金属工艺学-4.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,朱明工作室,zhubob,授人以鱼不如授人以渔,-4,主讲：朱明,高级技师、经济师、工程师,高级技能专业技术教师,汽车维修高级考评员,第四章 焊接,通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使连接件达到原子结合的加工方法，称之为焊接。其实质是使被焊金属的原子之间相互扩散，相互结合，并形成整体的过程。它属于永久连接金属的工艺方法。,焊接的方法种类繁多，可以归纳为三类：,1.,熔焊,（电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等）；,2.,压焊,（锻焊、电阻焊、冷压焊等）；,3.,钎焊,（锡焊、波峰焊等）。,焊接方法种类介绍：,压力焊,摩擦焊,超声波焊,爆炸焊,扩散焊,高频焊,钎焊及封粘,软钎焊,硬钎焊,封接,粘接,熔,焊,电弧焊,电渣焊,等离子弧焊,电子束焊,激光焊,手弧焊,气体保护焊,埋弧焊,电阻焊,一、熔焊,（一）,熔焊基本原理,1.,熔焊的本质及特点：,熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。,熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。,冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。,2.,熔焊的三要素：,热源,能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。,熔池的保护,可用渣保护、气保护和渣,-,气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。,填充金属,保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。,3.,焊缝的融化区及凝固过程示意图,（二）手弧焊,1.,手弧焊,是手工操作，利用电弧加热的焊接方法。,电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。,电弧的三个区：,阴极区、阳极区和弧柱区,焊接电弧的温度和热量分布：,温度 热量分布,阳极区：,2600,C,43,弧柱区：,6000,8000,C,21,阴极区：,2400,C,36,2.,直流电弧焊的接法,由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：,1.,直流正接,：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）；,2.,直流负接,：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）。,3.,电弧焊的焊接过程：,手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。,电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。,电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。,4.,电弧焊的冶金过程特点：,电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度。使金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，增大了气体的活泼性，导致金属烧损或形成有害杂质。,金属熔池体积小，熔池四周是冷金属，熔池处于液态的时间很短，一般在秒左右。导致各种化学反应难以达到平衡状态，化学成分不够均匀，气体和杂质来不及浮出易产生气孔和夹杂等缺陷。,熔池不断更新，有害气体容易进入熔池，形成氧化物、气孔杂质等缺陷。,5.,熔池的保护,焊剂是由,SiO2,，,MnO,、,MgO,及,CaF,等组成的硅酸盐。,焊剂保护的效果：,形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。,延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出,。,A.,渣保护,为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣。一方面防止金属氧化和吸气，另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能，同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射。,B.,气保护,用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体，并在高温下不分解，或是低氧化性的不溶于金属液体的双原子气体,(,如,Ar,或,CO2,，见下页,),。喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。,氩气,氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。,氩弧焊一般要求氩气纯度达,99.9%,，我国生产的工业纯氩，其纯度可达,99.9%,，完全合乎氩弧焊的要求。氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。,CO,2,气体,CO,2,为无色无味气体，密度是空气的,1.5,倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。,CO,2,气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。但,CO,2,气体为氧化性气体，在高温下将分解为,CO,和,O,2,：,CO,2,CO+O,2,所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。,C.,渣,-,气联合保护,利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。,6.,填充金属,填满焊缝，提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，用焊丝和焊芯（填充金属）过渡合金元素。,常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。,H,代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表含碳量的万分之几；,A,为高级优质钢,；,E,代表特级优质钢。,7.,电焊条,电焊条的组成及作用,组成：焊芯和药皮,作用：,焊芯,填充金属,(,其直径即称为,焊条直径,，最小为,1.6,，最大为,8,。其中以,3.2,5,的焊条应用最广）；,药皮,稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、粘结等,。,药皮必须含有造气剂和造渣剂。药皮中还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。,焊条的,型号,与,牌号,的区别,1.,焊条的型号,是按国家有关标准（,GB5117-85),与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母,“,E,”,表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。如,E4301,、,E5015,、,E5016,等,(,见下图）。,2.,焊条的牌号,则是焊条行业统一的焊条代号（见下页）。,焊条的种类和牌号,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,。,J 5 0 7,药皮种类（低氢型）,抗拉强度,结构钢焊条,J 4 2 2,药皮种类（钙钛型）,抗拉强度,结构钢焊条,工厂经常谈到酸性焊条与碱性焊条，其实是,酸性药皮,与,碱性药皮,的区别：,A.,酸性焊条,指药皮中含有多量的酸性氧化物如,SiO,2,、,TiO,2,的焊条，焊接时电弧稳定，飞溅少，脱渣性较好，抗气孔能力好，但药皮氧化性强，焊缝抗裂性较差。,B.,碱性焊条,指药皮中含多量的氧化物如,CaO,和萤石,CaF,2,（也称低氢型药皮）的焊条。焊接时脱氧性较好，抗裂性能好，能使焊接接头力学性能提高。但最大的缺点是对油、水、铁锈敏感，易产生飞溅和,CO,气孔。故焊前需在,350,左右烘烤,1,2,小时，并彻底清除油污和铁锈等。一般宜用直流反接（即焊件接电源负极），常用于重要结构的焊接。,8.,手弧焊工艺参数,焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度和线能量等总称为,焊接工艺参数。,焊条直径,d,：焊件厚度,4,时，,d,；,1,，则取,d,3,6,。,焊接电流,I,：,I,10d,2,（,A,）,电弧电压,U,：,U,电弧。电弧过长，则燃烧不稳，飞溅加大，容深变小，而且保护不良。,焊接速度,V,：,V,加大，可以提高生产率并可减小过热区。,线能量,E,：,E,（,IU,）,V,（,为有效系数，焊条电弧焊,0.66,0.85,；埋弧焊,0.9,0.99,）。,8.,金属的焊接性,金属焊接性的,概念,：,金属材料对焊接加工的适应性；以及在一定焊接条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,金属焊接性决定于金属材料本身性质和加工条件。包括二方面的,内容,：,A.,结合性能：指某种材料在给定的焊接工艺条件下，形成完整而无缺陷的焊接接头的能力。,B.,使用性能：指在给定的焊接工艺条件下，焊接接头或整体结构满足使用要求的能力。,（三）埋弧自动焊,埋弧自动焊是将手弧焊接过程中的引弧、送进、和移动焊丝、电弧移动等动作由机械（,“,自动,”,）来完成，且电弧在焊剂层下燃烧（,“,埋弧,”,）的一种焊接方法。,1.,埋弧自动焊工艺特点：,生产率高（手弧焊的,5,10,倍）；,焊接质量高且稳定；,节约金属材料、生产成本低；,劳动条件好；,只能在水平位置焊接。,2.,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。,3.,埋弧焊工艺示意图,4.,埋弧焊原理和焊接过程示意图,5.,埋弧焊用实心焊丝,低锰焊丝含,Mn,0.2%,0.8%,；,中锰焊丝含,Mn,0.8%,1.5%,；,高锰焊丝含,Mn,1.5%,2.2%,；,Mn,Mo,焊丝含,Mn,1%,以上。,药芯焊丝,例：,1.,应用埋弧焊加工的压力容器,3.,焊接工艺之二：焊接双面纵焊缝,2.,焊接工艺之一：装配及定位焊,4.,筒体纵焊实物图,5.,焊接工艺之三：环焊缝对接缩口接头与衬板接头,6.,焊接工艺之四：焊环焊缝,7.,焊接工艺之五：压力容器接管装配与焊接,8.,热处理工艺：压力容器消除应力退火（图略）,9.,气密性试验,10.,水压试验,10.,检验（包括外观检查、力学性能和金相组织等）,（四）气体保护焊,用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊接方法，称为气体保护焊。常用的有氩弧焊和二氧化碳气体保护焊。,1.,氩弧焊,2.CO,2,气体保护焊,CO,2,气体保护焊示意图,（五）其它熔焊方法,1.,气焊,2.,电渣焊工艺示意图,电渣焊与一般电弧焊相比有如下,优点,：,1.,电渣焊可一次焊接很厚的工件，故焊接生产率高。,2.,电渣焊只需留有一定的间隙而不开坡口，焊接过程中焊剂、焊丝和电能的消耗量均比埋弧焊低，而且工件厚度越大效果越明显。,3.,电渣焊时金属熔池的凝固速率低，熔池中的气体和杂质较易浮出，故电渣焊焊缝产生气孔，夹渣的倾向性较低。,4.,渣池的热容量大，对电流的波动敏感性小，电流密度可在较大的范围内变化（,0.2,300 A,2,）,。,5.,电渣焊时，一般不需预热。用电渣焊焊接易淬火钢时，产生淬火裂纹的倾向小。,3.,等离子弧焊,主要用于焊接或切割不锈钢，合金钢，钨、钼、钴、钛等难熔金属，非金属材料；也可用于焊接或切割铜、铝及其合金。主要用于国防工业及尖端技术中，如钛合金导弹壳体、飞机乃至飞行器的薄壁容器以及微型电器、电容的外壳等。,等离子弧焊的,特点,：,1.,等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，焊接速度快，生产率高。焊,10,12mm,的钢板可依次焊透并双面成形。,2.,当电流小到,0.1A,时，电弧仍能稳定燃烧，并保持良好的挺直度和方向性，可用于焊接很薄的箔材。,3.,焊后焊缝宽度和高度均匀一致，焊缝表面光洁平滑。,4.,既可用于焊接，也可用于切割。切割效率高于氧化切割倍（氧气切割时，切割处金属在纯氧气中燃烧,),。,三、压焊,（一）电阻焊,电阻焊是利用电流通过接头的接触面及临近区域产生的电阻热，将焊件加热到塑性或局部熔化的状态，在施加压力形成焊接接头的焊接方法。,1.,搭接电阻焊,搭接电阻焊有,点焊,和,缝焊,两种（见下图）。,点焊,采用点焊电极，加压后通电，接点母材局部熔化，四周达塑性状态而封闭熔核。压力作用下熔核结晶而获得致密焊点。,适用于薄板冲压件的搭接接头。广泛用于飞行器、车辆、壳罩、仪表壳体和日常生活用品的装焊。,缝焊（滚焊）,把点焊的电极改用滚轮或滚盘电极加压通电并滚动，,使搭接接头成为连续密封焊缝，就是滚焊。主要用于薄板,密封性容器的焊接，如汽车油箱、化工容器。,（二）对焊,工件对接，电阻热来自于被焊工件整个对接面。分为电阻对焊和闪光对焊。,1.,电阻对焊,起先预热，工件平整端面全接触并予夹紧，通电后，电阻热使工件端部迅速加热至塑性状态（碳钢,1000,1200,），再行施加较大预锻力，断电冷却后获得良好对接接头。,2.,闪光对焊,用于不平的工件对接表面，微接触后通电，先行接触点强热熔化并以爆破而出现火光飞出，形成,“,闪光,”,，直至接头端部受热熔化，预热后并断电冷却即成对接接头。,闪光对焊因氧化夹杂物被闪光带走被挤出，故夹杂少，质量好，强度高，常用于相同或异种材料的焊接。汽车金属轮辋用的是闪光对焊；对焊还用于刀杆与刀头、管件、钢筋、链条的焊接。,电阻焊和闪光对焊示意图,电阻焊,常用对接焊头形式,对焊应用实例示意图,a,）对焊工件,b),对焊管材,1,焊缝,2,滚盘,3,挤压滚,4,焊件,5,绝缘层,（二）其它压焊方法（摩擦焊、超声波焊、爆炸焊）,1.,摩擦焊,摩擦焊是利用工件相对旋转于接头处摩擦生热至高温塑性状态并加压而获取焊接头。特点是：,质量好，可焊异种材料；,操作简单，易自动控制，效率高；,电能消耗少（为闪光对焊的,1/10,1/15,）；,但设备要求高，一次性投资大；,一般要求等断面对接。,四、钎焊,钎焊时母材不熔化，填充材料（钎料）熔化，焊接过程中熔化的液态钎料润湿工件，并依靠毛细作用吸入和保持在被焊接头的间隙内，通过与固态母材之间的相互扩散形成金属结合。,根据钎料的熔点，钎焊可分为,硬钎焊,和,软钎焊,两大类。,1.,硬钎焊,钎料熔点大于,450,，接头强度在,400,500MPa,之间；一般用于自行车三脚架焊接、车刀与刀杆焊接、带锯锯条焊接等工作温度高、受力加大的工件焊接。,2.,软钎焊,钎料熔点小于,450,，接头强度小于,70MPa,（常见的有熔点为,230,的锡焊）；一般用于汽车仪表、散热器、半导体引脚焊接和大功率管芯片焊接。,硬钎焊（刀杆焊接）软钎焊（电路板锡焊）,3.,钎焊工艺要点,钎剂先引路。常用钎剂是氧化锌，松香（软钎焊）或硼砂、硼酸、氧化物（硬钎焊）等。,钎剂作用：去除被焊工件表面氧化物及杂质，,改善钎料对工件表面的湿润性。,钎接面积足够大。接头装配间隙合理，一般取,0.05,0.2mm.,采用搭接或套接封闭接头。,应用烙铁加热、火焰加热、电阻炉加热、感应加热或盐浴加热等加热方式。烙铁加热适用于软钎焊。,四、常用金属材料的焊接,（一）金属材料的焊接性,1.,焊接性,是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。,2.,焊接性的评定,碳当量法,把钢中合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫,碳当量（,C,eq,）,可以作为钢件焊接性好坏的间接判据。,C,eq,=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%),碳当量为钢件焊接性好坏的间接判据,冷裂纹敏感系数（,Pc,）,其实，,除化学成分外，板厚（刚性约束）、焊缝含氢量等也对焊接性有影响，把这些因素也考虑进去，就有冷裂纹敏感系数,Pc,。,Pc,C,Si,30,Mn,20,Cu,20,Ni,60,Cr,20,Mo,15,V,10,5B,h,600,H,60(,),式中：,h,板厚（）；,H,焊缝金属中扩散氢含量（,3,100g,）。,由此，可以得出防止裂纹的最低预热温度,Tp,公式：,Tp,1440 Pc-392(),实践证明：由这个公式提供的数据在多数情况下是比较安全的。,（二）钢的焊接,1.,碳钢的焊接,低碳钢,：焊接性良好；焊接厚件、结构复杂件或低温焊接是需焊前预热处理。,中碳钢,：,焊接性随着谈含量的增加由良好变向较差，焊缝区易产生热裂纹，而热影响区易产生冷裂纹。应选用低氢型焊条；焊前预热（,150,250,），焊后缓冷；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,高碳钢,：,焊接性差。避免选用为焊接结构件。实在要焊接时，严格按中碳钢焊接规范操作。,2.,合金钢的焊接,低合金结构钢,：,A.,低强度普通低合金结构钢,：,如：,s400MPa,Ceq400MPa,，,Ceq,0.4%,0.5%,的,15MnVN,、,18MnMoNb,、,14MnMoV,等焊接性较差。,焊接规范：焊前预热（,150,250,），焊后缓冷；选用低氢型焊条；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,不锈钢的焊接,A.,奥氏体型不锈钢,(Cr,，,Ni,元素含量较高，,C,含量低,),：焊接性良好，焊接时一般不需要采取工艺措施：焊条、焊丝和焊剂的选用应保证焊缝金属与母材成分类型相同,;,采用小电流、快速不摆动焊，焊后加大冷速；接触腐蚀介质的表面应最后施焊。,B.,铁素体型不锈钢,：热影响区中的铁素体晶粒易过热粗化；焊前预热温度应在,150,以下；采用小电流、快速焊等工艺，以降低晶粒粗大倾向。,C.,马氏体型不锈钢,：焊后淬硬倾向大，易出现冷裂纹；焊前预热温度,200,400,；焊后要进行热处理，否则应选用奥氏体不锈钢焊条。,（三）铸铁的焊补,1.,热焊,焊前将焊件预热至,600,700,，并在焊补过程中，温度不低于,400,，焊后缓慢冷却，以防止白口组织和裂纹的产生。焊补方法：焊条电弧焊和气焊。,A.,焊条电弧焊：适于中等厚度以上（,10mm,）的铸铁件，选用铁基铸铁焊条或低碳钢芯铸铁焊条。,B.,气焊：适于,10mm,以下薄件为防止烧穿，选用铁基铸铁焊丝并配合焊剂使用。,特点：热焊法劳动条件差，一般用于焊补后还需机械加工的复杂、重要铸铁件，,2.,冷焊,焊前不预热或预热温度低于,400,进行焊补。,（四）有色金属及合金的焊接,1.,铝及铝合金的焊接,铝及铝合金很难焊接，其主要困难有：铝极易氧化，液态铝易生成气孔，其熔融状态难控制。焊接方法：,氩弧焊：,“,阴极破碎,”,作用可解决氧化问题，惰性气体保护等措施可以解决气孔问题。,电阻焊、钎焊。,气焊：焊接质量要求不高的工业纯铝和防锈铝合金,2mm,以下薄板。,焊前要严格清洗焊件、焊丝，并一定要干燥后再焊。,2.,铜及铜合金的焊接,铜及铜合金的焊接性较差，其主要问题有：焊前不预热会出现难熔合现象；铜的线膨胀系数大，收缩也大，易变形；,热裂纹倾向大；,易产生气孔。,因此，要求焊接工艺：,强热源设备和焊前预热（,150,550,）；,加入脱氧剂，控制氢来源，降低熔池冷速等防止裂纹、气孔缺陷；,焊后采用退火处理以消除应力,。,对应的焊接方法有,：,氩弧焊,：,工件,厚度,12mm,，,MIG,（熔化极焊）焊,；,气焊黄铜采用弱氧化焰，其他均采用中性焰；,埋弧焊,：,中、厚板长焊缝的焊接；,钎焊。,3.,钛及钛合金的焊接,钛及钛合金的比强度高。在,300,500,高温下仍有足够的强度，还有良好的低温冲击韧性。但钛及钛合金的化学性质非常活泼，,不但极易氧化，而且在,250,开始吸氢，从,400,开始吸氧，从,600,开始吸氮，使焊缝出现气孔，极易出现多种焊接缺陷。,焊接方法：最成熟的焊接工艺是钨极氩弧焊，此外还可采用等离子弧焊、真空电子束焊和钎焊等。,常用焊接方法的特点及适用范围,五、焊接结构工艺性,1.,焊接应力和焊接变形,2.,焊接结构设计的原则,尽量减少焊缝的数量。尽量采用型材和冷冲件代替板料拼接。,焊缝布置尽量,对称分布,（见下图）。,焊缝应避免,密集交叉,：,不同厚度工件焊接时，接头处应,平滑过渡,：,焊缝避开应力集中和最大应力部位：,危险截面,焊缝远离机加工表面。焊件某些部位精度要求高，必须在加工后才可焊接，此时焊缝应避开加工表面，以保证原有加工精度。,太近已加工面,退刀槽用于散热,焊缝分布便于焊接操作：,3.,在工艺上常采用的措施,采取合理的,焊接顺序,，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（图,a,）。而图,b,因先焊焊缝,1,导致对焊缝,2,的拘束度增加，而增大残余应力。,采用,对称焊,和,分段倒退焊,示意图,一般焊接顺序为：,A.,先焊收缩量较大的焊缝；,B.,工作时受力较大的焊缝；,C.,先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。,反变形法示意图和生产现场。,采用,多层多道焊,，能减少焊接变形。,采用焊前,刚性固定,组装焊接，限制产生焊接变形，,但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。,第五章 毛坯选用,毛坯的选用在工厂是一个很实际的问题，选错毛坯真的是一个,“,初级错误,”,，经典的有选错材料，拿了不能淬火的钢材去作调质、也有选错型号造成机械性能不足、更有选了不宜进行焊接的材料去焊接等，操作者知识上的不足造成了企业的经济损失。,一、机械零件毛坯选择的原则,1.,适用性原则；,2.,经济性原则；,3.,可行性原则；,4.,环保性原则。,上述四项原则是互相联系的，考虑是应在保证第一项原则的前提下，力求做到质量好、成本低、制造周期短和环保的原则。,