常用金属材料焊接及焊接结构设计3
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焊接结构设计
钢板厚度不同的角接与T形接头受力焊缝，可考虑 采取过渡形式。
4．其它焊接方法的接头与坡口形式
埋弧焊的接头形式与焊条电弧焊基本相同。但由于 埋弧焊选用的电流大、熔深大，所以板厚小于12 mm时 可不开坡口(即I形坡口)单面焊接。 板厚小于24 mm时，可不开坡口双面焊接。
焊更厚的工件时，必须开坡口。
强度等级低的低合金结构钢： • 焊接性与低碳钢基本相同， • 钢材价格也不贵， • 强度能显著提高， 条件允许时应优先选用。 强度等级较高的低合金结构钢： • 焊接性能虽然差些，但只要采取合 适的焊接材料与工艺，也能获得满意 的焊接接头。
设计强度要求高的重要结构可以选用。
镇静钢 脱氧完全，组织致密，质量较高，可选作重要的焊 接结构。 沸腾钢 焊接时易产生裂纹。厚板焊接时还可能出现层状撕 裂。不宜用作承受动载荷或严寒下工作的重要焊接 结构件以及盛装易燃、有毒介质的压力容器。
异种金属的焊接 必须特别注意它们的焊接性及其差异。 一般要求接 头强度不低于被焊钢材中的强度较低者，并应在设计中 对焊接工艺提出要求。
设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢、角钢 和钢管等型材，以降低结构重量，减少焊缝数量、简 化焊接工艺，增加结构件的强度和刚性。Βιβλιοθήκη 第二节工艺设计原则：
焊接接头的工艺设计
(4) 焊缝应尽量避开机械加工表面。有些焊接结 构是一些零件，需要进行机械加工，其焊缝位置的 设计应尽可能距离已加工表面远一些。
(5) 焊缝位置应便于焊接操作布置焊缝时，要 考虑到有足够的操作空间。
埋弧焊结构要考虑接头处在施焊中存放焊剂和熔池 保持问题。
点焊与缝焊应考虑电极伸入方便。
焊缝应尽量放在平焊位置，应尽可能避免
1．接头形式
对接接头 T形接头 角接接头 搭接接头
焊接概论
焊接
连接成形
焊接生产——连接成形 焊接生产——连接成形
概论 4-1 4-2 4-3 4-4 熔化焊 其他常用焊接方法 常用金属材料的焊接 焊接结构设计
20122012-2-17
焊接概论
概论
焊接—— 通过加热或加压， 焊接 ——通过加热或加压 ， 借助原子或 分子之间的接合或扩散作用， 分子之间的接合或扩散作用 ， 将分离的 金属材料连接成为一体整体的一种热加 工工艺。 工工艺。 广泛应用于航空、 航天、 原子能、 化工、 广泛应用于航空 、 航天 、 原子能 、 化工 、 造船、 建筑、 压力容器、 电子电力、 造船 、 建筑 、 压力容器 、 电子电力 、 交 通运输、机械制造等各行各业。 通运输、机械制造等各行各业。
20122012-2-17
焊接概论
焊接方法分类
焊接方法种类繁多， 焊接方法种类繁多 ， 但根据焊接工艺的 特征可分为三类： 熔化焊
如手工电弧焊、埋弧焊、气焊、 如手工电弧焊、埋弧焊、气焊、电渣焊等 等；
压力焊
摩擦焊、电阻焊、爆炸焊、 摩擦焊、电阻焊、爆炸焊、扩散焊等；
钎焊
硬钎焊、软钎焊等。 硬钎焊、软钎焊等。
20122012-2-17 焊接概论
焊接的特点
节省材料和提高生产效率。 节省材料和提高生产效率。 便于拼接和分化，降低成本。 便于拼接和分化，降低成本。 可用于焊补和修复。 可用于焊补和修复。 可以制造双金属结构
20122012-2-17
焊接概论
焊接生产具有如下缺点
难以完成异种金属材料的焊接； 对焊接原材料要求较严， 对焊接原材料要求较严 ， 多用于低碳 钢及低合金钢的焊接； 焊接件往往有较大残余应力， 焊接件往往有较大残余应力 ， 并引起 变形； 焊接接头的组织不均匀，质量控制
连接成形
焊接生产——连接成形 焊接生产——连接成形
概论 4-1 4-2 4-3 4-4 熔化焊 其他常用焊接方法 常用金属材料的焊接 焊接结构设计
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焊接概论
概论
焊接—— 通过加热或加压， 焊接 ——通过加热或加压 ， 借助原子或 分子之间的接合或扩散作用， 分子之间的接合或扩散作用 ， 将分离的 金属材料连接成为一体整体的一种热加 工工艺。 工工艺。 广泛应用于航空、 航天、 原子能、 化工、 广泛应用于航空 、 航天 、 原子能 、 化工 、 造船、 建筑、 压力容器、 电子电力、 造船 、 建筑 、 压力容器 、 电子电力 、 交 通运输、机械制造等各行各业。 通运输、机械制造等各行各业。
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焊接概论
焊接方法分类
焊接方法种类繁多， 焊接方法种类繁多 ， 但根据焊接工艺的 特征可分为三类： 熔化焊
如手工电弧焊、埋弧焊、气焊、 如手工电弧焊、埋弧焊、气焊、电渣焊等 等；
压力焊
摩擦焊、电阻焊、爆炸焊、 摩擦焊、电阻焊、爆炸焊、扩散焊等；
钎焊
硬钎焊、软钎焊等。 硬钎焊、软钎焊等。
20122012-2-17 焊接概论
焊接的特点
节省材料和提高生产效率。 节省材料和提高生产效率。 便于拼接和分化，降低成本。 便于拼接和分化，降低成本。 可用于焊补和修复。 可用于焊补和修复。 可以制造双金属结构
20122012-2-17
焊接概论
焊接生产具有如下缺点
难以完成异种金属材料的焊接； 对焊接原材料要求较严， 对焊接原材料要求较严 ， 多用于低碳 钢及低合金钢的焊接； 焊接件往往有较大残余应力， 焊接件往往有较大残余应力 ， 并引起 变形； 焊接接头的组织不均匀，质量控制
《工程材料及机械制造基础》教学大纲
《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。
本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。
掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。
Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。
焊接手册
《焊接手册》第3版序
《焊接手册》第3卷第3版前言
第1篇焊接结构基础
第1章焊接结构常用金属材料
第2章焊接接头及其几何设计
第3章焊接接头的力学性能
第4章焊接应力与变形
第5章焊接结构疲劳
第6章焊接结构的断裂及安全评定
第7章焊接结构的环境失效
第8章标准与法规
第2篇典型焊接结构设计
第9章焊接结构设计原则与方法
第10章焊接接头强度与计算
第11章焊接基本构件的设计与计算
第12章机械零部件焊接结构
第13章锅炉、压力容器与管道
第14章建筑焊接结构
第15章铁路车辆焊接结构
第16章船舶与海洋工程焊接结构
第17章起重机焊接结构
第18章动力机械焊接结构
第19章焊接钢桥
第20章矿山与工程机械焊接结构
第21章汽车焊接结构
第22章典型航空航天结构
第3篇焊接结构生产
第23章焊接结构制造工艺
第24章焊接结构生产用设备
第25章典型焊接结构的制造
第26章焊接结构生产的机械化和自动化
第27章焊接结构的无损检测技术
第28章焊接培训与资格认证
第29章焊接结构生产的质量管理、组织与经济第30章焊接车间设计
第31章焊接安全与清洁生产
第32章焊接结构的再制造与延寿技术
第33章计算机辅助焊接结构制造与生产质量控制。
11-1金属的焊接性
工艺措施对防止焊接接头的缺陷也起到重要作用 焊前预热、焊后缓冷和消氢处理对防止热影响区的 淬硬变脆降低焊接应力防止裂纹是比较有效的措施。 构件类型方面： 焊接构件的结构设计会影响应力状态，从而影响焊接性。 接头处于刚度较小的状态，能自由收缩。可防止裂纹 注意避免缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝 不必增大焊件厚度和焊缝体积，否则产生多向应力。 使用条件方面： 高温工作时，易产生蠕变。 低温工作或冲击载荷时，容易发生脆性破坏。 在腐蚀介质下工作时，接头要求具有耐腐蚀性。
常用金属材料的焊接
目的与要求： ①掌握金属焊接性的含义、内容、影响因素。 ②掌握碳当量的含义、计算公式及评定方法。 重点： ①碳当量焊接性的含义、焊接性的评定方法及工艺的拟订。 ②掌握碳当量的含义、计算公式及评定方法。 难点： 焊接性能的影响因素及碳当量的计算公式和评定方法。
一、焊接性概念 金属的焊接性：指金属材料对焊接加工的适应性。也就是 说在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊 接接头的难易程度。 内容：包括接合性能和使用性能。 接合性能：在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成 焊接缺陷的敏感性。 使用性能：在一定的焊接工艺条件下，一定的金属的焊 接接头对使用要求的适应性。
同时具有预期的使用性能。
焊接性细分 工艺焊接性——金属材料对各种焊接方法的适应能力。 金属材料本身、焊接热源、工艺措施。 使用焊接性——焊接接头满足技术条件中所规定的使用 性能的能力。
焊接性还可以分为：冶金焊接性和热焊接性。
二、焊接性影响因素 主要有四个方面：材料方面、焊接方法及工艺方面、 构件类型方面、使用条件方面。 材料方面： 母材和焊接材料（如：焊条、焊丝、焊剂、保护气体等）。 母材的性质起决定性影响 焊接材料起关键性作用 如母材与焊接材料匹配不当时，就会造成焊缝金属的化 学成分不合格，力学性能和其他使用性能降低。 焊接方法及工艺方面： 焊接方法对焊接性的影响主要在两个方面 焊接热源的特点 影响热循环 对熔池和接头的保护 影响焊接冶金过程
焊接成形
非熔化极亚弧焊
熔化极亚弧焊
3）氩弧焊的特点及应用 ① 机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观， 焊接质量优良。 ② 电弧燃烧稳定，飞溅小。 ③ 焊接热影响区和变形小。 ④ 可进行全位置焊接。 ⑤ 氩气昂贵，设备造价高。 应用： 适用所有金属材料的焊接。
适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。 如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。
二、手工电弧焊焊接过程
①引弧 ② 形成熔池 ③形成焊缝
三、焊接电弧
1 . 焊接电弧的概念
在焊条末端和工件两极之间的气体介 质中，产生强烈而持久的放电现象。 具备两个条件 接触电阻：R 短路电流：I d 使气体电离 阴极发射电子 电阻热：Q=I2Rt
-
焊条
焊接电弧 工件
d
+
E=V/d 热电离 碰撞电离 焊接电弧的稳定燃烧 — 就是带点粒子产生、
二、气体保护焊
1 . 氩弧焊 利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。 焊接热源：电弧热 Ar 保护介质：Ar ①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷 ②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷 ③比重大于空气（25%）
“阴极破碎”作用 1）熔化极氩弧焊 25mm以下的工件 2）非熔化极氩弧焊 适于6mm以下工件的焊接
3. 埋弧自动焊工艺特点
1）生产率高（手弧焊的5~10倍） 2）焊接质量高且稳定。
3）节约金属材料、生产成本低。 4）劳动条件好。 5）只能在水平位置焊接。 应用：主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的 环形焊缝焊接。 如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊 缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械（高炉炉 身）等的焊接。
Ⅱ
可消除应力80%左右
2 . 焊接变形的防止及矫正措施
常用焊接方法ppt课件
③ 比重大于空气（25%）
1) 存在问题 ① 氧化严重； ② 气孔倾向大（CO）； ③ 飞溅严重。
措施：焊丝含合金元素，用于脱氧 和渗合金。
2）CO2气体保护焊的特点及应用 ① 生产率高（是手弧焊的1~3倍）。 ② 成本低（是手弧焊的45%） 。 ③ 焊接热影响区和变形小。 ④ 可进行全位置焊接。 ⑤ 飞溅严重，焊缝成形差。
2. 电焊条的分类
结构钢焊条—J；
钼和铬耐热钢焊条—R；
低温钢焊条—W；
不锈钢焊条—A；
堆焊焊条—D；
铸铁焊条—Z；
镍及镍合金焊条—Ni ； 铜及铜合金焊条—T；
铝及铝合金焊条—L； 特殊用途焊条—TS
J422
J507
药皮种类（钙钛型）
药皮种类（低氢钠型）
抗拉强度
抗拉强度
结构钢焊条
结构钢焊条
酸性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主
3.3.1 焊条电弧焊
一、焊接电弧
二、焊接特点
焊条的电弧焊过程
三、电焊条
1. 电焊条的组成及作用
电焊条
焊缝的填充材料 — 填充焊缝 焊条芯 电极传导电流 — 导电
机械保护的作用 药皮 冶金的作用
改善焊接工艺，稳定电弧
焊条芯 药皮
药皮的种类： ① 氧化钛型；②氧化钛钙型； ③钛铁矿型；④氧化钛型；⑤纤维素型； ⑥低氢钾型；⑦低氢钠型； ⑧石墨型；⑨盐基型。
应用：4mm以下的薄板搭接。
人工点焊过程
机械手点焊过程
2 . 缝焊
应用：3mm以下的薄板搭接。
如：密封的容器（油箱、 水箱等）、管道等。 3 . 对焊
主要用于棒料的对接。 1）电阻对焊
应用：用于断面简单，直径 （或边长）小于20mm或强度 要求不太高的可焊相同金属，
常用金属材料的焊接最新版本
常⽤⾦属材料的焊接最新版本焊接⼯艺问答之常⽤⾦属材料的焊接六、常⽤⾦属材料的焊接1 什么是焊接性？试述碳钢的焊接性。
焊接性是指材料在限定的施⼯条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满⾜预定服役要求的能⼒。
焊接性受材料、焊接⽅法、构件类型及使⽤要求四个因素的影响。
碳钢是以铁元素为基础的，铁碳合⾦，碳为合⾦元素，其碳的质量分数不超过1%，此外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%，后两者皆不作为合⾦元素。
其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内，更不作为合⾦元素。
杂质元素如S、P、O、N等，根据钢材品种和等级的不同，均有严格限制。
因此，碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差，其中以低碳钢的焊接性最好，见表1。
2 什么是碳当量？碳钢的碳当量如何计算？把钢中合⾦元素（包括碳）的含量按其作⽤换⾃成碳的相当含量，称为该种钢材的碳当量，可作为评定钢材焊接性的⼀种参考指标。
碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，它们的含量增加，焊接性变差，但其作⽤不及碳强烈。
国际焊接学会推荐的碳当量公式为Mn Cu+Ni Cr+Mo+VCE（IIW）= C + ── + ────+ ──────（质量分数）（%）6 15 5随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。
当CE值⼤于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增⼤，焊接时需要采取预热、后热及⽤低氢型焊接材料施焊等⼀系列⼯艺措施。
3 利⽤碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？碳当量值只能在⼀定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较⾼的钢材在施焊过程中容易产⽣淬硬组织，其裂纹倾向显然⽐含碳量较低的钢材来得⼤，焊接性较差。
因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。
2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产⽣淬硬组织，焊接性就会变差。
7-第七章 金属材料焊接性分析方法(焊工工艺-第3版)
试验时按图7-2组装试件，先将两端的拘束焊缝焊好，再焊试验焊 缝。当采用焊条电弧焊时，试验焊缝按图7-3所示方法焊接。当采用焊 条自动送进装置焊接时，按图7-4所示进行。焊完的试件经在室温放置 24h后才能进行裂纹的检测和解剖。
图7-3 采用焊条电弧焊时，试验焊缝位置
第二节 金属焊接性评定与试验
图7-4 采用焊条自动送进装置焊接试验焊缝位置
第一节 金属的焊接性
第二节 金属焊接性评定与试验
二、常用的焊接性试验方法 由前述可知，焊接性试验方法种类很多，因抗裂性能是衡量金
属焊接性的主要标志，所以在生产中还是常用焊接裂纹试验来表征 材料的焊接性。以下主要介绍几种常用的焊接性试验方法。 1.间接试验法
碳当量鉴定法是判断焊接性的最简便的间接法，常用作焊接冷 裂纹的间接评定。所谓碳当量法，就是将包括碳在内的其他合金元 素对硬化(脆化和冷裂等)的影响折合成碳的影响。
第一节 金属的焊接性
(3)结构因素 焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊 接性也发生影响。
这里主要从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。 使焊接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，有利于防止焊接 裂纹。缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力 集中，要尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多 向应力，也应注意防止。
第七章 金属材料 焊接性分析方法
第一节 金属的焊接性
一、金属焊接性的概念 1.定义：金属焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设 计要求的构件，并满足预定服役要求的能力，即金属材料对焊接加 工时适应性。 2.特点：焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素 的影响。根据上述定义，优质的焊接接头应具备两个特点：即接头 中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；同时具有预期的使用性能。 根据讨论问题的着眼点不同，焊接性又分为工艺焊接性和使用焊接 性。
图7-3 采用焊条电弧焊时，试验焊缝位置
第二节 金属焊接性评定与试验
图7-4 采用焊条自动送进装置焊接试验焊缝位置
第一节 金属的焊接性
第二节 金属焊接性评定与试验
二、常用的焊接性试验方法 由前述可知，焊接性试验方法种类很多，因抗裂性能是衡量金
属焊接性的主要标志，所以在生产中还是常用焊接裂纹试验来表征 材料的焊接性。以下主要介绍几种常用的焊接性试验方法。 1.间接试验法
碳当量鉴定法是判断焊接性的最简便的间接法，常用作焊接冷 裂纹的间接评定。所谓碳当量法，就是将包括碳在内的其他合金元 素对硬化(脆化和冷裂等)的影响折合成碳的影响。
第一节 金属的焊接性
(3)结构因素 焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊 接性也发生影响。
这里主要从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。 使焊接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，有利于防止焊接 裂纹。缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力 集中，要尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多 向应力，也应注意防止。
第七章 金属材料 焊接性分析方法
第一节 金属的焊接性
一、金属焊接性的概念 1.定义：金属焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设 计要求的构件，并满足预定服役要求的能力，即金属材料对焊接加 工时适应性。 2.特点：焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素 的影响。根据上述定义，优质的焊接接头应具备两个特点：即接头 中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；同时具有预期的使用性能。 根据讨论问题的着眼点不同，焊接性又分为工艺焊接性和使用焊接 性。
焊接性及实验方法
σb＝500MPa，Ceq＝0.46%时，可不预热
σb＝600MPa，Ceq＝0.52%时，预热75℃ σb＝700MPa，Ceq＝0.52%时，预热100℃
σb＝800MPa，Ceq＝0.62%时，预热150℃
C、美国焊接学会（AWS）推荐的公式 ： Ceq＝C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/15＋Cr/5＋Mo/4＋Cu/13＋P/2 （%）
§1-1
1、金属焊接性概念
金属焊接性概念
金属材料在限定的施工条件下，焊接 成规定设计要求的构件，并满足预定服 役要求的能力。GB/T3375-94《焊接术语 》
它包括两方面的内容： A、结合性能：即在一定的焊接工艺条件下，被焊金属形成焊接缺 陷（裂纹、夹渣、气孔等）的敏感性； B、使用性能：即在一定的焊接工艺条件下，被焊金属的焊接接头 对使用性能要求的适应性。
6、焊接热影响区（HAZ）最高硬度 法
在切点点两侧各取7个以上的点（测点
15个以上），各点的间距0.5mm
二、直接试验法
主要针对焊接中产生裂纹
1、小铁研试验（斜Y坡口试验）
（1）目的
评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向 防止冷裂纹的临界预热温度
（2）应用对象
碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向 低合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向
（2）利用材料的化学性能分析
（3）利用相图或SHCCT图分析
（4）利用经验公式
（5）仿真模拟
§1-3 焊接性评定及试验方法
一、间接评定
1、碳当量方法
碳当量越小，焊接性 越好
目的：评价低合金钢冷裂纹敏感性 A、国际焊接学会（IIW）推荐： CE＝C＋Mn/6＋（Ni＋Cu）/15＋（Cr＋Mo＋V）/5（%） 适用对象：中、高强度的非调质低合金高强钢（σb=500-900MPa） 对 δ<20mm的钢材 ： CE＜0.4%时，钢材的淬硬性不大，焊接性良好，焊前不需要预热 CE＝0.4-0.6%时，钢材易于淬硬，需预热，预热温度70-200℃； CE＞0.6%时，钢材的淬硬倾向大，焊接性差。
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式中各元素的含量都取其成分范围的上限。
安徽工业大学
AHUT
当ωCE＜0.4%时，焊接性优良，焊前一般不 需预热； 当ωCE＝0.4~0.6%时，焊接性较差，需要预热、 缓冷； 当ωCE＞0.6%时．焊接性很差，需要严格的 工艺措施。 安徽工业大学
AHUT 利用碳当量法估算钢 材焊接性是粗略的，因为 钢材的焊接性还受结构刚 度、焊后应力条件、环境 温度等因素的影响。 在实际生产中，金属 材料的焊接性除了按碳当 量进行估算外，还需根据 实际情况进行抗裂性实验， 并配合进行接头使用性能 试验，以制定正确的焊接 工艺。 安徽工业大学
AHUT
10.3 常用金属材料的焊接
安徽工业大学
一、金属材料的焊接性
AHUT
1、焊接性： 在一定的焊接工艺条件(焊接方 法、焊接材料、工艺参数及结构形式等)下，获 得优质焊接接头的难易程度。 焊接性包括两个方面的内容： 1）接合性能：即在给定的焊接工艺条件下， 对产生焊接缺陷的敏感性，尤其是对产生裂纹 的敏感性 2）使用性能：即在给定的焊接工艺条件下， 焊接接头对使用要求的适应性、可靠性。
三、高合金不锈钢的焊接
AHUT
高合金不锈钢中应用最广泛的是奥氏体耐蚀 钢(如18—8型铬镍奥氏体不锈钢)。 焊接性能良好。焊接时，一般不需要采取特 殊的工艺措施。 手弧焊时，选用与母材化学成分相同的焊条； 氩弧焊和埋弧自动焊时，选用的焊丝应保证焊缝 化学成分与母材相同。 焊接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀 和热裂纹。
AHUT
10.4 焊接结构设计
安徽工业大学
AHUT
设计焊接结构，除应考虑结构的使用性 能要求外，还应考虑结构焊接工艺的要求， 以保证焊接质量，力求高生产率、低成本。 焊接结构设计一般包括: 焊接结构材料的选择 焊接接头的工艺设计（包括焊缝布置、 接头型式、坡口形式等）
安徽工业大学
一、
焊接结构材料的选择
AHUT
对接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接 结构中应用最多的一种接头型式，但对焊前准备和装配要求较高。 搭接接头常用于对焊前准备和装配要求简单的板状类部件结构中， 但因两焊件不在同一平面上，受力时将产生附加弯曲应力，降低接头强 度，且不经济，故搭接接头是薄板焊件的基本接头型式。 角接接头一般只起连接作用，不能用来传递工作载荷。 T形接头应用较广泛，在船体结构中，约70%的焊缝是采用这种接 头型式。
安徽工业大学
AHUT
（2）焊环焊缝
安徽工业大学
AHUT
（3）压力容器接管装配与焊接Βιβλιοθήκη （4）压力容器消除应力退火
安徽工业大学
5. 检验
（1）力学性能试验
AHUT
（2）金相试验
（3）化学分析 （4）外观检查 （5）超声波检验 （6）射线探伤
（7）气密性试验
（8）水压试验
安徽工业大学
AHUT
超声波检验示意图
安徽工业大学
1）焊缝位置应便于焊接操作（续）
AHUT
布置焊缝时，要考虑到焊接工艺方法的要求。
安徽工业大学
2）应避免密集和交叉的焊缝
AHUT
焊缝密集或交叉会使接头处严重过热，力学性能 下降，并将增大焊接应力。一般两条焊缝的间距要大 于三倍的钢材厚度。
安徽工业大学
3）尽可能使焊缝对称
AHUT
焊缝对称布置可使各条焊缝产生的焊接变形相互抵消， 这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。
安徽工业大学
四、铸铁的焊接
AHUT
铸铁含碳量高，焊接性很差，所以铸铁焊接只用于修补 铸件缺陷。焊接铸铁的主要问题是易出现白口组织和裂纹。
(1)热焊 焊前将焊件整体或局部预热到500一700℃，焊 补过程中温度不低于400℃，焊后缓冷，从而防止白口组织和 裂纹的产生。 热焊焊补质量较好，但工艺复杂，生产率低、劳动条件 差。一般仅用于焊后要求机械加工的铸铁件。如机床导轨、 汽缸体等。 (2)冷焊 焊前对焊件不预热或预热温度较低(400℃以下)。 冷焊比热焊生产率高，成本低，劳动条件好，但焊补质量 有时不易保证。焊接时应尽量用小电流、分段焊，短弧焊等 工艺，焊后立即轻轻锤击焊缝，以减少焊接应力，防止产生 裂纹。
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10.5 焊缝质量的检验
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1、磁粉检验
2、超声波检验
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3 、 X射线检验
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例题
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焊接结构实例
——压力容器生产工艺过程
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一、压力容器简介
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手 弧 焊 常 用 的 焊 缝 坡 口 基 本 形 式 与 标 注 方 法 （ 续 1）
手 弧 焊 常 用 的 焊 缝 坡 口 基 本 形 式 与 标 注 方 法 （ 续 2）
３、接头过渡形式
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设计焊接构件最好采用相等厚度的金属材料，以便获得优质 的焊接接头。当两块厚度相差较大的金属材料进行焊接时，接头 处会造成应力集中。而且接头两边受热不匀易产生焊不透等缺陷。 不同厚度金属材料对接时，允许的厚度差如表所示。如果超过 表中规定值，应在较厚板料上开出单面或双面斜边的过渡形式。
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4）焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置 AHUT
大跨度横梁，最大应力在跨度中间。横梁由两焊件 焊成，焊缝在中间使结构承载能力减弱。修改后的结构， 虽增加了一条焊缝，但改善了焊缝受力情况，提高了横 梁的承载能力。 对压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处位置。
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压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处位置。
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在满足结构使用性能要求的前提下，应尽可能 选用焊接性良好的材料来制造焊接结构件。
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设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢、角钢和 钢管等型材，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊 接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的 部分，还可以选用铸钢件、锻件或冲压件来焊接。
压力容器装配和定位焊实物图
3. 接管和法兰生产工序图
（1）出口接管切割成形
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（2）人孔接管板材卷圆成形
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（3）法兰毛坯下料
（4）法兰切削成形
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（5）人孔接管和法兰装配与焊接
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4. 总装配和焊接生产工序
（1）环焊缝对接缩口接头与衬板接头
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2. 筒体节生产工序
（1）下料
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（2）加工坡口
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（3）卷圆
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（4）装配及定位焊
（5）焊接双面纵焊缝
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筒体节纵焊实物图
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（6）去引弧板和引出板并清理 （7）筒体节校圆 （8）筒体节开接管孔
（9）封头与筒体节及筒体节之间的装配和定位焊
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五、非铁金属及其合金的焊接
1、铝及铝合金的焊接
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焊接铝及其合金的主要困难是： (1)易氧化 铝极易被氧化形成难熔的氧化铝(A12O3)薄膜， 熔点为2050℃，它覆盖在金属表面，阻碍金属熔合；且氧化 铝密度大，难于排除，易形成夹渣缺陷。 (2)易产生缺陷 液态铝能大量溶解氢，而在固态时几乎不溶解氢，因此 易生成气孔， 高温时铝的强度、塑性很低，热膨胀系数大，易产生较 大的焊接应力、变形和裂纹； 铝及铝合金由固态加热到液态时无颜色变化，故操作时 难以掌握加热温度，易烧穿。
5）焊缝转角处应平滑过接
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焊缝转角处易产生应力集中，尤其在尖角处集中 效应更为严重，应平滑过渡。
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6）焊缝应尽量避开机械加工表面
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有些焊接结构是一些零件，需要进行机械加工。其 焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面远一些。
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（二）接头形式的选择与设计 １、接头形式：
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２、接头坡口形式
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开坡口的目的是：为了保证焊缝根部焊透，便于 清除熔渣，获得较好的焊缝形状，并且坡口能起到调 节母材金属和填充金属的比例作用。 （1）手弧焊板厚＜6mm时，一般不开坡口。 （2）板厚在6—26mm时，开Y形坡口，这种坡口 便于加工，但焊后焊件易变形。
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氩弧焊是焊接铝和铝合金最为理想的焊接方法。
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2、铜及铜合金的焊接
铜和铜合金的焊接性较差，主要存在的问题是： (1)铜的热导性好，焊接时要求热源集中，焊前要预热， 否则易产生未焊透或末熔合等缺陷。 (2)铜的线胀系数大，凝固时收缩率也大，因此焊接应 力与变形大。 (3)铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜(Cu2O)，它与铜 形成低熔点共晶体(Cu2O—Cu)，分布在晶界上，易产生热 裂纹。 (4)铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度急剧下 降，易形成气孔。 (5)焊接黄铜时会产生锌的蒸发，使黄铜焊缝的强度和 耐蚀性下降。锌蒸气有毒，对人体有害。 氩弧焊是焊接紫铜和青铜的有效方法。焊接黄铜常用 气焊，锌的蒸发较少，而且由于气焊可采用轻微氧化焰和 含硅焊丝相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜， 保护效果强，焊接质量高。
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2、焊接性的评定
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在焊接结构中最常用的金属材料是钢材。 影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。 碳当量：将钢中合金元素的含量按其对 焊接性的影响程度换算成碳的相当含量。它 可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。
Mn Cr Mo V Ni Cu CE (C ) 100% 6 5 15
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3、低合金结构钢的焊接
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当ωCE＜0.4%时，焊接性优良，焊前一般不 需预热； 当ωCE＝0.4~0.6%时，焊接性较差，需要预热、 缓冷； 当ωCE＞0.6%时．焊接性很差，需要严格的 工艺措施。 安徽工业大学
AHUT 利用碳当量法估算钢 材焊接性是粗略的，因为 钢材的焊接性还受结构刚 度、焊后应力条件、环境 温度等因素的影响。 在实际生产中，金属 材料的焊接性除了按碳当 量进行估算外，还需根据 实际情况进行抗裂性实验， 并配合进行接头使用性能 试验，以制定正确的焊接 工艺。 安徽工业大学
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10.3 常用金属材料的焊接
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一、金属材料的焊接性
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1、焊接性： 在一定的焊接工艺条件(焊接方 法、焊接材料、工艺参数及结构形式等)下，获 得优质焊接接头的难易程度。 焊接性包括两个方面的内容： 1）接合性能：即在给定的焊接工艺条件下， 对产生焊接缺陷的敏感性，尤其是对产生裂纹 的敏感性 2）使用性能：即在给定的焊接工艺条件下， 焊接接头对使用要求的适应性、可靠性。
三、高合金不锈钢的焊接
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高合金不锈钢中应用最广泛的是奥氏体耐蚀 钢(如18—8型铬镍奥氏体不锈钢)。 焊接性能良好。焊接时，一般不需要采取特 殊的工艺措施。 手弧焊时，选用与母材化学成分相同的焊条； 氩弧焊和埋弧自动焊时，选用的焊丝应保证焊缝 化学成分与母材相同。 焊接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀 和热裂纹。
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10.4 焊接结构设计
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设计焊接结构，除应考虑结构的使用性 能要求外，还应考虑结构焊接工艺的要求， 以保证焊接质量，力求高生产率、低成本。 焊接结构设计一般包括: 焊接结构材料的选择 焊接接头的工艺设计（包括焊缝布置、 接头型式、坡口形式等）
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一、
焊接结构材料的选择
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对接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接 结构中应用最多的一种接头型式，但对焊前准备和装配要求较高。 搭接接头常用于对焊前准备和装配要求简单的板状类部件结构中， 但因两焊件不在同一平面上，受力时将产生附加弯曲应力，降低接头强 度，且不经济，故搭接接头是薄板焊件的基本接头型式。 角接接头一般只起连接作用，不能用来传递工作载荷。 T形接头应用较广泛，在船体结构中，约70%的焊缝是采用这种接 头型式。
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（2）焊环焊缝
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（3）压力容器接管装配与焊接Βιβλιοθήκη （4）压力容器消除应力退火
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5. 检验
（1）力学性能试验
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（2）金相试验
（3）化学分析 （4）外观检查 （5）超声波检验 （6）射线探伤
（7）气密性试验
（8）水压试验
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超声波检验示意图
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1）焊缝位置应便于焊接操作（续）
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布置焊缝时，要考虑到焊接工艺方法的要求。
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2）应避免密集和交叉的焊缝
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焊缝密集或交叉会使接头处严重过热，力学性能 下降，并将增大焊接应力。一般两条焊缝的间距要大 于三倍的钢材厚度。
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3）尽可能使焊缝对称
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焊缝对称布置可使各条焊缝产生的焊接变形相互抵消， 这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。
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四、铸铁的焊接
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铸铁含碳量高，焊接性很差，所以铸铁焊接只用于修补 铸件缺陷。焊接铸铁的主要问题是易出现白口组织和裂纹。
(1)热焊 焊前将焊件整体或局部预热到500一700℃，焊 补过程中温度不低于400℃，焊后缓冷，从而防止白口组织和 裂纹的产生。 热焊焊补质量较好，但工艺复杂，生产率低、劳动条件 差。一般仅用于焊后要求机械加工的铸铁件。如机床导轨、 汽缸体等。 (2)冷焊 焊前对焊件不预热或预热温度较低(400℃以下)。 冷焊比热焊生产率高，成本低，劳动条件好，但焊补质量 有时不易保证。焊接时应尽量用小电流、分段焊，短弧焊等 工艺，焊后立即轻轻锤击焊缝，以减少焊接应力，防止产生 裂纹。
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1、磁粉检验
2、超声波检验
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3 、 X射线检验
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一、压力容器简介
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手 弧 焊 常 用 的 焊 缝 坡 口 基 本 形 式 与 标 注 方 法 （ 续 1）
手 弧 焊 常 用 的 焊 缝 坡 口 基 本 形 式 与 标 注 方 法 （ 续 2）
３、接头过渡形式
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设计焊接构件最好采用相等厚度的金属材料，以便获得优质 的焊接接头。当两块厚度相差较大的金属材料进行焊接时，接头 处会造成应力集中。而且接头两边受热不匀易产生焊不透等缺陷。 不同厚度金属材料对接时，允许的厚度差如表所示。如果超过 表中规定值，应在较厚板料上开出单面或双面斜边的过渡形式。
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4）焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置 AHUT
大跨度横梁，最大应力在跨度中间。横梁由两焊件 焊成，焊缝在中间使结构承载能力减弱。修改后的结构， 虽增加了一条焊缝，但改善了焊缝受力情况，提高了横 梁的承载能力。 对压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处位置。
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压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处位置。
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在满足结构使用性能要求的前提下，应尽可能 选用焊接性良好的材料来制造焊接结构件。
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设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢、角钢和 钢管等型材，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊 接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的 部分，还可以选用铸钢件、锻件或冲压件来焊接。
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3. 接管和法兰生产工序图
（1）出口接管切割成形
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（2）人孔接管板材卷圆成形
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（3）法兰毛坯下料
（4）法兰切削成形
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（5）人孔接管和法兰装配与焊接
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4. 总装配和焊接生产工序
（1）环焊缝对接缩口接头与衬板接头
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2. 筒体节生产工序
（1）下料
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（2）加工坡口
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（3）卷圆
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（5）焊接双面纵焊缝
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（6）去引弧板和引出板并清理 （7）筒体节校圆 （8）筒体节开接管孔
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五、非铁金属及其合金的焊接
1、铝及铝合金的焊接
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焊接铝及其合金的主要困难是： (1)易氧化 铝极易被氧化形成难熔的氧化铝(A12O3)薄膜， 熔点为2050℃，它覆盖在金属表面，阻碍金属熔合；且氧化 铝密度大，难于排除，易形成夹渣缺陷。 (2)易产生缺陷 液态铝能大量溶解氢，而在固态时几乎不溶解氢，因此 易生成气孔， 高温时铝的强度、塑性很低，热膨胀系数大，易产生较 大的焊接应力、变形和裂纹； 铝及铝合金由固态加热到液态时无颜色变化，故操作时 难以掌握加热温度，易烧穿。
5）焊缝转角处应平滑过接
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焊缝转角处易产生应力集中，尤其在尖角处集中 效应更为严重，应平滑过渡。
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6）焊缝应尽量避开机械加工表面
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（二）接头形式的选择与设计 １、接头形式：
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２、接头坡口形式
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开坡口的目的是：为了保证焊缝根部焊透，便于 清除熔渣，获得较好的焊缝形状，并且坡口能起到调 节母材金属和填充金属的比例作用。 （1）手弧焊板厚＜6mm时，一般不开坡口。 （2）板厚在6—26mm时，开Y形坡口，这种坡口 便于加工，但焊后焊件易变形。
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2、铜及铜合金的焊接
铜和铜合金的焊接性较差，主要存在的问题是： (1)铜的热导性好，焊接时要求热源集中，焊前要预热， 否则易产生未焊透或末熔合等缺陷。 (2)铜的线胀系数大，凝固时收缩率也大，因此焊接应 力与变形大。 (3)铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜(Cu2O)，它与铜 形成低熔点共晶体(Cu2O—Cu)，分布在晶界上，易产生热 裂纹。 (4)铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度急剧下 降，易形成气孔。 (5)焊接黄铜时会产生锌的蒸发，使黄铜焊缝的强度和 耐蚀性下降。锌蒸气有毒，对人体有害。 氩弧焊是焊接紫铜和青铜的有效方法。焊接黄铜常用 气焊，锌的蒸发较少，而且由于气焊可采用轻微氧化焰和 含硅焊丝相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜， 保护效果强，焊接质量高。
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2、焊接性的评定
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在焊接结构中最常用的金属材料是钢材。 影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。 碳当量：将钢中合金元素的含量按其对 焊接性的影响程度换算成碳的相当含量。它 可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。
Mn Cr Mo V Ni Cu CE (C ) 100% 6 5 15
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3、低合金结构钢的焊接