华理材料与成形技术课件

目

录4.1概述

4.1.1 焊接技术的发展

4.1.2 焊接特点和分类

4.2 熔化焊接

4.2.1 焊条电弧焊

4.2.2 埋弧自动焊

4.2.3 气体保护焊

4.2.4 电渣焊

4.3 压力焊和钎焊

4.3.1 电阻焊

4.3.2 摩擦焊

4.3.3 钎焊

4.4 焊接冶金过程和接头组织转变

4.4.1 焊接冶金过程

4.4.2 焊接接头的组织转变

4.5 焊接结构工艺性 4.

5.1 焊接应力与变形4.5.2 焊接结构的设计4.6 焊接性和常用金属的焊接4.

6.1 金属焊接性的概念4.6.2 常用金属材料的焊接4.7 金属切割4.

7.1 气割4.7.2 等离子弧切割4.7.3 碳弧气刨4.7.4 水射流切割4.8 胶接4.

8.1 胶接的基本原理4.8.2 胶接的主要特点4.8.3 胶接工艺4.8.4 胶接应用举例4.9 现代焊接技术4.

9.1 电子束焊接 4.9.2 激光焊接4.9.3 扩散焊4.9.4 爆炸焊4.9.5 超声波焊4.9.6 窄间隙熔化极气体保护电弧焊4.9.7 高频焊4.9.8 搅拌摩擦焊4.9.9 激光－电弧复合热源焊接4.9.10 强迫成形气体保护自动立焊技术4.9.11 焊接机器人和柔性焊接系统

第4章焊接成形

4.1 概述

4.1.1 焊接技术的发展

焊接技术的诞生和发展经历了数千年的历史，如用火烙铁加热低熔点铅锡合金

的软钎焊，可追溯到公元前。但目前工业生产中广泛应用的焊接方法几乎都是19世纪末、20世纪初的现代科学技术，特别是电工技术迅速发展以后所带来的现代工业产物。如表4-1所示。

表4-1 熔化焊的发展史

年份项目

1885 1886 1892 1895

1907 1909 1928 1930（俄国）利用碳棒引弧进行焊接（Benardos）

（美国）电阻焊机获专利（Elihu Thompson）

（俄国）熔化金属极起弧焊接（Slavianoff）

（德国）铝热剂焊接－利用铝与氧化铁的化学反应进行焊接（Goldschmit）（法国）发明氧乙炔火焰（Le Chatelier）

（瑞典）发明焊条（Kjellberg）

发明等离子弧（使用一个气体涡流稳流器后产生的电弧）（Schonherr）

发明交流焊机

（美国）薄皮焊条焊接（A.O.Smith公司）

续表年份项目

1930

1933 1935 1936 1938 1940 1948

1951 1953 1956 1957

1960 1963

1964 1965（苏联）发明埋弧焊，取得美国专利（Robinoff）

（美国）发明不熔化极惰性气体保护焊──TIG（Tungusten Inter Gas）

（美国）美式埋弧焊开发成功──Union Carbide公司（UCC）埋弧自动焊开发成功厚皮焊条焊接

（美国）发明熔化极惰性气体保护焊──MIG（Metal Inert Gas）

纤维素焊条开发成功并投入实际使用

（美国）TIG投入实际使用（Meredith）

（德国）电子束焊机发明（Steigerwald）

（美国）MIG焊投入实际应用──直流反接，大电流密度

（苏联）发明电渣焊并获得实际应用（Paton）

（日本、苏联、荷兰）CO2焊接方法开发成功

超声波焊接

摩擦焊

等离子弧焊

（美国）发明激光焊机（Maiman）

（比利时）气体保护立焊开发成功

爆炸焊

（美国）自动保护焊技术开发成功

2～3丝埋弧自动焊成功开发，普及应用

脉冲激光焊

续表年份项目

1970

1974 1975 1979 1980 1981 1982 1991

连续激光焊

激光－电弧复合热源焊接

混合气体MAG焊（CO2+20%~50%Ar）用于压力容器生产

大功率（100 kW以上）电子枪开发成功，电子束焊用于100 mm超厚板焊接

三丝高速埋弧焊成功用于大直径钢管制造

窄间隙埋弧焊、TIG焊、MAG焊用于超厚板焊接

多丝大电流单面MIG焊开发成功，并用于LPG船建造

电弧焊机器人研究开始

无缝药芯焊丝普及

强迫成形气体保护自动立焊

搅拌摩擦焊

焊接方法的发展是以电弧焊和电阻焊为起点的。电弧作为一种气体导电的物理

现象，是在19世纪初被发现的。但只是到19世纪末电力生产得到发展以后人们才有条件来研究它的实际应用。1885年俄国人别那尔道斯发明碳极电弧可以看作是电弧作为工业热源应用的创始。而电弧真正应用于工业，则是在1892年发现金属极电弧后，特别是1930年前后出现了薄皮和厚皮焊条以后才逐渐开始的。电阻焊是1886年美国人发明的，它的大规模工业应用也几乎与电弧焊同时代。

1930年以前，焊接在机器制造工业中的作用还是微不足道的。当时造船、锅炉、飞机等制造工业基本上还是用铆接的方法。铆接方法不仅生产率极低，而且连接质量也不能满足船体、飞机等产品的发展要求。100多年前，为了迎接世博会在巴黎召开，法国于1889年建成了埃菲尔铁塔，就材料进步而言，钢铁结构取代了传统的土木结构，使高达320m的铁塔屹立在巴黎，铁塔总重7000t，15000多个金属型材、钣金件是经过冶炼、铸造、轧制、锻压成形和加工制作，用几十万颗铆钉和螺栓连接，而不是采用焊接连接。1930年后，由于发明了药皮焊条，提高了焊接质量，焊接技术逐渐代替铆接，成为机器制造工业中的一种基本加工方法。

钢铁工业的快速发展，给我国焊接行业，尤其是重型机械金属结构行业焊接技术的可持续发展创造了很大的空间。据国际钢铁协会（IISI）统计，2004年世界用钢量为9.35亿吨，其中机械制造业金属结构用钢量约占用钢量的45％，我国2004年用钢量为3.12亿吨，占全球钢产量的33％，其中1.6亿吨应用于焊接结构，约占用钢量的51％左右。

我国机械行业在20世纪50年代开始使用埋弧自动焊和电渣焊工艺方法，主要用于一些厚板对接、工字型梁及筒体焊接。近年来，一些大型企业通过技术改造，相继应用双丝埋弧焊、双丝窄间隙埋弧自动焊、龙门式焊机、轧辊埋弧堆焊等先进的焊接工艺方法，以满足产品制造技术要求。在我国重型机械金属结构行业，高效焊接方法完成的金属结构件已占其总重量的50％～80％左右，在中小型企业中，CO

气体保护

2

实芯焊丝、埋弧自动焊等方法也得到一定应用。

4.1.2 焊接特点和分类

焊接技术在汽车制造中得到广泛的应用。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不开焊接技术的应用。在汽车零部件的制造中，点焊、凸焊、缝焊、滚凸焊、焊条电弧焊、CO 2气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等各种焊接方法中，由于点焊、气体保护焊、钎焊具有生产量大，自动化程度高，高速、低耗、焊接变形小、易操作的特点，所以对汽车车身薄板覆盖零部件特别适合，因此，在汽车生产中应用最多。在投资费用中点焊约占75%，其他焊接方法只占25%。随着结构件制备和组装工艺的改善，高效稳定的机器人焊接设备将极大地提高产品的产量和质量。

在飞行器制造中，焊接已成为一种主导的工艺技术，各种焊接方法所占的比例也发生了明显的变化，为保证产品的高质量与可靠性以及在运行中的全寿命可维修性，高能束流（激光、电子束、等离子体）焊接和固态焊（扩散焊、摩擦焊、超塑成形/扩散连接、扩散钎焊）的比例正在扩大。

焊接成形技术的本质在于：利用加热或者同时加热加压的方法，使分离的金属零件形成原子间的结合，从而形成新的金属结构。因此焊接技术主要围绕着克服焊接中两类困难而展开：第一为距离的困难，除钎焊以外任何一种焊接技术，都设法使分离的被焊材料达到分子间距离，使其产生强大的分子间结合力。

常用焊接方法

第二是克服被焊件表面污染和氧化层的困难，表面污染和氧化层阻碍了被焊材料达到分子间距离从而产生分子间结合力，而焊接技术的一个重要任务就是设法消除表面污染和氧化层，使材料顺利达到分子间距离。围绕着克服这两类困难，派生出许多焊接方法。根据焊接过程的特点，可以把常用的焊接方法归纳如下：

熔化焊压力焊钎焊

气焊

电弧焊电渣焊

电子束焊

激光焊

焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊

氩弧焊CO 2气体保护焊电阻焊摩擦焊

扩散焊高频焊

点焊缝焊对焊烙铁钎焊

火焰钎焊炉中钎焊

1.实现焊接的原理

为了达到焊接的目的，大多数焊接方法都需要借助加热或加压，或同时实施加热和加压，以实现原子结合。

从冶金的角度来看，可将焊接区分为三大类：液相焊接、固相焊接、固-液相焊接。用热源加热待焊部位，使其发生熔化而实现原子间结合，属于液相焊接。熔化焊是最典型的液相焊接。熔化焊一般需填充材料，常用的填充材料是焊条或焊丝。

压力焊是典型的固相焊接方法。固相焊接时，必须利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊表面的温度升高，通过调节温度、压力和时间使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合。

固-液相焊接时待焊表面并不直接接触，而是通过两者毛细间隙中的中间液相相联系。在待焊的母材与中间液相之间存在两个固-液界面，通过固液相间充分进行扩散，而实现原子结合。钎焊是典型的固-液相焊接方法，形成中间液相的填充材料称为钎料。

2.焊接热源的种类及特征

能源是实现焊接的基本条件。焊接热源应具备：

(1) 热量高度集中可快速实现焊接；

(2) 得到致密而强韧的焊缝；

(3) 控制焊接热影响区尺寸。

能够满足焊接条件的热源有以下几种。

(1)电弧热利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，是目前应用最为广泛的一种焊接热源，如焊条电弧焊、埋弧自动焊等。

(2)化学热利用可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂燃烧时所产生的热量作为焊接热源，如气焊等。

(3)电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻焊和电渣焊。采用这种热源所实现的焊接方法，便于实现机械化和自动化，可获得较高的生产率。

(4)高频热源对于有磁性的被焊金属，利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实质上也属电阻热。由于这种加热方式热量高度集中，故可以实现很高的焊接速度，如高频焊管等。

(5)摩擦热由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源，如摩擦焊。

(6)电子束在真空中，利用高压高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源，如电子束焊。

(7)激光束通过受激辐射而使放射增强的单色光子流，即激光，它经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源。

每种热源都有其本身的特点，目前在生产上均有不同程度的应用。与此同时，还在大力开发新的焊接热源。

3. 焊接方法分类

焊接的主要方法为熔化焊、压力焊和钎焊。

熔化焊是利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。熔化焊简称熔焊。

压力焊是在焊接过程中对工件加压（加热或不加热）完成焊接的方法。压力焊简称压焊。

钎焊是利用熔点比母材低的填充金属熔化以后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的焊接方法。

焊接广泛用于汽车、造船、飞机、锅炉、压力容器、建筑、电子等工业部门。全球钢产量的50％～60％要经过焊接才最终投入使用。

焊接工艺的优点在于：

(1)接头的力学性能与使用性能良好。例如，120万千瓦核电站锅炉，外径6400mm，壁厚200mm，高13000mm，耐压17.5MPa。使用温度350℃，接缝不能泄漏。应用焊接方法，制造出了满足上述要求的结构。

某些零件的制造只能采用焊接的方法连接。例如电子产品中的芯片和印刷电路板之间的连接，要求导电并具有一定的强度，到目前为止，只能用钎焊连接。

(2) 与铆接相比，采用焊接工艺制造的金属结构重量轻，节约原材料，制造周期短，成本低。

4.2 熔化焊接

常用的熔化焊接方法有电弧焊、气焊、电渣焊、激光焊、电子束焊等。其中电弧焊设备简单、使用方便，是目前应用最为广泛的熔化焊方法，主要包括焊条电弧焊、气体保护焊、氩弧焊等。

埋弧自动焊、CO

2

4.2.1 焊条电弧焊

焊条电弧焊是利用手工操纵电焊条进行焊接的电弧焊方法，如图4-1所示。

图4-1 焊条电弧焊示意图

1. 焊接电弧

电弧是一种气体导电现象。所谓气体导电，是指两电极存在电位差时，电荷通过两电极之间气体空间的一种导电现象。通常气体是不导电的，要使气体导电，须将两个电极之间的气体电离，亦即将中性气体粒子分解为带电粒子；并使两电极间产生一定的电压，使这些带电离子在电场作用下作定向运动，两个电极间的气体中就能连续不断地通过很大的电流，从而形成连续燃烧的电弧。电极间的带电粒子可以通过阴极的电子发射与电极间气体的不断电离得到补充。电弧放电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。焊条电弧焊就是利用电弧的热量熔化熔池和焊条的。

电弧的构造如图4-2所示。在钢焊条的电弧中，电

弧弧柱区的温度高达5 000 K以上。阴极区和阳极区的温

度较低，分别约为2 400 K和2 600 K。阴极区和阳极区

的几何长度l 很小，仅为10-4~10-5 cm。我们所看到的电

弧实际上是电弧的弧柱区。阴极区和阳极区虽然几何长

度很小。但是对于焊接时热量的产生很重要。在阴极区

和阳极区所产生的热量占电弧产热的近80％。弧柱区产

生的热量仅约占20％。电弧的结构复杂，在阳极区和阴

极区存在大量的空间负、正电荷，使阳极区和阴极区之

图4-2 电弧的构造

间产生较大的电压降，电流流过时产生较大的功率。

2. 电弧的主要作用力

电弧在焊接过程中不仅是个热源，而且也是个力源。焊接电弧的作用力对于熔池和焊缝的形成，以及焊条端部金属熔滴的过渡都有重要的影响。电弧的主要作用力有以下几种。

(1)磁收缩力焊接电弧形状是一个断面直径变化的圆锥体，由于它是气态导体，因此在电磁收缩力的作用下，径向压力将使电弧产生收缩(图4-3)。从图中可见，靠近焊条的断面直径较小，连接工件的导电断面直径较大，轴向压力将因直径不同而产生压力差，从而产生由焊条指向工件的向下推力，这种电弧的压力称为电弧的电磁静压力。电磁静压力作用在熔池上将形成图4-4a所示的熔池轮廓。

图4-3 电弧受电磁力作用图4-4 电磁力对熔池形状的影响

图4-5 电弧中等离子流形成示意图(2）等离子流力由于上述电磁收缩力引起的轴向推力

的作用，使靠近焊条端部处的高温气体向工件方向流动(图

4-5)，由于高温气体的流动，将引起焊条上方的气体以一定

的速度连续进入电弧区。这些新进入电弧的气体被加热电

离后受轴向推力的作用不断冲向工件，对熔池形成附加压

力。这种高温电离气体高速流动时所形成的力称为等离子

流力。等离子流力又称电磁动压力，其流动速度可达每秒

数百米，产生的压力使焊缝形成图4-4b 所示的熔池形状。

(3）斑点力斑点是阴极发射电子或阳极导入电子的

导电点。斑点力又称极点力或极点压力，是电弧施加在电极上的作用力。这种力在一定条件下将阻碍金属熔滴的过渡。通常认为斑点力可以是正离子和电子对电极的撞击力，也可以是电磁收缩或电极材料蒸发的反作用力等。

3. 电弧的极性及其选择方法

电弧的两级与焊接电源的连接方式称为电弧的极性。交流电弧焊时，电源极性交替变化，所以电弧的两极可与电源两接线柱任意连接。直流电弧焊接时，电源两极固定，因此电弧两极可以有两种方式与电源两极相连接。若焊件与焊机的正极相连接，焊条与负极相连，称为正接法或正极性(图4-6a)，反之，则称为反接法或反极性(图4-6b)。在焊条电弧焊中，通常焊厚板时，需要较高的温度，常采用直流正接法，而焊薄板时，为了避免烧穿工件，常采用直流反接法。

图4-6 电弧极性

4. 熔滴过渡

在电弧热的作用下，焊条加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊条进入熔池，称之为熔滴过渡。熔滴过渡的形式以及过渡过程的稳定性取决于作用在焊条末端熔滴上的各种力的综合影响，其结果会关系到焊接过程的稳定性、焊缝成形、飞溅大小、最终影响焊接质量和生产率。

5. 焊接电弧的静特性

在电极材料、气体介质和弧长一定的情况

下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化

的关系称为焊接电弧的静特性。表示这两者关系

的曲线称为电弧静特性曲线，如图4-7所示。

该曲线呈U形，可分为三个区段：ab段，电

图4-7 不同弧长的电弧静特性曲线

流密度较小，随电流增加，电弧电压急剧下降，

故称下降特性；bc段，电流密度中等，随电流增加电弧电压几乎保持不变，故称平直特性。焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊（TIG）在正常工艺参数焊接时，其电弧在此段稳定燃烧；cd段，电流密度大，随电流增加电弧电压上升，故称上升特性。熔化极气体保护焊时，因常用小直径焊丝，其电流密度较大，所以电弧多在此区段稳定燃烧。

6. 焊缝形成过程

不同的电极材料、气体介质或电弧长度，对电弧静特性均有影响，在其他条件不变的情况下弧长增加，电弧电压也升高，电弧静特性曲线的位置相应升高，当电流—定时，电弧电压与弧长成正比。

焊缝形成过程如图4-1所示。焊接时，在电弧高热的作用下，被焊金属局部熔化，在电弧的吹力作用下，被焊金属上形成了卵形的凹坑。这个凹坑称为熔池。

由于焊接时焊条倾斜，在电弧的吹力作用下，熔池的金属被排向熔池后方，这样电弧就能不断地使深处的被焊金属熔化，达到一定的熔深。

焊条药皮熔化过程中会产生某种气体和液态熔渣。产生的气体充满在电弧和熔池的周围，起到隔绝空气的作用。液态熔渣浮在液体金属表面，起保护液体金属的作用。此外，熔化的焊条金属向熔池过渡，不断填充焊缝。

熔池中的液态金属、液态熔渣和气体之间进行着复杂的物理、化学反应，称之为冶金反应，这种反应对焊缝的质量有较大的影响。

熔渣的凝固温度低于液态金属的结晶温度，冶金反应中产生的杂质与气体能从熔池金属中不断被排出。熔渣凝固后，均匀地覆盖在焊缝上。焊缝的空间位置有平焊、横焊、立焊和仰焊。

4.2.2 埋弧自动焊

图4-8 埋弧焊机

埋弧自动焊焊接时，电弧被焊剂所包围。引弧、送丝、电弧沿焊接方向移动等

过程均由焊机自动完成(图4-8、

图4-9)。埋弧焊和焊条电弧焊都

属于渣保护的电弧焊方法。

埋弧自动焊焊接过程中，工

件被焊处覆盖着一层厚30~50 mm

的颗粒状焊剂，焊丝连续送进，并

在焊剂层下产生电弧。电弧的热量

使焊丝、工件和焊剂都熔化，形成

金属熔池和熔渣。液态熔渣构成的

弹性膜包围着电弧与熔池，使它们

与空气隔绝。随着焊丝自动向前移

动，电弧不断熔化前方的母材金属、

焊丝与焊剂，熔池后面的金属冷却

形成焊缝，液态熔渣随后也冷凝形

成渣壳。图4-9 埋弧焊示意图

视频1 埋弧自动焊

焊接不同的材料，应选择不同的焊丝与焊剂。如焊接低碳钢，常用H08A 焊丝与焊剂431（高锰高硅型焊剂）。

埋弧焊的特点是：

(1) 焊接电流大（比手工电弧焊大5~10倍），熔深大，生产率高。

(2) 对焊接熔池的保护好，焊接质量高。

埋弧焊主要用于焊接厚度大的直线平焊焊缝与大直径环形平焊焊缝(见视频1)，

广泛用于锅炉、容器、造船等金属结构。