第十一章压焊工艺

1第十一章压焊工艺压力焊是指通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子接近到晶格距离（0.3～0.5nm)，形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。热源形式为：电阻热、高频热、摩擦热等。力的形式为：静压力、冲击力（锻压力）和爆炸力等。压力焊为：冷压焊、扩散焊和热压焊2第一节电阻焊一、电阻焊的原理电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的。1.热源电阻热：Q=I2Rt,焊接区的总电阻为：R=Rc+2Rcw+2Rw。其中:Rc—焊件接触电阻，Rcw—电极与焊件间的接触电阻Rw—焊件电阻。3(2)影响接触电阻的因素：工件表面状态表面愈粗糙、氧化愈严重、接触电阻愈大。电极压力压力愈高、接触电阻愈小。焊前预热焊前预热将会使接触电阻大大下降。静压力用来调整电阻大小，改善加热。产生塑性变形或在压力下结晶。冲击力（锻压力）用来细化晶粒，焊合缺陷等。其压力变化形式有平压力，阶梯压力和马鞍形压力，其中马鞍形压力较为理想。(1)接触电阻Rc+2Rcw：因接触面上存在的微观凹凸不平、氧化物等不良导体膜，使电流线弯曲变长，实际导电面积减小。2.压力43.电阻焊过程预压、通电加热、在压力下冷却结晶或塑性变形和再结晶。通电后，因两焊件间接触电阻的存在，贴合面处温度迅速上升到熔点以上。断电后，熔核立即开始冷却结晶，由于有维持压力或顶锻压力的作用，从而消除了缩孔和缩松等缺陷，并产生塑性变形和再结晶，细化晶粒，获得组织致密的焊点。电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种形式。电阻焊52．电阻点焊电阻点焊是用圆柱电极压紧工件，通电、保压获得焊点的电阻焊方法。1.点焊时的分流现象点焊前先将表面清理好的两个工件预压夹紧，然后接通电流。电极为铜或铜合金材料，其内部通有冷却水，因此电极子会熔化，而两工件相互接触处则由于电阻热很大，温度迅速升高，金属熔化形成液态熔核。断电后，继续维持或加大压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。移动焊件，依次形成其他焊点。因已焊点形成导电通道，在焊下一点时，焊接电流一部分将从已焊点流过，使待焊点电流减少的现象称为分流。（图11-4），分流减小了焊接电流，使焊点品质下降。6从上式中可见，焊件愈厚，导电性愈好，则分流愈严重。因此，为防止分流，对不同的材质和板厚的材料，应满足不同的最小点距要求。见表11-17点焊时的熔核偏移在焊接不同厚度或不同材料时，因薄板或导热性好的材料，吸热少，而散热快，导致熔核偏向厚板或导热差的材料的现象称为熔核偏移。（见图11-5）熔核偏移易使焊点减少，接头性能变差。可采用特殊电极和工艺垫片的措施，防止熔核偏移，如图11-6所示。8点焊工艺参数点焊的工艺参数为电流、压力和时间。大电流，短时间称为强规范。主要用于薄板和导热性好的金属的焊接，也可用于不同厚度或不同材质及多层薄板的点焊。小电流，长时间称为弱规范。主要用于稍厚板和淬火钢的点焊。9点焊焊件都采用搭接接头应用：点焊主要适用于厚度为4mm以下的薄板、冲压结构及线材的焊接，每次焊一个点或一次焊多个点。目前，点焊已广泛用于制造汽车、车厢、飞机等薄壁结构以及罩壳和轻工、生活用品等。103．电阻缝焊缝焊是连续的点焊过程，它是用连续转动的盘状电极代替了柱状电极，焊后获得相互重叠的连续焊缝（图11-8）。缝焊分流严重，通常采用强规范焊接，焊接电流比点焊大1.5～2倍。电阻缝焊缝焊主要用于：低压容器的焊接。如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等。11四、对焊先将工件夹紧并加压，然后通电使接触面温度达到塑性温度(950～1000℃)。在压力下塑变和再结晶形成固态焊接接头。电阻对焊要求对接处焊前严格清理，所焊截面积较小。对焊是利用电阻热将杆状焊件端面对接的一种电阻焊工艺。电阻对焊1.电阻对焊一般用于钢筋的对接焊。122.闪光对焊先通电，后接触，因个别点接触，个别点通过的电流密度很高，可使其瞬间熔化或汽化，形成液态过梁。由于过梁上存在电磁收缩力和电磁引力及斥力而使过梁爆破飞出，形成闪光。闪光一方面排除了氧化物和杂质，另一方面使对口处的温度迅速升高。闪光对焊主要用于钢轨、锚链、管子等的焊接，也可用于异种金属的焊接。因接头中无过热区和铸态组织，所以性能高。当温度分布到合适的状态后，立刻施加顶锻力，将对接处所有的液态物质全部挤出，是纯净的高温金属相互接触，在压力下产生塑性变形和再结晶，形成焊接接头。13第二节摩擦焊一、摩擦焊的工艺过程原理摩擦焊是利用焊件接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊国外摩擦焊1415焊件尺寸精度高，可以实现直接装配焊接。焊接生产率高，是闪光焊的4～5倍。三相负载均衡，节能，改善了三相供电电网的供电条件。与闪光对焊比较，节省电能80%～90%左右。由于摩擦焊金属焊接变形小，接头焊前不需特殊清理，接头上的飞边有时可以不必去除，焊接不需要填充材料和保护气体，加工成本显著降低。摩擦焊机容易实现机械化，自动化；操作技术简单，容易掌握。摩擦焊的工作场地卫生，没有火花，弧光；没有有害气体，有利于环境保护，适于设置在自动生产线上。接头的焊接质量好、稳定，其废品率是闪光对焊的1%左右。适于焊接异种钢和异种金属，如碳素结构钢-高速钢、铜-不锈钢、铝-铜、铝-钢等。二、摩擦焊具有以下优点：16第三节超声波焊一、超声波焊的原理二、超声波焊的特点利用超声频的高频振荡能，通过磁致伸缩元件将超声频转化为高频振动，在上下振动极的作用下，两焊件局部接触处产生强烈的摩擦、升温好变形，从而使氧化皮等污物得以破坏或分散，并使纯净金属的原子充分靠近，形成冶金结合。可分为超声波点焊和超声波缝焊。1.接头中无铸态组织或脆性金属间化合物，也无金属的喷溅，其力学性能比电阻焊好，稳定性高。2.可焊的材料范围广，特别适合于高熔点、高导热性和难熔金属的焊接及异种材料的焊接，可用于厚薄悬殊及多层箔片的焊接3.焊接表面清理简单，电能消耗少（为电阻焊5%）。17第四节扩散焊一、扩散焊的原理三、瞬时液相扩散焊过程将两焊件压紧并置于真空或保护气氛中加热，使接触面微观凹凸不平处产生塑性变形而紧密接触经过较长时间的保温和原子扩散形成固态冶金连接。分固态和瞬时液相扩散焊两种。二、固态扩散焊过程1.变形-接触阶段2.扩散-界面推移阶段3.界面和孔洞消失阶段1.液相生成2.等温凝固3.均匀化18四、扩散焊的特点1.焊接温度低（熔点的40%~80%），可焊接熔化焊难以焊接的材料。2.可焊接结构复杂、要求焊接表面十分平整好光洁及精度要求高的焊接。3.可焊接不同材料。4.焊缝可与母材成分和性能相同。四、扩散焊的应用扩散焊可用于高温合金涡轮叶片、超声速飞机中钛合金构件、钛-陶瓷静电加速管的焊接，异种钢、铝及铝合金、复合材料的焊接及金属与陶瓷等的焊接。19第五节爆炸焊一、爆炸焊的原理二、爆炸焊的特点利用爆炸时产生的高压、高温及高速冲击波作用在腹板上，使其与基板猛烈冲击，在接触处产生射流，从而清除表面的氧化物等杂质，并在高压下形成固态接头。1.结合面为平坦界面时，撞击速度较低，结合面无熔化发生，因此接头性能较差。故在实际生产中不多用。2.结合面为波浪界面时，撞击速度较高，结合面有熔化发生，因此接头性能较好。故在实际生产中尽可能使用这种结合形式。3.结合面为连续的熔化层时，撞击速度过高，结合面产生连续的熔化层，因此接头性能也较差。故在实际生产中尽量避免使用这种结合形式。20第十二章钎焊、封接与粘接工艺钎焊、封接与粘接工艺是一种物理和化学连接。它是在低于构件熔点的温度下，采用填缝材料，在液态下充填缝隙，通过毛细作用及表面化学反应，待填缝材料结晶或固化后，将两个分离的表面连接形成不可拆接头。2112.1钎焊1．硬钎焊钎料熔点在450℃以上，接头强度较高，都在200MPa以上，属于这类的钎料有铜基、银基和镍基等。2．软钎焊钎料熔点为450℃以下，接头强度较低，一般不超过70MPa，所以只用于钎焊受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。钎焊：是利用熔点比焊件低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的焊件连接起来的一种焊接方法。22钎焊过程中，一般都需要使用钎剂。钎剂的作用是：清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质，改善钎料流入间隙的性能（即润湿性），保护钎料及焊件不被氧化。因此钎剂对钎焊质量影响很大。软钎焊时，常用的钎剂为松香或氯化锌溶液。硬钎焊时，钎剂种类较多，主要由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等组成，应根据钎料种类选择应用。钎焊的加热方法：烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加热、盐浴加热等。钎焊233．钎焊的特点：1）工件加热温度低，所以其组织和力学性能变化很小。接头光滑平整，焊件尺寸精确。2）可以焊接性能差异很大的异种金属，对焊件厚度也没有严格限制。3）对焊件整体加热钎焊时，可同时钎焊由多条（甚至上千条）接头组成的、形状复杂的构件，生产率很高。4）钎焊设备简单，生产投资费用少。5）钎焊接头强度低，允许的工作温度不高，焊前清理要求严格，钎料价格较高。不适于一般钢结构和重载动载荷机件的焊接。6）钎焊主要用于焊接精密仪表、电器零部件、异种金属构件以及某些复杂薄板结构。也常用来焊接各类导线与硬质合金刀具。2412.2封接（略）2512.3粘接工艺粘接是利用胶粘剂把两种性质相同或不同的物质牢固地粘合在一起的连接方法。胶粘剂所以能够把两个物质牢固地粘接在一起，主要因为胶粘剂能通过本身在被粘接材料的连接面上产生机械、物理和化学作用而具有粘附力。26粘接具有以下优点：粘接对材料的适应性强，既可用于各种金属、非金属的连接，也可用于金属与非金属的连接。能减轻结构重量。采用粘接可省去很多螺钉、螺栓等连接件，因此，粘接比铆接、焊接减轻结构重量约25%～30%。粘接接头的应力分布均匀，应力集中较小，因此它的耐疲劳性能好。粘接接头的密封性能好，并具有耐磨蚀和绝缘等性能。粘接工艺简单，操作容易，效率高，成本低。27粘接具有以下缺点：粘接强度比较低，一般仅能达到金属母材强度的10%～50%。粘接接头的承载能力主要依赖于较大的粘接面积。使用温度低，一般长期工作温度只能在150℃以下，仅有少数可在200～300℃范围内使用。粘接接头长期与空气、热和光接触时，易老化变质。粘接质量因受多种因素影响不够稳定，而且质量难以检验。28第十三章金属材料的焊接性能第一节金属材料的可焊性第二节碳钢的焊接第四节铸铁的焊补第五节有色金属的焊接第三节合金结构钢的焊接29第一节金属材料焊接性的概念及评估方法一、可焊性的概念金属材料的可焊性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包括两个方面：一是工艺焊接性主要是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；二是使用焊接性主要是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它特殊性能(如耐热、耐蚀性能等)。30金属材料的焊接性可通过估算和试验方法来确定。二、估算钢材可焊性的方法碳当量法：碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：15)()(5)()()(6)()()(CuwNiwVwMowCrwMnwCwCEw各种化学元素对焊缝组织性能、夹杂物的分布以及对焊接热影响区的淬硬程度等的影响不同，对产生裂纹倾向的影响也不同。在各种元素中，碳的影响最为明显，其它元素的影响可折合成碳的影响。影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。31根据经验：C当量＜0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。C当量=0.4%～0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。C当量＞0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性