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1、03第三篇材料的焊接成型工艺第三篇 材料的焊接成形工艺第十章 熔焊工艺10-1 概述一、焊接成形原理及特点1成形原理其过程实质是用加热或加压等手段，借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的材料牢固地连接起来不可拆连接。2成形特点可将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊；如：汽车车身的焊装生产过程；可实现不同材料间的连接成形；如：气门杆的复合结构特殊结构的生产；如：核电站锅炉只有焊接结构重量轻但不可折，更换零件不便，且易产生残余应力、裂纹、夹渣、气孔等。我国焊接在新中国成立后才发展起来，小到集成电路基片与引脚，大到720吨大型水轮机、工作轮、汽车、飞机、火箭、飞船、卫星等。二、焊接工艺分类根据

2、焊接过程的工艺特点，分为：熔焊、压焊、钎焊及封粘熔焊： 电弧焊（手弧焊、气体保护焊、埋弧焊） 电渣焊电子束焊激光焊等离子弧焊压焊： 电阻焊 摩擦焊 超声波焊 爆炸焊 扩散焊 高频焊锌焊及封粘：软钎焊 硬钎焊 封接 粘接三、应用1金属结构的焊接（如锅炉汽包的焊接结构）2机械零件的焊接如：焊接齿轮 （管板焊接）10-2 熔焊原理及过程一、熔焊的本质及特点本质小熔池熔炼与冷凝，是金属熔化与结晶的过程（图10-2）熔焊过程示意图图a 熔池的形成温度达到材料熔点，母材、焊丝熔化形成溶池图b 热影响区形成母材受到热影响，组织和性能发生变化，形成热影响区。图c 熔池结晶热源移走后，熔池结晶成柱状晶。 熔池存

3、在时间短，温度高，冶金过程不充分，氧化严重，热影响巨大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。二、熔焊的三要素合适的热源能量要集中，温度要高，快速熔化良好的熔池保护渣保护、气保护、渣气联合保护焊缝填充金属焊芯、焊丝（一）热源1电弧两电极之间强烈而持久的气体放电现象（图10-3）气体放电曲线图气体放电： 非自持放电 自持放电 暗放电 辉光放电 电弧放电其中，电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强，故将此作热源，既安全，加热效率也高。2等离子弧将电弧的弧柱区压缩，使弧柱的能量密度、温度和等离子流速度显著增大电弧变成等离子弧（图10-5）温度达2400050000k能量密度105106w/c

4、m23电渣热金属盐和氧化物熔融时，正负离子产生定向移动而导电，并释放热量（图10-6）4电子束W加热2600k，产生大量电子电子加速（160000km/s）能量密度比电弧能量密度大1000倍使金属瞬间熔化或气化（图10-7a），穿透能力强，可焊200mn钢板5激光束具有单波长、单色性、方向性强，使金属瞬间熔化或气化，但光热效应只在表层，穿透能力较差（图10-7 b）焊薄壁件、小件。（二）熔池的保护1渣保护（图10-8）熔池上覆盖一层熔渣 防止金属氧化、吸气（使熔池与空气隔离） 向熔池过渡合金元素，提高焊接性能减少散热，提高生产率2气保护（保护熔池和熔滴）惰性气体，高温下不分解（氩气），或是低氧

5、化性的不溶于液态金属的双原子气体（如CO2）（图10-9）3渣气联合保护渣保护和气保护联合作用（图10-10）如：焊条的药皮及二氧化碳加药芯造渣剂、造气剂 单-CO2气保护易产生飞溅、气孔和合金元素氧化烧损。（三）填充金属焊芯与焊丝焊缝较宽时，采用焊丝补充填满焊缝为提高性能，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、不锈钢丝（表10-5）焊条钢芯牌号及应用（表10-6）焊丝牌号、特点及应用H焊接用钢丝，后面两位数字，含C万分之一，A：高级优质钢E：特级优质钢10-3 焊接接头的组织与性能一、焊接热循环在焊接加热和冷却过程中，焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化

6、的过程，称焊接热循环。（图10-11）焊接热循环特征。*焊接热影响区受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域称焊接热影响区 *焊接接头的组成：焊缝区 热影响区二、焊缝的组织和性能 小熔池炼钢冷却快化学成分控制严格焊缝金属的强度与母材相当（等强度）一次结晶从熔池液态金属凝固为焊缝金质的结晶过程如：低碳钢一次冷却结晶奥氏体二次结晶其后的冷却过程中固态的焊缝金属继续发生组织转变，叫二次结晶。如：奥氏体（二次结晶）珠光体+铁素体三、热影响区的组织和性能（图10-13）四、影响焊接接头性能的因素 1焊剂与焊丝焊缝的化学成分2焊接方法焊缝性能不同3焊接工艺参数影响输入焊接接头热量的大小4

7、熔合比（图10-14） 焊缝化学成分 Sm/（StSm）Sm母材所占面积 St 填充金属所占面积5焊后热处理正火细化组织、改善接头性能10-4 焊接变形和焊接应力构件焊接以后，内部会产生焊接残余应力，同时产生焊接变形，当构件承受外载后，焊接应力与外载应力相迭加，造成局部区域应力过高，使构件产生新的塑性变形、生成裂缝，甚至导致整个构件断裂。故设计和制造焊接结构时，必须设法减小焊接应力和防止变形超过允许值。一、焊接应力与变形产生的原因（图10-15）加热和冷却时的应力与变形图a 自由状态无应力和变形图b 刚性夹持加热时，产生塑性压缩变形 冷却时，只有残余应，而无残余变形图c 非刚性夹持加热时，产生

8、一定量压缩变形冷却时，残余应力，残余变形即拘束很大（刚性夹持大平板对接）有残余应力，无残余变形，拘束较小（小板对接焊）既有残余应力，又有残余变形，二、焊接变形与应力的危害对结构的制造和使用产生不到，从而影响焊件质量，且焊件变形会产生附加应力，降低承载能力。引起裂纹、甚至脆断，且使构件尺寸不稳定。三、焊接应力和变形的防止1焊接应力的防止及消除残余应力局部加热或冷却受阻而产生 （图10-16）焊接残余应力的分布措施：2焊接变形的防止和消除因焊接而产生的变形是多种多样的，最常见的有纵向和横向收缩变形纵、横向尺寸缩小角变形V形坡口对接焊时，因焊缝截面形状上、下不对称，焊后横向收缩不均匀而引起弯曲变形丁

9、字梁焊接时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲扭曲变形焊缝在横截面上布置不对称或工艺不合理，产生纵向扭曲变形。波浪形变形薄板在焊接应力作用下，在厚度方向因丧失稳定性而引起波浪形变形（翘曲变形）矫正 机械矫正法（图10-25） 火焰矫正法（图10-26）10-5 焊接缺陷主要有：焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔、外观缺陷等危害最大焊接裂纹和气孔一、焊接裂纹1热裂纹（1）结晶裂纹焊缝区，结晶过程中形成 液化裂纹热影响区，过热、晶间低熔点杂质熔化特征沿晶界开裂，又称晶间裂纹，有氧化色彩（2）产生原因：晶间存在液态薄膜 接头中存在拉应力（3）防止 （冶金和力的因素）2冷裂纹（1）形态

10、和特征 （图10-27）焊道下裂纹热影响区内形成焊趾裂纹应力集中的焊趾处，扩展焊根裂纹焊缝根部形成特征无分支，通常穿晶型，表面冷裂纹无氧化色彩最常见延迟裂纹（延迟一段时间才发生）（2）延迟裂纹产生原因（3）防止延迟裂纹的措施二、气孔在熔池液体金属冷却结晶时，原来高温下溶解在焊缝液体金属中大量的气体，随温度的下降产生溶解度的降低而析出。在焊缝快速冷却下，气体来不及逸出熔池表面，导致气孔产生种类 氢气孔 一氧化碳气体 氮气孔防止办法烘干焊条、焊剂、（采用碱性焊条）等10-6 焊接检验保证焊接接头质量，防止有缺陷焊缝投入使用一、焊接检验过程焊前检验、焊接生产中的检验、焊后成品检验 外观检验 x光检验

11、，水压试验二、外观检验三、无损检验 磁粉检验 着色检验 超声波检验 X射线、射线检验四、力学性能试验拉伸试验、冲击试验、弯曲及压扁硬度、疲劳试验五、密封性检验容器或管道静气压试验煤油检验水压试验10-7 熔焊方法及工艺一、手弧焊（手工电弧焊）1手弧焊的原理药皮和焊芯为电极，工件为另一电极，短路引燃电弧 电弧高温下 药皮产生大量气体和熔渣（气-渣联合保护），焊芯熔化后形成焊缝（保证化学成分和力学性能）2手弧焊的工艺（1）直流手弧焊（10-32）直流正接工件接正极，（厚板的焊接）直流反接焊条正极，（薄板的快速焊接）（2）交流手弧焊50Hz 工频交流电，工件和焊条每秒交换正负极100次，两极不存在温

12、度差酸性焊条的焊接（3）焊条的型号和牌号型号国际通用标准型号 EEElectrode电焊条 熔敷金属的最小抗拉强度（MPa）焊接位置电流种类、药皮类型牌号我国行业标准JxxxJ（结构钢）AxxxA（奥氏体钢）ZxxxZ（铸铁）注焊条牌号应符合相应的焊条型号如：J422 符合E4303 J507符合E5015（4）酸性焊条与碱性焊条酸性药皮不含CaF 气体 H2 、Co 脱S，P能力差，韧性差碱性大量CaCO3和CaF 气体 CO、CO2，脱S、P能力强，韧性好 适用场合手弧焊主要用于低碳钢（焊接性好）特点生产率低，金属浪费大，只用于单件，小批量短焊缝二、埋弧焊1原理及特点埋弧自动焊用焊剂进行渣

13、保护，焊丝为电极，在焊剂层下引燃电弧燃烧。（图10-33）可实现大电流高速焊接金属利用率高，焊接质量好，劳动条件好，适合于平直长焊缝、环焊缝2埋弧焊的工艺（1）焊前准备I型坡口板厚14mm Y型坡口1422mm 双Y型坡口2250mm（或U型坡口）（2）平板时接焊 （图10-35）双面焊 （图10-35）a 最常用（3）环焊缝（图10-36）（4）多丝埋弧焊3埋弧焊的应用 压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接等。三、气体保护焊1氩弧焊利用氩气保护电弧热源及焊缝区钨极氢弧焊（图10-37）熔化极氩弧焊（图10-38）脉冲氩弧焊（图10-39）特点应用易氧化的非铁金属和合金钢的焊接（

14、Al、 Ti、不锈钢）2CO2焊（CO2气体保护焊）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。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。四、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进行焊接。丝极电渣焊 板极电渣焊 熔嘴电渣焊 熔管电渣焊 特点： 应用：锅炉制造，重型机械，石油化工等 碳钢、低合金、中合金、高合金钢，铸铁铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金、铜五、等离子弧焊利用机械压缩效应、热压缩效应和电磁收缩效应将电弧压缩为细小的等离子体（图10-43）它可用于焊接和切割。特点及应用：能量密度大，弧柱温度高，穿透力强，速度快，生产

15、率高，应力变形小；可焊很薄的箔材应用特别在国防工业及尖端技术六、电子束焊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。（图10-45）真空电子束焊接示意图特点保护效果好，焊缝质量高，适用范围广能量密度大，穿透能力强，可焊厚大和难熔金属加热范围小，焊接变形小成本高应用微电子器件焊接，导弹外壳的焊接、高精度齿轮等。七、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1013w/cm2，从而使材料熔化焊接脉冲激光焊微电子工业薄膜、丝、集成电路引线和异材等连续激光焊较厚板材（焊缝很小）（图10-46）激光焊示意图特点及应用： 主要用于薄板和微型件的焊接第十一章 压焊工艺一、压焊的物理

16、本质通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子接近到晶格距离（0.30.5nm），形成金属键，从而获得不可拆接头的焊接方法。二、压焊的两要素热源电阻热、高频热、摩擦热力静压力、冲击力（锻压力）、爆炸力三、压焊的发展及应用压焊：冷压焊、热压焊、扩散焊11-1 电阻焊一、原理及过程1电阻焊利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现 焊接。热量通过焦耳楞次定律计算Q=I2Rt I焊接电流 R总电阻（焊接区）t通电时间R=Rc+2Rcw+2Rw （图11-1）Rc+2Rcw接触电阻力静压力用来调整电阻大小，改善加热，冲击力（锻压力）细化

17、晶粒、焊合缺陷。特点生产率高、变形小、劳动条件较好，不需另加焊接材料，易实现机械化。但设备较熔焊复杂，耗电量大，适用的接头型式与可焊工件厚度（或断面）受到限制。型式：点焊、缝焊、对焊二、电阻点焊点焊利用柱状电极加压通电，在搭接工件接触面之间焊成一个个焊点。（图11-3）点焊熔核形成过程（图11-4）点焊时的分流示意图（图11-5）点焊时的熔核偏移（图11-6）熔核偏移的防止适合厚度为4mm以下的薄板冲压结构及钢筋焊接。广泛应用于制造汽车、车箱、飞机等薄板结构的大批量生产。三、电阻缝焊缝焊与点焊相似（连续的点焊过程），只是用圆盘状滚动电极代替柱状电极，焊接时，盘状电极压紧焊件并转动（也带动焊件向

18、前移动），配合断续通电，即形成连续重迭的焊点（图11-8）特点分流现象严重，相同板厚工件，电流约为点焊的1.52倍，故要使用大功率焊机，焊点相互重迭约为50%以上，密封性好。应用要求密封性薄壁结构（3mm以下）如：油箱、小型容器与管道四、对焊利用电阻热使两个工件在整个断面上焊接起来的一种方法。电阻对焊 （图11-9a）闪光对焊 （图11-9b）应用刀具、管子、钢筋、钢轨、链条等的焊接11-2 摩擦焊苏联的丘季科夫发明利用焊件相互摩擦产生的热量，使端部达到塑性状态，然后迅速顶锻压焊方法（图11-10）摩擦焊工艺过程特点及应用 优点应用圆形工件、棒料及管子的对接（图11-11）摩擦焊的典型产品11

19、-3 超声波焊1956年美国的琼斯发明利用超声频的高频振荡能，两焊件局部接触处产生强烈摩擦、升温、变形冶金结合。摩擦、扩散、塑性变形综合作用。（图11-12）超声波焊原理示意图特点及应用高熔点、高导热性、难熔金属的焊接，异种材料的焊接（取代电阻焊、钎焊）11-4 扩散焊50年代末，苏联制成真空扩散焊设备原理及分类 （图11-13）特点及应用11-5 爆炸焊1959年美国斯坦福研究所研究成功利用爆炸时产生的高压、高温及高速冲击波进行焊接（图11-16） （图11-17）应用Al钢Cu 等复合板、复合管的焊接第十二章 钎焊、封接与粘接工艺在低于熔点的温度下，采用填缝材料，在液态下充填缝隙和毛细作用

20、及表面化学反应，待填缝材料结晶或固化后，将两个分离的表面连接形成不可拆接头。按填缝材料的不同它可分为： 钎接、封接、胶接（粘接）1钎接（也称钎焊）利用熔点比被连接材料的熔点低的金属或合金作钎料，适当加热后，纤料熔化而将处于固态的焊件联结起来（不可拆）2封接 玻璃封接 使外壳接缝封接 塑料封接3胶接（也称粘接）利用胶粘剂把两种性质相同或不同的材料通过粘胶在材料表面的吸附、填缝和润湿作用，而形成分子间力；或胶链聚合而形成化学键力胶粘剂固化牢固的连接接头。12-1 钎焊钎焊的过程工件（表面清洗）以搭接型式，装配起来，钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间，当工件与纤料加热（高于钎料熔点温度）纤料熔化（工

21、件未熔化）并借助毛细管作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态纤料与工件金属相互扩散溶解冷却后形成钎焊接头。根据钎料熔点的不同， 钎焊分为：硬钎焊和软钎焊。1硬钎焊 钎料熔点在450以下，接头强度较高，都在200MPa以上，属于此类钎料有铜基、银基、镍基等。2软钎焊钎料熔点在450以下，接头强度较低，一般不超过70MPa，所以只用于钎焊受力不大，工作温度较低的工件。常用钎料锡铅合金，通称锡焊，广泛用于焊接受力不大的常温工作的仪表、导电元件及钢铁、铜及铜合金等制造的构件。钎焊构件的接头形式都采用板料搭接和套件镶接（图14-11）钎焊接头型式一般钎焊接头间隙取为0.050.2mm钎焊加热方法烙铁加热

22、、火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热、盐浴加热等。烙铁加热温度较低软钎焊3钎焊的特点组织和力学性能变化很小，变形也小，光滑平整，尺寸精确；可焊异种金属，厚度差无限制生产率高，复杂构件设备简单，投资费用少但焊前清理要求严格，钎料价格较贵，主要用于精密仪表、电气零部件，异种金属构件及某些复杂薄板结构。12-2 封接一、玻璃封接过程为使陶瓷外壳安装后具有密封性，常采用玻璃封接材料将接缝封接，利用玻璃融熔时对陶瓷的填缝和化学反应，将陶瓷缝隙填满并固化（或结晶），形成密封结构玻璃封接。粉末封接玻璃在熔融过程中可分为三个不同阶段：随着固体物质的消失而出现液化排出气体等夹杂物熔融玻璃通过均匀扩散而形成无

23、定形体（均化玻璃的获取）以上三阶段可在同一时间开始，而在不同时间结束，并依此来制定玻璃封接的加热温度分布曲线和完整的玻璃封接工艺。二、封接玻璃1低熔玻璃软化温度不高于500的一类粉状玻璃材料无机焊料，结晶型玻璃、非晶型玻璃，广泛应用于真空和电子产品中。2电真空玻璃70年代初，国内利用电真空玻璃制作集成电路的陶瓷玻璃扁平外壳和金属圆形外壳，工艺简便，成本较低，适合于大批量。3玻璃质量检验和性能测试使玻璃的封接质量能够达到集成电路的封接要求，就必须要求玻璃具有良好的性能和质量，特别在大量生产中尤为重要。1）玻璃颜色及外来杂质检查 2）玻璃粒度检查3）流动性检查 4）耐水性或耐酸性5）气泡及蜂窝检查

24、 6）扭矩测试4封接工艺过程1）外形结构陶瓷熔封外壳的外形结构分：扁平式双列式（图12-1）陶瓷熔封集成电路结构2）制造工艺流程3）主要指标 12-3 粘接一、粘接技术利用胶粘剂把两种性质相同或不同的物质牢固地粘合在一起的连接方法。粘接具有的特点：应用已有几千年历史，埃及金字塔、万里长城都发现胶粘剂的痕迹，30年代合成树脂、合成橡胶等合成高分子材料，为粘接技术开辟了广阔的前景。二、粘接原理对胶接中的作用力，曾提出了许多种理论，对胶接力的某些解释可分为：化学或分子理论、扩散理论、静电理论、机械理论1化学或分子理论用分子力解释吸附理论最有根据、最基本的化学链的基本形式是离子键和共价键。2扩散理论根

25、据相似相分子的扩散或相互扩散，或者是一相的分子与另一相分子的相互渗透，可对不同聚合物之间的胶接作出非常满意的解释假设胶粘剂和母材间处于理想的润滑状态3静电理论似乎有点错误4机械理论适用于多孔的母材它已让位给极性理论，胶粘剂的极性是个非常重要的因素。三、胶粘剂1 分类：（图12-2）2组成： 基料、固化剂、增塑剂、稀释剂、填料3常用胶粘剂 （表12-1）四、粘接工艺过程1表面准备无灰主、氧化膜、液态物质等2胶粘剂的涂敷和固化3固化时间4再活化组装五、粘接技术的应用举例1蜂窝夹层结构蜂窝夹芯+上、下蒙皮三层结构材料强度、刚度高 如：一架大型喷气客机，要用一、二千平方米金属蜂窝夹层结构材料2船舶尾轴

26、与螺旋浆的安装常温固化的环氧胶3金属切削刀具的粘接焊接硬质合金刀片易产生裂纹粘结无机胶粘剂4铸件的修补气孔、砂眼用胶粘剂修补、变废为宝5零件尺寸的修复有相对运动的轴、孔或平面的磨损，视具体情况，采用胶粘剂的加减磨材料涂敷或喷涂恢复尺寸。如：机床导轨的磨损采用室温固化，环氧树脂胶+适量铸铁粉、MoS2粉填补修复固化后，用刮刀修平即可使用。第十三章 金属材料的焊接性13-1 金属材料的焊接性1 概念焊接性被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。即：金属材料在一定的焊接工艺条件下表现出“好焊”和“不好焊”的差别。包括两个方面：工艺焊接性焊接接头产

27、生工艺缺陷的倾向使用焊接性接头在使用中的可靠性包括力学性能及其它特殊性能（耐热、耐蚀）它们通过估算和试验方法来确定。注 绝大多数材料都可焊，只是难易不同。2估算钢材焊接性方法碳当量法估算被焊钢材的可焊性经验公式C当量=C+C当量0.6%塑性较低，淬硬很强，焊接性不好（采取措施）该法粗略，实际时要进行抗裂试验及焊接接头使用可焊性试验。3小型抗裂试验法能定性评定不同拘束型式的接头产生裂缝的倾向。常用试验方法：刚性固定对接试验法（图13-1） Y形坡口试验法 十字接头试验法13-2 碳钢的焊接一、低碳钢的焊接含碳量0.25%，塑性好，没有淬硬倾向，焊接性良好，无需特殊工艺措施。它可用各种方法焊接，常

28、用手弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护法、电阻焊。二、中、高碳钢焊接含C量，0.250.6%，焊接性（随C）逐渐变差，实际生产中，主要用于焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件。中碳钢焊接特点：热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝 焊缝金属热裂缝倾向较大中碳钢一般采用手弧焊，厚件可考虑电渣焊；高碳钢焊接特点与中碳钢相似，焊接性更差，一般只限于修补工作。13-3 合金结构钢的焊接机制用合金结构钢一般轧制、锻制、焊接较少普通低合金结构钢多用（低合金钢）低合金钢焊接特点： 热影响区的淬硬倾向 焊接接头的裂缝倾向冷裂缝倾向大焊缝、热影响区含H；热影响区淬硬程度；接头应力大小（表13-1）常用低合金钢焊接材料、预热温度选用表13-4 铸铁的焊补含C量高，组织不均匀、塑性很低焊接性很差（焊补）焊接特点：熔合区易产生白口组织 易产生裂缝 易产生气孔一般采用气焊，手弧焊进行焊补铸铁件：热焊法、冷焊法13-5 非铁金属的焊接 一铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，原因： 焊接法氩弧焊、气焊、碳弧焊、钎焊2铝及铝合金也较困难，焊接特点：