金属工艺学(8).ppt

金属工艺学,主讲申良机,第四篇金属焊接成型,概述,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,三、焊接成形的特点,1．接头牢固、密封性好。,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。,5．焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。,1手工电弧焊的焊接过程,第一章金属焊接成形工艺基础,一、手工电弧焊的特点,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。,二、手工电弧焊焊接过程,①引弧,,,,,,三、焊接电弧,1.焊接电弧的概念,具备两个条件,,使气体电离,阴极发射电子,电阻热QI2Rt,,,,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。,,,,,焊接电弧的稳定燃烧就是带点粒子产生、运动、复合所产生的动态平衡过程。,,2.电弧的构造及热量分布,2400k36,2600k42,50008000k21,3.电弧的极性,直流电源正接极,直流电源反接极,工件正极（阳极）；焊条负极（阴极）。,工件负极（阴极）；焊条正极（阳极）。,用于薄板金属的焊接,2焊接接头金属的组织与性能,一、熔焊过程冶金特点,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。,3.空气对焊缝的影响严重,1）O2,氧化的结果,,①合金元素被烧损；,②焊缝产生夹渣的缺陷；,③形成CO气孔。,2）N2,使接头的塑性、韧性下降。,3）H2,氢气孔,二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施,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。,,,三、电焊条,1.电焊条的组成及作用,电焊条,,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,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。,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,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）,三、电焊条的选用,1.根据被焊工件的强度选用,2.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,四、焊接接头金属组织与性能,1.焊接热循环,焊接接头,,焊缝区,焊接热影响区,1）焊缝区,熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。,2）焊接热影响区,,2.焊接接头金属组织与性能的变化,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。,①熔合区,,是焊缝和母材金属的交界区。（0.1-1mm）,加热温度,T液T固,强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。,②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）,③正火区,加热温度,,1100℃AC3,在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）,力学性能优于母材。,④部分相变区,在热影响区内发生部分相变的区域。,加热温度,AC3AC1,力学性能较母材稍差。,力学性能最差的区域,熔合区和过热区,减小和消除焊接热影响区的方法,①小电流、快速焊接；,②采用先进的焊接方法；,③焊前预热、焊后热处理（正火）,五、焊接应力与变形,（一）焊接应力与变形产生的原因,焊接应力与变形产生的根本原因是焊件工件）在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。,应力的形成过程,焊接应力与变形,（二）焊接变形的基本形式,1.收缩变形,2.角变形,3.弯曲变形,4.扭曲变形,5.波浪形变形,,（三）焊接应力与变形的防止,1.焊接应力的防止及消除措施,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。,②（ⅠⅢ）,①（ⅠⅡ）,（ⅡⅢ）,Ⅲ,,,,,,,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,,2.焊接变形的防止及矫正措施,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。,1432,3）反变形法。,,,,,,,,1,2,3,4,5,6,142533,1234,4）采用焊前刚性固定法。,5）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。,6）焊接变形的矫正,①机械矫正,②火焰矫正,,7）分段退焊的应用,六、金属材料的焊接性,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、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,焊接性,,①工艺焊接性,②使用焊接性,焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性,焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能,2.影响焊接性的因素,1）焊接方法,4）工艺参数,2）焊接材料,3）焊件化学成分,3.焊接性的评定方法,,1）实验法,小型抗裂试验法,1）碳当量估算法,C,影响最显著,基本元素,折合成碳的相当含量对焊接性的影响,其它元素,CECMn/6CrMoV/5NiCu/15,CE0.6,具有良好的焊接性,焊接性较差,焊接性差,,2）实验法,小型抗裂试验法,,第二章金属的焊接成形方法,1熔化焊,一、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,①双面焊；②手工电弧焊封底；③焊剂垫；④采用锁底坡口；⑤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，半厚在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；（a2040mm）。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。,,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,保护介质Ar,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）,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）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,,①与金属发生化学反应产生夹渣缺陷,②溶解于液体金属中产生CO气孔缺陷,③比重大于空气（25）,①氧化严重；,②气孔倾向大（CO）；,③飞溅严重。,1存在问题,2.CO2气体保护焊,①生产率高（是手弧焊的13倍）。,②成本低（是手弧焊的40）。,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。,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,三、电渣焊,利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热，同时加热熔化焊丝和金属母材的焊接方法。,焊接热源电阻热,保护介质液态熔渣,1.焊接过程,,2.焊接特点及应用,1）大厚度工件可一次焊成。,单丝4060mm；单丝摆动60150；三丝摆动450mm；板极电渣焊,2）生产率高，成本低。,3）焊接质量好。不易产生夹渣、气孔等缺陷。,4）热影响区大。焊后热处理。,应用,,①适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料；,②适用于厚大工件。厚度大于40mm的大型结构件。,2压力焊,一、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，使两部分金属达到原子间的结合，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,适中,,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。,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0.01mm200mm。,,,,,,二、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,①质量稳定；,②不需填充金属及焊剂；,③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。,3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。,一、钎焊的种类,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,,①连接,②填充,钎料的种类,,①软钎料,②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,,①清理作用,②降低表面张力,③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。,第三章常用金属材料的焊接,1碳钢的焊接,1.低碳钢的焊接,低碳钢C0.60,问题,,焊缝区易产生热裂纹,热影响区易产生冷裂纹,措施,,焊前预热（250350℃），焊后缓冷。,选用低氢型焊条。,焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,避免选用高碳钢作为焊接结构件。,焊补,措施,,焊前预热（150250℃），焊后缓冷。,选用低氢型焊条。,焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,2合金结构钢的焊接,合金结构钢,,机械制造用结构钢,普通低合金结构钢,（调质钢、渗碳钢）,（压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。）,普通低合金结构钢,低强度普通低合金结构钢,高强度普通低合金结构钢,,σs400MPa,CE400MPa,CE0.40.5,焊接性良好。,焊接性较差。,15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV,焊前预热（150250℃），焊后缓冷；选用低氢型焊条；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,3铸铁的焊补,一、铸铁焊补的特点（困难）,1.熔合区易产生白口组织和淬硬组织；,2.焊缝区易产生裂纹；,3.焊缝区易产生气孔；,4.熔池金属易流失；,二、铸铁焊补的方法,1.热焊法,焊前将焊件整体或局部预热至600700℃并施焊，焊后缓冷。,用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等,2.冷焊法,焊前不预热或低温预热（400℃）的焊补方法。,焊条,,①钢芯铸铁焊条,适用于非加工表面的焊补,②石墨化铸铁焊条,⑤高钒铸铁焊条,④镍基铸铁焊条,③铜基铸铁焊条,适用于较大灰口铸铁件的焊补,主要用于一般铸铁件的焊补,主要用于重要件加工表面的焊补,可进行机械加工、塑性和抗裂较好。,焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性,抗裂性好，可进行机械加工。,具有良好的抗裂性与加工性,主要用于一般铸铁件的焊补,4有色金属的焊接,一、铝及铝合金的焊接,1.铝及铝合金的焊接特点,1）易氧化；,2）易产生气孔；,4）接头易软化；,3）易变形开裂；,2.铝及铝合金的焊接方法,氩弧焊、气焊、钎焊、电阻焊。,二、铜及铜合金的焊接,1.铜及铜合金的焊接特点,2）易氧化；,3）易产生气孔；,1）难熔合；,4）易变形开裂；,2.铜及铜合金的焊接方法,氩弧焊、气焊、钎焊、碳弧焊。,第四章焊接成形金属件的工艺设计,1焊接结构材料的选择,1.优先选用低碳钢和低强度低合金钢；,2.对于重要件应有先选用镇静钢；,3.尽量选用同一牌号的材料；,4.材料的厚度最好相等；,5.尽量选用型材。,2焊接方法的选择,焊接方法的选择应充分考虑材料的焊接性、焊件厚度、焊缝长短、生产批量及焊接质量等因素。,3接头工艺设计,一、接头形式的设计,1.对接接头,2.搭接接头,3.角接接头,4.T字接接头,对接接头,接头受力简单、均匀，应力集中较小，强度较高，优先选用,搭接接头,接头强度好。但受力复杂，应力集中严重，易产生焊接缺陷。,二、坡口形式的设计,,,不同厚度的工件焊接时,三、焊缝的布置,1.焊缝应避免密集交叉,2.焊缝应对称分布,,3.焊缝应避开应力集中处和最大应力处,4.焊缝应远离机械加工表面,5.焊缝的布置应便于焊接操作,