第三章 连接成形

连接成形第三章连接成形概述常见的连接成形工艺：•焊接•胶接•机械联接1.焊接：通常是指金属的焊接。通过加热或加压，或两者同时并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成形方法。焊接方法分类：•熔焊•压焊•钎焊•熔焊工件焊接处局部加热到熔化状态，形成溶池，冷却结晶后形成焊缝，将焊件结合为不可分离的整体。•压焊焊接中无论加热与否，均需要加压的焊接方法。压焊主要包括：•电阻焊•摩擦焊钎焊：熔点低于被焊金属的钎料熔化后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，一般不产生塑性变形。2.胶接技术：使用胶粘剂连接各种材料。胶接不受材料类型的限制，可实现各种材料之间的连接，且工艺简单、应力分布均匀、密封性好、防腐节能，应力和变形小。主要缺点：固化时间长、胶粘剂易老化、耐热性差等。3.机械联接：螺纹联接、销钉联接、键联接和铆钉联接等。主要特点：连接件一般为标准件，具有良好的互换性，选用方便，工作可靠，易于检修。缺点：增加了机械加工工序，结构重量大，密封性差，影响外观，且成本较高。§3.1熔焊成形基础一、焊接电弧与电弧焊冶金过程电弧：强烈而持久的气体放电现象，正负电极间具有一定的电压，且两电极间的气体介质应处在电离状态。(一)焊接电弧电弧组成：*阴极区*阳极区*弧柱区电弧的构造•交流弧焊电源•直流弧焊电源•脉冲弧焊电源弧焊电源：直流弧焊电源连接可正接和反接。交流焊接：两极极性不断交替变化，不存在正接或反接问题。(二)电弧焊冶金过程焊接化学冶金过程的特点：•焊接冶金温度高，相界大，反应速度快。但接头塑性和韧度降低，易产生裂纹。•焊接熔池小，冷却快，容易形成气孔、夹渣等缺陷，甚至产生裂纹。采取措施：(1)对熔化金属进行机械保护，使之与空气隔开;(2)对焊接熔池进行冶金处理。二、焊接接头的组织和性能焊缝金属是由母材和焊条(丝)熔化形成的熔池冷却结晶而成的。(一)焊缝金属的组织和性能•焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。•焊缝金属的力学性能一般不低于母材。热影响区：焊接过程中，焊缝金属熔化，靠近焊缝金属的母材发生组织和性能的变化，这一区域称为焊接热影响区。(二)焊接热影响区的组织和性能根据受热温度不同，热影响区可划分为：•熔合区•过热区•正火区•不完全重结晶区•再结晶区1.熔合区2.过热区3.正火区4.不完全重结晶区5.再结晶区•熔合区：焊缝和母材金属的交界区，也是焊缝与热影响区的过渡区。0.1-0.4mm焊缝熔合区是焊接接头力学性能最差的薄弱部位：•塑性差•强度低•脆性大•过热区：奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织。过热区是热影响区中性能最差的部位。•塑性差•韧度低•正火区：焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，获得均匀而细小的铁素体和珠光体组织。正火区是热影响区中力学性能最好的区域。•塑性较高•韧度较高•不完全重结晶区(部分正火区)：部分组织转变为奥氏体，冷却后获得细小铁素体和珠光体，部分铁素体未发生相变，固该区域晶粒大小不均匀。部分正火区的力学性能较正火区差。•再结晶区：若母材金属焊接前经过冷塑性变形(冷轧、冷冲压等)，则焊接过程中会出现再结晶现象。若焊接前未经冷塑性变形，热影响区中就没有再结晶区。影响热影响区宽度的因素：•最高温度•相变温度以上的停留时间焊接热影响区宽度愈小，焊接接头的力学性能愈好。(三)改善焊接接头组织和性能的措施•尽量选择低碳且硫、磷含量低的钢材作为焊接结构材料；•使热影响区的冷却速度适当；•采用多层焊，利用后层对前层的回火作用，使前层的组织和性能得到改善；•进行焊后热处理。三、焊接应力与变形(一)焊接应力和变形产生的原因焊接过程中对焊件的不均匀加热和冷却。焊接中冷却后低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成焊接变形的基本形式：波浪变形收缩变形角变形扭曲变形弯曲变形(二)预防和减小焊接应力和变形的工艺措施预热温度一般为400℃以下。1．焊前预热预热目的是减小焊件上各部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，从而减小焊接应力和变形。2．选择合理的焊接顺序1)尽量使焊缝能自由收缩，减小残余应力。大型容器底板的拼焊顺序2)采用分散对称焊工艺，可减小焊接应力和变形。分散对称的焊接顺序长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接。长焊缝的分段焊退焊跳焊123412343．加热减应区补焊前对铸件上的适当部位进行加热，焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力。被加热的部位称为减应区，该方法称为加热减应区法。焊接时冷却时加热减应区法4．反变形法焊接前预测焊接变形量和变形方向，在焊前组装时将被焊工件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到抵消焊接变形的目的。反变形法5．刚性固定法利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形。刚性固定法(三)消除焊接应力和矫正焊接变形的方法(1)锤击焊缝；1．消除焊接应力的方法(2)焊后热处理；(3)机械拉伸法。2．矫正焊接变形的措施(1)机械矫正工字梁弯曲变形的机械矫正(2)火焰矫正T形梁变形的火焰矫正四、焊接缺陷与检验(一)焊接缺陷(二)焊接质量检验焊后成品检验可分为：破坏性检验和非破坏性检验两类。常用的非破坏性检验方法：1.外观检验2.致密性检验3.磁粉检验4.渗透探伤5.超声波探伤6.射线探伤致密性试验常用方法：•水压试验•气压试验•煤油试验§3.2电弧焊一、焊条电弧焊电弧焊是最常用的熔焊方法。所用焊接设备简单、应用灵活方便焊条产品系列完整，可焊接大多数常用金属材料。(一)焊条电弧焊特点焊条载流能力有限，生产率较低、劳动强条件差、强度大，不适合焊接一些活泼金属、难熔金属及低熔点金属。(二)焊条•金属焊芯：作为电极，产生电弧，并传导焊接电流，焊芯熔化后作为填充金属成为焊缝的一部分。1．焊条的组成与作用•药皮：压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是保证电弧稳定燃烧。•酸性焊条：熔渣中以酸性氧化物为主。焊缝塑性和韧度不高，且焊缝中氢含量高，抗裂性差，但酸性焊条具有良好的工艺性。2．焊条的种类•碱性焊条(又称低氢焊条)：药皮中以碱性氧化物与莹石为主，并含较多铁合金，焊缝力学性能与抗裂性好，但碱性焊条工艺性较差。焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。3．焊条的牌号与型号(P134附表3-5、6)1.焊缝空间位置、接头和坡口型式(1)焊缝的空间位置焊缝空间位置有:•平焊缝•横焊缝•立焊缝•仰焊缝(三)焊接成形工艺设计仰焊平焊横焊立焊垂直平面，水平方向上的焊接垂直平面，垂直方向上的焊接倒悬平面，水平方向上的焊接水平面的焊接平焊缝施焊最方便、焊接质量最易保证，应尽量采用。(2)接头基本形式手工电弧焊基本接头型式：•对接接头•角接接头•T形接头•搭接接头对接接头特点：容易焊透，受力情况好，应力分布均匀，联接强度高，因而焊接接头质量容易保证。a)对接接头：两块钢板对在一起焊接。一块钢板卷成圆筒后对在一起焊接，也属对接。b)角接接头特点：两块钢板互成直角连接。接头便于组装，外形美观，但承载能力较差，通常只起连接作用，不能用来传递工作载荷。角接接头c)T形接头：船体结构中约有70%的焊缝采用T形接头，在机床焊接结构中的应用也十分广泛。T形接头d)搭接接头：便于组装，常用于对焊前准备和装配要求简单的结构，但焊缝受剪切力作用，应力分布不均，承载能力较低，且结构重量大，不经济。搭接接头端焊缝侧焊缝•I型(不开坡口)•Y型•双Y型•U型•双U型(3)坡口基本形式通常6mm以下板材可不开坡口。(a)双面式单面式(b)封底焊缝V型焊缝(c)(d)(e)榫头式正接角焊缝塞焊缝搭接角焊缝对接焊缝卷边焊缝立体焊缝判断：2、焊接工艺图使用国标规定的焊缝图形符号、画法、标注等表达设计人员关于焊缝的设计思想，并能被他人正确理解的焊接结构图样。它与一般机器零件工艺图的主要区别是必须要表达出对焊缝的工艺要求。焊缝的图示法表示：焊缝正面：用细实线短划表示，或用比轮廓粗2～3倍的粗实线表示，在同一图样中，上述两种方法只能用一种。细实线短划表示粗实线表示焊缝端面：用粗实线划出焊缝的轮廓，必要时用细实线画出坡口形状。焊缝剖面：焊缝图上焊缝区应涂黑。此外，用图示法表示的焊缝还应该有相应的标注，或另有说明。(1)焊缝的符号表示：为使焊接结构图样清晰，并减轻绘图工作量，一般采用一些符号对焊缝进行标注。GB/T985–1988对焊缝符号和标注方法作了明确规定(P136表3-7)。A.基本符号，表明焊缝横截面的形状；焊缝符号包括：B.辅助符号，表明焊缝表面形状特征，如焊缝表面是否齐平等；C.补充符号，补充说明焊缝的某些特征，如是否带有垫板等。焊缝符号的表示：焊缝焊缝正面标注方法焊缝剖面标注方法焊缝符号通过指引线标注在图样的焊缝位置。焊接结构工艺图实际上是装配图。(2)焊接工艺图内容：•复杂焊接件，应单独画出主要构成件的零件图，个别小构成件仍附于结构总图上。由板料弯曲成形者，可附有展开图。•简单焊接件，一般不单画各构成件的零件图，而是在结构图上标出各构成件的全部尺寸。(1)各构成件形状及其相互关系；(2)构成件装配尺寸及板厚、型材规格等；(3)焊缝的图形符号和尺寸；(4)焊接工艺要求。焊接结构工艺图上，应表达内容包括：3、焊条的选用焊条的选择原则：•考虑母材的力学性能和化学成分；•考虑结构的使用条件和特点；•考虑焊条的工艺性；•考虑焊接设备条件。二、埋弧焊埋弧焊：电弧埋在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。引弧、焊丝送进、移动电弧、收弧等动作通常是机械自动完成的，又称埋弧自动焊。(一)埋弧焊焊接原理与特点1.焊接小车2.控制盘3.焊丝盘4.焊剂漏斗5.焊接机头6.焊剂7.渣壳8.焊缝9.焊接电缆10.焊接电源11.控制箱埋弧自动焊示意图埋弧焊焊缝形成纵截面1.焊丝2.电弧3.焊件4.熔池5.焊缝6.渣壳7.液态熔渣8.焊剂埋弧自动焊焊接过程纵截面图(1)生产率高；(2)焊接质量好；(3)劳动条件好。2．埋弧自动焊的特点1、焊接材料焊接材料包括焊剂和焊丝。(二)焊接材料与焊接工艺2、焊接工艺埋弧焊的衬垫和手工封底1.引弧板2.熄弧板引弧板和熄弧板确定焊接工艺规范参数的途径：•查表•试验•经验埋弧焊应用三、气体保护电弧焊气体保护电弧焊：用气体将电弧、熔化金属与周围的空气隔离，防止空气与熔化金属发生冶金反应，以保证焊接质量。根据电极材料可分为：•非熔化极气体保护焊•熔化极气体保护焊根据保护气可分为：•熔化极惰性气体保护焊•熔化极活性气体保护焊•CO2气体保护焊与埋弧焊相比，气体保护焊有如下特点：•采用明弧焊，熔池可见性好，适于全位置焊接，焊后无熔渣易于机械化、自动化。与埋弧焊相比，气体保护焊有如下特点：•电弧在保护气流压缩下燃烧，热量集中，焊接热影响区窄，焊接变形小，更适用于薄板焊接；•可焊材料广泛，可用于各种黑色金属和非铁合金的焊接。气体保护焊的保护气体有：•惰性气体：氩气、氦气等；•活性气体：CO2气体等，(一)氩弧焊氩弧焊：利用惰性气体(氩气Ar)作为保护气体的电弧焊。高温下，氩气不与金属起化学反应，也不溶入金属。氩弧焊机械保护作用好，电弧稳定性好，金属飞溅小，焊接质量高。按所用电极的不同，氩弧焊钨极(非熔化极)和熔化极氩弧焊两种。•钨钍或钨铈棒做电极；•钨极与焊件间产生电弧熔化金属；•因高熔点，焊接时钨棒基本不熔化，只作电极起导电作用；•填充金属另外添加。工艺参数：•钨极直径•焊接电流•电源种类和极性•喷嘴直径和氩气流量•焊丝直径1、钨极氩弧焊2、熔化极氩弧焊•连续焊丝作电极并兼作填充金属；•焊丝与焊件间产生电弧不断熔化，形成细小熔滴，以喷射形式进入熔池，与熔化母材共同形成焊缝；•均采用直流反接。工艺参数：•焊丝直径•焊接电流和电弧电压•送丝速度•保护气体的流量(二)CO2气体保护焊是以二氧化碳为保护气体的熔化极电弧焊。•因电弧高温，CO2分解为CO和C，具有较强的氧化性，导致焊缝增氧、力学性能下降、形成气孔；•CO2气流的冷却作用及强烈的氧化反应致使电弧稳定性差、金属飞溅大、弧光强及烟雾大等。CO2将电弧、熔化金属与空气隔离。CO2气体保护焊不适宜高合金和非铁合金，主要用于低碳钢和