9第九章连接成型工艺基础

第三篇金属的连接成型连接成型：将简单型材或零件连接成复杂零件和机器部件的加工工艺根据连接成型原理不同，分为①机械连接②冶金连接③物化连接机械连接：利用螺钉、螺栓和铆钉连接成型接头可以拆卸，主要用于装配物化连接：利用粘接剂，通过物理、化学作用将材料连接成型接头不可拆卸。主要用于异种材料冶金连接：通过加热或加压（或既加热又加压），使分离表面的原子间距足够小形成金属键而获得永久性接头主要用于金属材料的连接第九章焊接理论基础与焊接质量焊接特点：1.节省材料，结构重量轻2.焊接接头具有良好的力学性能3.可以实现不同材料间的连接成型4.可以生产要求密封性的连接成型缺点：有些材料焊接困难；焊接不当，易产生缺陷；接头组织、性能不均匀；易产生残余变形原理：通过加热，加压或加热加压，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法分类：按焊接过程的特点分为①熔化焊②压力焊③钎焊§9.1电弧焊的本质电弧焊：用电弧作为热源使焊件金属局部熔化，形成熔池，随着电弧的移动，熔池中的液态金属冷却结晶，形成焊缝，实现焊接。焊接的本质：小范围的金属熔炼与铸造§9.2焊接工艺基础熔焊：将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法是最基本的焊接方法，焊接生产中占主导有电弧焊；气焊；电渣焊；电子束焊；激光焊其中电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法一、焊接电弧电弧是两电极之间持久而强烈的气体放电现象。其宏观表现是发出强光，释放大量的热量电弧组成：阴极区：发射电子区阳极区：正离子区，并接受电子弧柱区：气体电离区电弧产生的过程：当两电极接触时，因高温，金属很快熔化，并蒸发。当两极产生距离时，阴极表面金属发射大量电子；阳极表面发生电离；在弧柱区电子与原子、分子间的碰撞产生大量热量并导致电离。同时部分离子与电子间还会复合成原子或分子，并发光电弧放电的特点是：电压低，电流大，温度高，能量密度大，可满足焊接的要求正接：焊件接正极，焊条接负极反接：焊件接负极，焊条接正极二、焊接冶金过程电弧焊时，母材和焊条受到高温作用而熔化，形成熔池。熔池可看作是一个微型冶金炉，其内要进行一系列物理、化学过程其冶金过程有以下特点：1.金属熔池很小，且四周是冷金属，熔池处于液态的时间很短1）由于化学反应难于在如此短的时间内达到平衡状态，所以成分不均匀2）气体和杂质来不及浮出，导致容易产生气孔和夹杂等缺陷3）焊缝金属组织结晶后易产生粗大的柱状晶2.熔池金属温度高于一般冶炼温度因此金属元素蒸发和烧损强烈三、焊接三要素1.热源要求能量集中，温度高，以保证金属快速熔化，减小高温对金属性能的影响2.熔池的保护与净化保护：采用熔渣、惰性气体、真空等保护措施，将熔池与大气隔离，阻止焊缝金属氧化与杂质进入焊缝净化：降低焊缝中氧、硫、磷等元素的含量3.填充金属一方面可保证填满焊缝，另一方面可向焊缝过渡有益的合金元素，以弥补金属的烧损，并调整焊缝金属的化学成分，满足性能要求.§9.2焊接接头组织与性能焊接接头包括焊缝、熔合区、热影响区热影响区：焊缝附近组织、性能发生变化的区域熔合区：焊缝与热影响区之间的过渡区一、焊接工件上的温度分布焊缝周围被加热、冷却，每一点被加热的温度不同，达到高温的时间也不同，冷却速度也不同二、焊接接头的组织与性能低碳钢焊接接头1.焊缝熔池凝固成焊缝●焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始向中心长大，冷却速度较快，晶粒呈垂直于熔池壁的柱状晶●焊缝成分不均匀，焊缝中心区容易偏析硫、磷等杂质，导致力学性能变差2.熔合区焊缝于母材交接的过度区其加热温度介于液—固两相线之间加热时，金属处于半熔化状态，其成分不均匀，组织粗大，塑性、韧性很差是焊接接头中性能最差的区域3.热影响区焊接过程中，被焊材料受热（但未熔化）后，金相组织和力学性能发生变化的区域。热影响区分为：①过热区②正火区③部分相变区④再结晶区1）过热区具有过热组织或晶粒显著粗大的区域固相线～1100℃性能：塑性、韧性很低，尤其是冲击韧性较低，是热影响区中性能最差的区域2）正火区相当于受到正火处理的那部分区域1100℃～AC3冷却后获得正火组织，力学性能好3）部分相变区发生部分相变AC3～AC1之间，仅部分组织发生相变冷却后晶粒大小不均匀力学性能比母材差4）再结晶区AC1～450℃之间，发生再结晶，硬度降低经过冷塑性变形的母材才有再结晶区热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范、接头形式等因素。热源集中，焊接速度快时，热影响区小热影响区往往是焊接件开始破坏的地方三、影响焊接接头组织和性能的因素1.焊接材料2.焊接方法3.焊接工艺4.焊后热处理9.3焊接应力和焊接变形焊接过程中由于热源对焊接件局部不均匀加热，使焊接件产生应力和变形一、焊接应力于变形产生的原因受不均匀加热和冷却1.纵向焊接应力自由伸缩的假想小板条，焊接中自由伸缩但实际情况是，假想条相结合，相互牵制加热：只加热中间一条，是模拟的焊缝因超过塑性温度，伸长两被压缩冷却：中间条压缩，被两边牵制，产生拉应力；两边条被中间条压缩，产生压应力2.横向焊接应力及变形往往比较复杂，分几种情况讨论1）由纵向变形引起的横向应力及变形钢板单边施焊时，焊后焊接边缩短，向焊接边发生侧弯将焊缝看成为，将两个板连接在一起焊缝中部出现横向拉应力，两侧出现压应力2）由焊缝冷却先后不同形成的横向应力焊缝中，有三个焊接点●焊接第一个点A：A点冷却后钢板的间隙变化不大，因为钢板可以自由伸缩●焊接B点：受热膨胀时，上端间隙被撑大，B点附近的金属没有受到明显的压缩变形，冷却后间隙没有明显的缩小●焊接点C加热：C点不能自由伸缩，受到A、B的阻碍，因此C点受压，B点受拉，A点受压冷却：C点被压缩，产生塑性变形，焊点C处的间隙变小，但受到A、B处的阻碍C点受拉，B受压，A点受拉焊缝冷却先后不同，对横向应力有影响二、减小和防止焊接应力的措施1.采取合理的焊接顺序使焊缝的收缩自由，不受大的约束1）先焊收缩量较大的焊缝，使其一开始能够比较自由收缩变形2）先焊工作时受力大的焊缝，使其承受压应力臂厚不均时，先焊臂薄处3）拼焊时，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝2.焊前预热或加热减应区3.采用小线能量、快速焊4.锤击或辗压焊缝5.焊后热处理6.焊后拉伸或振动工件三、预防与矫正焊接变形的措施1.预防措施1）合理选择焊缝的尺寸和形式在保证承载力的前提下尽量减小焊缝尺寸减小焊缝尺寸的设计2）尽可能减少不必要的焊缝3）合理‘安排焊缝位置4）采用能量集中的热源、对称焊、分段焊和多层多道焊5）预先反变形6）焊前刚性固定7）散热法通过强迫冷却减小焊缝及其附近的受热量2.矫正焊接变形方法设法造成新的变形，抵消残余变形1）机械矫正法利用机械力的作用2）火焰加热矫正法不均匀加热的方式引起结构变形，矫正原有的变形§9.4焊接质量检验缺陷的存在降低承载力，且导致应力集中，陈胜裂纹一、焊接接头缺陷有外观缺陷和内部缺陷外观缺陷：焊瘤、咬边、未焊透内部缺陷：裂纹、气孔、夹杂二、焊接质量检验1.检验过程1）焊前检验2）生产过程中的检验3）成品检验2.检验方法1）外观检验以肉眼或低倍放大镜2）磁粉检查3）渗透探伤（着色探伤）4）超声波探伤5）射线探伤6）密封性检验7）耐压检验8）焊接接头力学性能检验电弧焊：利用电弧作为热源，使分离的金属局部熔化，随着电弧的移动，熔池中的液态金属冷却结晶，形成焊缝，实现焊接件的连接电弧焊的本质是，小范围内的金属熔炼与铸造焊接过程包含有：热过程；冶金过程；结晶过程三、电焊条1.焊条组成由焊芯和药皮组成焊芯：即是电极，又是填充金属药皮：涂在焊芯表面上的涂料层作用：①提高电弧的稳定性②产生保护熔渣的气体③保证焊缝金属的脱氧、硫、磷④向焊缝渗加必要的合金元素2.焊条种类按用途划分为十大类3.焊条选用有以下原则①根据被焊的金属材料类别选择相应的焊条种类②结构钢焊条的力学性能应满足焊缝与焊接件等强度要求对特殊钢，保证接头的特殊性能，应具有相同或相近的成分③焊接结构件在较差的条件下工作时，应选用碱性焊条④对几何形状复杂、厚度大、焊接时易产生较大应力和裂纹的焊接件，应选用抗裂性好的碱性焊条⑤焊条工艺性能要满足施焊操作要求