金屬工藝學--焊接.ppt

1、金屬工藝學,第四篇 金屬焊接成型,概 述,一、金屬焊接成形,用加熱、加壓等工藝措施，使兩分離表面產生原子間的結 合與擴散作用，從而獲得不可拆卸接頭的材料成形方法。,二、焊接成形的分類,1熔化焊：,2壓力焊：,3釬焊：,電弧焊（手工電弧焊、埋弧自動焊、氣體保護焊）、電渣焊、電子束焊、激光焊、等離子弧焊等,電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、爆炸焊、高頻焊、擴散焊等,軟釬焊、硬釬焊,三、焊接成形的特點,1接頭 牢固、密封性好。,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焊接應力變形大，接頭易產生裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。,1 手工電弧焊的焊接過程,第一章 金屬焊接

2、成形工藝基礎,一、手工電弧焊的特點,1 . 設備簡單、應用靈活方便。,2 . 勞動條件差、生產率低、質量不穩(wěn)定。,二、手工電弧焊焊接過程,引弧,三、焊接電弧,1 . 焊接電弧的概念,具備兩個條件,使氣體電離,陰極發(fā)射電子,電阻熱：Q=I2Rt,在焊條末端和工件兩極之間的氣體介 質中，產生強烈而持久的放電現(xiàn)象。,焊接電弧的穩(wěn)定燃燒 就是帶點粒子產生、運動、復合所產生的動態(tài)平衡過程。,2 . 電弧的構造及熱量分布,2400k 36%,2600k 42%,50008000k 21%,3 . 電弧的極性,直流電源正接極：,直流電源反接極：,工件正極（陽極）；焊條負極（陰極）。,工件負極（陰極）；焊條正

3、極（陽極）。,用于薄板金屬的焊接,2 焊接接頭金屬的組織與性能,一、熔焊過程冶金特點,1 . 熔池金屬溫度高于一般冶金溫度,2 . 熔池金屬冷卻快，處于液態(tài)的時間短,2000k,使金屬元素強烈蒸發(fā)、燒損。,10s,化學成分不均勻；焊縫區(qū)易產生氣孔、夾渣等缺陷。,3 .空氣對焊縫的影響嚴重,1） O2 ：,氧化的結果,合金元素被燒損；,焊縫產生夾渣的缺陷；,形成CO氣孔。,2）N2 ：,使接頭的塑性、韌性下降。,3）H2 ：,氫氣孔,二、熔焊冶金過程中必須采取的工藝措施,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。,三、電焊條,1. 電焊條的組成及作用,電

4、焊條,焊條芯,藥皮,焊縫的填充材料 填充焊縫,電極傳導電流 導電,機械保護的作用,冶金的作用,穩(wěn)定電弧的作用,藥皮的種類：, 氧化鈦型；氧化鈦鈣型； 鈦鐵礦型；氧化鈦型；纖維素型；,低氫鉀型；低氫鈉型； 石墨型；鹽基型。,2. 電焊條的分類,結構鋼焊條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TS,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）,三、電焊條的選用,1. 根據(jù)被焊工件的強度選用,2.

5、 根據(jù)被焊工件的化學成分選用,3. 根據(jù)被焊工件工作條件和結構選用,4. 根據(jù)實際生產狀況選用,四、焊接接頭金屬組織與性能,1. 焊接熱循環(huán),焊接接頭,焊縫區(qū),焊接熱影響區(qū),1） 焊縫區(qū),熔池金屬冷卻結晶所形成的鑄態(tài)組織。,2） 焊接熱影響區(qū),2. 焊接接頭金屬組織與性能的變化,焊縫兩側的母材，由于焊接熱的作用，其組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。, 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。, 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)內具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。（1-3m

6、m）, 正火區(qū),加熱溫度：,1100 AC3,在熱影響區(qū)內相當于受到正火處理的區(qū)域。（1.2-4mm）,力學性能優(yōu)于母材。, 部分相變區(qū),在熱影響區(qū)內發(fā)生部分相變的區(qū)域。,加熱溫度：,AC3AC1,力學性能較母材稍差。,力學性能最差的區(qū)域：,熔合區(qū)和過熱區(qū),減小和消除焊接熱影響區(qū)的方法：, 小電流、快速焊接；, 采用先進的焊接方法；, 焊前預熱、焊后熱處理（正火）,五、焊接應力與變形,（一）焊接應力與變形產生的原因,焊接應力與變形產生的根本原因是： 焊件(工件）在焊接過程中受到局部加熱和快速冷卻。,應力的形成過程,焊接應力與變形,（二）焊接變形的基本形式,1 . 收縮變形,2 . 角變形,3

7、. 彎曲變形,4 . 扭曲變形,5 . 波浪形變形,（三）焊接應力與變形的防止,1 . 焊接應力的防止及消除措施,1）設計時，焊縫不要密集交叉，截面和長度也應盡可能小。,2）合理選擇焊接順序。,（）,（）,（）,3）錘擊或碾壓焊縫,4）采用小能量、多層焊,5）焊前預熱（150 350 ）,6）焊后熱處理（去應力退火）,可消除應力80%左右,2 . 焊接變形的防止及矯正措施,1）設計時，焊縫不要密集交叉，截面和長度也應盡可能小。,2）合理選擇焊接順序。,1 4 3 2,3）反變形法。,1,2,3,4,5,6,1 4 2 5 33,1 2 3 4,4）采用焊前剛性固定法。,5）采用合理的焊接規(guī)范（

8、小電流、快速焊接）。,6）焊接變形的矯正, 機械矯正, 火焰矯正,7 ）分段退焊的應用,六、金屬材料的焊接性,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)及結構形式條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。,焊接性, 工藝焊接性：, 使用焊接性：,焊接接頭產生工藝缺陷的傾向。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。包括力學性能及其它特殊性能,2. 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）焊件化學成分,3. 焊接性的評定方法,1）實驗法,小型抗裂試驗法,1）碳當量估算法,C, 影響最顯著, 基本元素, 折合成碳的相當含量對焊接性的影響

9、,其它元素,CE = C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15,CE0.4%,CE=0.4%0.6%,CE0.6%,具有良好的焊接性,焊接性較差,焊接性差,2）實驗法,小型抗裂試驗法,第二章 金屬的焊接成形方法,1 熔化焊,一、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,雙面焊；手工電弧焊封底；焊劑墊；采用鎖底坡口；水冷銅墊板。,板厚在2025mm以下的工件可不開坡口；但在實際生產中， 板厚在1422mm應開Y型坡口，半厚在2250mm，可開 雙Y型坡口或U型

10、坡口。,3)要有引弧板和引出板,環(huán)焊縫：焊絲起弧點應與環(huán)的中心偏離一定距離a；（a=2040mm）。直徑小于250mm一般不采用埋弧焊。,3. 埋弧自動焊工藝特點,1）生產率高（手弧焊的510倍）,2）焊接質量高且穩(wěn)定。,3）節(jié)約金屬材料、生產成本低。,4）勞動條件好。,5）只能在水平位置焊接。,應用：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。,二、氣體保護焊,1 . 氬弧焊,利用氬氣作為保護性介質的電弧焊方法。,焊接熱源：電弧熱,保護介質：Ar,Ar,不與金屬發(fā)生化學反應不產

11、生夾渣缺陷,不溶解于液體金屬中不產生氣孔缺陷,比重大于空氣（25%）,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）氬弧焊的特點及應用, 機械保護效果好，焊縫金屬純凈，焊縫成形美觀，焊接質量優(yōu)良。, 電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小。, 焊接熱影響區(qū)和變形小。, 可進行全位置焊接。, 氬氣昂貴，設備造價高。,應用：,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的電弧焊方法。,焊接熱源：電弧熱,保護介質：CO2,CO2, 與金屬發(fā)生化學反應產生夾渣缺陷, 溶解于液體金屬中產

12、生 CO 氣孔缺陷, 比重大于空氣（25%）, 氧化嚴重；, 氣孔傾向大（CO）；, 飛濺嚴重。,1) 存在問題,2 . CO2氣體保護焊, 生產率高（是手弧焊的13倍）。, 成本低（是手弧焊的40%） 。, 焊接熱影響區(qū)和變形小。, 可進行全位置焊接。, 飛濺嚴重，焊縫成形差。,應用：,適用于低碳鋼和強度級別不高的低合金結構鋼的焊接。,目前廣泛用于造船、機車車輛、汽車制造、農業(yè)機械等。,2）CO2氣體保護焊的特點及應用,三、電渣焊,利用電流通過液態(tài)熔渣時產生的電阻熱，同時加熱熔 化焊絲和金屬母材的焊接方法。,焊接熱源：電阻熱,保護介質：液態(tài)熔渣,1. 焊接過程,2. 焊接特點及應用,1）大厚

13、度工件可一次焊成。,單絲4060mm；單絲擺動60150； 三絲擺動450mm；板極電渣焊,2）生產率高，成本低。,3）焊接質量好。 不易產生夾渣、氣孔等缺陷。,4）熱影響區(qū)大。焊后熱處理。,應用：, 適用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料；, 適用于厚大工件。厚度大于40mm的大型結構件。,2 壓力焊,一、電阻焊,通過加壓、或同時加熱加壓，使焊件產生塑性變形， 并經再結晶和擴散作用，使兩部分金屬達到原子間的 結合，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)域產生的電阻熱，實現(xiàn)焊接。,焊點距離,太近分流現(xiàn)

14、象嚴重,太遠強度不夠,應用：4mm以下的薄板搭接。,2 . 縫焊,應用：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0.01mm200mm。,二、摩擦焊,1 . 摩擦焊焊接過程,2 . 摩擦焊接頭型式,3. 特點及應用, 質量穩(wěn)定；, 不需填充金屬及焊劑；, 生產率高，易實現(xiàn)自動化。,應用：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。,3

15、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。,一、釬焊的種類,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60190MPa，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, 連接, 填充,釬料的種類, 軟釬料：, 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, 清理作用, 降低表面張力, 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

16、厚薄懸殊的工件。,3. 生產率高。易于實現(xiàn)自動化。,4. 設備簡單，生產投資費用少。,應用：主要焊接精密、微型、復雜、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 用于硬質合金刀具、鉆探鉆頭、換熱器的焊接。,三、釬焊的特點及應用,加熱溫度低，接頭組織、性能變化??；焊接變形小， 工件尺寸精確。,第三章 常用金屬材料的焊接,1 碳鋼的焊接,1. 低碳鋼的焊接,低碳鋼： C0.25%,CE 0.4%,焊接性良好。,2. 中碳鋼的焊接,中碳鋼：C：0.250.60%,問題,焊縫區(qū)易產生熱裂紋,熱影響區(qū)易產生冷裂紋,3. 高碳鋼的焊接,高碳鋼：C0.60%,焊接性差。,C

17、E 0.60%,問題,焊縫區(qū)易產生熱裂紋,熱影響區(qū)易產生冷裂紋,措施,焊前預熱（250350 ），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構件。,焊補,措施,焊前預熱（150250 ），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。,2 合金結構鋼的焊接,合金結構鋼,機械制造用結構鋼,普通低合金結構鋼,（調質鋼、滲碳鋼）,（壓力容器、鍋爐、橋梁、車輛、船舶等結構。）,普通低合金結構鋼：,低強度普通低合金結構鋼：,高強度普通低合金結構鋼：,s400MPa,CE 0.4%,16Mn、09Mn2Si,s400MPa,

18、CE ：0.4%0.5%,焊接性良好。,焊接性較差。,15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV,焊前預熱（150250 ），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。,3 鑄鐵的焊補,一、鑄鐵焊補的特點（困難）,1. 熔合區(qū)易產生白口組織和淬硬組織；,2. 焊縫區(qū)易產生裂紋；,3. 焊縫區(qū)易產生氣孔；,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熱至600700并施焊，焊后緩冷。,用于形狀復雜，焊后需要機械加工的重要件。 如汽缸體、汽缸蓋、機床導軌等,2. 冷焊法,焊前不預熱或低溫預熱（400 ）的焊補方法。,焊條,鋼芯鑄鐵焊條：,適用于非加工表面的焊補,石墨化鑄鐵焊條：,高釩鑄鐵焊條：,鎳基鑄鐵焊條：,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,主要用于重要件加工表面的焊補,可進行機械加工、塑性和抗裂較好。,焊縫性能與母材基本相同，具有良好的加工性