连接成形

连接成形材料热成形工艺基础（Ⅲ）连接成形•一、概述•二、焊接理论基础•三、常用焊接方法与工艺•四、常用金属材料的焊接•五、焊接结构工艺性与工艺设计一、概述•材料连接成形方法：机械连接、物理化学连接、冶金连接–机械连接：螺钉、螺栓和铆钉等紧固件–物理化学连接：黏胶和钎料–冶金连接：焊接，加热或加压或两者并用•焊接是现代工业生产中应用最广泛的一种连接金属的工艺方法。•焊接主要用于制造金属结构、机器零件、部件和工具等。不可拆•焊接实质与分类–实质：通过加热或加压或既加热又加压使原子扩散与结合，从而形成一个整体。–分类：（按特点分）•1、熔化焊：利用局部加热的方法，把工件结合处加热为熔化态，形成熔池，冷却结晶，形成牢固接头。电弧焊、气焊、电渣焊。•2、压力焊：焊接时不管加热与否，都要施加一定压力，使两焊件产生一定塑性变形，在压力下形成牢固接头。电阻焊、摩擦焊、冷压焊、爆炸焊。•3、钎焊：对被焊件和充填金属加热，焊件不熔化，钎料熔化，填充于被焊金属连接处。原子扩散形成接头。锡焊、铜焊。•焊接的特点：–1、与铆接相比省材料、工时，构件轻。–2、接头牢固、密封性好。–3、能化大为小，拼小成大。–4、可实现异种金属的连接。–5、易于机械化，自动化，提高生产率。–6、焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。二、焊接理论基础•1、熔焊冶金过程•2、电焊条•3、焊接接头的组织和性能•4、焊接应力与变形焊缝形成过程示意图在高温热源的作用下，填充金属（如焊条）和基体金属发生局部熔化。熔池前部（2-1-2区）熔化金属被电弧吹力吹到熔池后部（2-3-2区），迅速冷却结晶。随着热源不断移动，从而形成连续的致密层状组织焊缝。1、熔焊冶金过程•a、熔焊冶金过程的特点：–熔池金属温度高于一般冶金温度–熔池金属冷却快，处于液态的时间短–空气对焊缝的影响严重使金属元素强烈蒸发、烧损。2000k化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。10s•b、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(机械保护)；–2)渗入合金元素(焊条药皮或焊剂)；–3)清除已进入熔池的有害元素（脱氧、脱硫、脱磷)。2、电焊条•a、电焊条的组成及作用•焊缝的填充材料—填充焊缝焊条芯药皮电焊条焊条芯药皮电极传导电流—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氧化铁型；⑤纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。摘自GB5117-85焊条型号牌号药皮类型焊接电源焊接位置用途E4303J422钛钙型交流或直流全位置焊接用于较重要的低碳钢及强度等级较低的低合金钢，如09Mn2等。J422GM适于海上平台、船舶、工程机械等表面装饰焊缝的焊接J422Fe适于较重要的低碳钢结构焊接E5016J506低氢钾型交流或直流全位置焊接用于中碳钢和低合金钢的焊接如：16Mn，9Mn2Si。•b、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—TSJ422药皮种类（钙钛型）抗拉强度结构钢焊条J507药皮种类（低氢型）抗拉强度结构钢焊条•c、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酸性焊条：碱性焊条：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）机械性能好（韧性高，抗裂性好）；焊接工艺性能差；（用直流电）对油污、锈、水敏感性大；（清洗、烘干）排出有毒烟尘HF。（通风良好）3、焊接接头的组织和性能•a、焊接工件上的温度变化及分布–焊缝附近的金属从室温加热到不同温度，后又冷却至室温，相当于不同规范的热处理，因此组织、性能大大不同。焊接热循环曲线•b、焊接接头金属的组织与性能变化–1）焊缝金属：由于是低碳钢，冷却快，生成柱状P+F，P多，利于合金元素渗入，使铸态机械性能提高，其力学性能不低于母材。–2）焊接热影响区：焊缝附近金属受热发生变化的区域。•（1）熔合区：是焊缝向热影响区过渡的区域。这部分的加热温度处于液相线和固相线之间。（0.1~1mm），强度、塑性和韧性都下降。熔合区在很大程度上决定着焊接接头的性能。•（2）过热区：在Ac3线以上100℃-200℃至固相线温度区间，晶粒急剧长大，冷却后即得到粗晶组织，使该区金属的塑性及冲击韧性变得很低。•（3）正火区：金属快冷，重结晶，晶粒细化，将得到正火组织，机械性能改善。•（4）部分相变区：相当Ac1-Ac3之间，部分金属发生相变，珠光体和部分铁素体发生相变，转变为细小的奥氏体晶粒；部分铁素体不发生相变，晶粒有长大趋势，冷却后晶粒大小不一，性能稍差。•（5）再结晶区：加工硬化组织有此区。消除加工硬化采用再结晶退火。•c、改善方法•在焊接过程中，尽量减少热影响区，提高焊接速度，减小电流，焊后正火处理。4、焊接应力与变形•a、焊接应力与变形产生的原因•在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热，将产生焊接应力与变形。焊接过程中冷却后平板对焊时的变形与应力+++---•b、焊接应力与变形的分类•1）焊接应力分类•（1）按形成原因分：•☆热应力：加热不均•☆组织应力：相变产生体积变化•☆凝固应力：熔池体积收缩受阻•（2）按位置分：☆纵向应力；☆横向应力•2）焊件变形分类：•☆收缩变形；☆角变形；☆弯曲变形；•☆扭曲变形；☆波浪变形焊接变形的基本形式序号变形形式图例变形特征产生原因1收缩变形沿焊缝长度和宽度方向缩短由焊缝纵向收缩和横向收缩引起2角变形工件沿焊缝两边产生一定角度的变形因焊缝横截面形状上、下不对称，由焊缝横向收缩不均匀引起3弯曲变形工件向焊缝一侧弯曲焊缝在结构上布置不对称，由焊缝纵向收缩引起序号变形形式图例变形特征产生原因4扭曲变形工件沿纵向被扭转一定角度焊缝布置不对称或装配焊接顺序不当，由焊缝纵向收缩和横向收缩引起5波浪变形薄板边缘受压，产生波浪性弯曲由焊缝纵向收缩引起薄板产生失稳变形c、防止、减少焊接应力与变形措施1)防止减少焊接变形措施（1）设计要合理☆合理选择焊缝尺寸和形状。a)不开坡口b)开坡口相同承载能力的十字接头☆减少焊缝。a)四块钢板焊接b)两根槽钢焊接c)两个冲压件焊接采用不同坯料的焊接结构☆合理安排焊缝。YX21Xa)焊缝不对称于X轴b)焊缝对X、Y轴均对称焊缝的对称性对焊接变形的影响1---焊前结构曲线2---焊后结构曲线(有下挠)（2）采取必要工艺措施☆焊件尺寸要增设收缩余量☆反变形法☆刚性固定法☆采用合理焊接规范a)焊前b)焊后钢板对接反变形a)焊前b)焊后丁字接头反变形☆选合理焊接次序145236123456a)合理b)不合理X型坡口焊接顺序12341234a)b)对称面梁的焊接顺序☆矫正焊缝变形火焰矫正2）防止减少焊接应力的工艺措施（1）合理安排焊接次序（2）锤击焊缝112233按焊缝长短确定焊接顺序（3）加热感应区（4）焊前预热（5）焊后退火处理加热区焊前焊后框架断口焊接三、常用焊接方法与工艺•1、熔化焊•2、压力焊•3、钎焊1、熔化焊常见的熔化焊有电弧焊、气焊、电渣焊等。电弧焊又包括手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等。手工电弧焊的焊接过程手工电弧焊焊接过程示意图焊缝附近基体金属焊条药皮焊芯熔渣熔化焊缝CO2↑保护熔池电弧电弧手工电弧焊的优缺点优点：设备简单，易于维护，使用灵活；适于多种钢材和有色金属等，是应用最广泛的焊接方法。缺点：焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，焊缝质量不稳定。埋弧自动焊是利用专门的机械设备自动完成手工电弧焊中的引燃电弧、送进焊条以及移动电弧等焊接动作，并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。埋弧自动焊焊接过程如图所示，埋弧焊的焊接过程可概括为：自动送丝；引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。埋弧自动焊接过程（焊缝剖面图）焊丝与焊剂焊接材料焊剂焊丝熔炼焊剂陶瓷焊剂相当于焊芯相当于药皮熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产；陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。1、焊接质量高且稳定；2、熔深大，节省焊接材料；3、无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少；4、自动化操作，生产效率高。5、设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形工件的纵、环焊缝的批量生产。埋弧自动焊的特点气袋焊剂a)焊剂垫铜垫b)焊剂-铜垫钢垫板c)钢垫板d)锁底对接平板对接焊接工艺30～7030～70环缝自动焊示意图气体保护焊是利用保护性气体防止外界有害气体对熔池进行侵害的特殊焊接方法。它适于一些化学性质活泼的金属焊缝的焊接作业。气体保护焊氩弧焊氩弧焊示意图•氩弧焊•1）焊接过程：以氩气作为保护气体的电弧焊•2）氩弧焊特点及应用–特点：–（1）保护作用好，适于有色金属，稀有金属。–（2）热影响区小。–（3）操作性能好。–（4）氩成本高，设备贵。–应用：–适于铝、铜、镁、钛、不锈钢、耐热钢等。CO2气体保护焊CO2气体保护焊示意图•二氧化碳气体保护焊•1）焊接过程：用二氧化碳气体保护熔池。•常分为自动和半自动。•2）特点及应用•（1）特点•☆生产率高；☆焊接质量好；•☆成本低，二氧化碳价低；☆操作性能好；•☆飞溅大、烟雾大，易产生气孔，设备贵。•（2）应用•适用机车、造船、机械化工等。真空电子束焊一些先进的熔化焊技术（适于稀有和难熔金属的焊接和普通材料的高精度焊接）阴极被灯丝加热到2600K，并发射大量的电子。这些电子在高压电场的作用下，经电磁透镜聚焦成电子束，高速轰击工件表面（160000km/s）。电子动能瞬间变成热能（能量密度是普通电弧的1000倍）。等离子弧焊激光焊激光：利用原子受到激发而辐射的原理，使物质受激发而产生波长单一、方向一致和能量很高的光束。基本原理：利用激光器受激产生激光束，通过聚焦系统将其聚集成半径微小的光斑，当调焦到被焊工件的接缝时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成焊接接头。压力焊（俗称固态焊）是在压力（或同时加热）作用下，在被焊的分离金属结合面产生塑性变形而使金属连接成为整体的焊接工艺。2、压力焊电阻焊电阻焊是利用电流通过被焊工件以及接触部分产生电阻热，使接触部位达到塑性或局部熔化状态，加压焊合而使工件焊接在一起的焊接方法。焊接分类电阻焊对焊滚焊点焊根据焊接接头形式的差异点焊和滚焊加压断电保压通电去压工艺步骤：点焊形成过程示意图滚焊形成过程示意图对焊是利用电阻热将两个工件的整个端面焊接起来的一种焊接方法。对焊对焊示意图电阻焊特点及应用：（1）特点：☆接头质量好，热影响区小；☆生产率高，易于机械自动化；☆不需填加金属和焊剂；☆劳动条件好，焊接过程中无弧光，噪音小，烟尘和有害气体少；☆电阻焊件结构简单，重量轻，气密性好，易于获得形状复杂的零件；☆耗电量大，设备贵（2）应用：★点焊：主要用于厚度〈4mm的薄板冲压结构、金属网及钢筋等★缝焊：主要用于焊缝较规则、板厚〈3mm的密封结构★对焊：主要用于制造封闭形零件摩擦焊是利用工件之间的相互摩擦产生的热量同时加压使工件连接到一起的焊接方法。摩擦焊摩擦焊示意图摩擦焊特点及应用:特点：（1）接头质量好，组织致密；（2）生产率高；（3）焊接范围广；（4）设备简单，耗能少，劳动条件好；（5）刹车要敏感；（6）形状受限。应用：适用于圆柱、管料等。爆炸焊是利用爆炸产生的巨大冲击波能量，使界面在大的接触压力下焊接在一起。爆炸焊爆炸焊示意图爆炸焊界面示意图钎焊是利用熔点比被焊接金属熔点低的金属作钎料，将钎料与工件一起加热到钎料熔化状态，借助毛细管作用将其吸入到固态间隙内，使钎料与固态工件表面发生原子的相互扩散、熔解和化合而连成整体的焊接方法。钎焊接头的形成过程钎焊接头的形成包括两个过程：⑴钎料熔化和流入、填充接头间隙形成钎料充满焊缝的过程；⑵液态钎料与钎焊金属相互作用。3、钎焊钎料填充焊缝过程示意图液态钎料和固态金属之间的相互作用软钎焊是指使