第四章焊接成型(机械制造基础)ppt课件.ppt

第4章 焊接成型 Chapter 4 Welding,我国2004年用钢量为3.12亿吨，占全球钢产量的33%，其中1.6亿吨用于焊接结构，约占用钢量的51%。,何为焊接,用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，获得不可拆卸接头的材料成形方法。,从冶金角度分:液相焊接、固相焊接和固液焊接 熔化焊是典型的液相焊接：电弧焊（手工电弧焊、埋弧 自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等 离子弧焊等；压力焊是典型的固相焊接:电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超 声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等；钎焊是典型的固液焊接：软钎焊、硬钎焊。,焊接分类,焊接特点,优点：(1)接头力学性能好，使用性能好（牢固、密封性好)；(2)某些零件只能采用焊接工艺；(3)可化大为小、以小拼大；(4)可实现异种金属的连接；(5)与铆接相比，焊接制造的金属结构重量轻，节约原材料，制造周期短，成本低。缺点：(1)接头组织和性能与母材不同；(2)焊接应力变形大；(3)接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。,焊接用处,重型金属结构行业,汽车制造行业,船舶制造业,电子制造业,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.1 熔化焊接,熔化焊三要素,“神舟”四号飞船成功返回,涡轮喷气发动机,利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。,热源能量要集中，温度要高。保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的有电弧、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。,4.1.1 焊条电弧焊（手工电弧焊）,“神舟”四号飞船成功返回,涡轮喷气发动机,原理与本质：,药皮：不断地分解、熔化生成气体及熔渣，保护焊条端部、电弧、熔池及其附近区域，防止大气对熔化金属的有害污染。焊芯：在电弧热作用下不断熔化，进入熔池，成为焊缝的填充金属。,引弧,“神舟”四号飞船成功返回,涡轮喷气发动机,焊接电弧,定义：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 2600 C 阳极区 6000-8000 C 弧柱区 2400 C,电弧的极性及选择,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：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）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）,常用焊条电弧焊机简介,（1）交流弧焊机：（BX系列）动铁（芯）式 动圈（绕组）式 抽头式（2）直流弧焊发电机（AX系列）（已淘汰）（3）弧焊整流器 硅弧焊整流器（ZXG系列）晶闸管式焊整流器（ZX5系列）（4）弧焊逆变器（ZX7系列）,BX6交流弧焊机,北京“时代”ZX7逆变电弧焊机,电焊条,是指在一定长度的金属丝外表层均匀地涂敷一定厚度的具有特殊作用涂料的手工电弧焊焊接材料，简称为“焊条”。,电焊条的组成及作用,药皮的种类：,氧化钛型；氧化钛钙型；钛铁矿型；氧化钛型；纤维素型；,低氢钾型；低氢钠型；石墨型；盐基型。,电焊条的分类,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,按用途分：,按熔渣的性质分：,在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）,在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）,(1)酸性焊条 药皮中含有大量的TiO2、SiO2等酸性造渣物及一定数量的碳酸盐等，熔渣氧化性强，熔渣碱度系数小于1。酸性焊条焊接工艺性好，电弧稳定，可交、直流两用，飞溅小、熔渣流动性和脱渣性好，熔渣多呈玻璃状，较疏松、脱渣性能好，焊缝外表美观。酸性焊条药皮中含较多的二氧化硅、氧化铁及氧化钛，氧化性较强，焊缝金属中的氧含量较高，合金元素烧损较多，合金过渡系数较小，熔敷金属中含氢量也较高，因而焊缝金属塑性和韧性较低。,(2)碱性(低氢型)焊条 药皮中含有大量的碱性造渣物(大理石、萤石等)，含有一定数量的脱氧剂和渗合金剂。碱性焊条主要靠碳酸盐(如CaCO3等)分解出CO2作保护气体，弧柱气氛中的氢分压较低，萤石中的氟化钙在高温时与氢结合成氟化氢(HF)，降低焊缝中的含氢量，又称低氢型焊条。碱性渣中CaO数量多，熔渣脱硫的能力强，熔敷金属的抗热裂纹的能力较强。而且，碱性焊条由于焊缝金属中氧和氢含量低，非金属夹杂物较少，具有较高的塑性和冲击韧性。碱性焊条由于药皮中含有较多的萤石，电弧稳定性差，一般多采用直流反接，只有当药皮中含有较多量的稳弧剂时，才可以交、直流两用。碱性焊条一般用于较重要的焊接结构，如承受动载荷或刚件较大的结构。,电焊条的选用原则,1.根据被焊工件的强度选用,2.根据被焊工件的化学成分选用,3.根据被焊工件工作条件和结构选用,4.根据实际生产状况选用,等强匹配的原则,等成分匹配的原则,等韧性匹配的原则,补充：焊条的选用原则（酸性焊条 V.S.碱性焊条）当接头坡口表面难以清理干净时，应采用氧化性强，对铁锈、油污等不敏感的酸性焊条。在容器内部或通风条件较差的条件下，应选用焊接时析出有害气体少的酸性焊条。在母材中碳、硫、磷等元素含量较高时，且焊件形状复杂、结构刚性大和厚度大时，选用抗裂性好的碱性焊条。当焊件承受振动或冲击载荷时，除保证抗拉强度外，应选用塑性和韧性较好的碱性焊条。在酸性焊条和碱性焊条均能满足性能要求的前提下，应尽量选用工艺性能较好的酸性焊条。,4.1.2 埋弧自动焊,埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。,焊接材料焊丝 钢芯(与手工焊钢芯同属一个国家标准)根据化学成分和用途不同:碳素结构钢合金结构钢高合金钢各种有色金属焊接的焊丝堆焊焊丝。,焊剂 在焊接时被加热熔化形成熔渣，对熔化金属起保护 和冶金作用，它是埋弧焊接过程中保证焊缝质量的重要 材料。(1)保证电弧稳定燃烧；(2)保证焊缝金属得到所需的成分和性能；(3)减少焊缝中产生气孔和裂纹的可能性；(4)有利成形和脱渣；(5)不易吸潮并有一定的颗粒度和强度；(6)焊接时无有害物质析出。,埋弧焊的应用 埋弧焊主要用于压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接。,4.1.3 气体保护焊,二氧化碳气体保护焊,以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。焊接用CO2纯度要大于99.8%。,原理,CO2气体保护焊的特点（1）生产率高。比手工焊高15倍，不需更换焊条。（2）成本低。CO2 气体价格低。成本只有手工电弧焊及埋弧焊的40%50%。（3）能耗低。与手工电弧焊相比，3毫米低碳钢对接焊，相同焊缝长度耗电量少30%左右。（4）适用面广。适用于各种位置的焊接。薄板可焊1毫米左右。最厚几乎不受限制（采用多层焊）。（5）抗锈能力强。CO2=CO+O,原子态氧使电弧气氛中自由态氧被氧化成不溶于金属中的水蒸气与羟基（OH），降低焊缝含氧量。（6）明弧无渣。熔池便于监控，有利于实现焊接过程机械化和自动化。,目前，CO2电弧焊由于有氧化性，合金元素易烧损，主要用于低碳钢及低合金钢等黑色金属的焊接。对于不锈钢，由于对焊缝金属有增碳现象，影响抗晶间腐蚀性能。因此，只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢焊件。根据操作方式不同，CO2焊可分为半自动及自动焊两种。对于较长的直线焊缝以及规则的曲线焊缝，可采用自动焊。而对于不规则的或短焊缝，则宜采用半自动焊，这是生产中用的最多的操作方式。,CO2气体保护焊的特点,氩弧焊,定义：用氩气作为保护电弧热源和焊缝区的气体保护焊。,分类：钨极氩弧焊（TIG焊）熔化极氩弧焊(MIG焊和MAG焊）,(1)TIG焊：以钨钍合金和钨铈合金为阴极，利用钨合金熔点高，发射电子能力强，阴极产热少，钨极寿命长的特点，形成不熔化极氩弧焊。,(2)熔化极氩弧焊：利用金属焊丝作为电极，焊丝自动送进并熔化。焊接电流比钨极氩弧焊大，适合焊接3-25mm的中厚板材。,MIG焊：以惰性气体Ar或Ar-He混合气体作保护气体时，称作MIG焊（Metal Inert Gas Are Welding）。,MAG焊：用富氩混合气体Ar-O2 Ar-CO2 Ar-CO2-O2作保护气体时，称作MAG焊（Metal Active Gas Are Welding）。,氩弧焊的特点及应用（1）机械保护效果很好，焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊缝成 型美观。（2）电弧稳定，可实现单面焊双面成型。（3）可全位置自动焊接。（4）氩气贵，成本高。氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接。如铝、钛和不锈钢等。,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.2 压力焊,压力焊：通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离面的原子接近到晶格距离(0.3-0.5 nm)，形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。,热源形式为：电阻热、高频热、摩擦热等。,力的形式为：静压力、冲击力（锻压力）和爆炸力等。,压力焊为：冷压焊、扩散焊和热压焊,电阻焊,电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的。可分为:点焊、缝焊、凸焊和对焊。,点焊：用圆柱电极压紧工件，通电、保压获得焊点的 电阻焊方法。,（1）点焊工艺参数,点焊的工艺参数为：电流、压力和时间。大电流，短时间称为强规范。-薄板，导热性好 小电流，长时间称为弱规范。-稍厚板，易淬火钢,（2）适用范围 可以采用搭接接头、不要求气密性，厚度3 mm 冲 压、轧制的薄板结构。（3）可焊接材料 低碳钢、淬火钢、镀锌钢板、不锈钢、铝合金和铜合 金等。（4）适用行业 电子仪表、家用电器、建筑工程、交通运输、航空、航天工业。,缝焊：连续的点焊过程，它是用连续转动的盘状电极代替 了柱状电极，焊后获得相互重叠的连续焊缝。,缝焊分流严重，通常采用强规范焊接，焊接电流比点焊大1.52倍。广泛应用于厚度在1.5mm以下的各种钢、高温合金和钛合金的焊接。,主要用于低压容器，如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等的焊接。,对焊：把两焊件端部相对放置，利用焊接电流加热，然后 加压完成焊接的电阻焊方法。,（1）电阻对焊 先将工件夹紧并加压，然后通电使接触面温度达到塑性温度。在压力下塑变和再结晶形成固态焊接接头。电阻对焊要求对接处焊前严格清理，所焊截面积较小，一般用于钢筋的对接焊。,（2）闪光对焊 先通电，后接触，因个别点接触，个别点通过的电流密度很高，可使其瞬间熔化或汽化，形成液态过梁。由于过梁上存在电磁收缩力和电磁引力及斥力而使过梁爆破飞出，形成闪光。闪光一方面排除了氧化物和杂质，另一方面使对口处的温度迅速升高。,闪光对焊主要用于钢轨、锚链、管子等的焊接，也可用于异种金属的焊接。因接头中无过热区和铸态组织，所以性能高。,对焊示意图,摩擦焊,利用工件表面相互摩擦所所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速加压，完成焊接。,特点 接头焊接质量好 生产率高，成本低 以实现机械化和自动化生产 能焊接异种钢和异种金属 环境保护好 难焊非圆形横断面和薄壁管件、活性金属、淬硬性好的钢材、表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层及摩擦系数低的金属很难焊接。,应用范围 凡是接头部分具有紧凑回转断面，几乎都可以采用摩擦焊的方法，代替锻造、铸造和部分机械加工。可以焊接大多数同种或异种金属。高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接，如不锈钢铜、硬质合金钢等。活性金属（如钛、锆等）淬硬性好的钢材，表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层及摩擦系数太小（如铸铁、黄铜等）的金属很难焊接。,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.3 钎焊,钎焊:是利用熔点比焊件低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的焊件连接起来的一种焊接方法。,1.硬钎焊 钎料熔点在450以上，接头强度较高，都在200MPa以上，属于这类的钎料有铜基、银基和镍基等。2.软钎焊 钎料熔点为450以下，接头强度较低，一般不超过70MPa，所以只用于钎焊受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。,钎焊分类,钎剂,钎焊过程中，一般都需要使用钎剂。钎剂的作用是：清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质，改善钎料流入间隙的性能（即润湿性），保护钎料及焊件不被氧化，因此钎剂对钎焊质量影响很大。,软钎焊时，常用的钎剂为松香或氯化锌溶液。,硬钎焊时，钎剂种类较多，主要由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等组成，应根据钎料种类选择应用。,钎焊实例,软钎焊,硬钎焊,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.4 焊接接头,焊接接头的组织和性质焊接接头的组成 焊缝区在焊接接头横截面上 测量的焊缝金属的区域。熔合区熔合线两侧一个很窄 的焊缝与热影响区的过渡区。热影响区受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因热作用 发生组织性能变化的区域（过热区、正火区、部分相变区）。,图 焊接接头的组成示意图,各区域组织和性能 焊缝区：呈柱状晶形态；力学性能差。熔合区：组织不均匀；力学性能差，接头最薄弱处；热影响区：过热区，晶粒大，力学性能薄弱；相变重结晶区力学性能最好；不完全结晶区组织大小不一，力学性能下降。,焊接接头的缺陷（气孔，裂纹，夹渣）裂纹 热裂纹产生于焊缝金属中；冷裂纹产生于热影响区或是熔合区。气孔 氮气孔、氢气孔和CO气孔。夹渣 焊后残留在焊缝中的熔渣。,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.5 金属的焊接性能,金属材料的可焊性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出“好焊”和“不好焊”的差别。,金属的可焊性,可焊性的定义,可焊性的估算方法,碳当量法(碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式):,C当量0.4%时：钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂缝；厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。C当量=0.4%-0.6%时：钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。C当量0.6%时：钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好。焊前工件必须预热到较高温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。,常用金属的焊接,碳钢的焊接,(1)低碳钢的焊接 低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外）。,(2)中碳钢的焊接 中碳钢含碳量在0.25%0.6%之间，随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。焊接时主要问题是冷裂纹，应当焊前预热，焊后缓冷；并采用小电流和多层多道焊等工艺措施。,(3)低合金钢的焊接 低合金钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，焊后热影响区的淬硬倾向也越大。焊接手段的选择：强度级别低的低合金钢采用CO2保护焊；大于500MPa 的高强度级的低合金钢采用富氩混合气体保护焊。预热情况的考虑：工件厚度不大，焊件不需预热；工件厚度不大，焊接温度低(-10)，焊件需要预热；工件厚度大(40 mm)，工件预热(100-150)；,铸铁的焊接,熔合区易产生白口组织；易产生裂缝；易产生气孔。,常用的焊接手段：,热焊法:焊前将工件整体或局部预热到600700，焊后缓慢冷却。热焊法可防止工件产生白口组织和裂缝，焊补质量较好，焊后可以进行机械加工。但热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差。一般用于焊补形状复杂焊后需要加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。,(2)冷焊法:焊补之前，工件不预热或只进行400 以下低温预热的焊补方法通常称为冷焊法。主要依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口组织和避免裂缝。冷焊方便灵活生产率高、成本低、劳动条件好。但焊接处切削加工性能较差。生产中多用于焊补要求不高的铸件及怕高温预热引起变形的工件。焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道（每段不大于50 mm）并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。,铜的焊接,铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，其原因是：(1)铜的导热性很高（紫铜约为低碳钢的8倍），焊接时热量极易散失。(2)铜在液态易氧化，生成的Cu2O与铜组成低熔点共晶分布在晶界形成薄弱环节；极易引起开裂。(3)铜在液态时吸气性强，特别易吸氢，并生成气孔。(4)铜的电阻极小，不适于电阻焊接。(5)铜合金中的合金元素有的比铜更易氧化，使焊接的困难增大。例如黄铜（铜锌合金）中的锌沸点很低，极易烧蚀蒸发并生成氧化锌（ZnO）。,铜及合金可用氩弧焊、气焊、和钎焊等方法进行焊接。,铝的焊接,工业上用于焊接的主要是纯铝(熔点658)、铝锰合金、铝镁合金及铸铝。铝合金的焊接比较困难，焊接特点是：,(1)铝与氧的亲和力很大，极易氧化生成氧化铝；易使焊缝夹渣。(2)铝的导热系数大，要求使用大功率或能量集中的热源，厚度较大时应考虑预热。(3)液态铝能吸收大量的氢，溶池凝固时易生成气孔。,目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。,常用金属的焊接方法列表,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.6 焊接结构设计,焊接应力与变形,应力与变形产生原因：焊接过程中，焊缝与焊缝周围的温度差引起应力和变形。,焊接变形的基本形式：,焊接变形的防止与矫正：,1）反变形法：,2）采用焊前刚性固定法：,3）合理选择焊接顺序。,1,2,3,4,5,6,1 4 2 5 36,1 4 3 2,1 2 3 4,4）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。,5）焊接变形的矫正,机械矫正,火焰矫正,焊接接口与坡口,焊接接口的基本形式,焊接接口的坡口,当工件厚度较大时，无法焊透，需要开坡口。基本的坡口形式：I形坡口，V形坡口，X形坡口，U形核双U形坡口,焊缝位置的设计,1.焊缝应尽可能分散，以便减小焊接热影响区，防止粗大组织的出现。,2.焊缝的位置应尽可能对称分布，以抵消焊接变形。,3.焊缝应尽可能避开最大应力和应力集中的位置。防止焊接应力与外加应力相互叠加，造成过大的应力和开裂。,4.焊缝应尽量避开机械加工表面，防止破坏已加工面。,5.应便于焊接操作。焊缝位置应使焊条易到位，焊剂易保持，电极易安放。,本章内容,4.1 熔焊 4.2 压力焊4.3 钎焊4.4 焊接接头4.5 金属可焊性4.6 焊接结构的设计4.7 焊接新工艺,4.7 焊接新工艺,等离子弧焊借助机械、电磁和冷却效应对电弧的压缩 作用，获得高能量密度的等离子弧以进行焊接的方法。,激光焊利用激光器产生的激光束，聚焦到工件接缝上，光能转换成热能，使金属熔化形成焊接接头的方法。,1.电源及控制设备 2.激光器 3.激光束 4.观察瞄准器及聚焦系统 5.聚焦光束 6.工件 7.工作台 8.信号器,本章结束！,