金属工艺学第四章 金属的焊接成形

第四章金属的焊接成形教学目的要求：1.熟悉焊接的特点、分类及其应用。2.了解焊件的选材原则和结构工艺性。焊接：是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合的一种方法。焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用：（1）制造金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊第一节焊条电弧焊一、焊接电弧和焊接冶金过程1、焊接电弧焊接时母材与焊条之间的气体被电离，持续放电形成电弧，电子流由阴极流向阳极。直流正接工件正极，焊条负极直流反接工件负极，焊条正极2、焊接的冶金过程氧化氮化氢脆气孔夹渣不平衡组织塑性韧性急剧下降形成原因？原理一般情况下，气体是不导电的，要使两极间能够连续地放电，必须使两极间的气体电离，连续不断地产生带电粒子（电子、正负离子），同时，在两极间应有足够的电压，带电粒子在电场的作用下向两极做定向运动，即形成导电体并通过很大的电流，产生强烈的电弧放电。第一节焊条电弧焊1、焊接接头二、焊接接头的组织结构和力学性能焊接后的焊缝金属区、熔合区及因焊接热而产生的影响区组成为焊接接头。焊缝金属的温度最高，热影响区的温度由里向外逐步降低。2、焊接接头的组织结构和力学性能二、焊接接头的组织结构和力学性能焊缝区铸态组织结构金属晶粒较细强度不低于母材熔合区已熔为铸态，未熔晶粒粗大脆性大强度低热影响区过热区正火区部分相变区2、焊接接头的组织结构和力学性能二、焊接接头的组织结构和力学性能二、焊接接头的组织结构和力学性能3、影响焊接接头性能的主要因素二、焊接接头的组织结构和力学性能母材、焊接方法、焊接参数、接头与坡口形式和焊后冷却速度等见表4-1例如用不同焊接方法焊接低碳钢时，热影响区的平均尺寸不同三、焊接应力与变形1、焊接应力与变形在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热和冷却是产生焊接应力和变形的根本原因。焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊接残余变形。焊接变形的形式因焊接件结构形状不同、其刚性和焊接过程不同而不同。三、焊接应力与变形1、焊接应力与变形对接焊缝、圆筒环焊缝的焊接应力分布三、焊接应力与变形1、焊接应力与变形2、减少焊接应力和变形的措施三、焊接应力与变形减少焊接应力的措施也可以有效地减少焊接变形，但减少焊接变形的措施中有的并不一定能够减少焊接应力。2、减少焊接应力和变形的措施3、焊接变形的矫正常用矫正方法机械矫正法借助外力迫使焊件改变形状压力机或锤击适用于塑性较好、厚度较小的焊件火焰矫正法利用火焰对焊件的某些部位进行局部加热，冷却后焊件上部沿纵向产生较大收缩3、焊接变形的矫正3、焊接变形的矫正电焊条的组成及作用组成：焊芯和药皮作用：焊芯导电和熔化后作为填充金属的双重作用。药皮稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等。药皮必须含有造气剂和造渣剂。药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。三、焊条1.焊条的种类种类：结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、钛及钛合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条。三、焊条2.焊条的型号焊条的种类及型号国标样本编号名称代号名称代号GB5117-85碳钢焊条E结构钢焊条J结GB5118-85低合金钢焊条E结构钢焊条钼和铬钼耐热钢焊条低温钢焊条JRW结热温GB983-85不锈钢焊条E不锈钢焊条GA铬奥GB984-85堆焊焊条ED堆焊焊条D堆GB10044-88铸铁焊条EZ铸铁焊条Z铸------镍及镍合金焊条Ni镍GB3670-83铜及铜合金焊条Tcu铜及铜合金焊条T铜GB3669-83铝及铝合金焊条TAl铝及铝合金焊条L铝------特殊用途焊条TS特3.电焊条的选用原则1.等强度原则：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。2.同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用。主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定。3.低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。4.焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。第二节其他焊接方法1.埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧焊的特点及应用埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。埋弧焊的原理示意图2.（钨极）氩弧焊以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊。3.熔化极氩弧焊以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所用电流比较大，生产率高。板厚8mm以上的铝容器。为使电弧稳定，熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。4.二氧化碳气体保护焊以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。CO2气体保护焊的特点：1.电流密度大、熔深大、焊速快、焊后无需清渣。2.产生变形和裂纹的倾向小。3.焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好。5.电渣焊利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。分为丝极、板极、熔嘴和熔管电渣焊。特点：1.焊接厚件时，厚大截面可一次焊成，生产率高；同时可节省开坡口工作，节省焊接材料和焊接工时，成本低。2.焊缝金属比较纯净。3.电渣焊接头组织粗大，焊后需要进行正火处理。电渣焊示意图6.等离子弧焊利用机械压缩效应和电磁收缩效应使电流线将电弧压缩为细小的等离子体。等离子弧温度高，能量密度大，因而可一次性熔化较厚的材料。等离子弧可用于焊接和切割。7.点焊焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，形成焊点。8.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。缝焊主要用于低压容器，如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等的焊接。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。9.电阻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，一般用于钢筋的对接焊。10.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。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。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。摩擦焊具有以下优点：11.摩擦焊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。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。12.钎焊碳当量法：碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：估算钢材可焊性的方法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，表现出“好焊”和“不好焊”的差别。第三节常用金属材料的熔焊特点()()()()()()()()6515wMnwCrwMowVwNiwCuwCEwC式中(C)、(Mn)等－碳、锰等相应成分的质量分数(%)。一般来说，碳当量越大，钢材的焊接性越差。当CE0.4％时，钢材的塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。当CE在0.4-0.6％时，钢材的塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，焊接性较差。当CE0.6％时，钢材的塑性变差。淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性更差。()()()()()()()()6515wMnwCrwMowVwNiwCuwCEwC低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外）。中碳钢含碳量在0.25%-0.6%之间，随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。在实际生产当中，主要是焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件。碳钢的焊接高碳钢合金钢的焊接低合金钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，焊后热影响区的淬硬倾向也越大。强度级别大于450MPa级的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体组织，形成淬火区，硬度明显增加，塑性、韧性则下降。不锈耐蚀钢的焊接第四节焊件的选材原则和结构工艺性