第一节金属熔焊

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1、零件连接方式 焊接：是指利用局部加热或加压，或两者并用，并且用或焊接：是指利用局部加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使分离的两部分金属，通过原子的扩散与不用填充材料，使分离的两部分金属，通过原子的扩散与结合，形成永久性连接的一种工艺方法。结合，形成永久性连接的一种工艺方法。焊接的优点：焊接的优点： （3 3）重量轻；）重量轻；（1 1）连接性能好；具有较好的机械性能、密封性、）连接性能好；具有较好的机械性能、密封性、导电性、耐腐蚀性、耐磨性等。导电性、耐腐蚀性、耐磨性等。（2 2）省料省工成本低；比一般铆接节省金属材）省料省工成本低；比一般铆接节省金属材料料10-20%10-20%

2、，生产周期短，可焊补。，生产周期短，可焊补。（4 4）简化工艺；可以小拼大，以简单拼复杂。）简化工艺；可以小拼大，以简单拼复杂。广泛应用于广泛应用于：航空、车辆、船舶、建筑以及国防等工：航空、车辆、船舶、建筑以及国防等工业部门，如制造金属结构（船体、桥梁、容器、管道业部门，如制造金属结构（船体、桥梁、容器、管道等）、制造机器零件或毛坯（轧辊、大型齿轮、刀具等）、制造机器零件或毛坯（轧辊、大型齿轮、刀具等）等。等）等。焊接的缺点：焊接的缺点： （3 3）产生残余应力和变形，影响零、部件与金属结构）产生残余应力和变形，影响零、部件与金属结构的形状、尺寸，增加工作时的应力，降低承载能力；的形状、尺寸

3、，增加工作时的应力，降低承载能力；（1 1）焊接结构不可拆卸，更换修理部分零部件不便；）焊接结构不可拆卸，更换修理部分零部件不便；（2 2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；）焊接接头的组织和性能往往要变坏；（4 4）焊接时易产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹）焊接时易产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等，引起应力集中，降低承载能力，缩短渣、气孔等，引起应力集中，降低承载能力，缩短使用寿命。使用寿命。转轮焊 接 接 头焊接不锈钢管件接头、管件焊接方法的分类焊接方法的分类 (按焊接过程特点按焊接过程特点) 压压 力力 焊焊摩擦焊摩擦焊超声波焊超声波焊爆炸焊爆炸焊扩散焊扩散焊高频焊高频焊钎钎 焊

4、焊软钎焊软钎焊硬钎焊硬钎焊熔熔化化焊焊电弧焊电弧焊电渣焊电渣焊等离子弧焊等离子弧焊电子束焊电子束焊激光焊激光焊手弧焊手弧焊气体保护焊气体保护焊埋弧焊埋弧焊电阻焊电阻焊3.1 3.1 熔化焊熔化焊: :熔焊是指焊接过程中将工件接头加热至熔化状态，不加压熔焊是指焊接过程中将工件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。是最基本的焊接方法，在焊接生产中占力完成焊接的方法。是最基本的焊接方法，在焊接生产中占主导地位，常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊等。主导地位，常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊等。3.2 3.2 压力焊：压力焊：压焊是指焊接过程中对工件施加压力（加热或不加热）完压焊是指焊接过

5、程中对工件施加压力（加热或不加热）完成焊接的方法。压焊只适用于塑性较好的金属材料的焊接，成焊接的方法。压焊只适用于塑性较好的金属材料的焊接，常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。3.3 3.3 钎焊钎焊钎焊是将比母材（被焊接的材料的总称）熔点低的填充金属钎焊是将比母材（被焊接的材料的总称）熔点低的填充金属（钎料）熔化之后填充工件接头间隙，并与固态母材相互扩散（钎料）熔化之后填充工件接头间隙，并与固态母材相互扩散实现连接的焊接方法，常见的钎焊方法有软钎焊和硬钎焊。实现连接的焊接方法，常见的钎焊方法有软钎焊和硬钎焊。3 3焊接方法的分类焊接方法的分类 (按焊接过程特点

6、按焊接过程特点) 第一节第一节 金属熔焊金属熔焊一、熔焊的冶金特点熔焊的冶金特点1.1.定义：利用焊接热源将被焊金属的连接处局部定义：利用焊接热源将被焊金属的连接处局部加热加热到到熔化熔化状态，通过状态，通过冷却结晶冷却结晶过程把被焊金属连接起来。过程把被焊金属连接起来。2.2.冶金特点：冶金特点：1 1）焊接热源和熔池温度高）焊接热源和熔池温度高, ,使金属元素蒸发、烧损严重，使金属元素蒸发、烧损严重，同时气体分解为原子状态，物理化学反应剧烈；同时气体分解为原子状态，物理化学反应剧烈；空气中的氧、氮空气中的氧、氮; ;空气中的水汽；空气中的水汽；工件表面的锈、油和工件表面的锈、油和水水焊缝中

7、气体含量增多，焊缝中气体含量增多，产生气孔等缺陷，降低产生气孔等缺陷，降低焊缝的性能。焊缝的性能。2 2）熔池体积小，冷却速度快，导致化学成分不均匀）熔池体积小，冷却速度快，导致化学成分不均匀, ,易形成气孔、夹渣等缺陷，甚至产生裂纹。易形成气孔、夹渣等缺陷，甚至产生裂纹。 u为保证焊缝的质量，焊接过程中通常采取以下措施：为保证焊缝的质量，焊接过程中通常采取以下措施： 对焊接熔池进行冶金处理。对焊接熔池进行冶金处理。 如：通过焊条药皮加合金元素，进行脱氧、去氢、去如：通过焊条药皮加合金元素，进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等，调整焊缝的化学成分。硫、渗合金等，调整焊缝的化学成分。在焊接过程中对熔化

8、金属进行保护，使之与空气隔开。在焊接过程中对熔化金属进行保护，使之与空气隔开。如：采用焊条药皮、埋弧焊焊剂、气体保护焊的保护如：采用焊条药皮、埋弧焊焊剂、气体保护焊的保护 气体等使熔池同空气隔绝；气体等使熔池同空气隔绝； 焊接前清理坡口处的锈、油、水；烘干焊条等。焊接前清理坡口处的锈、油、水；烘干焊条等。 v 减少有害元素进入熔池减少有害元素进入熔池v 清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。二、焊接接头金属组织与性能的变化二、焊接接头金属组织与性能的变化1 1、焊接工件上温度的变化与分布、焊接工件上温度的变化与分布1)1)距焊缝中心不同，受热最高温度不

9、同。距焊缝中心不同，受热最高温度不同。2)2)各点到达最高温度的时间不同各点到达最高温度的时间不同。3)3)各点均经过冷各点均经过冷-热热冷，相当于受冷，相当于受到一次不同规范的到一次不同规范的热处理。因此，必热处理。因此，必然有相应的组织和然有相应的组织和性能的变化。性能的变化。焊接热循环焊接热循环低碳钢焊接接头组织变化示意图低碳钢焊接接头组织变化示意图 2 2、焊接接头包括焊缝、熔合区和焊接热影响区。、焊接接头包括焊缝、熔合区和焊接热影响区。二、焊接接头金属组织与性能的变化二、焊接接头金属组织与性能的变化2.1 2.1 焊缝金属：由熔池冷却凝固后形成焊缝金属：由熔池冷却凝固后形成以低碳钢为

10、例以低碳钢为例1 1、焊缝的结晶、焊缝的结晶侧壁伸向侧壁伸向中心，各个方向冷速不同，中心，各个方向冷速不同，形成柱状的铸态组织，由形成柱状的铸态组织，由F F + P+ P（少量）（少量）组成。组成。2 2、焊接时，熔池金属受到电弧吹力，干扰柱状晶、焊接时，熔池金属受到电弧吹力，干扰柱状晶连续成长，柱状晶呈倾斜状且有所细化，加之掺合连续成长，柱状晶呈倾斜状且有所细化，加之掺合金作用，焊缝金属中金作用，焊缝金属中SiSi、Mn Mn 均均 母材。母材。焊缝金属成分、强度不低于母材焊缝金属成分、强度不低于母材, ,但易产生裂纹。但易产生裂纹。2.2 2.2 熔合区及焊接热影响区熔合区及焊接热影响区

11、 “ “HAZ”HAZ” 焊接热影响区：焊缝两侧因焊接热作用而发生组焊接热影响区：焊缝两侧因焊接热作用而发生组 织和性能变化的区域，称为焊接织和性能变化的区域，称为焊接 热影响区。亦称热影响区。亦称“近缝区近缝区”。受到不同规范的热处理熔合区过热区正火区部分相变区热影响区组织性能最差比淬火组织脆性还大正火处理晶粒细化晶粒大小不均匀 熔合区：焊接加热时，该区的温度处于固相线熔合区：焊接加热时，该区的温度处于固相线 和液相线之间，金属处于半熔化状态。和液相线之间，金属处于半熔化状态。v组织：未熔化但因过热组织：未熔化但因过热 而长大的粗晶组而长大的粗晶组 织和（部分新结织和（部分新结 晶的）铸态组

12、织。晶的）铸态组织。熔合区熔合区v又称半熔化区，是焊又称半熔化区，是焊 缝与母材的交界区。缝与母材的交界区。v特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很 差，是产生裂纹及局部脆断的发源地。差，是产生裂纹及局部脆断的发源地。v加热温度：加热温度：1490149015301530焊接热影响区：过热区焊接热影响区：过热区v特点：宽度为特点：宽度为1 13mm3mm，塑性和韧性下降。，塑性和韧性下降。 焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。v紧靠熔合区；紧靠熔合区；v加热温度：加热温度： 1100110014901490（

13、11001100固相线）固相线）v组织：组织： 粗大的过热组织。粗大的过热组织。v特点：宽度约特点：宽度约1.21.24.0mm4.0mm，力学性能优于母材。，力学性能优于母材。v正火区：紧靠着过热区；正火区：紧靠着过热区；焊接热影响区：正火区焊接热影响区：正火区v加热温度：加热温度：85085011001100（AC1AC1至至AC3AC3以上以上100-200100-200）v组织：加热时金属发生重结组织：加热时金属发生重结 晶，冷却后得到均匀晶，冷却后得到均匀 细小的铁素体和珠光细小的铁素体和珠光 体组织（近似于正火体组织（近似于正火 组织组织) )。v加热温度：加热温度：AC1AC1A

14、C3AC3之间之间v特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能 比正火区稍差。比正火区稍差。v组织：组织：F+PF+P（F F粗、细不均）粗、细不均）发生相变的发生相变的F，变细小；，变细小；未相变的未相变的F，长大，长大焊接热影响区：部分相变区焊接热影响区：部分相变区焊缝组织焊缝组织400图中白条相为晶界先共析图中白条相为晶界先共析F，晶粒内部为针状晶粒内部为针状F组织。组织。熔合区组织熔合区组织200左侧为焊缝，右侧为母左侧为焊缝，右侧为母材过热区组织。材过热区组织。正火区组织正火区组织400白色块状白色块状F与黑灰色与黑灰色P组织。组织。部分

15、相变区组织部分相变区组织400白色块状白色块状F与细小的与细小的F+P过热区组织过热区组织400母材过热区组织粗母材过热区组织粗大。白色网状组织为晶界先共析大。白色网状组织为晶界先共析F，黑，黑灰色区为灰色区为P，还有少量，还有少量B组织。组织。35钢钢母材组织母材组织400 白色白色F与黑色与黑色P组织。组织。 |焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，取决取决于于焊接方法、焊接参数、接头形式以及焊后冷却速度等。焊接方法、焊接参数、接头形式以及焊后冷却速度等。|同一种焊接方法采用不同焊接参数时，热影响区的大同一种焊接方法采用不同焊接参数时，热影响区

16、的大小也是不相同的。采用小电流快速焊可减小热影响区。小也是不相同的。采用小电流快速焊可减小热影响区。表：不同焊接方法焊接低碳钢热影响区的平均尺寸表：不同焊接方法焊接低碳钢热影响区的平均尺寸2.3 提高焊接接头质量的措施提高焊接接头质量的措施 （1） 合理的选用焊接方法和焊接规范来减少热影响合理的选用焊接方法和焊接规范来减少热影响 区的影响区的影响;焊接方法：优先采用手工电弧焊、气保焊、埋弧焊焊接方法：优先采用手工电弧焊、气保焊、埋弧焊 等，少用气焊和电渣焊等；等，少用气焊和电渣焊等；焊接规范：小直径焊条（或焊丝）、小电流、快速焊接规范：小直径焊条（或焊丝）、小电流、快速 焊、多层焊等。焊、多层

17、焊等。（2） 焊前预热、焊后热处理来细化晶粒，清除硬化焊前预热、焊后热处理来细化晶粒，清除硬化 组织组织（3） 加强对焊缝金属的保护。加强对焊缝金属的保护。1 1、应力与变形的形成原因应力与变形的形成原因没有残余变形没有残余变形及残余应力及残余应力有焊接残余拉应力，有焊接残余拉应力，没有残余变形没有残余变形三、焊接应力与变形三、焊接应力与变形有焊接残余拉应力，有焊接残余拉应力，有焊接残余变形。有焊接残余变形。三、焊接应力与变形三、焊接应力与变形v焊接应力与变形产生的根本原因：对焊件进行局焊接应力与变形产生的根本原因：对焊件进行局部的不均匀的加热。部的不均匀的加热。 焊接过程中焊接过程中冷却以后

18、冷却以后焊后冷却时，焊缝受拉焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力。远离焊缝区受压应力。焊接加热时，焊缝区受压力焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号应力（因膨胀受阻，用符号“-”-”表示）表示） 远离焊缝区受远离焊缝区受拉应力（用符号拉应力（用符号“+”+”表示）表示）2 2、焊接变形、焊接变形焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，刚度较小时，焊接变形较大在，当母材塑性较好，刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。

19、三、焊接应力与变形三、焊接应力与变形焊接变形和残余应力的不利影响：焊接变形和残余应力的不利影响：焊焊接接变变形形焊焊接接应应力力1.降低承载能力降低承载能力2.引起焊接裂纹，甚至脆断引起焊接裂纹，甚至脆断3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4.引起变形引起变形1.影响工件形状、尺寸精度影响工件形状、尺寸精度2.影响组装质量影响组装质量3.增大制造成本增大制造成本矫正变形费工、费时矫正变形费工、费时4.降低承载能力降低承载能力变形产生了附加应力变形产生了附加应力3 3、防止与减少焊接应力及变形的措施防止与减少焊接应力及变形的措施 （1 1）合理的结构设计）合理的结构设

20、计l1.1.尽量减少焊逢长度及焊缝面积；尽量减少焊逢长度及焊缝面积；l2.2.尽量减少焊缝数量；尽量减少焊缝数量；l3.3.焊缝尽量不要交叉、密集，所有焊缝尽焊缝尽量不要交叉、密集，所有焊缝尽 量保持对称；量保持对称；l4.4.避免将焊缝安排在受力最大处集中处；避免将焊缝安排在受力最大处集中处；l5.5.开缓和槽或加薄壁凸缘。开缓和槽或加薄壁凸缘。三、焊接应力与变形三、焊接应力与变形（2 2）工艺措施）工艺措施 反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。3 3、防止与减少焊接应力及变形

21、的措施防止与减少焊接应力及变形的措施 加余量法：工件下料时，给工件尺寸加大一定加余量法：工件下料时，给工件尺寸加大一定的收缩余量，以补偿焊后的收缩。的收缩余量，以补偿焊后的收缩。 刚性固定法：即焊前将焊件刚性固定，对防止刚性固定法：即焊前将焊件刚性固定，对防止角变形和失稳变形较有效，该法会增大焊接应力，角变形和失稳变形较有效，该法会增大焊接应力，为防止产生裂纹，一般只用于塑性好的材料。为防止产生裂纹，一般只用于塑性好的材料。a a）用夹具夹紧凸缘）用夹具夹紧凸缘 b b）用压铁压紧薄板）用压铁压紧薄板（2 2）工艺措施）工艺措施3 3、防止与减少焊接应力及变形的措施防止与减少焊接应力及变形的措

22、施 （2 2）工艺措施）工艺措施选择合理的焊接顺序选择合理的焊接顺序退焊退焊 跳焊跳焊 123413243 3、防止与减少焊接应力及变形的措施防止与减少焊接应力及变形的措施 焊前预热，焊后热处理。焊前预热，焊后热处理。 焊前将工件加热至焊前将工件加热至350350左右，可使焊缝部分与周左右，可使焊缝部分与周围基体金属的温差减小，可显著减少焊接应力。围基体金属的温差减小，可显著减少焊接应力。焊接顺序对焊接应力的影响焊接顺序对焊接应力的影响4 4、焊接变形的矫正、焊接变形的矫正 （1 1）机械矫正法：即利用外力使构件产生与焊接变形）机械矫正法：即利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两

23、者相互抵消。方向相反的塑性变形，使两者相互抵消。机械矫正示例机械矫正示例a a）用压力机矫正弯曲变形）用压力机矫正弯曲变形 b b）用辊轮矫正失稳变形）用辊轮矫正失稳变形 三、焊接应力与变形三、焊接应力与变形（2 2）火焰矫正法：即利用火焰局部加热焊件的适当）火焰矫正法：即利用火焰局部加热焊件的适当部位，使其产生压缩塑性变形，以抵消焊接变形。部位，使其产生压缩塑性变形，以抵消焊接变形。4 4、焊接变形的矫正、焊接变形的矫正 拼板焊缝的焊接顺序：拼板焊缝的焊接顺序：宜先焊错开的短焊缝，再焊直通的长焊缝。宜先焊错开的短焊缝，再焊直通的长焊缝。1 1、2 2、4 4、6 6短焊缝，短焊缝，3 3、5 5直通的长焊缝直通的长焊缝思考题思考题拼焊如图所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？拼焊如图所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？