材料成型技術(shù)基礎(chǔ)(同名45)課件

《材料成型技術(shù)基礎(chǔ)》材料的連接技術(shù)工程問題1、復(fù)雜件、大型件分拆部件拼接；如汽車、航母、飛機(jī)2、不同材料間連接，如輕量化汽車3、密封性要求高的構(gòu)件構(gòu)件的聯(lián)接方法：各種聯(lián)接方法均有其優(yōu)點(diǎn)，均適用于一定場(chǎng)合。

不可拆卸聯(lián)接：過盈配合，鉚接、粘接?？刹鹦堵?lián)接：螺紋、銷接、鉸接。如飛機(jī)的機(jī)翼的蒙皮就是鉚接為主---冷加工特種車輛（密封）焊接---熱加工汽車用焊接代替鉚接一般可節(jié)省金屬材料15-20%一輛車焊點(diǎn)5000-12000個(gè)美國F4-U飛機(jī)焊點(diǎn)100多萬個(gè)第三篇焊接

一、定義：

采取加熱、加壓或者兩者并用的方法使分離的構(gòu)件（同種或異種材料）通過原子（或分子）之間的結(jié)合形成永久性聯(lián)連的工藝。二、焊接的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用焊縫體積小，重量輕，性能（力學(xué)性能，耐蝕性、耐高溫性）優(yōu)良。能簡(jiǎn)化復(fù)雜件、大型件的制造工藝。鍛——焊，鑄——焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)。能修復(fù)某些磨損、破損的零件。四、焊接方法分類熔化焊：電弧焊、埋弧焊、電渣焊、氬弧焊、激光焊、等離子焊壓力焊：電阻焊、冷壓焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊釬焊：軟釬焊（烙鐵、火焰）、硬釬焊（烙鐵、火焰、電阻、鹽浴、感應(yīng)）第一章

熔

化

焊工藝基礎(chǔ)

§1-1電弧焊一、焊接電弧

——電極與工件之間的氣體受電場(chǎng)、熱的激發(fā)而電離，發(fā)生強(qiáng)烈、持續(xù)的放電，而形成焊接電弧。熔化焊

——焊接過程中，將焊接件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。（一）焊接電弧的組成陰極區(qū)：

可達(dá)2400°K

弧柱區(qū)（電弧中心）：6000~8000

°K

陽極區(qū)

：2600°K電弧溫度因電極材料不同而改變。鋼焊條焊接鋼材時(shí)：（二）影響電弧穩(wěn)定的主要因素：1、電源性質(zhì)——直流、交流。2、極間氣氛的電離能。

堿和堿土金屬：

K，Na，Ca電離能低，常作為穩(wěn)弧劑加入藥皮。

3、焊接電流

電離能高，難于電離。惰性氣體：He，Ar鹵族元素：F，ClI↑電弧溫度↑氣體熱電離程度↑自然斷弧的弧長(zhǎng)↑I↑↑熔池飛濺應(yīng)適當(dāng)。（三）焊接電源的選擇：

酸性焊條——盡量選交流——成本低；

堿性焊條——多選直流反接。

△直流電源的正、反接法

堿性焊條藥皮中含CaF2，電離能高，反接，焊條端為陽極區(qū)，促進(jìn)CaF2電離。

正接法：工件（焊接件）接正極；適宜焊件較厚時(shí)反接法：工件接負(fù)極；適宜焊件較薄鋼板或非鐵件二、電焊條——鋼芯+藥皮組成

（一）組成和作用1.焊芯：被藥皮包覆的金屬芯

作用：手弧焊時(shí)：鋼芯既是電極，又是焊縫填充金屬

2.藥皮：壓涂在焊芯表面的涂料層作用：（1）提高電弧穩(wěn)定性；（2）保護(hù)熔渣及氣體；（3）保證焊縫脫氧、脫硫、脫磷；（4）補(bǔ)償焊接時(shí)被燒損的合金元素。

由穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、成形劑、粘接劑組成。

（二）焊條分類1．按用途：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、堆焊、鑄鐵、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鎳及鎳合金、特殊用途（九大類）。

2.3．按藥皮類型：鈦鈣型、鈦鐵礦型、纖維素型，低氫型、石墨型等。4．按性能特征：交流、直流、低塵低毒、抗潮、水下等。

酸性焊條——熔渣中以酸性氧化物為主；堿性焊條——熔渣中以堿性氧化物為主。按熔渣性質(zhì)（三）焊條的編號(hào)原則：

△

典型的碳鋼焊條(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)鋼焊條)舉例

★E4313（J422）——酸性焊條（焊渣中含多量酸性氧化物的焊條）

熔敷金屬σmin＝420MPa；高鈦鉀型藥皮：交直流兩用；

氣—渣聯(lián)合保護(hù)，氣體中以CO（50.7%）和H2（37.7%）為主；全方位施焊；主要用于一般低碳鋼焊接。

在我國，該焊條約占焊條總產(chǎn)量的80%?！?/p>

E5015（J507）——堿性焊條（低氫型焊條）

熔敷金屬，全方位施焊

低氫鈉型藥皮，直流反接。

氣—渣聯(lián)合保護(hù)，氣體中CO（79.8%），CO2(16.9%)，1.8%H2（110℃烘干2h）?！鞯蜌洌孩偎幤ぶ胁患佑袡C(jī)物和含結(jié)晶水的物質(zhì)；②CaF2，分解，F(xiàn)-+H+→HF↑（不溶于金屬）；③藥皮中48%大理石（CaCO3），分解大量CO2，電弧氣氛中氫分壓↓?！魅鄯蠼饘倭W(xué)性能特點(diǎn)（與同強(qiáng)度級(jí)別鈦鈣型焊條比較）：塑性（

）提高14%；韌性（akU）提高108%。

冷脆性↓△堿性焊條的弱點(diǎn)：工藝性能差穩(wěn)弧性差—F；煙塵有毒—NaF，KF過熱蒸發(fā)；對(duì)水分、鐵銹、油污敏感性大350~450℃烘干；對(duì)焊接處除銹去油污。（四）焊條的選用原則：1．焊接結(jié)構(gòu)鋼（低、中碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼）主要考慮焊縫的力學(xué)性能要求。⑴強(qiáng)度——按“焊縫與母材等強(qiáng)度級(jí)別”原則。即：焊條熔敷金屬強(qiáng)度不低于母材，但應(yīng)相近，不宜高出太多。

☆焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度級(jí)別：43，50，55，60，70，80，（90，10）

⑵塑性、韌性——

重要的焊縫動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)剛度大——選用堿性焊條2．焊接不銹鋼、耐熱鋼按“同化學(xué)成分類型”原則

——主要考慮焊縫的化學(xué)成分要求。

例：1Cr18Ni9Ti

選用：E0-19-10-16（A102）；全方位；低氫鉀型藥皮。

三、焊接接頭的組織和性能焊接接頭由焊縫區(qū)、熱影響區(qū)組成。

△可見：（1）在焊接過程中，實(shí)際自發(fā)地進(jìn)行了一次冶金和熱處理。

（2）焊接接頭中最薄弱的區(qū)域是：半熔合區(qū)與過熱區(qū)

——常為裂紋與脆性破壞的策源地?！钊绻覆牡幕瘜W(xué)成分、焊前的組織狀態(tài)不同，則會(huì)有不同的區(qū)域劃分。

例：對(duì)淬硬傾向大的鋼進(jìn)行焊接，將會(huì)出現(xiàn)“淬硬區(qū)”和“部分淬硬區(qū)”。

（三）改善熱影響區(qū)組織，性能的方法：

例：能量密度大、熱量集中的焊接方法可降低過熱區(qū)的寬度：過熱區(qū)寬度（mm）

焊后熱處理——主要適合于重要的中、小型焊件。選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒ā饕m合于大型焊件?！?-2其它常用的熔化焊一、埋弧自動(dòng)焊

定義：電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法△應(yīng)用：成批生產(chǎn)的中、厚板的長(zhǎng)的直、環(huán)縫平焊。1.工件，2.可回收的焊劑，3.渣殼，4.埋弧焊劑，5.熔池，7.電弧，8.焊絲，9.導(dǎo)電嘴，10.焊接小車，11.焊絲盤，12.焊劑漏斗

環(huán)縫的埋弧焊二、氬弧焊：

利用氬氣將熔池保護(hù)起來不受空氣污染的電弧焊。

（一）Ar的特性：

2、比空氣重25%，不易漂散。3、既不與金屬化合也不溶于金屬——使焊接冶金過程變得簡(jiǎn)單和易于控制。

電離能高；高溫電離不分解、不吸熱?！坏┮迹娀釗p失少，電弧穩(wěn)定。1、單原子（二）種類與接法(三)突出優(yōu)點(diǎn)：Ar保護(hù)+陰極破碎（陰極霧化）

直流反接：氧化膜電子逸出功低——電子發(fā)射中心（陰極斑）——陽離子自動(dòng)尋找這些斑點(diǎn)轟擊。

熔化極Ar弧焊——直流反接；鎢極Ar弧焊——電弧穩(wěn)定，可用交流。(四)應(yīng)用

焊接：極易氧化的有色合金（Al、Ti、Mg）；難熔的活性金屬（Mo、Nb、Zr）；不銹鋼，高溫合金。三、電渣焊

△特點(diǎn)：數(shù)十~數(shù)百（450）毫米的厚件可一次焊成，生產(chǎn)率高成本低；冷卻速度較慢，焊接應(yīng)力較小。熱影響區(qū)大，晶粒粗大，焊后需進(jìn)行熱處理。

第二章

壓力焊和釬焊

一、電阻焊

——焊件組合后，通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及臨近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法點(diǎn)焊棒狀電極縫焊，圓盤狀電極對(duì)焊，焊件截面是圓形、方形等簡(jiǎn)單現(xiàn)狀，且截面積不可過大（過大加熱會(huì)不均勻）壓力焊的優(yōu)點(diǎn)：1、不需填充金屬和焊劑；2、焊縫小，結(jié)構(gòu)輕；3、熱量集中，加熱時(shí)間短，工件變形??；4、熔核形成時(shí)，被塑性區(qū)包圍，隔絕空氣。所以，可焊鋁、銅、不銹鋼；5、動(dòng)作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)。

二、釬焊

——依靠液態(tài)釬料（熔點(diǎn)低于焊件）填滿固態(tài)焊件之間的間隙，并與焊件相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。

（一）分類：1、軟釬焊

釬料熔點(diǎn)<450℃，接頭強(qiáng)度<70MPa

例：錫鉛合金釬焊加熱工具——電烙鐵釬料——Sn-Pb合金,熔點(diǎn)183~265℃釬劑——松香或ZnCl2清除、溶解氧化物隔絕空氣提高界面活性，改善潤濕性2、硬釬焊

釬料熔點(diǎn)>450℃，如Cu基、Ag基和Al基釬料；

接頭強(qiáng)度>200MPa；熱源：氧炔焰、高頻感應(yīng)加熱，噴燈。

常用釬劑：硼砂、硼酸氯化物。

例：硬質(zhì)合金刀片與刀桿的焊接。

（二）釬焊的優(yōu)點(diǎn)：1、焊接溫度低，焊件變形小。

2、可焊3、可焊某些復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)。例：汽車水箱散熱片，鹽浴浸漬法。

（三）應(yīng)用：受力不大，精密微型，形狀復(fù)雜，異類材料的焊接；電子線路的焊接。異種金屬：鋼—Cu、Cu鍍Ni－Al合金，結(jié)構(gòu)鋼—不銹鋼；異種材料：鋼——陶瓷或金剛石。第三章常用金屬材料的焊接§3-1焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力是焊件開裂與變形的根本原因。一、形成焊接應(yīng)力的原因1、局部快速加熱及冷卻；2、焊縫冷卻時(shí)的收縮受到阻礙。二、焊接應(yīng)力與焊件變形的關(guān)系：焊件變形?。▌傂源?、強(qiáng)度高、塑性?。﹦t焊接應(yīng)力大。反之，亦然?！?-2金屬材料的焊接性

一、基本概念

金屬材料的焊接性的基本內(nèi)容

二、焊接性的主要影響因素：

（一）化學(xué)成分——內(nèi)部因素——對(duì)于鋼材料的接合性能——形成焊接缺陷的傾向性；焊接接頭使用的可靠性——力學(xué)性能和特殊性能。碳當(dāng)量估算法（CE）冷裂紋敏感系數(shù)（PC）☆碳當(dāng)量估算法

國際焊接學(xué)會(huì)推薦碳鋼和低合金鋼的CE計(jì)算公式：

CE（%）：≤0.25，焊接性良好>0.25~0.4，焊接性較好>0.4~0.6，焊接性較差焊前低溫預(yù)熱150~250℃，焊后緩冷>0.6，焊接性差焊前600~700℃高溫預(yù)熱；保溫，≮400℃施焊；焊后緩冷。隨著CE↑，材料焊接性↓原因：（二）焊接工藝條件——外部因素

同樣的金屬材料在不同的工藝條件下，會(huì)表現(xiàn)出不同的焊接性能。

2、環(huán)境溫度和焊件剛度的影響：

例：CE<0.40%的結(jié)構(gòu)鋼，

當(dāng)厚度>30mm，＜0℃焊接時(shí)，須預(yù)熱100~150℃。強(qiáng)度硬度↑，塑性↓——不能通過變形來緩解應(yīng)力導(dǎo)熱性↓——溫差↑，熱應(yīng)力↑快速冷卻，易出現(xiàn)淬火組織——脆性↑1、焊接方法的影響：Al合金氣焊、手弧焊——焊接性能差氬弧焊——焊接性能好?！?-3常用金屬材料的焊接

一、碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接1、據(jù)“焊條選用原則”，選用適當(dāng)?shù)暮笚l。2、據(jù)CE和環(huán)境溫度，采取相應(yīng)的工藝措施。

二、不銹鋼的焊接1、按“母材化學(xué)成分相同”原則選擇焊條。2、一般采用手弧焊、鎢極氬弧焊，也可采用埋弧自動(dòng)焊；

三、鑄鐵的焊補(bǔ)

所以，鑄鐵不能用做焊接結(jié)構(gòu)材料。但是，對(duì)鑄鐵零件的：脆性大，強(qiáng)度低——易產(chǎn)生裂紋C、Si劇烈氧化——易形成快速冷卻——易產(chǎn)生白口組織氣孔（CO2）硅酸鹽夾渣（SiO2）鑄造缺陷局部破損可以進(jìn)行修復(fù)性焊補(bǔ)。（一）熱焊法：1、整體或局部預(yù)熱600~700℃焊接過程保持溫度≮400℃，焊后緩冷。2、手弧焊采用鑄鐵焊條（焊條芯為鑄鐵）或氣焊：采用鑄鐵棒及高C、Si量焊粉。應(yīng)用：要求焊縫與母材同材質(zhì)、同強(qiáng)度且焊后須進(jìn)行切削加工的重要鑄件。

（二）冷焊法：工藝：不預(yù)熱或較低溫度預(yù)熱（<400℃）手弧焊，采用鎳基焊條

原理：應(yīng)用：∵焊縫切削加工性能較差

∴多用于：Ni促進(jìn)G化，熔合處一般不會(huì)產(chǎn)生白口組織；焊縫為Ni基合金——塑性好，有良好的抗裂性。允許焊縫材質(zhì)與母材不同焊后不需切削加工對(duì)焊縫力學(xué)性能要求不高，高溫局部預(yù)熱會(huì)引發(fā)變形的工件四、鋁及鋁合金的焊接

△鋁合金焊接的主要問題1）氧化

Al2O3溶點(diǎn)2050℃，遠(yuǎn)高于鋁的熔點(diǎn)660.4℃。

2)氣孔

鋁合金導(dǎo)熱性↑↑冷卻速度↑↑，氫氣來不及逸出。

△焊接方法：氬弧焊；電阻焊；釬焊（Al-Si、Zn基釬料)。焊前將工件嚴(yán)格清洗和干燥。

第四章

焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)☆焊接結(jié)構(gòu)件：構(gòu)件的主體是用焊接的方法聯(lián)接在一起的。例：油罐、鋼梁，船體。☆焊接結(jié)構(gòu)已廣泛地應(yīng)用于工程，并向大型化，高強(qiáng)化的方向發(fā)展。許多國家都發(fā)生過焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故，其后果十分嚴(yán)重，甚至是災(zāi)難性的。★1938年3月14日比利時(shí)Albert運(yùn)河銀裝素裹，Hesselt大橋上只有一輛電車和一些行人，大橋突然在六分鐘內(nèi)斷為三截。當(dāng)時(shí)氣溫為零下20℃?！锩绹＼姴抗迹憾?zhàn)期間，美國制造的4694艘船中，970艘船上出現(xiàn)1442道大的裂紋，多發(fā)生在萬噸輪上，其中：24艘甲板橫斷，8艘攔腰截?cái)啵?艘沉沒。

☆造成焊接結(jié)構(gòu)脆斷有多方面的原因：材料，焊接工藝，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(例如嚴(yán)重的應(yīng)力集中、服役條件下韌性不足)等焊接成形方法的選擇應(yīng)充分考慮材料的焊接性、焊件厚度、焊縫長(zhǎng)短、生產(chǎn)批量及產(chǎn)品質(zhì)量等因素，并結(jié)合各種焊接方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍來確定。§4-1焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇

△焊接結(jié)構(gòu)件材料選擇原則1、在滿足使用性能要求的前提下，盡量采用焊接性能好的材料。

例：

≤0.25%C低碳鋼； CE≤0.4%的低合金結(jié)構(gòu)鋼。2、盡量采用工字鋼、槽鋼、角鋼等型材。原因：減少焊縫，簡(jiǎn)化工藝；保證結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛性。3、對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可采用鑄—焊、鍛—焊等聯(lián)合結(jié)構(gòu)。

§4-2焊接工藝設(shè)計(jì)一、焊接接頭形式◆四種基本形式：對(duì)接接頭、搭接接頭、角接接頭、丁字接頭?！舾髯缘奶攸c(diǎn)：對(duì)接接頭受力均勻，應(yīng)力集中較小，易于保證焊接質(zhì)量。塔接接頭的接頭處受附加彎矩，但無需開坡口。角接與丁字接主要用于空間連接。

◆選擇原則：應(yīng)依據(jù)具體條件確定。如：焊接結(jié)構(gòu)的形狀、焊接方法、焊縫部位、坡口加工等。

手弧焊接頭：對(duì)接接頭與角接接頭手弧焊接頭：T形接頭和搭接接頭二、焊件坡口形式☆坡口的形式有：Y型、雙Y型、U型、雙U型、K型等。

☆厚件開坡口的目的：保證焊透；減少焊縫中母材的成份。☆選擇坡口的依據(jù)：焊件厚度；焊縫位置(要便于焊接操作)。

三、焊縫分布設(shè)計(jì)1、縫位置應(yīng)便于操作。

2、避免焊縫密集或交叉。3、焊縫應(yīng)對(duì)稱分布。4、焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力或應(yīng)力集中處。例：粱的中間位置，彎矩最大，不宜設(shè)焊縫。例：壓力罐的封頭，應(yīng)有折邊。

5、對(duì)于切削加工后才焊接的工件，焊縫應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)加工表面。

★

焊縫分布設(shè)計(jì)示例☆油罐體；

☆厚大的盤套件。

第五章焊接成形技術(shù)新進(jìn)展計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用焊接機(jī)器人和智能化能源開發(fā)提高焊接生產(chǎn)率第一節(jié)計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)用于焊接過程控制；計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)用于焊接熱過程、焊接冶金過程、焊接應(yīng)力和變形等的模擬；數(shù)據(jù)庫技術(shù)被用于建立焊接工藝評(píng)定文件、焊接材料檢索文件、焊接符號(hào)檢索文件及焊工檔案管理文件等，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)及計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化制造系統(tǒng)(CIMS)等均是計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用的高級(jí)形式。第二節(jié)焊接機(jī)器人和智能化焊接機(jī)器人主要優(yōu)點(diǎn)為；穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性；提高生產(chǎn)率，2