4 材料的连接成形
概 述
4.2 压力焊工艺
4.1 熔焊工艺
4.3 钎焊与封焊
4.4 金属材料的焊接性
4.5 焊接缺陷与检验
4.6 焊接件结构设计
本章重点,焊条电弧焊的原理与特点，焊接材料、焊接
方法、焊接工艺参数和焊接结构形式的选用原则。
焊接,是 通过加热或加压，或者两者并用，并且用或
不用填充材料，使焊接件达到原子结合的一种方法。
焊接方法,熔化焊、压力焊、钎焊等。
焊接的主要特点是：
（ 1）节省材料，减轻质量；
（ 2）简化复杂零件和大型零件的制造；
（ 3）适应性好；可实现特殊结构的生产；
（ 4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连
接成型；
（ 5）降低劳动强度，改善劳动条件。
焊接方法的应用：
（ 1）制造金属结构件；
（ 2）制造机器零件和工具；
（ 3）修复。
焊接方法
压
力
焊
摩擦焊
超声波焊
爆炸焊
扩散焊
高频焊
钎
焊
及
封
粘
软钎焊
硬钎焊
封接
粘接
熔
焊
电弧焊
电渣焊
等离子弧焊
电子束焊
激光焊
手弧焊
气体保护焊
埋弧焊
电阻焊
气门芯
4.1 熔焊工艺
4.1.1 熔焊原理及过程
4.1.2 焊接接头的组织与性能
4.1.3 焊接变形和焊接应力
4.1.4 熔焊方法及工艺
本节重点,熔化焊焊接接头的组织性能
本节难点,焊接应力与变形
4.1.1 熔焊原理及过程
熔焊的本质及特点
? 熔化焊的本质是小熔
池熔炼与铸造，是金
属熔化与结晶的过程。
? 熔池存在时间短，温
度高；冶金过程进行
不充分，氧化严重；
热影响区大。
? 冷却速度快，结晶后
易生成粗大的柱状晶。
熔化焊的三要素
?热源
能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小
热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、
电子束和激光。
?熔池的保护
可用渣保护、气保护和渣 -气联合保护。以防止氧化，
并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。
?填充金属
保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到
力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。
焊接电弧
电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。
电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。
将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。
电弧的三个区
阴极区、阳极区和弧柱区
焊接电弧的温度 oC和热量分布
温度 o C 热量分布
阳极区,2600 43％
弧柱区,6000～ 8000 21％
阴极区, 2400 36％
由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，
在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：
?直流正接,焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）
?直流负接,焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊
条、低合金钢和铝合金）
电弧焊的焊接过程：
? 手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热, 将工件
熔化而进行焊接的 。
? 电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本
金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力
和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。
? 电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体
金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气
中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。
电弧焊的冶金过程特点：
? 电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度 。 使金属元素
强烈蒸发, 并使电弧区的气体分解成原子状态, 增大了
气体的活泼性, 导致金属烧损或形成有害杂质 。
? 金属熔池体积小, 熔池四周是冷金属, 熔池处于液态的
时间很短, 一般在１０秒左右 。 导致各种化学反应难以
达到平衡状态, 化学成分不够均匀, 气体和杂质来不及
浮出易产生气孔和夹杂等缺陷 。
? 熔池不断更新, 有害气体容易进入熔池, 形成氧化物,
气孔杂质等缺陷 。
焊剂是由 SiO2,MnO,MgO及 CaF等组成的硅酸盐。
焊剂保护的效果
? 形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减
少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。
? 延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹
渣的析出。
4.1.1.1 熔池的保护
?渣保护
为了使熔池与空气隔离，
可在熔池上覆盖一层熔渣
? 一方面防止金属氧化和吸气
? 另一方面向熔池过渡合金元
素，提高焊缝性能
? 同时，还可以减少散热，提
高生产率，防止强光辐射
?气保护
? 用于保护熔池和溶滴的气
体应是惰性气体，并在高
温下不分解，或是低氧化
性的不溶于金属液体的双
原子气体 (如 Ar或 CO2)。
? 喷嘴结构应尽可能使气体
以层流流出。
CO2气体
? CO2为无色无味气体，密度是空气的 1.5倍，在常温下很稳定，但在
高温下易分解。
? CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池
和电弧方面，效果良好。
? 但 CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为 CO和 O2：
CO2 ＝ CO + O2
? 所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。
氩气
? 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反
应，因此，氩气是一种理想的保护气体。
? 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。
? 氩弧焊一般要求氩气纯度达 99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度
可达 99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。
? 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会
影响焊缝质量。
?渣 -气联合保护
? 利用渣的良好的冶金反应
和焊缝成型特点以及气体
的优良电弧热效率和稳弧
作用，可获得良好的熔池
保护效果。如焊条的药皮
及二氧化碳加药芯。
?填充金属
? 填满焊缝，提高焊缝性能，
使 焊缝与母材等强度,用
焊丝和焊芯（填充金属）
过渡合金元素。
? 常用的焊条钢芯为碳素钢
丝、合金钢丝和不锈钢丝。
? H代表焊接用钢丝，其后的
两位数字代表含碳量的万
分之几； A为高级优质钢；
E代表特级优质钢。
4.1.1.2 电焊条
?电焊条的组成及作用
? 组成,焊芯和药皮
? 作用,焊芯 — 填充金属
药皮 — 稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。
? 药皮必须含有造气剂和造渣剂。
? 药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂
等。
?焊条的种类和编号
? 种类,结构钢焊条, 钼及铬钼耐热钢焊条, 不锈钢焊条, 堆焊焊条, 低
温钢焊条, 铸铁焊条, 钛及钛合金焊条, 铝及铝合金焊条, 铜及铜合金
焊条, 特殊用途焊条 。
? 编号,以结构钢焊条为例：Ｊ 422
其中：Ｊ —— 结构钢焊条
４２ —— 焊缝金属抗拉强度大于等于４２０ＭＰ
２ —— 药皮类型 （ 钛钙型 ） 和电源种类 （ 交直流 ）
Ｊ 507 7 —— 低氢, 直流
?酸性药皮与碱性药皮两者的性质
? 酸性药皮工艺性好，而 碱性药皮工艺性差 。
碱性药皮中有益元素多,能使焊接接头力学性能提高 。
? 碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。 可以提高焊
缝金属的抗裂性。
? 碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞
溅和 CO气孔。
? 碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（ HF等），因
而应注意通风。
?电焊条的选用原则
? 等强度原则,低碳钢和普通低合金钢构件, 一般
都要求焊缝金属与母材等强度, 因此可根据钢
材强度等级来选用相应的焊条 。
? 同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用 。 主
要应考虑,焊接件的结构形状, 钢板厚度, 载荷
性质和抗裂性能而定 。
? 低碳钢与低合金结构钢焊接, 可按某一种钢接头
中强度较低的钢材来选用相应的焊条 。
? 焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材,
应选用相应的专用焊条 。
4.1.2 焊接接头的组织与性能
熔焊热原的高温集中融化焊缝区金
属，并向工件金属传导热量，必然
引起焊缝及附近区域金属的组织和
性能发生变化。
? 焊缝区 —— 在焊接接头横截面上
测量的焊缝金属的区域。
? 熔合区 —— 熔合线两侧有一个很
窄的焊缝与热影响区的过渡区。
? 热影响区 ---受焊接热循环的影响，
焊缝附近的母材因焊接热作用发生
组织或性能变化的区域 （过热区、
正火区、部分相变区） 。
热影响区中的 过热区,对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。
熔合区 成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差
的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而
且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
焊接热循环的特点是
加热和冷却速度很快，对
易淬火钢，易导致马氏体
相变；对其它材料，易产
生焊接变形、应力及裂纹。
焊缝热影响区
焊缝的组织和性能
热源移走后，熔池
焊缝中的液体金属立刻
开始 冷却结晶,以垂直
熔合线的方式向熔池中
心生长为柱状树枝晶。
低熔点物质将会被
推向焊缝最后结晶部位，
形成成分偏析。
4.1.3 焊接变形和焊接应力
焊接应力与变形产生的原因：
焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘
束，不能自由膨胀和收缩。
焊接应力与变形产生
?当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无
残余变形。
?当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产
生残余变形。
焊件焊后的变形形式主要有：
尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形 等。
焊接变形与应力的危害
工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产
生不利影响。
? 产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困
难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。
? 焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能
力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发
应力腐蚀裂纹。
? 残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产
生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊
接变形和应力是十分必要的。
焊接应力的防止及消除
?采取合理的 焊接顺序,使焊缝能够自由地收缩，以减少
应力（图 a）。而图 b因先焊焊缝 1导致对焊缝 2的拘束度
增加，而增大残余应力。
?焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊
接局部加热，从而减少焊接应力。
采用小能量，多层焊，也可减少焊缝应力。
焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。
?当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也
能减少焊接残余应力。
?焊后进行消除应力的 退火 可消除残余应力。
焊接变形的防止和消除
焊缝对称布置 ?采用反变形方法
?采用对称焊和分段倒退焊
?采用多层多道焊，能减少焊接变形
?采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，
但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装
也可防止焊接变形。
消除变形的方法
防止角变形 防止扭曲变形
?严重的焊接变形应消 除，常采用 机械矫正法,通常
只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。
?火焰矫正法 是利用火焰加热的热变形方法，一
般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。
思考题
＊ 减少焊接应力考虑，拼焊如题
图 1所示的钢板时，应怎样确
定焊接顺序？试在图中标出，
并说明理由。
图 1
4.1.4 熔焊方法及工艺
4.1.4.1 手弧焊（略）
4.1.4.2 埋弧焊
4.1.4.3 气体保护焊
4.1.4.4 二氧化碳焊
4.1.4.5 电渣焊
4.1.4.6 等离子弧焊
4.1.4.7 电子束焊
4.1.4.8 激光焊
4.1.4.2 埋弧焊
?埋弧焊的原理及特点
埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一
电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包
围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊
丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高
速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，
劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的
焊接。
埋弧自动焊
埋弧自动焊工序
?埋弧焊的工艺
? 焊前准备
板厚小于 14mm时，可不开坡口；
板厚为 14～ 22mm时，应开 Y型坡口；
板厚为 22～ 50mm时，可开双 Y型或 U型坡口。
Y型和双 Y型坡口的角度为 50° ～ 60° 。
焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装 引弧板和熄弧板,
以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷
进入工件焊缝之中
? 平板对接焊
一般采用双面焊，可不留间隙
直接进行双面焊接，也可采用打底
焊或焊剂垫或垫板。为提高生产率，
也可采用水冷铜成型底板进行单面
焊双面成型。
? 环焊缝
焊接环焊缝时，焊丝起弧点应
与环的中心线偏离一距离 e，以防止
熔池金属的流淌。一般偏离距离为
20~ 40mm，直径小于 250mm的环
缝一般不采用埋弧自动焊。
? 多丝埋弧焊
同时有两个以上焊丝起焊接，
焊接速度高，焊缝成型好。前一电
弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，
使熔池形状及焊缝成型较为合理。
?埋弧焊的应用
埋弧焊主要用于压力容器的 环缝焊和直缝焊,锅
炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，
起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接 。
4.1.4.3 气体保护焊
?氩弧焊
利用氩气保护电弧热源及焊缝区进行焊接。
?钨极氩弧焊
以钨钍合金和钨
铈合金为阴极，利
用钨合金熔点高，
发射电子能力强，
阴极产热少，钨极
寿命长的特点，形
成不熔化极氩弧焊。
不熔化极氩弧焊
钨极氩弧焊工序
?熔化极氩弧焊
? 以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），
焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所
用电流比较大，生产率高。
? 板厚 8mm以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧
焊通常采用 直流反接,这对于焊铝工件正好有“阴极破
碎”作用。
?脉冲氩弧焊
将电流波形调制成脉冲形式，用高脉冲来
焊接，低脉冲用来维弧和凝固，可控制焊缝的
尺寸与焊接质量。
氩弧焊的特点及应用
?机械保护效果很好，焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊缝
成 型美观。
?电弧稳定，可实现单面焊双面成型。
?可全位置自动焊接。
?氩气贵，成本高。
氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接。如
铝、钛和不锈钢等。
4.1.4.4 二氧化碳焊
以 CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电
弧，实现半自动焊或自动焊。
?CO2气体
CO2气体密度大，高温体积膨胀大，保护效
果好。但 CO2在高温下易分解为 CO和 O，导致合
金元素的氧化，熔池金属的飞溅和 CO气孔。焊接
用 CO2纯度要大于 99.8%。
?CO2焊时的飞溅
CO2+Fe = FeO+CO↑
FeO进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：
FeO+C = Fe+CO
生成的 CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞 溅。
?防止飞溅的措施
?CO2焊常用 H08Mn2SiA焊丝来进行脱氧，合金化。
?采用短路过渡和细颗粒过渡。
?为使电弧稳定，飞溅少,CO2焊采用 直流反接 。
?采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。
?采用药芯焊丝。
?CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于
低碳钢和低合金结构钢薄板的焊接。
4.1.4.5 电渣焊
利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化
焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。分为丝
极、板极、熔嘴和熔管电渣焊。
?电渣焊的结晶特点
? 电渣焊的线能量大，加热和冷却速度低，高温停留时间
长，所以电渣焊焊缝的一次结晶晶粒为粗大的树枝状组
织，热影响区也严重过热。
? 在焊接低碳钢时焊缝和近缝区产生粗大的魏氏组织。为了
改善焊接接头的力学性能，焊后要进行（正火）热处理。
?电渣焊方法
?电渣焊中心偏析
电渣焊时，焊缝成型系数为熔池宽度与深度之比。焊缝成
型系数越小，则表征焊缝中一次结晶晶粒主轴与焊缝轴线近于
垂直，焊缝中心偏析越严重，产生中心热裂纹的敏感性越大。
电渣焊时的成型系数一般为 2～ 4左右，以 防止中心偏析 。
?电渣焊工艺特点
电渣焊与一般电弧焊相比有如下优点,
? 电渣焊可一次焊接很厚的工件，故焊接生产率高。
? 电渣焊只需留有一定的间隙而不开坡口，焊接过程中焊
剂、焊丝和电能的消耗量均比埋弧焊低，而且工件厚度
越大效果越明显。
? 电渣焊时金属熔池的凝固速率低，熔池中的气体和杂质
较易浮出，故电渣焊焊缝产生气孔，夹渣的倾向性较低。
? 渣池的热容量大，对电流的波动敏感性小，电流密度可
在较大的范围内变化（ 0.2～ 300 ）。
? 电渣焊时，一般不需预热。用电渣焊焊接易淬火钢时，
产生淬火裂纹的倾向小。
2/ mmA
广泛用于锅炉制造，重型机械和石油化工等行业。电渣
焊除焊接碳钢、低合金、中合金钢和高合金钢以及铸铁外，
也可用来焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金和铜。
4.1.4.6 等离子弧焊
利用机械压缩效应（电弧通过喷嘴细小孔
道时的被迫收缩）、热压缩效应（在冷气流的
强迫冷却下，带电粒子流 〈 离子和电子 〉 往弧
柱中心集中）和电磁收缩效应（弧柱带电粒子
的电流线为平行电流线，相互磁场作用使电流
线产生相互吸引而收缩）将电弧压缩为细小的
等离子体。
等离子弧温度高达 24000K以上，能量密度可达
105～ 106,因而可一次性熔化较厚的材料。
等离子弧可用于焊接和切割 。
2/ cmw
等离子弧的形成
等离子弧焊过程
?等离子弧焊接工艺
? 穿孔型 等离子弧焊接
在大电流 (100～ 300A)和大的离子气流量的工艺参数
条件下,利用穿孔焊接可在不用衬垫的情况下实现单面焊
双面成形，因而受到特别重视。
穿孔型等离子弧焊接最
适用于焊接 3～ 8 mm 不
锈钢,12mm以下钛合
金,2-6mm低碳钢或低
合金钢，以及铜、黄铜、
镍及镍基合金的对接缝。
可实现不开坡口，不加
填充金属，不用衬垫的
单面焊双面型。厚度大
于上述范围时可采用 Y
型坡口多层焊。
? 熔入型 等离子弧焊接
当等离子弧的离子气流量较小时，穿孔效应消失，
等离子弧焊接同钨极氩弧焊相似，称为熔入型等离子弧
焊。熔入型等离子弧焊适用薄板，多层焊缝的盖面及角
焊缝的焊接，填加或不加填充焊丝，优点是焊速较快。
由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，小电
流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔
的有效方法。
? 微束等离子 弧焊接
15～ 30A以下的熔入型等离子弧焊接通常称
为微束等离子弧焊接。
除此之外还有脉冲等离子弧焊接，熔化极等
离子弧焊接和变极性等离子弧焊接。
?等离子弧切割
等离子弧切割通常采用氮和压缩空气作离子气，将切口
金属熔化并吹除。特别是空气等离弧切割，近年来受到国内
外的重视。由于空气等离子弧的热焓值高，加上氧和金属相
互作用过程中放热，切割速度提高，切口质量也很好。等离
子弧切割低碳钢的厚度为 0.6～ 80mm。
?等离子弧焊的特点及应用
? 等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强。 10～
12mm厚钢材可不开坡口，一次焊透双面成型，焊接速度
快，生产率高，应力变形小。
? 电流小到 0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，能保持良好的挺
直度与方向性，所以可焊接很薄的箔材。
? 等离子弧焊接在生产中已广泛应用，特别是国防工业及
尖端技术所用的铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金
属的焊接。如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继
电器、电容器的外壳封焊以及飞机上一些薄壁容器均可
用等离子弧焊接。
? 但等离子弧焊接设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室
内焊接。
4.1.4.7 电子束焊
?电子束焊接过程
? 电子束焊是利用高速运动的电子撞击工件时，将动能转
化为热能将焊缝熔化进行的熔化焊方法。
? 为扩大电子束焊的应用范围，先后研制出了低真空电子
束焊和非真空电子束焊，为防止电子枪的污染，采用氦
气隔离电子枪与工作室，使电子束能在大气中进行焊接。
? 电子束焊一般不加填充金属，如要求焊缝有突出表面的
堆高可在接缝预加垫片。对接缝间隙为 0.1倍的板厚，一
般不能超过 0.2mm。
电子束焊接
?电子束焊的特点及应用
? 保护效果好，焊缝质量高，适用范围广。
? 能量密度大，穿透能力强，可焊接厚大截面工件和难熔
金属。
? 加热小，焊接变形小。
? 电子束焊成本高，主要用于微电子器件焊装、导弹外壳
的焊接、核电站锅炉汽包和精度要求高的齿轮等的焊接。
4.1.4.8 激光焊
利用光学系统将激光聚焦成微小光斑，使其能量密
度达 1013,从而使材料熔化焊接。激光焊分为
脉冲和连续激光焊，脉冲激光焊主要用于微电子工业
中的薄膜、丝、集成电路内引线和异材焊接。连续激
光焊可焊较厚的板材，接缝间隙很小。
2/ cmw
?激光焊接过程
?激光焊的特点
? 高能高速焊，无焊接变形。
? 灵活性大。
? 生产率高，材料不易氧化。
? 设备复杂，目前主要用于薄板和微型件的焊接。
＊ CO2气体保护效果怎样？为什么 CO2气体保护可
除氢，而易产生飞溅？
＊ 焊缝系数对宏观偏析和结晶裂纹有何影响？
一般应选择多大的焊缝系数才比较合适？
＊ 指出低碳钢和合金钢（退火态）的热影响区
的组织有何异同，怎样防止合金钢的焊接裂
纹？
＊ 试述热裂纹及冷裂纹的特征，形成原因及防
止措施。
思考题
