熔焊工藝課件

《材料成形工藝基礎》授課教案間題：金屬連接方法有哪幾類?金屬連接方法1.借助于螺栓或鉚釘的機械連接法2.焊接法3.粘接法零件螺栓a)螺栓連接螺母一、概述1.何為焊接?>

利用局部加熱或(和)

加壓等手段，使分離的金

屬通過原子的結合和擴散而形成永久性連接的工藝方法。2.焊接的本質>

焊接的本質：通過適當的物理化學過程使兩個構件表面的原子接近到金屬晶格距離。>金屬焊接障礙：表面粗糙度、表面的氧化膜及其

他污染物。(埋弧焊電渣焊等離子弧焊電子束焊激光焊電阻焊摩擦焊超聲波焊爆炸焊擴散焊高頻焊軟釬焊硬釬焊封接粘接手弧焊電弧焊《氣體保護焊3.焊接方法釬焊及封粘熔

焊壓力焊4.焊接的主要特點：(1)節(jié)省材料，減輕質量；(2)簡化復雜零件和大型零件的制造；

(3)可實現特殊結構件的生產；(4)可實現不同材料間的連接成形；5.

焊接方法的應用：(1)制造金屬結構件；(2)

制造機器零件和工具；(3)修復。汽車制造無軌爬行式全位置焊接機器人系統(tǒng)石化建設摩天大廈的建造離不開焊接技術e)

裝配好的車身送進頂蓋b)

側壁

c)

頂畫電阻點焊機器人g)

車身焊接線f)車身裝配線d)

前翼板送進側壁送進底板a)底

板§10.1熔焊原理及過程§10.2焊接接頭的組織與性能§10.3焊接變形和焊接應力§10,4

熔焊方法及工藝本節(jié)重點：

焊接接頭的組織和性能；焊接應

力和變形。本節(jié)難點：

焊接應力與變形。第十章熔焊工藝完成焊接的方法。一

、熔焊的本質及特點1.熔化焊的本質：

小熔池熔煉與鑄造，是金屬熔化與結晶的冶金過程。2.熔焊冶金特點①冶金反應溫度高：金屬燒損②冶金過程短：易出現成分偏析③冶金條件差：焊接熔池暴露，周圍空氣易發(fā)

生各種冶金反應10.1

熔焊原理及過程熔焊：指焊接過程中將焊件加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力而特點二、

熔化焊的三要素1.熱源能量要集中，溫度要高。以保證金屬快速熔化，減小熱

影響區(qū)。滿足要求的熱源有電弧、等離子弧、電渣熱、電子束和激光。2.熔池的保護可用渣保護、氣保護和渣-氣聯合保護。以防止氧化，

并進行脫氧、脫硫和脫磷，給熔池過渡合金元素。3.填充金屬保證焊縫填滿及給焊縫帶入有益的合金元素，并達到

力學性能和其它性能的要求，主要有焊芯(空心】和焊絲【實心】。L.熱源電弧是指兩電極之間強烈而持久的氣體放電現象。電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強。

將電弧放電用作焊接熱源，既安全，加熱效率也高。電弧的三個區(qū)：

陰極一

弧住區(qū)

陽極陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。

陰極區(qū)

陽極區(qū)焊接電弧的溫度

(K)

和

熱量

分布溫度陽極區(qū)：

2600弧柱區(qū)：

6000～800陰極區(qū)：

2400圖10.2焊接電弧的構成2.熔池的保護焊劑保護的效果：形成熔融的液態(tài)焊劑薄膜，使熔池與空氣隔絕，大大減少焊縫中的含氣量，提高焊縫韌性。延長熔池存在時間，加強了冶金反應，有利于氣孔、夾渣的析出。(1)

渣保護：焊劑和電渣。焊劑是由SiO2

,MnO、MgO及CaF【

堿性藥皮】等組成的硅酸鹽

。>

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，提高生產率，防止強光輻射。a)無渣保護有渣保護氧化皮熔渣氣孔熔地夾雜(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)。一般常用二氧化碳，重要的零件才用氬氣。>

噴嘴結構應盡可能使氣體以層流流出。質費氣流中心層流層

渦流混

臺區(qū)1.熔注深件(3)

渣-氣聯合保護利用渣的良好的冶金反應和焊縫成形特點以及氣

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。液態(tài)熔渣渣堯工使擇維熔池金屬熔商鋼芯

藥皮氣體(4)酸性藥皮與堿性藥皮兩者的性質>

酸性藥皮工藝性好，而堿性藥皮工藝性差。>

堿性藥皮中有益元素多，

能使焊接接頭力學性能提高。>

堿性藥皮中因不含有機物，也稱低氫型藥皮【液態(tài)金屬含

氫過多發(fā)生裂紋】?？梢蕴岣吆缚p金屬的抗裂性。>堿性藥皮氧化性強，對銹、油、水的敏感性大，易產生飛濺和CO氣孔。(氧化性較強】>堿性藥皮在高溫下，易生成較多的有毒物質(HF

等),因

而應注意通風。?！旧捎卸疚镔|】3.填充金屬>填

滿焊縫，提高焊縫性能，使焊縫與母材等強度，用焊絲和焊芯(填充金屬)過渡合金元素。>

常用的焊條鋼芯為碳素鋼絲、合金鋼絲和不銹鋼絲。>H代表焊接用鋼絲，其后的兩位數字代表含碳量的萬分之幾；A

為高級優(yōu)質鋼；E

代表特級優(yōu)質鋼。>

碳素鋼絲，合金鋼絲，不銹鋼絲§10.2

焊接接頭的組織與性能一

、焊接接頭包括兩部分：焊縫和熱影響區(qū)。>

焊縫區(qū)——在焊接接頭橫截面上測量的焊縫金屬的區(qū)域。>

熱影響區(qū)---受焊接熱循環(huán)的影響

，焊縫附近的母材因焊接熱作用發(fā)生組織或性能變化的區(qū)域。二、焊縫的組織和性能熱源移走后，熔池焊縫中的液體金屬立刻開始冷卻結晶，以垂直

熔合線的方式向熔池中

心生長為柱狀樹枝晶。低熔點物質將會被

推向焊縫最后結晶部位，

形成成分偏析。(a)

(b)熔合線

柱狀晶區(qū)

熔池三

、熱影響區(qū)的組織和性能1)

熔合區(qū)：>

加熱溫度：液固相線之間，約1490-1530℃。>組織：粗大的液態(tài)結晶組織和

過熱組織。>性能：熱影響區(qū)中力學性能很差的部位。2)

過熱區(qū)>加熱溫度：1100-1490℃(

國委

相線)>

組織：粗大的過熱組織。>性能：熱影響區(qū)中性能最差的部

位。3)正火區(qū)加熱溫度：Acs-1100℃

;組織：均勻細小的F+P組織。性能：性能優(yōu)于母材。4)

部分相變區(qū)>

加熱溫度：Ac1-Ac3

之間。>組織：部分組織轉變成細小的F+P組織，部分為粗大的F,組織不均勻。>

性能：力學性能較差。小結：熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接實取得羽的那也，孩實的斷裂往往出現在此區(qū)域。10

.

3焊接應力和焊接變形1.焊接應力和焊接變形的產生焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，

不能自由膨脹和收縮。產生原因：不均勻的局部加熱和冷卻是導致焊接應力和變形的根本原因。2.焊接應力與變形的危害①降低焊件結構的使用性能；②影響焊件結構的精度；③易引起焊接裂紋。危害

(-)(-)

△l′冷卻后焊后殘留在焊件內的應力和變形稱為焊接殘余應力和焊

接殘余變形。焊接應力和焊接變形總是同時存在?！汉缚p和近縫區(qū)：產生壓應力，)同時產生壓縮變形。(

近縫區(qū)兩側：產生拉應力。焊縫和近縫區(qū)：產生拉應力。兩側：產生壓應力。低碳鋼平板對焊時焊接應力產生分析焊

接中冷卻后焊接中(+)③多層焊，減小應力。錘擊焊縫；⑤焊前預熱可減小焊件

溫差。⑥去應力退火：加熱溫

度為500～650℃,可

進行整體或局部去應力退火。3.焊接應力的防止及消除盡量減少焊縫數量和尺寸，并避免焊縫密集和交叉；②采用合理的焊接順序，

盡量使焊縫自由收縮；圖10.12合理的焊接順序圖10.13

多層焊示意圖a)

焊接應力小b)

焊接應力大去應力退火示意圖縱向收縮收縮變形角變形彎曲變形扭曲變形波浪變形4.焊接變形的基本形式圖10.15焊接變形示意圖基本形式橫向收縮角變形量角變形量撓度5.焊接變形的防止和消除1)在結構設計上：盡量減少焊縫的數量和尺寸；結構設計上、合理選用焊縫的截面形狀；合理地安排焊縫位置；2)在工藝上：圖10

.

16反變形法示例a)

預置反變形；b)塑性預彎反變形；

e)

強制預彎反變形；

1—螺旋夾頭。①反變形法；②加余量法；圖10.16反變形示意圖焊

前a)焊后

b)焊前焊

后c

)圖10.17

剛性固定法防止角度變形示例a)

用夾具夾緊凸緣；b)

用壓鐵壓緊薄板；1—固定夾2—壓鐵3—焊件4—平臺5—定位焊點③剛性固定法；④合理選用焊接方

法和焊接規(guī)范；⑤

選用合理的裝配

焊接順序；圖10.18

X形坡口焊接次序

a)

合理b)

不合理3)矯正焊接變形的方法機械矯正(火焰矯正矯

正

方

法a)

用壓力機矯正彎曲變形b)

用輥輪矯正失穩(wěn)變形b)

矯正彎曲變形a

〕矯正角變形防止措施：①限制母材和焊接材料

的低熔點雜質；②提高焊縫成形系數(即焊道的寬度與計算

厚度之比);③細化焊縫晶粒，減少

偏析；④減少焊接應力(預

熱);⑤操作上填滿弧坑。焊接裂紋1.熱裂紋(在固相線附近高溫下產生的裂紋)圖10.16

提高焊縫成形系數產生的原因2.

冷型

致

(在馬氏

體開始轉變溫度以下

產生的裂紋)產生的原因焊接接頭存在淬硬組織；焊接接

頭氫含量較高；較大的

焊接拉應力。最常見的冷裂紋為延遲裂紋。冷裂

紋的特征為無分支、穿晶開裂、斷

口表面無氧化色等。圖10.17

熱影響區(qū)延遲裂紋形成過程6入

CC'①減少氫來源。用堿性焊條，要烘干，接頭要清潔；②避免產生淬硬組織，如采用焊前預熱、焊后緩冷的方法；③降低焊接

應力，采用合理的焊接工藝規(guī)范和焊后熱處理等

；④焊后立即進行消氫處理(即加熱到250℃,保溫一定時間，

使焊縫金屬中的擴散氫逸出金屬表面),減少氫的危害。防止措施思考題o.*減少焊接應力考慮，拼焊如題圖1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。圖1、氣體保護焊四、電潛焊五、等離子弧焊

電

子束焊七、激光焊10.4熔焊方法及工藝手

弧

焊理

弧

焊一、手弧焊1.手弧焊的焊接過程：a)引燃電弧b)送進焊條c)沿焊縫移動焊件焊鉗選進方向弧焊機手弧焊焊接過程焊條，電極與工件接觸—→產生短路電流→金屬熔化、蒸發(fā)、

氣化為氣體，產生電子逸出和氣體電離→

陰極產生熱電子

發(fā)射一提起電極，形成電場→

自由電子高速飛出，撞擊空隙氣體使其部分電離一帶電質點定向運動，相互碰撞和復合，產生大量熱和弧光——形成電弧。2.焊接電弧的產生3.手弧焊的工藝：(1)直流手弧焊由于電弧產生的熱量在陽極和陰極上有一定的差異，在使

用直流電焊機焊接時，有兩種接線方法：直

流

正

接

：焊件接正極，焊條接負極(厚板、酸性焊條)直流負接：焊件接負極，焊條接正極(薄板、堿性低氫焊條、低合金鋼和鋁合金)直流電焊機(2)交流手弧焊：50

Hz的工頻交流電，兩極不存在溫度差。焊鉗

焊條(-)工件焊鉗焊條(-)筋反

接正

接工件(+)4.電

焊

條(1)電焊條的組成及作用>

組成：焊芯和藥皮；>作用：焊芯一作為電極和填充金屬；藥皮一穩(wěn)弧、造氣、造渣、脫氧脫硫、滲合金等。>藥皮必須含有造氣劑和造渣劑。>

藥皮中還應含有穩(wěn)弧劑和合金劑，以及脫氧劑、脫硫劑和去氫劑等。(2)焊條的種類和編號種

類

：結構鋼焊條、鉬及鉻鉬耐熱鋼焊條、不銹鋼焊條、堆

焊焊條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、鈦及鈦合金焊條、鋁及鋁

合金焊條、銅及銅合金焊條、特殊用途焊條。牌號：

J×××,A×××,Z×××。>以結構鋼焊條為例：J422。其

中：J——

結構鋼焊條；42

——焊縫金屬抗拉強度大于等于42

0MPa;2

—

—

藥皮類型(鈦鈣型)和電源種類(交直流);

J507

——

低氫，直流。(3)按藥皮熔化后熔渣的化學性質不同分為：ua)酸性焊條熔渣呈酸性，藥皮中含有SiO2

、TiO2

、MnO等氧化物。缺點：氧化性強，合金元素燒損較大；脫硫能力差，氫含

量較高，焊縫金屬的力學性能比堿性焊條差。優(yōu)點：具有良好的工藝性(穩(wěn)弧性好，易脫渣，飛濺小

等),可采用直流或交流。用于一般結構件的焊接?！鮞)堿性焊條熔渣呈堿性，藥皮含有較多的CaCO3和CaF2。優(yōu)點：焊縫金屬力學性能好，抗裂性好；缺點：焊接工藝性較差，只能采用直流焊接，用于焊接重

要的結構件。(4)電焊條的選用原則①

等強度原則：適用于低碳鋼和普通低合金鋼構件，

一般都要求焊縫金屬與母材等強度，因此可根據鋼材強度等級來選用相應的焊條。

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

等成分原則：適用于焊接特殊性能鋼種，如不銹鋼、耐熱鋼等。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。5.特點及應用(1)

特

點

；a)

設備簡單、可靠，操作靈活；b)適用性非常廣：①各種焊接位置：平焊、立焊、橫焊、仰焊等；

②各種接頭：對接，搭接，角接頭；③各種材料和板厚；手弧焊可焊接的空間位置(2)應用：只適合于低碳鋼和低合金鋼；單件小批量短焊縫。④各種形狀焊縫：直縫，環(huán)縫，彎曲縫。二、埋弧焊埋弧焊，多為埋弧自動焊：指利用連續(xù)送進的焊絲在焊劑層下產生電弧而自動進行焊接的方法。1.焊接過程：如圖所示。2.焊接設備：埋弧焊機，

控制箱和焊接小車。3.焊接材料：焊絲和焊劑。1

)

焊

絲

；作用與焊芯相同。2)焊劑：即焊接時所用的熔劑，其作用為保護焊縫和對焊縫進行脫氧和滲合金等；埋弧焊示意圖MZE-1250

交、直流兩用埋弧焊機埋弧焊焊絲4.埋弧焊的工藝(1)焊前準備：板厚小于14mm

時，可不開坡口；板厚為14～22

mm時，應開Y

型坡口；板厚為22～50mm

時，可開雙Y型或U型坡口。Y型和雙Y型坡口的角度為50°~60°。c)雙型坡口b)T型坡口a)I型坡口焊縫間隙應均勻，焊直縫時，應安裝引弧板和引出板，以防止起弧和熄弧時產生的氣孔、夾雜、縮孔、縮松等缺陷進入工件焊縫之中。冷銅成型底板進行單面焊雙面成型。(3)環(huán)焊縫焊接環(huán)焊縫時，焊絲起弧點應與環(huán)的中心線偏離一距離e,以防止熔池金屬的流淌。

一般偏離距離為20~40

mm,

直徑小

于250mm的環(huán)縫一般不采用埋

弧自動焊。一般采用雙面焊，可不留間隙直接進行雙面焊接，也可采用打底焊

或焊劑墊或墊板。為提

高生產率，也可采用水管e)

水冷鋼板(②)平板對接焊)采用鎖底坡口C)采用塑板a)觀面焊b

)打底焊鍋爐環(huán)焊縫5

.

埋弧焊的特點①效率高，比焊條電弧焊

提高生產率5～10倍；②焊接質量高；③勞動強度低，勞動條件好；④焊絲利用率高，焊劑用量少，省工省料。①設備投資較高；②只適用于平焊位置；③不適合焊接厚度小于

1mm的薄板；④焊接檢驗不方便，且對

焊前準備要求高。缺點優(yōu)

點6.埋弧焊的應用主要用于各種鋼結構的焊接，特別適用于大批量生產的中、厚板結構的長直焊縫與較大直徑的環(huán)形焊縫。壓力容器的環(huán)縫焊和直縫焊，鍋爐冷卻壁的長直焊縫焊接，船舶和潛艇殼體的焊接，起重機械(行車)利惰性氣體(Ar)活性氣體(CO,)鎢極氬弧焊氬弧焊

熔化極氬弧焊鎢極脈沖氬弧焊二氧化碳氣體保護焊三、氣體保護焊氣體保護焊，是指利用外加氣體作電弧介質并保

護電弧和焊接區(qū)的電弧焊方法。保護

氣體

方法(

1

)

鎢

極

氬

弧

焊以鎢釷合金和鎢鈰合金為陰極，利用鎢合金熔點高，發(fā)射電子能力強，陰極產熱少，鎢極壽命長的特點，形成不熔化極氬

弧焊。1

.氬弧焊：

利用氬氣保護電弧熱源及焊縫區(qū)進行焊接。氬弧焊按照電極材料不同分為鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。1-鎢極；2-導電嘴；3-銅絲網；4-噴嘴；5-進氣管；

B-

焊絲;7-氬氣流；8-熔池;

9-工件鎢極氬弧焊示意圖氬弧焊實照①明弧操作，易實現機械化和自動化；②適用于焊接厚度為6mm以下的薄板；③焊接鋼件時，多采用直流正接，以減少鎢極燒損；

④焊接鋁、鎂及其合金時，應采用交流電源或直流反點

接，以便獲得“陰極破碎”作用；⑤需加填充金屬。(2)熔化極氬弧焊：指用連續(xù)兼作填充金屬的惰性氣體保護爛①焊接電流大，生產率

高，適宜焊接厚度在25

mm

以下的中厚板；1-送絲輪；2-焊絲；3-導電喵；4-銅

絲網；5-噴嘴；6-

進氣管；7-氬氣流

;8-電??；9-工伴鎢極

氬弧

焊特②常采取直流反接；特

點氟弧娟焊機氨弧焊焊絲(3)氬弧焊的特點及應用①

機械保護效果很好，

焊縫金屬純凈，焊接質量優(yōu)良，焊縫成形美觀。②

電弧穩(wěn)定，可實現單面焊雙面成型。③

可全位置自動焊接。④

氬氣貴，成本高。氬弧焊主要用于易氧化的非鐵金屬、稀有金屬和合金鋼的焊接。如鋁、鈦、鉬、高強度合金鋼和不銹鋼等。2.二氧化碳氣體保護焊以CO2

為保護氣體，用焊絲為電極引燃電弧，實現半自動焊或自動焊。①

CO?

氣體COz

氣體密度大，高溫體積膨脹大，保

護

效果好。但CO2

在高溫下易分解為CO和O,

導致合金元素的氧化，熔池金屬的飛濺和CO氣孔。焊接用CO2

純度要大于99.8%。②COz焊時的飛濺COz+Fe=FeO+CO個FeO

進入熔池和熔滴，與熔池和熔滴中的碳反應：FeO+C=Fe+CO生成的CO

在熔池和熔滴內體積急劇膨脹而爆破，導致飛濺。③防止飛濺的措施CO2焊常用H08Mn2SiA焊絲來進行脫氧，合金化。采用短路過渡和細顆粒過渡。為使電弧穩(wěn)定，飛濺少，CO2焊采用直

流反接。采用含硅、錳、鈦、鋁的焊絲，防止鐵的氧化。采用藥芯焊絲。④應用CO2焊成本低，生產率高，焊縫質量較好，主要用于低碳鋼和低合金結構鋼薄板的焊接。四、

電渣焊利用電流通過熔渣時產生的電阻熱加熱和熔化焊

絲和母材來進行焊接的一種熔化焊方法。引出板~焊絲渣池熔池滑塊焊件冷卻水管焊縫引入板

引弧板電渣焊過程示意圖1.電渣焊的原理2.電渣焊的特點及應用：(1)特點：1)厚大截面可一次焊成，生產效率高；2)焊縫金屬比較純凈；3)接頭組織粗大，焊后需進行正火處理。(2)應用：廣泛用于鍋爐制造，重型機械和石油化工等行業(yè)。電渣焊除焊接碳鋼、低合金、中合金鋼和高合金鋼以及

鑄鐵外，也可用來焊接鋁及鋁合金、鎂合金、鈦及鈦合金和銅。五、等離子弧焊借助水冷噴嘴對電弧的約束作用，獲得較高能量密度的等離子弧進行焊接的方法稱為等離子弧焊。1.三種壓縮效應：(1)機械壓縮效應：電弧通過噴嘴細小孔道時的被迫收縮；(2)

熱壓縮效應：

在冷氣流的強迫冷卻下，帶電粒子流《離子和電子〉往弧柱中心集中；(3)

電磁收縮效應：弧柱帶電粒子的電流線為平行電流線，相互磁場作用使電流線產生相互吸引而收縮。等離子弧溫度高達24000

K以上，能量密度很高，因而可一次性熔化較厚的材料。等離子弧發(fā)生原理示意圖集顏子弧懼工作錄普圖2.等離子弧焊接工藝(1)穿孔型等離子弧焊接在大電流(100～300

A)和大的離子氣流量的工藝參

數條件下，利用穿孔焊接可在不用襯墊的情況下實現單面焊雙面成形。應用：穿孔型等離子弧焊接最適用于焊接3～8mm不銹鋼，12mm以下鈦合金，

2-6mm低碳鋼或

低合金鋼，以及銅、黃銅、鎳及鎳基合金的對接縫。熔池焊接方向焊縫反面焊縫正面焊縫小孔(2)熔入型等離子弧焊當等離子弧的離子氣流量較小時，穿孔效應消失，等離子