金屬材料成形基礎第四篇

金屬材料成形基礎第四篇第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第四篇

焊接

概述

一、金屬焊接成形用加熱、加壓等工藝措施，使兩分離表面產(chǎn)生原子間的結(jié)合與擴散作用，從而獲得不可拆卸接頭的材料成形方法。二、焊接成形的分類1．熔化焊：

2．壓力焊：3．釬焊：電弧焊（手工電弧焊、埋弧自動焊、氣體保護焊）、電渣焊、電子束焊、激光焊、等離子弧焊等電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、爆炸焊、高頻焊、擴散焊等軟釬焊、硬釬焊第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、焊接成形的特點1．接頭牢固、封性好。2．可化大為小、以小拼大。

3．可實現(xiàn)異種金屬的連接。4．重量輕、加工裝配簡單。5．焊接應力變形大，接頭易產(chǎn)生裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§1手工電弧焊的焊接過程

第一章

金屬焊接成形工藝基礎

一、手工電弧焊的特點1.設備簡單、應用靈活方便。2.勞動條件差、生產(chǎn)率低、質(zhì)量不穩(wěn)定。二、手工電弧焊焊接過程①引弧②形成熔池③形成焊縫三、焊接電弧1.焊接電弧的概念第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四焊條工件焊接電弧具備兩個條件使氣體電離陰極發(fā)射電子接觸電阻：R短路電流：I電阻熱：Q=I2RtE=V/dd在焊條末端和工件兩極之間的氣體介質(zhì)中，產(chǎn)生強烈而持久的放電現(xiàn)象。+-d

焊接電弧的穩(wěn)定燃燒—就是帶點粒子產(chǎn)生、運動、復合、產(chǎn)生的動態(tài)平衡過程。熱電離碰撞電離第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.電弧的構造及熱量分布陰極區(qū)：陽極區(qū)：弧柱區(qū)：2400k36%2600k42%5000~8000k21%3.電弧的極性直流電源正接極：直流電源反接極：工件—正極（陽極）；焊條—負極（陰極）。工件—負極（陰極）；焊條—正極（陽極）。用于薄板金屬的焊接第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§2焊接冶金過程與電焊條一、熔焊冶金過程特點1.熔池金屬溫度高于一般冶金溫度2.熔池金屬冷卻快，處于液態(tài)的時間短2000k使金屬元素強烈蒸發(fā)、燒損。10s化學成分不均勻；焊縫區(qū)易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。3.空氣對焊縫的影響嚴重O2[O]Fe+[O]

FeOMn+[O]

MnOSi+[O]

SiO2C+[O]

CO1）O2：第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四氧化的結(jié)果①合金元素被燒損；②焊縫產(chǎn)生夾渣的缺陷；③形成CO氣孔。2）N2

：Fe+[N]

Fe4N使接頭的塑性、韌性下降。3）H2

：氫氣孔

氫脆二、熔焊冶金過程中必須采取的工藝措施1.減少有害氣體進入熔池；2.滲入合金元素；3.清除已進入熔池的有害元素。[N]N2[H]H2第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、電焊條1.電焊條的組成及作用電焊條焊條芯藥皮焊縫的填充材料

—

填充焊縫電極傳導電流

—

導電機械保護的作用冶金的作用穩(wěn)定電弧的作用焊條芯藥皮藥皮的種類：①氧化鈣型；②氧化鈦鈣型；③鈦鐵礦型；④氧化鈦型；⑤纖維素型；⑥低氫鉀型；⑦低氫鈉型；⑧石墨型；⑨鹽基型。第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.電焊條的分類結(jié)構鋼焊條—J；鉬和鉻耐熱鋼焊條—R；低溫鋼焊條—W；不銹鋼焊條—A；堆焊焊條—D；鑄鐵焊條—Z；鎳及鎳合金焊條—Ni；銅及銅合金焊條—T；鋁及鋁合金焊條—L；特殊用途焊條—TSJ507藥皮種類（低氫型）抗拉強度結(jié)構鋼焊條J422藥皮種類（鈣鈦型）抗拉強度結(jié)構鋼焊條第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四酸性焊條：堿性焊條：在熔渣中以酸性氧化物為主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中以堿性氧化物為主（K2O、Na2O、CaO、MnO）三、電焊條的選用1.根據(jù)被焊工件的強度選用2.根據(jù)被焊工件的化學成分選用3.根據(jù)被焊工件工作條件和結(jié)構選用4.根據(jù)實際生產(chǎn)狀況選用第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一、焊接熱循環(huán)焊接接頭焊縫區(qū)焊接熱影響區(qū)1）焊縫區(qū)熔池金屬冷卻結(jié)晶所形成的鑄態(tài)組織。2）焊接熱影響區(qū)二、焊接接頭金屬組織與性能的變化焊縫兩側(cè)的母材，由于焊接熱的作用，其組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域?！?焊接接頭金屬的組織與性能第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四①熔合區(qū)是焊縫和母材金屬的交界區(qū)。（0.1～1mm）加熱溫度：T液~T固強度、塑性、韌性極差，是裂紋和局部脆斷的發(fā)源地。②過熱區(qū)加熱溫度：T固~1100

℃塑性和韌性很低，是裂紋的發(fā)源地。在熱影響區(qū)內(nèi)具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。（1～3mm）第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四③正火區(qū)加熱溫度：1100℃~AC3在熱影響區(qū)內(nèi)相當于受到正火處理的區(qū)域。（1.2～4mm）力學性能優(yōu)于母材。④部分相變區(qū)在熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生部分相變的區(qū)域。加熱溫度：AC3~AC1力學性能較母材稍差。力學性能最差的區(qū)域：熔合區(qū)和過熱區(qū)第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四減小和消除焊接熱影響區(qū)的方法：①小電流、快速焊接；②采用先進的焊接方法；③焊后熱處理（正火）§3焊接應力與變形一、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因焊接應力與變形產(chǎn)生的根本原因是：焊件(工件）在焊接過程中受到局部加熱和快速冷卻。第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四L0ⅠⅡ焊接應力狀態(tài)：焊縫區(qū)域—拉應力兩側(cè)冷金屬—壓應力焊接變形：焊件整體縮短

L第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、焊接變形的基本形式1.收縮變形2.角變形3.彎曲變形4.扭曲變形5.波浪形變形第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、焊接應力與變形的防止1.焊接應力的防止及消除措施1）設計時，焊縫不要密集交叉，截面和長度也應盡可能小。2）合理選擇焊接順序。ⅡⅠⅢ②（Ⅰ—Ⅲ）①（Ⅰ—Ⅱ）（Ⅱ—Ⅲ）—ⅢⅡⅠⅢ123）錘擊或碾壓焊縫4）采用小能量、多層焊5）焊前預熱（150℃～350℃）6）焊后熱處理（去應力退火）可消除應力80%左右第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.焊接變形的防止及矯正措施1）設計時，焊縫不要密集交叉，截面和長度也應盡可能小。2）合理選擇焊接順序。12341—4—3—212343）加裕量法。4）反變形法。1234561—4—5—2—3—61—2—3—4第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四5）采用焊前剛性固定法。6）采用合理的焊接規(guī)范（小電流、快速焊接）。7）焊接變形的矯正①機械矯正②火焰矯正第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

第二章常用焊接成形方法§1熔化焊一、埋弧自動焊焊接電源控制箱焊接小車焊接熱源：電弧熱溶池保護：焊劑（氣、渣）1.埋弧自動焊設備及焊接過程第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.埋弧自動焊工藝1）焊前準備2)采取防漏措施①雙面焊；②手工電弧焊封底；③焊劑墊；④采用鎖底坡口；⑤水冷銅墊板。板厚在20～25mm以下的工件可不開坡口；但在實際生產(chǎn)中，板板厚在14～22mm應開Y型坡口，板厚在22～50mm，可開雙Y型坡口或U型坡口。3)要有引弧板和引出板環(huán)焊縫：焊絲起弧點應與環(huán)的中心偏離一定距離a；（a=20～40mm）。直徑小于250mm一般不采用埋弧焊。第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3.埋弧自動焊工藝特點1）生產(chǎn)率高（手弧焊的5～10倍）2）焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定。3）節(jié)約金屬材料、生產(chǎn)成本低。4）勞動條件好。5）只能在水平位置焊接。應用：主要用于較厚鋼板的長直焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫焊接。如壓力容器的環(huán)焊縫和直焊縫、鍋爐冷卻壁的長直焊縫、船舶和潛艇殼體、其重機械、冶金機械（高爐爐身）等的焊接。第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、氣體保護焊1.氬弧焊利用氬氣作為保護性介質(zhì)的電弧焊方法。焊接熱源：電弧熱保護介質(zhì)：ArAr①不與金屬發(fā)生化學反應—不產(chǎn)生夾渣缺陷②不溶解于液體金屬中—不產(chǎn)生氣孔缺陷③比重大于空氣（25%）“陰極破碎”作用1）熔化極氬弧焊25mm以下的工件2）非熔化極氬弧焊適于6mm以下工件的焊接第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四熔化極亞弧焊非熔化極亞弧焊第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3）氬弧焊的特點及應用①機械保護效果好，焊縫金屬純凈，焊縫成形美觀，焊接質(zhì)量優(yōu)良。②電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小。③焊接熱影響區(qū)和變形小。④可進行全位置焊接。⑤氬氣昂貴，設備造價高。應用：適用于易氧化的有色金屬及合金鋼材料的焊接。如：鋁、鎂、鈦及其合金和耐熱鋼、不銹鋼等。適用所有金屬材料的焊接。第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四以CO2氣體作為保護性介質(zhì)的電弧焊方法。焊接熱源：電弧熱保護介質(zhì)：CO2CO2①與金屬發(fā)生化學反應—產(chǎn)生夾渣缺陷②溶解于液體金屬中—產(chǎn)生CO

氣孔缺陷③比重大于空氣（25%）①氧化嚴重；②氣孔傾向大（CO）；③飛濺嚴重。1)存在問題2.CO2氣體保護焊第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四①生產(chǎn)率高（是手弧焊的1～3倍）。②成本低（是手弧焊的40%）。③焊接熱影響區(qū)和變形小。④可進行全位置焊接。⑤飛濺嚴重，焊縫成形差。應用：適用于低碳鋼和強度級別不高的低合金結(jié)構鋼的焊接。目前廣泛用于造船、機車車輛、汽車制造、農(nóng)業(yè)機械等。2）CO2氣體保護焊的特點及應用第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、電渣焊利用電流通過液態(tài)熔渣時產(chǎn)生的電阻熱，同時加熱熔化焊絲和金屬母材的焊接方法。焊接熱源：電阻熱保護介質(zhì)：液態(tài)熔渣1.焊接過程第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.焊接特點及應用

1）大厚度工件可一次焊成。單絲—40～60mm；單絲擺動—60～150mm；三絲擺動—450mm；板極電渣焊—(>450mm)2）生產(chǎn)率高，成本低。3）焊接質(zhì)量好。不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。4）熱影響區(qū)大?！负鬅崽幚怼茫孩龠m用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料；②適用于厚大工件。厚度大于40mm的大型結(jié)構件。第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§2壓力焊一、電阻焊

通過加壓、或同時加熱加壓，使焊件產(chǎn)生塑性變形，并經(jīng)再結(jié)晶和擴散作用，使兩部分金屬達到原子間的結(jié)合，實現(xiàn)連接的焊接方法。1.點焊工藝參數(shù)電極壓力焊接電流通電時間適中

對組合焊件經(jīng)電極加壓，利用電流通過焊接接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，實現(xiàn)焊接。焊點距離太近—分流現(xiàn)象嚴重太遠—強度不夠應用：4mm以下的薄板搭接。第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.縫焊應用：3mm以下的薄板搭接。如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。3.對焊主要用于棒料的對接。1）電阻對焊應用：用于斷面簡單，直徑（或邊長）小于20mm或強度要求不太高的工件。2）閃光對焊應用：用于重要工件的焊接。可焊相同金屬，也可焊異種金屬（鋁—鋼、鋁—銅等）。工件直徑—0.01mm～200mm。第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、摩擦焊1.摩擦焊焊接過程2.摩擦焊接頭型式3.特點及應用①質(zhì)量穩(wěn)定；②不需填充金屬及焊劑；③生產(chǎn)率高，易實現(xiàn)自動化。應用：適用于黑色金屬、有色金屬；也適用于特種材料、異種材料焊接。第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§3釬焊是將釬料熔化，利用液態(tài)釬料濕潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散，冷凝后實現(xiàn)連接的焊接方法。一、釬焊的種類1.軟釬焊2.硬釬焊釬料的熔點在450℃以下。接頭強度低，一般為60～190MPa，工作溫度低于100℃釬料的熔點在450℃以上。接頭強度高，在200MPa以上，工作溫度較高。第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四釬料的作用①連接②填充釬料的種類①軟釬料：②硬釬料：錫鉛合金（焊錫）鋁基、銅基、銀基、鎳基合金等。2.溶劑溶劑的作用①清理作用②降低表面張力③保護作用去除表面氧化皮改善液態(tài)釬料對焊件的濕潤性，增強毛細管作用。二、釬料和溶劑1.釬料第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.可焊同種、異種金屬和厚薄懸殊的工件。3.生產(chǎn)率高。易于實現(xiàn)自動化。4.設備簡單，生產(chǎn)投資費用少。應用：主要焊接精密、微型、復雜、多焊縫異種金屬的焊接。目前：軟釬焊廣泛用于電子、電器、儀表等行業(yè)；硬釬焊用于硬質(zhì)合金刀具、鉆探鉆頭、換熱器的焊接。三、釬焊的特點及應用加熱溫度低，接頭組織、性能變化小；焊接變形小，工件尺寸精確。第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.金屬材料的焊接性指被焊金屬采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構形式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性①工藝焊接性：②使用焊接性：焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向。尤其指出現(xiàn)各種裂紋的可能性焊接接頭在使用中的可靠性。包括力學性能及其它特殊性能2.影響焊接性的因素1）焊接方法4）工藝參數(shù)2）焊接材料3）焊件化學成分

第三章常用金屬材料的焊接§1材料的焊接性第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3.焊接性的評定方法1）實驗法十字接頭試驗法、Y型坡口試驗法、“小鐵研”試驗法等。2）碳當量估算法C—影響最顯著—基本元素—折合成碳的相當含量對焊接性的影響其它元素CE=C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15CE<0.4%CE=0.4%~0.6%CE>0.6%具有良好的焊接性焊接性較差焊接性差第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§2碳鋼的焊接1.低碳鋼的焊接低碳鋼：C<0.25%CE<0.4%焊接性良好。2.中碳鋼的焊接中碳鋼：C<0.25～0.60%焊接性由良好較差。CE<0.4%CE=0.4%～0.60%問題焊縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3.高碳鋼的焊接高碳鋼：C>0.60%焊接性差。CE>0.60%問題焊縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋措施焊前預熱（250～350℃），焊后緩冷。選用低氫型焊條。焊件開坡口，且采用細焊條、小電流、多層焊。避免選用高碳鋼作為焊接結(jié)構件。焊補措施焊前預熱（150～250℃），焊后緩冷。選用低氫型焊條。焊件開坡口，且采用細焊條、小電流、多層焊。第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§3合金結(jié)構鋼的焊接合金結(jié)構鋼機械制造用結(jié)構鋼普通低合金結(jié)構鋼（調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼）（壓力容器、鍋爐、橋梁、車輛、船舶等結(jié)構。）普通低合金結(jié)構鋼：低強度普通低合金結(jié)構鋼：高強度普通低合金結(jié)構鋼：σs<400MPaCE<0.4%16Mn、09Mn2Siσs>400MPaCE<0.4%～0.5%焊接性良好。焊接性較差。15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV焊前預熱（150～250℃），焊后緩冷；選用低氫型焊條；焊件開坡口，且采用細焊條、小電流、多層焊。第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§4鑄鐵的焊補一、鑄鐵焊補的特點（困難）1.熔合區(qū)易產(chǎn)生白口組織和淬硬組織；2.焊縫區(qū)易產(chǎn)生裂紋；3.焊縫區(qū)易產(chǎn)生氣孔；4.熔池金屬易流失；二、鑄鐵焊補的方法1.熱焊法焊前將焊件整體或局部預熱至600～700℃并施焊，焊后緩冷。用于形狀復雜，焊后需要機械加工的重要件。如汽缸體、汽缸蓋、機床導軌等第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.冷焊法焊前不預熱或低溫預熱（400℃）的焊補方法。焊條①鋼芯鑄鐵焊條：適用于非加工表面的焊補②石墨化鑄鐵焊條：⑤高釩鑄鐵焊條：④鎳基鑄鐵焊條：③銅基鑄鐵焊條：適用于較大灰口鑄鐵件的焊補主要用于一般鑄鐵件的焊補主要用于重要件加工表面的焊補可進行機械加工、塑性和抗裂較好。焊縫性能與母材基本相同，具有良好的加工性抗裂性好，可進行機械加工。具有良好的抗裂性與加工性主要用于一般鑄鐵件的焊補第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四§5有色金屬的焊