《金属焊接技术》课件

金属焊接技术金属焊接技术是现代制造业的核心工艺之一，涉及材料科学、物理学、工程学等多个学科领域本课程将系统讲解金属焊接的基本原理、工艺方法、设备应用以及质量控制等关键内容通过本课程的学习，学生将全面掌握各种焊接技术的特点和应用，为从事相关工程技术工作奠定坚实基础课程内容涵盖从基础理论到实际应用的各个环节焊接技术导论焊接定义历史发展现代意义焊接是通过加热、加压或两者并从古代的锻接技术发展到现代的焊接技术是连接金属构件最重要用，使两个分离的金属表面产生电弧焊、激光焊等高精度工艺，的方法，广泛应用于机械制造、原子间结合而连接成整体的工艺焊接技术已有数千年历史建筑工程、航空航天等领域过程焊接在工业中的地位60%制造业占比现代制造业中焊接工艺应用比例超过60%90%汽车行业汽车车身90%以上的连接采用焊接技术85%钢结构建筑钢结构85%的连接依靠焊接完成100%关键行业高铁、船舶、航空等行业100%依赖焊接技术焊接的主要分类熔焊加热使金属熔化后凝固连接压焊加热加压使金属产生塑性变形连接钎焊利用熔点较低的钎料连接熔焊技术基础局部加热金属熔化冷却凝固形成接头对接头处进行集中加热使母材和填充材料熔化熔池冷却凝固形成焊缝获得牢固的焊接接头压焊技术基础点焊缝焊摩擦焊通过电阻加热在两点连续的点焊形成密封利用摩擦生热进行焊间形成焊点，广泛用焊缝，适用于容器和接，适合异种材料连于薄板连接，是汽车管道的焊接，确保良接，焊接质量高且变制造的主要工艺好的密封性能形小钎焊技术基础低温工艺温度低于母材熔点钎料熔化只有钎料熔化流动毛细作用液态钎料填充缝隙金属材料的焊接性化学成分裂纹敏感性碳、硫、磷等元素含量直接影响焊接材料在焊接过程中产生热裂纹和冷裂性能和接头质量纹的倾向性评估力学性能工艺适应性焊接接头的强度、韧性、耐腐蚀性等不同焊接方法对特定材料的适用程度综合性能表现和工艺要求常用金属材料焊接特性低碳钢中高碳钢不锈钢含碳量小于，焊接性能优良，含碳量，焊接时易产生淬硬对热裂纹敏感，导热系数小，线膨胀

0.25%

0.25-

0.6%不需要特殊的预热和后热处理焊缝组织和冷裂纹需要预热、控制层间系数大，焊接时变形较大需要选择金属强度与母材匹配良好，是最容易温度，焊后缓冷或热处理合适的焊接材料和保护气体焊接的钢材焊接难度较大，需要严格控制工艺参晶间腐蚀是主要问题，需要控制碳含广泛应用于建筑结构、管道、容器等数和热输入量量和热输入工程中，焊接工艺简单可靠合金材料焊接低合金钢强度高但焊接性能下降，需要预热和焊后热处理合金元素提高了强度但增加了淬硬倾向，焊接工艺相对复杂铝合金导热快、氧化膜致密，需要交流电源和保护气体焊接速度要快，避免热影响区软化和气孔形成钛合金高温下活性强，必须在惰性气体保护下焊接焊接质量要求极高，广泛用于航空航天领域镍基合金耐高温耐腐蚀，焊接时易产生热裂纹需要严格控制杂质含量和焊接参数，多用于化工设备焊接电弧及其特点电弧引燃电极与工件间产生瞬间短路，引起局部过热和金属蒸发电离电弧维持离子和电子在电场作用下定向运动，形成稳定的导电通道高温特性电弧中心温度达℃，提供充足热源进行金属熔化6000-8000能量转换电能转化为热能，集中作用于焊接区域实现局部熔化常用焊接电源类型直流电源电弧稳定，飞溅小，适合各种位置焊接正接时熔深大，反接时熔宽大广泛用于手工电弧焊和氩弧焊交流电源具有阴极破碎作用，适合铝、镁等有氧化膜的材料焊接成本低，但电弧稳定性相对较差变频电源输出特性可调节，控制精度高，节能效果好代表了焊接电源的发展方向，适合自动化焊接焊接所用气体氩气二氧化碳惰性气体，化学性质稳定活性气体，成本低廉适合有色金属焊接适合碳钢焊接••电弧稳定性好熔深大，生产效率高••焊缝成型美观飞溅相对较多••氦气混合气体导热系数高结合各气体优点电弧温度高₂混合气••Ar+CO适合厚板焊接改善电弧特性••成本较高减少飞溅••焊材及辅助材料焊条焊丝焊剂由药皮和焊芯组成，药皮提供保护和合用于气体保护焊和埋弧焊的填充材料埋弧焊专用材料，提供保护和冶金作用金化作用根据药皮类型分为酸性、碱有实心焊丝和药芯焊丝两类，直径从分为熔炼焊剂和烧结焊剂，影响焊缝的性、纤维素型等，选择要与母材匹配到不等化学成分和机械性能

0.8mm

4.0mm碱性焊条介绍主要成分含有₃、₂等碱性氧化物，具有强脱氧脱硫能力CaCO CaF冶金特性焊缝金属含氢量低，抗裂性能好，机械性能优良适用范围适合低合金高强钢、重要结构的焊接，质量要求高的场合使用要求使用前必须烘干，焊接时需要短弧操作，对操作技能要求较高焊接设备概述自动化焊机数字化控制包括焊接机器人、自动焊接专机等，提高生产效率和焊采用微处理器控制，具有参数存储、故障诊断、远程监接质量稳定性，是现代制造业的发展趋势控等功能，实现焊接过程的精确控制专用设备检测装置针对特定工艺和产品设计的专用焊接设备，如管道自动集成实时监测系统，对焊接参数、熔池状态进行监控，焊机、压力容器焊接设备等确保焊接质量典型熔焊方法手工电弧焊——工艺原理主要优势应用领域利用电弧产生的高温熔化焊条和母材，设备简单，成本低廉建筑钢结构、管道安装、设备维修、•形成熔池焊条药皮熔化产生气体和造船等领域广泛应用特别适合现场适用性广，各种位置都能焊接•熔渣，保护熔池免受空气污染作业和修复焊接对风和环境要求不高•焊工手工操纵焊条，控制电弧长度和维修和短焊缝焊接效率高虽然自动化程度不高，但仍是不可替•焊接速度，是最基本的焊接方法代的基础焊接方法埋弧焊技术焊剂覆盖自动送丝高效生产质量优良电弧在焊剂层下燃烧，焊丝自动送进，焊接参熔深大，焊接速度快，保护好，焊缝成型美观，完全埋没，无弧光辐射数稳定，适合长焊缝适合厚板和大型结构件机械性能优良气体保护焊、GMAW TIG焊接方法保护气体主要特点适用材料₂气保焊二氧化碳成本低，熔碳钢、低合CO深大金钢焊₂飞溅小，成碳钢、不锈MAG Ar+CO型好钢焊氩气质量高，无铝、铜等有MIG飞溅色金属焊氩气精度高，质不锈钢、钛TIG量优合金等离子弧焊高精密度电弧能量密度极高，热影响区小热源集中等离子弧挺度好，方向性强适用范围薄板焊接、不锈钢、有色金属压焊典型工艺点焊——3000焊点数量一辆汽车车身约有3000个焊点

0.1-

0.5焊接时间单个焊点仅需

0.1-

0.5秒95%自动化率汽车行业点焊自动化率达95%80%节能效果比传统焊接节能80%以上摩擦焊高速旋转工件端面高速相对运动摩擦生热摩擦产生局部高温施加压力轴向压力完成焊接固相连接无熔化状态下实现连接常见钎焊工艺铜钎焊真空钎焊银钎焊广泛用于制冷在真空环境下使用银基钎料，管路、散热器进行，避免氧强度高、导电连接，工艺简化，适合精密性好，常用于单可靠，成本零件和航空航电器触点和精低廉，连接强天部件的高质密仪器连接度高量连接火焰钎焊操作简便，设备简单，适合现场作业和小批量生产，广泛用于维修领域焊接冶金学基础熔池形成冶金反应高温热源使母材和填充金属熔化，形熔池中发生脱氧、脱氮、合金化等复成液态金属熔池，是焊接冶金反应的杂的物理化学反应，影响焊缝的最终主要场所性能凝固过程组织性能熔池按一定方向逐渐凝固，形成柱状最终形成的焊缝组织决定了接头的力晶组织，凝固速度影响晶粒大小和性学性能、耐腐蚀性等关键指标能金属熔池的凝固过程过冷与形核液态金属冷却到熔点以下产生过冷度，达到临界过冷度时开始形核晶核长大晶核按一定方向生长，形成树枝状晶体结构，生长方向主要沿散热方向晶粒形成相邻晶粒相遇形成晶界，最终构成多晶体组织结构焊缝金属的组织与性能冷却速度影响化学成分作用力学性能表现快速冷却形成细小晶粒，提高强度和碳含量影响组织类型，合金元素改变细晶组织具有高强度和良好韧性，粗韧性慢速冷却形成粗大晶粒，韧性相变温度和组织稳定性硫、磷等有晶组织强度较低但变形能力强晶界下降但塑性较好害元素降低性能处是薄弱环节焊接参数直接影响冷却速度，进而决焊接材料的选择必须考虑化学成分匹通过控制工艺参数可以获得理想的组定焊缝组织特征配织和性能热影响区HAZ过热区温度最高，晶粒粗大，性能下降明显，是接头的薄弱环节正火区发生完全重结晶，晶粒细化，性能较好部分相变区部分奥氏体化，组织不均匀，性能变化复杂回火区温度较低，发生回火作用，硬度稍有下降焊接缺陷类型总览裂纹类缺陷几何缺陷•热裂纹凝固过程产生•未熔合结合面未完全熔合•冷裂纹冷却后产生•未焊透根部未完全熔透•应力腐蚀裂纹服役期产生•咬边母材被咬掉形状缺陷内部缺陷•焊瘤熔金属堆积过多•气孔气体来不及逸出•下塌背面下垂•夹渣熔渣未清除干净•烧穿熔透孔洞•夹钨钨电极混入焊缝热裂纹与冷裂纹形成温度热裂纹在高温凝固过程中产生，冷裂纹在室温或更低温度下形成影响因素热裂纹主要受化学成分影响，冷裂纹与氢含量、应力状态密切相关扩展路径热裂纹沿晶界扩展，冷裂纹可穿晶或沿晶界扩展预防措施控制化学成分和冷却速度防止热裂纹，预热和低氢焊接防止冷裂纹未熔合与未焊透未熔合特征未焊透识别焊缝金属与母材或前一道焊缝之间未焊缝根部未完全熔透，在射线检测中X完全熔合，存在明显的结合界面主呈现连续的黑线双面焊时表现为中要出现在坡口侧壁、多层焊的层间间未熔合区域严重影响接头的力学性能，特别是疲是承载能力的严重缺陷，必须进行返劳强度大幅下降修处理咬边与焊瘤咬边成因焊瘤形成防止措施电流过大、运条速度过电流过大、焊接速度过选择合适的焊接参数，快、电弧过长等工艺参慢、间隙过大等原因，控制运条手法，保持适数不当，导致母材边缘使熔化金属流淌到焊缝当的电弧长度和焊接速被熔化掉形成沟槽以外形成瘤状突起度修复方法轻微咬边可磨平，严重的需补焊；焊瘤可机械清除后重新焊接烧穿与下塌烧穿原因热输入过大，薄板局部过热间隙影响装配间隙过大加剧烧穿倾向控制方法减小电流、提高焊速、加垫板错边与角变形反变形预设焊接顺序优化根据经验和计算预先设置反变形量，利装配精度控制合理安排焊接顺序，采用对称焊接、分用焊接收缩来抵消预设变形，获得符合严格控制零件加工精度和装配质量，减段退焊等方法，平衡焊接应力，减少变要求的最终形状少装配误差使用专用夹具确保定位准形确，避免错边产生气孔及夹渣夹渣类型检测方法氧化物、硫化物等杂质无损检测技术熔渣清理不彻底射线检测••X气孔来源预防措施多层焊层间夹渣超声波检测••氢气、氮气、一氧化碳等工艺控制要点坡口角度不当目视检查••焊条潮湿产生氢气焊材烘干处理••保护不良吸收氮气彻底清理熔渣••有机物分解产生改善保护效果•CO•电弧擦伤与其他表面问题电弧擦伤在母材表面错误引弧造成的局部熔化痕迹，破坏金属表面完整性疲劳影响表面缺陷成为应力集中点，显著降低构件的疲劳寿命正确引弧在坡口内或引弧板上引弧，避免在母材表面直接引弧修复处理轻微擦伤可打磨平整，严重的需要补焊后再打磨典型焊接接头形式对接接头角接接头两工件端面相对焊接，传力直接，效率最高适用于承两工件成直角连接，主要承受剪切力常用于框架结构、受拉力、压力的结构，是最常用的接头形式容器制造，焊缝计算相对复杂形接头搭接接头T一个构件垂直焊在另一个构件上，应力集中明显广泛两工件重叠焊接，材料利用率较低但制作简单多用于用于梁柱连接、支撑结构薄板连接和不重要的结构焊缝的结构与尺寸参数焊缝尺寸坡口设计规范要求焊缝高度（）影响承载能力，一般为坡口角度一般为，确保根部完各行业标准对焊缝尺寸有具体规定h60-70°板厚的倍焊缝宽度（）影响全熔透钝边高度，防止烧穿压力容器要求更严格，建筑钢结构相

0.7-

1.0b1-3mm热影响区大小，通常为高度的间隙大小影响熔透和变形对宽松设计时必须符合相关规范

1.2-

2.0倍厚板需要开坡口，薄板可直接对接检验标准与设计要求相对应余高过大浪费材料且产生应力集中，过小影响强度焊接工艺参数金属焊接的安全防护面部防护身体防护通风防护使用专业焊接面罩防止穿戴阻燃工作服、皮手确保作业场所通风良好，强光辐射和紫外线伤害套、安全鞋等防护用品必要时使用局部排风设滤光片规格要与焊接电避免皮肤暴露，防止电备防止吸入有害烟尘流匹配，保护眼睛和面弧灼伤和金属飞溅伤害和气体，保护呼吸系统部皮肤健康电气安全定期检查设备绝缘，使用漏电保护器潮湿环境下采用安全电压，防止触电事故发生代表性应用案例汽车制造——机器人焊接现代汽车生产线配备数百台焊接机器人，实现车身焊接的完全自动化精度控制焊点位置精度达到，确保车身结构的一致性和安全性±

0.1mm生产效率单台机器人每分钟可完成个焊点，大幅提高生产效率10-15质量保证实时监控焊接参数，在线检测焊点质量，确保每个焊点都符合标准代表性应用案例钢结构工程——建筑钢结构桥梁工程自动化施工高层建筑的钢结构连接主要采用焊接工大跨度桥梁钢箱梁采用分段制造、现场大型钢结构采用埋弧自动焊等先进工艺，艺梁柱节点焊接质量直接关系到整个拼装焊接的方式焊缝长度可达数公里，提高焊接效率和质量单道焊可焊透建筑的安全性，需要严格的质量控制和对焊接工艺和质量要求极高厚钢板，显著缩短工期50mm检测典型应用案例压力容器——设计要求压力容器焊缝设计必须满足压力、温度等工况要求焊接工艺采用多层多道焊接，严格控制层间温度和预热后热无损检测射线检测或超声检测，确保焊缝内部质量100%压力试验水压试验验证容器整体强度和密封性能金属焊接质量检测技术外观检测目视检查焊缝表面成型、尺寸是否符合要求使用焊缝检测尺测量焊缝高度、宽度等几何参数简单直观但只能发现表面缺陷无损检测X射线、超声波、磁粉、渗透等方法检测内部缺陷不破坏工件，可以发现裂纹、气孔、夹渣等各种缺陷类型力学性能试验拉伸、弯曲、冲击、硬度等试验评估接头力学性能破坏性试验，主要用于工艺评定和抽检验证金相检验观察焊缝和热影响区的显微组织结构分析焊接缺陷的形成机理，为工艺改进提供依据无损检测方法简介NDT检测方法适用缺陷检测厚度主要优点主要局限射线检测体积型缺直观可靠成本高，2-200mm陷有辐射超声检测面积型缺灵敏度高需要耦合8-800mm陷剂磁粉检测表面近表操作简便仅适用铁0-3mm面裂纹磁材料渗透检测表面开口表面成本低廉只能检表缺陷面。