工程材料与热加工基础 — 程晓宇
,工程材料与热加工基础,
第十一章 焊接
? 机械工程系
? 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 焊 接
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? 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。
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2、焊接分类
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? 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 焊接的基本原理
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? 一,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 0.1um-0.01um，
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。
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图 11-1 焊接电弧示意图
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? 2,焊接的冶金特点
? 1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均
匀性，常常发生 偏析、夹杂等缺陷。
? 2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收
电弧热量而分解 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
化、脆化和其它缺陷。
? 3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰
铁等物质，除起 到渗入合金作用、补充烧损元素外，
亦可起到脱氧作用。
? 4）焊缝中硫或磷的质量分数超过 0.04%时，极易产生
裂纹。因此,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
证焊缝质量。
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图 11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化
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? 二,焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响
? （一） 焊接热循环
? 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。
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? (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。
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? 3,热影响区 是焊接或切割过程中，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。
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? （ 3） 不完全重结晶区 此区温度范围为 Ac3至 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
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图 11－ 3 平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图
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? (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)
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图 11-4 焊接变形形式 (b) 图 11-4 焊接变形形式 (c)
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图 11-4 焊接变形形式 (d)
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? (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。
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? 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 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％。
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? (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。
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? 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、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 焊条电弧焊
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一,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。
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? 二,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。
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? 2,焊条的分类
? (1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类
? 1）酸性焊条 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。
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? (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。
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? 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。
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? （ 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。
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? （ 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、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位
置 焊条。
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? 三,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 t≤4mm时，焊条直径 d=t；当 t>4mm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）。
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? 一,埋弧焊
? 二,气体保护电弧焊
? 三,电渣焊
? 四,等离子弧焊
? 五,电子束焊
? 六,激光焊
第三节 其它焊接方法
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? 一,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。
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二,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。
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（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,应用,适合于各种位置的焊接，目前,CO2焊已在全国广泛
普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。
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三,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,应用：适用于板厚 40mm以上结构的焊接。一般用于直缝焊接,目
前,电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械等大型设
备制造中得到广泛使用。
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四,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,应用,等离子弧焊接已日益广泛应用于生产中，特别是 国防工业
和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如
钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封接
及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。
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图 11-5 等离子弧焊
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五,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、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。
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图 11-6 电子束焊
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六,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,应用：激光焊比较容易实现异种金属和异种材料的焊接，目前已
广泛用于电子工业和仪表工业中微型件的焊接。
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图 11-7 激光焊
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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 压焊与钎焊
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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,电阻焊
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图 11-8 对焊
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(二 )电阻点焊
电阻点焊是焊件装配成搭接
接头，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
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(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。
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图 11-11 常用焊接接头形式（ a）
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图 11-11 常用焊接接头形式 (b)
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图 11-11 常用焊接接头形式 (c) 图 11-11 常用焊接接头形式 (d)
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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
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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
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图 11-12 网带式钎焊炉
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图 11-13 保护气氛铜钎焊炉
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根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。
硬钎焊 使用硬钎料（熔点高于 450℃ ）进行的钎焊称为硬钎焊。 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、
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 490 MPa，
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。
软钎焊 使用软钎料（熔点低于 450℃ ）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
液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在 40Mpa-140Mpa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。
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
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
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 堆焊与热喷涂
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图 11-14 堆焊焊道形式
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二、热喷涂
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。
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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 常用金属材料的焊接
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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
工程材料与热加工基础 — 程晓宇
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焊丝，配以 HJ431焊
剂进行焊接。
补焊而很少用于构件的焊接。
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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
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? 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，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
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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
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2,铸铁的补焊方法及补焊材料
（ 1）铸铁的补焊方法 补焊方法有热焊法，即焊前将工件全部或局
部预热到 500℃ -700℃,焊后在炉中缓慢冷却；半热焊法，即焊前
将工件预热到 400℃ 以下进行补焊的方法。
（ 2）铸铁补焊材料 一般采用铸铁焊条。常用的铸铁焊条有两类：
一类为焊缝金属是铸铁组织的焊条，如 EZC,EZCQ；另一类是焊缝
组织为非铸铁组织的焊条，如 EZV等。
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(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
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2.铜及铜合金的焊接工艺
（ 1）气焊 气焊时一般依工件厚度不同，开 I形,V形,X形
坡口。
（ 2）焊条电弧焊 焊条电弧焊应先开坡口并清理污物。一
般采用低氢型焊条。
（ 3）手工氩弧焊 氩弧焊是铜及铜合金焊接的首选方案。
可有效地保护熔池不被氧化和熔入气体，得到优良的焊接
接头，工件变形小，若板厚小于 3mm，可开 I形坡口；板厚
在 3mm-10mm时开 V形坡口；板厚大于 10mm时开 x形坡口。焊
前应清理除去焊件坡口边缘焊丝表面的氧化膜。焊接时要
合理地选择焊接工艺规范，焊接速度要高；焊接电流选择
与板厚、工件结构、预热温度等因素有关。焊后要进行热
处理。
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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 焊接结构设计
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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
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 11
－ 15。
图 11－ 15 焊缝布置应尽量分散
二、焊接结构的工艺性
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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 11－ 16。
图 11－ 16 焊缝应对称布置
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3） 焊缝的布置不得交叉，见图 11－ 17。
图 11－ 17 焊缝的布置不得交叉
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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 11－ 18。
图 11－ 18 尽量避免 尖角焊缝
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5） 焊缝应避开最大应力和应力集中的部件，见图 11－
19。
图 11－ 19 焊缝应避开应力集中位置
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6）焊缝设计应远离加工表面，见图 11－ 20。
图 11－ 20 焊缝设计应远离加工表面
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7）焊缝布置应满足焊接时运条角度的需要，见图 11－
21。
图 11－ 21 缝布置应满足运条角度的需要
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(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
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(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 GB／ T3375－ 94。
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 6mm－
26mm时，常开单面坡口；板厚在 12mm－ 60mm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,
第十一章 焊接
? 机械工程系
? 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 焊 接
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? 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。
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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 焊接的基本原理
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? 一,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 0.1um-0.01um，
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。
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图 11-1 焊接电弧示意图
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? 2,焊接的冶金特点
? 1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均
匀性，常常发生 偏析、夹杂等缺陷。
? 2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收
电弧热量而分解 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
化、脆化和其它缺陷。
? 3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰
铁等物质，除起 到渗入合金作用、补充烧损元素外，
亦可起到脱氧作用。
? 4）焊缝中硫或磷的质量分数超过 0.04%时，极易产生
裂纹。因此,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
证焊缝质量。
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图 11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化
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? 二,焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响
? （一） 焊接热循环
? 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。
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? (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。
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? 3,热影响区 是焊接或切割过程中，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。
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? （ 3） 不完全重结晶区 此区温度范围为 Ac3至 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
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图 11－ 3 平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图
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? (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)
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图 11-4 焊接变形形式 (b) 图 11-4 焊接变形形式 (c)
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图 11-4 焊接变形形式 (d)
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? (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。
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? 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 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％。
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? (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。
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? 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、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 焊条电弧焊
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一,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。
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? 二,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。
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? 2,焊条的分类
? (1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类
? 1）酸性焊条 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。
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? (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。
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? 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。
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? （ 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。
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? （ 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、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位
置 焊条。
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? 三,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 t≤4mm时，焊条直径 d=t；当 t>4mm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）。
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? 一,埋弧焊
? 二,气体保护电弧焊
? 三,电渣焊
? 四,等离子弧焊
? 五,电子束焊
? 六,激光焊
第三节 其它焊接方法
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? 一,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。
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二,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。
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（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,应用,适合于各种位置的焊接，目前,CO2焊已在全国广泛
普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。
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三,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,应用：适用于板厚 40mm以上结构的焊接。一般用于直缝焊接,目
前,电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械等大型设
备制造中得到广泛使用。
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四,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,应用,等离子弧焊接已日益广泛应用于生产中，特别是 国防工业
和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如
钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封接
及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。
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图 11-5 等离子弧焊
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五,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、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。
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图 11-6 电子束焊
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六,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,应用：激光焊比较容易实现异种金属和异种材料的焊接，目前已
广泛用于电子工业和仪表工业中微型件的焊接。
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图 11-7 激光焊
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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 压焊与钎焊
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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,电阻焊
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图 11-8 对焊
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(二 )电阻点焊
电阻点焊是焊件装配成搭接
接头，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
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(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。
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图 11-11 常用焊接接头形式（ a）
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图 11-11 常用焊接接头形式 (b)
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图 11-11 常用焊接接头形式 (c) 图 11-11 常用焊接接头形式 (d)
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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
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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
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图 11-12 网带式钎焊炉
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图 11-13 保护气氛铜钎焊炉
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根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。
硬钎焊 使用硬钎料（熔点高于 450℃ ）进行的钎焊称为硬钎焊。 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、
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 490 MPa，
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。
软钎焊 使用软钎料（熔点低于 450℃ ）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
液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在 40Mpa-140Mpa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。
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
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
较严，不适于大型构件
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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 堆焊与热喷涂
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图 11-14 堆焊焊道形式
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二、热喷涂
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 常用金属材料的焊接
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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
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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焊丝，配以 HJ431焊
剂进行焊接。
补焊而很少用于构件的焊接。
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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，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
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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,铸铁的补焊方法及补焊材料
（ 1）铸铁的补焊方法 补焊方法有热焊法，即焊前将工件全部或局
部预热到 500℃ -700℃,焊后在炉中缓慢冷却；半热焊法，即焊前
将工件预热到 400℃ 以下进行补焊的方法。
（ 2）铸铁补焊材料 一般采用铸铁焊条。常用的铸铁焊条有两类：
一类为焊缝金属是铸铁组织的焊条，如 EZC,EZCQ；另一类是焊缝
组织为非铸铁组织的焊条，如 EZV等。
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(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
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2.铜及铜合金的焊接工艺
（ 1）气焊 气焊时一般依工件厚度不同，开 I形,V形,X形
坡口。
（ 2）焊条电弧焊 焊条电弧焊应先开坡口并清理污物。一
般采用低氢型焊条。
（ 3）手工氩弧焊 氩弧焊是铜及铜合金焊接的首选方案。
可有效地保护熔池不被氧化和熔入气体，得到优良的焊接
接头，工件变形小，若板厚小于 3mm，可开 I形坡口；板厚
在 3mm-10mm时开 V形坡口；板厚大于 10mm时开 x形坡口。焊
前应清理除去焊件坡口边缘焊丝表面的氧化膜。焊接时要
合理地选择焊接工艺规范，焊接速度要高；焊接电流选择
与板厚、工件结构、预热温度等因素有关。焊后要进行热
处理。
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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 焊接结构设计
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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
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(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 11
－ 15。
图 11－ 15 焊缝布置应尽量分散
二、焊接结构的工艺性
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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 11－ 16。
图 11－ 16 焊缝应对称布置
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3） 焊缝的布置不得交叉，见图 11－ 17。
图 11－ 17 焊缝的布置不得交叉
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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 11－ 18。
图 11－ 18 尽量避免 尖角焊缝
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5） 焊缝应避开最大应力和应力集中的部件，见图 11－
19。
图 11－ 19 焊缝应避开应力集中位置
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6）焊缝设计应远离加工表面，见图 11－ 20。
图 11－ 20 焊缝设计应远离加工表面
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7）焊缝布置应满足焊接时运条角度的需要，见图 11－
21。
图 11－ 21 缝布置应满足运条角度的需要
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(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
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 GB／ T3375－ 94。
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 6mm－
26mm时，常开单面坡口；板厚在 12mm－ 60mm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。
