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机械工程材料及成型基础 焊接引言 第一节 焊接的基本原理 第二节 焊条电弧焊 第三节 其它焊接方法 第四节 压焊与钎焊 第五节 堆焊与热喷涂 第六节 常用金属材料的焊接 第七节 焊接结构设计 引言1、何何为焊为焊接？接？焊焊接是通接是通过过加加热热或加或加压压，或两者并用，并且用或不用填充材料，或两者并用，并且用或不用填充材料，使使工件达到工件达到结结合的一种方法。合的一种方法。2焊接的分类第一节 焊接的基本原理一、焊焊接的接的实质实质 焊接的实质是使两个分离的物体通过加加热热或加加压压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。焊焊接接电电弧弧 由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。焊接电弧示意图二、焊焊接接热热循循环环焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊焊缝缝。焊缝及其邻近区域的总称叫焊焊缝缝区区。在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度，然后逐渐冷却到常温。由于焊件上各点的位置不同，被加热的最高温度亦不相同；而热量的传递需要一定的时间，故各点达到其最高温度的时间亦不相同。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊焊接接热热循循环环。焊接应力焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。焊接裂纹与焊接变形的形式 焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。预防和减小焊接应力及焊接变形的措施 1.合理设计焊接结构 尽量减少焊缝及焊缝的长度和截面积，并尽量使结构中的所有焊缝对称，避免交叉焊缝等，2.焊前预热 焊前对焊件预热，可减少焊件各部分的温差，对减小焊接应力与变形较为有效。3.反变形法 根据实验或计算，确定工件焊后产生变形的方向和大小，焊前将工件预先斜置或弯曲成等值反向角度，以期达到焊后与所要求的工件角度正好吻合。4.刚性固定法 采用工装夹具或定位焊固定，此法可显著减小但不能完全消除焊后残余变形。5.锤击焊缝法 用圆头小锤对焊后红热的焊缝金属进行均匀适度锤击，以延伸变形，补偿其收缩同时释放出部分能量，减小焊接应力和变形。6.强迫冷却法 将焊缝区的热量迅速散掉，使焊接时金属受热面积减小，此法又称散热法。焊接变形的矫正 1.机械矫正法 即用机械的方法将变形矫正过来，常用的设备有辊【gn】床、压力机、矫直机等；2.火焰矫正法 采用局部加热焊件的某些部位，使其受热时膨胀，受周围冷金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而矫正变形。第二节第二节 焊条电弧焊焊条电弧焊 电电弧弧焊焊是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊具有设备简单，操作灵活，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，是生产中应用最广的焊接方法。但焊条电弧焊时有强强烈烈弧弧光光和烟烟尘尘污污染染，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。因此，主要应用于单件小批量生产中焊接碳素钢、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3mm-20mm。一、焊条电弧焊电源焊条电弧焊电源1.电源的要求 焊条电弧焊电源应具有适当的空载电压和较高的引弧电压，以利于引弧，保证安全；当电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电弧电压应急剧下降；还应保证焊条与焊件短路时，短路电流不应太大；2.电源种类（1）交流弧焊机 具有结构简单、噪声小、成本低等优点，但电弧稳定性较差。（2）直流弧焊机 二、焊条焊条1、焊条的组成和作用 1.焊条由药皮和焊芯两部分组成。焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又溶化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属；药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气，防止空气进入焊缝；2.焊条的分类(1)焊条按熔渣的化学性质分为两大类 1）酸性焊条 溶渣呈酸性，药皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化 物。2）碱性焊条 熔渣呈碱性，药皮的主要成分为CaCo3和CaF2。(2)焊条按用途可分为十一大类 碳钢焊条、低合金钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条等。第三节第三节 其它焊接方法其它焊接方法一、埋弧焊 二、气体保护电弧焊 三、电渣焊 四、等离子弧焊 五、电子束焊 六、激光焊一、埋弧焊1.定义：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊。2.特点：1）生产率高；2）焊接质量高、稳定；3）节约金属材料；4）改善劳动条件。3.应用：常用来焊接厚度为6mm-60mm的长直焊缝和较大直径 （一般不小于250mm）的环形焊缝。二、气体保护电弧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，简称气体保护焊。（一）氩弧焊 特点：1）焊件不易氧化；2）焊接热影响区小，焊件不易变形；3）焊缝致密，成形美观；4）焊接成本高。应用：主要用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。（二）二氧化碳气体保护焊 特点：1）生产效率高；2）焊接热影响区小，焊件不易变形；3）接头抗裂性好；4）焊接成 本低。应用：适合于各种位置的焊接，目前，CO2焊已在全国广泛普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。三、电渣焊1.定义：电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。2.特点：1）厚大截面可一次焊成，生产效率高；2）焊缝金属比较纯净；3.应用：适用于板厚40mm以上结构的焊接。一般用于直缝焊接，目前，电渣焊已在我国水轮机、水压机、轧钢机、重型机械等大型设备制造中得到广泛使用。四、等离子弧焊1.定义：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2.特点：1）焊件不易氧化；2）便于操作，容易实现全位置自动化；3）焊接热影响区小，焊件不易变形；4）焊缝致密，成形美观；5）弧柱温度高，焊接速度快，生产率高。3.应用：国防工业和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钴、钛等金属的焊接。如钛合金的导弹壳体、微型继电器、电容器的外壳封接及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。五、电子束焊定义：利用加速和聚焦电子束轰击置于真空或非真空中焊件所生的热能进行焊接的方法称为电子束焊。2.特点：1）焊缝金属纯度高；2）焊缝表面质量好，内部熔合性好；3）焊接热影响区小，焊件不易变形；4）控制灵活，精度高，适应性强。3.应用：电子束焊应用广泛，从微型电子线路组件、真空膜盒、原子燃料器件到大型的导弹外壳都可以采用电子束焊接。此外，熔点、导热性、溶解度相差很大的异种金属，在真空中使用的器件和内部要求真空的密封器件等，用真空电子束焊接也能得到良好接头。电子束焊六、激光焊1.原理：通过聚焦系统使激光束聚焦到十分微小的焦点，光能转换为热能，从而使金属熔化形成接头。2.特点：1）焊接热影响区极小，焊件难于变形；2）焊件不易被氧化，可在空气中焊接；3）可焊接难于接近的接头。3.应用：激光焊比较容易实现异种金属和异种材料的焊接，目前已广泛用于电子工业和仪表工业中微型件的焊接。激光焊第四节第四节 压焊与钎焊压焊与钎焊焊接过程中，必须对焊件施加压力，以完成焊接的方法称为压焊。一、电阻焊 二、摩擦焊 三、钎焊一、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称为电阻焊。电阻焊分为对焊、点焊和缝焊。(一)对焊 按工艺不同可分为电阻对焊和闪光对焊。1.电阻对焊，将工件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法。2.闪光对焊，工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点（产生闪光），使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法，称为闪光对焊。闪光对焊广泛应用于建筑、机械制造、电气工程等部门，如钢筋、钢管、汽车轮缘、自行车轮圈、切削刀具等对焊（二)点焊 1、电阻点焊是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法，电阻点焊主要适用于各种薄板、板料冲压结构及钢筋构件，广泛应用于飞机、汽车、拖拉机、农机、轻工、电子器件、仪表和日常生活用品的生产中。2、胶接点焊 胶接点焊是以胶接加强电阻点焊强度的连接方法。它是近年来发展起来的新工艺。与电阻点焊相比，胶接点焊接头的搭接抗剪强度可提高3倍，疲劳强度可提高9倍。点焊(三)缝焊 工件装配成搭接接头、对接接头、T形接头、角接接头等接头形式，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压工件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝 缝焊主要应用于焊缝较规则，有密封要求的3mm以下薄壁结构，如消声器、油箱等。二、摩擦焊 摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊的特点：焊接表面不易氧化，接头质量稳定，不易产生夹渣、气孔等缺陷，废品率低，无需焊条、焊剂及填充金属，操作简单、成本低、生产率高，易于实现机械化，自动化。同种金属及异种金属均可施焊。摩擦焊适用于圆形截面的棒材或管材，亦可将管材焊在平板上。实心焊件截面直径为2mm-100mm，空心焊件最大外径可达几百毫米。三、钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。网带式钎焊炉保护气氛铜钎焊炉根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。硬钎焊 使用硬钎料（熔点高于450）进行的钎焊称为硬钎焊。常用的钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金。钎剂常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。加热方法有火焰加热、盐浴加热、炉内加热、电阻加热等。硬钎焊接头强度较高，可达490 MPa，适用于受力较大及工作温度较高的焊件，如自行车车架，切削刀具等。软钎焊 使用软钎料（熔点低于450）进行的钎焊称为软钎焊。常用的钎料为锡、铅钎料。焊剂为松香、松香酒精溶液、氯化锌溶液等。多用烙铁加热，接头强度较低，在40Mpa-140Mpa之间，用于受力不大或工作温度较低的工件，如电子器件、仪器、仪表等。钎焊的特点是：加热温度低，接头组织与性能变化小，焊件的应力和变形也小，易保证焊件尺寸，接头光滑平整，外形美观，同种、异种金属均可焊接。但接头强度低，耐热温度不高，焊前对焊件清理要求较严，不适于大型构件第五节第五节 堆焊与热喷涂堆焊与热喷涂一、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称为堆焊。堆焊的目的是提高零件表面的耐磨、耐热、耐蚀等性能或修复已磨损的零件使其恢复原尺寸 二、热喷涂 热喷涂是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件表面上，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。喷涂材料可以是线材，也可以是粉末材料。喷枪热源可以是气体火焰，也可以是电弧或等离子弧等。金属喷涂时，由于熔融金属被雾化后高速喷射到金属表面，所以喷涂层含有金属氧化物粒子，比轧制材料更硬、更脆、且具有多孔性。除各种金属线材的喷涂外，还可以喷涂制成粉末材料的陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料，以满足各种零件表面性质的使用要求。第六节第六节 常用金属材料的焊接常用金属材料的焊接1、碳素钢的焊接 2、低合金钢的焊接 3、不锈钢的焊接 4、铸铁的补焊 5、有色金属的焊接一、碳素钢的焊接低碳钢的焊接 低碳钢塑性好，一般没有淬硬倾向。焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施即可获得优质接头。低碳钢可以用各种方法进行焊接，常用的是焊条电弧焊、埋弧焊、电阻焊、电渣焊和气体保护焊。中、高碳钢的焊接 中、高碳钢属于淬火钢，随着碳的质量分数的增加，其淬硬倾向渐趋严重，焊接性明显变差。焊接时一般从两方面着手：一是选用适当的焊条，如抗裂性好的低氢型焊条或奥氏体不锈钢焊条等；二是采用一定的焊接工艺措施，如焊前预热工件，采用细焊条、小电流、多层焊，防止母材金属过多地深入焊缝，以防止产生热裂纹，并采用焊后缓冷以防止产生冷裂纹等。二、低合金钢的焊接低合金钢焊接经常出现的问题（1）热裂纹，热裂纹指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。（2）冷裂纹，焊接接头冷却到较低温度下时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹常发生在高强度钢的厚板结构中。（3）白点，在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形斑点称为白点。其产生原因是焊接过程中吸收了过量的氢，故又称氢白点。低合金钢焊接主要根据不同钢号的屈服点等级选择焊接材料，应遵守等强度原则。固相线，低合金钢开始发生局部熔融的p T X(压力 温度 组分)条件四、不锈钢的焊接(1)焊接顺序焊接时,按照先焊基层,再焊过渡层,最后焊复层焊缝的顺序进行。(2)工艺措施a)焊条焊前须按规定进行烘干处理;b)过渡层、复层焊接均宜采用反极、直线运条和多层多道焊;c)过渡层、复层焊接均宜采用小电流、快速焊。五、铸铁的补焊 为修补铸件、锻件、机械加工件或焊接结构件的缺陷而进行的焊接称为补焊。铸铁的补焊方法 补焊方法有热焊法，即焊前将工件全部或局部预热到500-700，焊后在 炉中缓慢冷却；半热焊法，即焊前将工件预热到400以下进行补焊的方法。六、有色金属的焊接铜及铜合金的焊接工艺（1）气焊 气焊时一般依工件厚度不同，开I形、V形、X形坡口。（2）焊条电弧焊 焊条电弧焊应先开坡口并清理污物。一般采用低氢型焊条。（3）手工氩弧焊是铜及铜合金焊接的首选方案。可有效地保护熔池不被氧化和熔入气体，得到优良的焊接接头，工件变形小，第七节第七节 焊接结构设计焊接结构设计一、焊接结构材料的选择 二、焊接结构的工艺性 一、焊接结构材料的选择 在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接性能较好的材料。一般碳的质量分数小于0.25的碳素钢和碳的质量分数小于0.20的低合金都具有良好的焊接性，应尽量采用；碳的质量分数大于0.50的碳素钢和碳的质量分数大于0.40的合金钢焊接性不好，应尽量避免采用。同一构件焊接时应尽量选用同种金属材料。二、焊接结构的工艺性(一)焊接结构应尽量选用型材或冲压件 设计焊接结构时应尽量采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等成形材料以减少焊缝、简化工艺。(二)合理布置焊缝 1）焊缝布置应尽量分散，且不宜过长。2）焊缝的位置应尽量对称布置，否则会由于焊缝不在中心引起弯曲变形3）焊缝的布置不得交叉4）焊缝布置应满足焊接时运条角度的需要