第4章 金屬的焊接成形

第4章 金屬的焊接成形第一節(jié)概述一、焊接：通過加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結合與擴散作用，使分離的金屬材料牢固地連接起來的工藝方法。被焊接的也可以是非金屬,如塑料，用釬焊還可以把金屬與非金屬連接起來。

二、焊接方法根據(jù)熱源的性質、形成接頭的狀態(tài)及是否采用加壓來劃分。1、熔化焊：將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。包括氣焊、電弧焊、電渣焊、激光焊、電子束焊、等離子弧焊、堆焊和鋁熱焊等。2、壓焊：通過對焊件施加壓力（加熱或不加熱）來完成焊接的方法。它包括爆炸焊、冷壓焊、摩擦焊、擴散焊、超聲波焊、高頻焊和電阻焊等。3、釬焊：采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，在加熱溫度高于釬料熔點低于母材熔點的情況下，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。它包括硬釬焊、軟釬焊等。三、焊接的特點1、節(jié)約金屬材料，產品密封性好2、以小拼大，化簡單為復雜3、便于制造雙金屬結構缺點：焊縫處的力學性能有所降低，個別焊接方法的焊接質量檢驗仍有困難。

四、焊接的應用1、制造金屬結構2、制造金屬零件或毛坯3、連接電器導線第二節(jié)

熔化焊

利用電弧產生的熱量使連接處金屬局部熔化而實現(xiàn)連接的焊接方法。一、手工電弧焊（焊條電弧焊）

用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。特點：設備簡單，操作靈活，成本低，且焊接性好，對焊接接頭的裝配尺寸無特殊要求，可在各種條件下進行各種位置的焊接，是生產中應用最廣的焊接方法。但焊條電弧焊時有強烈弧光和煙塵污染，勞動條件差，生產率低，對工人技術水平要求較高，焊接質量不夠穩(wěn)定。應用：主要應用于單件小批量焊接碳素鋼、低合金結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼和對鑄鐵件的補焊等。適宜板厚為3mm-20mm。1、焊接電?。弘姌O與工件之間的氣體介質持久而強烈的放電現(xiàn)象。1）電弧的形成過程（1）焊條與工件接觸短路短路時，電流密集的個別接觸點被電阻熱Q=I2Rt所加熱，極小氣隙中形成很高的電場強度。（2）提起焊條保持恰當距離在熱激發(fā)和強電場作用下，負極發(fā)射電子并作高速定向運動，撞擊中性分子和原子使之激發(fā)或電離，發(fā)出光和熱。

2）電弧的構造與溫度分布電弧由三部分構成，即陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)

序號項目陰極區(qū)陽極區(qū)弧柱區(qū)1正接時所處位置焊條端頭白熱區(qū)工件熔池上的薄亮區(qū)氣隙間2所進行的物理過程①發(fā)射電子；②正離子撞擊焊條、端頭熔化金屬的白亮區(qū)、與表面電子復合放出熱和光。①電子撞擊工件熔池的薄亮區(qū)，并與正離子復合放出光和熱；②撞擊個別電子和正離子；③無發(fā)射電子任務，不消耗大量能量。①電子和正離子不斷形成和復合；②帶電粒子在電場作用下作定向運動；③釋放強烈的光和熱。3產生的熱量（%）36%，熔化焊條熱量的主要來源43%，熔化工件金屬熱量的主要來源21%，不是焊接熱量的主要來源4平均溫度（K）240026006100電弧的溫度分布3）電弧穩(wěn)定燃燒的條件（1）應有符合焊接電弧電特性要求的電源。

a）應具有適當?shù)目蛰d電壓和較高的引弧電壓，以利于引弧，保證安全；b）電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流增大，電弧電壓應急劇下降；c）焊條與焊件短路時，短路電流不應太大；d）焊接電流應能靈活調節(jié)，以適應不同的焊件及焊條的要求。（2）做好清理工作，選用合適藥皮的焊條。（3）防止偏吹（焊接過程中，因氣流的干擾、磁場的作用或焊條偏心的影響，使電弧中心偏離電極軸線的現(xiàn)象）。

4）電極的極性在焊接中，采用直流電焊機時，有正接和反接兩種方法。（1）正接——焊件接電源正極，焊條接負極。一般焊接作業(yè)均采用正接法（2）反接——焊件接電源負極，焊條接正極。焊接薄板時，為了防止燒穿，一般采用反接法

大量使用的是交流電弧焊設備，不存在極性問題。2、焊條電弧焊的焊接過程1）焊接過程2）焊條電弧焊加熱特點（1）局部加熱溫度高。焊縫附近金屬受熱極不均勻，可能造成工件變形、產生殘余應力，組織轉變與性能變化不均勻。（2）加熱速度快（1500度/秒），溫度分布不均勻，可能出現(xiàn)在熱處理中不應出現(xiàn)的組織和缺陷。（3）熱源是移動的，加熱和冷卻的區(qū)域不斷變化。3、電弧焊的冶金特點（1）反應區(qū)溫度高（2000K），使合金元素強烈蒸發(fā)和氧化燒損。（2）金屬熔池體積小，處于液態(tài)的時間很短（10s），導致化學成分不均勻，氣體和雜質來不及浮出而易產生氣孔和夾渣等缺陷。4、焊條1）焊條的組成手弧焊焊條由焊芯和藥皮兩部分組成。（1）焊芯作用①作為電弧焊的一個電極，與焊件之間導電形成電??；②在焊接過程中不斷熔化，并過渡到移動的熔池中，與熔化的母材共同結晶形成焊縫；（2）焊條藥皮①藥皮的作用a）對熔池造成有效的氣、渣聯(lián)合保護；b）使熔池內金屬液脫氧、脫硫并向熔池金屬中滲合金，提高焊縫的力學性能；c）起穩(wěn)弧作用，以改善焊接的工藝性。

②藥皮的組成a）穩(wěn)弧劑：主要是易于電離的鉀、鈉、鈣的化合物。b）造渣劑：形成熔渣覆蓋在熔池表面，不讓大氣侵入熔池，且起冶金作用。c）造氣劑：分解出CO和H2等氣體包圍在電弧和熔池周圍，起到隔絕大氣、保護熔滴和熔池的作用。d）脫氧劑：主要應用錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁鐵和石墨等，脫去熔池中的氧。e）合金劑：主要應用錳鐵、硅鐵、鉻鐵、鉬鐵、釩鐵和鎢鐵等鐵合金。f）粘結劑：常用鉀、鈉水玻璃。（3）焊條藥皮的種類a）酸性焊條——藥皮中含有多量酸性氧化物，如SiO2、TiO2、Fe2O3等。b）堿性焊條——藥皮中含有多量堿性氧化物，如CaO、FeO、MnO、Na2O、MgO等。

2）焊條的種類和型號焊條共分為十大類：結構鋼焊條（J）、低溫鋼焊條（W）、鉬和鉻鉬耐熱鋼焊條（R）、不銹鋼焊條（B）、堆焊焊條（D）、鑄鐵焊條（Z）、鎳及鎳合金焊條（N）、銅及銅合金焊條（T）、鋁及鋁合金焊條（L）和特殊用途焊條（TS）。型號：EXX

XX

焊條種類

溶敷金屬σb

電源種類及藥皮類型

第三位數(shù)字表示焊接位置，"0"及"1"表示焊條適用于全位置（平焊、立焊、橫焊、仰焊）焊接，"2"為平焊及平角焊，"4"表示焊條適用于向下立焊；第三位和第四位數(shù)字組合時表示焊接電流種類及藥皮類型。J422：

結構鋼焊條，焊縫抗拉強度不低于420MPa，2型藥皮，交直流；3）焊條的選用原則（1）低碳鋼和低合金鋼構件，一般要求焊縫金屬與母材等強度，可根據(jù)鋼材強度等級來選用相應的焊條；異種鋼焊接，按強度等級較低的鋼材選用焊條。（2）對焊縫的塑性、沖擊韌性、抗裂強度或低溫性能要求較高時，應選用堿性焊條，否則選用酸性焊條；（3）焊接鑄鋼件時，一般應選用堿性焊條；（4）焊接特種鋼時，應選用專業(yè)焊條。保證焊縫金屬的主要化學成分及性能與母材相同；（5）根據(jù)焊接結構的使用條件選擇焊條藥皮的類型；熔合區(qū)過熱區(qū)部分相變區(qū)正火區(qū)5、焊接接頭的金屬組織和性能的變化1）焊件上溫度的變化與分布2）焊接接頭處組織與性能的變化經歷了一次冶金過程！散熱快，藥皮保護且滲合金，性能一般不低于母材受到不同規(guī)范的熱處理組織性能最差比淬火組織脆性還大正火處理晶粒細化晶粒大小不均勻3）焊接接頭的主要缺陷（1）氣孔：熔池中的氣泡在焊縫凝固時未能逸出而形成的空穴。防止措施：a）烘干焊條，仔細清理焊件的待焊表面及附近區(qū)域；b）采用合適的焊接電流，正確操作。（2）夾渣：焊后殘留在焊縫中的熔渣。預防措施：a）仔細清理待焊表面；b）多層焊時層間要徹底清渣；c）減緩熔池的結晶速度。

（3）焊接裂紋

熱裂：焊接過程中，焊接接頭的金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產生的焊接裂紋。預防措施：減小結構剛度、焊前預熱、減小合金化、選用抗裂性好的低氫型焊條等。

冷裂：焊接接頭冷卻到較低溫度時產生的焊接裂紋。預防措施：a）用低氫型焊條并烘干、清除焊件表面的油污和銹蝕；b）焊前預熱、焊后熱處理。

中間散熱！形成拉應力6、焊接應力與焊接變形1）焊接應力與變形的根本原因：焊接時局部加熱不均勻2）焊接變形的基本形式橫向收縮和縱向收縮角變形彎曲變形扭曲變形波浪變形3）防止與減小焊接變形的工藝措施（1）反變形法:焊前使焊件處于反變形位置,以抵消焊后變形

平板焊的反變形(a)焊前反變形（b）焊后（2）加余量法:工件尺寸加大0.1~0.2%

（3）剛性夾持法:將工件固定夾緊,或點焊在工作臺上。適于塑性好的低碳鋼件。

（4）選擇合理的焊接工藝

X型坡口焊接次序(a)合理(b)不合理梁的焊接次序4）減小焊接應力的工藝措施（1）選擇合理的焊接順序（2）預熱法（3）焊后退火處理

二、埋弧自動焊

電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，稱為埋弧焊。埋弧焊的引弧、焊條送進一般均由自動裝置完成，因此又稱為埋弧自動焊。1、埋弧自動焊的焊接過程

焊機頭將焊絲自動送入，保證弧長。電弧在焊劑下燃燒,靠焊機移動(或工件動)。

焊劑從漏斗中不斷流出，撒在焊絲前工件上,焊劑熔化成熔渣,部分未熔可回收。

埋弧焊示意圖1—工件；2—焊劑；3—焊絲；4—電弧；5—熔池；6—熔渣；7—焊縫；8—渣殼焊接電流大焊絲連續(xù)中、薄件接頭不開坡口電弧區(qū)保護嚴密氣體、雜質易浮出弧光不外泄適用于平焊長直焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫

2、埋弧自動焊的主要特點

不能立焊和仰焊3、焊絲和焊劑焊絲---相當于焊芯，具有引弧和填充金屬的作用焊劑---相當于藥皮，起隔離空氣、保護溶池和焊縫金屬及冶金作用4、埋弧自動焊的工藝特點（1）焊前準備工作要求嚴格；（2）焊接電流大，熔深大；（3）采用引弧板和引出板，保證引弧處和斷弧處焊接質量；（4）采用焊劑墊或鋼墊板，以防電流過大而燒穿焊件；（5）采用導向裝置三、氣體保護焊(用外加氣體作為電弧介質并保護電弧和焊接區(qū)的電弧焊)1、氬弧焊：使用氬氣作為保護氣體的氣體保護焊。氬氣是惰性氣體，可保護電極和熔化金屬不受空氣的有害作用。氬弧焊按所用電極的不同分為：（1）非熔化極氬弧焊電極只發(fā)射電子、產生電弧，填充金屬另加。常用摻有氧化釷或氧化鈰的鎢極，其特點是電子熱發(fā)射能力強，熔點沸點高（3700K和5800K）。（2）熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊電流小、熔深淺。中厚以上的鈦、鋁、銅等合金的焊接多選用高生產率的熔化極氬弧焊。氬弧焊的特點（1）可以焊接各種金屬，尤其是在焊接過程中易氧化的有色金屬和稀有金屬；（2）電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫致密、美觀；（3）保護中的電弧可見，便于操作，易實現(xiàn)全位置自動焊接；（4）熱量集中，熔池小、焊接速度快，熱影響區(qū)窄，工件焊后變形小。(5）焊接成本高。應用主要用于焊接易氧化的有色金屬和合金鋼，如鋁、鎂、鈦及其合金、耐熱鋼、不銹鋼等。為了防止保護氣流破環(huán)，氬弧焊只能在室內進行。

2、二氧化碳氣體保護焊：利用CO2作為保護氣體的氣體保護焊。

CO2的保護作用主要是使焊接區(qū)與空氣隔離，防止空氣中的氮氣對熔化金屬的有害作用。焊接時：2CO2=2CO+O2CO2=C+O2因此焊接是在CO2、CO、O2氧化氣氛中進行的。

O2進入熔池，會使Fe、C、Mn、Si和其它合金元素氧化燒損，降低焊縫力學性能，故選用Si、Mn較高的焊絲，或合金鋼焊絲。

二氧化碳氣體保護焊的特點：（1）焊速高，可實現(xiàn)自動焊，生產率高。（2）明弧焊接，易于控制焊縫成形。（3）對鐵銹敏感性小、焊后熔渣少。（4）價格低廉。（5）飛濺大，弧光強，焊縫不美觀，易產生氣孔。

應用適合于各種位置的焊接，目前，CO2焊已廣泛普及，大有在短時間內取代焊條電弧焊的發(fā)展勢頭。

第三節(jié)

其它常用焊接方法

一、電渣焊：利用電流通過液態(tài)熔渣所產生的電阻熱進行焊接的方法。1、焊接過程固態(tài)熔劑形成渣池形成焊縫2、電渣焊的特點（1）可一次焊成很厚的焊件。（2）生產率高，成本低。（3）焊縫金屬比較純凈。（4）適于焊接中碳鋼與合金結構鋼。（5）焊縫區(qū)高溫停留時間長，晶粒粗大，焊后需正火處理來細化晶粒。3、電渣焊的應用適用于板厚40mm以上結構的焊接。一般用于直縫焊接，目前，電渣焊已在我國水輪機、水壓機、軋鋼機、重型機械等大型設備制造中得到廣泛使用。

二、等離子弧焊與切割：弧柱區(qū)的氣體被完全電離為電子和離子的焊接弧1、等離子弧的概念（1）一般焊接電弧為自由電弧，電弧區(qū)只有部分氣體被電離，溫度不夠集中。（2）

當自由電弧被壓縮成高能量密度的電弧，弧柱氣體被充分電離，成為只含有正離子和負離子的狀態(tài)時，即出現(xiàn)物質的第四態(tài)——等離子體。等離子弧具有高溫（15000~30000K）、高能量密度（480千瓦/厘米2）和等離子流高速運動（可數(shù)倍于聲速）的特點，具有三種壓縮效應a）機械壓縮效應：在等離子槍中，當高頻震蕩引弧以后，氣體電離形成的電弧通過焊嘴細小噴孔，受到噴嘴內壁的機械壓縮。b）熱壓縮效應：由于噴嘴內冷卻水的作用，使靠近噴嘴內壁處的氣體溫度和電離度急劇降低，迫使電弧電流只能從弧柱中心通過，使弧柱中心電流密度急劇增加，電弧截面進一步減小，對電弧產生第二次壓縮。c）電磁收縮效應：由于弧柱電流密度大大提高而伴生的電磁收縮力使電弧得到第三次壓縮。三種壓縮效應，使等離子弧直徑僅有3mm左右，且能量密度、溫度及氣流速度大為提高。氣體電離形成機械壓縮效應被冷卻的氬氣產生熱壓縮效應氣體電離帶電粒子流形成電磁收縮效應2、等離子弧焊的特點（1）能量密度大，溫度梯度大，熱影響區(qū)小，可焊接熱敏感性強的材料或制造雙金屬件。（2）電弧穩(wěn)定性好，焊接速度高，可用穿透式焊接，使焊縫一次雙面成型，表面美觀，生產率高。（3）氣流噴速高，機械沖刷力大，可用于焊接大厚度工件或切割大厚度不銹鋼、鋁、銅、鎂等合金。（4）電弧電離充分，電流下限達0.1A以下仍能穩(wěn)定工作，適合于用微束等離子?。?.2~30A）焊接超薄板（0.01~2mm），如膜盒、熱電偶等。3.應用：等離子弧焊接已應用日益廣泛，特別是國防工業(yè)和尖端技術所用銅合金、合金鋼、鎢、鉬、鈷、鈦等金屬的焊接。如鈦合金的導彈殼體、波紋管及膜盒、微型繼電器、電容器的外殼封接及飛機上一些薄壁容器等均可用等離子弧焊。三、真空電子束焊：利用定向高速運動的電子束流撞擊工件使動能轉化為熱能而使工件熔化，形成焊縫工作原理交流電加熱燈絲直流高壓陰極陽極發(fā)出電子集聚電子束不開坡口，不用焊絲、焊劑等。保證焊縫金屬，高純度，內部熔合好，無氣孔、無夾渣。參數(shù)調節(jié)范圍寬控制靈活，適應性強。熱源密度大，焊縫寬深比大。無焊接變形，不產生裂紋。真空電子束真空電子束焊的特點真空電子束焊的應用電子束焊應用廣泛，從微型電子線路組件、真空膜盒、鉬箔蜂窩結構、原子燃料器件到大型的導彈外殼都可以采用電子束焊接。此外，熔點、導熱性、溶解度相差很大的異種金屬，在真空中使用的器件和內部要求真空的密封器件等，用真空電子束焊接也能得到良好接頭。四、激光焊：以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的方法。激光焊的特點：（1）激光焊能量密度大，作用時間短，熱影響區(qū)和變形小，可在大氣中焊接，而不需氣體保護或真空環(huán)境。（2）激光束可用反光鏡改變方向，焊接過程中不用電極去接觸焊件，因而可以焊接一般電焊工藝難以焊到的部位。（3）激光可對絕緣材料直接焊接，焊接異種金屬材料比較容易，甚至能把金屬與非金屬焊在一起。（4）功率較小，焊接厚度受一定限制。應用：激光焊比較容易實現(xiàn)異種金屬和異種材料的焊接，目前已廣泛用于電子工業(yè)和儀表工業(yè)中微型件的焊接。

五、電阻焊---利用電流通過焊件及接觸處所產生的電阻熱、將焊件局部加熱到塑性或熔化狀態(tài)，然后在壓力下形成焊接接頭的焊接方法。電阻焊分為：點焊、縫焊和對焊。1、點焊：將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，形成焊點的電阻焊方法。點焊主要用于薄板焊接。點焊的工藝過程：（1）預壓，保證工件接觸良好。（2）通電，使焊接處形成熔核。（3）斷電鍛壓，使熔核在壓力作用下冷卻結晶，形成組織致密、無縮孔、無裂紋的焊點。

通電、加壓電阻發(fā)熱---金屬熔化—形成焊點。點焊的焊接原理盤狀電極----壓緊、拖動焊件---形成焊縫縫焊原理：2、縫焊：將焊件裝配成搭接或對接接頭，并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件并轉動，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法。主要用于焊接焊縫較為規(guī)則、要求密封的結構，板厚一般在3mm以下。3、對焊：使焊件沿整個接觸面焊合的電阻焊方法。（1）電阻對焊：將焊件裝配成對接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后斷電并迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。電阻對焊主要用于截面簡單、直徑或邊長小于20mm和強度要求不太高的焊件。

（2）閃光對焊：將焊件裝配成對接接頭，接通電源，使其端面逐漸移近達到局部接觸，利用電阻熱加熱接觸點，在大電流作用下，產生閃光，使端面金屬熔化，直至端部在一定深度范圍內達到預定溫度時，斷電并迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。閃光焊的接頭質量比電阻焊好，焊縫力學性能與母材相當，而且焊前不需要清理接頭的預焊表面。常用于重要焊件的焊接?？珊竿N金屬，也可焊異種金屬；可焊0.01mm的金屬絲，也可焊20000mm的金屬棒和型材。

對焊原理六、摩擦焊：利用焊件表面相互摩擦所產生的熱量，使端面達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊的特點：（1）由于摩擦，焊件接觸表面的氧化膜和雜質被清除，使焊接接頭組織致密，不產生氣孔和夾渣等缺陷。（2）既可焊同種金屬，更適合于異種金屬的焊接。（3）生產率高。摩擦焊適用于圓形截面的棒材或管材，亦可將管材焊在平板上。實心焊件截面直徑為2mm-100mm，空心焊件最大外徑可達幾百毫米。摩擦焊原理加壓（F）、摩擦（旋轉）----產生熱量、接頭處于高溫塑性----剎車----形成焊接接頭焊件1七、釬焊：利用熔點比焊件低的釬料（釬絲）作填充金屬，適當加熱后，釬料熔化而將處于固態(tài)的焊件聯(lián)結起來的焊接方法1、釬焊的種類根據(jù)釬料熔點不同，釬焊分為硬釬焊和軟釬焊（1）硬釬焊：釬料熔點高于450℃的釬焊為硬釬焊。硬釬料有銅基、銀基、鋁基等合金。硬釬焊接接頭強度高達490MPa，適用于受力較大及工作溫度較高的工件。（2）軟釬焊：釬料熔點低于450℃的釬焊為軟釬焊。

常用軟釬料為錫鉛合金。２、釬焊的特點(1)工件加熱溫度較低，組織和力學性能變化很小，變形也小。接頭光滑平整，工件尺寸精確。(2)可焊接性能差異很大的異種金屬，對工件厚度的差別也沒有嚴格限制。(3)工件整體加熱釬焊時，可同時釬焊多條(甚至上千條)接縫組成的復雜形狀構件．生產率很高。(4)設備簡單，投資費用少。但釬焊的接頭強度較低，尤其是動載強度低，允許的工作溫度不高，焊前清整要求嚴格，不適于大型構件第四節(jié)

常用金屬材料的焊接

一、金屬材料的焊接性1、焊接性的概念焊接性就是被焊金屬材料在一定的焊接條件下獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。包括兩方面：（1）

結合性能：焊接接頭產生工藝缺陷的傾向，尤其是出現(xiàn)各種裂紋的可能性。（2）

使用性能：焊接接頭對使用要求的適應性。

可焊性好：用最簡單、最普遍