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1、复 习,一、液态金属成形理论基础,1、液态合金的充型能力,2、铸造合金的收缩,3、铸造内应力及铸件的变形、裂纹,复 习,二、砂型铸造,1、砂型铸造的生产过程及特点,2、砂型铸造工艺简介,3、铸造工艺图,复 习,三、特种铸造,1、熔模铸造,2、金属型铸造,3、压力铸造,4、离心铸造,第9章 焊接（Welding）,焊接工程理论基础常用焊接方法焊接结构设计,零件连接方式,焊接：是指利用局部加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使分离的两部分金属，通过原子的扩散与结合，形成永久性连接的一种工艺方法。,焊接的优点：,（3）重量轻；,（1）连接性能好；具有较好的机械性能、密封性、导电性、耐腐蚀性
2、、耐磨性等。,（2）省料省工成本低；比一般铆接节省金属材料10-20%，生产周期短，可焊补。,（4）简化工艺；可以小拼大，以简单拼复杂。,广泛应用于：航空、车辆、船舶、建筑以及国防等工业部门，如制造金属结构（船体、桥梁、容器、管道等）、制造机器零件或毛坯（轧辊、大型齿轮、刀具等）等。,焊接的缺点：,（3）产生残余应力和变形，影响零、部件与金属结构的形状、尺寸，增加工作时的应力，降低承载能力；,（1）焊接结构不可拆卸，更换修理部分零部件不便；,（2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；,（4）焊接时易产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等，引起应力集中，降低承载能力，缩短使用寿命。,转轮,焊 接
3、 接 头,焊接不锈钢管件,接头、管件,熔焊:熔焊是指焊接过程中将工件接头加热至熔化状态，不加压力，通过冷却结晶成一体完成焊接的方法。是最基本的焊接方法，在焊接生产中占主导地位，常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊等。,压焊：压焊是指焊接过程中对工件施加压力（加热或不加热），使接头产生塑性变形或再结晶完成焊接的方法。压焊只适用于塑性较好的金属材料的焊接，常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。,钎焊：钎焊是将比母材（被焊接的材料的总称）熔点低的填充金属（钎料）熔化之后填充工件接头间隙，并利用钎料和母材的毛细作用和相互扩散实现连接的焊接方法，常见的钎焊方法有软钎焊和硬钎焊。,焊接方法的分类(按焊接过程特
4、点),焊接方法的分类(按焊接过程特点),压 焊,摩擦焊,超声波焊,爆炸焊,扩散焊,高频焊,钎 焊,软钎焊,硬钎焊,熔焊,电弧焊,电渣焊,等离子弧焊,电子束焊,激光焊,手工电弧焊,气体保护焊,埋弧焊,电阻焊,一、焊接电弧,定义：在电极与工件之间的气体介质中强烈，持久的的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。,阳极区指电弧紧靠正电极的区域，比阴极区宽。,阴极区指电弧紧靠负电极的区域。,弧柱区是指电弧阴极区和阳极区之间的部分。,只有65-85%的热量用于加热和熔化金属。,9.1 焊接工程理论基础,正接与反接（采用交流弧焊机时，不存在此问题）,由于阳极区温度比阴极区高，故采用直流弧焊
5、机焊接时，有两种接线方法，即正接或反接。,正接：有利于加快焊件熔化，保证足够的熔深，适用 于焊接较厚的工件。反接：适用于焊接有色金属及薄钢板，以免烧穿焊件。,类型,交 流,直 流,交流、直流两用,焊接电源基本要求：1、具有一定空载电压，一般50-90伏，满足引弧要求2、具有适当短路电流，不至烧毁电源3、具有稳定的工作电压，保证电弧稳定，一般30伏,二、焊接电源,交流电焊机是一种特殊的降压变压器。它将电源电压（220 伏或 380 伏）降至空载时的 50 90 伏，工作电压为 30 伏，它能输出很大的电流，从几十安培到几百安培。根据焊接需要，能调节电流大小。电流的调节可分粗调和细调两级。粗调是改
6、变输出抽头的接法，调节范围大。细调是旋转调节手柄，将电流调节到所需要的数值。,直流电焊机是由交流电动机和特殊的直流发电机组成的。电动机带动发电机旋转，发出满足焊接要求的直流电，其空载电压约为 50 80 伏，工作电压为 30 伏。电流调节范围为 45 320 安培，也分粗调和细调两级。,电弧焊机的选用,酸性焊条焊接低碳钢一般构件交流弧焊机特点：电弧不稳定 熔深小 飞溅大 焊接质量差 焊机结构简单、价格便宜、调试维修方便 工作噪声小,碱性焊条焊接重要构件直流弧焊机特点：电弧稳定、小电流不断弧 焊接质量好结构复杂、价格高、维修不方便,焊接材料种类繁多而购置能力有限交、直流两用弧焊机野外无电网供电时
7、，选用内燃机驱动的直流弧焊机,1）焊接热源和熔池温度高,使金属元素蒸发、烧损严重，同时气体分解为原子状态，物理化学反应剧烈；,2）冶金过程短：熔池体积小，冷却速度快，导致冶金反应不能充分进行，化学成分不均匀；,三、焊接冶金特点,3）冶金条件差：氢、氧、氮易进入熔池，易形成气孔、夹渣等缺陷，甚至产生裂纹。,由焊芯和药皮（涂料）组成,焊条直径最小1.6mm，最大8mm,三、焊条,焊芯的牌号及成分,焊丝的牌号：“H元素符号符号”，其中H表示焊接用钢丝，表示钢丝中平均含碳量的万分之几，元素符号表钢丝中的合金元素，表示合金元素的百分含量，小于1.5%不标出，最后符号表示其质量，A表示优质，E表示高级优质
8、。H08MnA,三、焊条,焊接药皮（涂料）的作用及成分,（1）改善焊接工艺性能易于引弧，减少飞溅；（2）稳弧作用-使电弧稳定燃烧（3）机械保护作用产生熔渣和气体，隔绝空气；（4）冶金处理作用脱氧、去氢、去硫，渗合金。,三、焊条,焊条的种类、牌号及型号,（1）按焊芯化学成分可分为：碳钢焊条，低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条，特殊用途焊条等。,1）焊条的分类：,（2）按药皮性质分可分为：酸性焊条和碱性焊条,碱性焊条适用于裂纹倾向大的，塑性韧性要求 高的重要构件，如锅炉压力容器和桥梁船舶等。酸性焊条常用于一般钢结构件的结构。,三、焊条,酸性
9、焊条工艺性好，而碱性焊条工艺性差。碱性焊条中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高。碱性焊条氧化性弱，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气孔。碱性焊条中因不含有机物，也称低氢型焊条。可以提高焊缝金属的抗裂性。碱性焊条在高温下，易生成较多的有毒物质（HF等），因而应注意通风。碱性焊条价格高于酸性焊条。,焊条的种类、牌号及型号,三、焊条,焊条型号,焊条型号是国家标准规定的代号。,碳钢焊条的型号见 GB511785，如E4303、E5015、E5016,其中：E表示焊条；前两位数字：熔覆金属的抗拉强度，单位为10MPa；第三位数字：焊条的焊接位置，0、1表示焊条全位置 可用；2表示适用于平焊及平
10、角焊；4表 示适用于向下立焊。三、四位数字组合：焊接电流种类和药皮类型，如03：钛钙型药皮，交流或直流正、反接。,三、焊条,焊条牌号,焊条牌号是焊条行业统一的代号；,焊条牌号一般用大写拼音字母和三位数字表示；如：J422、J507、A022等其中拼音字母表示：焊条的大类。A-奥氏体不锈钢焊条，J-结构钢焊条，Z-铸铁焊条前两个数表示：各大类中若干小类,代表熔覆金属的抗拉强度，单位为10MPa;最后一位数字表示：药皮类型和电流种类。,举例：J422表示焊缝金属抗拉强度不低于420 MPa，药皮类型为氧化钛钙型，电源为直流或交流 电源的电焊条。,三、焊条,焊条型号,三、焊条,焊条的选用原则,1）等
11、强度原则：即选用与母材同强度等级的焊条。2）同成分原则：即按母材化学成分选用相应成分的焊条。3）抗裂纹原则：焊接刚度大，形状复杂，使用中承受动载荷的结构时，应选用抗裂性好的碱性焊条。4）抗气孔原则：焊接受焊接工艺条件的限制时，应选用抗气孔能力强的酸性焊条。5）低成本原则：在满足使用要求的前提下，尽量选用工艺性能好、低成本、高效率的焊条。,例：16Mn，抗拉强度520 Mpa,可选用E5003(J502)，E5015(J507)，E5016(J506)。,三、焊条,1、焊接工件上温度的变化与分布,1)距焊缝中心不同，受热最高温度不同。,2)各点到达最高温度的时间不同。,3)各点均经过冷-热冷，相
12、当于受到一次不同规范的热处理。因此，必然有相应的组织和性能的变化。,焊接热循环,四、焊接接头的组织与性能,低碳钢焊接接头组织变化示意图,2、焊接接头包括焊缝和焊接热影响区。,四、焊接接头的组织与性能,3 焊缝-以低碳钢为例,1）焊缝的结晶侧壁伸向中心，各个方向冷速不同，形成柱状的铸态组织，由F+P（少量）组成。,2）焊接时，熔池金属受到电弧吹力，干扰柱状晶连续成长，柱状晶呈倾斜状且有所细化，加之掺合金作用，焊缝金属中Si、Mn 均母材。,焊缝金属成分、强度不低于母材,但易产生裂纹。,四、焊接接头的组织与性能,4 焊接热影响区：焊缝两侧因焊接热作用而发生组 织和性能变化的区域，称为焊接 热影响区
13、。亦称“近缝区”。,四、焊接接头的组织与性能,组织：部分熔化 未熔化但因过热 而长大的粗晶组 织和熔化部分结 晶成铸态组织。,熔合区,又称半熔化区,特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很 差，是产生裂纹及局部脆断的发源地。,加热温度：14901530,焊接热影响区：过热区,特点：宽度为13mm，塑性和韧性下降。焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。,紧靠熔合区；,加热温度：11001490（1100固相线）,组织：粗大的过热组织。,特点：宽度约1.24.0mm，力学性能优于母材。,正火区：紧靠着过热区；,焊接热影响区：正火区,加热温度：8501100（AC3以上100-200）,组织：加热
14、时金属发生重结 晶，冷却后得到均匀 细小的铁素体和珠光 体组织（近似于正火 组织)。,加热温度：AC1AC3之间,特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能 比正火区稍差。,组织：F+P（F粗、细不均）,焊接热影响区：部分相变区,焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，取决于焊接方法、焊接参数、接头形式以及焊后冷却速度等。,同一种焊接方法采用不同焊接参数时，热影响区的大小也是不相同的。采用小电流快速焊可减小热影响区。,提高焊接接头质量的措施,（1）合理的选用焊接方法和焊接规范来减少热影响 区的影响;焊接方法：优先采用手工电弧焊、气保焊、埋弧焊 等，少用气焊和电渣焊等；焊接规范：小直径焊条（
15、或焊丝）、小电流、快速 焊、多层焊等。（2）焊前预热、焊后热处理来细化晶粒，清除硬化 组织（3）加强对焊缝金属的保护。,焊接应力与变形产生的根本原因：对焊件进行局部的不均匀的加热和冷却。,焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力。,焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示）远离焊缝区受拉应力（用符号“+”表示）,五、焊接应力与变形,焊接变形和残余应力的不利影响：,焊接变形,焊接应力,3、防止与减少焊接应力及变形的措施,（1）合理的结构设计,1.尽量减少焊逢长度及焊缝面积；2.尽量减少焊缝数量；3.焊缝尽量不要交叉、密集，所有焊缝尽 量保持对称；4.避免将焊缝
16、安排在受力最大处集中处；,五、焊接应力与变形,（2）工艺措施,反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。,3、防止与减少焊接应力及变形的措施,预留收缩变形量：工件下料时，给工件尺寸加大一定的收缩余量，以补偿焊后的收缩。,刚性固定法：即焊前将焊件刚性固定，对防止角变形和失稳变形较有效，该法会增大焊接应力，为防止产生裂纹，一般只用于塑性好的材料。,a）用夹具夹紧凸缘 b）用压铁压紧薄板,（2）工艺措施,3、防止与减少焊接应力及变形的措施,（2）工艺措施,选择合理的焊接顺序,3、防止与减少焊接应力及变形的措施,焊前预热，焊后热处理。焊前将工件加热至350左右，可使焊
17、缝部分与周围基体金属的温差减小，可显著减少焊接应力。,焊接顺序对焊接应力的影响,4、焊接变形的矫正,（1）机械矫正法：即利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消。,机械矫正示例a）用压力机矫正弯曲变形 b）用辊轮矫正失稳变形,（2）火焰矫正法：即利用火焰局部加热焊件的适当部位，使其产生压缩塑性变形，以抵消焊接变形。,4、焊接变形的矫正,拼板焊缝的焊接顺序：宜先焊错开的短焊缝，再焊直通的长焊缝。1、2、4、6短焊缝，3、5直通的长焊缝,思考题,拼焊如图所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？,9-2 常用焊接方法,1、电弧焊,（1）手工电弧焊,手工电弧焊是利用焊条(Welding
18、 rod)与工件间产生的电弧热，将焊条和工件的焊接部位熔化，并靠手工操作进行焊接的。它是应用最广泛的一种焊接方法。,按照焊缝在空间的位置不同，焊接方法可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种，如图所示。,a）平焊 b）立焊 c）横焊 d）仰焊,电弧焊的过程如图所示。将工件和焊钳分别接到电焊机的两个电极上，并用焊钳夹持焊条。焊接时，先将焊条与工件瞬时接触，随即再把它提起，在焊条和工件之间便产生了电弧。,（2）埋弧自动焊,埋弧自动焊是利用连续送进的焊丝在焊剂下产生电弧而自动焊接的方法。埋弧自动焊用焊丝代替手工焊的焊条，焊剂起到焊条药皮的作用，电弧被埋在焊剂下面燃烧。,埋弧自动焊的特点 生产率高：焊接电流可
19、大到1000A以上，不换焊条，比手工焊提高生产效率510倍。焊接质量高且稳定：熔池保持液态时间长，冶金过程完善，气体、杂质易于浮出，焊接规范自动调整，焊缝成形美观。节省金属材料：20 25 mm以下钢板焊接不用开坡口，没有焊条头的浪费，金属飞溅少。改善劳动条件：不见弧光，烟雾少，自动焊接。埋弧自动焊主要用来焊接长的直线焊缝和直径较大的环形焊缝。当工件厚度较大、成批生产时，其优点更为显著。,（3）气体保护焊,氩弧焊,二氧化碳气体保护焊,焊条电弧焊是以溶渣保护焊接区域的。由于熔渣中含有氧化物，因此用焊条电弧焊焊接容易氧化的金属如铝及其合金、高合金钢等材料时，不易得到优质接头。,气体保护焊是利用氩、
20、二氧化碳等气体作为电弧介质及保护气体，把焊区与周围空气分隔开，避免空气对焊缝金属的侵蚀。,氩弧焊 它是以氩气为保护气体的电弧焊。按照电极结构不同，分为不熔化电极氩弧焊和熔化电极氩弧焊。,二氧化碳气体保护焊 它是以二氧化碳为保护气体的电弧焊方法。其焊接装置。,2、其他焊接方法,电阻焊,摩擦焊,钎 焊,电渣焊,电子束焊,等离子弧焊,激光焊,爆炸焊,扩散焊,磁力脉冲焊,超声波焊,其他焊接方法,气 焊,电阻焊(Resistance welding)是利用接触电阻产生的热量将接头加热到塑性或熔化状态，并通过电极对工件施加压力，从而把工件焊在一起。,电阻焊,缝焊,点焊,对焊,钎焊,定义：是采用比母材熔点低
21、的金属材料做钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料的熔点，但低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材、填充间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。,硬钎焊：钎料熔点在450以上的钎焊为硬钎焊。硬钎焊的接头强度较高，工作温度也较高，可用于受力部件的连接，如天线、雷达、自行车架等。,软钎焊：钎料的熔点低于450的钎焊为软钎焊。,火焰钎焊,常用钎焊焊接方法,电阻钎焊,盐浴钎焊,波峰软钎焊,摩擦焊(Friction welding)是利用焊件表面相互摩擦产生的热量，使表面达到塑性状态，并在压力的作用下顶锻成型的一样压焊方法。其对焊件表面要求不高，焊接质量好，生产率高,激光焊是以激光束作为热源轰击焊件所产生的
22、热量进行焊接的方法。扩散焊是在一定温度和压力下使焊件表面相互接触，通过微观塑性变形，经过长时间的原子相互扩散而实现连接的焊接方法。爆炸焊是利用爆炸产生的巨大热量和冲击力造成焊件迅速碰撞产生塑性变形实现连接的方法。,气焊与气割,气焊是利用气体火焰作热源的焊接方法。最常用的是氧乙炔气焊。,气焊的火焰温度较低，最高处约为 3150；热量也分散，加热工件缓慢，但较均匀，适合于焊接薄钢板（0.5 2mm）、有色金属和铸铁等工件。气焊不需要用电，因此在没有电源的地方也可以应用。,氧气切割 氧气切割简称气割。它是利用高温的金属，在纯氧中燃烧而将工件分离的加工方法。气割时，先用氧乙炔焰将金属预热到燃烧温度，碳
23、钢为 1100 1150，呈黄白色；然后送出高压纯氧，使高温金属燃烧，生成氧化物熔渣并被氧气吹走，形成切口。,复习,手工电弧焊,埋弧自动焊,氩弧焊与二氧化碳气体保护焊,其他焊接方法：钎焊电阻焊（点焊）摩擦焊激光焊扩散焊气焊,9-3 常用金属材料的焊接,1、材料的焊接性,焊接性是指金属材料对焊接工艺的适应性，或者说是金属材料在一定得焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度,焊接性包括两方面：一、结合性能，或者产生焊接缺陷的敏感性；二、使用性能，使用过程的可靠性,影响焊接性的主要因素：材料 焊件结构 焊接工艺和工件焊后的使用环境,焊接性主要取决于材料的化学成分钢材的焊接性主要取决于C元素和其它合
24、金元素的含量。其中，C含量对其影响最显著国际上通用的评定钢材焊接性的指标是碳当量CECE 0.6%，钢材塑性较差，焊接性能较差,钢材的焊接,1、低碳钢的焊接常用的焊接方法有：手工电弧焊、埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊和电阻焊2、中碳钢的焊接焊接时需采取特殊的工艺措施，选用抗裂性能好的低氢焊条，焊前预热，焊后缓冷3、高碳钢的焊接焊接性能太差，一般不用于焊接结构件，可进行简单损坏件的焊补。,钢材的焊接,4、低合金结构钢的焊接主要采用手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊当抗拉强度低于400MPa，塑性和焊接性能较好，不需要采取特殊工艺措施；当抗拉强度高于400MPa，塑性和焊接性较差，需采取焊前预热，
25、焊后缓冷等工艺措施。5、铸铁的焊接不宜作为焊接材料,9-4 焊接结构设计,1、焊接结构材料的选择,尽量选焊接性能好的材料,优先选用低合金结构钢,异种钢材焊接时，物理化学性能要接近异种钢材或异种金属的焊接,2、焊接方法的选择,焊接方法的选用依据：应根据材料的焊接性、焊件厚度、焊缝长度、生产批量及产品质量要求等因素，并结合各种焊接方法的特点和应用范围来考虑。,选用的原则：在保证产品质量的前提下，优先选用常用的焊接方法；若生产批量大，还必须考虑尽量提高生产率和降低成本。,选择焊接方法时，还应考虑现场设备条件，在实际条件范围内进行选择。,（1）焊接接头形式的设计,焊接接头形式,对接接头,角接接头,T形
26、接头,搭接接头,3、焊接接头形式的设计,对接接头是最常用的接头形式。当工件较薄时，可不开坡口，只要工件接头之间留有间隙；厚度小于 3mm 可一面施焊，厚度为 4 6mm 时，需要两面施焊。,（2）坡口形式的设计,坡口形式,I形坡口,V形坡口,U形坡口,X形坡口,工件厚度大于 6mm 时，为了保证能焊透，需要开出各种形式的坡口。V 形坡口加工方便。X 形坡口，由于焊缝两面对称，焊接应力和变形小；当工件厚度相同时，较 V 形坡口节省焊条。在焊接锅炉、高压容器等重要厚壁构件时，还采用 U 形坡口。这种坡口容易焊透，工件变形小，但加工 X 形和 U 形坡口都比较费时。,（3）其他焊接接头形式,其他焊接接头形式,不开坡口,对接接头,过渡接头,4、焊缝的布置,便于焊接操作,减小焊接应力与变形,避开最大应力区和应力集中部位,便于焊接和检验,焊缝的布置,本章小结,1、焊接工程理论基础接,2、常用焊接方法,3、焊接结构设计,（1）焊接电弧与电弧焊机,（2）焊条,（3）焊接应力与变形,（1）电弧焊,（2）其他焊接方法,（1）焊接结构材料的选择,（2）焊接方法的选择,（3）焊接接头形式的设计,（4）焊缝的布置,习 题,P177-178：1、5、18,
