5、塑焊 成形.ppt

1 第五講 一 內(nèi)容1 其他塑性成形方法2 焊接成形工藝二 習(xí)題1 名詞解釋 軋制 電液成形 電磁成形 擠壓 拉拔 熔焊 壓焊 釬焊 焊縫區(qū) 熔合區(qū) 熱影響區(qū) 碳當(dāng)量 2 零件軋制有哪些優(yōu)點(diǎn) 3 零件擠壓具有哪些特點(diǎn) 4 焊接的特點(diǎn)有哪些 5 影響金屬焊接性的因素有哪些 6 焊接件基本變形形式有哪些 7 減少和消除焊接應(yīng)力及變形的措施有哪些 2 沖壓件的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)保證具有良好的使用性能 而且也應(yīng)具有良好的工藝性能 以減少材料的消耗 延長模具壽命 提高生產(chǎn)率 降低成本及保證沖壓件質(zhì)量等 影響沖壓件工藝性的主要因素有 沖壓件的形狀 尺寸 精度及材料等 1 落料件的外形和沖孔件的孔形應(yīng)力求簡單 對(duì)稱 盡可能采用圓形或矩形等規(guī)則形狀 應(yīng)避免長槽或細(xì)長懸臂結(jié)構(gòu) 四 沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性 1 對(duì)落料件和沖孔件的要求 2 使沖裁件在排樣時(shí)將廢料降低到最少的程度 3 3 沖裁件的結(jié)構(gòu)尺寸必須考慮材料的厚度 4 4 沖裁件上直線與直線 曲線與直線的交接處 均應(yīng)用圓弧連接 5 1 彎曲件形狀應(yīng)盡量對(duì)稱 彎曲半徑不能小于材料允許的最小彎曲半徑 2 使彎曲邊的平直部分H 2 2 對(duì)彎曲件的要求 3 彎曲帶孔件時(shí) 孔的位置L應(yīng)大于 1 5 2 d 6 1 拉深件外形應(yīng)簡單 對(duì)稱 深度不宜過大 以便使拉深次數(shù)最少 容易成形 2 拉深件的最小圓角半徑如圖所示 3 對(duì)拉深件的要求 7 1 對(duì)于形狀復(fù)雜的沖壓件 可以將其分成若干個(gè)簡單件 分別沖壓后 再焊接成為整體組合件 4 簡化工藝及節(jié)省材料的設(shè)計(jì) 2 采用沖口工藝 以減少組合件數(shù)量 節(jié)省材料和簡化工藝過程 3 盡量簡化拉深件結(jié)構(gòu) 減少工序 節(jié)省材料和降低成本 8 5 沖壓件的厚度 在強(qiáng)度和剛度允許的條件下 應(yīng)盡可能采用較薄的材料 以減少金屬的消耗 6 沖壓件的精度和表面質(zhì)量 沖壓工藝的一般精度 落料件不超過IT10 沖孔件不超過IT9 彎曲件不超過ITl0 IT9 拉深件高度尺寸精度為IT10 IT8 直徑尺寸精度為IT10 IT9 經(jīng)整形后的尺寸精度可達(dá)IT7 IT6 沖壓件表面質(zhì)量一般應(yīng)盡可能不高于原材料所具有的表面質(zhì)量 9 一 精密模鍛精密模鍛是在模鍛設(shè)備上鍛造出形狀復(fù)雜 高精度鍛件的鍛造工藝 如精密鍛造錐齒輪 其齒形部分可直接鍛出而不必再切削加工 精密模鍛件尺寸精度可達(dá)IT15 IT12 表面粗糙度值Ra3 2 1 6um 第四節(jié)其他塑性成形方法簡介隨著工業(yè)的不斷發(fā)展 對(duì)壓力加工生產(chǎn)提出了越來越高的要求 不僅應(yīng)能生產(chǎn)各種毛坯 更需要直接生產(chǎn)更多的零件 近年來 在壓力加工生產(chǎn)方面出現(xiàn)了許多特種工藝方法 并得到迅速發(fā)展 如精密模鍛 零件擠壓 零件軋制及超塑性成形等 10 1 工藝過程 將原始坯料采用普通模鍛方法鍛成中間坯料 對(duì)中間坯料進(jìn)行嚴(yán)格的清理 除去氧化皮和缺陷 采用無氧化或少氧化加熱后精鍛 為提高鍛件質(zhì)量 減少氧化程度 精鍛碳鋼時(shí)應(yīng)選擇鍛造溫度為900 450 之間的溫模鍛加工 11 2 工藝特點(diǎn) 原始坯料質(zhì)量和尺寸必須精確 防止鍛件尺寸公差增大 使鍛件精度降低 采用無氧化或少氧化加熱 盡量減少坯料表面形成氧化皮 仔細(xì)清理中間坯料表面 除凈氧化皮 脫碳層及其他缺陷 模具的設(shè)計(jì)與制造必須精確 一般要求精鍛模腔的加工高于鍛件的精度1 2級(jí) 鍛模應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)柱 導(dǎo)套以準(zhǔn)確合模 模膛內(nèi)應(yīng)開出小孔 精鍛時(shí)及時(shí)排氣 減小金屬流動(dòng)阻力 更易于充滿模膛 需認(rèn)真潤滑和冷卻鍛模 提高鍛模壽命和降低設(shè)備功耗 精密模鍛需在精度高 剛度大的高速錘 曲柄壓力機(jī) 摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行 12 1 型材的扎制有一定塑性的金屬材料 如鋼 銅 鋁等 可塑性加工成所需形狀 尺寸的的板材 管材 線材 以及各種截面形狀的型材 圓鋼 角鋼 鋼板 槽鋼等 有75 以上的鋼是通過塑性加工成為各種線材供應(yīng)使用 生鐵系脆性材料 不能夠塑性加工 二 軋制軋制 金屬材料在旋轉(zhuǎn)軋輥的摩擦力F1和抗力F2的作用 產(chǎn)生連續(xù)塑性變形 獲得要求的截面形狀 并改變其性能的塑性加工方法 軋制是在專用的軋制機(jī)上進(jìn)行的 13 1 型材是指圓鋼 方鋼 扁鋼 角鋼 工字鋼 T字鋼 鋼軌 以及有色金屬的各類型材 2 軋制機(jī)的軋輥分為光軋輥與型孔軋輥兩類 型孔軋輥有特殊的軋槽 上 下兩軋輥對(duì)合構(gòu)成一定形狀的孔型 可軋制不同截面形狀的軋材 型材軋制機(jī)軋制時(shí) 加熱后的坯料 順次通過一系列孔型 最后得到所要求截面形狀的型材 具體尺寸規(guī)格要符合國家標(biāo)準(zhǔn) 型材軋制完成后 切成一定的長度 涂上標(biāo)記 直徑 6 9 mm的圓鋼則卷成盤條 俗稱盤圓 型材廣泛用于各種結(jié)構(gòu)上 也相當(dāng)普遍地用作鍛造或機(jī)械加工的坯料 14 2 鋼板的軋制鋼板按厚度分為薄鋼板與厚鋼板兩類 厚度小于4mm的為薄鋼板 厚度大于4mm的為厚鋼板 薄鋼板通常是優(yōu)質(zhì)鋼 按最后一道次軋制加熱與否 分為熱軋鋼板與冷軋鋼板 冷軋鋼板的強(qiáng)度高于熱軋鋼板 但塑性差 厚鋼板都是熱態(tài)軋制的 其軋制工藝過程為 鋼錠 板坯 厚板坯 厚板 矯正 檢驗(yàn) 截切 熱處理 3 鋼管的軋制鋼管分為有 焊 縫管與無縫管兩類 有縫管成本低 強(qiáng)度較低 只能在受壓力低的情況下使用 承受高壓的管子 如鍋爐蒸汽管 高壓輸油管 鉆探機(jī)的鉆管等 都必須使用無縫鋼管 無縫鋼管是用圓鋼坯 經(jīng)穿孔 軋管 整徑和定徑等工序制成 可制得壁厚 0 5 40 mm 直徑 5 450 mm 長達(dá)10m以上的鋼管 15 1 縱軋縱軋是軋輥軸線與坯料軸線互相垂直的軋制方法 包括各種型材軋制和輥鍛軋制等 輥鍛軋制是使坯料通過裝有弧形模塊的一對(duì)作相反旋轉(zhuǎn)的軋輥 受壓變形的生產(chǎn)方法 輥鍛軋制既可作為模鍛前的制坯工序 也可直接輥鍛工件 4 零件軋制優(yōu)點(diǎn) 生產(chǎn)率高 質(zhì)量好 成本低 并可大量減少金屬材料消耗等 分類 根據(jù)軋輥軸線與坯料軸線方向的不同 軋制分為縱軋 橫軋 楔橫軋等幾種 16 成形輥鍛適用于生產(chǎn)如下三種類型的鍛件 1 扁斷面的長桿件 如板手 活動(dòng)扳手 鏈環(huán)等 2 帶有不變形頭部 而沿長度方向橫截面面積遞減少的鍛件 如葉片等 葉片輥鍛成形與銑削成形相比 材料利用率提高4倍 生產(chǎn)率提高2 5倍 且葉片質(zhì)量好 3 連桿件 用輥鍛工藝鍛制連桿生產(chǎn)率高 工藝過程得以簡化 但需進(jìn)行后續(xù)的精整工藝 2 橫軋橫軋是軋輥軸線與坯料軸線互相平行的軋制方法 如輾環(huán)軋制 齒輪軋制等 17 信號(hào)輥4用來控制環(huán)件直徑 坯料變形到與輥4接觸 信號(hào)輥立即發(fā)出信號(hào) 使輥1停止工作 這種方法生產(chǎn)的環(huán)類件呈各種形狀 如火車輪箍 軸承座圈 齒輪及法蘭等 1 輾環(huán)軋制它是用來擴(kuò)大環(huán)形坯料的內(nèi)外直徑 獲得各種環(huán)狀零件的軋制方法 如圖 驅(qū)動(dòng)輥1由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn) 利用摩擦力使坯料5在驅(qū)動(dòng)輥和芯輥2之間受壓變形 驅(qū)動(dòng)輥還可由油缸推動(dòng)作上下移動(dòng) 改變1 2兩輥間的距離 使坯料厚度逐漸變小 而直徑得到擴(kuò)大 導(dǎo)向輥3用以保持正確運(yùn)送坯料 18 2 齒輪軋制采用熱橫軋可制造出直齒輪和斜齒輪 如圖 這是一種無屑或少屑加工齒輪的新工藝 軋制前將坯料加熱 然后將帶有齒形的軋輪1作徑向進(jìn)給 迫使軋輪與坯料2對(duì)輾 這樣坯料上的一部分金屬受壓形成齒谷 相鄰部分的金屬被軋輪齒部 反擠 而上升 形成齒頂 19 3 斜軋斜軋亦稱螺旋斜軋 它是軋輥軸線與坯料軸線相交一定角度的軋制方法 如鋼球軋制 周期軋制 冷軋絲杠等 螺旋斜軋采用兩個(gè)帶有螺旋型槽的軋輥 互相交叉成一定角度 并做同方向旋轉(zhuǎn)使坯料在軋輥間既繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 又向前進(jìn) 與此同時(shí)受壓變形獲得所需產(chǎn)品 產(chǎn)品形狀由型槽決定 軋制過程連續(xù)進(jìn)行 20 4 楔橫軋1 楔橫軋帶有楔形模具的兩個(gè)或三個(gè)軋輥 以相同的方向旋轉(zhuǎn) 棒料在它的作用下反向旋轉(zhuǎn)的軋制 2 楔橫軋的變形過程主要是靠兩個(gè)楔形凸塊壓縮坯料 使坯料徑向尺寸減小 長度增加 楔形凸塊展開后如圖所示 楔形凸塊由三部分組成 即楔入部分 展寬部分和精整部分 軋制時(shí)楔入部分首先與坯料接觸 將坯料壓出環(huán)形槽 稱為楔入過程 然后楔形凸塊上展寬部分的側(cè)面把環(huán)形槽逐漸擴(kuò)展 使變形部分的寬度增加 展寬部分 達(dá)到所需寬度后 由楔形凸塊上的第三部分對(duì)軋進(jìn)行精整 軋件變形過程 21 3 楔橫軋有如下優(yōu)點(diǎn) 生產(chǎn)率高 每臺(tái)軋機(jī)每小時(shí)可生產(chǎn)數(shù)百甚至上千個(gè)鍛件 產(chǎn)品精度高 采用高剛度軋機(jī)或冷軋時(shí) 可達(dá)到無屑加工要求 設(shè)備投資少 模具壽命高 此外 生產(chǎn)中無沖擊 噪聲小 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化 目前 楔橫軋?jiān)谖覈l(fā)展很快 主要用于大批量生產(chǎn)階梯軸 錐形軸等對(duì)稱形零件或毛坯 22 三 零件擠壓 拉拔1 擠壓 1 擠壓是使坯料在擠壓模內(nèi)受壓被擠出?？锥冃蔚募庸し椒?2 按金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向 擠壓可分為四種 1 正擠壓 金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同 2 反擠壓 金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反 23 3 復(fù)合擠壓 在劑壓過程中 一部分金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同 另一部分金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反 4 徑向擠壓 金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向呈90度 24 3 擠壓又可按坯料的擠壓溫度不同分為 1 熱擠壓 擠壓時(shí) 坯料變形的溫度高于再結(jié)晶溫度 與鍛造溫度相同 特點(diǎn) 金屬的變形抗力小 允許的變形程度較大 生產(chǎn)率高 但產(chǎn)品表面較粗糙 熱擠壓廣泛地應(yīng)用于冶金部門 生產(chǎn)鋁 銅 鎂及其合金的型材和管材等 目前也越來越多地用于機(jī)器零件和毛坯的生產(chǎn) 2 冷擠壓 擠壓時(shí)坯料變形的溫度低于再結(jié)晶溫度 經(jīng)常是在室溫下 特點(diǎn) 金屬的變形抗力較大 變形程度不宜過大 變形后的金屬 其內(nèi)部組織為冷變形強(qiáng)化組織 產(chǎn)品的強(qiáng)度高 表面較光潔 25 3 溫?cái)D壓溫?cái)D壓時(shí)金屬坯料變形的溫度介于室溫和再結(jié)晶溫度之間 100 800度 與熱擠壓相比 坯料氧化脫碳少 表面粗糙精度高 產(chǎn)品尺寸精度較高 與冷擠壓相比 變形抗力低 增大了每個(gè)工序的變形程度 提高了模具的壽命 擴(kuò)大了冷擠壓產(chǎn)品材料的品種 溫?cái)D壓產(chǎn)品的表面粗糙度值可達(dá)Ra6 3 3 2um 適合于擠壓中碳鋼和合金鋼件 如圖示為純鐵底座零件 以前采用切削加工方法制造 改用冷擠壓一次成形 尺寸精度完全符合設(shè)計(jì)要求 表面粗糙度值為Ra1 4 0 8um 26 4 零件擠壓具有如下特點(diǎn) 1 適合于擠壓的材料品種多擠壓時(shí)金屬坯料處于三向受壓狀態(tài) 可提高金屬坯料的塑性 因而適合于擠壓的材料品種多 如非鐵金屬 碳鋼 合金鋼 不銹鋼及工業(yè)純鐵等 在一定的變形量下 某些高碳鋼 軸承鋼 甚至高速鋼等也可進(jìn)行擠壓 如電機(jī)不銹鋼接頭外殼如圖 若采用冷擠壓制作 需經(jīng)多次擠壓才能完成 現(xiàn)采用溫?cái)D壓成形 變形溫度360度 只需兩次擠壓即可成形 其過程為 第一次用復(fù)合擠壓將 21mm處的尾部擠出 第二次用正擠壓 即可獲得平底工件 27 2 可制出形狀復(fù)雜 深孔 薄壁和異型斷面的零件 3 擠壓零件的精度可達(dá)IT7 IT6 表面粗糙度值可達(dá)Ra3 2 0 4um 從而可達(dá)到少或無屑加工的的目的 4 提高了零件的力學(xué)性能擠壓變形后 零件內(nèi)部的纖維組織基本上是沿零件外形分布而不被切斷 從而提高了零件的力學(xué)性能 5 節(jié)省原材料 其材料利用率可達(dá)70 生產(chǎn)率也較高 比其它鍛造方法提高幾倍 擠壓是在專用擠壓機(jī) 有液壓式 曲軸式 肘桿式等 上進(jìn)行的 也可在適當(dāng)改造后的通用曲柄壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行 28 2 拉拔坯料在牽引力作用下 通過模孔被拉出 產(chǎn)生塑性變形 使得截面縮小 長度增加的工藝 稱為拉拔 常溫下的拉拔 稱為冷拔 拉拔是在專用的拉拔機(jī)上進(jìn)行的 主要用于各種線材的生產(chǎn) 也可生產(chǎn)薄壁異性管料和特殊幾何形狀的型材 其制品尺寸準(zhǔn)確 表面光滑 線材一般指直徑在6mm以下的條料 如鋼絲的直徑為 0 3 6 mm 銅絲可拉拔至直徑為0 005mm的微細(xì)絲 29 1 爆炸成形 利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的化學(xué)能 使金屬塑性成形得到所要求的制品 叫做爆炸成形 其成形裝置及原理如圖所示 四 高能成形在極短時(shí)間內(nèi) 將電能 化學(xué)能或機(jī)械能傳遞給被加工的金屬材料 使之迅速塑性成形的加工方法 稱為高能成形 它包括爆炸成形 電液成形和電磁成形等 30 當(dāng)充電電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí) 輔助間隙與主間隙依次被擊穿 產(chǎn)生高壓放電 在放電回路中 形成強(qiáng)大的沖擊電流 電極周圍的介質(zhì)形成沖擊波及液流沖擊 使金屬板料成形 2 電液成形 借助于水中兩電極之間的放電所產(chǎn)生的沖擊波及液流沖擊 使金屬塑性成形 稱為電液成形 圖為電液成形原理 交流電源電壓升至 20一40 kV 經(jīng)整流變?yōu)楦邏褐绷?并向電容器充電 31 3 電磁成形 在變化的磁場作用下 坯料內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流 同時(shí)形成的磁場與線圈形成的磁場相互作用 使坯料產(chǎn)生塑性變形的加工方法 叫做電磁成形 如圖管子縮頸的電磁成形原理 若把成形線圈置于管內(nèi) 則可完成脹形工藝 32 五 超塑性模鍛通過 擠壓 軋制 鍛造及熱處理等 獲取具備微細(xì)晶粒超塑性的毛坯 再將其加熱到超塑性變形溫度 以超塑性變形允許的應(yīng)變速率 在液壓機(jī)上進(jìn)行等溫模鍛 最后對(duì)鍛件進(jìn)行熱處理以恢復(fù)強(qiáng)度的方法稱為超塑性模鍛 與普通鍛模不同的是 為了在成形過程中必須保持模具和坯料恒溫 在鍛模中設(shè)置有加熱和隔熱裝置 見圖3 61 33 超塑性模鍛用于小批量生產(chǎn)高溫合金 鈦合金等難成形 難加工材料的高精度零件 如高強(qiáng)度合金的飛機(jī)起落架和渦輪盤 注塑模型腔 特種齒輪等 大大節(jié)約了原材料 降低了生產(chǎn)成本 超塑性成形擴(kuò)大了適應(yīng)鍛壓生產(chǎn)的金屬材料范圍 如過去只能采用鑄造成形的鎳基合金也可以進(jìn)行超塑性模鍛成形 而且可鍛出形狀復(fù)雜 尺寸精度高 組織均勻 晶粒細(xì)小的工件 是實(shí)現(xiàn)少 無切屑加工的新途徑 同時(shí)由于金屬的變形抗力很小 可充分發(fā)揮中 小型設(shè)備的作用 延長了模具的使用壽命 34 1 焊接方法及種類按焊接過程工藝特征分類 熔焊 壓焊 釬焊 1 熔焊 將待焊處的母材金屬熔化形成熔池 待冷卻形成焊縫的焊接方法 如氣焊 電弧焊 電渣焊 電子束焊和激光焊等 2 壓焊 焊接過程中 必須對(duì)焊件施加壓力 加熱或不加熱 以完成焊接的方法 如電阻焊 摩擦焊等 3 釬焊 利用熔點(diǎn)比母材 被焊的金屬材料 低的液態(tài)釬料 填充仍為固態(tài)的接頭間隙 并與母材發(fā)生溶解與擴(kuò)散 實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法 焊接 是一種永久性連接金屬材料的工藝方法 焊接過程的實(shí)質(zhì) 利用加熱或加壓力等手段 借助金屬原子的結(jié)合與擴(kuò)散作用 使分離的金屬材料牢固地連接起來 第四章焊接成形工藝 35 36 2 焊接的特點(diǎn) 連接性能好 焊接接頭具有良好的力學(xué)性能 密封性 耐腐蝕性 耐磨性和導(dǎo)電性等 省工省料 一般比鉚接節(jié)省金屬材料10 20 還可以制造雙金屬結(jié)構(gòu) 焊件重量輕 因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)比起鉚接 鑄件 鍛件更加合理 厚度可以減少 可以節(jié)省材料 減輕自重 對(duì)于運(yùn)輸運(yùn)載工具具有重大意義 簡化制造工藝 可以利用焊接以小拼大的方法制造重型或復(fù)雜的機(jī)器零部件以簡化鑄造或鍛造工藝 簡化切削加工的工藝 焊件不可拆卸 更換 修理不方便 熔焊焊接接頭的沖擊韌性比軋制的母材差一些 產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形 產(chǎn)生焊接缺陷 引起應(yīng)力集中 降低承載能力 甚至引起脆斷 37 3 焊接的應(yīng)用 焊接廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造 汽車制造 造船 航空航天 石油化工 冶金 電力 原子能 電子和建筑等等各個(gè)工業(yè)部門 主要用于制造各種金屬結(jié)構(gòu)件 如石油化工部門大型球罐 壓力容器 各種管道 起重機(jī) 房屋結(jié)構(gòu) 火箭殼體和燃料容器 制造機(jī)器零件及工具 如壓力機(jī)機(jī)架 各種軸類件 齒輪 刀具等 修復(fù)已經(jīng)損壞的零件 38 具備兩個(gè)條件 使氣體電離 陰極發(fā)射電子 電阻熱 Q I2Rt 1 焊接電弧 在焊條末端和工件兩極之間的氣體介質(zhì)中 產(chǎn)生強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象 第一節(jié)焊接理論基礎(chǔ)一 焊接的冶金特點(diǎn)1 焊接電弧 2 產(chǎn)生電弧的電極 可以是金屬絲 鎢絲 碳棒或焊條 5 39 3 電弧的構(gòu)造及熱量分布 2400k產(chǎn)生約占總熱量的36 2600k產(chǎn)生約占總熱量的43 6000 8000k產(chǎn)生約占總熱量的21 6 焊條電弧焊只有65 85 的熱量用于加熱和熔化金屬 其余的熱量則散失在電弧周圍和飛濺的金屬滴中 40 5 交流弧焊機(jī) 弧焊變壓器 電極每秒鐘正負(fù)變化達(dá)一百次之多 兩極加熱溫度一樣 在2500K左右 不存在正接和反接問題 弧焊機(jī)的空載電壓就是焊接時(shí)的引弧電壓 一般為50 90V 電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電壓稱為電弧電壓 它與電弧長度 即焊條與工件間的距離 有關(guān) 電弧長度越大 電弧電壓也越高 一般情況下 電弧電壓在16 35V范圍之內(nèi) 直流電源正接極 工件 正極 陽極 焊條 負(fù)極 陰極 直流電源反接極 工件 負(fù)極 陰極 焊條 正極 陽極 用于薄板金屬的焊接 4 直流弧焊機(jī) 7 41 2 焊接的冶金過程是指熔焊時(shí)焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間 如液態(tài)金屬 熔渣 氣體 在高溫下相互作用的過程 其實(shí)質(zhì)是一次局部金屬再熔煉的過程 所以 在焊接區(qū)內(nèi)將發(fā)生一系列復(fù)雜的物理 化學(xué)反應(yīng) 它與一般的冶金過程不同 具有以下特點(diǎn) 1 在焊接電弧的高溫作用下 使液態(tài)金屬中的有益元素 Mn Si C Fe等 大量燒損和蒸發(fā) 減少了有益元素的含量 使焊縫的化學(xué)成分發(fā)生變化 因此降低了焊縫的力學(xué)性能 使之變脆 2 焊接區(qū)金屬熔池的體積很小 而周圍又是冷金屬 故冷卻速度極快 熔池處于液態(tài)的時(shí)間很短 以秒計(jì) 使各種化學(xué)反應(yīng)難以達(dá)到平衡狀態(tài) 并且在高溫時(shí)溶解在液態(tài)金屬熔池中的氣體及存在的雜質(zhì)來不及上浮逸出 造成焊縫化學(xué)成分的不均勻 焊縫中存在氣孔和夾渣等缺陷 42 各點(diǎn)最高溫度不同 3 焊接接頭的組織與性能焊接工件上溫度的變化與分布 因?yàn)殡x焊縫中心距離不同 各點(diǎn)在不同的時(shí)間達(dá)到該點(diǎn)最高溫度 焊接是一個(gè)重新熔化與結(jié)晶的過程 故焊接接頭組織與母材不同 現(xiàn)以低碳鋼為例說明焊接接頭組織與性能的變化 焊接接頭組織一般包括焊縫區(qū) 熔合區(qū)和熱影響區(qū) 因?yàn)闊醾鲗?dǎo)需要一定的時(shí)間 43 1 焊縫區(qū)電弧焊的焊縫是由熔池內(nèi)的液態(tài)金屬凝固而成的 是一個(gè)特殊的冶金過程 它屬于鑄造組織 晶粒呈垂直于熔池底壁的柱狀晶 S P等形成的低熔點(diǎn)雜質(zhì)容易在焊縫中心形成偏析 使焊縫塑性降低 易產(chǎn)生熱裂紋 由于是按等強(qiáng)度原則選用焊條 通過滲合金實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)化 因此 焊縫的強(qiáng)度一般不低于母材 2 熔合區(qū)焊接接頭中 焊縫區(qū)與熱影響區(qū)過渡的區(qū)域 稱為熔合區(qū) 該區(qū)域成分及組織極不均勻 晶粒長大嚴(yán)重 冷卻后成為粗晶粒 強(qiáng)度下降 塑性和韌性很差 而且此處接頭端面變化 往往成為裂紋的發(fā)源地 熔合區(qū)寬度只有0 1一1mm 但它對(duì)焊接接頭的性能有很大影響 3 熱影響區(qū)焊接接頭中 材料因受加熱的影響 但未熔化 而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域 稱為熱影響區(qū) 它包括過熱區(qū) 正火區(qū)和部分相變區(qū) 44 1 過熱區(qū) 焊接熱影響區(qū)中 具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域稱為過熱區(qū) 此區(qū)的溫度范圍寬度約1 3mm 由于溫度高 晶粒粗大 塑性和韌性降低 當(dāng)焊接剛度大的結(jié)構(gòu)件時(shí) 常在過熱區(qū)產(chǎn)生裂紋 15002 正火區(qū) 該區(qū)的溫度范圍寬度約為1 2 4 0mm 由于金屬發(fā)生了重結(jié)晶 隨后在空氣中冷卻 因此可以得到均勻細(xì)小的正火組織 正火區(qū)的力學(xué)性能優(yōu)于母材 低碳鋼焊接接頭的組織變化 45 3 部分相變區(qū) 該區(qū)只有部分組織發(fā)生相變 由于部分金屬發(fā)生了重結(jié)晶 冷卻后可獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體晶粒 而未重結(jié)晶的部分金屬則得到粗大的鐵素體 由于晶粒大小不一 導(dǎo)致力學(xué)性能不均勻 4 熱影響區(qū)的大小熱影響區(qū)的大小和組織性能變化的程度 取決于焊接方法 焊接規(guī)范 接頭形式等因素 用不同焊接方法焊接低碳鋼時(shí) 焊接熱影響區(qū)的平均尺寸如表示 46 焊接熱影響區(qū)在電弧焊焊接接頭中是不可避免的 當(dāng)熱源熱量集中 焊接速度快時(shí) 熱響區(qū)就小 所以電子束焊的熱影響區(qū)最小 而氣焊的熱影響區(qū)較寬 實(shí)際上 接頭的破壞常是從熱影響區(qū)開始 用焊條電弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳鋼結(jié)構(gòu)時(shí) 因熱影響區(qū)較窄 危害性較小 焊后不進(jìn)行熱處理即可使用 但對(duì)重要的碳鋼構(gòu)件 合金鋼構(gòu)件或用電渣焊焊接構(gòu)件 則必須注意熱影響區(qū)帶采的不利影響 為消除其影響 一般采用焊后正火處理 使焊縫和焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變成為均勻的細(xì)晶結(jié)構(gòu) 以改善焊接接頭的性能 對(duì)焊后不能進(jìn)行熱處理的金屬材料或構(gòu)件 可以通過選擇正確的焊接方法和焊接工藝減少熱影響區(qū)的范圍 例如在同一種焊接方法下 增加焊接速度或減少焊接電流都能減少影響區(qū) 47 二 金屬材料的焊接性 1 焊接性的概念 1 焊接性 金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性 主要指在一定的焊接工藝條件下 獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度 2 焊接性的內(nèi)容 接頭的接合性能 就是在一定的焊接工藝條件下 金屬產(chǎn)生焊接缺陷的敏感性 接頭的使用性能 就是在一定的焊接工藝條件下 金屬的焊接接頭對(duì)使用要求的適應(yīng)性 48 3 影響金屬焊接性的因素 金屬材料的種類 化學(xué)成分 組織與性能 焊接工藝條件 焊接方法 焊接材料 焊接工藝 構(gòu)件類型 焊接件的厚度和其他結(jié)構(gòu)因素 使用要求 使用環(huán)境等使用條件以及所提出的使用要求 49 2 鋼材焊接性的估算方法 鋼材是焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料 評(píng)價(jià)方法有兩類 1 直接試驗(yàn)法 焊接性試驗(yàn) 焊接裂紋的試驗(yàn) 焊接接頭使用性能的試驗(yàn)等 2 間接估算法 如碳當(dāng)量計(jì)算方法等 50 將鋼中合金元素 包括碳 的含量 按其對(duì)焊接性影響程度 換算成碳的相當(dāng)含量 3 碳當(dāng)量 碳當(dāng)量可以作為評(píng)定鋼材焊接性的一種參考指標(biāo) 這是因?yàn)橛绊戜摬暮附有缘闹饕蛩厥卿摬牡幕瘜W(xué)成分 國際焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式為 式中化學(xué)元素符號(hào)都表示該元素在鋼中含量的百分?jǐn)?shù) 這個(gè)公式可以用來評(píng)價(jià)碳鋼和一般低合金鋼的焊接性能 對(duì)不銹鋼不適用 51 碳當(dāng)量越大 鋼的淬硬和冷裂傾向就越大 焊接性也就越差 CE0 6 鋼的淬硬和冷裂傾向都很嚴(yán)重 焊接性能差 焊接時(shí)要采取較高的預(yù)熱溫度 4 碳當(dāng)量與焊接性 用碳當(dāng)量評(píng)定金屬的焊接性 僅僅考慮了化學(xué)成分對(duì)焊接性的影響 沒有考慮焊接工藝條件 構(gòu)件剛性等因素對(duì)焊接性的影響 因而碳當(dāng)量的方法是非常粗略的 52 三 焊接應(yīng)力與變形 焊接過程中 由于焊接熱源對(duì)焊件的不均勻加熱 會(huì)使焊件產(chǎn)生應(yīng)力和變形 以致焊接結(jié)構(gòu)的尺寸精度和焊接接頭強(qiáng)度受到影響 1 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因焊接時(shí) 加熱是局部進(jìn)行的 焊縫區(qū)域加熱膨脹 周圍的金屬未被加熱 制約了焊縫區(qū)受熱金屬的自由膨脹 焊縫產(chǎn)生塑性變形 冷卻后 焊縫區(qū)域比周圍區(qū)域短 焊縫周圍區(qū)域沒有縮短 從而阻礙焊縫區(qū)域的自由收縮 產(chǎn)生焊接以后