第四篇焊接

2—、概述

本質利用加熱或加壓力等手段，借助金屬原子的結合和擴散作用，使分離的金屬材料牢固地連接起來。

原理

1）局部加熱至熔化，通過結晶凝固而連接。2）局部加熱加壓至塑性狀態而連接。3）通過其他物理方式獲得連接效果。3

應用

廣泛用于制造各種金屬結構，如橋梁、船舶、密封壓力容器、化工設備、機車、車輛和飛行器等。3主要章節第一章電弧焊第二章其他常用焊接方法第三章常用金屬材料的焊接第四章焊接結構設計45第一章電弧焊

第一節焊接電弧焊接電弧是在電極與工件之間的氣體介質中長時間的放電現象，即在局部氣體介質中有大量電子流通過的導電現象。返回6焊接電弧

電弧電源：交流電和直流電兩種。

電弧工作電壓：16~35V

溫度分布：弧柱區：5000~8000K

陽極區：2600K

陰極區：2400K

電弧結構：由陽極區、陰極區和弧柱區構成。7工件

陰極區2400K弧柱區6000-8000K陽極區2600K（+）（-）8焊接電源直流電源焊接時，有正接和反接兩種方法。正接：將工件接到電源的正極，焊條接負極反接：將工件接到電源的負極，焊條接正極空載電壓:焊接時的引弧電壓，一般50V-90V.電弧電壓:電弧穩定燃燒時的電壓，與電弧長度有關。長度越大，電弧電壓越高。16V-35V9第二節焊接接頭的組織和性能一焊接工件上溫度的變化與分布在焊接過程中，焊縫的形成是一次冶金過程，焊縫附近區域的金屬相當于受到一次不同規范的熱處理，必然產生相應的組織和性能的變化。10二、焊接接頭的組織與性能焊接接頭由焊縫區、熱影響區構成。低碳鋼焊接接頭溫度分布與組織1500

T,C焊縫熔合區熱影響區Wc,%熔合區過熱區正火區部分相變區11

熱影響區（3~6mm）組織變異狀況：部分相變區（Ac1~Ac3）：不完全正火或淬火，力學性能減弱。正火區（Ac3~Ac3+100~200C

）:受熱正火（奧氏體化，空泠）熱處理，力學性能改善。對于中碳、高碳鋼、合金鋼，有淬火傾向，出現馬氏體，硬度脆化。熔合區溫度處于固相線和液相線之間過熱區（Ac3+100~200C

）:晶粒顯著粗大,

形成過熱組織，塑性、韌性差。12焊縫兩旁相當于進行了一次不同溫度規范的熱處理，此稱熱影響區。熱影響區組織變異，對焊接接頭性能不利，使之脆弱，且熔焊過程中無法自動消除。三、改善焊接熱影響區組織和性能的方法焊條電弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳鋼結構時，不經處理即可使用。重要的碳鋼結構、合金鋼構件或電渣焊焊接的構件，一般采用焊接后正火處理。13第三節焊接應力與變形原因

焊件局部不均勻加熱和冷卻，膨脹和收縮受到牽制，相關部位產生焊接應力并出現變形。ll（+）（+）（-）ll’（+）（-）（-）焊接中冷卻后應力規律

焊縫區—拉應力（+）遠離焊縫兩側對應邊緣—壓應力（-）14焊接應力的防止和消除1.結構設計時選用塑性好的材料，

避免焊縫密集交叉，避免焊縫截面過大和過長。2.在施焊時選用正確的焊接次序，

焊前對焊件預熱，減少溫差，

采用小能量焊接方法，

捶擊焊縫。3.焊后去應力退火。15

變形規律

焊接變形越大，焊接應力減小，通過變形來平衡或釋放應力，即變形總朝力圖減小焊接應力的方向彎曲或扭曲。

焊接變形形式

—整體尺寸收縮、角變形、彎曲、扭曲等。16防止或減小焊接變形措施

（1）結構設計合理；對稱結構，大剛度結構件（2）采用正當焊接工藝；如：剛性固定法反變形法

用夾具防止焊件變形示意圖17（3）焊縫分散，不宜密集和過于交叉；焊縫設計時應盡可能對稱布置。

18（4）合理安排焊接次序；對于長焊縫，可許時應分段施焊。12341—4—3—212341234561—4—5—2—3—61—2—3—419

（5）焊后矯正處理

包括機械矯正和火焰矯正。20第四節焊條電弧焊1）焊條電弧焊的焊接過程電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件和焊芯同時熔化形成熔池，同時也使焊條的藥皮熔化和分解。藥皮熔化后與液態金屬發生物理化學反應，所形成的熔渣不斷從熔池中浮起。藥皮受熱分解產生保護氣體。焊縫質量由母材金屬、焊條質量、焊前的清理速度、焊接時電弧的穩定情況、焊接參數、焊接操作技術、焊后冷卻速度以及焊后熱處理而決定。21第四節焊條電弧焊焊芯藥皮

藥皮

保證焊接順利進行并使焊縫具有一定的化學成分和力學性能。造渣、造氣（CO2）；隔離空氣，保護熔池；滲入合金元素，調整成份。

焊芯作用導電、熔補金屬；要求低硫、低磷、低碳；專用冶煉、軋制與拉拔而成；2）電焊條電焊條用于焊條電弧焊；電焊條由外覆藥皮和中間焊芯組成；223）焊條的種類、型號與牌號按化學成分分為七大類：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條及焊絲、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條。焊條型號是國家標準中的焊條代號。E4303、E5015E表示焊條；前兩位數字是抗拉強度等級；第三位數字表示焊條的焊接位置。第三位和第四位數字組合時表示焊接電流種類及藥皮類型。焊條牌號是焊條行業統一的焊條代號。一般用一個大寫字母和三位數字來表示。J422、23

3）焊條的種類、型號與牌號

堿性焊條藥皮中堿性氧化物多。一般要求采用直流電源，焊縫塑性韌性好，抗沖擊能力強。電弧不穩定，價格較高，只適宜焊接重要結構件。

按熔渣性質分：酸性焊條藥皮中酸性氧化物比堿性氧化物多。適合各種電源，操作性較好，電弧穩定，成本低，但焊縫塑性韌性稍差，滲合金作用弱，不適合焊接承受動載荷的要求高強度的重要結構件。244）焊條選用原則

2.對動載或受沖擊等重要零件的焊接，用堿性焊條。3.低碳鋼與低合金結構鋼焊接，可按異種鋼接頭中強度較低的鋼材來選用相應的焊條。4.鑄鋼一般選用堿性焊條，并進行預熱。5.焊接不銹鋼等應選用相應的專用焊條。1.滿足焊縫與母材等強度要求，熔敷金屬成分與母材基本一致。

25

焊條工藝參數

焊接速度：保護焊透，焊縫良好前提下盡量快速施焊。

焊機空載電壓：60~70V。電弧工作電壓：20~35V。

焊接電流

=（30~45）d焊條（A）

焊條（焊芯）直徑與被焊件厚度相當。

d件=3mm；d焊條=2.5，3mm；

d件=4~7mm；d焊條=3.2，4mm；26

第五節埋弧焊1）埋弧焊的焊接過程熔劑層下熔渣覆蓋電弧；焊機帶著焊絲勻速沿工件坡口移動或工件相對焊機機頭移動；熔劑從漏斗中不斷輸送并覆蓋被焊部位。大部分熔劑不熔化，可從新回收使用。27

2）埋弧焊主要特點

焊縫質量好，焊縫均勻美觀；

焊接效率高。電流大，熔深大，焊接速度快，焊絲自動進給。

節省焊接材料，中厚板不開坡口，一次焊透，多余焊劑回收使用，降低了損耗。

勞動條件較好，暗弧操作，實現了機化，減少了煙塵。283）應用：平焊，長直焊縫，大直徑焊縫。不適合薄板、曲線焊縫。293）埋弧焊的焊絲與焊劑焊絲的作用相當于焊芯；焊劑的作用相當于藥皮。埋弧焊焊劑按照制造方法分為熔煉焊劑和陶質焊劑兩大類。熔煉焊接在爐中熔煉而成，呈玻璃狀，顆粒強度大，化學成分均勻，不易吸收水分，適于大量生產。高錳、中錳、低錳、無錳。陶質焊劑是非熔煉焊劑，用礦石、鐵合金及粘結劑按一定比例配制成顆粒狀，經300-400度干燥而成。易于添加元素，但顆粒強度較低，容易吸潮。304）埋弧焊工藝1.要求下料仔細，準備坡口和裝配。2.一般平焊位置焊接，20mm以下工件，可以采用單面焊接。超過20mm，雙面焊接，或開坡口單面焊接。一般加引弧板、引出板、焊劑墊和墊板。3焊接筒體對接焊縫時，工件旋轉，焊絲不動，焊絲位置逆旋轉方向偏離焊件中心線一定距離。31

第六節氣體保護焊（氬弧焊、CO2氣體保護焊）

氬弧焊分為：熔化極氬弧焊；不熔化極氬弧焊。

氬弧焊是以氬氣作為保護（熔池）氣體的電弧焊。高溫下，Ar不電離，不熔于金屬。氬弧焊質量很高。1）氬弧焊

32工件Ar+焊絲熔化極氬弧焊

以連續送進的焊絲作為電極，用氬氣（純度

99.7%）保護熔池，可供焊接厚度25mm以下的板件。33

以高熔點的鎢棒（含釷和鈰）為電極，鎢極不熔化，只起導電和引弧作用。因通過電流有限，故適于6mm以下的薄板，多用直流焊接電源。工件Ar+V絲V焊釷鎢棒或鈰鎢棒不熔化極氬弧焊34

特點

電弧穩定，飛濺小，沒有熔渣，焊縫致密，成形美觀；

熔池金屬受Ar保護，明弧可見，易實現自動化，可用弧焊機器人操作；

熱量集中，焊接速度快，熱影響區窄，變形小；應用

適于焊接各類合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼，非鐵金屬及鋯、鉭、鉬等有色金屬材料；但氬氣較貴，相對成本高。35鎢極脈沖氬弧焊電流的幅值按一定的頻率周期變換.特點:(1)焊縫是脈沖式的熔化凝固,易于控制,可避免燒穿工件,適合于焊接0.1-5毫米的鋼材或管材.實現單面焊雙面成形。(2)熔池脈沖式熔化凝固,易于克服因表面張力小或自重影響所造成的焊縫偏漿與塌腰等缺陷,適合于各種位置焊接。(3)容易調節焊接參數、能量和焊縫在高溫下的停留時間,適合焊接易淬火鋼材和高強鋼。(4)質量穩定,接頭力學性能比普通氬弧焊高.36

2）二氧化碳氣體保護焊

用焊絲作電極，焊絲自動送進并熔化，用CO2氣體保護熔池金屬，隔離空氣。

CO2屬于氧化性氣體，電弧分解出[O]和[CO]，造成熔池金屬氧化燒損、飛濺，需要高Mn、高Si焊絲，如H08MnSiA或H08Mn2SiA焊絲等。37

成本低。主要是CO2廉價易得，為埋弧焊或焊條電弧焊的40%；

生產效率高。比焊條電弧焊高1~3倍，基于送絲自動化；

明弧操作，容易及時發現質量事故并處理；

質量比焊條電弧焊穩定。熱影響區域小,變形和裂紋傾向小；應用廣泛用于造船和車輛制造。特點38CO2保護焊的缺點：由于CO2的氧化作用，熔滴飛濺較為嚴重，因此焊縫成形不夠光滑。另外，容易產生氣孔。藥芯焊絲簡介斷面有O、E、T形等形狀。39第七節等離子弧焊與切割等離子弧電弧焊中的一般電弧，稱為自由電弧。

等離子弧是基于三種壓縮效應的細小收縮電弧，使得弧柱內的氣體（Ar或N2）完全電離，能量高度集中，溫度高達16000K以上。工件ArH2O鎢極噴嘴等離子弧原理圖+-40

等離子弧的三種壓縮效應：

機械壓縮電弧（氣體電離）通過細孔道噴嘴，弧柱受到強力壓縮；

強冷壓縮（熱壓縮）一定壓力和流量的冷氣而被壓縮成高度集中的帶電粒子流（離子和電子）；

電磁壓縮帶電粒子流自身磁場新生電磁力使得弧柱進一步縮小。41用于焊接，稱為等離子弧焊接；用于切割，稱為等離子弧切割。切割效率高。等離子弧焊接是一種具有壓縮效應的氬弧焊。特點：（1）等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強，焊接弧度10-12mm的鋼材可不開坡口，一次焊透雙面成形。（2）當電流小到0.1A時，電弧仍能穩定燃燒，并保持良好的挺直度和方向性，可焊接很薄的箔材。42第二章其它常用焊接方法第一節電阻焊電阻焊是利用電流通過焊件及其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，然后在壓力下形成焊接接頭的焊接方法。特點：需要大電流。生產效率高、焊接變形小、勞動條件好、不需另加焊接材料、操作簡便、易實現機械化。但設備較復雜，耗電量大，適用的接頭形式受到限制。分為點焊、縫焊、對焊三種形式。返回43一、點焊點焊利用柱狀電極加壓通電，在搭接工件接觸面之間焊成一個個焊點的焊接方法。分流現象分流使焊接處電流減小，影響焊接質量，因此，兩個焊點間應有一定距離。44一、點焊影響點焊質量主要因素：焊接電流、通電時間、電極壓力及工件表面清理情況等。焊接規范：硬規范較短的時間內通以大電流。適合導熱性好的金屬。軟規范較長的時間內通以小電流。適合淬硬傾向大的金屬。電極壓力

作用：保證工件緊密接觸，依靠壓力消除縮孔和縮松。工件厚度越大、材料高溫強度越大，電極壓力越大。45一、點焊接頭形式采用搭接接頭點焊主要適用于厚度為4mm以下的薄板、沖壓結構及線材的焊接，每次焊一個點或一次焊多個點。46二、縫焊縫焊：用旋轉的圓盤狀滾動電極代替柱狀電極。焊接時，盤狀電極壓緊焊件并轉動（也帶動焊件向前移動），配合斷續通電，即形成連續重疊的焊點。焊點重合50%以上，密封性好。主要用于制造要求密封性的薄壁結構。分流現象嚴重。只適用于厚度3mm以下的薄板結構47

三、對焊

工件對接，電阻熱來自于被焊工件整個對接面。分為電阻對焊和閃光對焊：電阻焊48三、對焊（1）電阻對焊將兩個工件裝夾在對焊機的電極鉗口中，施加預壓力使兩個工件端面接觸，并被壓緊，然后通電。當電流通過工件和接觸斷面時產生電阻熱，將工件接觸處迅速加熱到塑性狀態，再對工件施加較大的頂鍛力并同時斷電，使接頭在高溫下產生一定的塑性變形而焊接起來。一般用于焊接截面形狀簡單、直徑（或邊長）小于20mm和強度要求不高的工件。49三、對焊（2）閃光對焊將工件兩端稍加清理后夾在電極鉗口中，接通電源并使兩工件輕微接觸。因工件表面不平，首先只是某些點接觸，強電流通過時，這些接觸點的金屬即被迅速加熱融化，甚至蒸發，在蒸汽壓力和電磁力作用下，液體金屬產生爆破，以火化形式從接觸處飛出而形成閃光。此時應繼續送進工件，保持一定閃光時間，待焊件端面全部被加熱熔化時，迅速對焊件施加頂鍛力并切斷電源，焊件在壓力作用下產生塑性變形而焊在一起。5051三、對焊優點：接頭夾渣少，質量好，強度高。缺點：金屬損耗大，需清理毛刺，費電。閃光對焊常用于對重要工件的焊接。可焊相同金屬件，也可焊接一些異種金屬。截面可大可小焊件截面應盡量相同。主要用于刀具、管子、鋼筋、鋼軌、錨鏈、鏈條的焊接。52

２、摩擦焊

摩擦焊是利用工件相對旋轉于接頭處摩擦生熱至高溫塑性狀態并加壓而獲取焊接頭。53優點:（1）焊接質量穩定，焊件尺寸精度高，接頭廢品率低于電阻對焊和閃光對焊。（2）適于焊接異種金屬。（3）加工費用低，省電，焊件無需特殊清理。（4）操作簡單，易實現機械化和自動化。缺點：設備復雜，一次性投資大。廣泛用于圓形工件、棒料及管類件的焊接。54接頭形式55

３、釬焊

利用熔點比焊件低的釬料作填充金屬，加熱時釬料溶化而將工件連接起來。

１）硬釬焊釬料熔點>450℃，接頭強度>200MPa。用于硬釬焊的釬料有銅基、銀基和鎳基等。釬焊工作溫度900~1100℃。主要用于鋼質或銅類構件的焊接，如自行車架、帶鋸鋸條以及硬質合金刀片與刀頭的焊接等。

釬焊分為硬釬焊和軟釬焊。56

２）軟釬料釬料熔點<450℃，接頭強度低，一般不超過70MPa。常用釬料是錫鉛合金(熔點低于230℃)，通常稱錫焊。軟釬焊常用于儀表器件、導電板及銅合金焊接。比如汽車儀表、電器、銅質蜂窩散熱器等。57

３）釬焊工藝要點

應用烙鐵加熱、火焰加熱、電阻爐加熱、感應加熱或鹽浴加熱等加熱方式。烙鐵加熱適用于軟釬焊。

采用搭接或套接封閉接頭。

釬接面積足夠大。接頭裝配間隙合理，一般取0.05~0.2mm.

釬劑作用：去除被焊工件表面氧化物及雜質，改善釬料對工件表面的濕潤性。

釬劑先引路。常用釬劑是氧化鋅，松香（軟釬焊）或硼砂、硼酸、氧化物（硬釬焊）等。58釬焊的特點：（1）工件加熱溫度較低，組織和力學性能變化小，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，可同時釬焊多條接縫組成的復雜形狀構件，生產率高。（4）設備簡單，投資費用少。接頭強度低，特別是動載強度低，允許的工作溫度不高，焊前清理要求嚴格，釬料價格較貴。第三章常用金屬材料的焊接第一節金屬材料的焊接性１、焊接性的概念金屬材料的焊接性即獲得優質焊接接頭的難易程度。焊接性包括兩個方面：工藝焊接性主要是指焊接接頭產生工藝缺陷的傾向，尤其是出現各種裂紋的可能性。使用焊接性主要是指焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的力學性能及其他特殊性能。焊接性可通過估算和試驗方法來確定。

返回59二、鋼材焊接性的估算方法用碳當量來評價對于鋼材的焊接性，一般用“碳當量”。即以鋼中化學成分折算成碳的影響來估計

WE＝Wc+WMn/6+(WCr+WMo+WV)/5+(WNi+WCu)/1560

根據生產經驗：

當WE>0.6%時，焊接性不好。焊前預熱，焊后緩冷并加熱處理，以減小和消除焊接應力，改善焊后組織，以防裂紋。

當WE=0.4%~0.6%時，焊接性較差，焊前要預熱，焊后要緩冷。

當WE<0.4%時，焊接性好，無明顯淬硬傾向，一般情況下不至于出現焊接裂紋。61第二節碳鋼的焊接一、低碳鋼的焊接低碳鋼焊接性好，不需要采取特殊的工藝措施，焊后也不需要進行熱處理。厚度大于50mm的低碳鋼結構，常用大電流多層焊，焊后進行內應力退火。低溫下焊接應當進行焊前預熱。低碳鋼可用各種方法進行焊接。62二、中、高碳鋼的焊接中碳鋼隨著含碳量的增加，淬硬傾向越加明顯，焊接性逐漸變差。中碳鋼焊接特點：（1）熱影響區易產生淬硬組織和冷裂紋。（