金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院

1、金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.2.1. 壓力焊方法及工藝 壓力焊是指通過加熱等手段使金屬達(dá)到塑性狀態(tài)，加壓使其產(chǎn)生塑性變形、再結(jié)晶和擴(kuò)散等作用，使兩個分離表面的原子接近到晶格距離（0.5nm)，形成金屬鍵，從而獲得不可拆卸接頭的一類焊接方法。 熱源形式為：電阻熱、高頻熱、摩擦熱等。 力的形式為：靜壓力、沖擊力（鍛壓力）和爆炸力等。 壓力焊為：冷壓焊、擴(kuò)散焊和熱壓焊 壓力焊動畫模擬金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.2.2 電阻焊1電阻焊的原理及過程 電阻焊是利用電阻熱為熱源，并在壓力下通過塑性變形和再結(jié)晶而實現(xiàn)焊接的。 （1） 熱源 電阻熱：Q=IIRt ,其中電流和時間是外因，而電阻是內(nèi)因

2、。 焊接區(qū)的總電阻為：R=Rc+2Rew+2Rw。其中Rc為焊件接觸電阻，Rew為電極與焊件間的接觸電阻，Rw為焊件電阻。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院影響接觸電阻的因素： 工件表面狀態(tài) 表面愈粗糙、氧化愈嚴(yán)重、接觸電阻愈大。 電極壓力 壓力愈高、接觸電阻愈小。 焊前預(yù)熱 焊前預(yù)熱將會使接觸電阻大大下降。 （2） 力 靜壓力用來調(diào)整電阻大小，改善加熱。產(chǎn)生塑性變形或在壓力下結(jié)晶。 沖擊力（鍛壓力）用來細(xì)化晶粒，焊合缺陷等。其壓力變化形式有平壓力，階梯壓力和馬鞍形壓力，其中馬鞍形壓力較為理想。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院電阻點焊熔核形成過程（3） 電阻焊過程 預(yù)壓、通電加熱、在壓力下冷卻結(jié)晶或

3、塑性變形和再結(jié)晶。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院2電阻點焊 電阻點焊是用圓柱電極壓緊工件，通電、保壓獲得焊點的電阻焊方法。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院點焊時的熔核偏移 在焊接不同厚度或不同材料時，因薄板或?qū)嵝院玫牟牧?，吸熱少，而散熱快，?dǎo)致熔核偏向厚板或?qū)岵畹牟牧系默F(xiàn)象稱為熔核偏移。防止熔核偏移的措施 采用特殊電極和工藝墊片的措施。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院點焊工藝參數(shù) 點焊的工藝參數(shù)為電流、壓力和時間。 大電流，短時間稱為強(qiáng)規(guī)范。 小電流，長時間稱為弱規(guī)范。點焊接頭形式 點焊主要用于汽車、飛機(jī)等薄板結(jié)構(gòu)的大批量生產(chǎn)。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院3電阻縫焊 縫焊是連續(xù)的點焊過程，它

4、是用連續(xù)轉(zhuǎn)動的盤狀電極代替了柱狀電極，焊后獲得相互重疊的連續(xù)焊縫。 縫焊分流嚴(yán)重，通常采用強(qiáng)規(guī)范焊接，焊接電流比點焊大2倍。 縫焊主要用于低壓容器，如汽車、摩托車的油箱、氣體靜化器等的焊接。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4對焊 （1）電阻對焊 先將工件夾緊并加壓，然后通電使接觸面溫度達(dá)到塑性溫度(9501000)。在壓力下塑變和再結(jié)晶形成固態(tài)焊接接頭（圖12-77a）。電阻對焊要求對接處焊前嚴(yán)格清理，所焊截面積較小，一般用于鋼筋的對接焊。 （2）閃光對焊 先通電，后接觸，因個別點接觸，個別點通過的電流密度很高，可使其瞬間熔化或汽化，形成液態(tài)過梁。由于過梁上存在電磁收縮力和電磁引力及斥力而使過梁

5、爆破飛出，形成閃光。閃光一方面排除了氧化物和雜質(zhì)，另一方面使對口處的溫度迅速升高。 閃光對焊主要用于鋼軌、錨鏈、管子等的焊接，也可用于異種金屬的焊接。因接頭中無過熱區(qū)和鑄態(tài)組織，所以性能高。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.2.3 摩擦焊1.摩擦焊的工藝過程原理 摩擦焊是利用焊件接觸面相對旋轉(zhuǎn)運動中相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達(dá)到塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。 接頭的焊接質(zhì)量好、穩(wěn)定，其廢品率是閃光對焊的1%左右。 適于焊接異種鋼和異種金屬，如碳素結(jié)構(gòu)鋼-高速鋼、銅-不銹鋼、鋁-銅、鋁-鋼等。2.摩擦焊具有以下優(yōu)點：金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 焊件尺寸精度高，可以實現(xiàn)直接裝

6、配焊接。 焊接生產(chǎn)率高，是閃光焊的45倍。 三相負(fù)載均衡，節(jié)能，改善了三相供電電網(wǎng)的供電條件。與閃光對焊比較，節(jié)省電能80%90%左右。 由于摩擦焊金屬焊接變形小，接頭焊前不需特殊清理，接頭上的飛邊有時可以不必去除，焊接不需要填充材料和保護(hù)氣體，加工成本顯著降低。 摩擦焊機(jī)容易實現(xiàn)機(jī)械化，自動化；操作技術(shù)簡單，容易掌握。 摩擦焊的工作場地衛(wèi)生，沒有火花，弧光；沒有有害氣體，有利于環(huán)境保護(hù)，適于設(shè)置在自動生產(chǎn)線上。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.3 釬焊、封接與粘接工藝 4.3.2 粘接工藝4.3.1 釬 焊 釬焊、封接與粘接工藝是一種物理和化學(xué)連接。它是在低于構(gòu)件熔點的溫度下，采用填縫材料，

7、在液態(tài)下充填縫隙，通過毛細(xì)作用及表面化學(xué)反應(yīng)，待填縫材料結(jié)晶或固化后，將兩個分離的表面連接形成不可拆接頭。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.3.1 釬焊 釬焊:是利用熔點比焊件低的釬料作填充金屬，適當(dāng)加熱后，釬料熔化而將處于固態(tài)的焊件連接起來的一種焊接方法。 1硬釬焊 釬料熔點在450以上，接頭強(qiáng)度較高，都在200MPa以上，屬于這類的釬料有銅基、銀基和鎳基等。 2軟釬焊 釬料熔點為450以下，接頭強(qiáng)度較低，一般不超過70MPa，所以只用于釬焊受力不大、工作溫度較低的工件。常用的釬料是錫鉛合金，所以通稱錫焊。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 釬焊過程中，一般都需要使用釬劑。釬劑的作用是：清除被焊

8、金屬表面的氧化膜及其它雜質(zhì)，改善釬料流入間隙的性能（即潤濕性），保護(hù)釬料及焊件不被氧化，因此釬劑對釬焊質(zhì)量影響很大。 軟釬焊時，常用的釬劑為松香或氯化鋅溶液。 硬釬焊時，釬劑種類較多，主要由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等組成，應(yīng)根據(jù)釬料種類選擇應(yīng)用。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.3.2 粘接工藝 粘接是利用膠粘劑把兩種性質(zhì)相同或不同的物質(zhì)牢固地粘合在一起的連接方法。膠粘劑所以能夠把兩個物質(zhì)牢固地粘接在一起，主要因為膠粘劑能通過本身在被粘接材料的連接面上產(chǎn)生機(jī)械、物理和化學(xué)作用而具有粘附力。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院粘接具有以下優(yōu)點： 粘接對材料的適應(yīng)性強(qiáng)，既可用于各種金屬、非金屬的連接，

9、也可用于金屬與非金屬的連接。 能減輕結(jié)構(gòu)重量。采用粘接可省去很多螺釘、螺栓等連接件，因此，粘接比鉚接、焊接減輕結(jié)構(gòu)重量約25%30%。 粘接接頭的應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中較小，因此它的耐疲勞性能好。 粘接接頭的密封性能好，并具有耐磨蝕和絕緣等性能。 粘接工藝簡單，操作容易，效率高，成本低。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院粘接具有以下缺點： 粘接強(qiáng)度比較低，一般僅能達(dá)到金屬母材強(qiáng)度的10%50%。粘接接頭的承載能力主要依賴于較大的粘接面積。 使用溫度低，一般長期工作溫度只能在150以下，僅有少數(shù)可在200300范圍內(nèi)使用。 粘接接頭長期與空氣、熱和光接觸時，易老化變質(zhì)。 粘接質(zhì)量因受多種因素影響不夠

10、穩(wěn)定，而且質(zhì)量難以檢驗。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4 金屬材料的焊接性能 4.4.1 金屬材料的可焊性4.4.2 碳鋼的焊接4.4.3 鑄鐵的焊補(bǔ)4.4.4 有色金屬的焊接金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.1 金屬材料的可焊形可焊性的概念 金屬材料的可焊性，是指被焊金屬在采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，即金屬材料在一定的焊接工藝條件下，表現(xiàn)出“好焊”和“不好焊”的差別。估算鋼材可焊性的方法碳當(dāng)量法：碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量經(jīng)驗公式為：15)()(5)()()(6)()()(CuwNiwVwMowCrwMnwCwCEw金屬工藝原理

11、學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 根據(jù)經(jīng)驗： C當(dāng)量0.4%時，鋼材塑性良好，淬硬傾向不明顯，可焊性良好。在一般的焊接工藝條件下，焊件不會產(chǎn)生裂縫，但對厚大工件或低溫下焊接時應(yīng)考慮預(yù)熱。 C當(dāng)量=0.4%0.6%時，鋼材塑性下降，淬硬傾向明顯，可焊性較差。焊前工件需要適當(dāng)預(yù)熱，焊后應(yīng)注意緩冷，要采取一定的焊接工藝措施才能防止裂縫。 C當(dāng)量0.6%時，鋼材塑性較低，淬硬傾向很強(qiáng)，可焊性不好。焊前工件必須預(yù)熱到較高溫度，焊接時要采取減少焊接應(yīng)力和防止開裂的工藝措施，焊后要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚拍鼙ＷC焊接接頭質(zhì)量。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院小型抗裂試驗 從應(yīng)用一般焊接工藝焊后有無裂縫或裂縫多少，可初步評定試板材

12、料的可焊性好壞；而后調(diào)整工藝（如預(yù)熱、緩冷等）再焊接試板，使達(dá)到不裂，從而可參考抗裂試驗制訂出合理的焊接工藝規(guī)程與規(guī)范。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.2 碳鋼的焊接 低碳鋼含碳量不大于0.25%，塑性好，一般沒有淬硬傾向，對焊接熱過程不敏感，可焊性良好。焊這類鋼時，不需要采取特殊的工藝措施，通常在焊后也不需要進(jìn)行熱處理（電渣焊除外）。4.4.2.2 中、高碳鋼的焊接 中碳鋼含碳量在0.25%0.6%之間，隨含碳量的增加，淬硬傾向愈發(fā)明顯，可焊性逐漸變差。在實際生產(chǎn)當(dāng)中，主要是焊接各種中碳鋼的鑄鋼件與鍛件。中碳鋼的焊接特點：4.4.2.1 低碳鋼的焊接金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 熱影

13、響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織和冷裂縫 中碳鋼屬于易淬火鋼，熱影響區(qū)被加熱超過淬火溫度的區(qū)段時，受工件低溫部分的迅速冷卻作用，將出現(xiàn)馬氏體等淬硬組織。如焊件剛性較大或工藝不恰當(dāng)時，就會在淬火區(qū)產(chǎn)生冷裂縫，即焊接接頭焊后冷卻到相變溫度以下或冷卻到常溫后產(chǎn)生裂縫。 焊縫金屬熱裂縫傾向較大 焊接中碳鋼時，因母材含碳量與硫、磷雜質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊條鋼芯，母材熔化后進(jìn)入熔池，使焊縫金屬含碳量增加塑性下降，加上硫、磷低熔點雜質(zhì)的存在，焊縫及熔合區(qū)在相變前就可能因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。因此，焊接中碳鋼構(gòu)件，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，使焊接時工件各部分的溫差減小，以減小焊接應(yīng)力，同時減慢熱影響區(qū)的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織。金屬工藝原理學(xué)

14、講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.2.3 合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接低合金鋼的焊接特點： 熱影響區(qū)的淬硬傾向 低合金鋼焊接時，熱影響區(qū)可能產(chǎn)生淬硬組織，淬硬程度與鋼材的化學(xué)成分和強(qiáng)度級別有關(guān)。鋼中含碳及合金元素越多，鋼材強(qiáng)度級別越高，焊后熱影響區(qū)的淬硬傾向也越大。強(qiáng)度級別大于450MPa級的低合金鋼，淬硬傾向增加，熱影響區(qū)容易產(chǎn)生馬氏體組織，形成淬火區(qū)，硬度明顯增加，塑性、韌性則下降。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 焊接接頭的裂縫傾向 不同環(huán)境溫度的預(yù)熱要求： 工件厚度/mm：16以下，不低于-10不預(yù)熱, -10以下預(yù)熱100150 工件厚度/mm：16-24，不低于-5不預(yù)熱 ,-5以下預(yù)熱100150 工件

15、厚度/mm：24-40，不低于0不預(yù)熱, 0以下預(yù)熱100150 工件厚度/mm：40以上，均應(yīng)預(yù)熱100150金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.3 鑄鐵的焊補(bǔ)鑄鐵的焊接特點： 熔合區(qū)易產(chǎn)生白口組織；易產(chǎn)生裂縫；易產(chǎn)生氣孔4.4.3.1 熱焊法 熱焊法是焊前將工件整體或局部預(yù)熱到600700，焊后緩慢冷卻。 熱焊法可防止工件產(chǎn)生白口組織和裂縫，焊補(bǔ)質(zhì)量較好，焊后可以進(jìn)行機(jī)械加工。但熱焊法成本較高，生產(chǎn)率低，焊工勞動條件差。 一般用于焊補(bǔ)形狀復(fù)雜焊后需要加工的重要鑄件，如床頭箱、汽缸體等。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.3.2 冷焊法 焊補(bǔ)之前，工件不預(yù)熱或只進(jìn)行400以下低溫預(yù)熱的焊

16、補(bǔ)方法通常稱為冷焊法，主要依靠焊條來調(diào)整焊縫化學(xué)成分以防止或減少白口組織和避免裂縫。冷焊法方便靈活生產(chǎn)率高、成本低、勞動條件好。但焊接處切削加工性能較差。生產(chǎn)中多用于焊補(bǔ)要求不高的鑄件以及怕高溫預(yù)熱引起變形的工件。 焊接時，應(yīng)盡量采用小電流、短弧、窄焊縫、短焊道（每段不大于50mm）并在焊后及時輕輕錘擊焊縫以松弛應(yīng)力，防止焊后開裂。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.4 有色金屬的焊接4.4.4.1 銅及銅合金的焊接 銅及銅合金的焊接比低碳鋼困難得多，其原因是： 銅的導(dǎo)熱性很高（紫銅約為低碳鋼的8倍），焊接時熱量極易散失。因此，焊前工件要預(yù)熱，焊接時要選用較大電流或火焰，否則容易造成焊不透缺

17、陷。 銅在液態(tài)易氧化，生成的Cu2O與銅組成低熔點共晶，分布在晶界形成薄弱環(huán)節(jié)；又因銅的膨脹系數(shù)大，凝固時收縮率也大，容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。因此，焊接過程中極易引起開裂。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 銅在液態(tài)時吸氣性強(qiáng)，特別容易吸氫。凝固時氣體從熔液中析出，來不及逸出就會生成氣孔。 銅的電阻極小，不適于電阻焊接。 銅合金中的合金元素有的比銅更易氧化，使焊接的困難增大。例如黃銅（銅鋅合金）中的鋅沸點很低，極易燒蝕蒸發(fā)并生成氧化鋅（ZnO）。改變接頭化學(xué)成分、降低接頭性能，而且形成氧化鋅煙霧易引起焊工中毒。鋁青銅中的鋁，焊接時易生成難熔的氧化鋁，增大熔渣粘度，生成氣孔和夾渣。 銅及銅合金可用氬

18、弧焊、氣焊、碳弧焊、釬焊等方法進(jìn)行焊接。 采用氬弧焊是保證紫銅和青銅焊接質(zhì)量的有效方法。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.4.2 鋁及鋁合金的焊接 工業(yè)上用于焊接的主要是純鋁（熔點658）、鋁錳合金、鋁鎂合金及鑄鋁。鋁及鋁合金的焊接也比較困難，其焊接特點是： 鋁與氧的親和力很大，極易氧化生成氧化鋁（Al2O3）。氧化鋁組織致密，熔點高達(dá)2050，它覆蓋在金屬表面，能阻礙金屬熔合。此外，氧化鋁密度大，易使焊縫夾渣。 鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較大，要求使用大功率或能量集中的熱源，厚度較大時應(yīng)考慮預(yù)熱。鋁的膨脹系數(shù)也較大，易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形，并可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院 液態(tài)鋁能吸收大量的氫，鋁在固態(tài)時又幾乎不溶解氫，因此在溶池凝固時易生成氣孔。 鋁在高溫時強(qiáng)度及塑性很低，焊接時常由于不能支持熔池金屬而引起焊縫塌陷，因此常需采用墊板。 目前焊接鋁及鋁合金的常用方法有氬弧焊、氣焊、點焊、縫焊和釬焊。 不論采用哪種焊接方法焊接鋁及鋁合金，焊前必須徹底清理焊件的焊接部位和焊絲表面的氧化膜與油污，清理質(zhì)量的好壞將直接影響焊縫性能。金屬工藝原理學(xué)講義機(jī)械工程學(xué)院4.4.4.3 異種金屬的焊接性分析 異種金屬焊接通常要比同種金屬的焊接困難，因為除了金屬本身的物理化學(xué)性能對焊接有影響外，兩種金屬材料性能的差異會更大程度上影響