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第4章连接成形定义:连接成形是将若干个构件连接为一体的成形方法。分为：焊接、胶接和机械连接等三大类。焊接：通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。分为：熔焊、压焊、钎焊优点：省工省料、效率高、连接牢固，适于焊接的材料广泛。缺点：可能产生气孔、裂纹、焊件上存在焊接应力和焊接变形胶接：用胶粘剂将被粘物表面连接在一起的方法。胶接工艺简便、生产效率高、成本低，在工业生产中应用愈来愈广泛。机械连接：通过构件间产生的机械作用力实现连接的方法。机械连接质量可靠、易于检修，在工业中应用广泛。4.1焊接基础4.1.1熔焊冶金过程及其特点在熔焊过程中，焊接接头金属将发生一系列的物理、化学反应，称为熔焊冶金过程，包括液相冶金、熔池结晶、焊缝和热影响区的组织变化等。焊接时,先将焊条与焊件瞬时接触，发生短路.强大的短路电流流经少数几个接触点,致使接触点处温度急剧升高并熔化,甚至部分发生蒸发。当焊条迅速提起时，焊条头温度已升得很高，在两电极间的电场作用下，产生了热电子发射。飞速的电子撞击焊条端头与焊件间的空气，使之电离，形成带电质点。这些带电质点的定向运动形成了焊接电弧。(1)熔焊液相冶金的特点反应温度高、比表面积大、反应时间短(见表4-1）1熔焊液相冶金熔焊冶金特点知：对焊缝影响较大的是气体的侵入和成份的变化焊缝对外表现出的力学性能特点为:δak即：硬度高、脆性大(2)保证焊缝质量的措施1）防止有害气体侵入熔池用气体及熔渣隔离空气或两者联用焊前清理焊件及焊丝、烘干焊条或焊剂2)冶金处理添加有益元素脱氧、脱硫、脱磷渗有益合金2．熔池结晶熔池金属凝固时，以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心，沿着散热的反方向长大，形成垂直于熔池壁的柱状晶。焊缝金属晶粒较粗，组织不致密，且易引起化学成分偏析，有些焊缝金属在凝固末期还可能产生热裂纹。保证质量的办法：1）焊缝中增添少量Ti、V、Mo等元素，可形成弥散的结晶核心，使焊缝晶粒细化，力学性能提高。2）采用机械振动、超声振动、电磁搅拌等工艺措施均可细化焊缝晶粒。3．焊接接头的组织转变焊接接头：是由两个或两个以上零件要用焊接组合或已经焊合的接点。针对熔合区、焊接热影响区尤其是其中的过热区可能出现的质量问题，可以：1）采取热量集中的焊接方法，减小热影响区的宽度，减小影响提高性能。先进的焊接方法均如此。（见表4-2）2）工艺上：小电流、快速焊，以减小单位长度上的热量输入3）焊后正火机设04－1，2，3第八次课第十四周周二下午5，6节（11月28日）4.1.2焊接应力与变形1．焊接应力与变形产生的原因焊接件的结构特点：塑性好、细、薄、易变形焊后残留在焊件内：焊接残余应力、焊接残余变形2．焊接残余应力的调节与消除(1)焊接残余应力的分布：先冷处受压后冷处受拉(2)调节焊接残余应力的措施A、减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密集和交叉。采用型材、复杂部位采用冲压件或铸件、薄板结构采用电阻焊代替熔焊B、刚性较小的接头1）设计措施√2）工艺措施A、合理的焊接顺序：先内后外先短后长交叉处不起头收尾B、降低焊接接头的刚性a)板孔少量翻边b)镶块压凹C、加热减应区D、锤击焊缝（焊后趁热）E、预热和后热a)焊前加热b)焊后冷却3．焊接残余应力的消除方法（1）去应力退火：整体或局部加热温度500～650℃，局部去应力退火：结构简单、刚性较小或体积较大的焊件，如圆筒、管道、长构件等。（2）机械拉伸法（3）温差拉伸法适用于：焊缝较规则，厚度在40mm以下的板壳结构（4）振动法激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力温度拉伸法示意图1-喷水排管2-焊件3、4-氧乙炔焰炬4．焊接残余变形的控制和矫正(1)焊接残余变形的类型：五种常见多为综合型的变形收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形失稳变形较理想的正常情况厚度方向加热不均匀高度方向加热不均匀横截面上加热不均匀多见于薄板件(2)控制焊接残余变形的措施A、尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状B、合理安排焊缝位置1）设计措施A、反变形法2）工艺措施B、刚性固定法C、合理选用焊接方法和焊接规范：选用能量较集中的焊接方法：CO2气体保护焊、等离子弧焊焊接时采用较小的热输入：小电流、提高焊接速度D、选用合理的装配焊接顺序尽量对称焊、厚板多层焊、长缝分段焊(3)焊接残余变形的矫正1）机械矫正法利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使二者相互抵消生产效率高、矫正质量好、适用于塑性材料长直缝和环形焊缝构件2）火焰矫正法即利用火焰局部加热焊件的适当部位使其产生塑性变形，以抵消焊接残余变形操作灵便，但需较丰富的实际经验4.2焊接方法4.2.1熔焊1．电弧焊:电弧作为热源（焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊）(1)埋弧焊：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧焊1—焊接衬垫2—V形坡口3—焊剂挡板4—焊剂给送管5—焊丝6—接焊丝电缆7—颗粒状焊剂8—渣壳9—焊缝10—母材11—焊缝金属12—接工件电缆（接地）13—熔池14—电弧筒体环焊缝的埋弧焊1—焊丝2—送丝滚轮3—焊剂4—筒体5—滚轮架埋弧焊优点：采用大电流，30mm以下板厚可不开坡口一次焊成，效率高；焊缝质量好、表面光滑美观；节省焊接材料和电能。埋弧焊特点适用：较厚的板料的长、直焊缝和较大直径的环形焊缝.缺点：设备投资较高，且只适用于平焊位置。1）熔化极气体保护焊采用实心焊丝或药芯焊丝作电极的气体保护焊。保护气体有:CO2、Ar、Ar+O2、Ar+CO2等CO2气体保护焊用于：低碳钢、强度级别较低的低合金结构钢。熔化极氩弧焊用于：易氧化的非铁合金、要求较高的各类合金钢用外加气体作电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法。(2)气体保护电弧焊熔化极气体保护焊1-送丝滚轮2-焊丝3-导电嘴4-喷嘴5-进气管6-氩气流7-电弧8-焊件优点：生产效率高；易于操作；质量好；全位置焊接；焊接材料利用率高，能耗低。缺点：设备成本高，维修费用高CO2气体保护焊2）钨极惰性气体保护焊用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨）电极的惰性气体保护焊。优点可焊几乎所有的金属合金；电弧燃烧稳定，低电流可焊，适于薄板和难焊位置；明弧便于操作，焊接效率较低，成本较高应用：不锈钢、耐热钢和各种非铁金属及其合金钨极惰性气体保护焊2．电渣焊利用电流通过液体熔渣产生的电阻热进行焊接.优点：厚板一次行程中焊成，熔敷速度高；加热和冷却速度慢，不易产生气孔、夹渣等缺陷，且脱硫、脱磷较充分，焊缝质量较高。缺点：晶粒粗大，热影响区较宽。焊后通常须进行正火处理，以细化晶粒，提高接头的韧性。适用：厚度30mm以上的厚板或大截面结构电渣焊a）丝极电渣焊b）板极电渣焊1-冷却水管2、12-冷却滑块3-焊丝4、10-渣池5、11-熔池6、13-焊缝7、8-焊件9-板极电渣焊3．堆焊为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接堆焊几乎可采用任何一种熔焊方法堆焊可提高零件的使用寿命，可获得耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能堆焊是一种重要的表面工程技术用于：各种机械零件和工具、模具的制造和修复机设04－1，2，3第九次课第十四周周五下午7，8节（12月1日）4.2.2压焊（电阻焊、摩擦焊）1．电阻焊工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。应用：薄板、网和空间构架等的焊接，如汽车外壳、门等优点：质量高，内应力与变形小，不需填充材料，生产率高，劳动条件好。优点：生产率更高，且焊缝可具有密封性应用：有密封要求的薄板容器，如油箱、罐体、散热器等。(1)点焊：柱状电极(2)缝焊：滚轮电极点焊点焊点焊缝焊(3)对焊将焊件以整个接触面焊合1）电阻对焊先加压后通电接头力学性能差应用：断面紧凑、直径小于20mm的低碳钢棒料和管子，直径小于8mm的非铁金属棒料和管子……2）闪光对焊先通电后加压接头力学性能好应用：各种金属材料和各种断面，如钻头、刀具、钢轨和大型管道……2．摩擦焊利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接优点：接头质量好，焊件精度高；劳动条件好，生产效率高可焊接异种材料缺点：非圆形截面、大型盘状或薄壁件，以及摩擦系数小或易碎的材料难于焊接设备投资较大适于：圆形、管形截面工件的对接，如刀具、阀门、钻杆……逐步取代闪光对焊图4-23摩擦焊机结构1—电动机2—传动带3—带轮4—制动装置5—主轴6—转动夹具7—不转动夹具8—液压缸9—焊件摩擦焊4.2.3钎焊利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接。1．焊接材料(1)钎料钎焊时用作填充金属的材料1）软钎料：熔点低于450℃：锡铅基、铅基、镉基等合金。焊接受力不大、工作温度较低的零件。2）硬钎料：熔点高于450℃：铝基、铜基、银基、镍基等合金。焊接受力较大、工作温度较高的零件。(2)钎焊焊剂：松香、氯化锌水溶液、磷酸水溶液作用:清除钎料和母材表面的氧化物保护焊件和液态钎料以免氧化改善液态钎料对焊件的润湿性2．接头型式多采用搭接图4-24钎焊接头形式a）平面搭接接头b）T形接头c）角接接头d）套管接头3．加热方式：烙铁、火焰、电阻、感应、浸渍和炉中加热……适用：精密、微型、形状复杂或多钎缝的焊件及异种材料间的焊接，广泛用于焊接换热器、夹层结构、电真空器件和硬质合金刀具4．特点：钎焊加热温度较低接头光滑平整组织和力学性能变化小焊件变形小适于焊接异种材料可同时焊多工件、多接头，生产效率高接头强度和耐热性能较低，焊前清理和装配要求较高4.2.4其它焊接方法1．等离子弧焊借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法机械压缩热压缩电磁压缩效应2．电子束焊利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法特点：能量密度和温度高，穿透能力强，焊接速度快，生产率高特点：焊接速度快，热输入小，焊缝深宽比大，热影响区窄，焊件变形小等离子弧焊3．激光焊以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法特点：焊接速度高，热输入小，焊缝窄，热影响区及焊接变形小，焊缝平整光滑4．扩散焊将工件在高温下加热，但不产生可见变形和相对位移的固态焊接方法，属于压焊类型。特点：不需填充材料和焊剂；无铸态组织，不影响性能；且可同时焊接多个接头应用：各类材料及很厚和很薄的材料应用：：精密结构件及热敏感件的焊接激光焊接激光切割4.3.常用金属材料的焊接4.3.1材料的焊接性材料的焊接性：材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。1．材料焊接性的影响因素影响因素材料的化学成分：低碳钢，好；高碳钢，差；铸铁，更差焊接方法：能量集中、保护好,焊接性好焊接材料：焊丝、焊剂和气体等碱性焊条或碱性焊剂，焊接性好；惰性气体保护，焊接性好焊件结构类型：：结构简单、刚性小,焊接性好服役要求：服役要求不高,焊接性好2．焊接性的评价(1)用碳当量评价钢的焊接性1）国际焊接学会（IIW）推荐的公式：CE＜0.4%焊接性良好：淬硬倾向较小，不必预热CE＝0.4%～0.6％焊接性较差有一定的淬硬倾向，需采取适当预热等一定的工艺措施CE＞0.6%焊接性很差淬硬倾向大，需采用较高的预热温度等严格的工艺措施Pw——冷裂纹敏感系数；2）冷裂纹敏感系数利用Pw可以求出工件所需的预热温度tp，如下式：tp=1440Pw－392（℃）4.3.2常用金属材料的焊接1.碳钢的焊接(1)低碳钢的焊接：CE0.4%焊接性良好可用各种方法无需采用任何工艺措施方便施焊母材碳含量偏高或在低温下焊接刚性较大的结构时，可采取预热、后热及使用低氢型焊条或高碱度焊剂等措施。(2)中碳钢的焊接：0.4%≤CE≤0.6%，焊接性较差预热（预热温度：100～200℃）和后热；选用低氢型焊条或碱度较高的焊剂；使用小电流、低焊速和多层焊，焊后应立即进行热处理。(3)高碳钢的焊接：CE0.6%，更易产生淬硬组织和裂纹工具、模具的修补和钢轨的对接，高温预热和更严格的工艺措施2．低合金结构钢的焊接(1)强度级别低的低合金结构钢的焊接σs=295~390M