第六章-材料的连接技术

主讲人：于美杰副教授Tel：88396181Email：[e-mail]工程材料与机械制造基础第六章材料的连接技术本章基本要求1.焊接接头的组织结构和力学性能2.减少焊接应力、变形的工艺措施3.影响焊接性的主要因素4.各种焊接方法的特点和应用第六章材料的连接技术第六章目录第一节焊接理论第二节常用焊接方法第三节各种材料的焊接第四节焊接结构及工艺性第五节焊接质量检测第六节材料的其他连接方法第六章材料的连接技术材料连接技术简介永久性连接焊接铆钉连接胶接过盈配合连接可拆连接过盈配合连接键连接销连接螺纹连接第六章材料的连接技术第一节焊接理论IntroductiononWelding焊接同种或异种材质的工件，通过加热或加压或二者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺焊接特点节约金属材料，产品密封性好；以小拼大，化复杂为简单；便于制造双金属结构（如轴承，钢＋铜）；缺点：焊接接头处易产生缺陷和应力集中，力学性能降低。第六章材料的连接技术第一节焊接理论IntroductiononWelding连接处局部加热至熔化，不加压加压（加热）熔点低于母材的钎料熔化、扩散第六章材料的连接技术第一节焊接理论第四章金属的焊接成形ShieldedMetalArcWelding第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding一、焊接热过程加热特点•局部加热温度高•极高的加热速度和冷却速度•热源是移动的，加热和冷却的区域不断变化热源种类•电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束、激光束热源特点•能量密度高、温度高、热量集中•稳定•高的热效率第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding二、焊接冶金过程焊接区内各种物质（液态金属、熔渣、气体）之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。冶金特点•冷却快，化学成分不均匀•大气下，合金元素烧损，使塑韧性↓（FeO、MnO、SiO2、Fe4N、Fe2N）•氢脆：焊缝中吸氢导致接头塑韧性↓•气孔、夹渣第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding二、焊接冶金过程焊接化学冶金反应区I.药皮反应区II.熔滴反应区：温度最高、反应时间短、最剧烈III.熔池反应区：温度分布不均匀、决定焊缝成分第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding焊接接头各区温度熔合区和过热区性能最差应尽量减小其宽度第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding三、焊接接头的组织结构和力学性能1、焊缝区：由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。温度：液相线之上，完全熔化；组织：铸态柱状晶（结晶从熔池底部开始，生长方向垂直于底部）性能：强度可母材；原因是合金含量高，但局部成分不均匀2、熔合区：又称半熔化区，焊缝金属向热影响区过渡的区域。温度：液－固线之间；组织：少量铸态晶＋粗大过热组织。性能：强度低、脆性大，组织成分不均匀12345第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding三、焊接接头的组织结构和力学性能3、过热区：母材上紧靠熔合区部分，未熔化。温度：固相线以下～1100℃之间，固态；组织：粗大（由粗大奥氏体冷却后转变）；性能：塑、韧性低，易产生裂纹。4、正火区：热影响区内相当于正火处理的区域。温度：1100℃～Ac3线之间；组织：晶粒细小的正火组织；性能：高于母材。5、部分相变区：温度：Ac3～Ac1线之间；组织：部分A化，原F晶粒长大，冷却后晶粒大小不均匀；性能：低于正火区。12345第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding三、焊接接头的组织结构和力学性能焊缝区热影响区熔合区0.1-1mm晶粒粗大脆、性能最差过热区1100～固线晶粒粗大的过热组织，塑韧性非常低部分相变区Ac1～Ac3部分A化，F晶粒长大，晶粒大小不均匀性能低于正火区铸态柱状晶晶粒细强度不低于母材正火区Ac3～1100晶粒细化性能优于母材第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding四、焊接应力与变形变形的原因：局部加热、冷却，膨胀和收缩速度不同，产生应力。变形的基本形式：V形坡口，焊缝形状不对称焊缝位置不对称第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding焊接应力纵向应力•焊接过程中：焊缝(-)，母材(+)•冷却后：焊缝(+)，母材(-)横向应力第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding减少焊接变形的工艺措施1、选择合理的焊接顺序：先短、后长第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding减少焊接变形的工艺措施2、反变形法：第六章材料的连接技术第一节焊接理论ShieldedMetalArcWelding减少焊接变形的工艺措施（1～4点）3、机械校正（刚性固定法）和局部火焰校正法：4、热处理法：焊前预热和焊后热处理•高温回火或去应力退火加热600～650℃→保温（不少于1小时）→缓冷可以消除80～90％多的焊接残余应力。第二节常用焊接方法ShieldedMetalArcWelding焊接方法分类：熔焊：在液态下实施焊接，母材接头被加热到熔化温度以上，它们在液态下相互融合，冷却时便凝固在一起。压焊：在固态下进行焊接，利用压力将母材接头焊接，加热只起着辅助作用，有时不加热，有时加热到接头的高塑性状态，甚至使接头的表面薄层熔化。钎焊：在接头之间加入熔点远较母材低的合金（称为钎料），局部加热使这些合金熔化，借助于液态合金与固态接头的物理化学作用而达到焊接的目的。第二节常用焊接方法ShieldedMetalArcWelding一、熔焊：1.焊条电弧焊（手弧焊）特点设备简单，操作灵活；可在各种条件下进行各种位置的焊接；劳动条件差，生产率低；对工人技术水平要求较高，焊接质量不够稳定。应用生产中应用最广的焊接方法；单件小批量焊接碳素钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢和对铸铁的补焊等；适宜板厚为3-20mm，1mm以下的薄板不适用。第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法ShieldedMetalArcWelding焊条焊芯作用：①作电极导电；②填充金属药皮作用：①提高电弧燃烧稳定性；②对熔池形成气、渣联合保护；③有利于焊缝金属脱氧;④补充合金元素，提高焊缝力学性能。组成：稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法ShieldedMetalArcWelding焊条分类按熔渣性质分•酸性焊条：熔渣中以酸性氧化物为主（SiO2、TiO2、P2O5）–优点：电弧稳定、宜脱渣、飞溅小、对油锈或水的敏感性小、焊接电源用交流或直流都可；–缺点：熔渣氧化性强，对合金元素烧损大，非金属夹杂物量大，焊缝塑韧性差、抗裂性差；–应用：低碳钢和不重要结构件。•碱性焊条：熔渣中以碱性氧化物为主（CaO、MnO、Na2O、MgO）–优点：S、P含量少、焊缝含氢少，塑韧性好；–缺点：电弧稳定性差、飞溅大，不易脱渣，对油锈水敏感性大，要求直流电源；–应用：重要结构件经济、工艺性好、力学性能差工艺性差，但力学性能好第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法ShieldedMetalArcWelding焊条型号类型代号类型代号碳钢焊条E××××堆焊焊条ED×–×–××低合金钢焊条E××××–×铜及铜合金焊条TCU×不锈钢焊条E××××铸铁焊条EZ×铝及铝合金焊条TAl×镍及镍合金焊条TNi×（最低抗拉强度）03Electrode焊条（0、1:全位置；2：平焊；4：向下立焊）钛钙型药皮，交流或直流正、反接第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods2、埋弧（自动）焊(SubmergedArcWelding)电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，称为埋弧焊。埋弧自动焊的焊接过程1-焊件；2-V形坡口；3-垫板；4-焊剂；5-焊剂斗；6-焊丝7-送丝轮；8-导电器；9-电缆；10-焊丝盘；11-焊剂回收器；12-焊渣；13-焊缝；特点：1）光焊丝自动送入；2）焊剂预撒在将焊区域；3）电弧在焊剂下燃烧；4）靠焊机移动(或工件动)5）未熔焊剂可回收利用。焊丝相当于焊芯引弧和填充金属焊剂相当于药皮隔离空气、保护熔池、冶金第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法节省材料生产率高改善劳动条件质量高而且稳定特点焊接电流大焊丝连续中、薄件接头不开坡口电弧区保护严密气体、杂质易浮出弧光不外泄适用于厚板材，平焊长直焊缝和较大直径的环形焊缝不能立焊和仰焊埋弧焊特点OtherCommonWeldingMethods工艺特点：1）焊接电流大，熔深大；2）采用焊剂垫或钢垫板，以防电流过大而烧穿焊件；3）设引弧板和引出板，保证引弧和断弧处焊缝质量。6～60mm第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods3、氩弧焊(ArgonArcWelding)气体保护电弧焊的一种熔化极氩弧焊焊丝既作电极，又作填充金属焊接电流大、熔深大，用于较厚焊件3～25mm钨极氩弧焊（非熔化极）焊丝仅作填充金属钨作电极焊接电流较小，以减少钨极损耗用于薄板4mm以下第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods氩弧焊特点可以焊接各种金属，尤其是在焊接过程中易氧化的Al、Mg等有色金属和稀有金属；氩气在高温下不分解，电弧稳定，飞溅小，焊缝致密、美观；电弧可见，便于操作，易实现全位置自动焊接；电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，热影响区窄，工件焊后变形小；焊接成本高（设备和控制系统）；生产效率高：连续送丝抗风能力差，一般只在室内进行。第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods4、CO2气体保护焊（CO2ShieldWelding）优点：焊接成本低于埋弧焊、焊条焊、氩弧焊（气便宜、电能消耗少）电流大、熔深大、焊后不需清渣焊速高可自动焊，生产率高明弧焊接，易于控制焊接变形小（电弧加热集中）适合于全位置焊应用广泛第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethodsCO2气体保护焊（CO2ShieldWelding）缺点：CO2是弱氧化性气体，高温下使金属氧化，烧损合金元素；不能焊接有色金属CO2在高温下分解，易产生气孔、飞溅；难以用交流电源进行焊接；应用：低碳钢和低合金钢汽车制造、化工机械、农业机械、矿山机械等注意：要选用合金元素含量高的焊丝，第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods5.电渣焊（ElectroslagWelding）利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。冷却铜滑块布置焊件预留间隙装引入板和引出版装水冷铜滑块放焊剂送焊丝在引入板引弧焊剂被电弧熔化形成熔渣电弧熄灭靠熔渣电阻热熔化焊丝金属凝固形成焊缝第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods电渣焊（ElectroslagWelding）特点•多用于立焊•可一次焊成很厚的焊件、生产效率高•节省材料：不需开坡口，留25～35mm间隙即可•焊缝金属比较纯净：熔渣保护＋液态保持时间长•焊接应力小，可用于中碳钢和合金钢•缺点：热影响区宽、晶粒粗大，焊后正火处理细化晶粒应用•适用于板厚30mm以上•锅炉、压力机、重型机械等大型设备第六章材料的连接技术第二节常用焊接方法OtherCommonWeldingMethods6、等离子弧焊(PlasmaArcWelding)相当于具有压缩效应的钨极氩弧焊等离子弧特点•