固态材料的连接成形技术
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4）焊接应力与变形
焊接过程中，焊缝就相当于一个加热的杆件，焊缝周围部分可看成是具有一定的刚性 拘束，焊缝(杆件)受热时不能自由伸长，冷却时不能自由收缩，这样最终在焊缝处产生 拉应力，而周围金属产生压应力。刚性约束越大，最终产生的应力越大。
若焊接构件刚性不足，承受不了焊接应力就会产生变形，焊件通过变形可削弱焊接应 力状态。如果焊接应力超过焊接材料的强度极限，焊接件不仅发生变形，而且还会产生 裂纹，尤其是低塑性材料更易开裂。
本章主要讨论固态材料的永久性连接成形。焊接的部分应用。
南京长江大桥
烟管式锅炉
硝酸生产装置
铁素 体不
美F-22战机
§10-1 焊接成形过程
1、焊接成形过程特征和理论基础
1）焊接成形原理及特点
焊接成形原理：
焊接方法类别 接头处材料状态
连接原理
熔化焊 被加热到熔化（液态）
结晶或凝固
压力焊 被加热到半熔化（液态+高塑态） 结晶或凝固+塑变
厚大件的直缝焊接
单件小批量生产 板厚一般≥3mm，对 于1～2mm也可焊， 但品质不易保证 全位置焊和短、曲焊 缝
§10-2 各种常用焊接方法及其特点
电 对焊 阻 点焊 焊 滚焊 压
3）焊接接头Байду номын сангаас织与性能
焊接接头包括两部分：一部分是在焊接时经过熔化、凝固的金属，叫焊缝；另一部分 是紧靠焊缝受到加热、冷却作用发生组织变化的金属，称为热影响区。这两部分的组织 性能，决定了最终焊接接头的性能。
§10-1 焊接成形过程
（1）焊接工件上温度的变化与分布 在电弧热作用下，焊接接头金属都经历由常温状态迅速加热到一定温度，然后再快速 冷却到常温的过程；且离焊缝越近的点其加热速度越大，被加热的最高温度也越高，冷 却速度也越大。 （2）焊接接头的组成（焊缝、熔合区和热影响区）和性能
所有金属材料除仰 焊外的全位置焊
电渣焊 手工电弧焊
利用电流通过熔渣而产 生电阻热来进行焊接
利用与焊条焊件间产生 电弧使药皮燃烧时产生大 量C02和熔渣起保护，焊 条进给，不断熔化，冷凝 后形成焊缝
①很厚工件可一次焊成 ②生产率高，焊缝金属比较纯净 ③焊缝金属组织粗大，焊后须正火
①适应性强 ②设备简单 ③灵活方便
第10章固态材料的连接成形技术
10
目录
§10-1焊接成形过程 §10-2常用焊接方法及其特点
§10-3常用金属材料的焊接 §10-4固态粘接成形过程
§10-5塑料的焊接
固态材料的连接可分为永久性的或非永久性的两种。永久性连接主要通过
焊接和粘接过程实现。非永久性连接过程使用特制的连接件或紧固件(如铆钉、 螺栓、键、销等)将零件或构件连接起来。
工艺特点
①自动化程度高，生产率高 ②焊缝质量好 ③节省焊接材料和电能 ④焊件变形小 ⑤改善劳动条件
应用
成批焊接中厚板、 长直焊缝和较大直径 焊件的环缝平焊
用保护性气体(氩气、二 氧化碳气体等)，将空气和 熔化金属机械隔开，防止
熔化金属氧化和氮化，焊
丝进给，不断熔化，冷凝 后形成焊缝
①采用氩弧焊，熔池可见性好，方便操作， 易实现自动和平自动化 ②适于薄板及有色件 ③焊缝质量高 ④CO2有氧化性，焊丝中需加脱氧元素
钎 焊 钎料被加热到熔化（液态）
钎料的结晶或凝固
金属焊接成形的实质：将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属
内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头。
特点与应用：在焊接广泛应用之前，金属结构件的连接靠铆接。与铆接比较，焊接具 有节省材料、减轻重量；接头的密封性好，可承受高压；简化加工与装配工序，缩短 生产周期，易于实现机械化和自动化生产等优点。广泛应用于机械制造中的毛坯生产 和制造各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构件、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁、 船舶、飞机等。此外，焊接还用于零件的修复焊补等。
①焊缝和热影响区温度分布不均匀性以及焊接本身的特点，导致了焊缝区细小柱状 晶组织的产生以及热影响区经历了不同规范的“热处理”，这就引起了焊接接头的性能变 化；
②结合相图分析热影响区的组织，得出焊接的薄弱环节在熔合区和过热区； ③为提高焊接接头的性能，应减小热影响区的宽度。如采用合适的母材，正确的焊 接工艺、焊接方法以及焊后热处理等措施。
5）焊接缺陷
对各种焊接缺陷的特征、成因（见P327表10-4）、危害及防止措施应有一基本了解。
§10-2 各种常用焊接方法及其特点
表10-1各种焊接方法及其特点
焊接方法
埋弧焊
电
弧 熔焊 化 焊
气 氩弧焊 体 保 CO2保 护 护焊 电 弧 焊
工作原理
利用焊丝与焊件间产生 的电弧将覆盖其上的颗粒 状焊剂熔化，使电弧与外 界隔绝，焊丝自动进给， 不断熔化，冷凝后形成焊 缝
§10-1 焊接成形过程
低碳钢焊接接头的组织变化
§10-1 焊接成形过程
焊接应力产生的结果，就会导致变形，应力和变形的存在影响了焊接件的尺寸精度和 表面质量，降低了承载能力，甚至产生裂纹。因此，应通过合理的结构设计和必要的工艺 措施两方面来减小或消除焊接应力与变形，如通过采用合理的焊接顺序(拼板时，应先焊 错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝)，焊接前预热，加热适当的部位(减小焊缝热胀冷缩的 阻碍)，锤击焊缝，去应力退火等措施。
目前，焊接技术一般还存在一些问题，主要有焊接结构的残余应力和变形、焊接接 头性能不够均匀、焊接品质检验比较困难等。
§10-1 焊接成形过程
2）电弧焊的冶金过程及特点
焊接过程中的冶金反应不同于一般冶炼过程，有如下特点： ①焊接电弧和熔池液态金属的温度远高于一般的冶炼温度，金属的氧化、吸气和蒸 发现象严重； ②接头熔池体积小，周围又是温度较低的冷金属，因此，接头熔池处于液态的时间 很短，冷却速度极快，这样一方面不利于焊缝金属化学成分的均匀和气体、渣质的排 除，从而产生气孔和夹渣等缺陷；另一方面，使焊接构件形成较大的热（内）应力，造 成构件变形甚至开裂。 电弧焊工艺采取的技术措施： ①形成有效保护，限制空气侵入焊接区。如焊条药皮、焊剂、惰性保护气体等； ②添加合金元素以保证焊缝的成分及进行脱氧、脱硫和脱磷。如通过焊条药皮或焊 剂中添加合金元素、脱氧剂、脱硫剂等； ③从构件设计和焊接工艺采取措施，以减小焊接应力，防止焊件变形和开裂。
焊接过程中，焊缝就相当于一个加热的杆件，焊缝周围部分可看成是具有一定的刚性 拘束，焊缝(杆件)受热时不能自由伸长，冷却时不能自由收缩，这样最终在焊缝处产生 拉应力，而周围金属产生压应力。刚性约束越大，最终产生的应力越大。
若焊接构件刚性不足，承受不了焊接应力就会产生变形，焊件通过变形可削弱焊接应 力状态。如果焊接应力超过焊接材料的强度极限，焊接件不仅发生变形，而且还会产生 裂纹，尤其是低塑性材料更易开裂。
本章主要讨论固态材料的永久性连接成形。焊接的部分应用。
南京长江大桥
烟管式锅炉
硝酸生产装置
铁素 体不
美F-22战机
§10-1 焊接成形过程
1、焊接成形过程特征和理论基础
1）焊接成形原理及特点
焊接成形原理：
焊接方法类别 接头处材料状态
连接原理
熔化焊 被加热到熔化（液态）
结晶或凝固
压力焊 被加热到半熔化（液态+高塑态） 结晶或凝固+塑变
厚大件的直缝焊接
单件小批量生产 板厚一般≥3mm，对 于1～2mm也可焊， 但品质不易保证 全位置焊和短、曲焊 缝
§10-2 各种常用焊接方法及其特点
电 对焊 阻 点焊 焊 滚焊 压
3）焊接接头Байду номын сангаас织与性能
焊接接头包括两部分：一部分是在焊接时经过熔化、凝固的金属，叫焊缝；另一部分 是紧靠焊缝受到加热、冷却作用发生组织变化的金属，称为热影响区。这两部分的组织 性能，决定了最终焊接接头的性能。
§10-1 焊接成形过程
（1）焊接工件上温度的变化与分布 在电弧热作用下，焊接接头金属都经历由常温状态迅速加热到一定温度，然后再快速 冷却到常温的过程；且离焊缝越近的点其加热速度越大，被加热的最高温度也越高，冷 却速度也越大。 （2）焊接接头的组成（焊缝、熔合区和热影响区）和性能
所有金属材料除仰 焊外的全位置焊
电渣焊 手工电弧焊
利用电流通过熔渣而产 生电阻热来进行焊接
利用与焊条焊件间产生 电弧使药皮燃烧时产生大 量C02和熔渣起保护，焊 条进给，不断熔化，冷凝 后形成焊缝
①很厚工件可一次焊成 ②生产率高，焊缝金属比较纯净 ③焊缝金属组织粗大，焊后须正火
①适应性强 ②设备简单 ③灵活方便
第10章固态材料的连接成形技术
10
目录
§10-1焊接成形过程 §10-2常用焊接方法及其特点
§10-3常用金属材料的焊接 §10-4固态粘接成形过程
§10-5塑料的焊接
固态材料的连接可分为永久性的或非永久性的两种。永久性连接主要通过
焊接和粘接过程实现。非永久性连接过程使用特制的连接件或紧固件(如铆钉、 螺栓、键、销等)将零件或构件连接起来。
工艺特点
①自动化程度高，生产率高 ②焊缝质量好 ③节省焊接材料和电能 ④焊件变形小 ⑤改善劳动条件
应用
成批焊接中厚板、 长直焊缝和较大直径 焊件的环缝平焊
用保护性气体(氩气、二 氧化碳气体等)，将空气和 熔化金属机械隔开，防止
熔化金属氧化和氮化，焊
丝进给，不断熔化，冷凝 后形成焊缝
①采用氩弧焊，熔池可见性好，方便操作， 易实现自动和平自动化 ②适于薄板及有色件 ③焊缝质量高 ④CO2有氧化性，焊丝中需加脱氧元素
钎 焊 钎料被加热到熔化（液态）
钎料的结晶或凝固
金属焊接成形的实质：将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属
内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头。
特点与应用：在焊接广泛应用之前，金属结构件的连接靠铆接。与铆接比较，焊接具 有节省材料、减轻重量；接头的密封性好，可承受高压；简化加工与装配工序，缩短 生产周期，易于实现机械化和自动化生产等优点。广泛应用于机械制造中的毛坯生产 和制造各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构件、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁、 船舶、飞机等。此外，焊接还用于零件的修复焊补等。
①焊缝和热影响区温度分布不均匀性以及焊接本身的特点，导致了焊缝区细小柱状 晶组织的产生以及热影响区经历了不同规范的“热处理”，这就引起了焊接接头的性能变 化；
②结合相图分析热影响区的组织，得出焊接的薄弱环节在熔合区和过热区； ③为提高焊接接头的性能，应减小热影响区的宽度。如采用合适的母材，正确的焊 接工艺、焊接方法以及焊后热处理等措施。
5）焊接缺陷
对各种焊接缺陷的特征、成因（见P327表10-4）、危害及防止措施应有一基本了解。
§10-2 各种常用焊接方法及其特点
表10-1各种焊接方法及其特点
焊接方法
埋弧焊
电
弧 熔焊 化 焊
气 氩弧焊 体 保 CO2保 护 护焊 电 弧 焊
工作原理
利用焊丝与焊件间产生 的电弧将覆盖其上的颗粒 状焊剂熔化，使电弧与外 界隔绝，焊丝自动进给， 不断熔化，冷凝后形成焊 缝
§10-1 焊接成形过程
低碳钢焊接接头的组织变化
§10-1 焊接成形过程
焊接应力产生的结果，就会导致变形，应力和变形的存在影响了焊接件的尺寸精度和 表面质量，降低了承载能力，甚至产生裂纹。因此，应通过合理的结构设计和必要的工艺 措施两方面来减小或消除焊接应力与变形，如通过采用合理的焊接顺序(拼板时，应先焊 错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝)，焊接前预热，加热适当的部位(减小焊缝热胀冷缩的 阻碍)，锤击焊缝，去应力退火等措施。
目前，焊接技术一般还存在一些问题，主要有焊接结构的残余应力和变形、焊接接 头性能不够均匀、焊接品质检验比较困难等。
§10-1 焊接成形过程
2）电弧焊的冶金过程及特点
焊接过程中的冶金反应不同于一般冶炼过程，有如下特点： ①焊接电弧和熔池液态金属的温度远高于一般的冶炼温度，金属的氧化、吸气和蒸 发现象严重； ②接头熔池体积小，周围又是温度较低的冷金属，因此，接头熔池处于液态的时间 很短，冷却速度极快，这样一方面不利于焊缝金属化学成分的均匀和气体、渣质的排 除，从而产生气孔和夹渣等缺陷；另一方面，使焊接构件形成较大的热（内）应力，造 成构件变形甚至开裂。 电弧焊工艺采取的技术措施： ①形成有效保护，限制空气侵入焊接区。如焊条药皮、焊剂、惰性保护气体等； ②添加合金元素以保证焊缝的成分及进行脱氧、脱硫和脱磷。如通过焊条药皮或焊 剂中添加合金元素、脱氧剂、脱硫剂等； ③从构件设计和焊接工艺采取措施，以减小焊接应力，防止焊件变形和开裂。