第 3章 连接成形
本 章 重 点
1,焊接工艺
2,材料可焊性
3,结构工艺性
金属焊接是指通过适当
工艺方法，使两个分离的金
属物体（同种或异种金属）
产生原子（分子）间结合而
连接成一体的连接方法。
焊 接 概 述
在各种产品制造工业中，焊接与
切割（热切割）是一种十分重要的加
工工艺。据工业发达国家统计,每年仅
需要进行焊接加工后使用的钢材就占
钢总产量的 45%左右。
焊接可以实现各种
钢材，以及铝、铜等
有色金属及钛、锆等
特种金属材料的连接，
因而广泛地应用于机
械制造、造船、海洋
开发、汽车制造、石
油化工、航天技术、
原子能、电力、电子
技术及建筑等部门 。
§ 1 电焊
电焊借助电
弧进行焊接，
学名 电弧焊 。
基本工艺装备
焊机
焊钳
焊条
工件
1.1 焊接工艺原理
1.物理过程
工件
接触引弧
工件
?
阴极区
2400K
阳极区
2600K
弧柱区
6000-8000K
2,冶金过程
本质：冶炼过程，即液态金
属，熔渣和气体的相互作用
特点：
（ 1） 极高温
（ 2） 不 平 衡
工件
液滴
金属
熔池氧化，渗氢，偏析，气孔，夹渣，裂纹
3.焊接电源
? 交流弧焊电源
? 直流弧焊电源
? 脉冲弧焊电源
? 逆变弧焊电源
直流电源接法
? 直流正接
? 工件接阳极，
焊条接阴极。
特点：工件
受热大，用
于焊接厚大
工件 。
工件
?直流反接, 工件接阴极，
焊条接阳极。特点：工
件受热小，适合焊接薄
小工件 。
工件
4.焊条
焊芯的主要作用：作电极传导
电流起弧；作填充金属。焊芯
药皮
药皮的主要作用：稳弧；造
渣造气；脱氧去硫渗合金。
焊条类别
熔渣
主要成分 优点 缺点 用途
酸性焊条
酸性
氧化物
工艺性好,
交直流两
用，油水
锈不敏感
氧化性强，
合金烧损，
氢含量高，
抗裂性差
一般
结构件
碱性焊条
碱性
氧化物
脱氧，除
氢，渗金
属性强，
含氢量低
工艺性差，
油水锈敏
感，抗气
孔性差
重要
钢结构
表 1 两类焊条对照
焊条相关标准
? 焊条直径 以焊丝直径表示，标准系列 1.6,2.0,2.5，
3.2,4.0,5.0,6.0,8.0
? 焊条牌号 焊条行业代号，大写拼音字母或汉字表示类
别，后 2位数表示性能，第 3位数表药皮与电源类型
? 焊条型号 国家标准代号，英文字母表示类别，后 2位
数表性能，第 3位数表焊接位置，第 3,4位数共同表
示电流与药皮类型
例,J422表示结构钢焊条，熔敷金属抗
拉强度不低于 420MPa；氧化钛钙型药
皮，交直流电源两用。
焊条选择要点
? 考虑母材力学性能和化学成分 （ 等强原
则和等成分原则 ）
? 考虑焊接结构使用条件和特点
? 考虑焊条工艺性
? 考虑焊接设备
1.2 焊接接头组织与性能
焊接接头：由焊缝金属，熔合区
和焊接热影响区构成。
1500
500
?
T,?C
Wc,%
焊缝
熔合区
热影响区
低碳钢焊接接头温度分布与组织
2
3
4
5
焊缝金属,
由母材和
焊条熔化
形成的熔
池冷却结
晶而成。
热影响区,
靠近焊缝金
属的母材由
于热传导升
温导致组织
性能发生变
化的区域。
1
熔合区：
焊缝与热
影响区的
过渡区。
组织为铸
态柱状晶，
晶粒粗大，
成分偏析，
组织不致
密；但化
学成分优
于母材，
故性能与
母材相当
温度在液
相线与固
相线间，
宽度 0.1-
0.4mm；
部分铸态
与部分过
热组织的
混合，性
能最薄弱
焊缝质量的评价指标：热影响
区（ HAZ）组织与宽度
影响 HAZ因素
加热最高温度
相变温度以上的停留时间
焊件：大小，厚度，材料，接头形式
焊接方法
1500
500
?
T,?C
Wc,%
热影响区
2
3
4
5
过热区
正火区
不完全重
结晶区
再结晶区
过热区温度
在固相线与
1100 ?C间，
宽 1-3mm，
晶粒粗大的
过热组织，
塑性韧性低
正火区温度
在 1100 ?C-
Ac3间，宽度
1.2-4mm，组
织为细小铁
素体和珠光
体，性能高
于母材
不完全重结
晶区温度在
Ac3-Ac1间，
组织为原始
组织与细小
F,P的混合，
性能欠佳
再结晶区温
度在 AC1-
450 ?C间，
力学性能变
化不大；如
焊前未经冷
塑性变形，
该区不存在
A3
A1
改善焊接接头组织与性能措施
? 选低碳低硫磷母材
? 控制热影响区冷却速度
? 采用多层焊
? 焊后热处理
1.3 焊接应力与变形
产生焊接应力与变形的根本原因：
焊接过程中的不均匀加热与冷却。
l ?l l ?l’
低碳钢平板对焊理论分析模型
（ +）
（ +）
（ -） （ +）
（ -）
（ -）
焊接中 冷却后
焊接残余应力与变形特性
1.共存性,应力与变形同时存在。
2.重新分布特性 （保持平衡趋势）
焊接变形 5种基本形式,收缩变形, 角
变形, 弯曲变形, 扭曲变形 和 波浪变形,
*参 P133表 3-5。
防变形措施
? 焊前预热
? 选择合理的焊接次序
? 加热 减应区（压应力区）
? 反变形
? 刚性固定
1.4 常用电弧焊方法
? 手工电弧焊
? 埋弧自动焊
? 气体保护焊
? 等离子弧焊
1.手工电弧焊
优 点
设备简单，工艺灵活，可全方位焊接，适
应各种不规则焊缝，焊条系列完整。
局 限 性
焊条载流能力 20-500A；焊接厚度 3-20mm
2.埋弧焊
在焊剂层下燃烧
进行的焊接方法
称为埋弧焊。 。
引弧，焊丝送进，电弧移动，
收弧等动作由机械自动进行的埋
弧焊称为 埋弧自动焊 。
国产 MZ系列自动埋弧焊机实照
焊剂埋弧作用
熔化形成熔渣，覆盖熔池以隔
绝空气保护熔池；阻挡弧光辐射和
金属飞溅。
埋弧焊剂 {
熔炼焊剂,主要起保护作用
非熔炼焊剂,还起冶金作用
埋弧自动焊的局限性
（ 1）只适应水平位置长直焊缝
（ 2）焊接钢板厚度 6-60mm
（ 3）不能焊接活泼金属及其合金
3.气体保护焊
用气体将电弧，熔池与周围空气隔
离，以防止空气与熔化金属发生冶
金反应的焊接工艺称为气体保护焊。
非熔化极气体保护焊
熔化极气体保护焊
保护气体,Ar,He,CO2,N2等
电极材料 保护气体
非熔化极
气体保护焊 钨或钨合金棒 氩气或氦气
熔化极
气体保护焊 焊丝电极
活性气体，惰性
气体或 CO2
表 2 气体保护焊工艺特征
（ 1）钨极氩弧焊
适用性
薄板厚度 0.5-6mm
易氧化非铁合金
和难熔活性金属
工件
Ar
+
V丝
V焊
钍钨棒或
铈钨棒
（ 2）熔化极氩弧焊
适用性
中厚板焊接
高合金钢，活泼金属
工件
Ar
+
焊丝
（ 3） CO2气体保护焊
CO2气体的行为：
（ 1）机械隔离空气起保护作用
（ 2）高温分解为 CO和 O，具氧化性
（ 3）冷却效应导致烟雾，电弧不稳，金属飞溅
技 术 要 求
使用直流焊机，一般直流反接,CO2流量 5-15L/min
焊接规范 工艺特点 适用对象
短路过渡 焊丝 ?0.6-1.2
低电压小电流
飞溅小，焊
缝成形好
0.8-4mm薄板
全方位焊接
颗粒过渡 焊丝 ?1.6-4大
电压大电流
穿 透力强，飞
溅大，焊缝不
够光滑
3-25mm中厚
板焊接
表 3 两种熔滴过渡形式对照
氩弧焊实照
压缩机专用环缝自动气保护弧焊机
4.等离子弧焊
等离子弧是电弧通过三种压缩作用获得的,
（ 1） 机械压缩 利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直
径，来提高弧柱的能量密度和温度。
（ 2） 热收缩 由于水冷喷嘴温度较低，从而在
喷嘴内壁建立起一层冷气膜，迫使弧柱导电断面
进一步减小，电流密度进一步提高。
（ 3） 磁收缩 弧柱电流本身产生的磁场对弧柱
有压缩作用（即磁收缩效应）。电流密度愈大，
磁收缩作用愈强。
工件
Ar
H2O
钨极
喷嘴
等离子弧原理图
等离子弧的类型
? 1．非转移型等离子弧
? 钨极 接电源负端,喷嘴 接电源正端，等离子
弧体产生在钨极与喷嘴之间，在离子气流压送
下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
? 2．转移型等离子弧
? 钨极 接电源负端,工件 接电源正端，等离子
弧体产生于钨极与工件之间，转移弧难以直接
形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到
转移弧。
国产 LHK-400型等离子弧焊机实照
表 4 常用等离子弧焊工艺对照
焊接电流
（ A）
接头特点 厚度
（ mm）
穿孔等离
子弧焊
100-300 无需开坡
口留间隙
?7-10
微束等离
子弧焊
0.1-30 类似氩弧
焊
0.025-2.5
本 章 重 点
1,焊接工艺
2,材料可焊性
3,结构工艺性
金属焊接是指通过适当
工艺方法，使两个分离的金
属物体（同种或异种金属）
产生原子（分子）间结合而
连接成一体的连接方法。
焊 接 概 述
在各种产品制造工业中，焊接与
切割（热切割）是一种十分重要的加
工工艺。据工业发达国家统计,每年仅
需要进行焊接加工后使用的钢材就占
钢总产量的 45%左右。
焊接可以实现各种
钢材，以及铝、铜等
有色金属及钛、锆等
特种金属材料的连接，
因而广泛地应用于机
械制造、造船、海洋
开发、汽车制造、石
油化工、航天技术、
原子能、电力、电子
技术及建筑等部门 。
§ 1 电焊
电焊借助电
弧进行焊接，
学名 电弧焊 。
基本工艺装备
焊机
焊钳
焊条
工件
1.1 焊接工艺原理
1.物理过程
工件
接触引弧
工件
?
阴极区
2400K
阳极区
2600K
弧柱区
6000-8000K
2,冶金过程
本质：冶炼过程，即液态金
属，熔渣和气体的相互作用
特点：
（ 1） 极高温
（ 2） 不 平 衡
工件
液滴
金属
熔池氧化，渗氢，偏析，气孔，夹渣，裂纹
3.焊接电源
? 交流弧焊电源
? 直流弧焊电源
? 脉冲弧焊电源
? 逆变弧焊电源
直流电源接法
? 直流正接
? 工件接阳极，
焊条接阴极。
特点：工件
受热大，用
于焊接厚大
工件 。
工件
?直流反接, 工件接阴极，
焊条接阳极。特点：工
件受热小，适合焊接薄
小工件 。
工件
4.焊条
焊芯的主要作用：作电极传导
电流起弧；作填充金属。焊芯
药皮
药皮的主要作用：稳弧；造
渣造气；脱氧去硫渗合金。
焊条类别
熔渣
主要成分 优点 缺点 用途
酸性焊条
酸性
氧化物
工艺性好,
交直流两
用，油水
锈不敏感
氧化性强，
合金烧损，
氢含量高，
抗裂性差
一般
结构件
碱性焊条
碱性
氧化物
脱氧，除
氢，渗金
属性强，
含氢量低
工艺性差，
油水锈敏
感，抗气
孔性差
重要
钢结构
表 1 两类焊条对照
焊条相关标准
? 焊条直径 以焊丝直径表示，标准系列 1.6,2.0,2.5，
3.2,4.0,5.0,6.0,8.0
? 焊条牌号 焊条行业代号，大写拼音字母或汉字表示类
别，后 2位数表示性能，第 3位数表药皮与电源类型
? 焊条型号 国家标准代号，英文字母表示类别，后 2位
数表性能，第 3位数表焊接位置，第 3,4位数共同表
示电流与药皮类型
例,J422表示结构钢焊条，熔敷金属抗
拉强度不低于 420MPa；氧化钛钙型药
皮，交直流电源两用。
焊条选择要点
? 考虑母材力学性能和化学成分 （ 等强原
则和等成分原则 ）
? 考虑焊接结构使用条件和特点
? 考虑焊条工艺性
? 考虑焊接设备
1.2 焊接接头组织与性能
焊接接头：由焊缝金属，熔合区
和焊接热影响区构成。
1500
500
?
T,?C
Wc,%
焊缝
熔合区
热影响区
低碳钢焊接接头温度分布与组织
2
3
4
5
焊缝金属,
由母材和
焊条熔化
形成的熔
池冷却结
晶而成。
热影响区,
靠近焊缝金
属的母材由
于热传导升
温导致组织
性能发生变
化的区域。
1
熔合区：
焊缝与热
影响区的
过渡区。
组织为铸
态柱状晶，
晶粒粗大，
成分偏析，
组织不致
密；但化
学成分优
于母材，
故性能与
母材相当
温度在液
相线与固
相线间，
宽度 0.1-
0.4mm；
部分铸态
与部分过
热组织的
混合，性
能最薄弱
焊缝质量的评价指标：热影响
区（ HAZ）组织与宽度
影响 HAZ因素
加热最高温度
相变温度以上的停留时间
焊件：大小，厚度，材料，接头形式
焊接方法
1500
500
?
T,?C
Wc,%
热影响区
2
3
4
5
过热区
正火区
不完全重
结晶区
再结晶区
过热区温度
在固相线与
1100 ?C间，
宽 1-3mm，
晶粒粗大的
过热组织，
塑性韧性低
正火区温度
在 1100 ?C-
Ac3间，宽度
1.2-4mm，组
织为细小铁
素体和珠光
体，性能高
于母材
不完全重结
晶区温度在
Ac3-Ac1间，
组织为原始
组织与细小
F,P的混合，
性能欠佳
再结晶区温
度在 AC1-
450 ?C间，
力学性能变
化不大；如
焊前未经冷
塑性变形，
该区不存在
A3
A1
改善焊接接头组织与性能措施
? 选低碳低硫磷母材
? 控制热影响区冷却速度
? 采用多层焊
? 焊后热处理
1.3 焊接应力与变形
产生焊接应力与变形的根本原因：
焊接过程中的不均匀加热与冷却。
l ?l l ?l’
低碳钢平板对焊理论分析模型
（ +）
（ +）
（ -） （ +）
（ -）
（ -）
焊接中 冷却后
焊接残余应力与变形特性
1.共存性,应力与变形同时存在。
2.重新分布特性 （保持平衡趋势）
焊接变形 5种基本形式,收缩变形, 角
变形, 弯曲变形, 扭曲变形 和 波浪变形,
*参 P133表 3-5。
防变形措施
? 焊前预热
? 选择合理的焊接次序
? 加热 减应区（压应力区）
? 反变形
? 刚性固定
1.4 常用电弧焊方法
? 手工电弧焊
? 埋弧自动焊
? 气体保护焊
? 等离子弧焊
1.手工电弧焊
优 点
设备简单，工艺灵活，可全方位焊接，适
应各种不规则焊缝，焊条系列完整。
局 限 性
焊条载流能力 20-500A；焊接厚度 3-20mm
2.埋弧焊
在焊剂层下燃烧
进行的焊接方法
称为埋弧焊。 。
引弧，焊丝送进，电弧移动，
收弧等动作由机械自动进行的埋
弧焊称为 埋弧自动焊 。
国产 MZ系列自动埋弧焊机实照
焊剂埋弧作用
熔化形成熔渣，覆盖熔池以隔
绝空气保护熔池；阻挡弧光辐射和
金属飞溅。
埋弧焊剂 {
熔炼焊剂,主要起保护作用
非熔炼焊剂,还起冶金作用
埋弧自动焊的局限性
（ 1）只适应水平位置长直焊缝
（ 2）焊接钢板厚度 6-60mm
（ 3）不能焊接活泼金属及其合金
3.气体保护焊
用气体将电弧，熔池与周围空气隔
离，以防止空气与熔化金属发生冶
金反应的焊接工艺称为气体保护焊。
非熔化极气体保护焊
熔化极气体保护焊
保护气体,Ar,He,CO2,N2等
电极材料 保护气体
非熔化极
气体保护焊 钨或钨合金棒 氩气或氦气
熔化极
气体保护焊 焊丝电极
活性气体，惰性
气体或 CO2
表 2 气体保护焊工艺特征
（ 1）钨极氩弧焊
适用性
薄板厚度 0.5-6mm
易氧化非铁合金
和难熔活性金属
工件
Ar
+
V丝
V焊
钍钨棒或
铈钨棒
（ 2）熔化极氩弧焊
适用性
中厚板焊接
高合金钢，活泼金属
工件
Ar
+
焊丝
（ 3） CO2气体保护焊
CO2气体的行为：
（ 1）机械隔离空气起保护作用
（ 2）高温分解为 CO和 O，具氧化性
（ 3）冷却效应导致烟雾，电弧不稳，金属飞溅
技 术 要 求
使用直流焊机，一般直流反接,CO2流量 5-15L/min
焊接规范 工艺特点 适用对象
短路过渡 焊丝 ?0.6-1.2
低电压小电流
飞溅小，焊
缝成形好
0.8-4mm薄板
全方位焊接
颗粒过渡 焊丝 ?1.6-4大
电压大电流
穿 透力强，飞
溅大，焊缝不
够光滑
3-25mm中厚
板焊接
表 3 两种熔滴过渡形式对照
氩弧焊实照
压缩机专用环缝自动气保护弧焊机
4.等离子弧焊
等离子弧是电弧通过三种压缩作用获得的,
（ 1） 机械压缩 利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直
径，来提高弧柱的能量密度和温度。
（ 2） 热收缩 由于水冷喷嘴温度较低，从而在
喷嘴内壁建立起一层冷气膜，迫使弧柱导电断面
进一步减小，电流密度进一步提高。
（ 3） 磁收缩 弧柱电流本身产生的磁场对弧柱
有压缩作用（即磁收缩效应）。电流密度愈大，
磁收缩作用愈强。
工件
Ar
H2O
钨极
喷嘴
等离子弧原理图
等离子弧的类型
? 1．非转移型等离子弧
? 钨极 接电源负端,喷嘴 接电源正端，等离子
弧体产生在钨极与喷嘴之间，在离子气流压送
下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
? 2．转移型等离子弧
? 钨极 接电源负端,工件 接电源正端，等离子
弧体产生于钨极与工件之间，转移弧难以直接
形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到
转移弧。
国产 LHK-400型等离子弧焊机实照
表 4 常用等离子弧焊工艺对照
焊接电流
（ A）
接头特点 厚度
（ mm）
穿孔等离
子弧焊
100-300 无需开坡
口留间隙
?7-10
微束等离
子弧焊
0.1-30 类似氩弧
焊
0.025-2.5
