《材料成型工藝基礎》課件第4章

第4章焊接成型技術4.1焊接方法

4.2焊接原理與焊接接頭

4.3常用金屬材料的焊接

4.4焊接結(jié)構(gòu)工藝設計

焊接是現(xiàn)代制造技術中重要的金屬連接方法。焊接過程是指通過加熱或加壓等手段，使分離的金屬材料達到原子間的結(jié)合，獲得所需要的金屬結(jié)構(gòu)的一種加工方法。

與鉚接、膠接、螺栓連接等方法(見圖4-1)相比，焊接具有如下特點：

(1)節(jié)省金屬材料，結(jié)構(gòu)重量輕。

(2)可用于制造重型、復雜的機器零部件，簡化鑄造、鍛造及切削加工工藝，獲得最佳技術經(jīng)濟效果。

(3)焊接接頭具有良好的力學性能和密封性。

(4)能夠制造雙金屬結(jié)構(gòu)，使材料的性能得到充分利用。

(5)焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸，維修不便；存在焊接應力和變形，且組織性能不均勻，會產(chǎn)生焊接缺陷。

圖4-1連接方法

(a)鉚接；(b)焊接；(c)膠接；(d)螺拴連接焊接方法種類很多，并在汽車、造船、鍋爐、壓力容器、橋梁、建筑、飛機制造、電子等工業(yè)部門中廣泛應用。據(jù)估計，世界上鋼產(chǎn)量的50%～60%鋼材，要經(jīng)過焊接才能最終投入使用。

按照焊接過程的不同物理特點和所采用能源的性質(zhì)，可將焊接方法分為熔焊、壓焊、釬焊三大類。常用的焊接方法如圖4-2所示。

圖4-2焊接方法分類熔焊是將焊接接頭處加熱到熔化狀態(tài)，并加入(或不加入)填充金屬，經(jīng)冷卻結(jié)晶后形成牢固的接頭，而將兩部分被焊金屬焊接成為一個整體。該方法適用于各種常用金屬材料的焊接，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中主要的焊接方法。

壓焊是在焊接過程中對工件加壓(加熱或不加熱)，并在壓力作用下使金屬接觸部位產(chǎn)生塑性變形或局部熔化，通過原子擴散，使兩部分被焊金屬連接成一個整體。該方法只適用于塑性較高的金屬材料的焊接。

釬焊是把熔點比母材金屬低的填充金屬(簡稱釬料)熔化后，填充接頭間隙并與固態(tài)的母材相互擴散從而實現(xiàn)連接的焊接方法。該方法適用于各種異類金屬的焊接。

4.1.1焊條電弧焊

焊條電弧焊是利用手工操縱電焊條進行焊接的電弧焊方法。它是利用焊件與焊條之間產(chǎn)生的電弧熱量，將焊件與焊條熔化，待冷卻凝固后形成牢固接頭。4.1焊接方法

焊條電弧焊的設備簡單，制造容易，成本低。它可在室內(nèi)、室外、高空和各種位置施焊，操縱靈活，且焊接質(zhì)量較好，能焊接各種金屬材料，因而焊條電弧焊被廣泛應用。焊條電弧焊的焊接過程如圖4-3所示。電弧在焊條與被焊件之間燃燒，電弧熱使工件與焊條同時熔化成為熔池。焊條金屬熔滴在重力和電弧吹力的作用下，過渡到熔池中。當電弧向前移動時，熔池前方的金屬和焊條不斷熔化形成新的熔池，熔池尾部金屬不斷地冷卻結(jié)晶形成連續(xù)焊縫。

圖4-3焊條電弧焊的焊接過程

1.焊接電弧

焊接電弧是在電極與工件之間的氣體介質(zhì)中長時間而穩(wěn)定的放電現(xiàn)象，即在局部氣體介質(zhì)中有大量電子(或離子)流通過的導電現(xiàn)象。焊條電弧焊的一個電極是焊條。

焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)三部分組成，如圖4-4所示。

電弧引燃后，弧柱中充滿了高溫電離氣體，放出大量的熱能和強烈的光。電弧熱量的多少是與焊接電流和電壓的乘積成正比的。電流越大，電弧產(chǎn)生的熱量越多。在焊接電弧中，電弧熱量在陽極區(qū)產(chǎn)生的較多，約占總熱量的42%；陰極區(qū)因放出大量電子需消耗一定能量，所以產(chǎn)生的熱量就較少，約占38%；其余的20%左右是在弧柱中產(chǎn)生的。焊條電弧焊只有65%～80%的熱量用于加熱和熔化金屬，其余熱量則散失在電弧周圍和飛濺的金屬液滴中。在采用鋼焊條焊接鋼材時，陽極區(qū)溫度約為2600K；陰極區(qū)溫度約為2400K；電弧中心區(qū)溫度最高，能達到6000K～8000K。

圖4-4焊接電弧的構(gòu)造由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽極和陰極上有一定的差異，因此在使用直流電焊機焊接時，有正接和反接兩種方法，如圖4-5所示。

正接法如圖4-5(a)所示，焊件接電源正極，焊條接電源負極，此時，陽極區(qū)在被焊件上，溫度較高，適用于焊接較厚的焊件。

反接法如圖4-5(b)所示，焊件接電源負極，焊條接電源正極，此時，陽極區(qū)在焊條上，陰極區(qū)在工件上，因陰極區(qū)溫度較低，故適用于焊接較薄的焊件。

當采用交流電焊機焊接時，因為電流的極性是變化的，所以兩極加熱溫度基本一樣，都在2500K左右。圖4-5焊接電極連接方法

2.電焊條及其選擇原則

1)焊條的組成

焊條電弧焊焊條是由焊芯和藥皮組成的，如圖4-6所示。焊芯起導電和填充焊縫金屬的作用，焊條藥皮主要起保證焊接順利進行以及保證焊縫質(zhì)量的作用。

圖4-6焊條

(1)焊芯。焊芯是組成焊縫金屬的主要材料，它的化學成分及質(zhì)量將直接影響焊縫質(zhì)量。因此，焊芯應符合國家標準GB1300—77《焊接用鋼絲》的要求。常見的焊芯牌號和化學成分見表4-1。從表中可以看出，焊芯具有較低的含碳量和一定的含錳量，硅、硫和磷的含量都很低。末尾注有“高”字(用字母“A”表示)，說明是高級優(yōu)質(zhì)鋼，含硫、磷量較

低(不大于0.030%)；末尾注有“特”字(用字母“E”表示)，說明是特級鋼材，其含硫、磷量更

低(不大于0.025%)；末尾未注字母的，說明是一般鋼，含硫、磷量不大于0.40％。焊芯的直徑即為焊條直徑，最小為0.4mm，最大為9mm，其中直徑為3.2mm～5mm的應用最廣。

表4-1常見的焊芯牌號和化學成分

(2)焊條藥皮。藥皮對焊接過程和焊接質(zhì)量有很大的影響。焊條藥皮的組成物按其作用分為穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、稀渣劑、黏結(jié)劑等，由礦石、鐵合金、有機物和化工產(chǎn)品四大類原材料粉末，如碳酸鉀、碳酸鈉、大理石、螢石、錳鐵、硅鐵、鉀鈉水玻璃等配成。它的主要作用有：提高電弧燃燒的穩(wěn)定性；防止空氣對熔化金屬的有害作用；保證焊縫金屬的脫氧、去硫和滲入合金元素，提高焊縫金屬的力學性能。焊條藥皮的組成及作用見表4-2。其中碳鋼及低合金鋼焊條的藥皮類型、電流種類及焊接特點見

表4-3。

表4-2焊條藥皮的組成及作用表4-3碳鋼及低合金鋼焊條的藥皮類型、電流種類及焊接特點

2)焊條分類及編號

(1)焊條分類。國家標準局將焊條按化學成分劃分為若干類，焊條行業(yè)統(tǒng)一將焊條按用途分為10類，表4-4列出了兩種分類有關內(nèi)容的對應關系。

表4-4兩種焊條分類的對應關系焊條按藥皮熔渣的性質(zhì)分為酸性焊條與堿性焊條兩大類。

酸性焊條藥皮中含有較多的酸性氧化物(如SiO2、TiO2、Fe2O3等)，其氧化性強，焊接時合金元素燒損多，焊縫中氧、氮、氫含量較高，焊縫的力學性能較差，尤其是抗沖擊韌性低。但它的工藝性能好，易引弧，電弧穩(wěn)定，飛濺小，氣體易逸出，脫渣性好，焊縫成型性好，且對焊件上的鐵銹、水分不敏感，能用交、直流電源焊接，因而酸性焊條應用較為廣泛。

堿性焊條藥皮中，含有較多的CaO、CaCO3、CaF2、K2O等，熔渣呈堿性。其中CaF2(螢石)在高溫下分解出氟，與氫結(jié)合生成有毒的HF氣體，使焊縫金屬含氫量降低，故堿性焊條也稱低氫型焊條。用堿性焊條焊出的焊縫力學性能好，尤其是抗裂性好，但它的工藝性較差，引弧差，電弧不穩(wěn)定，飛濺大，焊縫成型不美觀，對焊件上的油、水、鐵銹敏感性大，因此焊前要嚴格清理焊件，在焊接電源上多采用直流反接。所以堿性焊條多用于重要結(jié)構(gòu)的焊接，如壓力容器、鍋爐及重要的合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接。

(2)焊條牌號。在生產(chǎn)中應用最多的是碳鋼焊條和低合金鋼焊條。根據(jù)國標

GB5117—95《碳鋼焊條》和GB5118—95《低合金鋼焊條》的規(guī)定，兩種焊條型號用大寫字母“E”和數(shù)字及字母來表示。分別舉例如下：

①碳鋼焊條EXXXX。E表示碳鋼焊條；前兩位數(shù)字表示熔敷金屬的最小抗拉強度值(kgf/mm2)；第三位數(shù)字表示焊條使用的焊接位置，“0”、“1”均表示適用于全位置焊接，“2”表示適用于平焊和平角焊，“4”表示適用于向下立焊；第三、四位數(shù)字組合表示焊接電流的種類和焊條藥皮類型。如E4315焊條，表示碳鋼焊條，焊縫抗拉強度最小值為420MPa(43kgf/mm2)，用直流電源反接并可全位置焊接，屬堿性低氫型焊條。若在第四位數(shù)字后附加“R”表示耐吸潮焊條；附加“M”則表示耐吸潮和力學性能有特殊規(guī)定的焊條。

②低合金鋼焊條EXXXX-X-XX。E表示低合金鋼焊條；前四位數(shù)字的意義和碳鋼相同，在四位數(shù)字后添加后綴字母和附加化學成分的元素符號。以短劃“-”與前面數(shù)字分開的后綴字母表示熔敷金屬化學成分分類代號，其中熔敷金屬化學成分代號有：碳鉬鋼(A1)、鉻鉬鋼(B1～Ｂ5)、鎳鋼

(C1～C3)、鎳鉬鋼(NM)、錳鉬鋼(D1～D3)及其他低合金鋼(G、M、W)等六類低合金鋼焊條；后面還以短劃“-”與前面后綴字母分開的XX表示采用附加化學成分的元素符號。

例如E5516-B3-VWB，E表示焊條；55表示熔敷金屬化學抗拉強度的最小值為

540MPa；1表示焊條適用于全位置焊接；16表示焊條藥皮為低氫鉀型，適用于交流或直流反接焊接；B3表示低合金鋼中鉻鉬鋼焊條；VWB表示熔敷金屬中含有附加化學成分V、W、B元素。

3.電焊條的選用原則

焊條的選用通常是根據(jù)焊件的化學成分、力學性能、抗裂性、耐蝕性及高溫性能等要求，選用相應焊條種類，再考慮焊接結(jié)構(gòu)形狀、工作條件、焊接設備條件等來選擇具體的焊條型號。一般遵循下列原則：

(1)考慮母材的力學性能和化學成分。焊接低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼時，應根據(jù)焊接件的抗拉強度選擇相應強度等級的焊條，即等強度原則；焊接耐熱鋼、不銹鋼等材料時，則應選擇與焊接件化學成分相同或相近的焊條，即等成分原則。

(2)考慮結(jié)構(gòu)的使用條件和特點。承受沖擊力較大或在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)件、復雜結(jié)構(gòu)件、厚大或剛性大的結(jié)構(gòu)件多選用抗裂性好的堿性焊條；如果構(gòu)件受沖擊力較小，構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單，母材質(zhì)量較好，應盡量選用工藝性能好、較經(jīng)濟的酸性焊條。

(3)考慮焊條的工藝性。對于狹小、不通風的場合，以及焊前清理困難且容易產(chǎn)生氣孔的焊接件，應當選擇酸性焊條；如果母材中含碳、硫、磷量較高，則應選擇抗裂性較好的堿性焊條。

(4)選用與施焊現(xiàn)場條件相適應的焊條。如對無直流焊機的地方，應選用交直流電源的焊條。

在確定了焊條牌號后，還應根據(jù)焊接件厚度、焊接位置等條件選擇焊條直徑。一般是焊接件愈厚，焊條直徑應愈大。4.1.2其他焊接方法

1．埋弧焊

埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的電弧焊方法，又稱焊劑層下焊接。埋弧焊在造船、鍋爐、化工容器、起重機械和冶金機械制造中的應用非常廣泛。

1)埋弧焊的焊接過程

埋弧焊在焊接時，焊接機頭將光焊絲自動送入電弧區(qū)并保持一定的弧長。電弧靠焊機控制，均勻地向前移動。焊絲為連續(xù)盤狀，在焊絲前方，焊劑從漏斗中不斷流出，使被焊部位覆蓋著一層30mm～50mm厚的顆粒狀焊劑，焊絲連續(xù)送進，電弧在焊劑層下穩(wěn)定地燃燒，使焊絲、工件和焊劑都熔化，形成金屬熔池和熔渣。液態(tài)熔渣覆蓋在熔池表面，以防止空氣侵入。隨著機頭自動向前移動，不斷熔化前方的母材金屬，焊絲和焊劑使焊接連續(xù)進行，熔池尾部的金屬也隨之冷卻結(jié)晶形成焊縫，熔渣浮在熔池表面冷卻后成為渣殼。埋弧焊的焊接情況如圖4-7和圖4-8所示。

圖4-7埋弧焊示意圖

圖4-8埋弧焊焊縫的形成

2)埋弧焊的焊絲與焊劑

埋弧焊時，焊絲相當于電焊條的焊芯，焊劑起保護、凈化熔池、穩(wěn)定電弧和滲入合金元素的作用。焊劑按制造方法可分為熔煉焊劑與陶質(zhì)焊劑兩大類。各種焊劑應與一定的焊絲配合使用才能獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。常用焊劑的牌號、配用焊絲及用途如表4-5所示。

表4-5常用焊劑的牌號、配用焊絲及用途3)埋弧焊的特點

(1)生產(chǎn)率高。埋弧焊焊接電流大(可達1000A以上)，同時節(jié)省了更換焊條的時間，其生產(chǎn)率比焊條電弧焊高5～10倍。

(2)焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于焊縫區(qū)受焊劑和熔渣的有效保護，焊接熱量集中，焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接變形小，同時，焊接參數(shù)自動控制，因此焊接質(zhì)量高而且穩(wěn)定，焊縫成型美觀。

(3)節(jié)省金屬材料，降低成本。埋弧焊熔深大，可不開或少開坡口，而且沒有焊條電弧焊焊條頭的浪費，因而能節(jié)省金屬材料。

但埋弧焊的設備費用高，工藝裝備復雜，主要用于焊接生產(chǎn)批量較大的長直焊縫與大直徑環(huán)形焊縫，不適合薄板和曲線焊縫的焊接。

2．氣體保護焊

氣體保護焊是用外加氣體保護電弧及焊接區(qū)的電弧焊。保護氣體通常有兩種，即惰性氣體(如氬氣)和活性氣體(如二氧化碳)。

1)氬弧焊

用氬氣作為保護性氣體的氣體保護焊稱為氬弧焊。氬氣是惰性氣體，在高溫下既不熔入液態(tài)金屬也不與金屬元素發(fā)生化學反應，它是一種比較理想的保護氣體。氬氣電離勢高，引弧較困難，但一經(jīng)引燃電弧就能穩(wěn)定燃燒。

按照電極不同，氬弧焊可分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊，如圖4-9所示。

圖4-9氬弧焊示意圖

(a)不熔化極氬弧焊；(b)熔化極氬弧焊熔化極氬弧焊是以連續(xù)送進的焊絲作為電極，電弧在焊絲與工件之間燃燒，焊絲熔化后形成熔滴填充到熔池中，冷卻結(jié)晶后形成焊縫。熔化極氬弧焊允許使用大電流，生產(chǎn)率比非熔化極氬弧焊高，適用于較厚板材的焊接。

非熔化極氬弧焊是以高熔點的鎢棒為電極，因此也稱鎢極氬弧焊。焊接時，電弧在高熔點的電極與工件之間燃燒，工件局部熔化形成熔池，電極(鎢極)不熔化，適當填加金屬(焊絲)并將其熔化過渡到熔池中，冷卻結(jié)晶后形成焊縫。

氬弧焊焊接由于氬氣的保護效果好，焊縫金屬純凈，焊縫質(zhì)量優(yōu)良；同時由于電弧在氬氣流的壓縮下燃燒，熱量集中，熱影響區(qū)小，焊后變形也小；電弧穩(wěn)定，明弧可見，飛濺小，焊縫致密，焊后無渣，成型美觀；可實現(xiàn)全位置焊，便于操作，易實現(xiàn)機械化和自動化。因此，氬弧焊特別適合于焊接各類易氧化的金屬材料，如不銹鋼、有色金屬及稀有金屬等。

2)二氧化碳氣體保護焊

二氧化碳氣體保護焊是以二氧化碳為保護氣體，以焊絲為電極的電弧焊。利用工件與電極(焊絲)之間產(chǎn)生的電弧熔化工件與焊絲，以自動或半自動方式焊接。圖4-10為二氧化碳氣體保護焊示意圖。

圖4-10二氧化碳氣體保護焊示意圖二氧化碳價格便宜，來源廣泛，但它呈氧化性，在高溫下分解為一氧化碳和氧氣，易使材料中的合金元素氧化燒損，并且由于一氧化碳密度小，體積膨脹，導致熔滴飛濺嚴重，焊縫成型不光滑。因此為保證焊縫的化學成分，需采用含錳、硅較高的焊接鋼絲或含有相應合金元素的合金鋼絲，例如焊接低合金鋼時可采用H08Mn2SiA焊絲，焊低碳鋼時可采用H08MnSiA焊絲。

二氧化碳氣體保護焊具有成本低、生產(chǎn)率高、操作性好、質(zhì)量較好等特點，廣泛應用于機車、汽車、造船和農(nóng)業(yè)機械等部門，尤其適用于焊接薄鋼板(低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼)。

3．電渣焊

電渣焊是利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進行焊接的方法。電渣焊一般都是將兩焊件垂直放置，在立焊位置進行焊接，如圖4-11所示。焊接時，兩個被焊件接頭相距25mm～35mm，焊絲與引弧板短路引弧，電弧將固態(tài)熔劑熔化后形成渣池，渣池具有很大的電阻，電流流過時產(chǎn)生大量的電阻熱(溫度在1700℃～2000℃)將焊絲和工件熔化形成金屬熔池。隨著焊絲的不斷送進，熔池逐漸上升。在工件待焊面兩側(cè)有冷卻銅滑塊，防止液態(tài)熔渣及熔池金屬液不外流，并加速熔池冷卻凝固成為焊縫。

圖4-11電渣焊示意圖電渣焊渣池熱量多、溫度高，而且根據(jù)焊件厚度可采用單絲或多絲焊接，焊接時焊絲還可在渣池內(nèi)擺動，因此對很厚的工件可一次焊成。如單絲不擺動可焊厚度為40mm～

60ｍｍ；單絲擺動可焊厚度為60mm～150ｍｍ；三絲擺動焊接厚度可達400ｍｍ。電渣焊生產(chǎn)率高，焊接時不需開坡口，焊接材料消耗少，成本低。電渣焊焊縫金屬純凈，焊接質(zhì)量較好，但電渣焊的焊接區(qū)在高溫停留時間長，熱影響區(qū)比其他焊接方法寬，晶粒粗大，易出現(xiàn)過熱組織，因此焊接時焊絲、焊劑中應加入鉬、鈦等元素，細化焊縫組織，并且一般焊后需進行正火處理，以改善性能。

目前，電渣焊主要用于大型鑄-焊、鍛-焊、厚板拼接焊等大型構(gòu)件的焊接及厚壁壓力容器縱縫焊接。

4．電阻焊

電阻焊是利用電流通過焊件接觸處產(chǎn)生的電阻熱為熱源，將焊件接觸處局部加熱到高塑性或熔化狀態(tài)，然后在壓力下實現(xiàn)焊接的方法。電阻焊可采用很大的電流，焊接時間很短，其生產(chǎn)率很高，熱影響區(qū)窄，變形小，接頭不需開坡口，不需填充金屬和焊劑，操作簡單，勞動條件好，易實現(xiàn)機械化與自動化。但電阻焊設備費用昂貴，設備功率大，耗電量大，焊件截面尺寸受限制，接頭形式只限于對接和搭接，電阻熱受電阻大小、電流波動等因素影響而變化，使焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，這就限制了電阻焊在某些重要焊件上的應用。

常用的電阻焊可分為點焊、縫焊和對焊三種，如圖4-12所示。

圖4-12電阻焊

(a)點焊；(b)縫焊；(c)對焊

1)點焊

點焊是利用電流通過圓柱狀電極和兩塊搭接工件接觸面產(chǎn)生的電阻熱，熔化接觸面處的固態(tài)金屬，在壓力下將兩個工件焊在一起的焊接方法。

圖4-13分流現(xiàn)象點焊時，先加壓使工件緊密接觸，然后接通電流，因接觸處的電阻很大，該處產(chǎn)生的電阻熱最多，金屬被熔化成熔核，斷電后繼續(xù)保持壓力或增大壓力，熔核在壓力下凝固結(jié)晶，形成焊點。焊完一點后，移動工件，可依次焊成其他焊點。當焊第二個焊點時，將有一部分電流會流經(jīng)已焊好的焊點，使焊接處的電流減小，影響焊接質(zhì)量，這種現(xiàn)象稱為分流現(xiàn)象，如圖4-13所示。分流現(xiàn)象主要與工件厚度和兩焊點之間的距離有關，一般工件導電性越強，厚度越大，分流現(xiàn)象越嚴重。因此，兩焊點之間的距離應加大。

點焊的主要工藝參數(shù)有焊接電流、電極壓力、通電時間及被焊件接觸點的狀態(tài)等。電流過大，通電時間長，熔池深度大，并有金屬飛濺，甚至燒穿；電流過小，通電時間短，熔深小，甚至未熔化。電極壓力過大，兩個被焊件接觸緊密，電阻減小，使熱量減小，造成焊點強度不足；電極壓力過小，極間接觸不良，熱源不穩(wěn)定。一般來說，工件厚度越大，材料高溫強度越大，電極壓力也應越大。

焊件接觸處的狀態(tài)對焊接質(zhì)量影響很大，如焊件表面存在著氧化膜、油污等，將使電阻增大，甚至出現(xiàn)局部不導電而影響電流流通。因此，點焊前必須對焊件表面進行清理。

點焊主要適用于薄板(厚度小于4ｍｍ)沖壓結(jié)構(gòu)及線材的搭接，在大批量生產(chǎn)中多用機械手自動操作。目前點焊廣泛應用于汽車制造、機車車輛、飛機等薄壁結(jié)構(gòu)及儀表、電信、輕工等工業(yè)中薄材、線材的焊接。

2)縫焊

縫焊實際上就是連續(xù)的點焊，用旋轉(zhuǎn)的圓盤電極代替點焊時的柱狀電極，邊焊邊滾動(同時帶動焊件向前移動)，相鄰焊點部分重疊，形成一條致密焊縫。由于縫焊時分流現(xiàn)象嚴重，一般只適用于厚度小于3ｍｍ的薄板結(jié)構(gòu)?？p焊時，焊點相互重疊50%以上，密封性好，可焊接低碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鋁合金等，但不適于銅及銅合金，因此主要用于制造要求密封性的薄壁結(jié)構(gòu)，如油箱、小型容器和管道等。

3)對焊

對焊即為對接電阻焊，焊件按設計要求裝配成對接接頭，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后在壓力下完成焊接。按操作方法的不同，對焊可分為電阻對焊和閃光對焊，如4-14所示。

圖4-14對焊類型

(a)電阻對焊；(b)閃光對焊(1)電阻對焊。電阻對焊過程是先將兩工件夾在對焊機的電極鉗口中，如圖

4-14(a)所示，施加預壓力使兩被焊件端面接觸，并壓緊，通電加熱后，再斷電加壓頂鍛，使工件接觸處在壓力下發(fā)生交互結(jié)合，形成焊接接頭。

電阻對焊操作簡單，成產(chǎn)率高，接頭光滑，但焊前對焊件端面要加工和清理，否則易出現(xiàn)加熱不均勻，接合面易侵入空氣，生成氧化夾雜物，使焊接質(zhì)量下降。電阻對焊一般只適用于直徑小于20ｍｍ的簡單截面的焊件及強度要求不高的低碳鋼桿件連接，可以焊接碳鋼、不銹鋼、銅和鋁等。(2)閃光對焊。閃光對焊過程是將兩工件夾在電極鉗口內(nèi)，通電后使兩個工件輕微接觸，如圖4-14(b)所示。由于接觸點少，電流密度大，接觸點金屬迅速熔化，甚至蒸發(fā)、爆破，并在電磁力的作用下以火花形式形成飛濺(閃光)。繼續(xù)送進工件，保持一定的閃光時間，待焊件端面全部被加熱熔化時，迅速斷電加壓，形成焊接接頭。

閃光對焊過程中，工件接觸面的氧化物、雜質(zhì)、油污被閃光火花帶出，因此接頭中夾渣少，組織純凈，強度高，質(zhì)量好，對端面加工要求低。但閃光對焊后焊件表面有毛刺需清理，同時金屬損耗也較大。

閃光對焊常用于重要工件的焊接，碳鋼、合金鋼、有色金屬等材料以及異種金屬材料都能用閃光對焊焊接。它既可以焊接直徑小到0.01ｍｍ的金屬絲，也可以焊接斷面達數(shù)萬平方毫米的金屬棒料和型材。對鋼軌、鋼筋、刀具、管子、車圈、錨鏈等的連接均可采用閃光對焊。

5．摩擦焊

摩擦焊是利用工件接觸面的摩擦熱為熱源，同時加壓而進行焊接的方法。摩擦焊焊接過程如圖4-15所示。先將兩焊件夾在焊機上，預加一定壓力使焊件緊密接觸。使被焊件高速旋轉(zhuǎn)后，由于劇烈摩擦而產(chǎn)生熱量，使接觸面被加熱到高溫塑性狀態(tài)，然后急速制動，停止轉(zhuǎn)動，并加大壓力，使兩焊件接觸處產(chǎn)生塑性變形而焊接在一起。摩擦焊接頭一般為等斷面，有時也可以是不等斷面，但至少需要一個斷面為圓形或管形焊件。摩擦焊接頭形式如圖4-16所示。

圖4-15摩擦焊示意圖

圖4-16摩擦焊接接頭形式

摩擦焊在焊接過程中兩端面的氧化膜與雜質(zhì)被清除，不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。接頭組織致密，接頭質(zhì)量好，其廢品率僅有閃光焊的1%左右。焊接時操作簡單，不需要焊接材料，易實現(xiàn)自動控制，生產(chǎn)率高，勞動條件好，但摩擦焊要求制動及加壓裝置的控制要靈敏。

摩擦焊適用的金屬范圍廣，并可對異種金屬進行對接，如碳鋼-不銹鋼、銅-鋼、鋁-鋼、硬質(zhì)合金-鋼等，但摩擦系數(shù)小的鑄鐵、黃銅不宜采用摩擦焊。目前，摩擦焊在汽車、拖拉機、電力設備、金屬切削刀具、紡織機械等工業(yè)中的圓形工件、棒料及管類件的焊接中應用較廣。

6．釬焊

釬焊是以低熔點的金屬作為釬料，將其熔化后填充到被焊金屬的縫隙中，液態(tài)釬料與母材金屬相互擴散溶解，冷凝后形成釬焊接頭的方法。

釬焊時，構(gòu)件的接頭形式常采用對接、搭接和套接，如圖4-17所示。這些接頭釬接面較大，可提高接頭強度。另外，接頭間應有良好的配合和適當?shù)拈g隙，以保證釬料對接觸部位的滲入與濕潤，以達到最好的焊接效果。

圖4-17釬焊接頭形式釬焊過程中，一般還要使用釬焊劑，其目的是去除焊件表面的氧化物及雜質(zhì)，同時改善釬料對焊件的潤濕作用，并促進釬料流動和填滿焊縫。常用的釬劑主要有硼酸、硼砂、松香等。

釬焊根據(jù)所用釬料熔點的不同，可分為軟釬焊和硬釬焊兩大類。

軟釬焊的釬料熔點低于450℃，釬料常用以錫、鉛、鋅等為主的合金，最常使用的錫-鉛釬料焊接俗稱錫焊，焊接接頭導電性良好。軟釬焊釬劑主要有松香、氯化鋅溶液等，加熱方式一般為烙鐵加熱。其接頭強度較低，但釬料滲入接頭間隙能力強，具有良好的焊接工藝性，主要用于受力不大或工作溫度較低的構(gòu)件。

硬釬焊的釬料熔點高于450℃，釬料常用以銅、鋁、銀、鎳等為主的合金，硬釬焊釬劑主要有硼酸、硼砂、氯化物等。硬釬焊接頭強度高，工作溫度較高，主要用于焊接承受較大載荷的構(gòu)件，如自行車車架、切削刀具等。

按熱源不同，釬焊可分為烙鐵釬焊、電阻釬焊、火焰釬焊、感應釬焊、爐中釬焊、紅外釬焊和激光釬焊等。焊接時，可根據(jù)釬料種類、工件形狀及尺寸、接頭數(shù)量及形式、對質(zhì)量的要求、生產(chǎn)批量等因素綜合考慮選擇。

釬焊與其他焊接方法相比，具有如下特點：

(1)工件加熱溫度低，母材組織性能變化小，焊接應力與變形小，接頭光滑平整，尺寸精確。

(2)可焊接性能差異較大的異種金屬及金屬與非金屬的焊接。

(3)對工件整體加熱時，可同時釬焊很多條焊縫，生產(chǎn)率較高。

(4)設備簡單，易于實現(xiàn)自動化。

釬焊的主要缺點是接頭強度較低，尤其是動載強度低，允許的工作溫度不高，焊前清理及組裝要求較高。因此它不適合于一般鋼結(jié)構(gòu)件及重載、動載零件的焊接。目前釬焊主要用于制造儀表、電機、電氣部件、導線、導管、容器、硬質(zhì)合金刀具、異種金屬構(gòu)件等的焊接。

7．等離子弧焊與切割

一般電弧焊中的電弧未受到外界約束，電弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離，能量不能高度集中，這種情況被稱為自由電弧。當利用某種裝置使自由電弧的弧柱區(qū)的氣體完全電離，產(chǎn)生高度熱量集中的電弧，這種電弧稱為等離子電弧。其發(fā)生裝置如圖4-18所示。一般等離子弧焊以鎢棒為電極，以氬氣或氮氣作為保護性氣體。鎢極與工件之間產(chǎn)生的電弧在機械壓縮效應、熱壓縮效應和電磁收縮效應的共同作用下，被壓縮得很細，能量高度集中，弧柱區(qū)內(nèi)的氣體完全電離，其溫度可達16000K以上。

圖4-18等離子電弧發(fā)生裝置等離子弧焊實質(zhì)上是一種電弧具有壓縮效應的鎢極氬氣保護焊，除具有氬弧焊的優(yōu)點外，還具有能量集中、熱影響區(qū)小、焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)率高等優(yōu)點。但等離子弧焊的設備復雜，氣體消耗量大，只限于室內(nèi)焊接。目前，等離子弧焊已應用于化工、儀器儀表、航空航天等工業(yè)部門，特別是在國防工業(yè)、尖端技術領域中所用的銅合金、合金鋼、鈦合金、鎢、鉬、鈷等金屬的焊接，如鈦合金導彈殼體、波紋管、電容器外殼的封接及飛機上的薄壁容器件，都可采用等離子弧焊。

等離子弧切割是利用等離子弧的高溫將被割件熔化，并借助弧焰的機械沖擊力將熔融金屬排除，形成割縫以實現(xiàn)切割。等離子弧切割主要用于切割高合金鋼、一些難熔金屬以及鑄鐵、銅、鎳、鈦、鋁及其合金，而且切割速度快，切口較窄，切邊質(zhì)量高。

圖4-19真空電子束焊接原理

8．電子束焊

電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱能進行焊接的一種方法。真空電子束焊接原理如圖4-19所示。電子槍、工件及夾具全部置于真空室內(nèi)。電子槍由加熱燈絲、陰極、聚束極、陽極等組成。當陰極被燈絲加熱到一定溫度時而發(fā)射大量電子，這些電子在強電場的作用下，被加速到很高的速度，然后經(jīng)聚束極、陽極和聚焦透鏡而形成高速電子流束射向工件表面，電子的動能變?yōu)闊崮?，將工件迅速熔化甚至汽化。根?jù)焊件的熔化程度，逐漸移動焊件，即可得到所需的焊接接頭。

根據(jù)焊件所處的真空度不同，電子束焊可分為真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊。其中，真空電子束焊應用最廣。焊接時，真空室內(nèi)的真空度可達1.33×10

－3Pa～1.33×10－2Pa。

真空電子束焊接能量密度大，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，適應性強，由于在真空中焊接，焊縫不會氧化、氮化及析氫，因此保護效果好，焊接質(zhì)量高。真空電子束可焊難熔金屬(如鈮、鉭、鎢等)及原截面工件(如鋼板厚度可達200mm～300mm)，并適用于焊接一些化學活性強、純度高的金屬，如鈦、鋁、鉬及高強度鋼、高合金鋼等。但真空電子束焊接設備復雜，造價高，焊件尺寸受真空室限制而不能太大。

真空電子束焊目前在電子、航空、原子能、導彈等工業(yè)部門得到廣泛應用，如微型電子線路組件、導彈外殼、核電站鍋爐汽包等，也可用于軸承、齒輪組合件等。

4.2.1焊接基本原理

大多數(shù)焊接方法都需要借助加熱、加壓，或同時實施加熱和加壓，以實現(xiàn)原子結(jié)合。

從冶金的角度來看，可將焊接區(qū)分為三大類：液相焊接、固相焊接、固-液相焊接。4.2焊接原理與焊接接頭利用熱源加熱待焊部位，使之發(fā)生熔化，利用液相的相溶而實現(xiàn)原子間的結(jié)合，即屬液相焊接。熔焊屬于最典型的液相焊接。除了被連接的母材(同質(zhì)或異質(zhì))，還可填加同質(zhì)或非同質(zhì)的填充材料，共同構(gòu)成統(tǒng)一的液相物質(zhì)。常用的填充材料是焊條或焊絲。

固相焊接屬于典型的壓力焊方法。因為固相焊接時，必須利用壓力使待焊部位的表面在固態(tài)下直接緊密接觸，并使待焊表面的溫度升高(但一般低于母材金屬熔點)，通過調(diào)節(jié)溫度、壓力和時間，以充分進行擴散而實現(xiàn)原子間的結(jié)合。在預定的溫度(利用電阻加熱、摩擦加熱、超聲振蕩等)緊密接觸時，金屬內(nèi)的原子獲得能量、增大活動能力，可跨越待焊界面進行擴散，從而形成固相接合。

固-液相焊接就是待焊表面并不直接接觸，而是通過兩者毛細間隙中的中間液相相聯(lián)系。于是，在待焊的同質(zhì)或異質(zhì)固態(tài)母材與中間液相之間存在兩個固-液界面，通過固液相間充分進行擴散，可實現(xiàn)很好的原子結(jié)合。釬焊即屬此類方法，形成中間液相的填充材料稱為釬料。

1.焊接熱源

焊接熱源應是熱量高度集中，可快速實現(xiàn)焊接過程，并可保證得到致密而強韌的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。每種熱源都有其本身的特點，并在生產(chǎn)上有不同程度的應用。滿足焊接條件的熱源有以下幾種。

(1)電弧熱：利用氣體介質(zhì)中放電過程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，是目前焊接熱源中應用最為廣泛的一種，如手工電弧焊、埋弧自動焊等。

(2)化學熱：利用可燃氣體(氧、乙炔等)或鋁、鎂熱劑燃燒時所產(chǎn)生的熱量作為焊接熱源，如氣焊。這種熱源在一些電力供應困難和邊遠地區(qū)仍起重要的作用。

(3)電阻熱：利用電流通過導體時產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源，如電阻焊和電渣焊。采用這種熱源所實現(xiàn)的焊接方法，都具有高度的機械化和自動化，有很高的生產(chǎn)率，但耗電量大。

(4)高頻熱源：對于有磁性的被焊金屬，利用高頻感應所產(chǎn)生的二次電流作為熱源，在局部集中加熱，實質(zhì)上也屬電阻熱。由于這種加熱方式熱量高度集中，故可以實現(xiàn)很高的焊接速度，如高頻焊管等。

(5)摩擦熱：由機械摩擦而產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，如摩擦焊。

(6)電子束：在真空中，利用高壓高速運動的電子猛烈轟擊金屬局部表面，使這種動能轉(zhuǎn)化為熱能作為焊接熱源，如電子束焊。

(7)激光束：通過受激輻射而使放射增強的單色光子流，即激光，它經(jīng)過聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源。

2．焊接化學冶金過程

焊接過程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程，稱為焊接化學冶金過程。在空氣中焊接時，焊縫金屬中的含氧、氮量顯著增加，同時錳、碳等有益合金元素大量減少，這時，焊縫金屬的強度基本不變，但塑性和韌性急劇下降，力學性能受到很大影響。因此，焊接化學冶金過程決定了可否得到優(yōu)質(zhì)的焊縫金屬。

1)焊接化學冶金的特點

焊接化學冶金反應過程從焊接材料被加熱、熔化開始，經(jīng)熔滴過渡，最后到達熔池中。該過程是分區(qū)域(藥皮反應區(qū)、熔滴反應區(qū)、熔池反應區(qū))連續(xù)進行的，不同的焊接方法有不同的反應區(qū)。

在藥皮反應區(qū)中，主要發(fā)生水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解、鐵合金的氧化等。反應析出的大量氣體隔絕了空氣，也對被焊金屬和藥皮中的鐵合金產(chǎn)生了很大的氧化作用，因此，該反應區(qū)將顯著改變焊接區(qū)氣相的氧化性。

熔滴反應區(qū)包括熔滴形成、長大到過渡至熔池前的整個階段。此區(qū)域發(fā)生氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化和還原、焊縫金屬的合金化等。反應時間僅有0.01s～0.1s，但平均溫度高達2000K～2800K，而且液態(tài)金屬與氣體及熔渣的接觸面積大，是冶金反應最激烈的部位，對焊縫成分的影響最大。

熔滴金屬和熔渣以很高的速度落入熔池后，即同熔化了的母材混合、接觸、反應。此區(qū)溫度較熔滴反應區(qū)低，約為1800K～2200K，反應時間較長，大約數(shù)秒。此區(qū)有兩個顯著特點，一是溫度分布極不均勻，熔池頭部和尾部存在溫度差，因而冶金反應可以同時向相反的方向進行；二是反應過程不僅在液態(tài)金屬與氣、渣界面上進行，而且也在液態(tài)金屬與固態(tài)金屬和液態(tài)熔渣的界面上進行。

2)熔池結(jié)晶的特點

焊接熔池的結(jié)晶過程與一般冶金和鑄造時液態(tài)金屬的結(jié)晶過程并無本質(zhì)上的區(qū)別，具有以下特點：

(1)熔池金屬體積很小，周圍是冷金屬、氣體等，故金屬處于液態(tài)的時間很短，手工電弧焊從加熱到熔池冷卻往往只有十幾秒，各種冶金反應進行得不充分。

(2)熔池中反應溫度高，往往高于煉鋼爐溫200℃，使金屬元素強烈地燒損和蒸發(fā)。

(3)熔池的結(jié)晶是一個連續(xù)熔化、連續(xù)結(jié)晶的動態(tài)過程。

3)焊接區(qū)內(nèi)的氣體和雜質(zhì)

焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料、熱源周圍的氣體介質(zhì)、焊絲和母材表面的雜質(zhì)、材料的蒸發(fā)。產(chǎn)生的氣體中，對焊接質(zhì)量影響最大的是N2、H2、O2、CO2、H2O。

其中金屬與氧的作用對焊接的影響最大，氧原子能與多種金屬發(fā)生氧化反應，如

Fe＋O→FeO；Si＋2O→SiO2；Mn＋O→MnO；2Al＋3O→Al2Ｏ3。有的氧化物(如FeO)能溶解在液態(tài)金屬中，冷凝時因溶解度下降而析出，成為焊縫中的雜質(zhì)，影響焊縫質(zhì)量，是一種有害的冶金反應物；大部分金屬氧化物(如SiO2、MnO)則不溶于液態(tài)金屬，生成后會浮在熔池表面進入渣中。而不同元素與氧的親和能力的大小不同，鋼中幾種常見金屬元素與氧的親和力大小排列順序是Al→Ti→Si→Mn→Fe。由于Al、Ti、Si等金屬元素與氧的親和力比Fe的強，因此在焊接時，常用Al、Ti、Si、Mn等金屬元素作為脫氧劑，如

Mn＋FeO→MnO＋Fe；Si＋2FeO→SiO2＋2Fe，進行脫氧后，使其形成的氧化物不溶于金屬液，而進入渣中浮出，從而凈化熔池，提高焊縫質(zhì)量。

氮和氫在高溫時，能溶解于液態(tài)金屬內(nèi)，氮能與鐵化合成Fe4Ｎ和Fe2N，它將以夾雜物的形式存在于焊縫中；而氫的存在則引起氫脆(白點)和造成氣孔。

那么，由于焊縫中存在著FeO、Fe4Ｎ等雜質(zhì)及氫脆和氣孔，以及合金元素被嚴重氧化和燒損，使得焊縫金屬的力學性能較差，尤其是塑性和韌性遠比母材金屬低。

硫和磷是鋼中有害的雜質(zhì)，焊縫中的硫和磷主要來源于母材、焊芯和藥皮。硫在鋼中以FeS形式存在，與FeO等形成低熔共晶聚集在晶界上，增加焊縫的裂紋傾向，同時降低焊縫的沖擊韌度和抗腐蝕性。磷與鐵、鎳等也可形成低熔點共晶，促進熱裂紋的產(chǎn)生，磷化鐵硬而脆，會使焊縫的冷脆性加大。

因此，為了保證焊縫質(zhì)量，要從以下幾個方面采取措施：

(1)減少有害元素進入熔池，其主要措施是機械保護，如焊條電弧焊的焊條藥皮、埋弧焊的焊劑、氣體保護焊中的保護氣體(CO2、Ar2)。它們所形成的保護性熔渣和保護性氣體，使電弧空間的熔滴和熔池與空氣隔絕，防止空氣進入；還應清理坡口及兩側(cè)的銹、水、油污；烘干焊條，去除水分等。

(2)清除已進入熔池中的有害元素，增添合金元素，主要通過焊接材料中的合金元素進行脫氧、脫硫、脫磷、去氫和滲合金等，從而保證和調(diào)整焊縫的化學成分，提高焊縫的金屬力學性能。

焊接時，電弧沿著工件逐漸移動并對工件進行局部加熱。在焊件橫截面上，愈靠近焊縫中心，被加熱的溫度愈高；離焊縫中心愈遠，被加熱的溫度愈低。低碳鋼焊件橫截面上的溫度變化見圖4-20。在焊接過程中，由于受到焊接熱的影響，焊件橫截面上各點相當于受到一次不同程度的熱處理，必然有相應的組織與性能變化。

圖4-20低碳鋼焊件橫截面上的溫度變化

(a)焊縫區(qū)各點溫度變化情況；(b)低碳鋼焊接接頭的組織變化4.2.2焊接接頭的組織與性能

焊接接頭由焊縫和熱影響區(qū)組成?，F(xiàn)以低碳鋼為例，來說明焊縫及熱影響區(qū)在焊接過程中金屬組織與性能的變化。

1．焊縫

焊縫金屬是由母材和焊條(絲)熔化形成的熔池冷卻結(jié)晶而成的。焊縫金屬屬于鑄態(tài)組織，在結(jié)晶時，是以熔池和母材金屬的交界處的半熔化金屬晶粒為晶核，沿著垂直于散熱面方向反向生長為柱狀晶，最后這些柱狀晶在焊縫中心相接觸而停止生長，則得到粗大的柱狀晶粒。同時，硫、磷等低熔點雜質(zhì)易在焊縫中心形成偏析，使焊縫塑性下降，易產(chǎn)生熱裂紋，但由于焊縫冷卻速度快，加之焊條藥皮滲合金的作用使焊縫得到強化，因此焊縫金屬的性能不低于母材金屬。

2.焊接熱影響區(qū)

熱影響區(qū)是指焊縫兩側(cè)受到熱的影響而發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域?？拷缚p部位溫度較高，遠離焊縫則溫度越低，根據(jù)溫度的不同，把熱影響區(qū)分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)，如圖4-20所示。

熔合區(qū)是熔池與固態(tài)母材的過渡區(qū)，又稱為半熔化區(qū)。該區(qū)加熱的溫度位于液固兩相線之間，成分及組織極不均勻，組織中包括未熔化但受熱而長大的粗大晶粒和部分鑄態(tài)組織，導致強度、塑性和韌性極差。這一區(qū)域很窄，僅有約0.1mm～1ｍｍ，但它對接頭的性能起著決定性的不良影響。

過熱區(qū)緊靠熔合區(qū)，由于該區(qū)被加熱到很高溫度，在固相線至1100℃之間，晶粒急劇長大，最后得到粗大晶粒的過熱組織，致使塑性、沖擊韌性顯著下降，易產(chǎn)生裂紋。此區(qū)寬度約1mm～3mm。

正火區(qū)金屬被加熱到比Ac3線(見圖1-34)稍高的溫度。由于金屬發(fā)生了重結(jié)晶，冷卻后得到均勻細小的正火組織，因此正火區(qū)的金屬力學性能良好，一般優(yōu)于母材。此區(qū)寬度約為1.2mm～4.0mm。

部分相變區(qū)被加熱到Ac1～Ac3(見圖1-34)之間，珠光體和部分鐵素體發(fā)生重結(jié)晶使晶體細化，而部分鐵素體未發(fā)生重結(jié)晶，得到較粗大的鐵素體晶粒。由于晶粒大小不一，致使其力學性能比母材稍差。

一般情況下，離焊縫較遠的母材金屬被加熱到Ac1(見圖1-34)溫度以下，鋼的組織不發(fā)生變化。但對于經(jīng)過冷塑性變形的鋼材，在450℃～Ac1之間還將產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，使鋼材軟化。

焊接熱影響區(qū)寬度愈小，焊接接頭的力學性能愈好。4.2.3熱影響區(qū)

1．影響熱影響區(qū)的因素

熱影響區(qū)的大小和組織性能變化的程度取決于焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式和焊接加熱溫度及冷卻速度等因素。不同焊接方法的熱源不同，產(chǎn)生的溫度高低和熱量集中程度就不同，而且采用的機械保護效果也不同，因此，熱影響區(qū)的大小也會不同。通常焊接熱量集中、焊接速度快時，熱影響區(qū)就小。而同一種焊接方法采用不同的焊接工藝時，熱影響區(qū)的大小也不相同。一般在保證焊接質(zhì)量的前提下，增大施焊速度、減小焊接電流都能減小焊接熱影響區(qū)。焊接方法對焊接熱影響區(qū)的影響如表4-6所示。表4-6焊接方法對焊接熱影響區(qū)的影響mm2.改善焊接熱影響區(qū)性能的方法

熱影響區(qū)在焊接過程中是不可避免的。對于熱影響區(qū)較窄及危害較小的焊接構(gòu)件，焊后不需處理就能正常使用。但對于重要的焊接構(gòu)件及熱影響區(qū)較大的焊接構(gòu)件(如電渣焊焊接構(gòu)件)，要充分注意到熱影響區(qū)的不良影響。改善焊接熱影響區(qū)性能的主要措施如下：

(1)熱影響區(qū)的冷卻速度應適當。對于低碳鋼，采用細焊絲、小電流、高焊速，可提高接頭韌度，減輕接頭脆化；對于易淬硬鋼，在不出現(xiàn)硬脆馬氏體的前提下適當提高冷卻速度，可以細化晶粒，有利于改善接頭性能。

(2)進行焊后熱處理。焊后進行退火或正火處理可以細化晶粒，改善焊接接頭的力學性能。4.2.4焊接應力與變形

1.焊接應力

1)焊接應力的形成原因

焊接過程中對焊件進行局部的不均勻加熱，是產(chǎn)生焊接應力的根本原因。另外，焊縫金屬的收縮、金屬組織的變化以及焊件的剛性約束等都會引起焊接應力的產(chǎn)生。

焊接時由于對焊件進行局部加熱，焊縫區(qū)被加熱到很高溫度，兩邊母材金屬受焊接熱的影響，也被加熱到不同的溫度，越遠離焊縫的部分被加熱溫度越低。根據(jù)金屬的熱脹冷縮特性，焊件上各部位因溫度不同，將產(chǎn)生不同的縱向膨脹?，F(xiàn)以焊接低碳鋼平板對接焊縫為例進行說明。對圖4-21所示的平板焊接加熱時，焊縫區(qū)域溫度最高，兩端母材金屬的溫度隨著遠離焊縫而逐漸降低，在自由伸長的條件下，伸長量應為圖4-21(a)所示。但鋼板是一個整體，它不能實現(xiàn)自由伸長，各部分伸長要相互牽制，平板整體的伸長量為ΔL。因為焊縫中心溫度最高，焊縫區(qū)的熱膨脹最大，但因受到周圍母材金屬的牽制，其膨脹受到限制，所以產(chǎn)生壓縮塑性變形，而遠離焊縫區(qū)的金屬受到焊縫區(qū)膨脹的影響而產(chǎn)生拉應力，使平板整體達到應力平衡。在焊后冷卻時，由于焊縫區(qū)金屬已產(chǎn)生了壓縮塑性變形，因此冷卻后的長度將變短，如圖4-21(b)所示，但板料兩邊金屬阻礙了中心焊縫區(qū)的縮短，此時，焊縫區(qū)受拉應力，兩邊金屬受壓應力并達到平衡。這些應力將殘留在焊件內(nèi)部，稱為焊接殘余應力。

圖4-21平板焊接應力分布

(a)焊接過程中；(b)冷卻后

2)焊接應力的預防及消除措施

焊接應力會引起焊件產(chǎn)生變形，而且直接影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能，使其有效承載能力降低。如果焊接應力過大，還可使焊接結(jié)構(gòu)在焊后或使用過程中產(chǎn)生裂紋，甚至導致整個構(gòu)件出現(xiàn)脆斷。因此，對于一些重要的焊接結(jié)構(gòu)(如高壓容器等)，焊接應力必須加以防止和消除。在實際生產(chǎn)中常采用下列措施來消除和防止焊接應力：

圖4-22焊接次序?qū)附討Φ挠绊?/p>

(a)合理次序；(b)不合理次序

(1)在設計焊接結(jié)構(gòu)時，應選用塑性好的材料，避免焊縫密集交叉，焊縫截面過大及焊縫過長。

(2)在施焊中要選擇正確的焊接次序，以防止焊接應力及裂紋。焊接圖4-22所示的結(jié)構(gòu)時，按圖4-22(a)中的次序1、2進行焊接可減小內(nèi)應力；如按圖4-22(b)中的焊接次序進行焊接，就會增加內(nèi)應力，且在焊縫的交叉處易產(chǎn)生裂紋。

(3)焊前對焊件進行預熱是防止焊接應力最有效的工藝措施，這樣可減弱焊件各部分溫差，從而顯著減小焊接應力。

(4)焊接中采用小能量焊接方法或?qū)t熱狀態(tài)的焊縫進行錘擊，亦可減小焊接應力。

(5)消除焊接應力最有效的方法是焊后進行去應力退火，即將焊件加熱至500℃～600℃左右，保溫后緩慢冷卻至室溫。此外還可采用震動法來消除焊接應力。

2.焊接變形

1)焊接變形的形式及形成原因

焊接變形的形式是多種多樣的，其形成原因也較為復雜，與焊件結(jié)構(gòu)、焊縫布置、焊接工藝及應力分布等諸多因素有關。幾種常見的變形形式及形成的原因如表4-7所示。

表4-7常見的變形形式及形成的原因

2)焊接變形的防止與矯正

焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形將影響其使用性，過大的變形量將使焊接結(jié)構(gòu)件報廢，因此須加以防止及矯正。

(1)防止焊接變形的措施。

焊接變形產(chǎn)生的主要原因是焊接應力，預防焊接應力的措施對防止焊接變形是十分有效的。

合理設計焊件結(jié)構(gòu)可有效防止焊件變形，例如，可使焊縫的布置和坡口形式盡可能對稱，采用大剛度結(jié)構(gòu)，盡量減少焊縫總長度等。

在焊接工藝上，對于不同的變形形式也可采取不同的措施防止焊接變形。例如，對易產(chǎn)生角變形及彎曲變形的構(gòu)件采用反變形法，即在焊前組裝時使工件反向變形，以抵消焊接變形，如圖4-23所示。對于焊縫較密集、易產(chǎn)生收縮變形的焊件可采用加裕量法，即在工件尺寸上加一個收縮裕量以補充焊后收縮，通常需增加0.1%～0.2%。薄板焊接時易產(chǎn)生波浪變形，為防止其產(chǎn)生，可采用剛性夾持法，即將工件固定夾緊后施焊，焊后變形可大大縮小。

圖4-23反變形法防止焊接變形另外，選擇合理的焊接次序，也能有效防止焊接變形。如對X形坡口的焊縫采用對稱焊，如圖4-24所示。對易產(chǎn)生扭曲變形的工字梁與矩形梁焊接，以及多板焊接時也可采用對稱焊防止變形，如圖4-25所示。

圖4-24X形坡口焊接次序

(a)合理次序；(b)不合理次序

圖4-25對稱焊接對于長焊縫的焊接，為防止焊接變形，可采用分段焊或逆向分段焊，如圖4-26所示。

圖4-26分段焊法

(2)焊接變形的矯正。

矯正過程的實質(zhì)是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的變形來抵消已產(chǎn)生的變形。常用的矯正方法有機械矯正法和火焰加熱矯正法。

機械矯正法是利用機械外力使焊件產(chǎn)生塑性變形的矯正變形法?？刹捎脡毫C、輥床等機械外力，也可用手工錘擊矯正，如圖4-27所示。

圖4-27機械矯正法火焰加熱矯正法通常采用氧-乙炔火焰在焊件的適當部位上加熱，使焊件在冷卻收縮時產(chǎn)生與焊接變形大小相等、方向相反的變形，以抵消焊件變形，但要求加熱部位必須準確。加熱溫度一般應控制在600～800℃，如圖4-28所示。

圖4-28火焰加熱矯正法

3.常見的焊接缺陷

在焊接生產(chǎn)過程中，由于設計、工藝、操作中各種因素的影響，往往會產(chǎn)生各種焊接缺陷。焊接缺陷不僅會影響焊縫的美觀，還有可能減小焊縫的有效承載面積，造成應力集中而引起斷裂，直接影響焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性。表4-8列出了常見的焊接缺陷及其產(chǎn)生的原因。

表4-8常見焊接缺陷及其產(chǎn)生原因

4.3.1金屬材料的焊接性

1.金屬焊接性的概念

金屬焊接性能是金屬材料的工藝性能之一，是金屬材料對焊接加工的適用程度。它主要是指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，以及在使用過程中安全運行的能力。4.3常用金屬材料的焊接焊接性一般包括兩個方面的內(nèi)容：一是工藝焊接性，主要是指在一定的焊接工藝條件下，出現(xiàn)各種焊接缺陷的可能性，即能得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力；二是使用焊接性，主要指焊接接頭在使用過程中的可靠性，即焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術條件規(guī)定的使用性能的程度，包括焊接接頭的力學性能及其他特殊性能(如耐腐蝕性、耐熱性等)。

金屬的焊接性與金屬本身的性質(zhì)有關，又與焊接方法、焊接材料、焊接的工藝條件有關。同一種金屬材料，采用不同的焊接方法、不同的焊接工藝或焊接材料，其焊接性會有很大差別。例如，采用焊條電弧焊和氣焊焊接鋁合金，難以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，但采用氬弧焊焊接鋁合金，則容易達到質(zhì)量要求。

2.焊接性評定方法

在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，最常用的金屬材料是鋼，影響鋼的焊接性的主要因素是其化學成分，因此，可以根據(jù)鋼材的化學成分來估算其焊接性好壞。通常把鋼中的碳和合金元素的含量，按其對焊接性影響的程度，換算成碳的相當含量，其總和稱為碳當量。在實際生產(chǎn)中，對于碳鋼、低合金鋼等鋼材，常用碳當量估算其焊接性。

國際焊接學會推薦的碳當量計算公式如下：

式中化學元素符號都表示該元素在鋼中含量的百分數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗，可得到以下結(jié)論：

(1)C當量＜0.4%時，鋼材塑性優(yōu)良，淬硬傾向不明顯，焊接性優(yōu)良，焊接時一般不需要預熱，只有在焊接厚板(厚度大于35ｍｍ)或在低溫條件下焊接時可考慮采用預熱措施。

(2)C當量＝0.4%～0.6%時，鋼材塑性下降，淬硬傾向明顯，焊接性能較差，焊前構(gòu)件需預熱，并控制焊接工藝參數(shù)，采取一定的工藝措施。

(3)C當量＞0.6%時，鋼材塑性較低，淬硬傾向很強，焊接性極差，必須采用較高的預熱溫度及嚴格的焊接工藝措施，才能保證焊接質(zhì)量。

碳當量法只考慮了鋼材本身性質(zhì)對焊接性的影響，而沒有考慮到結(jié)構(gòu)剛度、環(huán)境溫度、使用條件及焊接工藝參數(shù)等因素對焊接性的影響，因而是比較粗略的。在實際生產(chǎn)中確定鋼材的焊接性時，除初步估算外，還應根據(jù)實際情況進行抗裂試驗及進行焊接接頭使用可靠性的試驗，據(jù)此制定合理的焊接工藝規(guī)程。4.3.2常用金屬材料的焊接

1.碳鋼的焊接

1)低碳鋼的焊接

Q235、10、15、20等低碳鋼是應用最廣泛的焊接結(jié)構(gòu)材料。低碳鋼的含碳量小于0.25%，碳當量小于0.4%，一般沒有淬硬、冷裂傾向，焊接性良好，一般不需要采取特殊的工藝措施，焊后也不需要進行熱處理?？傊?，對低碳鋼所有的焊接方法都會得到滿意的焊接效果。對于厚度較大(厚度大于35ｍｍ)的低碳鋼結(jié)構(gòu)，常用大電流多層焊，焊后應進行熱處理來消除內(nèi)應力。在低溫環(huán)境下焊接剛度較大的結(jié)構(gòu)時，要考慮預熱，且預熱溫度一般不超過150℃。

采用熔化焊焊接結(jié)構(gòu)鋼時，選擇焊接材料及焊接工藝應保證焊縫與工件材料等強度的要求。焊接一般低碳鋼結(jié)構(gòu)時，可選用E4303、E4313、E4320焊條；焊接復雜結(jié)構(gòu)或厚板結(jié)構(gòu)時，應選用抗裂性好的低氫型焊條，如E4315、E5015、E4316等。

2)中碳鋼的焊接

實際生產(chǎn)中，主要是焊接各種中碳鋼的鍛件和鑄件。這類鋼含碳量在0.25%～0.60%之間，有一定的淬硬傾向，焊接接頭容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。中碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)多為鍛件和鑄鋼件。

中碳鋼屬于易淬火鋼，在熱影響區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生馬氏體等淬硬組織，當焊件剛性較大或焊接工藝不當時，就會在淬火區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。同時由于母材的含碳量與硫、磷雜質(zhì)的含量遠高于焊芯，母材熔化后進入熔池，使焊縫的含碳量增加，導致塑性下降。加上硫、磷等低熔點雜質(zhì)的存在，使焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大，因此，焊接中碳鋼構(gòu)件，焊前必須預熱，以減小焊接時工件各部分的溫差，減小焊接應力。一般情況下，預熱溫度為150℃～250℃。當含碳量較高、結(jié)構(gòu)剛度較大時，預熱溫度應更高些。另外還要嚴格要求焊接工藝，選用抗裂性好的低氫型焊條(如E4315、E5016、E6016)。焊后要緩冷，并及時進行熱處理以消除焊接應力。

由于中碳鋼多用于制造各類機械零件，焊縫長度不大，焊接中碳鋼時一般多采用焊條電弧焊，厚件也可采用電渣焊。

3)高碳鋼的焊接

高碳鋼的碳當量大于0.6%，淬硬、冷裂傾向更大，焊接性極差。焊接時需更高溫度的預熱及采取嚴格的焊接工藝措施。實際上，高碳鋼一般不用作焊接結(jié)構(gòu)件，大多采用手工電弧焊或氣焊進行修補工件缺陷的一些焊補工作。

2.合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

合金結(jié)構(gòu)鋼分為機械制造合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼兩大類。焊接結(jié)構(gòu)中，用的最多的是低合金結(jié)構(gòu)鋼，也稱為普通低合金鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼屬強度用鋼，按其屈服強度可以分為九級，即300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。按鋼材強度級別的不同，焊接特點及焊接工藝也有所不同。

對強度級別較低(σs≤300MPa～400ＭＰａ)的鋼，所含碳及合金元素較少，其碳當量小于0.4%，其淬硬、冷裂傾向都較小，焊接性好。在常溫下焊接時，可以采用類似于低碳鋼的焊接工藝。在低溫環(huán)境或在大剛度、大厚度構(gòu)件上進行小焊腳、短焊縫焊接時，應防止出現(xiàn)淬硬組織，要采用焊前預熱(100℃～150℃)，適當增大電流，減慢施焊速度，選用抗裂性好的低氫型焊條等工藝措施。

對強度級別較高(σs≥450ＭＰａ)的低合金鋼，其碳及合金元素含量也較高，碳當量大于0.4%，焊接性較差。主要表現(xiàn)在：一方面熱影響區(qū)的淬硬傾向明顯，熱影響區(qū)易產(chǎn)生馬氏體組織，硬度增高，塑性和韌性下降；另一方面，焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的傾向加劇。影響冷裂紋的因素主要有三：一是焊縫及熱影響區(qū)的含氫量，二是熱影響區(qū)的淬硬程度，三是焊接接頭殘余應力的大小。因此，對強度級別較高的低合金鋼焊接時，焊前一般均需預熱，預熱溫度大于150℃。焊后還應進行熱處理，以消除內(nèi)應力。優(yōu)先選用抗裂性好的低氫型焊條(如E6015-D1、E6016-D1等)；焊接時，要選擇合適的焊接規(guī)范以控制熱影響區(qū)的冷卻速度。

低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴，手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電渣焊均可用于此類鋼的焊接，其中手工電弧焊和埋弧焊比較常用。

3.鑄鐵的焊補

鑄鐵含碳量高，硫、磷雜質(zhì)多，組織不均勻，塑性極低，屬于焊接性很差的材料，一般不用作焊接構(gòu)件。但鑄鐵件在生產(chǎn)和使用過程中，會出現(xiàn)各種鑄造缺陷及局部損壞或斷裂，此時可采用焊補的方法進行修復，使其能繼續(xù)使用。

鑄鐵焊補時易產(chǎn)生如下缺陷：

(1)易產(chǎn)生白口組織。由于焊補時為局部加熱，焊補區(qū)冷卻速度極快，不利于石墨析出，因此極易產(chǎn)生白口組織，其硬度很高，焊后很難進行機械加工。

(2)易產(chǎn)生裂紋。鑄鐵強度低、塑性差，當焊接應力較大時，焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生裂紋。

(3)易產(chǎn)生氣孔。鑄鐵含碳量高，焊補時易形成CO和CO2氣體，由于結(jié)晶速度快，熔池中的氣體來不及逸出而形成氣孔。

目前，鑄鐵的焊補方法有焊條電弧焊、氣焊、釬焊、細絲CO2焊等，應用較多的是焊條電弧焊。按焊前是否預熱，鑄鐵焊補可分為熱焊法和冷焊法兩大類。

1)熱焊法

所謂熱焊法，就是焊前將鑄件整體或局部加熱至600℃～700℃，焊補過程中，溫度始終不低于400℃，焊后緩慢冷卻。熱焊法能有效地防止白口組織和裂紋的產(chǎn)生，焊補質(zhì)量較好，焊后可進行機械加工。但熱焊法勞動條件差，成本高，生產(chǎn)率低，一般只用于焊后需進行加工的重要鑄件，如汽缸體、床頭箱等。

2)冷焊法

所謂冷焊法，就是焊前工件不預熱或只進行400℃以下的低溫預熱。冷焊法焊補時，主要依靠焊條來調(diào)整焊縫的化學成分，以減小白口組織和裂紋傾向。焊接時，應盡量采用小電流、短焊弧、窄焊縫、短焊道焊接，焊后立即用錘輕擊焊縫，以松弛焊接應力。冷焊法比熱焊法生產(chǎn)效率高，勞動條件好，但焊接質(zhì)量較差，焊補處切削加工性較差。

焊補鑄鐵常用的焊條有鑄鐵芯鑄鐵焊條、鋼芯石墨化鑄鐵焊條、鎳基鑄鐵焊條和銅基鑄鐵焊條等。其中前兩種焊條適用于一般非加工表面的焊補；鎳基鑄鐵焊條適用于重要鑄件的加工面焊補；銅基焊條主要用于焊后需加工的灰口鑄鐵件的焊補。

4.有色金屬及合金的焊接

1)銅及銅合金的焊接

銅及銅合金的導熱性好，熱容量大，母材和填充金屬不能很好熔合，易產(chǎn)生焊不透現(xiàn)象，并且線膨脹系數(shù)大，凝固時收縮率大，易產(chǎn)生焊接應力與變形。而銅在液態(tài)時吸氣性強，特別是易吸收氫，凝固時隨著對氣體溶解度的減小，如果氣體來不及析出，則易產(chǎn)生氣孔；銅合金中的合金元素易氧化燒損，使焊縫的化學成分發(fā)生變化，性能下降。

為解決上述問題，銅及其合金在焊接工藝上要采取一系列措施及采用相應的焊接方法。主要焊接方法有氬弧焊、氣焊、焊條電弧焊及釬焊。銅的電阻值極小，不宜采用電阻焊進行焊接。氬弧焊時，氬氣能有效地保護熔池，焊接質(zhì)量較好，對紫銅、黃銅、青銅的焊接都能達到滿意的效果。氣焊多用于焊接黃銅，這是由于氣焊的溫度較低，焊接過程中鋅的蒸發(fā)較少。焊條電弧焊時應選用相應的銅及銅合金焊條。

2)鋁及鋁合金焊接

鋁及鋁合金的焊接特點是鋁易氧化成氧化鋁(Al2Ｏ3)，它熔點高(2050℃)，組織致密，比重大，易引起焊縫熔合不良和氧化物夾渣；氫能大量熔入液態(tài)鋁而幾乎不熔于固態(tài)鋁，因此熔池在凝固時易產(chǎn)生氫氣孔；鋁的膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接應力與變形，甚至開裂；鋁在高溫時的強度低、塑性差，焊接時由于不能支持熔池金屬的重量會引起焊縫的塌陷和焊穿，因此常需要墊板。

用于焊接的鋁合金主要有鋁錳合金、鋁鎂合金及鑄造鋁合金。高強度鋁合金及硬鋁的焊接性很差，不適宜焊接成型。

目前，鋁及鋁合金常用的焊接方法有氬弧焊、氣焊、電阻焊和釬焊。氬弧焊的效果最好。氣焊時必須采用氣焊熔劑(氣劑401)，以去除表面的氧化物和雜質(zhì)。不論采用哪種焊接方法，在焊前必須用化學或機械方法去除焊接處和焊絲表面的氧化膜和油污，焊后必須沖洗。對厚度超過5mm～8mm的焊件，預熱至100℃～300℃，以減小焊接應力，避免裂紋，且有利于氫的逸出，防止氣孔的產(chǎn)生。

4.4.1焊接結(jié)構(gòu)材料及焊接方法的選擇

1.焊接結(jié)構(gòu)材料

在選擇焊接結(jié)構(gòu)材料時，主要考慮兩個方面的要求。一方面要考慮結(jié)構(gòu)強度和工作條件等性能要求，以滿足焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性；

4.4焊接結(jié)構(gòu)工藝設計