4.1 焊接理论基础
4.1.1 熔焊冶金过程及其特点
熔焊冶金过程,
指在熔焊过程中，焊接接头金属将发生一
系列的物理、化学反应。
包括液相冶金、熔池结晶、焊缝和热影响区
的组织变化等。
1.熔焊液相冶金
（ 1）特点,
1）温度高,
金属及合金元素发生剧烈烧损；
2）熔池小，冷速快,
各种冶金反应进行得不彻底,
焊缝金属易产生偏析、气孔、夹渣等缺陷。
3） 氢、氧、硫、磷等元素向金属中溶解,
影响焊缝的质量。
（ 2）保护焊缝质量的措施,
1）防止有害气体侵入熔池
① 采用焊条药皮, 焊剂, CO2或氩气保护等；
② 进行焊前清理, 烘干焊条或焊剂；
③ 选用低氢焊条 。
2） 对熔池进行冶金处理
① 选用药皮中含有锰铁, 硅铁等合金的焊条；
② 选用硫, 磷含量较少的优质焊条 。
2.熔池结晶,
以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心，形成
与母材金属长合在一起的, 联生结晶,,并沿
着散热的反方向长大形成柱状晶。
??????? 1
2 3
????
图⑴ 熔合区的联生结晶
1----母材 2----熔合线
3----联生结晶
4----柱状晶
（ 1）特点,
晶粒较粗、组织致密、易引起化学成分偏析。
（ 2）改善措施,
1）增添少量合金元素,如 Ti,V,Mo等,
可细化晶粒，提高力学性能；
2）采用机械外力,
如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等,
也可细化晶粒。
安徽工程科技学院机械系
A U T S
3.焊接接头的组织转变,
焊接接头由焊缝区、熔合区、热影
响区三部分组成，其性能取决于三部分
中最薄弱的部分。
焊缝区
熔合区 热影响区
母材
安徽工程科技学院机械系
A U T S
1 2 3 4 5
1.焊缝区
2.熔合区
3.过热区
4.正火区
5.部分相变区
母材 5 4 3 2
合金相图
合金成份
焊接温度
分布图
低碳钢焊接接头的区域划分
焊接接头的组织与性能（以低碳钢为例）
安徽工程科技学院机械系
A U T S
(1)焊缝区 → 铸态柱状晶组织，性能高于母材。
(2)熔合区 → 铸态粗晶 +过热粗晶,性能最差。
(3)热影响区
过热区 → 过热粗晶，性能较差。
相变重结晶区 → 均匀等轴细晶
（正火区） 力学性能最好。
不完全重结晶区 → 等轴粗 +细晶
（部分相变区） 力学性能一般。
（ T＞ T液 ） （
需适当保护措施 ）
（ T固 ～ T液 ）
（ T＜ T固 ）
低
碳
钢
焊
接
接
头
安徽工程科技学院机械系
A U T S
中、高碳钢 的焊接热影响区则由淬火区、
部分淬火区等组成。
且碳量愈多，淬硬倾向愈大，产生焊接裂
缝的倾向愈大。
★ 改善焊接热影响区的方法
① 正确选择焊接方法和焊接工艺规范
（小电流、大焊速），减小热影响区宽度。
焊接热影响区的宽度
取决于 焊接电流和焊接速度,
即与焊接方法有密切的关系。
常用熔化焊方法的热影响区宽度比较如下,
电渣焊 > 手弧焊 > CO2焊 > 氩弧焊和埋弧焊
② 焊后正火热处理,
使构件均匀加热，以便得到均匀的等轴细晶组织。
安徽工程科技学院机械系
焊接方法 过热区 正火区 部分相变区 总宽
电渣焊 18 ~ 20 5.0 ~7.0 2.0 ~ 3.0 25 ~ 30
手工电弧焊 2.2 ~3.0 1.5 ~2.5 2.2 ~ 3.0 6.0~8.5
CO2气保焊 1.5 ~2.0 2.0 ~ 3.0 1.5 ~ 3.0 5.0 ~ 8.0
钨极氩弧焊 1.0 ~1.5 1.5 ~ 2.0 1.5 ~ 2.0 4.0 ~ 5.5
埋弧自动焊 0.8 ~1.2 0.5 ~1.7 0.7 ~ 1.0 2.3~4.0
电子束焊 ~ ~ ~ 0.05~0.75
常用熔化焊方法热影响区的平均尺寸
安徽工程科技学院机械系
4.1.2 焊接应力与变形
1,产生原因
原因 → 焊接过程中，对焊件进行了局部不均匀
的加热和冷却，使焊接区金属的膨胀,
收缩受到大小不等的阻碍。
a,焊接时 （瞬时） b,冷却时（残余）
2.焊接残余应力的调节,
⑴ 焊接残余应力的分布,
在厚度不大的焊接结构中，残余应力基本
上是两向的，厚度方向的残余应力很少。
1）纵向残余应力 бx,
即沿焊缝方向的残余应力。平板对接时焊缝区
为拉应力，其余部分为压应力，如图 A所示。
2）横向残余应力 бy,
即垂直于焊缝方向的残余应力。平板对接时
焊缝两端为压应力，中部为拉应力，如图 B
所示。
+
-
-
δｘ
δ s
图 A
δ
+ +
-
图
⑵ 调节残余应力的措施,
1）设计措施,
① 尽量减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密
集和交叉 。（采用型材、冲压件等）
②采用刚度较小的接头 。
（易变形而减小应力）
2）工艺措施,
① 采用合理的焊接顺序,
使焊缝收缩较为自由。
如下图所示拼板件焊接。
拼板焊缝的焊接顺序
1,2,4,6— 短焊缝,3,5 — 直通的长焊缝
②降低焊接接头的刚度,
如采用反变形法降低刚度而减小应力。
③加热减应区,
焊前或焊时在焊件的适当部位加热,
使焊缝收缩时的约束减小。
④ 焊缝锤击,
焊后趁热锤击焊缝使之塑性伸长，以抵消焊
缝受热时产生的压缩塑性变形。
⑤预热和后热,即焊接前或后对焊件全部或
局部进行适当加热。
3.焊接残余应力的消除方法,
① 去应力退火,加热温度为 500℃~600℃ 。
②机械拉伸法,对焊件加载，使焊缝区产生
塑性拉伸，减小原有的塑性变形，降低或
消除内应力。
③ 温度拉伸法,
用氧乙炔焰和喷水管造成一个焊缝区
低、两侧高的温度场，从而使得焊缝两侧
金属受热膨胀而对焊缝区进行拉伸,使焊
缝区产生塑性拉伸，减小原有的塑性变形，
降低或消除内应力。
④振动法,通过激振器使得焊接结构发生共
振产生循环应力来降低或消除内应力。
安徽工程科技学院机械系
焊
接
件
变
形
的
方
式
４,焊接残余变形的控制和矫正
⑴残余变形的类型,
① 收缩变形,
即焊件沿焊缝的纵向或横向尺寸减小。
②角变形,
即相连接的构件间的角度发生改变。
③弯曲变形,即焊件产生弯曲。
④扭曲变形,
即焊件沿轴线方向发生扭转。
⑤失稳变形 （波浪形变形）,
薄板在厚度方向失稳。
⑵ 控制残余变形的措施,
1)设计 措施,
①尽量减少焊缝的数量和尺寸,
合理选用焊缝的截面形状；
②合理安排焊缝位置,
使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴，
以减少弯曲变形。
2）工艺措施,
① 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。
安徽工程科技学院机械系
采用反变形法 → 应预知变形的大小和方向。
② 采用刚性固定法,
即焊前将焊件刚性固定。
有应力，适用于塑性好的材料。
③ 合理选用焊接方法及焊接规范
选用能较集中的焊接方法，如 CO2焊、
等离子弧焊等及较小的热输入。
④ 选用合理的装配焊接顺序
对称布置的焊缝应对称或同时施焊。
⑤焊前预热，焊后缓冷或去应力退火
→ 消除应力
（ 3）焊接残余变形的矫正,
1）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。
如：手工锤击、用辊床、压力机等。
2）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，以抵消残余变形。
如采用气焊炬。
4.1.1 熔焊冶金过程及其特点
熔焊冶金过程,
指在熔焊过程中，焊接接头金属将发生一
系列的物理、化学反应。
包括液相冶金、熔池结晶、焊缝和热影响区
的组织变化等。
1.熔焊液相冶金
（ 1）特点,
1）温度高,
金属及合金元素发生剧烈烧损；
2）熔池小，冷速快,
各种冶金反应进行得不彻底,
焊缝金属易产生偏析、气孔、夹渣等缺陷。
3） 氢、氧、硫、磷等元素向金属中溶解,
影响焊缝的质量。
（ 2）保护焊缝质量的措施,
1）防止有害气体侵入熔池
① 采用焊条药皮, 焊剂, CO2或氩气保护等；
② 进行焊前清理, 烘干焊条或焊剂；
③ 选用低氢焊条 。
2） 对熔池进行冶金处理
① 选用药皮中含有锰铁, 硅铁等合金的焊条；
② 选用硫, 磷含量较少的优质焊条 。
2.熔池结晶,
以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心，形成
与母材金属长合在一起的, 联生结晶,,并沿
着散热的反方向长大形成柱状晶。
??????? 1
2 3
????
图⑴ 熔合区的联生结晶
1----母材 2----熔合线
3----联生结晶
4----柱状晶
（ 1）特点,
晶粒较粗、组织致密、易引起化学成分偏析。
（ 2）改善措施,
1）增添少量合金元素,如 Ti,V,Mo等,
可细化晶粒，提高力学性能；
2）采用机械外力,
如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等,
也可细化晶粒。
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3.焊接接头的组织转变,
焊接接头由焊缝区、熔合区、热影
响区三部分组成，其性能取决于三部分
中最薄弱的部分。
焊缝区
熔合区 热影响区
母材
安徽工程科技学院机械系
A U T S
1 2 3 4 5
1.焊缝区
2.熔合区
3.过热区
4.正火区
5.部分相变区
母材 5 4 3 2
合金相图
合金成份
焊接温度
分布图
低碳钢焊接接头的区域划分
焊接接头的组织与性能（以低碳钢为例）
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A U T S
(1)焊缝区 → 铸态柱状晶组织，性能高于母材。
(2)熔合区 → 铸态粗晶 +过热粗晶,性能最差。
(3)热影响区
过热区 → 过热粗晶，性能较差。
相变重结晶区 → 均匀等轴细晶
（正火区） 力学性能最好。
不完全重结晶区 → 等轴粗 +细晶
（部分相变区） 力学性能一般。
（ T＞ T液 ） （
需适当保护措施 ）
（ T固 ～ T液 ）
（ T＜ T固 ）
低
碳
钢
焊
接
接
头
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中、高碳钢 的焊接热影响区则由淬火区、
部分淬火区等组成。
且碳量愈多，淬硬倾向愈大，产生焊接裂
缝的倾向愈大。
★ 改善焊接热影响区的方法
① 正确选择焊接方法和焊接工艺规范
（小电流、大焊速），减小热影响区宽度。
焊接热影响区的宽度
取决于 焊接电流和焊接速度,
即与焊接方法有密切的关系。
常用熔化焊方法的热影响区宽度比较如下,
电渣焊 > 手弧焊 > CO2焊 > 氩弧焊和埋弧焊
② 焊后正火热处理,
使构件均匀加热，以便得到均匀的等轴细晶组织。
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焊接方法 过热区 正火区 部分相变区 总宽
电渣焊 18 ~ 20 5.0 ~7.0 2.0 ~ 3.0 25 ~ 30
手工电弧焊 2.2 ~3.0 1.5 ~2.5 2.2 ~ 3.0 6.0~8.5
CO2气保焊 1.5 ~2.0 2.0 ~ 3.0 1.5 ~ 3.0 5.0 ~ 8.0
钨极氩弧焊 1.0 ~1.5 1.5 ~ 2.0 1.5 ~ 2.0 4.0 ~ 5.5
埋弧自动焊 0.8 ~1.2 0.5 ~1.7 0.7 ~ 1.0 2.3~4.0
电子束焊 ~ ~ ~ 0.05~0.75
常用熔化焊方法热影响区的平均尺寸
安徽工程科技学院机械系
4.1.2 焊接应力与变形
1,产生原因
原因 → 焊接过程中，对焊件进行了局部不均匀
的加热和冷却，使焊接区金属的膨胀,
收缩受到大小不等的阻碍。
a,焊接时 （瞬时） b,冷却时（残余）
2.焊接残余应力的调节,
⑴ 焊接残余应力的分布,
在厚度不大的焊接结构中，残余应力基本
上是两向的，厚度方向的残余应力很少。
1）纵向残余应力 бx,
即沿焊缝方向的残余应力。平板对接时焊缝区
为拉应力，其余部分为压应力，如图 A所示。
2）横向残余应力 бy,
即垂直于焊缝方向的残余应力。平板对接时
焊缝两端为压应力，中部为拉应力，如图 B
所示。
+
-
-
δｘ
δ s
图 A
δ
+ +
-
图
⑵ 调节残余应力的措施,
1）设计措施,
① 尽量减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密
集和交叉 。（采用型材、冲压件等）
②采用刚度较小的接头 。
（易变形而减小应力）
2）工艺措施,
① 采用合理的焊接顺序,
使焊缝收缩较为自由。
如下图所示拼板件焊接。
拼板焊缝的焊接顺序
1,2,4,6— 短焊缝,3,5 — 直通的长焊缝
②降低焊接接头的刚度,
如采用反变形法降低刚度而减小应力。
③加热减应区,
焊前或焊时在焊件的适当部位加热,
使焊缝收缩时的约束减小。
④ 焊缝锤击,
焊后趁热锤击焊缝使之塑性伸长，以抵消焊
缝受热时产生的压缩塑性变形。
⑤预热和后热,即焊接前或后对焊件全部或
局部进行适当加热。
3.焊接残余应力的消除方法,
① 去应力退火,加热温度为 500℃~600℃ 。
②机械拉伸法,对焊件加载，使焊缝区产生
塑性拉伸，减小原有的塑性变形，降低或
消除内应力。
③ 温度拉伸法,
用氧乙炔焰和喷水管造成一个焊缝区
低、两侧高的温度场，从而使得焊缝两侧
金属受热膨胀而对焊缝区进行拉伸,使焊
缝区产生塑性拉伸，减小原有的塑性变形，
降低或消除内应力。
④振动法,通过激振器使得焊接结构发生共
振产生循环应力来降低或消除内应力。
安徽工程科技学院机械系
焊
接
件
变
形
的
方
式
４,焊接残余变形的控制和矫正
⑴残余变形的类型,
① 收缩变形,
即焊件沿焊缝的纵向或横向尺寸减小。
②角变形,
即相连接的构件间的角度发生改变。
③弯曲变形,即焊件产生弯曲。
④扭曲变形,
即焊件沿轴线方向发生扭转。
⑤失稳变形 （波浪形变形）,
薄板在厚度方向失稳。
⑵ 控制残余变形的措施,
1)设计 措施,
①尽量减少焊缝的数量和尺寸,
合理选用焊缝的截面形状；
②合理安排焊缝位置,
使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴，
以减少弯曲变形。
2）工艺措施,
① 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。
安徽工程科技学院机械系
采用反变形法 → 应预知变形的大小和方向。
② 采用刚性固定法,
即焊前将焊件刚性固定。
有应力，适用于塑性好的材料。
③ 合理选用焊接方法及焊接规范
选用能较集中的焊接方法，如 CO2焊、
等离子弧焊等及较小的热输入。
④ 选用合理的装配焊接顺序
对称布置的焊缝应对称或同时施焊。
⑤焊前预热，焊后缓冷或去应力退火
→ 消除应力
（ 3）焊接残余变形的矫正,
1）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。
如：手工锤击、用辊床、压力机等。
2）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，以抵消残余变形。
如采用气焊炬。
