接裂紋和脆性斷裂，是焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

在低碳鋼焊接接頭中，熔合區(qū)雖然很窄(0.1～1mm)，但因其強度、塑性和韌性都下降，而且此處接頭斷面變化，易引起應力集中，所以熔合區(qū)在很大程度上決定著焊接接頭的性能。3.1焊接接頭組織與性能

3.熱影響區(qū)

熱影響區(qū)是焊縫兩側(cè)因焊接熱作用沒有熔化，但發(fā)生金相組織變化和力學性能變化的區(qū)域。根據(jù)熱影響區(qū)內(nèi)各點受熱情況不同，熱影響區(qū)可劃分為過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。

（1）過熱區(qū)：指熱影響區(qū)內(nèi)具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。（1-3mm）

加熱溫度：AC3以上100~200℃至固相線之間（T固~1100℃）。

該區(qū)內(nèi)奧氏體晶粒急劇長大，形成過熱組織，因此塑性和韌性差，是焊接熱影響區(qū)內(nèi)性能最差的區(qū)域。對易淬火硬化材料，此區(qū)的脆性會更大。3.1焊接接頭組織與性能

3.熱影響區(qū)

（2）正火區(qū)：正火區(qū)是指熱影響區(qū)內(nèi)相當于受到正火熱處理的區(qū)域。（1.2-4mm）

加熱溫度：AC3至AC3以上100~200℃之間。

加熱時金屬發(fā)生重結(jié)晶，轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉膴W氏體晶粒。冷卻后得到均勻而細小的鐵素體和珠光體組織，相當于熱處理中的正火組織，所以通常稱為正火區(qū)。

由于該區(qū)晶粒細小均勻，故既有較高的強度，又具有較好的塑性和韌性，是焊接接頭中綜合力學性能最好的區(qū)域。3.1焊接接頭組織與性能

3.熱影響區(qū)

（3）部分相變區(qū)：指熱影響區(qū)內(nèi)組織發(fā)生部分轉(zhuǎn)變的區(qū)域。

加熱溫度：在AC1至AC3之間。

該區(qū)內(nèi)的珠光體和部分鐵素體發(fā)生重結(jié)晶，使晶粒細化，而另一部分鐵素體來不及轉(zhuǎn)變，冷卻后成為粗大的鐵素體與細晶粒珠光體的混合組織。

由于晶粒大小不一，故該區(qū)力學性能變差。3.2改善焊接接頭組織與性能的方法

電弧焊方法不可避免地要出現(xiàn)熔合區(qū)和熱影響區(qū)。這兩個區(qū)域的大小和組織性能取決于被焊材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)等因素。

1.用焊條電弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳鋼結(jié)構(gòu)時，因熱影響區(qū)較窄，危害性較小，焊后不進行處理即可使用。

2.但對重要的碳鋼結(jié)構(gòu)件、低合金鋼結(jié)構(gòu)件，則必須注意熱影響區(qū)帶來的不利影響。為消除其影響，一般采用焊后正火處理，使焊縫和焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變成為均勻的細晶結(jié)構(gòu)，以改善焊接接頭的性能。

3.對焊后不能進行的熱處理的金屬材料或構(gòu)件，則只能通過正確的選擇焊接材料、焊接方法與焊接工藝上來減少焊接熱影響區(qū)的范圍。

例如，通過調(diào)整焊縫金屬的化學成分以改善焊接接頭的性能；盡量采用較小的焊接線能量（熱源功率與焊接速度之比），以減小過熱區(qū)的寬度，降低晶粒長大的程度。四、焊接應力與變形4.1焊接應力的形成

焊接過程是一個極不平衡的熱循環(huán)過程，即焊縫及其相鄰區(qū)金屬都要由室溫被加熱到很高溫度（焊縫金屬已處于液態(tài)），然后再快速冷卻下來。

由于在這個熱循環(huán)過程中，焊件各部分的溫度不同，隨后的冷卻速度也各不相同，因而焊件各部位在熱脹冷縮和塑性變形的影響下，必將產(chǎn)生內(nèi)應力、變形或裂紋。

焊縫是靠一個移動的點熱源來加熱的，隨后逐次冷卻下來所形成的。因而應力的形成、大小和分布狀況較為復雜。1.焊接應力與變形產(chǎn)生的原因4.1焊接應力的形成

當焊縫及相鄰區(qū)金屬處于加熱階段時都會膨脹，但受到焊件冷金屬的阻礙，不能自由伸長而受壓，形成壓應力，該壓應力使處于塑性狀態(tài)的金屬產(chǎn)生壓縮變形。隨后再冷卻到室溫時，其收縮又受到周邊冷金屬的阻礙，不能縮到自由收縮所達到的位置，因而產(chǎn)生殘余拉應力（焊接應力）。4.1焊接應力的形成

工件焊接后產(chǎn)生變形和應力對結(jié)構(gòu)件的制造和使用會產(chǎn)生不利影響。2.焊接變形與應力的危害產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。焊接殘余應力會增加工件工作時的內(nèi)應力，降低承載能力；還會引起裂紋，甚至造成脆斷，應力的存在會誘發(fā)應力腐蝕裂紋。殘余應力是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下會衰減而產(chǎn)生一定的變形，使構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定，所以減少和防止焊接變形和應力是十分必要的。4.2減小和消除焊接應力的措施

對于承載大、壓力容器等重要結(jié)構(gòu)件，焊接應力必須加以防止和消除。減小和消除焊接應力可采取如下措施：（1）在結(jié)構(gòu)設計時，應選用塑性好的材料，要避免使焊縫密集交叉，避免使焊縫截面過大和焊縫過長。4.2減小和消除焊接應力的措施

（2）采用合理的焊接順序，使焊縫能夠自由地收縮，以減少應力。因先焊焊縫1導致對焊縫2的拘束度增加，而增大殘余應力，使A區(qū)易產(chǎn)生裂紋。（3）焊前對焊件預熱，可以減弱焊件各部位間的溫差，從而顯著減小焊接應力。（4）當焊縫還處在較高溫度時，錘擊焊縫使金屬伸長，也能減少焊接殘余應力。（5）當需較徹底地消除焊接應力時，可采用焊后去應力退火方法來實現(xiàn)。此時需將焊件加熱至500?650℃左右，保溫后緩慢冷卻至室溫。4.3焊接變形的基本形式焊接應力的存在，會引起焊件的變形。具體焊件會出現(xiàn)哪種變形與焊件結(jié)構(gòu)、焊縫布置、焊接工藝及應力分布等因素有關。小型焊件，整體尺寸減小坡口結(jié)構(gòu)上下不對稱或受熱不均勻焊縫結(jié)構(gòu)不對稱，分布不均勻焊接薄板多焊縫和長焊縫4.4減小和消除焊接變形的措施

焊接變形的存在改變了構(gòu)件的形狀和尺寸，過大的變形量將使焊件報廢。因此，必須加以防止和消除。

焊件產(chǎn)生變形主要是由焊接應力所引起，預防焊接應力的措施對防止焊接變形都是有效的。

1.正確設計焊件的結(jié)構(gòu)當對焊件的變形有較高限定時，在結(jié)構(gòu)設計中采用對稱結(jié)構(gòu)或大剛度結(jié)構(gòu)、焊縫對稱分布結(jié)構(gòu)都可減小或不出現(xiàn)焊接變形。4.4減小和消除焊接變形的措施

2.采用合理的焊接工藝在結(jié)構(gòu)設計合理的前提下，可采取如下工藝措施達到減小和消除焊接變形的目的。（1）反變形法預測焊后可能出現(xiàn)的變形大小和方向，焊前將工件預先反方向變形，焊后可抵消發(fā)生的焊接變形。4.4減小和消除焊接變形的措施

2.采用合理的焊接工藝（2）剛性固定法

利用焊前裝配使工件的相對位置固定，用夾具強制性約束焊接變形。采用定位焊組裝也可防止焊接變形。

剛性固定法不適合焊接淬硬性較大的鋼結(jié)構(gòu)件和鑄鐵件，通常用于塑性好的小型工件焊接。4.4減小和消除焊接變形的措施

2.采用合理的焊接工藝（3）合理選擇焊接次序

正確選擇焊接參數(shù)和焊接次序，對減小焊接變形也很重要，這樣可使溫度分布更加均衡，開始焊接時產(chǎn)生的微量變形，可被后來焊接部位的變形所抵消。

采用圖中數(shù)字順序焊接，則后焊焊道產(chǎn)生的變形可抵消前焊焊道所產(chǎn)生的變形。4.4減小和消除焊接變形的措施

2.采用合理的焊接工藝（3）合理選擇焊接次序

正確選擇焊接參數(shù)和焊接次序，對減小焊接變形也很重要，這樣可使溫度分布更加均衡，開始焊接時產(chǎn)生的微量變形，可被后來焊接部位的變形所抵消。采用對稱焊和分段倒退焊采用多層多道焊，能減少焊接變形4.4減小和消除焊接變形的措施

2.采用合理的焊接工藝（4）焊前預熱和焊后緩冷

焊前預熱和焊后緩冷是減小焊縫區(qū)與其他部分的溫差，使工件較均勻地冷卻，減小焊接應力和變形。通常在焊前將工件預熱到300℃以上再進行焊接，焊后要緩冷。（5）焊后熱處理

對重要結(jié)構(gòu)件焊后應進行去應力退火，以降低應力，減小變形，提高承載能力。小型工件可整體退火，大型工件可進行局部退火。4.4減小和消除焊接變形的措施

3.焊后矯形處理當焊后的變形超出允許值時，必須進行焊后矯形。常用的矯形方法有機械矯形和火焰矯形。（1）機械矯形

利用壓力機、輾壓機、矯直機或手工等方法，在機械外力的作用下，使變形工件恢復到原形狀和尺寸。

機械矯形可利用機械外力所產(chǎn)生的變形，抵消焊接變形并降低內(nèi)應力。對塑性差的材料不宜采用機械矯形。4.4減小和消除焊接變形的措施

3.焊后矯形處理（2）火焰矯形

采用氧乙炔火焰在被焊工件的適當部位加熱，利用冷卻收縮產(chǎn)生的新應力造成新變形，來克服和抵消原變形。

火焰矯形可使工件的形狀恢復，但矯形后的工件應力并未消失。對易淬硬材料和脆性材料不宜采用火焰矯形。4.4減小和消除焊接變形的措施

4.焊接裂紋

焊接應力過大的嚴重后果是使焊件產(chǎn)生裂紋。

焊接裂紋存在于焊縫或熱影響區(qū)的熔合區(qū)中，而且往往是內(nèi)裂紋，危害極大。因此，對重要焊件，焊后應進行焊接接頭的內(nèi)部探傷檢查。

焊件產(chǎn)生裂紋也與焊接材料的成分（如硫、磷含量）、焊縫金屬的結(jié)晶特點（結(jié)晶區(qū)間）及含氫量的多少有關。焊接質(zhì)量保障措施合理選材1采取減小焊接應力的措施2應用合理的焊接工藝和焊接參數(shù)（如選用堿性焊條、小能量焊接、預熱、合理的焊接次序等）3思考題減少焊接應力考慮，拼焊如下圖所示的鋼板時，應怎樣確定焊接順序？試在圖中標出，并說明理由。路雖遠行則將至，

事雖難做則必成！——《荀子·修身》厚德博學追求卓越13常用的焊接方法主要內(nèi)容一焊條電弧焊埋弧焊氣體保護焊電渣焊等離子弧焊與切割壓焊釬焊二三四五六七一、焊條電弧焊焊條電弧焊

焊條電弧焊是用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。

焊條電弧焊是迄今為止應用最為廣泛的焊接方法，可在室內(nèi)、室外、高空和各種方位進行，設備簡單、維護容易、焊鉗小、使用靈便。

（1）焊接前，先將焊件和焊鉗通過導線分別接到弧焊機輸出端的兩極，并用焊鉗夾持焊條；

（2）焊接時，電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件和焊芯共同熔化形成熔池，同時也使焊條的藥皮熔化和分解；

（3）隨著焊條沿焊接方向向前移動，新的熔池不斷產(chǎn)生，原先的熔池則不斷冷卻、凝固、形成焊縫，使分離的兩個焊件連接在一起。

1.焊條電弧焊的焊接過程焊條電弧焊1.設備簡單、價格便宜焊條電弧焊使用的電焊機結(jié)構(gòu)簡單，只需配備簡單的輔助工具，價格便宜，維護方便。2.采用氣體和熔渣聯(lián)合保護焊條藥皮在熔化過程中產(chǎn)生一定量的氣體和液態(tài)熔渣，不僅使熔池和電弧周圍的空氣隔絕，而且和熔化了的焊芯、母材發(fā)生一系列冶金反應，保證所形成焊縫的性能。3.可焊金屬材料范圍廣焊條電弧焊廣泛應用于低碳鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵和非鐵金屬的焊接。4.操作靈活、適應性強焊條電弧焊適用于各種厚度、各種結(jié)構(gòu)和接頭形式及空間位置的焊接。

焊條電弧焊的不足之處是：（1）對焊工操作技術(shù)要求高、勞動強度大；（2）生產(chǎn)效率低；（3）不適用于易氧化的金屬及薄板的焊接。

雖然焊條電弧焊的生產(chǎn)效率不如機械化的電弧焊高，焊縫質(zhì)量也不太穩(wěn)定，但仍然是目前電弧焊中應用最普遍的方法，尤其適用于操作不便的場合和短小焊縫的焊接，如在修理工作中更為方便。2.焊條電弧焊的特點及應用二、埋弧焊埋弧焊

埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒并進行焊接的電弧焊方法。

埋弧焊以金屬焊絲和焊件之間燃燒的電弧熱源產(chǎn)生熱量，并以覆蓋在電弧周圍的顆粒狀焊劑及其熔渣作為保護，熔化焊絲、焊劑和母材而形成焊縫。

1.埋弧焊的焊接過程埋弧焊機行走機構(gòu)前部裝有焊劑漏頭，細顆粒狀的焊劑首先鋪撒于焊縫位置，形成焊劑覆蓋層；焊接開始時，焊絲經(jīng)送絲機構(gòu)送入焊劑層下，引燃電弧并由設備自動控制電弧長度、焊接速度等參數(shù)；電弧熱使工件金屬與焊絲熔化并形成熔池，部分焊劑熔化，由金屬和焊劑的高溫蒸發(fā)氣體形成氣泡，包圍電弧并對熔池起保護作用；隨著電弧的移動，熔池后部順序凝固，形成焊縫，熔渣浮于焊縫表面，凝固后形成機械保護層。埋弧焊

2.埋弧焊工藝

埋弧焊要求更仔細地下料、準備坡口和裝配。焊接前，應將焊縫兩側(cè)50?60mm內(nèi)的一切污垢與鐵銹除掉，以免產(chǎn)生氣孔。

埋弧焊一般在平焊位置焊接，用以焊接對接和T形接頭的長直線焊縫。

當焊接厚20mm以下工件時，可以采用單面焊接。如果設計上有要求（如鍋爐與容器），也可雙面焊接。

埋弧焊中由于引弧處和斷弧處質(zhì)量不易保證，焊前應在接縫兩端焊上引弧板與引出板，焊后再去掉。為了保持焊縫成形和防止燒穿，生產(chǎn)中常采用各種類型的焊劑墊和墊板，或者先用焊條電弧焊封底。

工件厚度超過20mm時，可進行雙面焊接，或采用開坡口單面焊接。

焊接筒體對接焊縫時，工件以一定的焊接速度旋轉(zhuǎn)，焊絲位置不動。為防止熔池金屬流失，焊絲位置應逆旋轉(zhuǎn)方向偏離工件中心線一定距離a，其大小視筒體直徑與焊接速度等而定。埋弧焊

3.埋弧焊的特點及應用1.焊接生產(chǎn)效率高埋弧焊的電流可達到1000A以上，比焊條電弧焊髙6-8倍。同時節(jié)省了更換焊條的時間，所以埋弧焊比焊條電弧焊提高生產(chǎn)率5-10倍。2.焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定埋弧焊焊劑供給充足，電弧區(qū)保護嚴密，熔池保持液態(tài)時間較長，冶金過程進行得較為完善，氣體與雜質(zhì)易于浮出。3.節(jié)省金屬材料埋弧焊熱量集中，熔深大，20?25mm以下的工件可不開坡口進行焊接，而且沒有焊條頭的浪費，飛濺很小。4.勞動條件較好埋弧焊的非明弧操作和機械控制方式，減輕了體力勞動，避免了弧光傷害，減小了煙塵。

埋弧焊在焊接生產(chǎn)中已得到廣泛應用。常用來焊接長的直線焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫。當工件厚度增加和批量生產(chǎn)時，其優(yōu)點尤為顯著。

但應用埋弧焊時，設備費用較高，工藝裝備復雜，對接頭加工與裝配要求嚴格，只適用于批量生產(chǎn)長的直線焊縫與圓筒形工件的縱、環(huán)焊縫。對狹窄位置的焊縫以及薄板的焊接，埋弧焊則受到一定限制。三、氣體保護焊3.1氬弧焊

氣體保護焊是指用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護電弧和焊接區(qū)的一種電弧焊方法。常見的氣體保護焊有氬弧焊和CO2氣體保護焊。

氬弧焊是以氬氣作為保護氣體的電弧焊方法。氬弧焊又分為熔化極氬弧焊和鎢極氬弧焊兩種。

氬弧焊利用特制的焊炬，使氬氣從焊炬端部噴嘴中排出，電弧在氬氣保護下燃燒。3.1氬弧焊

1.氬弧焊的焊接過程

（1）熔化極氬弧焊（簡稱MIG焊）

以焊絲為一電極，工件為另一電極，焊絲熔滴通常呈很細顆粒的“噴射過渡”進入熔池，所以可用較大電流進行焊接，可焊接厚度為25mm以下的工件。熔化極氬弧焊的適用范圍廣，生產(chǎn)率較高，焊接變形小，一般采用直流反接。3.1氬弧焊

1.氬弧焊的焊接過程

（2）鎢極氬弧焊（簡稱TIG焊）以鈰鎢或釷鎢合金為電極，以氬氣作為保護氣體，焊縫填充金屬（即焊絲）根據(jù)情況另外添加。焊接時，鈰鎢棒不熔化，只起導電與產(chǎn)生電弧的作用，易于實現(xiàn)機械化和自動化焊接。因電極所能通過的電流有限，所以只適合焊接厚度6mm以下工件。3.1氬弧焊

1.氬弧焊的焊接過程

（2）鎢極氬弧焊（簡稱TIG焊）

TIG焊焊接鋼材時，多用直流電源正接。原因如下：

①工件為陽極，工件接受電子轟擊放出的動能和位能（逸出功），產(chǎn)生大量熱，因此熔池深而窄，生產(chǎn)效率高。②鎢極上接受正離子轟擊時放出的能量比較小，鎢極產(chǎn)生的熱量比較低，不易過熱，鎢極燒損少。

TIG焊焊接鋁、鎂及其合金時，則希望用直流反接或交流電源，因電極間正離子撞擊工件熔池表面，可使氧化膜破碎，有利于工件金屬熔合和保證焊接質(zhì)量。直流反接時，焊件上放出的能量不多，焊縫熔深淺而熔寬大，生產(chǎn)效率低，通常只對3mm以下的薄壁鋁、鎂及其合金才可以采用。3.1氬弧焊

2.氬弧焊的特點及應用1.適于焊接各類合金鋼、易氧化的非鐵金屬及鋯、鉭、鉬等稀有金屬材料。2.電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫致密，表面沒有熔渣，成形美觀。3.電弧和熔池區(qū)受氣流保護，明弧可見，便于操作，容易實現(xiàn)全位置自動焊接。4.電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，熔池較小，焊接速度較快，焊接熱影響區(qū)較窄，因而工件焊后變形小。

氬弧焊的不足之處是：氬氣成本較高，保護氣流易受環(huán)境因素干擾，只宜在室內(nèi)作業(yè)。此外氬氣沒有脫氧除氫作用，焊前清理要求嚴格。

氬弧焊目前主要用于焊接鋁、鎂、鈦及其合金，也用于焊接不銹鋼、耐熱鋼和一部分重要的低合金鋼工件。3.2CO2氣體保護焊

CO2氣體保護焊是以不活潑的CO2作為保護氣體的氣體保護焊方法，簡稱CO2焊。

1.CO2氣體保護焊的焊接過程

CO2氣體保護焊的焊炬是特殊制造的，焊絲由送絲機構(gòu)驅(qū)動，經(jīng)焊炬導電嘴送出。CO2氣體以一定流量從焊炬端部排出，對電弧和焊接位置形成保護。

CO2是氧化性氣體，在電弧熱作用下能分解為CO和O，使鋼中的碳、錳、硅及其他合金元素燒損、熔池金屬的飛濺和CO氣孔等問題。CO2焊時的飛濺：

CO2+Fe=FeO+CO↑FeO進入熔池和熔滴，與熔池和熔滴中的C反應：

FeO+C=Fe+CO

生成的CO在熔池和熔滴內(nèi)體積急劇膨脹而爆破，導致飛濺。

為保證焊縫的合金成分，需采用含錳、硅較髙的焊接鋼絲或含有相應合金元素的合金鋼焊絲。例如焊接低碳鋼常選用H08MnSiA焊絲，焊接低合金鋼則常選用H08Mn2SiA焊絲。3.2CO2氣體保護焊

2.CO2氣體保護焊的特點及應用

CO2氣體保護焊的不足之處：CO2氣體的氧化性強，焊縫金屬的合金元素燒損嚴重，且飛濺大。氧化性保護氣體不適于易氧化的有色金屬的焊接，因此，CO2氣體保護焊只適用于黑色金屬（低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼）的焊接。1.成本低因采用廉價易得的CO2代替焊劑，焊接成本僅是埋弧焊和焊條電弧焊的40%左右。2.生產(chǎn)率高由于焊絲送進是機械化或自動化進行，電流密度較大，電弧熱量集中，熔深大，焊接速度較快。3.操作性能好CO2氣體保護焊是明弧焊，焊接中可清楚地看到焊接過程，容易發(fā)現(xiàn)問題，可及時調(diào)整處理。適合于各種位置的焊接4.質(zhì)量較好由于電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，因而焊接熱影響區(qū)較小，變形和產(chǎn)生裂紋的傾向性小。

CO2保護焊目前已廣泛用于造船、機車車輛、汽車、農(nóng)業(yè)機械等工業(yè)部門，主要用于焊接30mm以下厚度的低碳鋼和部分低合金鋼工件。四、電渣焊電渣焊

電渣焊是利用電流通過液體熔渣所生產(chǎn)的電阻熱進行焊接的方法。根據(jù)使用的電極形狀，可分為絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊等。

1.電渣焊的焊接過程

開始焊接時，采用埋弧焊引弧方法，于引弧板處的焊劑層下引燃電弧，并不斷加人少量固體焊劑，利用電弧的熱量使之熔化，形成液態(tài)熔渣。

待熔渣達到一定深度時，增加焊絲的送進速度，并降低電壓，使焊絲插人渣池，電弧熄滅，電流通過熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化。

渣池隨填充量的增大而逐漸上升，兩側(cè)水冷式滑塊跟隨提升，焊縫下部相繼凝固成固態(tài)，形成焊縫。電渣焊

2.電渣焊的特點及應用1.電渣焊最適合焊接大厚度工件，可一次焊成，生產(chǎn)率高。2.焊縫液態(tài)金屬停留時間長，焊縫不易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，焊縫質(zhì)量好。3.焊接材料和電能消耗少，焊接成本低。箱型梁隔板與底板的電渣焊電渣焊的不足之處是：只適于厚板和立焊（或近似立焊）位置；輸入的熱量大，接頭在髙溫下停留時間長，焊縫附近容易過熱，焊縫金屬呈粗大的鑄態(tài)組織，沖擊韌性低，焊件在焊后一般需要進行正火和回火熱處理。電渣焊

2.電渣焊的特點及應用五、等離子弧焊與切割等離子弧焊

等離子弧焊接是借助水冷噴嘴等對電弧的拘束與壓縮作用，獲得較高能量密度的等離子弧進行焊接的方法。

1.等離子弧焊的焊接過程

在鎢極和工件之間加一較高電壓，經(jīng)高頻振蕩使氣體電離形成電弧。此電弧在通過具有細孔道的噴嘴時，弧柱被強迫縮小，此作用稱為機械壓縮效應。

一般電弧焊中的電弧，不受外界約束，稱為自由電弧，電弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離，能量也未高度集中起來。如果采用一些方法使自由電弧的弧柱受到壓縮（稱為壓縮效應），弧柱中的氣體就完全電離，產(chǎn)生溫度比自由電弧髙得多的等離子弧。

當通入一定壓力和流量的離子氣（通常為氬氣）時，離子氣冷氣流均勻地包圍著電弧，使弧柱外圍受到強烈冷卻，迫使帶電粒子流（離子和電子）往弧柱中心集中，弧柱被進一步壓縮。這種壓縮作用稱為熱壓縮效應。

帶電粒子流在弧柱中的運動，可看成是電流在一束平行的“導線”內(nèi)流過，其自身磁場所產(chǎn)生的電磁力，使這些“導線”互相吸引靠近，弧柱又進一步被壓縮。這種壓縮作用稱為電磁收縮效應。等離子弧焊

1.等離子弧焊的焊接過程

電弧在上述三種效應的作用下，被壓縮得很細，使能量高度集中，弧柱內(nèi)的氣體完全電離為電子和離子，稱為等離子弧，其溫度可達到16000K以上。

按電流大小，等離子弧焊又可分為兩類：

(1)大電流等離子弧焊，即通常所稱的等離子弧焊，用于焊接厚度在2.5mm以上的焊件。

等離子弧焊接應使用專用的焊接設備和焊炬。焊炬的構(gòu)造應保證在等離子弧周圍再通以均勻的保護氣體，以保護熔池和焊縫不受空氣的有害作用。所以，等離子弧焊接實質(zhì)上是一種具有壓縮效應的鎢極氣體保護焊。

(2)微束等離子弧焊，即用小電流(通常小于30A)焊接厚度小于2.5mm的薄板。等離子弧焊

2.等離子弧焊的特點及應用

等離子弧焊除具有氬弧焊的優(yōu)點外，還有以下特點：1.等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強。因此，焊接厚度為10-12mm的鋼材可不開坡口，一次焊透雙面成形。2.等離子弧焊的焊接速度快，生產(chǎn)率高，焊后的焊縫寬度和高度較均勻一致，焊縫表面光潔。3.當電流小到0.1A時，電弧仍能穩(wěn)定燃燒，并保持良好的挺直度和方向性，故等離子弧焊可焊接很薄的箔材。

等離子弧焊接的缺點是設備比較復雜，氣體消耗量大，只宜于在室內(nèi)焊接。

等離子弧焊接已在生產(chǎn)中得到廣泛應用，特別是在國防工業(yè)及尖端技術(shù)中用以焊接銅合金、合金鋼、鎢、鉬、鈷、鈦等金屬工件。如鈦合金導彈殼體、波紋管及膜盒、微型繼電器、電容器的外殼封焊以及飛機上一些薄壁容器等均可用等離子弧焊接。等離子切割

3.等離子弧切割

等離子弧用于切割時，稱為等離子弧切割。

等離子弧切割是以高溫高速的等離子弧為熱源，將金屬局部熔化并吹走，使金屬達到分離目的的過程。等離子氣一般用氮氣，也可用氮氫混合氣(含氫10%～25%)，不用保護氣體。

與氧氣切割比較，等離子弧切割速度高，熱影響區(qū)及變形小，切口窄且光潔，可切割任何金屬和非金屬，包括氧氣切割不能切割的金屬，如不銹鋼、耐熱鋼、鈦、鉬、鑄鐵、銅、鋁及其合金等。六、壓焊6.1電阻焊

壓焊是通過對焊接區(qū)域施加一定的壓力來實現(xiàn)焊接的方法。

1.電阻焊的焊接過程

將焊件組裝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)域所產(chǎn)生的電阻熱，把工件加熱到塑性或局部融化狀態(tài)，在壓力作用下形成接頭的焊接方法。

壓焊是指通過加熱等手段使金屬達到塑性狀態(tài)，加壓使其產(chǎn)生塑性變形、再結(jié)晶和擴散等作用，使兩個分離表面的原子接近到晶格距離（0.3～0.5nm)，形成金屬鍵，從而獲得不可拆卸接頭的一類焊接方法。預壓、通電加熱、在壓力下冷卻結(jié)晶或塑性變形和再結(jié)晶。電阻熱：

Q=I2Rt,其中電流和時間是外因，而電阻是內(nèi)因。焊接區(qū)的總電阻為：R=Rc+2Rew+2Rw。其中Rc為焊件接觸電阻，Rew為電極與焊件間的接觸電阻，Rw為焊件電阻。6.1電阻焊

2.電阻焊的分類

電阻焊方法的主要特點是焊接速度快、變形小、焊接生產(chǎn)率高、勞動條件好、操作易于實現(xiàn)機械化和自動化、不需要填充金屬等；但電阻焊設備較復雜、耗電量大，對接頭形式和可焊厚度有一定限制。

電阻焊分為點焊、縫焊和對焊三種形式。

(1)點焊

點焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬以形成焊點的電阻焊方法。

由于工件間接觸面處電阻較大，因此產(chǎn)生的熱量最多，會出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象，熔化區(qū)周圍金屬達到塑性狀態(tài)，封閉熔化區(qū)。冷卻時在電極壓力作用下結(jié)晶，獲得組織致密的焊點。點焊熔核形成過程6.1電阻焊

(1)點焊

點焊主要適用于薄板搭接接頭?？珊覆牧隙酁榈吞间摗⒉讳P