教案首页 课程名称 ：金属材料成形基础 任课教师：徐晓峰  第四篇 金属连接成形（焊接生产） 计划学时： 8  教学目的和要求： 本篇主要介绍了焊接成形工艺基础、各种常用焊接生产方法、常用焊接材料、焊接结构设计及先进工艺方法。学完本篇要求学生了解并掌握焊接成形工艺基础、各种常用焊接生产方法、常用焊接材料、焊接结构设计及先进工艺方法。  重点：重点为焊接成形工艺基础、常用焊接生产方法和焊接结构设计；。  难点：难点为焊接成形工艺基础、常用焊接生产方法和焊接结构设计。  思考题： 何谓焊接电弧用交流电焊机与直流电焊机焊接时？其电弧有何不同？ 焊接低碳钢时，其焊接热影响区可分为哪几个?区域其中哪个区域的性能最好？哪个区域的性能最差？为什么？ 减小与消除焊接应力的措施有哪些？减小与消除焊接变形的措施有哪些？ 钎焊与熔化焊相比，其焊接过程的实质有何不同？ 何谓金属材料的可焊性？生产中常用什么方法评定钢材的可焊性？ 当焊接材料确定后，应如何选择焊接方法？（根据材料的可焊性、工件的厚度、生产批量、各种焊接方法的适用范围和现场条件）  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： 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。 2．压力焊：电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等。 3．钎焊：软钎焊、硬钎焊。 三、焊接成形的特点 1．接头 牢固、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。 第一章 金属焊接成形工艺基础 §1 手工电弧焊的焊接过程 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 ② 形成熔池 ③形成焊缝 三、焊接电弧 1 . 焊接电弧的概念 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。 当焊条末端和工件接触时，接触电阻R急剧增大，短路电流I也急剧增大。使电阻热：Q=I2Rt急剧增大。电场强度：E=V/d急剧增大。 从而使热的金属气体和空气产生热电离和碰撞电离。 焊接电弧的稳定燃烧 — 就是带点粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。 2 . 电弧的构造及热量分布 阴极区：2400k 36% 阳极区：2600k 42% 弧柱区：中心5000~8000k 21% 3 . 电弧的极性 直流电源正接极：工件—正极（阳极）；焊条—负极（阴极）。 直流电源反接极：工件—负极（阴极）；焊条—正极（阳极）。 §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。使金属元素强烈蒸发、烧损。 2 . 熔池金属冷却快，处于液态的时间短。 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 ： C+[O] CO ； Fe+[O] FeO ； Mn+[O] MnO ； Si + [O] SiO2 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 ：N2 [N] Fe + [N] Fe4N ； 使接头的塑性、韧性下降。 3）H2 ：H2 [H] ； 氢气孔 氢脆 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 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 酸性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3） 碱性焊条：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 2. 焊接接头金属组织与性能的变化 焊接接头：1）焊缝区；2）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 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：在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm） 加热温度：T固~1100 ℃ 塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。 ③ 正火区：在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm） 加热温度：1100 ℃~AC3 ； 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：AC3~AC1 ； 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 3）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。 焊接应力状态： 焊缝区域—拉应力 两侧冷金属—压应力 焊接变形：焊件整体缩短 L’ （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。 ①（Ⅰ—Ⅱ）—Ⅲ；②（Ⅰ—Ⅲ）—（Ⅱ—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。 1 — 4 — 3 — 2 1 — 2 — 3 — 4 1— 4 — 5 — 2 — 3 — 6 3）加裕量法。 4）反变形法。 5）采用焊前刚性固定法。 6）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。 7）焊接变形的矫正： ① 机械矫正；② 火焰矫正。 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 2. 影响焊接性的因素 1）焊接方法；2）焊接材料；3）焊件化学成分；4） 工艺参数。 3. 焊接性的评定方法 1）实验法 十字接头试验法、Y型坡口试验法、“小铁研”试验法等。 2）碳当量估算法 C— 影响最显著— 基本元素 其它元素— 折合成碳的相当含量对焊接性的影响 CE = C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15 CE<0.4%—具有良好的焊接性； CE=0.4%~0.6%—焊接性较差； CE>0.6%—焊接性差。 第二章 金属的焊接成形方法 §1 熔化焊 一、埋弧自动焊 1. 埋弧自动焊设备及焊接过程 设备： 1）焊接电源； 2）控制箱； 3）焊接小车。 焊接热源：电弧热 溶池保护：焊剂（气、渣） 2. 埋弧自动焊工艺 1）焊前准备 板厚在20~25mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板厚在14~22mm应开Y型坡口，半厚在22~50mm，可开双Y型坡口或U型坡口。环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=20~40mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。 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。 3)要有引弧板和引出板 3. 埋弧自动焊工艺特点 1）生产率高（手弧焊的5~10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：适于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：适用所有金属材料的焊接。 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。 2 . CO2气体保护焊 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) 存在问题 ① 氧化严重；② 气孔倾向大（CO）；③ 飞溅严重。 2）CO2气体保护焊的特点及应用 ① 生产率高（是手弧焊的1~3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。 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—40~60mm；单丝摆动—60~150； 三丝摆动—450mm；板极电渣焊— 2）生产率高，成本低。 3）焊接质量好。 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 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。 一、电阻焊 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。 1. 点焊 工艺参数：电极压力；焊接电流；通电时间。 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—0.01mm~200mm。 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 钎料的熔点在450 ℃以下。 接头强度低，一般为60~190MPa，工作温度低于100 ℃ 2. 硬钎焊 钎料的熔点在450 ℃以上。 接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。 二、钎料和溶剂 1. 钎料 钎料的作用：① 连接；② 填充。 钎料的种类：① 软钎料：锡铝合金（焊锡） ② 硬钎料：铝基、铜基、银基、镍基合金等。 2. 溶剂 溶剂的作用：① 清理作用—去除表面氧化皮 ② 降低表面张力—改善液态钎料对焊件的湿润性。 ③ 保护作用 三、钎焊的特点及应用 1．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。 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。 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： C<0.25%；CE <0.4%；焊接性良好。 2. 中碳钢的焊接 中碳钢：C<0.25~0.60%；CE <0.4% CE =0.4%~0.60% 焊接性由良好 较差。 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（150~250 ℃ ），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. 高碳钢的焊接 高碳钢：C>0.60%；CE >0.60%；焊接性差。 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（250~350 ℃ ），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。 §2 合金结构钢的焊接 合金结构钢：机械制造用结构钢—（调质钢、渗碳钢） 普通低合金结构钢—（压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。） 普通低合金结构钢： 1）低强度普通低合金结构钢：σs<400MPa；CE <0.4%；焊接性良好。 16Mn、09Mn2Si 2）高强度普通低合金结构钢：σs>400MPa；CE <0.4%~0.5%；焊接性较差。15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV 焊前预热（150~250 ℃ ），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600~700℃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—适用于较大灰口铸铁件的焊补。焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性。 ③铜基铸铁焊条—主要用于一般铸铁件的焊补。抗裂性好，可进行机械加工。 ④镍基铸铁焊条—主要用于重要件加工表面的焊补。具有良好的抗裂性与加工性 ⑤高钒铸铁焊条—主要用于一般铸铁件的焊补。可进行机械加工、塑性和抗裂较好。 §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；3）易变形开裂；4）接头易软化。 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 1） 难熔合；2）易氧化；3）易产生气孔；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