机械加工工艺第四章焊接.ppt

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1、金属材料成形基础（焊接）,目的和要求,了解熔焊的基本过程；理解接头性能对焊接质量的影响；了解常用焊接方法，理解手工电弧焊的基本原理，特点和应用；了解现代焊接方法的特点和应用；了解常用金属材料的焊接性能，掌握碳钢、低合金钢的焊接方法和焊接性能；掌握焊接的结构工艺性，能选择简单焊件的材料，焊接方法，接头形式及焊缝布置。,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。,第四章 焊 接,第一节 概 述,铆接与焊接（图示）,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

2、形方法。,二、焊接成形的分类,1熔化焊：,2压力焊：,3钎焊：,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,电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等,软钎焊、硬钎焊,第四章 焊 接,第一节 概 述,三、焊接的应用,三、焊接的应用,三、焊接的应用,三、焊接的应用,五、焊接的不足,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。,四、焊接的优点,1不可拆卸。,2焊接接头性能下降。,3焊接残余应力和焊接变形。,4焊接缺陷。,热源在焊条末

3、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。,第二节 熔焊过程与接头性能,一、熔 焊 过 程,加热形成熔池冷却、结晶,包括：冶金过程、热过程、结晶过程,1.冶金过程（金属的熔炼）,2400k 36%,2600k 42%,50008000k 21%,1)熔池金属温度高于一般冶金温度,2)熔池金属冷却快，处于液态的时间短,(2000k),使金属元素强烈蒸发、烧损。,10s,化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。,(1)O2：,3)空气对焊缝的影响严重,氧化的结果,合金元素被烧损；,焊缝产生夹渣的缺陷；,形成CO气孔。,2）N2：,使接头的塑性、韧性下降。,3）H2：,扩散氢,例

4、一：二战期间，美国250艘船断裂事故，10艘在平静港湾突然一断为二。例二：60年代初，美国北极星导弹试验多次发生爆炸事故。调查：壳体材料常规强度没有问题，在爆炸碎片中发现裂纹。,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。,焊接时要采取措施,1）加热速度、冷却速度(100500/s),2）最高加热温度Tm,3）过热区停留时间t过,4）关键区停留时间t8/5,影响热循环的因素：,理想的焊接热循环：,2.熔化焊的热过程,3.焊接熔池的结晶过程,产生偏析（a）、（b）容易开裂。,4.焊接应力与焊接变形,各部分加热和冷却均不同步,受母材的约束,柱状树枝晶垂直 于熔壁，

5、晶柱轴线向中心。,产生内应力变形裂纹,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：,焊接变形的基本形式,(a)收缩变形,(b)角变形,(c)弯曲变形,(d)扭曲变形,(d)波浪形变形,焊接应力与变形的防止,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 4,7）反变形法,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,1,2,3,4,5,6,1 4 5 2 3 6,(1)热裂纹发生在焊缝区,严格控制焊缝成分P、S，Ni、C

6、o、Mn,减小焊接应力。,在高温下（固相线附近），P、S等低熔点杂质在晶界出形成液态膜，受焊接力影响发生开裂。,(2)冷裂纹发生在钢材Ms以下,淬硬的脆性组织、焊接应力及扩散氢,合理选材，例如钢材的碳当量CE,改善焊接工艺：,1)、5)、6)改进热过程,2)、3)4)、5)减少氢含量,5.焊接裂纹最危险的缺陷,7)去除应力,二、焊接接头的性能,焊接接头,焊缝区,焊接热影响区,晶粒粗大，成分偏析、不致密,熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。,2.热影响区和熔合区,1.焊缝的组织与性能,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。,性能与母材接近(冲击韧性较差),可调整化学成分，有

7、害元素较低,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。,过热区,加热温度：,T固1100,塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。,在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）,正火区,加热温度：,1100 AC3,在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）,力学性能优于母材。,部分相变区,在热影响区内发生部分相变的区域。,加热温度：,AC3AC1,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.影响焊接接头性能的因素,（1）焊接材料构成焊缝金属,（2）焊接方法：热源特性、机

8、械保护效果,（3）焊接工艺：焊接电流、电压、焊接速度、线能量E,（4）焊前预热、焊后热处理（正火）,E线能量I/cm，,I/U/V焊接电流A/电弧电压V/焊接速度cm/s,有效热系数（0.660.85）、（0.900.99）,一、焊条电弧焊,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。,焊接过程,引弧,第三节 常用焊接方法,熔化焊,1.焊条,焊条芯,药皮,焊缝的填充材料 填充焊缝,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：,氧化钛型；氧化钛钙型；钛铁矿型；氧化钛型；纤维素型；,低氢钾型；低氢钠型；石墨型；盐基型。,(1)组成和

9、作用,（2）焊条的种类,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,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）,2.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,二、埋弧自动焊,焊接电源,控制箱,焊接小车,焊接热源：电弧热,溶池保护：焊剂（气、渣）,1.埋弧自动焊设备及焊接过程,2.埋弧自动焊工艺,1）焊前准备,2)

10、采取防漏措施,双面焊；手工电弧焊封底；焊剂垫；采用锁底坡口；水冷铜垫板。,板厚在2025mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板厚在1422mm应开Y型坡口，半厚在2250mm，可开双Y型坡口或U型坡口。,3)要有引弧板和引出板,环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=2040mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。,3.埋弧自动焊工艺特点,1）生产率高（手弧焊的510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

11、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。,三、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,不与金属发生化学反应不产生夹渣缺陷,不溶解于液体金属中不产生气孔缺陷,比重大于空气（25%）,“阴极破碎”作用,1）熔化极氩弧焊,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,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。,电弧燃烧稳定，飞溅小。,焊接热影响区和变形小。,可进行全位置焊接。,氩气昂贵，设备造价高。,应用：,适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝

12、、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。,适用所有金属材料的焊接。,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,与金属发生化学反应产生夹渣缺陷,溶解于液体金属中产生 CO 气孔缺陷,比重大于空气（25%）,氧化严重；,气孔倾向大（CO）；,飞溅严重。,1)存在问题,2.CO2气体保护焊,生产率高（是手弧焊的13倍）。,成本低（是手弧焊的40%）。,焊接热影响区和变形小。,可进行全位置焊接。,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。,2）CO2气体保护焊的特点及应用,

13、压力焊,五、电阻焊,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，实现连接的焊接方法。,1.点焊,工艺参数,电极压力,焊接电流,通电时间,适中,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。,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。,点 焊,缝 焊,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

14、异种金属（铝钢、铝铜等）。工件直径0.01mm200mm。,六、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,质量稳定；,不需填充金属及焊剂；,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。,摩 擦 焊,七、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。,种类,1.软钎焊,2.硬钎焊,钎料的熔点在450 以下。,接头强度低，一般为60190MPa，工作温度低于100,钎料的熔点在450 以上。,接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。,钎料的作用,连接,填充,钎料的种类,软钎

15、料：,硬钎料：,锡铝合金（焊锡）,铝基、铜基、银基、镍基合金等。,2.溶剂,溶剂的作用,清理作用,降低表面张力,保护作用,去除表面氧化皮,改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。,二、钎料和溶剂,1.钎料,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。,三、钎焊的特点及应用,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。,一、金属焊接性,1.金属材料的焊接性,指被焊金

16、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,工艺焊接性：,使用焊接性：,焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性,焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能,影响焊接性的因素,1）焊接方法,4）工艺参数,2）焊接材料,3）焊件化学成分,第五节 常用金属材料的焊接,2.碳当量,C,影响最显著,基本元素,折合成碳的相当含量对焊接性的影响,其它元素,CE0.4%,CE=0.4%0.6%,CE0.6%,具有良好的焊接性,焊接性较差,焊接性差,三、碳钢的焊接,1.低碳钢的焊接,低碳钢：C0.25%,CE 0.4%,焊接性良好。,

17、2.中碳钢的焊接,中碳钢：C0.250.60%,问题,焊缝区易产生热裂纹,热影响区易产生冷裂纹,3.高碳钢的焊接,高碳钢：C0.60%,焊接性差。,CE 0.60%,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（250350），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。,焊补,措施,焊前预热（150250），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。,三、低合金钢的焊接,合金结构钢,机械制造用结构钢,普通低合金结构钢,（调质钢、渗碳钢）,（压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。）,普

18、通低合金结构钢：,低强度普通低合金结构钢：,高强度普通低合金结构钢：,s400MPa,CE 0.4%,16Mn、09Mn2Si,s400MPa,CE 0.4%0.5%,焊接性良好。,焊接性较差。,15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV,焊前预热（150250），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。,四、奥氏体不锈钢的焊,按成分分类,高铬钢 Cr13,铬镍钢Cr18Ni9Ti,按组织分类：,马氏体钢 系列：,奥氏体钢：,Cr13,铁素体钢系列：,Cr18Ni9Ti,Cr1728,如Cr25Ti,焊接性较差。,15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV,

19、不锈钢焊接的主要问题晶间腐蚀 抗腐蚀原理：主要取决于钢中Cr 当钢含Cr铬量13%，钢的电极电位从-0.56V突跃+1.2V的高电位，抗电化学腐蚀能力较好。,产生晶间腐蚀 即在组织的晶界处，发生含铬量12%,使钢材耐腐能力急剧下降。（比一般均匀腐蚀要快的多，严重时钢材出现龟裂甚至碎成块状。）,克服晶间腐蚀的方法：a）降低钢材的含碳量。b)添加稳定元素。如：Ti,NB,V,Mo等；c）焊接时加热、快速冷却；d）焊后补充热处理。（水韧处理）,五、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

20、铁焊补的方法,1.热焊法,焊前将焊件整体或局部预热至600700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,钢芯铸铁焊条：,适用于非加工表面的焊补,石墨化铸铁焊条：,高钒铸铁焊条：,镍基铸铁焊条：,铜基铸铁焊条：,适用于较大灰口铸铁件的焊补,主要用于一般铸铁件的焊补,主要用于重要件加工表面的焊补,可进行机械加工、塑性和抗裂较好。,焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性,抗裂性好，可进行机械加工。,具有良好的抗裂性与加工性,主要用于一般铸铁件的焊补,六、有色金属的焊接,一、铝及铝合金的焊

21、接,1.铝及铝合金的焊接特点,1）易氧化；,2）易产生气孔；,4）接头易软化；,3）易变形开裂；,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,2）易氧化；,3）易产生气孔；,1）难熔合；,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。,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。,第六节 焊接结构工艺设计,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,4 典型工艺设计实例,4 典型工艺设计实例,