機(jī)械工程材料及成型基礎(chǔ)

《機(jī)械工程材料及成型基礎(chǔ)》機(jī)械工程系天狼隊(duì)主講人:李仕賢焊接引言第一節(jié)

焊接的基本原理第二節(jié)

焊條電弧焊第三節(jié)

其它焊接方法第四節(jié)

壓焊與釬焊第五節(jié)

堆焊與熱噴涂第六節(jié)

常用金屬材料的焊接第七節(jié)

焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言1、何為焊接？焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。

2焊接的分類第一節(jié)

焊接的基本原理一、焊接的實(shí)質(zhì)

焊接的實(shí)質(zhì)是使兩個(gè)分離的物體通過加熱或加壓，或兩者并用，在用或不用填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯(lián)系與質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用形成一個(gè)整體的過程。焊接電弧

由焊接電源供給、具有一定電壓的兩極間或電極與母材間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象稱為焊接電弧。焊接電弧示意圖二、焊接熱循環(huán)

焊接時(shí)，電弧沿焊件逐漸移動(dòng)并對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱。焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分稱為焊縫。焊縫及其鄰近區(qū)域的總稱叫焊縫區(qū)。

在焊接過程中，焊縫區(qū)金屬從常溫被加熱到最高溫度，然后逐漸冷卻到常溫。由于焊件上各點(diǎn)的位置不同，被加熱的最高溫度亦不相同；而熱量的傳遞需要一定的時(shí)間，故各點(diǎn)達(dá)到其最高溫度的時(shí)間亦不相同。在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過程稱為焊接熱循環(huán)。焊接應(yīng)力焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程的不均勻溫度場(chǎng)以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀，因此是設(shè)計(jì)和制造中必須考慮的問題。焊接裂紋與焊接變形的形式

焊接時(shí)，在任何情況下焊接應(yīng)力總是存在的。當(dāng)焊接應(yīng)力超過該材料相應(yīng)溫度的屈服應(yīng)力時(shí)，焊件將產(chǎn)生變形；超過材料的斷裂應(yīng)力時(shí)，焊件將會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。預(yù)防和減小焊接應(yīng)力及焊接變形的措施1.合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)盡量減少焊縫及焊縫的長度和截面積，并盡量使結(jié)構(gòu)中的所有焊縫對(duì)稱，避免交叉焊縫等，2.焊前預(yù)熱焊前對(duì)焊件預(yù)熱，可減少焊件各部分的溫差，對(duì)減小焊接應(yīng)力與變形較為有效。3.反變形法根據(jù)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算，確定工件焊后產(chǎn)生變形的方向和大小，焊前將工件預(yù)先斜置或彎曲成等值反向角度，以期達(dá)到焊后與所要求的工件角度正好吻合。4.剛性固定法采用工裝夾具或定位焊固定，此法可顯著減小但不能完全消除焊后殘余變形。5.錘擊焊縫法用圓頭小錘對(duì)焊后紅熱的焊縫金屬進(jìn)行均勻適度錘擊，以延伸變形，補(bǔ)償其收縮同時(shí)釋放出部分能量，減小焊接應(yīng)力和變形。6.強(qiáng)迫冷卻法將焊縫區(qū)的熱量迅速散掉，使焊接時(shí)金屬受熱面積減小，此法又稱散熱法。焊接變形的矯正1.機(jī)械矯正法即用機(jī)械的方法將變形矯正過來，常用的設(shè)備有輥【gǔn】床、壓力機(jī)、矯直機(jī)等；2.火焰矯正法采用局部加熱焊件的某些部位，使其受熱時(shí)膨脹，受周圍冷金屬制約引起長度方向被壓縮，冷卻時(shí)收縮而矯正變形。第二節(jié)

焊條電弧焊

電弧焊是利用電弧作為熱源的熔焊方法，簡稱弧焊。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。焊條電弧焊具有設(shè)備簡單，操作靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)，且焊接性好，對(duì)焊接接頭的裝配尺寸無特殊要求，可在各種條件下進(jìn)行各種位置的焊接，是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的焊接方法。但焊條電弧焊時(shí)有強(qiáng)烈弧光和煙塵污染，勞動(dòng)條件差，生產(chǎn)率低，對(duì)工人技術(shù)水平要求較高，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定。因此，主要應(yīng)用于單件小批量生產(chǎn)中焊接碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼和對(duì)鑄鐵的補(bǔ)焊等。適宜板厚為3mm-20mm。一、焊條電弧焊電源1.電源的要求焊條電弧焊電源應(yīng)具有適當(dāng)?shù)目蛰d電壓和較高的引弧電壓，以利于引弧，保證安全；當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，焊接電流增大，電弧電壓應(yīng)急劇下降；還應(yīng)保證焊條與焊件短路時(shí)，短路電流不應(yīng)太大；2.電源種類（1）交流弧焊機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但電弧穩(wěn)定性較差。（2）直流弧焊機(jī)二、焊條1、焊條的組成和作用1.焊條由藥皮和焊芯兩部分組成。焊芯在焊接過程中既是導(dǎo)電的電極，同時(shí)本身又溶化作為填充金屬，與熔化的母材共同形成焊縫金屬；藥皮是壓涂在焊芯表面的涂料層，主要作用是在焊接過程中造氣，防止空氣進(jìn)入焊縫；2.焊條的分類(1)焊條按熔渣的化學(xué)性質(zhì)分為兩大類1）酸性焊條溶渣呈酸性，藥皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化物。2）堿性焊條熔渣呈堿性，藥皮的主要成分為CaCo3和CaF2。(2)焊條按用途可分為十一大類

碳鋼焊條、低合金鋼焊條、低溫鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條等。第三節(jié)

其它焊接方法一、埋弧焊二、氣體保護(hù)電弧焊三、電渣焊四、等離子弧焊五、電子束焊六、激光焊一、埋弧焊1.定義：電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法稱為埋弧焊。2.特點(diǎn)：1）生產(chǎn)率高；2）焊接質(zhì)量高、穩(wěn)定；3）節(jié)約金屬材料；4）改善勞動(dòng)條件。3.應(yīng)用：常用來焊接厚度為6mm-60mm的長直焊縫和較大直徑

（一般不小于250mm）的環(huán)形焊縫。二、氣體保護(hù)電弧焊用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊，簡稱氣體保護(hù)焊。（一）氬弧焊

特點(diǎn)：1）焊件不易氧化；2）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形；3）焊縫致密，成形美觀；

4）焊接成本高。應(yīng)用：主要用于焊接易氧化的有色金屬和合金鋼，如鋁、鎂、鈦及其合金、耐熱鋼、不銹鋼等。（二）二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊

特點(diǎn)：1）生產(chǎn)效率高；2）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形；3）接頭抗裂性好；4）焊接成

本低。應(yīng)用：適合于各種位置的焊接，目前，CO2焊已在全國廣泛普及，大有在短時(shí)間內(nèi)取代焊條電弧焊的發(fā)展勢(shì)頭。

三、電渣焊1.定義：電渣焊是利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。2.特點(diǎn)：1）厚大截面可一次焊成，生產(chǎn)效率高；

2）焊縫金屬比較純凈；

3.應(yīng)用：適用于板厚40mm以上結(jié)構(gòu)的焊接。一般用于直縫焊接，目前，電渣焊已在我國水輪機(jī)、水壓機(jī)、軋鋼機(jī)、重型機(jī)械等大型設(shè)備制造中得到廣泛使用。四、等離子弧焊1.定義：借助水冷噴嘴對(duì)電弧的拘束作用，獲得較高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊接的方法2.特點(diǎn)：

1）焊件不易氧化；

2）便于操作，容易實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)化；

3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形；

4）焊縫致密，成形美觀；5）弧柱溫度高，焊接速度快，生產(chǎn)率高。3.應(yīng)用：國防工業(yè)和尖端技術(shù)所用銅合金、合金鋼、鎢、鈷、鈦等金屬的焊接。如鈦合金的導(dǎo)彈殼體、微型繼電器、電容器的外殼封接及飛機(jī)上一些薄壁容器等均可用等離子弧焊。五、電子束焊定義：利用加速和聚焦電子束轟擊置于真空或非真空中焊件所生的熱能進(jìn)行焊接的方法稱為電子束焊。2.特點(diǎn)：

1）焊縫金屬純度高；

2）焊縫表面質(zhì)量好，內(nèi)部熔合性好；

3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形；

4）控制靈活，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)。3.應(yīng)用：電子束焊應(yīng)用廣泛，從微型電子線路組件、真空膜盒、原子燃料器件到大型的導(dǎo)彈外殼都可以采用電子束焊接。此外，熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、溶解度相差很大的異種金屬，在真空中使用的器件和內(nèi)部要求真空的密封器件等，用真空電子束焊接也能得到良好接頭。電子束焊六、激光焊1.原理：通過聚焦系統(tǒng)使激光束聚焦到十分微小的焦點(diǎn)，光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而使金屬熔化形成接頭。2.特點(diǎn)：

1）焊接熱影響區(qū)極小，焊件難于變形；

2）焊件不易被氧化，可在空氣中焊接；

3）可焊接難于接近的接頭。3.應(yīng)用：激光焊比較容易實(shí)現(xiàn)異種金屬和異種材料的焊接，目前已廣泛用于電子工業(yè)和儀表工業(yè)中微型件的焊接。激光焊第四節(jié)

壓焊與釬焊焊接過程中，必須對(duì)焊件施加壓力，以完成焊接的方法稱為壓焊。一、電阻焊二、摩擦焊三、釬焊一、電阻焊工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法稱為電阻焊。電阻焊分為對(duì)焊、點(diǎn)焊和縫焊。(一)對(duì)焊按工藝不同可分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊。1.電阻對(duì)焊，將工件裝配成對(duì)接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。2.閃光對(duì)焊，工件裝配成對(duì)接接頭，接通電源，并使其端面逐漸移近達(dá)到局部接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)（產(chǎn)生閃光），使端面金屬熔化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，迅速施加頂鍛力完成焊接的方法，稱為閃光對(duì)焊。閃光對(duì)焊廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械制造、電氣工程等部門，如鋼筋、鋼管、汽車輪緣、自行車輪圈、切削刀具等對(duì)焊（二)點(diǎn)焊1、電阻點(diǎn)焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法，

電阻點(diǎn)焊主要適用于各種薄板、板料沖壓結(jié)構(gòu)及鋼筋構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)機(jī)、輕工、電子器件、儀表和日常生活用品的生產(chǎn)中。2、膠接點(diǎn)焊膠接點(diǎn)焊是以膠接加強(qiáng)電阻點(diǎn)焊強(qiáng)度的連接方法。它是近年來發(fā)展起來的新工藝。與電阻點(diǎn)焊相比，膠接點(diǎn)焊接頭的搭接抗剪強(qiáng)度可提高3倍，疲勞強(qiáng)度可提高9倍。點(diǎn)焊(三)縫焊

工件裝配成搭接接頭、對(duì)接接頭、T形接頭、角接接頭等接頭形式，并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓工件并轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫

縫焊主要應(yīng)用于焊縫較規(guī)則，有密封要求的3mm以下薄壁結(jié)構(gòu)，如消聲器、油箱等。二、摩擦焊

摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端面達(dá)到熱塑性狀然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。

摩擦焊的特點(diǎn)：

焊接表面不易氧化，接頭質(zhì)量穩(wěn)定，不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷，廢品率低，無需焊條、焊劑及填充金屬，操作簡單、成本低、生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化。同種金屬及異種金屬均可施焊。摩擦焊適用于圓形截面的棒材或管材，亦可將管材焊在平板上。實(shí)心焊件截面直徑為2mm-100mm，空心焊件最大外徑可達(dá)幾百毫米。三、釬焊釬焊是硬釬焊和軟釬焊的總稱。采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。網(wǎng)帶式釬焊爐保護(hù)氣氛銅釬焊爐根據(jù)釬料的熔點(diǎn)不同，釬焊分為以下兩類。硬釬焊使用硬釬料（熔點(diǎn)高于450℃）進(jìn)行的釬焊稱為硬釬焊。常用的釬料有銅基、銀基、鋁基、鎳基等合金。釬劑常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。加熱方法有火焰加熱、鹽浴加熱、爐內(nèi)加熱、電阻加熱等。硬釬焊接頭強(qiáng)度較高，可達(dá)490MPa，適用于受力較大及工作溫度較高的焊件，如自行車車架，切削刀具等。軟釬焊使用軟釬料（熔點(diǎn)低于450℃）進(jìn)行的釬焊稱為軟釬焊。常用的釬料為錫、鉛釬料。焊劑為松香、松香酒精溶液、氯化鋅溶液等。多用烙鐵加熱，接頭強(qiáng)度較低，在40Mpa-140Mpa之間，用于受力不大或工作溫度較低的工件，如電子器件、儀器、儀表等。釬焊的特點(diǎn)是：

加熱溫度低，接頭組織與性能變化小，焊件的應(yīng)力和變形也小，易保證焊件尺寸，接頭光滑平整，外形美觀，同種、異種金屬均可焊接。但接頭強(qiáng)度低，耐熱溫度不高，焊前對(duì)焊件清理要求較嚴(yán)，不適于大型構(gòu)件第五節(jié)堆焊與熱噴涂一、堆焊為增大或恢復(fù)焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的焊接稱為堆焊。堆焊的目的是提高零件表面的耐磨、耐熱、耐蝕等性能或修復(fù)已磨損的零件使其恢復(fù)原尺寸二、熱噴涂熱噴涂是將熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過高