機械加工工藝第四章焊接課件

金屬材料成形基礎(chǔ)目的和要求了解熔焊的基本過程；理解接頭性能對焊接質(zhì)量的影響；了解常用焊接方法，理解手工電弧焊的基本原理，特點和應(yīng)用；了解現(xiàn)代焊接方法的特點和應(yīng)用；了解常用金屬材料的焊接性能，掌握碳鋼、低合金鋼的焊接方法和焊接性能；掌握焊接的結(jié)構(gòu)工藝性，能選擇簡單焊件的材料，焊接方法，接頭形式及焊縫布置。一、金屬焊接成形用加熱、加壓等工藝措施，使兩分離表面產(chǎn)生原子間的結(jié)合與擴散作用，從而獲得不可拆卸接頭的材料成形方法。第四章焊接第一節(jié)概述鉚接與焊接（圖示）三、焊接的應(yīng)用三、焊接的應(yīng)用三、焊接的應(yīng)用五、焊接的不足1．接頭牢固、封性好。2．可化大為小、以小拼大。

3．可實現(xiàn)異種金屬的連接。4．重量輕、加工裝配簡單。5．焊接應(yīng)力變形大，接頭易產(chǎn)生裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。四、焊接的優(yōu)點1．不可拆卸。2．焊接接頭性能下降。

3．焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。4．焊接缺陷。焊條工件焊接電弧熱源——在焊條末端和工件兩極之間的氣體介質(zhì)中，產(chǎn)生強烈而持久的放電現(xiàn)象。+-d第二節(jié)熔焊過程與接頭性能一、熔焊過程加熱——形成熔池——冷卻、結(jié)晶包括：冶金過程、熱過程、結(jié)晶過程O2[O]Fe+[O]

FeOMn+[O]

MnOSi+[O]

SiO2C+[O]

CO(1)

O2：3)空氣對焊縫的影響嚴重氧化的結(jié)果①合金元素被燒損；②焊縫產(chǎn)生夾渣的缺陷；③形成CO氣孔。2）N2

：Fe+[N]

Fe4N使接頭的塑性、韌性下降。3）H2

：擴散氫

氫脆[N]N2[H]H2

例一：二戰(zhàn)期間，美國250艘船斷裂事故，10艘在平靜港灣突然一斷為二。例二：60年代初，美國北極星導(dǎo)彈試驗多次發(fā)生爆炸事故。調(diào)查：殼體材料常規(guī)強度沒有問題，在爆炸碎片中發(fā)現(xiàn)裂紋。1.減少有害氣體進入熔池；2.滲入合金元素；3.清除已進入熔池的有害元素。焊接時要采取措施3.焊接熔池的結(jié)晶過程產(chǎn)生偏析（a）、（b）容易開裂。4.焊接應(yīng)力與焊接變形各部分加熱和冷卻均不同步受母材的約束柱狀樹枝晶——垂直于熔壁，晶柱軸線向中心。產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力→變形→裂紋L0ⅠⅡ焊接應(yīng)力狀態(tài)：焊縫區(qū)域—拉應(yīng)力兩側(cè)冷金屬—壓應(yīng)力焊接變形：焊件整體縮短

L’7）反變形法3）錘擊或碾壓焊縫4）采用小能量、多層焊5）焊前預(yù)熱（150℃~350℃）6）焊后熱處理（去應(yīng)力退火）可消除應(yīng)力80%左右1234561—4—5—2—3—6(1)熱裂紋——發(fā)生在焊縫區(qū)嚴格控制焊縫成分P、S↓，Ni、Co、Mn↑,減小焊接應(yīng)力。在高溫下（固相線附近），P、S等低熔點雜質(zhì)在晶界出形成液態(tài)膜，受焊接力影響發(fā)生開裂。(2)冷裂紋——發(fā)生在鋼材Ms以下淬硬的脆性組織、焊接應(yīng)力及擴散氫合理選材，例如鋼材的碳當(dāng)量CE改善焊接工藝：1)、5)、6)——改進熱過程2)、3)4)、5)

——減少氫含量5.焊接裂紋——最危險的缺陷7)

——去除應(yīng)力二、焊接接頭的性能焊接接頭焊縫區(qū)焊接熱影響區(qū)晶粒粗大，成分偏析、不致密熔池金屬冷卻結(jié)晶所形成的鑄態(tài)組織。2.

熱影響區(qū)和熔合區(qū)1.焊縫的組織與性能焊縫兩側(cè)的母材，由于焊接熱的作用，其組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。性能與母材接近(沖擊韌性較差)可調(diào)整化學(xué)成分，有害元素較低①熔合區(qū)是焊縫和母材金屬的交界區(qū)。（0.1-1mm）加熱溫度：T液~T固強度、塑性、韌性極差，是裂紋和局部脆斷的發(fā)源地。②過熱區(qū)加熱溫度：T固~1100℃塑性和韌性很低，是裂紋的發(fā)源地。在熱影響區(qū)內(nèi)具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。（1-3mm）③正火區(qū)加熱溫度：1100℃~AC3在熱影響區(qū)內(nèi)相當(dāng)于受到正火處理的區(qū)域。（1.2-4mm）力學(xué)性能優(yōu)于母材。④部分相變區(qū)在熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生部分相變的區(qū)域。加熱溫度：AC3~AC1力學(xué)性能較母材稍差。力學(xué)性能最差的區(qū)域：熔合區(qū)和過熱區(qū)3.

影響焊接接頭性能的因素（1）焊接材料——構(gòu)成焊縫金屬（2）焊接方法：熱源特性、機械保護效果（3）焊接工藝：焊接電流、電壓、焊接速度、線能量E（4）焊前預(yù)熱、焊后熱處理（正火）E——線能量I/cm，I/U/V——焊接電流A/電弧電壓V/焊接速度cm/sη——有效熱系數(shù)（0.66～0.85）、（0.90～0.99）一、焊條電弧焊

特點(1)設(shè)備簡單、應(yīng)用靈活方便。(2)勞動條件差、生產(chǎn)率低、質(zhì)量不穩(wěn)定。焊接過程①引弧②形成熔池③形成焊縫第三節(jié)常用焊接方法熔化焊

1.焊條焊條芯藥皮焊縫的填充材料

—填充焊縫電極傳導(dǎo)電流

—導(dǎo)電機械保護的作用冶金的作用穩(wěn)定電弧的作用焊條芯藥皮藥皮的種類：①氧化鈦型；②氧化鈦鈣型；③鈦鐵礦型；④氧化鈦型；⑤纖維素型；⑥低氫鉀型；⑦低氫鈉型；⑧石墨型；⑨鹽基型。(1)組成和作用（2）焊條的種類結(jié)構(gòu)鋼焊條—J；鉬和鉻耐熱鋼焊條—R；低溫鋼焊條—W；不銹鋼焊條—A；堆焊焊條—D；鑄鐵焊條—Z；鎳及鎳合金焊條—Ni；銅及銅合金焊條—T；鋁及鋁合金焊條—L；特殊用途焊條—TSJ507藥皮種類（低氫型）抗拉強度結(jié)構(gòu)鋼焊條J422藥皮種類（鈣鈦型）抗拉強度結(jié)構(gòu)鋼焊條酸性焊條：堿性焊條：在熔渣中以酸性氧化物為主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中以堿性氧化物為主（K2O、Na2O、CaO、MnO）2.焊條的選用1.根據(jù)被焊工件的強度選用2.根據(jù)被焊工件的化學(xué)成分選用3.根據(jù)被焊工件工作條件和結(jié)構(gòu)選用4.根據(jù)實際生產(chǎn)狀況選用二、埋弧自動焊焊接電源控制箱焊接小車焊接熱源：電弧熱溶池保護：焊劑（氣、渣）1.埋弧自動焊設(shè)備及焊接過程2.埋弧自動焊工藝1）焊前準備2)采取防漏措施①雙面焊；②手工電弧焊封底；③焊劑墊；④采用鎖底坡口；⑤水冷銅墊板。板厚在20～25mm以下的工件可不開坡口；但在實際生產(chǎn)中，板厚在14～22mm應(yīng)開Y型坡口，半厚在22~50mm，可開雙Y型坡口或U型坡口。3)要有引弧板和引出板環(huán)焊縫：焊絲起弧點應(yīng)與環(huán)的中心偏離一定距離a；（a=20~40mm）。直徑小于250mm一般不采用埋弧焊。3.埋弧自動焊工藝特點1）生產(chǎn)率高（手弧焊的5~10倍）2）焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定。3）節(jié)約金屬材料、生產(chǎn)成本低。4）勞動條件好。5）只能在水平位置焊接。應(yīng)用：主要用于較厚鋼板的長直焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫焊接。如壓力容器的環(huán)焊縫和直焊縫、鍋爐冷卻壁的長直焊縫、船舶和潛艇殼體、其重機械、冶金機械（高爐爐身）等的焊接。三、氣體保護焊1.氬弧焊利用氬氣作為保護性介質(zhì)的電弧焊方法。焊接熱源：電弧熱保護介質(zhì)：ArAr①不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)—不產(chǎn)生夾渣缺陷②不溶解于液體金屬中—不產(chǎn)生氣孔缺陷③比重大于空氣（25%）“陰極破碎”作用1）熔化極氬弧焊25mm以下的工件2）非熔化極氬弧焊適于6mm以下工件的焊接3）氬弧焊的特點及應(yīng)用①機械保護效果好，焊縫金屬純凈，焊縫成形美觀，焊接質(zhì)量優(yōu)良。②電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小。③焊接熱影響區(qū)和變形小。④可進行全位置焊接。⑤氬氣昂貴，設(shè)備造價高。應(yīng)用：適用于易氧化的有色金屬及合金鋼材料的焊接。如：鋁、鎂、鈦及其合金和耐熱鋼、不銹鋼等。適用所有金屬材料的焊接。以CO2氣體作為保護性介質(zhì)的電弧焊方法。焊接熱源：電弧熱保護介質(zhì)：CO2CO2①與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)—產(chǎn)生夾渣缺陷②溶解于液體金屬中—產(chǎn)生CO

氣孔缺陷③比重大于空氣（25%）①氧化嚴重；②氣孔傾向大（CO）；③飛濺嚴重。1)存在問題2.

CO2氣體保護焊①生產(chǎn)率高（是手弧焊的1~3倍）。②成本低（是手弧焊的40%）。③焊接熱影響區(qū)和變形小。④可進行全位置焊接。⑤飛濺嚴重，焊縫成形差。應(yīng)用：適用于低碳鋼和強度級別不高的低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接。目前廣泛用于造船、機車車輛、汽車制造、農(nóng)業(yè)機械等。2）CO2氣體保護焊的特點及應(yīng)用壓力焊五、電阻焊

通過加壓、或同時加熱加壓，使焊件產(chǎn)生塑性變形，并經(jīng)再結(jié)晶和擴散作用，實現(xiàn)連接的焊接方法。1.點焊工藝參數(shù)電極壓力焊接電流通電時間適中

對組合焊件經(jīng)電極加壓，利用電流通過焊接接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，實現(xiàn)焊接。焊點距離太近—分流現(xiàn)象嚴重太遠—強度不夠應(yīng)用：4mm以下的薄板搭接。點焊縫焊2.縫焊應(yīng)用：3mm以下的薄板搭接。如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。3.對焊主要用于棒料的對接。1）電阻對焊應(yīng)用：用于斷面簡單，直徑（或邊長）小于20mm或強度要求不太高的工件。2）閃光對焊應(yīng)用：用于重要工件的焊接。可焊相同金屬，也可焊異種金屬（鋁—鋼、鋁—銅等）。工件直徑—0.01mm~200mm。六、摩擦焊1.摩擦焊焊接過程2.摩擦焊接頭型式3.特點及應(yīng)用①質(zhì)量穩(wěn)定；②不需填充金屬及焊劑；③生產(chǎn)率高，易實現(xiàn)自動化。應(yīng)用：適用于黑色金屬、有色金屬；也適用于特種材料、異種材料焊接。摩擦焊七、釬焊是將釬料熔化，利用液態(tài)釬料濕潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散，冷凝后實現(xiàn)連接的焊接方法。種類1.軟釬焊2.硬釬焊釬料的熔點在450℃以下。接頭強度低，一般為60~190MPa，工作溫度低于100℃釬料的熔點在450℃以上。接頭強度高，在200MPa以上，工作溫度較高。釬料的作用①連接②填充釬料的種類①軟釬料：②硬釬料：錫鋁合金（焊錫）鋁基、銅基、銀基、鎳基合金等。2.溶劑溶劑的作用①清理作用②降低表面張力③保護作用去除表面氧化皮改善液態(tài)釬料對焊件的濕潤性，增強毛細管作用。二、釬料和溶劑1.釬料2.可焊同種、異種金屬和厚薄懸殊的工件。3.生產(chǎn)率高。易于實現(xiàn)自動化。4.設(shè)備簡單，生產(chǎn)投資費用少。應(yīng)用：主要焊接精密、微型、復(fù)雜、多焊縫異種金屬的焊接。目前：軟釬焊廣泛用于電子、電器、儀表等行業(yè)；硬釬焊用于硬質(zhì)合金刀具、鉆探鉆頭、換熱器的焊接。三、釬焊的特點及應(yīng)用加熱溫度低，接頭組織、性能變化?。缓附幼冃涡?，工件尺寸精確。一、金屬焊接性1.金屬材料的焊接性指被焊金屬采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性①工藝焊接性：②使用焊接性：焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向。尤其指出現(xiàn)各種裂紋的可能性焊接接頭在使用中的可靠性。包括力學(xué)性能及其它特殊性能

影響焊接性的因素1）焊接方法4）工藝參數(shù)2）焊接材料3）焊件化學(xué)成分第五節(jié)

常用金屬材料的焊接2.碳當(dāng)量C—影響最顯著—基本元素—折合成碳的相當(dāng)含量對焊接性的影響其它元素CE<0.4%CE=0.4%~0.6%CE>0.6%具有良好的焊接性焊接性較差焊接性差三、碳鋼的焊接1.低碳鋼的焊接低碳鋼：C<0.25%CE<0.4%焊接性良好。2.中碳鋼的焊接中碳鋼：C<0.25~0.60%焊接性由良好較差。CE<0.4%CE=0.4%~0.60%問題焊縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋3.高碳鋼的焊接高碳鋼：C>0.60%焊接性差。CE>0.60%問題焊縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋措施焊前預(yù)熱（250~350℃），焊后緩冷。選用低氫型焊條。焊件開坡口，且采用細焊條、小電流、多層焊。避免選用高碳鋼作為焊接結(jié)構(gòu)件。焊補措施焊前預(yù)熱（150~250℃），焊后緩冷。選用低氫型焊條。焊件開坡口，且采用細焊條、小電流、多層焊。三、低合金鋼的焊接合金結(jié)構(gòu)鋼機械制造用結(jié)構(gòu)鋼普通低合金結(jié)構(gòu)鋼（調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼）（壓力容器、鍋爐、橋梁、車輛、船舶等結(jié)構(gòu)。）普通低合金結(jié)構(gòu)鋼：低強度普通低合金結(jié)構(gòu)鋼：高強度普通低合金結(jié)構(gòu)鋼：σs<400MPaCE<0.4%16Mn、09Mn2Siσs>400MPaCE<0.4%~0.5%焊接性良好。焊接性較差。15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV焊前預(yù)熱（150~250℃），焊后緩冷；選用低氫型焊條；焊件開坡口，且采用細焊條、小電流、多層焊。四、奧氏體不銹鋼的焊按成分分類高鉻鋼Cr13鉻鎳鋼Cr18Ni9Ti按組織分類：馬氏體鋼

系列：奧氏體鋼：Cr13鐵素體鋼系列：Cr18Ni9TiCr17～28,如Cr25Ti焊接性較差。15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV不銹鋼焊接的主要問題——晶間腐蝕

抗腐蝕原理：主要取決于鋼中Cr當(dāng)鋼含Cr鉻量＞13%，鋼的電極電位從-0.56V突躍+1.2V的高電位，抗電化學(xué)腐蝕能力較好。產(chǎn)生晶間腐蝕

即在組織的晶界處，發(fā)生含鉻量＜12%,使鋼材耐腐能力急劇下降。（比一般均勻腐蝕要快的多，嚴重時鋼材出現(xiàn)龜裂甚至碎成塊狀。）克服晶間腐蝕的方法：

a）降低鋼材的含碳量。

b)添加穩(wěn)定元素。如：Ti,NB,V,Mo等；c）焊接時加熱、快速冷卻；

d）焊后補充熱處理。（水韌處理）五、鑄鐵的焊補一、鑄鐵焊補的特點（困難）1.熔合區(qū)易產(chǎn)生白口組織和淬硬組織；2.焊縫區(qū)易產(chǎn)生裂紋；3.焊縫區(qū)易產(chǎn)生氣孔；4.熔池金屬易流失；二、鑄鐵焊補的方法1.熱焊法焊前將焊件整體或局部預(yù)熱至600~700℃并施焊，焊后緩冷。用于形狀復(fù)雜，焊后需要機械加工的重要件。如汽缸體、汽缸蓋、機床導(dǎo)軌等2.冷焊法焊前不預(yù)熱或低溫預(yù)熱（400℃）的焊補方法。焊條①鋼芯鑄鐵焊條：適用于非加工表面的焊補②石墨化鑄鐵焊條：⑤高釩鑄鐵焊條：④鎳基鑄鐵焊條：③銅基鑄鐵焊條：適用于較大灰口鑄鐵件的焊補主要用于一般鑄鐵件的焊補主要用于重要件加