金属焊接工艺的基础知识

§5.7 金属焊接工艺的基础知识
§5.7.1 金属焊接的方法
将两块分离的金属其欲结合部位局部加热到熔化或半熔化状态，采取施加压力或不加压、或填充其他金属、利用原子间的扩散与结合等方法，使它们联结成为整体，这个过程称为焊接。

常见的焊接方法有：
（1）电弧焊：这是最常用的金属焊接方法。

它是用填充金属（焊条）作为一个电极，而被焊接金属作为另一个电极，在两个电极之间通过放电造成电弧，利用电弧产生的热量使连接处的金属局部熔化，并填充同时熔化的焊条金属，凝固后形成永久性接头（焊缝），从而完成焊接过程。

（2）电弧焊可分为手工电弧焊、半自动（电弧）焊、自动（电弧）焊。

自动（电弧）焊通常是指埋弧自动焊-在焊接部位覆有起保护作用的焊剂层，由填充金属制成的光焊丝插入焊剂层，与焊接金属产生电弧，电弧埋藏在焊剂层下，电弧产生的热量熔
化焊丝、焊剂和母材金属形成焊缝，其焊接过程是自动化进行的。

最普遍使用的是手工电弧焊。

手工电弧焊的基本工艺如下：
a. 在焊接前清理焊接表面，以免影响电弧引燃和焊缝的质量。

b. 准备好接头形式（坡口型式）。

坡口的作用是使焊条、焊丝或焊炬（气焊时喷射乙炔-氧气火焰的喷嘴）能直接伸入坡口底部以保证焊透，并有利于脱渣和便于焊条在坡口内作必要的摆动，以获得良好的熔合。

坡口的形状和尺寸主要取决于被焊材料及其规格（主要是厚度）以及采取的焊接方法、焊缝形式等。

在实际应用中常见的坡口型式有：
弯边接头-适用于厚度＜3mm的薄
件；
平坡口-适用于3~8mm的较薄件；
V型坡口-适用于厚度6~20mm的工
件（单面焊接）；
X型坡口-适用于厚度12~40mm的工
件，并有对称型与不对称型X坡口之分（双面焊接）；
U型坡口-适用于厚度20~50mm的工件（单面焊接）；
双U型坡口-适用于厚度30~80mm的工件（双面焊接）。

坡口角度通常取60~70°，采用钝边（也叫做根高）的目的是防止焊件烧穿，而间隙则是为了便于焊透。

电弧焊的焊接规范中最主要的参数有：
焊条种类（取决于母材的材料）、焊条直径（取决于焊件厚度、焊缝位置、焊接层数、焊接速度、焊接电流等）、焊接电流、焊接层数、焊接速度等。

除了上述的普通电弧焊外，为了进一步提高焊接质量，还采用：
气体保护电弧焊：例如利用氩气作为焊接区域保护气体的氩弧焊、利用二氧化碳作为焊接区域保护气体的二氧化碳保护焊等，其基本原理是在以电弧为热源进行焊接时，同时从喷枪的喷嘴中连续喷出保护气体把空气与焊接区域中的熔化金属隔离开来，以保护电弧和焊接熔池中的液态金属不受大气中的氧、氮、氢等污染，以达到提高焊接质量的目的。

钨极氩弧焊：以高熔点的金属钨棒作为焊接时产生电弧的一个电极，并处在氩气保护下的电弧焊，常用于不锈钢、高温合金等要求严格的焊接。

等离子电弧焊：这是由钨极氩弧焊发展起来的一种焊接方法，在喷嘴孔道的机械压缩作用下，
加上冷气流的热收缩作用以及电磁收缩作用，使得通入喷
嘴的保护气体和离子气体（例如纯氩、氩-氢混合气、纯氮
等）从喷嘴喷出形成等离子气流速度较快的等电子弧，焊
接时电弧能量密度高，焊接质量优良。

（2）电渣焊：利用电流通过熔化状态的熔渣时产生的电阻
热来熔化插入熔渣的焊丝（填充金属）与母材形成熔池进
行焊接，其原理与电渣重熔冶炼相似，适用于焊接厚度较
大（例如50~800mm）的工件。

（3）电阻焊（接触焊）：利用强大的电流通过焊接结合处，
因为电阻热能导致高热，根据焦耳-楞次定律Q=0.24I2•R•t，
可把接头处加热到熔化或半熔化状态，同时施以一定的压
力，使其结合成为整体，无需外加填充金属和焊剂。

按照
接头的形式，有点焊（焊接部位为有一定直径的点）、缝焊（俗称滚焊，焊接部位为线状）和截面相差不大时的对接焊（俗称碰焊）。

点焊和缝焊多用于薄板件（薄壳工件），碰焊多用于棒类工件（例如刃具、建筑钢筋等）。

（4）气焊：利用可燃气体燃烧，例如氧气-乙炔（C2H2，又称电石气），其火焰产生的热能使焊接部位和填充金属（焊丝）熔化而联结成整体。

（5）钎焊：利用熔化的填充金属（钎料）把加热的固体金属联结在一起。

热源可以是如同气焊中的气体火焰，也可以是烙铁（电烙铁、火烙铁）。

钎焊过程中的焊接金属本身不发生熔化（仅仅加热到一定温度），其结合是依靠被焊金属与钎料之间的原子互相扩散达到坚固的结合。

视钎料的软硬不同，可分为软钎焊（例如利用低熔点锡合金作钎料的锡焊）和硬钎焊（例如用铜作钎料的铜焊，常见于机械加工用刀具中硬质合金刀头与中碳结构钢刀柄的焊接）。

（6）摩擦焊：依靠焊接金属在焊接处相对高速摩擦产生高热至半熔化状态，再施以一定压力实现结合。

焊接的方法很多，除了上述常见的几种外，还有电子束焊接、激光束焊接、爆炸压力焊接等，以及常用于塑料的超声波焊接等等。

§5.7 金属焊接工艺的基础知识
§5.7.2 常见的焊接缺陷
（1）未焊透：母体金属接头处中间（X坡口）或根部（V、U坡口）的钝边未完全熔合在一起而留下的局部未熔合。

未焊透降低了焊接接头的机械强度，在未焊透的缺口和端部会形成应力集中点，在焊接件承受载荷时容易导致开裂。

（2）未熔合：固体金属与填充
金属之间（焊道与母材之间），
或者填充金属之间（多道焊时的
焊道之间或焊层之间）局部未完
全熔化结合，或者在点焊（电阻
焊）时母材与母材之间未完全熔
合在一起，有时也常伴有夹渣存
在。

（3）气孔：在熔化焊接过程中，
焊缝金属内的气体或外界侵入的气体在熔池金属冷却凝固前未来得及逸出而残留在焊缝金属内部或表面形成的空穴或孔隙，视其形态可分为单个气孔、链状气孔、密集气孔（包括蜂窝状气孔）等，特别是在电弧焊中，由于冶金过程进行时间很短，熔池金属很快凝固，冶金过程中产生的气
体、液态金属吸收的气体，或者焊条的焊剂受潮而在高温下分解产生气体，甚至是焊接环境中的湿度太大也会在高温下分解出气体等等，这些气体来不及析出时就会形成气孔缺陷。

尽管气孔较之其它的缺陷其应力集中趋势没有那么大，但是它破坏了焊缝金属的致密性，减少了焊缝金属的
有效截面积，从而导致焊缝的强度降低。

某钢板对接焊缝X 射线照相底片V 型坡口，手工
电弧焊，未焊透 某钢板对接焊缝X 射线照相底片 V 型坡口，手工电弧焊，密集气孔 （4）夹渣与夹杂物：熔化焊接时的冶金反应产物，例如非金属杂质（氧化物、硫化物等）以及熔渣，由于焊接时未能逸出，或者多道焊接时清渣不干净，以至残留在焊缝金属内，称为夹渣或夹杂物。

视其形态可分为点状和条状，其外形通常是不规则的，其位置可能在焊缝与母材交界处，也可能存在于焊缝内。

另外，在采用钨极氩弧焊打底+手工电弧焊或者钨极氩弧焊时，钨极崩落的碎屑留在焊缝内则成为高密度夹杂物（俗称夹钨）。

W18Cr4V （高速工具钢）-45钢棒
对接电阻焊缝中的夹渣断口照片 钢板对接焊缝X 射线照相底片 V 型坡口，手工电弧焊，局部夹渣
钢板对接焊缝X 射线照相底片
V 型坡口，手工电弧焊，两侧线状夹渣 钢板对接焊缝X 射线照相底片 V 型坡口，钨极氩弧焊打底+手工电弧焊，夹钨
（5）裂纹：焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现。

焊缝金属从熔化状态到冷却凝固的过程经过热膨胀与冷收缩变化，有较大的冷收缩应力存在，而且显微组织也有从高温到低温的相变过程而产生组织应力，更加上母材非焊接部位处于冷固态状况，与焊接部位存在很大的温差，从而产生热应力等等，这些应力的共同作用一旦超过了材料的屈服极限，材料将发生塑性变形，超过材料的强度极限则导致开裂。

裂纹的存在大大降低了焊接接头的强度，并且焊缝裂纹的尖端也成为承载后的应力集中点，成为结构断裂的起源。

裂纹可能发生在焊缝金属内部或外部，或者在焊缝附近的母材热影响区内，或者位于母材与焊缝交界处等等。

根据焊接裂纹产生的时间和温度的不同，可以把裂纹分为以下几类：
a.热裂纹（又称结晶裂纹）：产生于焊缝形成后的冷却结晶过程中，主要发生在晶界上，金相学中称为沿晶裂纹，其位置多在焊缝金属的中心和电弧焊的起弧与熄弧的弧坑处，呈纵向或横向辐射状，严重时能贯穿到表面和热影响区。

热裂纹的成因与焊接时产生的偏析、冷热不均以及焊条（填充金属）或母材中的硫含量过高有关。

b.冷裂纹：焊接完成后冷却到低温或室温时出现的裂纹，或者焊接完成后经过一段时间才出
现的裂纹（这种冷裂纹称为延迟裂纹，特别是诸如14MnMoVg、18MnMoNbg、14MnMoNbB等合金钢种容易产生此类延迟裂纹，也称之为延迟裂纹敏感性钢）。

冷裂纹多出现在焊道与母材熔合线附近的热影响区中，其取向多与熔合线平行，但也有与焊道轴线呈纵向或横向的冷裂纹。

冷裂纹多为穿晶裂纹（裂纹穿过晶界进入晶粒），其成因与焊道热影响区的低塑性组织承受不了冷却时体积变化及组织转变产生的应力而开裂，或者焊缝中的氢原子相互结合形成分子状态进入金属的细微孔隙中时将造成很大的压应力连同焊接应力的共同作用导致开裂（称为氢脆裂纹），以及焊条（填充金属）或母材中的磷含量过高等因素有关。

c.再热裂纹：焊接完成后，如果在一定温度范围内对焊件再次加热（例如为消除焊接应力而采取的热处理或者其他加热过程，以及返修补焊等）时有可能产生的裂纹，多发生在焊结过热区，属于沿晶裂纹，其成因与显微组织变化产生的应变有关。

对接焊缝上的纵向表面裂纹与外咬边的荧光磁粉检测显示照片（照片来源：日本EISHIN KAGAKU CO.,LTD）
合金钢板对接焊缝X射线照相底片
V型坡口，气体保护焊-钨极氩弧焊，横裂纹
厚度14mm低合金钢板对接焊缝X射线照相底片，X型坡口，
自动焊，纵向裂缝（照片来源：《焊缝射线照相典型缺陷图
谱》崔秀一张泽丰李伟编著）
（6）偏析：在焊接时因金属熔化区域小、冷却快，容易造成焊缝金属化学成分分布不均匀，从而形成偏析缺陷，多为条状或线状并沿焊缝轴向分布。

（7）咬边与烧穿：这类缺陷属于焊缝的外部缺陷。

当母体金属熔化过度时造成的穿透（穿孔）即为烧穿。

在母体与焊缝熔合线附
近因为熔化过强也会造成熔敷金属
与母体金属的过渡区形成凹陷，即
是咬边。

根据咬边处于焊缝的上下面，
可分为外咬边（在坡口开口大的一
面）和内咬边（在坡口底部一面）。

咬边也可以说是沿焊缝边缘低于母
材表面的凹槽状缺陷。

其他的焊缝外部缺陷还有：
焊瘤：焊缝根部的局部突出，这是焊接时因液态金属下坠形成的金属瘤。

焊瘤下常会有未焊透缺陷存在，这是必须注意的。

内凹或下陷：焊缝根部向上收缩低于母材下表面时称为内凹，焊缝盖面低于母材上表面时称为下陷。

溢流：焊缝的金属熔池过大，或者熔池位置不正确，使得熔化的金属外溢，外溢的金属又与母材熔合。

弧坑：电弧焊时在焊缝的末端（熄弧处）或焊条接续处（起弧处）低于焊道基体表面的凹坑，在这种凹坑中很容易产生气孔和微裂纹。

焊偏：在焊缝横截面上显示为焊道偏斜或扭曲。

加强高（也称为焊冠、盖面）过高：焊道盖面层高出母材表面很多，一般焊接工艺对于加强高的高度是有规定的，高出规定值后，加强高与母材的结合转角很容易成为应力集中处，对结构承载不利。

以上的外部缺陷多容易使焊件承载后产生应力集中点，或者减小了焊缝的有效截面积而使得焊缝强度降低，因此在焊接工艺上一般都有明确的规定，并且常常采用目视检查即可发现这些外部缺陷。

钢板对接焊缝X射线照相底片V型坡口，手工电弧焊，外部咬边
钢板对接焊缝X射线照相底片V型坡口，手工电弧焊，内部咬边
§5.8 金属材料使用过程中产生缺陷的基础知识
§5.8.1 疲劳损坏
零部件在使用过程中是处于交变应力作用下的，即在不同形式的交变负荷下工作，往往会在远低于材料的强度极限，甚至是低于屈服极限的应力作用下，经过一段时间的运行工作（重复交变负荷一定次数）后即发生损坏，并且在损坏前往往没有明显的预兆。

这种损坏称为机械疲劳损坏，它往往会导致很大的损失。

引起疲劳损坏的原因是多方面的，主要有金属材料本身的化学成分、冶金质量、显微组织状态等内因（材料的疲劳强度极限）和使用状态的外因（包括受力的大小与形式、工作温度、周围环境的介质、零部件的表面状态、交变负荷的循环频率与次数等）两个方面。

疲劳损坏的发展有三个阶段：首先是从材料
表面或内部的薄弱处（疲劳源）开始产生显
微疲劳裂纹（初始阶段），然后随着交变负
荷循环而逐渐扩展（生长阶段），直至零件
的有效截面减小至不再能承受工作应力时，
将会发生脆性断裂损坏，往往表现为瞬间断
裂（破断阶段）。

疲劳源（显微疲劳裂纹），又称策源中
心，可以起源于零件表面的微小缺陷或加工
痕迹（例如较深的加工刀痕），也可以是材
料内部的冶金缺陷，或者是零件几何形状不
良（存在截面急剧变化的尖角、拐角等），
在工作应力（包括例如零件热处理不当、焊接处理不当等原因而在零件中存在的残余应力）作用下，在这些地方形成应力集中，首先在这些地方产生显微疲劳裂纹，然后扩展至断裂为止。

§5.8.2 腐蚀损坏
金属材料受外部介质（空气、海水、雨水、各种酸碱及盐类等）的化学作用或电化学作用，导致材料发生腐蚀，使得零件的有效截面减小（例如壁厚减小），不再能承受工作应力时即发生断裂损坏。

或者由于金属材料的显微组织中发生沿晶界侵入的腐蚀（晶间腐蚀）。

使得晶粒间的结合力因为腐蚀而受到破坏，形成晶间腐蚀裂纹，导致材料的强度与塑性大大降低，无法承受工作应力而发生断裂。

腐蚀损坏与金属材料的化学成分、显微组织、表面状态、应力状态（即抗腐蚀性能，简称抗蚀性）以及周围环境腐蚀性介质的活性有关。

§5.8.3 应力腐蚀损坏
这是金属材料在腐蚀和应力共同作用下产生的断裂损坏现象。

在没有腐蚀作用时，金属材料只有在应力超过材料的强度极限时才会发生破坏，但是在腐蚀和应力共同作用的情况下，会加速材料的破坏，从而能在低于材料强度极限的应力作用下即发生这种损坏。

它们的相互影响作用在于：一方面，腐蚀使材料的晶间结合力受到破坏，使零件有效截面积减小和形成凹坑缺口造成应力集中，这将降低零件的强度并相对增加了真实应力，另一方面，应力集中使得缺口进一步扩大，加速了腐蚀的进展，使表面腐蚀缺口向零件深处发展，如此的相互作用最终导致零件的破坏。

应力腐蚀破坏的腐蚀机理属于电化学腐蚀，其影响因素主要有材料的化学成分和显微组织（应力腐蚀敏感性）、应力的大小与状态（这是决定性的影响因素，包括外加应力，主要指拉伸或扩张的工作应力，还包括材料自身存在的残余应力），以及腐蚀介质的活性（即腐蚀介质的影响，例如腐蚀产物也能造成应力作用，象氢原子的侵入能造成很大的内应力，产生氢脆等）。

以上所述被称为应力腐蚀的三要素，即：应力腐蚀敏感性（材料）、作用应力（应力）和腐蚀介质（外界环境条件）。

§5.8.4 应力腐蚀疲劳破坏
应力腐蚀疲劳破坏也是在腐蚀和应力共同作用下引起的破坏现象，它与应力腐蚀破坏的不同之处是这种应力为交变或脉冲的拉伸（扩张）应力。

应力腐蚀疲劳破坏的发展过程是首先在金属材料表面产生腐蚀坑，起到缺口作用造成应力集中，成为疲劳裂纹的策源中心，并进一步在交变应力作用下不断扩展（其间腐蚀作用也在不断进行），最终导致疲劳断裂。

值得一提的是，上述四种断裂损坏的共同特点是断裂的走向一般与主应力方向大致垂直。