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第4篇焊接成形

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第四篇焊接焊接 第 四篇第 四篇 焊接第 四篇第 四篇 焊接焊接焊接
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第4章 金属的焊 接成形 材料之间连接的方式有:机械连接、 物理化学连接、冶金连接。 1、焊接 通过加热或加压(或两者并用)使原 子扩散与结合,从而形成一个整体。 2、分类 按原理为三类: (1)熔化焊 (2)压力焊 (3)钎焊 (1)熔化焊:利用局部加热的方法, 把工件结合处加热为熔化态,形成熔池, 冷却结晶,形成牢固接头。 熔化焊焊气焊焊 电电弧焊焊手工电弧焊(焊条电弧焊) 埋弧自动焊 埋弧半自动焊动焊 铝热焊铝热焊 电电渣焊焊 气体保护焊护焊氩弧焊 CO2气体保护焊 等离子焊焊 电电子束焊焊 激光焊焊 (2)压力焊:焊接时不管加热与否, 都要施加一定压力,使两焊件产生一定塑 性变形,在压力下形成牢固接头。 压压力焊焊 锻焊锻焊 气压焊压焊 电电阻焊焊 点焊焊 缝焊缝焊 对焊对焊 摩擦焊焊 冷压焊压焊 超声波焊焊 爆炸焊焊 (3)钎焊:对被焊工件和填充金属 加热,焊件(母材)不熔化,填充材料( 钎料)熔化,填充于被焊金属连接处,靠 原子扩散形成接头。 钎焊钎焊 烙铁铁钎焊钎焊 火焰钎焊钎焊 盐盐浴钎焊钎焊 感应钎焊应钎焊 3、焊接的特点 1)与铆接相比节,省材料和工时,构件轻 ; 2)气密性,水密性好;例金山化工厂,3 万m3气罐几十个大气压,六层楼高。 3)可化大为小,拼小成大;万吨水压机立 柱;3万吨油轮焊缝达1000多公里,相当于北京 —上海的距离。 4)易于实现机械化,自动化操作,提高生 产率。 因此焊接工艺在造船业、汽车制造业、机 械行业以及飞行器制造业中,已成为一种重要 的技术被广泛利用。 4.1 焊接工艺基础 4.1.1 焊接接头的组织与性能 1、焊接热循环 焊接接头由焊缝区和周边热影响区组成 。 焊接接头附近的金属由室温加热到不同 的温度后,又冷却至室温,相当于不同程度 的热处理,因此组织性能大大不同。 下面以低碳钢(C=0.25%)为例来说明焊 缝及附近(热影响区)金属组织变化。 图 4-1 2、焊缝的组织和性能 3、热影响区的组织与性能 (1)熔合区:(半熔化区)相当于AC ~AE线间(液-固相线之间),熔化的金属 凝固后生成铸态组织,未熔化金属因加热 温度过高形成金属过热粗晶,这个区虽很 小,但晶粒严重粗大,δ、αk低,是断裂 发源地。是性能最差区之一。 (2)过热区:温度在固相线以下 (1100 ℃)左右。过热区晶粒严重粗大,力 学性能差,是焊接接头的薄弱区域。 (3)正火区:AC3-1100℃,金属发生再 结晶,晶粒细化,冷却后得到均匀细小的 P+F组织(正火组织),其性能优于母材 ,力学性能好。 (4)部分相变区:相当AC1—AC3之间, 部分金属发生相变,P 和部分 F 发生相 变成为A,使晶粒细化;但还有部分 F 没 有来得及转变,冷却后造成晶粒大小不一 ,性能较差。 可见,焊接接头中熔合区和过热区是 力学性能最差的区域。 4.1.2 焊接应力、变形与裂纹 1、焊接应力的产生 焊接过程中局部不均匀加热,使焊缝 及附近金属体积膨胀,沿焊缝方向伸长, 而远处冷金属要阻碍伸长,使焊缝及周围 金属受压,产生塑性变形。 塑性变形的出现会使应力释放。 冷却后,焊缝要冷却收缩,远离焊缝 的金属又阻碍收缩,使焊缝及周围金属受 拉应力——焊接应力。而远离焊缝区则受 压应力。 图4--4 2、焊接变形 当焊接应力超过了相应温度下的屈 服极限时(σ焊>σs),焊件就产生了 变形——焊接变形。 焊接变形分为5种: p118 图4-6 (1)收缩变形; (2)角变形; (3)弯曲变形; (4)扭曲变形; (5)波浪变形。 3、减少焊接变形的措施 1)焊接前 (1)焊件尺寸增设收缩余量; (2)反变形法; p118 图4- 7 (3)刚性固定法。 p119 图4- 8 2)焊接中 (1)合理安排焊接顺序: p119 图4- 9 (2)先焊收缩量大的焊缝; p118 图4- 11 (3)先焊受力大焊缝; (4)先焊短缝; (5)锤击焊缝(碾压)。 4、焊接变形的矫正 p120 图4-10 (1)机械矫正法; (2)火焰矫正法。 5、减少和消除焊接应力的措施 (1)焊接材料; (2)焊接结构; (3)焊接工艺。 4.2. 常用熔化焊方法 4.2.1 焊条电弧焊 电弧焊——利用电极形成的电弧,使被 焊工件的局部加热到熔化状态而焊接的方法 。 电弧焊冶金特点: (1)温度高于冶金温度,在电极区2400- 2600K,会使元素烧损。 (2)熔池体积小,冷却快,冶金不充分 , 气体夹杂来不及上浮。 1、焊接过程 电弧在焊条与被焊工件之间燃 烧。 ①工件和焊芯同时熔化,成为 熔池; ②药皮熔化后与液态金属发生 物理化学反应(冶金反应),所形 成的熔渣不断从熔池中向上浮起; ③药皮燃烧产生大量CO2、CO 、H2等保护气体,围绕在电弧周围 ,熔渣和气体能防止空气中氧和氮 的侵入,起保护液态金属的作用。 电弧向前移动时,工件和焊条 金属不断熔化形成新的熔池。原熔 池则不断冷却凝固,构成连续的焊 缝。覆盖在焊缝表面的熔渣凝固成 为固态渣壳。这层熔渣和渣壳对焊 缝的质量和减缓金属的冷却速度有 着重要的作用。 2、焊接电弧 电弧是一种气体导电现 象。 通常空气并不导电,在一 定 电场作用下,可使气体分 解 为带电粒子,这些带电粒 子 在电场作用下作定向运动 , 以高速向正极运动,产生 了 强烈的光和热,这就是电 弧,电弧的热量与电流I、 电 压V成正比,I越大,则粒 子 的作用速度快,产生的总 热 量就高。 一般,电弧热量在阳极区产 生较多,而阴极区由于放出大 量电子时,消耗了一定的能量 ,所以,产生的热量相对少一 些,由于这个热量的差异,使 得焊接时有两种接线方法。 交流电弧焊时,正负极任意接。 直流电弧焊时,分为正接法和反接法。 3、电焊条 焊芯——导电、填充焊缝金属的作用 ; 药皮——熔渣隔离空气、使焊缝金属 脱氧去硫并补充有益元素、稳定电弧,从 而使焊缝具有一定的化学成分和力学性能 。 焊芯(焊丝) ——是组成焊缝金属的 主要材料。其化学成分及质量将直接影响 焊缝质量。因此国家标准对其作了相应规 定。 如果被焊件是不锈钢、合金结构钢, 则应选用合金钢焊条或焊丝。 按成分和用途分为九大类。(p125) 焊条的选用原则 使焊缝和母材具有相同的使用性能: ①低碳钢和普通低合金钢构件,选择相同 强度等级的焊条,但要注意到,如Q235给出的 是σs,而焊条给出的是σb 指标; ②同一强度等级的酸性和碱性焊条的选择 ,应根据焊件的性能和特点。通常,塑性、韧 性要求高的用碱性焊条;而受力简单,母材质 量较好时可选用酸性焊条; ③低碳钢与低合金钢焊接(异种钢接头) ,可按其中强度较低的材料选用焊条。 ④铸钢的焊接,一般需预热处理,再焊接 ; ⑤焊接特殊性能钢,要选用特殊的专用焊 条。 4.2.2埋弧自动焊 前述的电弧焊的三个 动作(引弧、送进焊条和 移动电弧)都靠机器自动 完成——自动焊,只有一 部分动作靠机器完成,而 还有一部分靠焊工辅助完 成——半自动焊。 p126 为了提高质量、生产 率、改善劳动条件,焊接 向自动化半自动化方向发 展。 1、焊接过程:埋弧焊时,电弧被焊剂所包 围。引弧、送丝、送进焊条都由电焊机自动完成 。 2、埋孤焊的特点及应用: ①生产率高,电流达1000A以上,是手工的5 -10倍,焊深达 20mm。 ②焊接质量好而稳定。保护熔池好,参数稳 定。 ③节省金属和电能,12mm不用开坡口。 ④劳动条件好,无弧光,烟雾,机械操作。 埋弧焊主要用于伏焊焊接厚度较大的长平直焊缝和 大直径环形焊缝。广泛用于造船、容器、锅炉的制 造。 4.2.3 气体保护 焊 1、二氧化碳气 体保护焊 1)焊接过程: 用二氧化碳气体作 为保护气体的电弧 焊。它用焊丝作电 极,靠焊丝和工件 之间产生的电弧熔 化工件与焊丝,熔 池凝固后成为焊缝 。 p129图4-22 2) 特点: ①生产率高,自动送进,电流密度大,是手工 的1~3倍。 ②焊接质量好,脱S好,热影响区小、变形倾 向小。 ③成本低,CO2价低,是埋弧焊的40-50%。 ④操作性能好,明弧焊接。适合各种位置的焊 接。 ⑤飞贱大,烟雾大,易产生气孔,设备贵。 3)应用: 主要用于低碳钢、低合金钢。 在机车,造船、汽车、机械等行业有较广的应 用。 2、氩弧焊 1)焊接过程: 用惰性气体氩气作为保护熔池的保护气体 ,防止有害气体侵入,氩气不和金属反应,焊 接质量好,分为熔化极和不熔化极氩弧焊。 p128 ①钨极氩弧焊 (不熔化极); ②熔化极氩弧焊。 2) 氩弧焊特点及应用: (1)保护作用好,适于有色金属、稀 有金属。 (2)热影响区小,变形小。 (3)操作性能好,明弧,稳定性好, 各种位置焊接。 (4)Ar成本高,设备贵。 适于Al、Cu、Mg、Ti等及不锈钢、耐 热钢的焊接。 4.2.4电渣 焊 (1)电渣焊 过程 是利用电 流通过熔渣所 产生的电阻热 作为热源来熔 化金属进行焊 接的。 P130 (2)特点 ①焊厚件,生产率高。 ②质量好,保护好。 ③成本低,经济效益好。 ④热影响区大。 ⑤焊后冷速慢,焊接应力小。 (3)应用 应用于重型及大型设备的制造中。 4.3 压力焊与钎焊 4.3.1 电阻焊 是利用电流通过焊件及接触处产生电 阻热,将局部加热到塑性或半熔化状态, 在压力下形成接头。 电阻焊接根据接头形式不同,分为: 点焊; 缝焊; 对焊; (1)点焊 把清理好薄板放在 两极之间,夹紧通电, 接触面产生电阻热,使 其熔化,在压力下使焊 件焊在一起,电极通水 冷却。 图4-28 p134 点焊质量与焊接电 流、通电时间、电极电 压、工件清洁程度有关 。 相邻两点要有足够 的距离(以尽量减少分 流)。 (2)缝焊(滚焊) 与点焊相似,称为 重叠点焊。用旋转盘状 电极,代替柱状电极。 焊接时,滚盘压紧工件 ,并转动,断续通电, 形成连续点,重叠50% 以上,密封性能好,由 于焊点近,电流是点焊 的1.5~2倍。 图4-30 p134 (3)对焊 ①电阻对焊:把 工件加压,使焊件压 紧,然后通电,产生 电阻热,加热到塑性 状态,断电加压,使 工件焊到一起,电阻 对焊操作简便,接头 光滑,焊前接头要清 理。 适于强度要求不 高的一些工件。 图4-31 p135 2.电阻焊特点及应用 (1)特点 ①接头质量好,热影响区小。 ②生产率高,易于机械化,自动化 。 ③不需填加金属和熔剂。 ④劳动条件好,无弧光。噪音,适 于异种材料焊接 ⑤焊件结构简单,重量轻。 ⑥电耗量大,设备贵,厚度一定限 制。 (2)应用 ①点焊、凸焊适用于﹤4mm薄板,用于汽车, 飞机,日用品等。 ②缝焊适用于﹤3mm薄板,用于密封结构,油 箱、消音器,管道等。 ③对焊;适用于棒料、型材对接,如自行车 圈、圆环链等。 4.3.2 摩擦焊 利用金属工件接触面摩擦产生热量,使工作 端面达到塑性状态,加压,使工件焊接到一起。 1)焊接过程:如图示。 P136 图4-33 2)特点及应 用 ①接头质量好 ,组织致密。 ②生产率高, 机械化,不填加焊 接材料。 ③可焊接金属 范围广,如异种金 属焊接。 ④设备简单, 耗能少,劳动条件 好。 适用于圆柱管 件对接,汽车,仪 表。 4.3.3 钎焊 1.钎焊过程 是利用熔点低的(比焊件)钎料作填充金 属,用钎剂去除氧化膜,适当加热使钎料熔化 (但工件不熔化),充填接头,把固态工件连 接在一起。 2.钎焊的分类 (1)软钎焊:钎料熔点450℃以下,接头强 度低于70 Mpa,受力不大的低温度工作的工件。 例如锡焊,用于电器元件、仪表、生活用具。 (2)硬钎焊:钎料熔点在450℃以上,接头 强度>200 Mpa,工作温度较高工件,如铜焊, 银焊,镍焊。用于刀具、电器、自行车架。 3.钎焊的特点: (1)温度低,变形小,接头尺寸精密。 (2)适应性广,适于异种材料焊接。 (3)生产率高,整体加热。 (4)设备简单。 (5)强度有限,有色金属钎料成本高。 4.4 常用金属材料的焊接 焊接性(weldability)——是指被焊金属 材料在采用一定的焊接工艺条件下,获得优质 焊接接头的难易程度。 即:金属材料对焊接加工的适应性。 金属材料的焊接性不是金属材料本身的属 性,实质上是其物理、化学性能和力学性能在 焊接过程中的综合反映。 4.4.1 碳钢(carbon steel)的焊接 碳钢的焊接性主要决定于其含碳量。 1、低碳钢的焊接: C<0.25%,塑性好,淬硬倾向小,焊接性好 ,无需采用特别的工艺措施。 2、中碳钢的焊接 C=0.25~0.6%,淬硬倾向变大,焊接性较差 。 易出现的问题: ①焊缝易产生热裂纹。 ②焊接热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。 焊接工艺: ①焊前需预热(150——250℃)、焊后缓冷 。 ②减少基体熔化时间,小电流,细焊条,开 坡口,多层焊。 ③采用碱性低氢焊条,提高焊缝塑性。 3、高碳钢的焊接 高碳钢焊接性能更差,导热性差,淬硬倾向大 ,只能用于修补。 必要时必须采用更高的预热温度、更严格的工 艺措施。并保持焊后缓慢冷却和热处理。 4.4.2合金结构钢的焊接 (1)普通低合金结构钢 焊接特点: ①热影响区易形成淬硬组织,脆性增加。 δ↓、ak↓。 ②热影响区易产生冷裂纹:对氢敏感、淬硬 程度以及接头的内应力较大。 工艺措施: ① σb<400MPa和低C钢一样,不用复杂工 艺。如16Mn。 ② 强度高的低合金钢一般需焊前预热;焊 中控制焊接参数,以使冷速不会过快;焊后热处 理或消氢处理。(消氢处理即焊后立即将焊件加 热到200--350℃,保温2—6小时,以加速氢扩散 逸出,防止产生因氢引起的冷裂纹。) (2)不锈钢(stainless steel) ①奥氏体型不锈钢(如1Cr18Ni9Ti),应用 广泛。含碳量低,塑性好,焊接性良好。需采用 与母材成分接近的焊条。 ②马氏体型不锈钢,焊接性较差。焊接时, 因空冷条件下焊缝就可转变为马氏体组织,所以 焊后淬硬倾向大,易出现冷裂纹。因此,焊前预 热温度200℃~400℃,焊后要进行热处理。如果 不能实施预热或热处理,应选用奥氏体不锈钢焊 条。 ③铁素体型不锈钢(如1Cr17)。焊接时,热 影响区中的铁素体晶粒容易过热粗化,使焊接接 头的塑、韧性急剧下降,甚至开裂。因此应进行 焊前预热并小电流、大焊速焊接。 目前,不锈钢的焊接的常用方法是焊条电弧 焊和氩弧焊。并实施焊前预热,焊接时采用小电 流,快速焊等工艺措施。 4.4.3 铸铁(cast iron )的补焊 铸铁中C,Si,Mn,S,P的含量比碳钢高 ,塑性极低,焊接性能差,不能作为焊接结构 。但对铸铁件的局部缺陷(如裂纹、气孔及在 使用过程中出现的局部损坏或断裂等)进行焊 补(补焊)很有经济价值。 铸铁焊补的主要问题有: ①熔合区易生成白口组织,其中的Fe3C硬 度高,脆性大,难以切削加工; ②焊接接头易出现裂纹; ③易产生气孔、夹杂等缺陷。 根据焊前是否预热温度,将铸铁焊补分为冷 焊法和热焊法两种。 (1)热焊法 焊前把工件预热至60O℃~700℃,并在此温 度下施焊,焊后缓冷或在600℃~700℃保温,消 除应力。 常用的焊补方法是焊条电弧焊或气焊: 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 。 10mm以下薄件为防止烧穿,采用气焊,用气 焊火焰预热和缓冷焊件,选用铁基铸铁焊丝并配 合焊剂使用。 (2)冷焊法 焊前工件不预热(或局部预热至 300℃~400℃),焊后缓冷。 常用的方法是焊条电弧焊。 4.4.4 非铁金属的焊接 铝合金的表面有一层致密的氧化膜,其熔 点高于铝合金本身,因此铝合金是难焊接金属 。 采用氩弧焊,利用其“阴极破碎”作用, 去除氧化铝膜,使焊接得以实现。 通常: 8mm以下板厚的铝合金采用钨极(不熔化极 )氩弧焊; 8mm以上板厚的铝合金则采用熔化极氩弧焊 。 “阴极破碎”作用——氩弧焊时采用反接 法(工件接负极),氩气电离后,由于氩正离 子的质量较大,在电场力的加速下撞击工件表 面,使氧化膜表面破碎并清除。 铝合金还可以采用电阻焊和钎焊。 4.5 焊接结构设计 4.5.1 焊接件材料的选择 在满足使用性能前提下,尽量选用焊接性能 较好的材料,尽量选C<0.4%碳钢,C当<0.4%合 金钢。 根据材料的可焊接性能选材。 4.5.2 焊接方法的选择 原则是在保证质量的前提下: 1、优先选用常用的焊接方法; 2、产品批量较大时,考虑提高生产率和降 低成本。 低碳钢和低合金结构钢:各种方法均可 。氩弧焊较贵,一般不用。 长直焊缝或圆周焊缝,且批量较大:埋 弧自动焊。 单件生产或焊缝短且处于空间不同位置 :手工电弧焊。 薄板、无密封要求:点焊。 薄板、有密封要求:缝焊。 合金钢、不锈钢:氩弧焊。 4.5.3 焊接接头工艺设计 设计焊接结构时,应多采用型钢, 这样可以减少焊缝数量,简化焊接工艺 ,增加焊件的强度和刚性。 1、焊缝的布置 焊缝布置是否合理,直接影响结构件的焊接 质量和生产率。因此,设计焊缝位置时应考虑下 列原则: (1)焊缝应尽量处于平焊位置 各种位置的焊缝,其操作难度不同。以焊条 电弧焊焊缝为例,其中平焊操作最方便,易于保 证焊接质量,是焊缝位置设计中的首选方案,立 焊、横焊位置次之,仰焊位置施焊难度最大,不 易保证焊接质量。 (2)焊缝布置应尽可能对称 利于焊接变形相互抵消。 (3)焊缝布置应尽量避免密集或交叉 (4)焊缝布置应避开最大应力和应力集中位置 (5)焊缝布置应尽量避开切削加工表面 (6)焊缝要布置要便于焊接操作 焊条电弧焊时,焊条要能伸到焊缝位置,如图 所示。 点焊、缝焊时,电极要能伸到待焊位置,如图 所示。 埋弧焊时,焊缝所处的位置能否存放焊剂,如 图。 设计时若忽略了这些问题,则无法施焊。 4.5.5 焊接接头设计 主要考虑焊件结构形状、板厚和使用性能要求。 有对接接头、角接接头、T字接头、搭接接头4种。 P143 (光盘“焊接件结构工艺性”从19.00开始播 放) 作业: P145 9、10、11、12(为什么?)。 第四章完
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