机械制造第四章

金属材料成形基础 （焊接）,目的和要求,了解熔焊的基本过程。 了解常用焊接方法的基本原理、特点和应用。 了解现代焊接方法的特点和应用。 理解常用金属材料的焊接性能。 掌握焊接接头性能及影响焊接质量的因素。 掌握碳钢、低合金钢的焊接方法和焊接性能。 掌握焊接的结构工艺性，能选择简单焊件的材料，焊接方法，接头形式及焊缝布置。,一、金属焊接成形,用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结 合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。,第四章 焊 接,第一节 概 述,铆接与焊接（图示）,一、金属焊接成形,用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结 合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。,二、焊接成形的分类,1熔化焊：,2压力焊：,3钎焊：,电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等,电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等,软钎焊、硬钎焊,第一节 概 述,三、焊接的应用,三、焊接的应用,三、焊接的应用,三、焊接的应用,三、焊接的应用,五、焊接的不足,1接头 牢固、封性好。,2可化大为小、以小拼大。,3可实现异种金属的连接。,4重量轻、加工装配简单。,四、焊接的优点,1不可拆卸。,2焊接接头性能下降。,3焊接残余应力和焊接变形。,4易产生裂纹、夹渣、气孔接缺陷。,热源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。,第二节 熔焊过程与接头性能,一、熔 焊 过 程,加热形成熔池冷却、结晶,包括：冶金过程、热过程、结晶过程,1. 冶金过程（金属的熔炼）,2400k 36%,2600k 42%,50008000k 21%,1 ) 熔池金属温度高于一般冶金温度,2 )熔池金属冷却快，处于液态的时间短,(2000k),使金属元素强烈蒸发、烧损。,10s,化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。,(1) O2 ：,3 )空气对焊缝的影响严重,氧化的结果,合金元素被烧损；,焊缝产生夹渣的缺陷；,形成CO气孔。,2）N2 ：,使接头的塑性、韧性下降。,3）H2 ：,扩散氢,例一：二战期间，美国250艘船断裂事故，10艘在平静港湾突然一断为二。 例二： 60年代初，美国北极星导弹试验多次发生爆炸事故。 调查：壳体材料常规强度没有问题，在爆炸碎片中发现裂纹。,1. 减少有害气体进入熔池；,2. 渗入合金元素；,3. 清除已进入熔池的有害元素。,焊接时要采取措施,1） 加热速度、冷却速度 (100500/s),2） 最高加热温度Tm,3） 过热区停留时间t过,4） 关键区停留时间t8/5,影响热循环的因素：,理想的焊接热循环：,2. 熔化焊的热过程,3.焊接熔池的结晶过程,产生偏析（a）、（b）容易开裂。,4.焊接应力与焊接变形,各部分加热和冷却均不同步,受母材的约束,柱状树枝晶垂直 于熔壁，晶柱轴线向中心。,产生内应力变形裂纹,焊接应力状态：,焊缝区域拉应力,两侧冷金属压应力,焊接变形：,焊接变形的基本形式,(a)收缩变形,(b)角变形,(c)弯曲变形,(d)扭曲变形,(d)波浪形变形,焊接应力与变形的防止,1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。,2）合理选择焊接顺序。,（）,（）,（）,1 4 3 2,1 2 3 4,7）反变形法,3）锤击或碾压焊缝,4）采用小能量、多层焊,5）焊前预热（150 350 ）,6）焊后热处理（去应力退火）,可消除应力80%左右,1,2,3,4,5,6,1 4 5 2 3 6,(1)热裂纹发生在焊缝区,严格控制焊缝成分P、S，Ni、Co、Mn,减小焊接应力。,在高温下（固相线附近），P、S等低熔点杂质在晶界处形成液态膜，受焊接应力影响发生开裂。,(2)冷裂纹发生在钢材Ms以下,淬硬的脆性组织、焊接应力及扩散氢,合理选材，例如钢材的碳当量CE,改善焊接工艺：,1)、5) 、6)改进热过程,2)、3) 4) 、 5) 减少氢含量,5.焊接裂纹最危险的缺陷,7) 去除应力,二、焊接接头的性能,焊接接头,焊缝区,焊接热影响区,晶粒粗大，成分偏析、不致密,熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。,2. 热影响区和熔合区,1. 焊缝的组织与性能,焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。,性能与母材接近(冲击韧性较差),可调整化学成分，有害元素较低,图中:白条相为晶界先共析铁素体， 晶粒内部为针状铁素体组织。,焊接接头, 熔合区,是焊缝和母材金属的交界区。,加热温度：,T液T固,化学成分不均匀，粗大的过热组织和淬硬组织，性能最差。, 过热区,加热温度：,T固1100 ,塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。,在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）, 正火区,加热温度：,1100 AC3,相当于受到正火处理，晶粒细化。（1.2-4mm）,力学性能优于母材。, 部分相变区,产生部分相变的区域。,加热温度：,AC3AC1,力学性能较母材稍差。,焊接接头力学性能最差的区域：,熔合区和过热区,下部分为正火区组织： 白色块状铁素体十黑灰色珠光体。,3. 影响焊接接头性能的因素,（1）焊接材料构成焊缝金属,（2）焊接方法：热源特性、机械保护效果,（3）焊接工艺：焊接电流、电压、焊接速度、线能量E,（4）焊前预热、焊后热处理（正火）,E线能量I/cm，,I/U/V焊接电流A/电弧电压V/焊接速度cm/s,有效热系数（0.660.85）、（0.900.99）,一、焊条电弧焊,特点,(1)设备简单、应用灵活方便。,(2)劳动条件差、生产率低、质量不稳定。,焊接过程,引弧,第三节 常用焊接方法,熔化焊,1. 焊条,焊条芯,药皮,焊缝的填充材料 填充焊缝,电极传导电流 导电,机械保护的作用,冶金的作用,稳定电弧的作用,药皮的种类：,氧化钛型；氧化钛钙型； 钛铁矿型；氧化钛型；纤维素型；,低氢钾型；低氢钠型； 石墨型；盐基型。,(1)组成 和作用,（2）焊条的种类,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,在熔渣中以酸性氧化物为主 （TiO2、SiO2、Fe2O3）,在熔渣中以碱性氧化物为主 （K2O、Na2O、CaO、MnO）,2.焊条的选用,2. 根据被焊工件的强度选用,1. 根据被焊工件的化学成分选用,3. 根据被焊工件工作条件和结构选用,4. 根据实际生产状况选用,二、埋弧自动焊,焊接电源,控制箱,焊接小车,焊接热源：电弧热,溶池保护：焊剂（气、渣）,1. 埋弧自动焊设备及焊接过程,2. 埋弧自动焊工艺,1）焊前准备,2)采取防漏措施,a)双面焊；b)手工电弧焊封底；c)焊剂垫；d)采用锁底坡口；e)水冷铜垫板。,板厚在2025mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中， 板厚在1422mm应开Y型坡口，板厚在2250mm，可开 双Y型坡口或U型坡口。,3)要有引弧板和引出板,环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=2040mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。,3. 埋弧自动焊工艺特点,1）生产率高（手弧焊的510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。,三、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,保护介质：Ar,Ar,不与金属发生化学反应不产生夹渣缺陷,不溶解于液体金属中不产生气孔缺陷,比重大于空气（25%）保护效果好,“阴极清理”作用,1）熔化极氩弧焊,厚度8mm以上的工件的焊接,2）非熔化极氩弧焊,适于厚度6mm以下工件的焊接,3）氩弧焊的特点及应用, 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。, 电弧燃烧稳定，飞溅小。, 焊接热影响区和变形小。, 可进行全位置焊接。, 氩气昂贵，设备造价高。,应用：,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。,适用所有金属材料的焊接。,以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。,焊接热源：电弧热,保护介质：CO2,CO2, 与金属发生化学反应产生夹渣缺陷, 溶解于液体金属中产生 CO 气孔缺陷, 比重大于空气（25%）, 氧化严重；, 气孔倾向大（CO）；, 飞溅严重。,1) 存在问题,2 . CO2气体保护焊, 生产率高（是手弧焊的13倍）。, 成本低（是手弧焊的40%） 。, 焊接热影响区和变形小。, 可进行全位置焊接。, 飞溅严重，焊缝成形差。,应用：,适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。,目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。,2）CO2气体保护焊的特点及应用,压力焊,五、电阻焊,通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形， 并经再结晶和扩散作用，实现连接的焊接方法。,1. 点焊,工艺参数,电极压力,焊接电流,通电时间,对组合焊件经电极加压，利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，实现焊接。,焊点距离,太近分流现象严重,太远强度不够,应用：4mm以下的薄板搭接。,点 焊,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。,缝 焊,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工件。,2）闪光对焊,应用：用于重要工件的焊接。可焊相同金属， 也可焊异种金属（铝钢、铝铜等）。 工件直径0.01mm00mm。,缝 焊,六、摩擦焊,1 . 摩擦焊焊接过程,2 . 摩擦焊接头型式,3. 特点及应用, 质量稳定；, 不需填充金属及焊剂；, 生产率高，易实现自动化。,应用：适用于黑色金属、有色金属； 也适用于特种材料、异种材料焊接。,摩擦焊动画,七、钎焊,是将钎料熔化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。,种类,1. 软钎焊,2. 硬钎焊,钎料的熔点在450 以下。,接头强度低，一般为60190MPa，工作温度低于100 ,钎料的熔点在450 以上。,接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。,钎料的作用, 连接, 填充,钎料的种类, 软钎料：, 硬钎料：,锡铝合金（焊锡）,铝基、铜基、银基、镍基合金等。,2. 溶剂,溶剂的作用, 清理作用, 降低表面张力, 保护作用,去除表面氧化皮,改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。,二、钎料和溶剂,1. 钎料,2. 可焊同种、异种金属和厚薄悬殊的工件。,3. 生产率高。易于实现自动化。,4. 设备简单，生产投资费用少。,应用：主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属 的焊接。,目前：软钎焊广泛用于电子、电器、仪表等行业；硬钎焊 用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。,三、钎焊的特点及应用,加热温度低，接头组织、性能变化小；焊接变形小， 工件尺寸精确。,其它焊接方法,等离子弧焊接视频,激光焊接视频,一、金属焊接性,1. 金属材料的焊接性,指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构