材料成型技术-第五章-固态材料的连接过程.ppt
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1、第5章 固态材料的连接过程,51 概述,一、固态材料的连接方法固态材料的连接可分为永久性的或非永久性的两种。1、非永久性(可拆式)连接:螺纹联接、铆接。2、永久性(不可拆式)连接:焊接、粘接。,二、焊接的定义 将分离的金属用局部加热或加压等手段,借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来,形成永久性接头的过程称为焊接。,三、焊接方法的分类,四、焊接的特点及应用1、特点与铆接比较,焊接具有节省材料、减轻重量;接头的密封性好,可承受高压;简化加工与装配工序,缩短生产周期,易于实现机械化和自动化生产等优点。焊接技术一般还存在一些问题,主要有焊接结构的残余应力和变形、焊接接头性能不够均匀、焊接品
2、质检验比较困难等。,2、应用焊接在现代化工业生产中具有十分重要的作用,广泛应用于机械制造中的毛坯生产和制造各种金属结构件,如高炉炉壳、建筑构件、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁等。此外,焊接还用于零件的修复焊补等。,汽车制造,舰船制造,石化建设,摩天大厦的建造离不开焊接技术,521焊接成形过程特性和理论基础,一、电弧焊的冶金过程及特点1、电弧焊的冶金过程:电弧焊时,焊接区各种物资在高温下相互作用,产生一系列变化的过程。焊条药皮,2、电弧焊冶金过程特点电弧焊焊接钢材的过程是进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼和渗合金等一系列物理化学的冶金过程。(1)焊接的冶金过程有以下特点:焊接电弧和熔池金属的温度高
3、于一般的冶炼温度,金属蒸发、氧化和吸气现象严重。熔池体积小,周围又是温度较低的冷金属,因此,熔池处于液态的时间很短,冷却速度快,不利于焊缝金属化学成分的均匀和气体、杂质的排除,从而产生气孔和夹渣等缺陷。,(2)电弧焊过程中的冶金反应氧化氧主要来源于空气,空气中的氧在高温电弧中分解出氧原于(O)。电弧越长,侵入的氧愈多,氧化愈严重,吸氧亦愈多。氧与金属发生一系列反应,结果造成钢中一些元素被氧化,形成FeO SiO2,MnOSiO2等熔渣,使焊缝中C、Mn、Si等元素大量烧损。当熔池迅速冷却后,一部分氧化物熔渣残存在焊缝金属中形成夹渣,显著降低了焊缝的力学性能。,吸气熔池在高温时熔解大量气体,冷却
4、时,熔池冷却极快,使气体来不及排出而存在焊缝中形成气孔。焊缝中气相成分主要是CO、CO2、H2、O2及H2O,其中对金属有不利影响的是H2、O2、N2。蒸发熔池中的液态金属和落入熔池的焊条熔滴的各种元素在高温下,有时接近或达到沸点,会强烈蒸发,由于各种元素成分不同,沸点不同,因此蒸发的数量也不同,其结果改变了焊缝的化学成分,降低了接头的性能。,3、电弧焊冶金过程采取的技术措施(1)防:对焊接区金属实行隔离保护。药皮、焊剂、保护气体。(2)脱:加入合金元素脱氧、脱硫、脱磷。Mn+FeO MnO+FeSi+2FeO SiO2+2FeMnOFeSMnSFeOCaOFeSCaS+FeO(3)补:向焊缝
5、补充合金元素(Si、Mn),提高焊缝力学性能。,二、焊接接头的金属组织和性能1、焊接接头的温度分布及其组成焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区,热影响区包括过热区、相变重结晶区(正火区)、不完全重结晶区(部分相变区)。,2、焊接接头的组成和性能熔化焊的焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。(1)焊缝的组织和性能焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的,形成的晶粒是柱状晶,柱状晶粒的生长方向与最大冷却方向相反,垂直于熔池底壁。熔池结晶过程中,由于冷却速度很快,已凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散,易造成合金元素分布的不均匀。如硫、磷等有害元素易集中到焊缝中心区,将
6、影响焊缝的力学性能。由于焊接材料的渗合金作用,焊缝金属中锰、硅等合金元素的含量可能比基体金属高,所以,焊缝金属的力学性能可不低于基体金属。,(2)焊接热影响区的组织和性能在电弧热的作用下,焊缝两侧处于固态的母材发生组织或性能变化的区域,称为焊接热影响区。热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。,过热区 过热区紧靠熔合区,低碳钢过热区的最高加热温度在1100至固相线之间。母材金属加热到这个温度,结晶组织全部转变成为奥氏体,奥氏体急剧长大,冷却后得到过热粗晶组织。因而,过热区的塑性和冲击韧度很低。焊接刚度大的结构或碳的质量分数较高的易淬火钢材时,易在此区产生裂纹。,正火区 该区紧靠过热区,是焊接
7、热影响区内相当于受到正火热处理的区域。低碳钢此区的加热温度在Ac3-1100之间。由Fe-C相图可知此温度下金属发生重结晶加热,形成细小的奥氏体组织。由于焊接过程中金属的热传导,使该区的冷却速度较空冷快,相当于进行一次正火处理,使晶粗细小而均匀。因此,一般情况下,焊接热影响区内的正火区的力学性能高于未经热处理的母材金属。,部分相变区 紧靠正火区,是母材金属处于如Ac1Ac3的区域为部分相变区。加热和冷却时,该区结晶组织中只有珠光体和部分铁素体发生重结晶转变,而另一部分铁素体仍为原来的组织形态。因此,已相变组织和未相变组织在冷却后晶粒大小不均匀对力学性能有不利影响。,(3)熔合区 熔合区是焊接接
8、头中焊缝与母材交接的过渡区,这个区域的焊接加热温度在液相线和固相线之间,又称半熔化区。焊接过程中仅部分金属被熔化,熔化的金属将凝固成铸态组织,而未熔化的金属因加热温度过高而成为过热粗晶组织。因而熔合区的塑性、韧度极差,成为裂纹和局部脆性破坏的源点,在很大程度上决定着焊接接头的性能。,熔合区和过热区是焊接接头中力学性能很差的区域,对焊接接头有不利影响。应尽量缩小这两区间的范围,以减小和消除其不利影响。热影响区是不可避免的,但为了提高焊接品质希望它愈小愈好。焊接接头各区域的大小及组织性能的变化程度决定于焊接方法、焊接规范、接头型式、焊后冷却速度等因素。一般来说,在保证焊接接头品质的前提下,增加焊接
9、速度、减少焊接电流都能使熔合区、过热区变小。,3、改善焊接接头组织性能的方法焊接热影响区在焊接过程中是不可避免的。低碳钢焊接时因其塑性很好,热影响区较窄,危害性较小,焊后不进行处理就能保证使用。对重要的钢结构或用电渣焊焊接的构件,则必须充分注意到热影响区带来的不利影响,要用焊后热处理办法以消除焊接热影响区。对碳素钢与低合金钢构件,可用焊后正火处理来消除热影响区,以改善焊接接头的性能。焊后不能进行热处理的金属材料或构件,采用正确选择焊接方法和焊接过程来减少焊接接头内不利区域的影响,达到提高焊接接头性能的目的。,三、焊接应力与变形1、焊接应力和变形产生的原因焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热
10、,是产生生焊接应力和变形的根本原因。当焊接应力材料抗拉强度裂纹;焊接应力材料屈服强度变形。,l,l,l,l,低碳钢平板对焊理论分析模型,(+),(+),(-),(+),(-),(-),焊接中,冷却后,三、焊接应力与变形1、焊接应力和变形产生的原因焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热,是产生生焊接应力和变形的根本原因。,2、焊接变形的基本形式:最常见的焊接变形形式有5种:收缩变形角变形弯曲变形波浪变形扭曲变形,3、防止和减少焊接变形的措施主要从焊接结构设计和焊接过程两方面采取措施。(1)合理设计焊接构件保证构件承载能力的情况下,尽量减少焊缝数量、焊缝长度及焊缝截面积;焊缝尽量处于对称位置;厚
11、大件焊接时,两面开坡口进行焊接;尽量选用型材和冲压件。,2)采取必要的技术措施反变形法加裕量法刚性夹持法选择合理的焊接顺序采用合理的焊接方法,平板焊接的反变形,防止壳体焊接局部塌陷的反变形,夹固法1-钢板;2-夹具;3-铜垫板,X形坡口焊接次序,梁的焊接次序,4、焊接变形的矫正方法(1)机械矫正法 用手工锤击,矫正机,铜床,压力机等机械外力,使焊件产生与焊接变形反向的塑性变形而达到矫正。,(2)火焰加热矫正法利用氧乙炔火焰在焊件适当部位加热,使工件在冷却收缩时产生与焊接变形反方向的变形,以矫正焊接变形。火焰加热矫正法主要用于低碳钢和部分普通低碳钢。加热温度一般在600-800之间。,5、减少与
12、消除焊接应力的措施(1)选择合理的焊接顺序 合理选择焊接顺序,可以减少焊接应力的产生。,(a)合理的焊接顺序(b)不合理的焊接顺序,(2)焊前预热 焊前将焊件预热到350-400,然后再进行焊接。预热可使焊缝部分金属和周围金属的温差减小,焊后又可比较均匀地同时冷却收缩,因此可显著减少焊接应力,同时可减少焊接变形。(3)加热“减应区”在焊接结构上选择合适的部位加热后再焊接,可大大减少焊接应力。(4)焊后热处理 去应力退火过程可以消除焊接应力。即将工件均匀加热到600-650,保温一定时间,然后缓慢冷却。整体高温回火消除焊接应力的效果最好,一般可将8090以上的残余应力消除掉。,四、焊接缺陷及防治
13、措施1、焊接接头的缺陷在焊接结构生产中,由于结构设计不当,原材料不符合要求,接头准备不仔细、焊接过程不合理或焊后操作等原因,常使焊接接头产生各种缺陷。常见的焊接缺陷有焊缝外形尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、气孔、夹渣、未焊透和裂缝等缺陷。其中以未焊透和裂缝的危害性最大。,2、焊接缺陷的防止防止焊接缺陷的主要途径:一是制订正确的焊接技术指导文件;二是针劝焊接缺陷产生的原因在操作中防止。(1)焊缝尺寸不符合要求应从恰当选择坡口尺寸、装配间隙及焊接规范入手,并辅以熟练操作技术。采用夹具固定、定位焊和多层多道焊有助于焊缝尺寸的控制和调节。(2)咬边、焊瘤、气孔、夹渣、末焊透等缺陷。必须正确选择焊接规范参数
14、。手工电弧焊规范参数中,以电流和焊速的控制影响最大,其次是预热温度。,(3)焊接裂纹各类焊接裂纹都是由于冶金因素和应力因素造成的,因此防止焊接裂纹也必须从这两方面入手。所有防止和减少应力的措施都能防止和减少焊接裂纹。在冶金方面:防止热裂纹 应控制焊缝金属中有害杂质的含量,如碳素结构钢C0.10,P、S0.03;焊接时应选择合适的技术参数和坡口参数;采用碱性焊条和焊剂。防止冷裂纹,采用碱性低氢焊条严格按规定烘干焊条和焊剂,并防止在使用过程中受潮。采用预热、后热等技术措施。,(4)气孔必须仔细清除焊件表面的污物,焊条和焊剂一定要严格按照规定的温度进行烘烤。酸性焊条抗气孔性能优于碱性焊条,如结构要求
15、抗裂性好的碱性焊条时,应选用低氢焊条。焊接规范参数必须选择合适,电流过大会使焊条发热,药皮提前熔化或分解,影响保护效果。(5)夹渣保证合适的坡口参数和装配品质;焊前清理;操作方法要恰当;焊接电流选择要适当。,五、焊接构件结构设计1、焊缝的布置焊接结构件的焊缝布置是否合理,对焊接品质和生产率有很大影响。对具体焊接结构件进行焊缝布置时,应便于焊接操作,有利于减小焊接应力和变形,提高结构强度。,(1)焊缝位置应便于操作焊缝位置便于电弧焊的设计焊缝布置必须保证焊缝周围有供焊工自由操作和焊接装置正常运行的条件。,焊缝便于埋弧焊的设计埋弧焊时,要考虑存放焊剂。,便于点焊及缝焊的设计点焊与缝焊时,应考虑电极
16、方便入。,(2)有利于减小焊接应力和变形焊缝分散布置的设计 避免过分密集焊缝和交叉焊缝,以免造成金属过热,加大热影响区,使组织恶化。一般两条焊缝的间距要大于三倍的板厚且不小于100mm。,焊缝对称布置设计,焊缝避开最大应力断面与应力集中位置的设计,焊缝布置应不影响机械切削加工表面有些焊接构件的某些部位需先机械加工再焊接,如焊接轮毂、管配件、传动支架等,则焊缝位置应尽量远离已加工表面,以避免或减少焊接应力与变形对已加工表面精度的影响。如果焊接结构要求整体焊后再进行切削加工,则焊后一般要先消除应力处理,然后再进行切削加工,在机加工要求较高的表面上,尽量不要设置焊缝。,2、焊接接头及坡口形式的选择(
17、1)焊接接头的形式有对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头等四大类。(2)焊接接头的选择接头设计应根据结构形状及强度要求、工件厚度、可焊性、焊后变形大小,焊条消耗,坡口加工难易程度等方面因素综合考虑决定。,(3)焊接接头的功能:对接接头受力均匀,在静载和动载作用下都具有很高的强度,且外形平整美观,是应用最多的接头形式。但对焊前准备和装配要求较高。搭接接头焊前准备简便,但受力时产生附加弯曲应力,降低了接头强度。角接接头通常只起连接作用,只能用来传递工作载荷。T形接头广泛采用在空间类焊件上,具有较高的强度,如船体结构中约70的焊缝采用了T形接头。,(4)焊接坡口形式:坡口的作用:使厚度较大的焊件能
18、够焊透,常将金属材料边缘加工成一定形状的坡口,并且坡口能起到调节母材金属和填充金属比例即调整焊缝成分的作用。,焊条电弧焊接头形式与坡口形式,不同厚度金属材料对接的过渡形式,522 熔化焊接,利用热源局部加热的方法,将两工件接合处加热到熔化状态,形成共同的熔池,凝固冷却后,使分离的工件牢固结合起来的焊接称为熔化焊。熔化焊适合于各种金属材料任何厚度焊件的焊接,且焊接强度高,因而获得广泛应用。熔化焊包括电弧焊、电渣焊、气焊等。,一、手工电弧焊1、焊接过程 利用电弧作为焊接热源的熔焊方法称为电弧焊。用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法,称为手工电弧焊。,基本工艺装备,焊机,焊钳,焊条,焊接电源交流弧焊电
19、源直流弧焊电源脉冲弧焊电源逆变弧焊电源,直流电源接法直流正接:工件接阳极,焊条接阴极。特点:工件受热大,用于焊接厚大工件、难熔工件。,直流反接:工件接阴极,焊条接阳极。特点:工件受热小,适合焊接薄小工件。,2、焊条,(1)焊条的组成及作用电焊条由焊芯和药皮组成。焊芯作用:作电极传导电流起弧;熔化后作填充金属。材料:H08、H08A(焊芯材料严格限制C、S、P杂质含量,如H08A中,C0.10%、S0.03%,P0.03%)。焊条的规格(焊条直径)有:1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0mm等,长度为200450mm。,药皮药皮的作用A 改焊接工艺性能:易引弧、稳弧,减小飞溅,使焊缝成
20、形美观;B 机械保护作用:气体、熔渣隔离空气,保护熔液和熔池金属;C 冶金处理作用:药皮中的某些元素可起到渗合金、脱氧、脱硫、去氢作用。药皮的组成主要有稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂等。主要原料有矿石、铁合金、有机物和化工产品等四类。,焊条药皮原料的种类、名称及其作用,(2)焊条的分类和牌号分类我国生产的焊条按其用途分为:结构钢焊条(J)耐热钢焊条(R)、不锈钢焊条(G或A)堆焊焊条(D)、镍及镍合金焊条(N)铸铁焊条(z)低温钢焊条(w)铜及铜合金焊条(T)、铝及铝合金焊条(L)特殊用途焊条(T)十大类。其中,结构钢焊条应用最广泛。,按药皮中含酸性氧化物和碱性
21、氧化物的比例不同,电焊条可分为酸性焊条和碱性焊条两大类。熔渣以酸性氧化物为主的焊条,称为酸性焊条。酸性焊条的氧化性强,焊接时具有优良的焊接性能,如稳弧性好,脱渣力强,飞溅小,焊缝成形美观等,对铁锈、油污和水分等容易导致气孔的有害物质敏感性较低。熔渣以碱性氧化物为主的焊条,称为碱性焊条。碱性焊条有较强的脱氧、去氧、除硫和抗裂纹的能力,焊缝力学性能好,但焊接技术性能不如酸性焊条,如引弧较困难,电弧稳定性较差等,一般要求用直流电源。而且药皮熔点较高,还应采用直流反接法。,两类焊条比较,表示药皮类型和允许使用电流种类(交流或直流),其中:05酸性焊条,69分别属于高纤维素纳型和低氢纳型,规定必须采用直
22、流电流反接,其它编号均可用交流或直流电源焊接。,表示焊条适合的焊接位置(0、1表示可用于全位置焊接;2表示平焊和平角焊位;4用于向下立焊位)。,表示熔敷金属抗拉强度的最低保证值(常用42、50、55、60、70、75、85等,如E42表示b420MPa,E50表示b500MPa)。,表示为药皮焊条,焊条代号(型号),40,(3)焊条的选用原则首先根据焊件化学成分、力学性能、抗裂性、耐蚀性及高温性能等要求,选用相应的焊条种类。再考虑焊接结构形状、受力情况、焊接设备条件和焊条售价来选定具体型号。一般原则为:根据母材的化学成分和力学性能根据焊件的工作条件和结构特点根据焊接设备、施工条件和焊接技术性能
23、,根据母材的化学成分和力学性能 若焊件为结构钢时,则焊条的选用应满足焊缝和母材“等强度”,且成分相近的焊条;异种钢焊接时,应按其中强度较低的钢材选用焊条;若焊件为特殊钢,如不锈钢、耐热钢等时,一般根据母材的化学成分类型按“等成分原则”选用与母材成分类型相同的焊条。若母材中碳、琉、磷含且较高,则选用抗裂性能好的碱性焊条。,根据焊件的工作条件与结构特点 对于承受交变载荷、冲击载荷的焊接结构,或者形状复杂、厚度大,刚性大的焊件,应选用碱性低氢型焊条。根据焊接设备、施工条件和焊接技术性能 无法清理或在焊件坡口处有较多油污、铁锈、水分等赃物时,应选用酸性焊条。在保证焊缝品质的前提下,应尽量选用成本低、劳
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