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第四篇金属连接成形（焊接生产）59教案首页课程名称：金属材料成形基础任课教师：徐晓峰第四篇金属连接成形（焊接生产）计划学时：8教学目的和要求：本篇主要介绍了焊接成形工艺基础、各种常用焊接生产方法、常用焊接材料、焊接结构设计及先进工艺方法。学完本篇要求学生了解并掌握焊接成形工艺基础、各种常用焊接生产方法、常用焊接材料、焊接结构设计及先进工艺方法。重点：重点为焊接成形工艺基础、常用焊接生产方法和焊接结构设计；。难点：难点为焊接成形工艺基础、常用焊接生产方法和焊接结构设计。思考题：1．何谓焊接电弧用交流电焊机与直流电焊机焊接时？其电弧有何不同？2．焊接低碳钢时，其焊接热影响区可分为哪几个?区域其中哪个区域的性能最好？哪个区域的性能最差？为什么？3．减小与消除焊接应力的措施有哪些？减小与消除焊接变形的措施有哪些？4．钎焊与熔化焊相比，其焊接过程的实质有何不同？5．何谓金属材料的可焊性？生产中常用什么方法评定钢材的可焊性？6．当焊接材料确定后，应如何选择焊接方法？（根据材料的可焊性、工件的厚度、生产批量、各种焊接方法的适用范围和现场条件）第四篇金属连接成形（焊接生产）60第四篇金属焊接成型概述一、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。二、焊接成形的分类1．熔化焊：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。2．压力焊：电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等。3．钎焊：软钎焊、硬钎焊。三、焊接成形的特点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。第一章金属焊接成形工艺基础§1手工电弧焊的焊接过程一、手工电弧焊的特点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。二、手工电弧焊焊接过程①引弧②形成熔池③形成焊缝三、焊接电弧1.焊接电弧的概念在焊条末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。当焊条末端和工件接触时，接触电阻R急剧增大，短路电流I也急剧增大。使电阻热：Q=I2Rt急剧增大。电场强度：E=V/d急剧增大。从而使热的金属气体和空气产生热电离和碰撞电离。焊接电弧的稳定燃烧—就是带点粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。2.电弧的构造及热量分布阴极区：2400k36%阳极区：2600k42%弧柱区：中心5000~8000k21%3.电弧的极性直流电源正接极：工件—正极（阳极）；焊条—形成焊接电弧必须具备两个条件使气体电离阴极发射电子第四篇金属连接成形（焊接生产）61负极（阴极）。直流电源反接极：工件—负极（阴极）；焊条—正极（阳极）。§2焊接接头金属的组织与性能一、熔焊过程冶金特点1.熔池金属温度高于一般冶金温度。使金属元素强烈蒸发、烧损。2.熔池金属冷却快，处于液态的时间短。化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。3.空气对焊缝的影响严重。1）O2：C+[O]CO；Fe+[O]FeO；Mn+[O]MnO；Si+[O]SiO2氧化的结果：①合金元素被烧损；②焊缝产生夹渣的缺陷；③形成CO气孔。2）N2：N2[N]Fe+[N]Fe4N；使接头的塑性、韧性下降。3）H2：H2[H]；氢气孔氢脆二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施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。三、电焊条1.电焊条的组成及作用药皮的种类：①氧化钛型；②氧化钛钙型；③钛铁矿型；④氧化钛型；⑤纤维素型；⑥低氢钾型；⑦低氢钠型；⑧石墨型；⑨盐基型。2.电焊条的分类结构钢焊条—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酸性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）碱性焊条：在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）三、电焊条的选用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；[O]O2电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第四篇金属连接成形（焊接生产）62L0ⅡⅠ4.根据实际生产状况选用。四、焊接接头金属组织与性能1.焊接热循环2.焊接接头金属组织与性能的变化焊接接头：1）焊缝区；2）焊接热影响区。1）焊缝区熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。2）焊接热影响区焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。①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。②过热区：在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）加热温度：T固~1100℃塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。③正火区：在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）加热温度：1100℃~AC3；力学性能优于母材。④部分相变区：在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：AC3~AC1；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）减小和消除焊接热影响区的方法：①小电流、快速焊接；②采用先进的焊接方法；③焊前预热、焊后热处理（正火）。五、焊接应力与变形（一）焊接应力与变形产生的原因焊接应力与变形产生的根本原因是：焊件(工件）在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。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：焊件整体缩短L’第四篇金属连接成形（焊接生产）63（二）焊接变形的基本形式1.收缩变形；2.角变形；3.弯曲变形；4.扭曲变形；5.波浪形变形（三）焊接应力与变形的防止1.焊接应力的防止及消除措施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（Ⅰ—Ⅱ）—Ⅲ；②（Ⅰ—Ⅲ）—（Ⅱ—Ⅲ）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2.焊接变形的防止及矫正措施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—21—2—3—41—4—5—2—3—6ⅡⅠⅢ12ⅡⅠⅢ12341234123456第四篇金属连接成形（焊接生产）643）加裕量法。4）反变形法。5）采用焊前刚性固定法。6）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。7）焊接变形的矫正：①机械矫正；②火焰矫正。六、金属材料的焊接性1.金属材料的焊接性指被焊金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2.影响焊接性的因素1）焊接方法；2）焊接材料；3）焊件化学成分；4）工艺参数。3.焊接性的评定方法1）实验法十字接头试验法、Y型坡口试验法、“小铁研”试验法等。2）碳当量估算法C—影响最显著—基本元素其它元素—折合成碳的相当含量对焊接性的影响CE=C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15CE0.4%—具有良好的焊接性；CE=0.4%~0.6%—焊接性较差；CE0.6%—焊接性差。①工艺焊接性：②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。第四篇金属连接成形（焊接生产）65第二章金属的焊接成形方法§1熔化焊一、埋弧自动焊1.埋弧自动焊设备及焊接过程设备：1）焊接电源；2）控制箱；3）焊接小车。焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）2.埋弧自动焊工艺1）焊前准备板厚在20~25mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板厚在14~22mm应开Y型坡口，半厚在22~50mm，可开双Y型坡口或U型坡口。环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=20~40mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。2)采取防漏措施①双面焊；②手工电弧焊封底；③焊剂垫；④采用锁底坡口；⑤水冷铜垫板。3)要有引弧板和引出板3.埋弧自动焊工艺特点1）生产率高（手弧焊的5~10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。二、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。第四篇金属连接成形（焊接生产）66焊接热源：电弧热；保护介质：Ar。Ar：①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷；②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷；③比重大于空气（25%）。1）熔化极氩弧焊：适于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①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。②电弧燃烧稳定，飞溅小。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤氩气昂贵，设备造价高。应用：适用所有金属材料的焊接。适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。2.CO2气体保护焊以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。CO2：①与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷；②溶解于液体金属中—产生CO气孔缺陷；③比重大于空气（25%）。1)存在问题①氧化严重；②气孔倾向大（CO）；③飞溅严重。2）CO2气体保护焊的特点及应用①生产率高（是手弧焊的1~3倍）。②成本低（是手弧焊的40%）。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤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。三、电渣焊利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热，同时加热熔化焊丝和金属母材的焊接方法。焊接热源：电阻热；保护介质：液态熔渣。第四篇金属连接成形（焊接生产）671.焊接过程2.焊接特点及应用1）大厚度工件可一次焊成。单丝—40~60mm；单丝摆动—60~150；三丝摆动—450mm；板极电渣焊—2）生产率高，成本低。3）焊接质量好。4）热影响区大。—焊后热处理。应用：①适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料；②适用于厚大工件。厚度大于40mm的大型结构件。§2压力焊通过加压、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，使两部分金属达到原子间的结合，实现连接的焊接方法。一、电阻焊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。1.点焊工艺参数：电极压力；焊接电流；通电时间。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。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，也可焊异种金属（铝—钢、铝—铜等）。工件直径—0.01mm~200mm。第四篇金属连接成形（焊接生产）68二、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①质量稳定；②不需填充金属及焊剂；③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。§3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一、钎焊的种类1.软钎焊钎料的熔点在450℃以下。接头强度低，一般为60~190MPa，工作温度低于100℃2.硬钎焊钎料的熔点在450℃以上。接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。二、钎料和溶剂1.钎料钎料的作用：①连接；②填充。钎料的种类：①软钎料：锡铝合金（焊锡）②硬钎料：铝基、铜基、银基、镍基合金等。2.溶剂溶剂的作用：①清理作用