工程材料与热加工基础(焊接).ppt

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1、工程材料与热加工基础第十一章 焊接机械工程系机械工程系金工教研室金工教研室工程材料与热加工基础程晓宇引言 第一节 焊接的基本原理 第二节 焊条电弧焊 第三节 其它焊接方法 第四节 压焊与钎焊 第五节 堆焊与热喷涂 第六节 常用金属材料的焊接 第七节 焊接结构设计 参 考 资 料第十一章第十一章 焊焊 接接工程材料与热加工基础程晓宇引言引言1、何为焊接？焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。1）.熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。2）.压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完成焊接的方法称为压焊。3）.钎焊 钎焊是

2、硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。工程材料与热加工基础程晓宇2、焊接分类工程材料与热加工基础程晓宇一、焊接的实质 二、焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响 三、焊接应力与变形第一节第一节 焊接的基本原理焊接的基本原理工程材料与热加工基础程晓宇一、一、焊接的实质焊接的实质 焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。1.焊接电弧 由焊接电源供给、具有一定

3、电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。电弧燃烧后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热能和强烈的光。焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。如图3-1所示。阴极区是电弧紧靠负电极的区域，阴极区很窄，约为，温度约为2400K。阳极区是指电弧紧靠正电极的区域，阳极区较阴极区宽，约为10um-1um，温度约为2600K。电弧阳极区和阴极区之间的部分称为弧柱，弧柱区温度最高，可达6000K-8000K。焊接电弧两端间（指电极端头和熔池表面间）的最短距离称为弧长。工程材料与热加工基础程晓宇 图11-1 焊接电弧示意图工程材料与热加工基础程晓宇2.焊接的冶金特

4、点 1 1）熔池中冶金反）熔池中冶金反应应不充分，化学成分有不充分，化学成分有较较大的不均大的不均匀性，常常匀性，常常发发生生偏析、夹杂等缺陷。偏析、夹杂等缺陷。2 2）在高温）在高温电电弧作用下，氧、弧作用下，氧、氢氢、氮等气体分子吸收、氮等气体分子吸收电电弧弧热热量而分解量而分解成化学性质十分活泼的原子或离子状成化学性质十分活泼的原子或离子状态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧化、脆化和其它缺陷。化、脆化和其它缺陷。3 3）在熔）在熔剂剂或或药药皮中加入比皮中加入比铁铁氧化能力氧化能力强强的硅的硅铁铁、锰锰铁铁等物等物质质，除起，除起

5、到渗入合金作用、补充烧损元素外，到渗入合金作用、补充烧损元素外，亦可起到脱氧作用。亦可起到脱氧作用。4 4）焊缝焊缝中硫或磷的中硫或磷的质质量分数超量分数超过过0.04%0.04%时时，极易，极易产产生生裂裂纹纹。因此，。因此，应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保证焊缝质量。证焊缝质量。工程材料与热加工基础程晓宇 图11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化工程材料与热加工基础程晓宇二、二、焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响（一）焊接热循

6、环焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊缝。焊缝及其邻近区域的总称叫焊缝区。在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度，然后再逐渐冷却到常温。由于焊件上各点所处的位置不同，其被加热的最高温度亦不相同；而热量的传递需要一定的时间，故各点达到其最高温度的时间亦不相同。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。工程材料与热加工基础程晓宇(二)焊缝区的金属组织与性能 1.焊缝金属区 焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。熔焊时，是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域；电阻焊时，是指焊后形成的熔核部分。焊接加热时，焊缝金属

7、区的温度在液相线以上，母材金属和填充金属熔化后共同形成液态熔池。冷却结晶是以熔池和母材交界处半熔化状态的母材金属晶粒为结晶核心，沿着垂直于散热面的反方向生长，成为柱状晶的铸态组织。2.熔合区 焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。此区是焊缝和母材金属的交界区，温度在固相线和液相线之间，焊接过程中母材金属部分熔化，故亦称半熔化区。熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成过热粗晶，其塑性和韧性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏。虽然此区只有0.1mm-0.4mm，但它对焊接接头的性能影响很大，是焊接接头的危险区域之一。工程材料与热加工基础程晓宇3.热影响区 是焊接或

8、切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为以下四个区域：（1）过热区 指焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。此区的温度范围为固相线至1100，因加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其是冲击韧度下降20-30，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件，此区容易产生裂纹。（2）细晶区 此区温度范围为Ac3以上，而尚未达到过热温度。由于焊后为空冷，相当于热处理后的正火组织，亦称正火区。此区的力学性能优于母材金属。工程材料与热加工基础程晓宇（3）不完全重结晶区 此区温度范围为Ac3至

9、Ac1之间。在此区间珠光体已转变为奥氏体，部分铁素体深入奥氏体，尚未溶入奥氏体的铁素体晶粒不断长大。空冷时，奥氏体又折出较细的铁素体，到Ar1线时，残余奥氏体直接转变为共析组织珠光体，未深入奥氏体的铁素体却将粗大晶粒保持下来，亦称部分相变区。该区金相组织很不均匀，力学性能较差。（4）再结晶区 此区温度范围在Ac1至500-450之间。焊前经过冷变形加工的焊件，由于母材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生回复及再结晶而细化，其力学性能提高。焊前未经冷加工变形的焊件不存在再结晶区。s工程材料与热加工基础程晓宇 图113 平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图工程材料与热加工基础程晓

10、宇(二)焊接裂纹与焊接变形的形式 焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接裂纹包括纵向裂纹、横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等，见图11-4。图11-4 焊接变形形式(a)工程材料与热加工基础程晓宇图11-4 焊接变形形式(b)图11-4 焊接变形形式(c)工程材料与热加工基础程晓宇 图11-4 焊接变形形式(d)工程材料与热加工基础程晓宇(三)预防和减小焊接应力及焊接变形的措施 1.合理设计焊接结构 尽量减少

11、焊缝及焊缝的长度和截面积，并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等，详见焊接结构工艺性一节。2.焊前预热 焊前对焊件预热，可减少焊件各部分的温差，对减小焊接应力与变形较为有效。重要焊件可整体预热，还有局部预热即焊前选择焊件的合理部位局部加热使其伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。3.反变形法 根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度，以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。工程材料与热加工基础程晓宇4.刚性固定法 采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不能完全消除焊后残余变形。5.选择合理的焊接顺序 应尽量使焊缝的纵向和横向都能自由收

12、缩，避免交叉焊缝处应力过大产生裂纹；采用对称焊接顺序以减小变形；长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法。6.锤击焊缝法 用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤击，以延伸变形，补偿其收缩，同时释放出部分能量，减小焊接应力和变形。7.强迫冷却法 将焊缝区的热量迅速散掉，使焊接时金属受热面积减小，此法又称散热法。8.焊后热处理 采取去应力退火的方法将焊件整体或局部加热到600-650，保温一定时间后（不小于1h）缓慢冷却，这样可消除焊接余应力80-90。工程材料与热加工基础程晓宇(四)接变形的矫正 1.机械矫正法 即用机械的方法将变形矫正过来，生产中常用的设备有辊床、压力机、矫直机等；薄板焊接最常见的

13、变形为波浪变形，其矫正较难，一般用锤击法进行矫正 2.火焰矫正法 采用局部加热焊件的某些部位，使其受热时膨胀，受周围冷金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而矫正变形。工程材料与热加工基础程晓宇 电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊具有设备简单，操作灵活，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，是生产中应用最广的焊接方法。但焊条电弧焊时有强烈弧光和烟尘污染，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求较高，焊接质量不够稳定。因此，主要应用于单件小批量生产中焊接碳素钢、低合金结构钢

14、、不锈钢、耐热钢和对铸铁的补焊等。适宜板厚为3mm-20mm。一、焊条电弧焊电源 二、焊条 三、焊条电弧焊接工艺规范第二节第二节 焊条电弧焊焊条电弧焊工程材料与热加工基础程晓宇一、一、焊条电弧焊电源焊条电弧焊电源1.电源的要求 焊条电弧焊电源应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；当电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；还应保证焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；同时焊接电流应能灵活调节，以适应不同的焊件及焊条的要求。2.电源种类（1）交流弧焊机 它是一种特殊的降压变压器，具有结构简单、噪声小、成本低等优点，但电弧稳定性较差。（2）直流弧焊机 直流弧焊机有弧焊发

15、电机（由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发电机组成）和焊接整流器（整流式直流弧焊机）两种类型。工程材料与热加工基础程晓宇二、二、焊条焊条焊条的组成和作用 焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又溶化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属；药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气，起保护作用，防止空气进入焊缝；同时具有冶金作用，如脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等；并具有稳弧、脱渣等作用，以保证焊条具有良好的工艺性能，形成美观的焊缝。工程材料与热加工基础程晓宇2.焊条的分类(1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类 1）酸

16、性焊条 溶渣呈酸性，药皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化 物。2）碱性焊条 熔渣呈碱性，药皮的主要成分为CaCo3和CaF2。(2)焊条按用途可分为十一大类 碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。工程材料与热加工基础程晓宇(3)焊条型号 由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法。如标准规定碳钢焊条型号为E，其中，字母E表示焊条；前二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊接位置，0及1表示焊条适用于全位置（平焊、立焊、横焊、仰焊）焊接，2为平焊及平角焊，4表示焊条

17、适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。在第四位数字后附加R表示耐吸潮焊条；附加M表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；附加-1表示冲击性能有特殊规定的焊条。工程材料与热加工基础程晓宇3.焊条的选用（1）按强度等级和化学成分选用 1）焊接一般结构，如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选与焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近。2）焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条。3）焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条。4）焊件碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。5）焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素的质量分

18、数较高，而且多数铸件厚度、刚度较大，形状复杂，故一般选用碱性焊条。工程材料与热加工基础程晓宇（2）按焊件的工况条件选用焊条 1）焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条。2）焊接承受静载的结构件时，应选用酸性焊条。3）焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用酸性焊条。4）焊接在特殊条件，如在腐蚀介质、高温等条件下工作的结构件时，应选用特殊用途焊条。工程材料与热加工基础程晓宇（3）按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊条 1）厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条。2）厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊结构件，应选用适当的酸性焊条。3）除平焊外，立焊、横焊

19、、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位置焊条。工程材料与热加工基础程晓宇三、三、焊条电弧焊接工艺规范焊条电弧焊接工艺规范1.焊条直径的选择 焊条直径主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置、焊层（道）数等因素。根据焊件厚度平焊时焊条的选用原则：一般当焊件板厚t4mm时，焊条直径d=t；当t4mm时，常采用多层焊，焊条直径为4mm-6mm。2.焊接电流的选择 焊接电流大小根据焊条直径来选择。焊接电流选择亦可用经验公式进行估算，估算公式为：I=Kd，式中I-焊接电流（A）；d-焊条直径（mm）；K-经验系数，常取30-40（A/mm）。工程材料与热加工基础程晓宇一、埋弧焊 二、气体保护电弧焊 三、电渣焊

20、 四、等离子弧焊 五、电子束焊 六、激光焊第三节第三节 其它焊接方法其它焊接方法工程材料与热加工基础程晓宇一、一、埋弧焊埋弧焊1.定义：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊。2.特点：1）生产率高；2）焊接质量高、稳定；3）节约金属材料；4）改善劳动条件。3.应用：常用来焊接厚度为6mm-60mm的长直焊缝和较大直径（一般不小于250mm）的环形焊缝。工程材料与热加工基础程晓宇二、二、气体保护电弧焊气体保护电弧焊用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。（一）氩弧焊 1.定义：氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。2.特点：1）焊件不易氧化；2）便于操作，容易

21、实现全位置自动化；3）焊接热影响区小，焊件不易变形；4）焊缝致密，成形美观；5）焊接成本高。3.应用：主要用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。为了防止保护气流破环，氩弧焊只能在室内进行。工程材料与热加工基础程晓宇（二）二氧化碳气体保护焊 1.定义：利用CO2作为保护气体的气体保护焊，简称CO2焊。2.特点：1）电流密度大，生产效率高；2）焊接热影响区小，焊件不易变形；3）焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好；4）焊接成本低。3.3.应应用：用：适合于各种位置的适合于各种位置的焊焊接，目前，接，目前，CO2CO2焊焊已在全国广泛已在全国广泛普及，大有在短普及，大

22、有在短时间时间内取代内取代焊焊条条电电弧弧焊焊的的发发展展势头势头。工程材料与热加工基础程晓宇三、三、电渣焊电渣焊1.定义：电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。2.特点：1）厚大截面可一次焊成，生产效率高；2）焊缝金属比较纯净；3）接头组织粗大，焊后需进行正火处理。3.3.应应用：适用于板厚用：适用于板厚40mm40mm以上以上结结构的构的焊焊接。一般用于直接。一般用于直缝焊缝焊接，接，目前，电电渣渣焊焊已在我国水已在我国水轮轮机、水机、水压压机、机、轧钢轧钢机、重型机械等大型机、重型机械等大型设设备备制造中得到广泛使用。制造中得到广泛使用。工程材料与热加工基础程晓宇四、

23、四、等离子弧焊等离子弧焊1.定义：借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法称为等离子弧焊。2.特点：1）焊件不易氧化；2）便于操作，容易实现全位置自动化；3）焊接热影响区小，焊件不易变形；4）焊缝致密，成形美观；5）电弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁结构；6）弧柱温度高，焊接速度快，生产率高。3.3.应用：等离子弧：等离子弧焊焊接已日益广泛接已日益广泛应应用于生用于生产产中，特中，特别别是是国防工业和尖端技和尖端技术术所用所用铜铜合金、合金合金、合金钢钢、钨钨、钼钼、钴钴、钛钛等金属的等金属的焊焊接。如接。如钛钛合金的合金的导弹导弹壳体、波壳体、波纹纹管及膜盒、微型

24、管及膜盒、微型继电继电器、器、电电容器的外壳封接容器的外壳封接及及飞飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊焊。工程材料与热加工基础程晓宇 图11-5 等离子弧焊工程材料与热加工基础程晓宇五、五、电子束焊电子束焊定义：利用加速和聚焦电子束轰击置于真空或非真空中焊件所生的热能进行焊接的方法称为电子束焊。2.特点：1）焊缝金属纯度高；2）焊缝表面质量好，内部熔合性好；3）焊接热影响区小，焊件不易变形；4）控制灵活，精度高，适应性强。3.应用：电子束焊应用广泛，从微型电子线路组件、真空膜盒、钼箔蜂窝结构、原子燃料器件到大型的导弹外壳都可以采用电子束焊接。此外，熔点、导热性

25、、溶解度相差很大的异种金属，在真空中使用的器件和内部要求真空的密封器件等，用真空电子束焊接也能得到良好接头。工程材料与热加工基础程晓宇 图11-6 电子束焊工程材料与热加工基础程晓宇六、六、激光焊激光焊1.原理：利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统聚焦到十分微小的焦点，当调焦到焊件接头处时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成接头。2.特点：1）焊接热影响区极小，焊件难于变形；2）焊件不易被氧化，可在空气中焊接；3）焊接设备与焊件间无接触，可焊接难于接近的接头。3.3.应应用：激光用：激光焊焊比比较较容易容易实现实现异种金属和异种材料的异种金属和异种材料的焊焊接，目前已接，目前已广泛用于广泛

26、用于电电子工子工业业和和仪仪表工表工业业中微型件的中微型件的焊焊接。接。工程材料与热加工基础程晓宇 图11-7 激光焊工程材料与热加工基础程晓宇焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。一、电阻焊 二、摩擦焊 三、钎焊第四节第四节 压焊与钎焊压焊与钎焊工程材料与热加工基础程晓宇 工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。电阻焊分为对焊、点焊和缝焊。(一)对焊 对焊是使用两个被焊工件沿整个接触面焊合的电阻工艺。按工艺不同可分为电阻对焊和闪光对焊。见图3-8。1.电阻对焊 电阻对焊是将工件装配成对接接头，使其

27、端面紧密接 触，利用电阻热加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法。电阻对焊适用于直径20mm以下的棒料和管材的焊接。2.闪光对焊 工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点（产生闪光），使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法，称为闪光对焊。闪光对焊广泛应用于建筑、机械制造、电气工程等部门，如钢筋、钢管、汽车轮缘、自行车轮圈、切削刀具，以及铝铜电缆过渡接头的焊接等。一、一、电阻焊电阻焊工程材料与热加工基础程晓宇 图11-8 对焊工程材料与热加工基础程晓宇(二)电阻点焊 电阻点焊是焊件装配成搭接接头

28、，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法，见图11-9。电阻点焊主要适用于各种薄板、板料冲压结构及钢筋构件，广泛应用于飞机、汽车、拖拉机、农机、轻工、电子器件、仪表和日常生活用品的生产中。图11-9 点焊工程材料与热加工基础程晓宇(三)胶接点焊 胶接点焊是以胶接加强电阻点焊强度的连接方法。它是近年来发展起来的新工艺。与电阻点焊相比，胶接点焊接头的搭接抗剪强度可提高3倍，疲劳强度可提高9倍。(四)缝焊 工件装配成搭接接头、对接接头、T形接头、角接接头等接头形式（如图3-11所示），并置于两滚轮电极之间，滚轮加压工件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法称为

29、缝焊，见图3-10。缝焊主要应用于焊缝较规则，有密封要求的3mm以下薄壁结构，如消声器、油箱、小型容器等。工程材料与热加工基础程晓宇 图11-11 常用焊接接头形式（a）工程材料与热加工基础程晓宇 图11-11 常用焊接接头形式(b)工程材料与热加工基础程晓宇 图11-11 常用焊接接头形式(c)图11-11 常用焊接接头形式(d)工程材料与热加工基础程晓宇 摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊的特点：焊接表面不易氧化，接头质量稳定，不易产生夹渣、气孔等缺陷，废品率低，无需焊条、焊剂及填充金属，操作简单、成本低、生产率高，易

30、于实现机械化，自动化。同种金属及异种金属均可施焊。摩擦焊适用于圆形截面的棒材或管材，亦可将管材焊在平板上。实心焊件截面直径为2mm-100mm，空心焊件最大外径可达几百毫米。二、摩擦焊二、摩擦焊工程材料与热加工基础程晓宇 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。常用钎焊设备见图11-12、11-112。三、钎焊三、钎焊工程材料与热加工基础程晓宇 图11-12 网带式钎焊炉工程材料与热加工基础程晓宇 图11-13 保护气氛铜钎焊炉工程材料与热加工基础程晓

31、宇根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。硬硬钎焊钎焊 使用硬使用硬钎钎料（熔点高于料（熔点高于450450）进进行的行的钎焊钎焊称称为为硬硬钎焊钎焊。常常用的钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金。钎剂常用硼砂、硼酸、用的钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金。钎剂常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。加热方法有火焰加热、盐浴加热、炉内加热、氯化物、氟化物等。加热方法有火焰加热、盐浴加热、炉内加热、电阻加热、高频感应加热等。硬钎焊接头强度较高，可达电阻加热、高频感应加热等。硬钎焊接头强度较高，可达490 MPa490 MPa，适用于受力较大及工作温度较高的焊件，如自行

32、车车架，切削刀，适用于受力较大及工作温度较高的焊件，如自行车车架，切削刀具等。具等。软钎焊软钎焊 使用软钎料（熔点低于使用软钎料（熔点低于450450）进行的钎焊称为软钎焊。）进行的钎焊称为软钎焊。常用的钎料为锡、铅钎料。焊剂为松香、松香酒精溶液、氯化锌溶常用的钎料为锡、铅钎料。焊剂为松香、松香酒精溶液、氯化锌溶液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在40Mpa-140Mpa40Mpa-140Mpa之间，用于之间，用于受力不大或工作温度较低的工件，如电子器件、仪器、仪表等。受力不大或工作温度较低的工件，如电子器件、仪器、仪表等。钎焊的特点是：加热温度低，焊件本身

33、不熔化，故接头组织与性钎焊的特点是：加热温度低，焊件本身不熔化，故接头组织与性能变化小，焊件的应力和变形也小，易保证焊件尺寸，接头光滑能变化小，焊件的应力和变形也小，易保证焊件尺寸，接头光滑平整，外形美观，同种、异种金属均可焊接，设备简单、易于实平整，外形美观，同种、异种金属均可焊接，设备简单、易于实现自动化。但接头强度低，耐热温度不高，焊前对焊件清理要求现自动化。但接头强度低，耐热温度不高，焊前对焊件清理要求较严，不适于大型构件较严，不适于大型构件工程材料与热加工基础程晓宇一、堆焊 为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接称为堆焊。堆焊的目的是提高零件表面的耐

34、磨、耐热、耐蚀等性能或修复已磨损的零件使其恢复原尺寸。堆焊时必须根据其目的不同选用合适的堆焊焊条，国家标准GB984-85对各种不同堆焊焊条的型号、堆焊层金属化学成分、堆焊后硬度等指标都作出了详细规定。需要时可进行查阅。金属极焊条电弧焊堆焊是最简单的堆焊方法，堆焊时采用小电流、短电弧。为了防止焊件变形和减小焊接应力，堆焊时应尽量缩小热影响区。为了使热量分散，焊道间可采用间跳堆焊，纵向对称堆焊或螺旋形堆焊，见图11-14，若需多层堆焊时，层与层之间的堆焊方向可互成90度。第五节第五节 堆焊与热喷涂堆焊与热喷涂工程材料与热加工基础程晓宇 图11-14 堆焊焊道形式工程材料与热加工基础程晓宇二、热喷

35、涂 热喷涂是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件表面上，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。喷涂材料可以是线材，也可以是粉末材料。喷枪热源可以是气体火焰，也可以是电弧或等离子弧等。金属喷涂时，由于熔融金属被雾化后高速喷射到金属表面，所以喷涂层含有金属氧化物粒子，比轧制材料更硬、更脆、且具有多孔性。除各种金属线材的喷涂外，还可以喷涂制成粉末材料的陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料，以满足各种零件表面性质的使用要求。工程材料与热加工基础程晓宇一、金属材料的焊接性 二、碳素钢的焊接 三、低合金钢的焊接 四、不锈钢的焊接 五、铸铁的补焊 六、有色金属的焊接第六节第六节 常用金属材料的焊接常用金

36、属材料的焊接工程材料与热加工基础程晓宇 金属材料的焊接性是指材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。焊接性的好坏主要从两个方面来衡量。一是焊接工艺性的优劣，如焊接接头产生的缺陷，尤其是出现各种裂纹倾向的大小；二是焊接接头在使用过程中的可靠性，如焊接接头的力学性能、耐蚀、耐热、导电、导磁等方面性能的持久性。一般情况下，合金的含碳量越高，其焊接性就会越差。一、金属材料的焊接性一、金属材料的焊接性工程材料与热加工基础程晓宇二、碳素钢的焊接二、碳素钢的焊接低碳钢的焊接 低碳钢塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接

37、热过程不敏感，具有良好的焊接性。焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施即可获得优质接头。但对于厚度大于50mm的构件，需用多层焊，焊后应进行消除应力退火；在低温条件下焊接刚度大的构件时，由于温差大而变形又受到限制，会导致较大的焊接应力，应进行焊前预热，重要构件常进行焊后去应力退火或正火。低碳钢可以用各种方法进行焊接，常用的是焊条电弧焊、埋弧焊、电阻焊、电渣焊和气体保护焊。一般结构常使用酸性焊条，如E4303，E4320，E4301，E4310等；对于承受重载或低温下工作的重要构件，以及厚度大、刚度大的构件可采用低氢型焊条，如E5015，E5016、E4316等。埋弧焊一般采用H08A或H08MnA

38、焊丝，配以HJ431焊剂进行焊接。补焊而很少用于构件的焊接。工程材料与热加工基础程晓宇中、高碳钢的焊接 中、高碳钢属于淬火钢，随着碳的质量分数的增加，其淬硬倾向渐趋严重，焊接性明显变差。通常焊接中碳钢的铸件或锻件，焊接时一般从两方面着手：一是选用适当的焊条，如抗裂性好的低氢型焊条或奥氏体不锈钢焊条等；二是采用一定的焊接工艺措施，如焊前预热工件，采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，防止母材金属过多地深入焊缝，以防止产生热裂纹，并采用焊后缓冷以防止产生冷裂纹等。高碳钢工件则只用于补焊而很少用于三、低合金钢的焊接工程材料与热加工基础程晓宇 低合金钢焊接经常出现的问题（1）热裂纹 热裂纹指焊接过程中，

39、焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。其原因在于低合金钢的焊接过程中铜、硼、氮等元素成为形成裂纹的敏感元素。（2）冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹常发生在高强度钢的厚板结构中。其原因是接头的刚度大，造成的局部应力大，或在冷却过程中氢析出后聚集造成局部应力超过了钢的强度极限。（3）白点 在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形斑点称为白点。其产生原因是焊接过程中吸收了过量的氢，故又称氢白点。低合金钢焊接主要根据不同钢号的屈服点等级选择焊接材料，应遵守等强度（某些钢号应考虑成分相同或相近）原则。对于厚度大、刚

40、度大的构件或在低温下焊接时应考虑使用低氢型焊条，焊前进行预热等，严格按照焊接工艺规范施焊。三、低合金钢的焊接三、低合金钢的焊接工程材料与热加工基础程晓宇五、铸铁的补焊五、铸铁的补焊 为修补工作（铸件、锻件、机械加工件或焊接结构件）的缺陷而进行的焊接称为补焊。1.避免白口和裂纹的措施 白口组织出现的主要因素是碳含量高。如果能使焊缝金属缓慢冷却、调整热循环，使碳元素可以自由地游离出来，就可以降低白口组织的形成；若能进一步调节焊缝金属的化学成分则会达到更好的效果。硅、铝等是促进石墨化元素，其含量的提高可促进碳以石墨形态析出；而硫、铬等则是反石墨化元素。在焊接材料中应增大促进石墨化元素的含量，降低反石

41、墨化元素的含量，以防止或降低白口的形成倾向。同时，在焊接过程中应采取种种措施，减小焊接应力，防止裂纹的产生工程材料与热加工基础程晓宇2.2.铸铁铸铁的的补焊补焊方法及方法及补焊补焊材料材料（1 1）铸铁铸铁的的补焊补焊方法方法 补焊补焊方法有方法有热焊热焊法，即法，即焊焊前将工件全部或局前将工件全部或局部部预热预热到到500-700500-700，焊焊后在炉中后在炉中缓缓慢冷却；半慢冷却；半热焊热焊法，即法，即焊焊前前将工件将工件预热预热到到400400以下以下进进行行补焊补焊的方法。的方法。（2 2）铸铁补焊铸铁补焊材料材料 一般采用一般采用铸铁焊铸铁焊条。常用的条。常用的铸铁焊铸铁焊条有两

42、条有两类类：一一类为焊缝类为焊缝金属是金属是铸铁组织铸铁组织的的焊焊条，如条，如EZCEZC，EZCQEZCQ；另一；另一类类是是焊缝焊缝组织为组织为非非铸铁组织铸铁组织的的焊焊条，如条，如 EZV EZV等。等。工程材料与热加工基础程晓宇(一)铜及铜合金的焊接 1.铜及铜合金的焊接特点 1）导热性强（纯铜的热导率约为低碳钢的8倍），因此要求强热源，否则容易产生焊不透等缺陷。对于厚而大工件焊前需预热。2）膨胀系数大，液固转变时的收缩也大。因此焊接时易产生较大的焊接应力，变形和裂纹倾向大。3）液态时易氧化生成Cu2O，结晶时和铜形成低熔点的共晶体，也是产生裂纹的原因之一。4）液态时吸气性强，特别

43、容易吸收氢，若凝固时析出不充分容易生成气孔。5）铜的电阻极小，故不适于采用电阻焊。六、有色金属的焊接六、有色金属的焊接工程材料与热加工基础程晓宇2.2.铜铜及及铜铜合金的合金的焊焊接工接工艺艺 （1 1）气）气焊焊 气气焊时焊时一般依工件厚度不同，开一般依工件厚度不同，开I I形、形、V V形、形、X X形形坡口。坡口。（2 2）焊焊条条电电弧弧焊焊 焊焊条条电电弧弧焊应焊应先开坡口并清理先开坡口并清理污污物。一物。一般采用低般采用低氢氢型型焊焊条。条。（3 3）手工）手工氩氩弧弧焊焊 氩氩弧弧焊焊是是铜铜及及铜铜合金合金焊焊接的首接的首选选方案。方案。可有效地保可有效地保护护熔池不被氧化和熔

44、入气体，得到熔池不被氧化和熔入气体，得到优优良的良的焊焊接接接接头头，工件，工件变变形小，若板厚小于形小，若板厚小于3mm3mm，可开，可开I I形坡口；板厚形坡口；板厚在在3mm-10mm3mm-10mm时时开开V V形坡口；板厚大于形坡口；板厚大于10mm10mm时时开开x x形坡口。形坡口。焊焊前前应应清理除去清理除去焊焊件坡口件坡口边缘焊丝边缘焊丝表面的氧化膜。表面的氧化膜。焊焊接接时时要要合理地合理地选择焊选择焊接工接工艺规艺规范，范，焊焊接速度要高；接速度要高；焊焊接接电电流流选择选择与板厚、工件与板厚、工件结结构、构、预热预热温度等因素有关。温度等因素有关。焊焊后要后要进进行行热

45、热处处理。理。工程材料与热加工基础程晓宇一、焊接结构材料的选择 二、焊接结构的工艺性 三、焊接接头的形式与坡口第七节第七节 焊接结构设计焊接结构设计工程材料与热加工基础程晓宇 在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接性能较好的材料。一般碳的质量分数小于0.25的碳素钢和碳的质量分数小于0.20的低合金都具有良好的焊接性，应尽量采用；碳的质量分数大于0.50的碳素钢和碳的质量分数大于0.40的合金钢焊接性不好，应尽量避免采用。同一构件焊接时应尽量选用同种金属材料。一、焊接结构材料的选择一、焊接结构材料的选择工程材料与热加工基础程晓宇(一)焊接结构应尽量选用型材或冲压件 设计焊接结构时应尽量采用工

46、字钢、槽钢、角钢和钢管等成形材料以减少焊缝、简化工艺。(二)合理布置焊缝 1）焊缝布置应尽量分散，且不宜过长。焊缝之间的距离应大于板厚的3倍，且不小于100mm，见图1115。图1115 焊缝布置应尽量分散二、焊接结构的工艺性二、焊接结构的工艺性工程材料与热加工基础程晓宇2）焊缝的位置应尽量对称布置，否则会由于焊缝不在中心引起弯曲变形，见图1116。图1116 焊缝应对称布置工程材料与热加工基础程晓宇3）焊缝的布置不得交叉，见图1117。图1117 焊缝的布置不得交叉工程材料与热加工基础程晓宇4）应尽量减少构件或焊接接头部件的应力集中，避免尖角焊缝，见图1118。图1118 尽量避免尖角焊缝工

47、程材料与热加工基础程晓宇5）焊缝应避开最大应力和应力集中的部件，见图1119。图1119 焊缝应避开应力集中位置工程材料与热加工基础程晓宇6）焊缝设计应远离加工表面，见图1120。图1120 焊缝设计应远离加工表面工程材料与热加工基础程晓宇7）焊缝布置应满足焊接时运条角度的需要，见图1121。图1121 缝布置应满足运条角度的需要工程材料与热加工基础程晓宇(一)焊接接头形式的选择 常见的焊接接头形式有对接、搭接、角接和T形接头，见图11-11。这四种接头形式中，对接接头节省材料，容易保证质量，应力分布均匀，应用最为广泛，但焊前准备及装配质量要求较高；搭接接头两焊件不在同一平面上，浪费金属且受力

48、时将产生附加应力，适于薄板焊件焊件；角接接头在构成直角连接时采用，一般只起连接作用而不承受工作载荷；T形接头是结构非直线连接中应用最广泛的连接形式。在结构焊接时具体采用哪种形式焊接接头，主要根据焊件结构形状、使用要求、焊件厚度进行选择；另外还应考虑坡口加工难易程度，焊接方法的种类等其它因素的要求。三、焊接接头的形式与坡口三、焊接接头的形式与坡口工程材料与热加工基础程晓宇(二)坡口形式的选择 根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽称为坡口。各种沟槽的形式参见GBT337594。用焊条电弧焊焊接板厚在6mm以下的对接焊缝时，一般可用I型坡口直接焊接，但当焊接厚度大于3mm的构件时，需开坡口；板厚在6mm26mm时，常开单面坡口；板厚在12mm60mm时，常开双面坡口。单面坡口的可焊性较好，但焊条消耗量大，且焊后易产生角变形；双面坡口受热均匀，变形较小，焊条消耗量也小，但必须两面施焊，有时受构件结构限制，不易实施。埋弧焊的接头形式与焊条电弧焊基本相同，但由于埋弧焊选用的电流大、熔深大，所以在板厚小于12mm时可直接采用I形坡口单面施焊，板厚小于24mm时可直接采用I形坡口双面施焊，焊更厚构件时需开坡口。工程材料与热加工基础程晓宇