第九章材料的连接成型

第九章 材料的连接成型 材料的连接分 可拆卸 和 永久性 两种。 可拆卸连接有：螺纹、键、销等。 永久性连接有：铆接、焊接。 焊接是指两个或两个以上的零件（同种或异种材料），用或不用填充材料，通过局部加热或加压达到原子间的结合，造成永久性连接的工艺过程。 第一节 焊接概述 一、焊接的特点 1、节约金属材料， 2、密封性好 3、以小拼大，化复杂为简单 4、便于制造双金属结构 缺点是焊缝处的力学性能有所降低，易产生残余应力和变形。二、焊接方法分类一般都根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来划分。1、熔化焊熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。它包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。 2、压焊 压焊是通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。它包括爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。3、钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。它包括硬钎焊、软钎焊等。四、焊接的应用1、制造金属结构2、制造金属零件或毛坯3、连接电器导线 第二节、焊条电弧焊（手工电弧焊） 1、焊接电弧 电弧是两带电导体之间持久而强烈的气体放电现象。 （ 1）电弧的形成1）焊条与工件瞬时接触短路，产生高热使接触处溶化。2）提起焊条保持恰当距离（约 2-4mm）在热激发和强电场作用下，形成电弧，产生强烈的光和热。 （ 2）电弧的组成 电弧由三部分构成。（见图）即： 阴极区 ：焊条端面的白亮斑点部位，产热 36%，是熔化焊条热量的主要来源，平均温度 2400（ K）。 阳极区 ：工件上对应焊条端部的溶池中的薄亮区，产热 43%，平均温度2600（ K）。 弧柱区 ：为两电极间空气隙。平均温度50008000（ K）。 （ 3）电极的极性 采用直流电焊机焊接时，有正接和反接两种方法。而交流电弧焊设备极性频繁变化，不存在极性问题。 1）正接 焊件接电源正极，焊条接负极。焊件加热多，适宜焊厚板。 2）反接 焊件接电源负极，焊条接正极。适合焊薄板或有色金属。 二、焊接过程的冶金特点 （ 1）反应区温度高，使合金元素强烈蒸发和氧化烧损。 （ 2）金属熔池体积小，处于液态的时间很短，导致气体和杂质来不及浮出而易产生气孔和夹渣等缺陷。 （ 3）有害气体容易侵入溶池，形成脆性氧化物，使焊缝的塑性、韧性明显下降。 为保证焊缝化学性能和力学性能，常采用气体保护焊。三、焊条1、焊条的组成及作用手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。（ 1）焊芯 作为电弧焊的一个电极，与焊件之间导电形成电弧； 在焊接过程中不断熔化，作为填充金属与熔化的母材共同结晶形成焊缝； （ 2）药皮 提高电弧燃烧的稳定性，产生熔渣及气体，防止溶池金属氧化，向熔池金属中补充合金，保证焊缝的力学性能。 2、焊条的种类和型号焊条由专门的金属丝制成，共分为十大类，即结构钢焊条、低温钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条和特殊用途焊条。表 9-1列出了部分焊条的类型和代号。3、 焊 条的 选 用原 则（ 1） 选择 与母材化学成分相同或相近的 焊 条。（ 2） 选择 与母材等 强 度的 焊 条。（ 3）根据 结 构的使用条件 选择焊 条 药 皮的 类 型， 对 要求塑性好、冲 击韧 度高或低温性能好的 结 构， 选 用碱性 焊 条；当构件受力不复 杂 ，母材 质 量 较 好 时 ，可 选 用 经济 的酸性 焊 条。 四、焊条电弧焊基本工艺 1、焊接接头和坡口 焊接中，由于焊件的厚度、结构及使用条件的不同，其接头型式及坡口形式也不同。焊接接头型式有：对接接头、 T形接头、角接接头及搭接接头等。开坡口的目的是为了保证工件焊透，方法有刨削、气割、磨削等。如右图，详见 P222图 9-4。2、焊缝的空间位置按操作的难易程度依次有：平焊、立焊、横焊、仰焊。 3、焊接参数选择 （ 1）焊条直径：根据焊件厚度按表 9-2选择。 （ 2）焊接电流：按 P223公式计算。 （ 3）焊接速度与电弧长度：根据具体情况及经验。（介绍速度快慢及电弧长短的结果）以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-6所示。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织性能发生变化的区域，叫 焊接热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫 熔合区 。焊接接头由焊缝区 、熔合区和热影响区组成。图 4-6 低碳钢焊接接头的组织变化五、焊接接头组织与性能1、焊缝的组织与性能焊缝金属主要由焊条金属熔化后结晶而成。焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图 4-7所示；图 4-7 焊缝的柱状树枝晶结晶过程中 ， 因熔池小，冷却快，析出的晶粒比较细小，再加上药皮有添加合金元素的作用，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，故可使 焊缝金属的力学性能不低于母材。 2.熔合区的组织和性能 该区的温度在液相线与固相线之间，宽度约有 0.1-0.4mm，金属处于局部熔化状态，化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，是产生裂纹和脆性破坏的起源，其性能是焊接接头中最差的。图 4-6 低碳钢焊接接头的组织变化3. 热影响区的组织和性能 热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图 4-6所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。 1）过热区：紧靠融合区，温度在固相线与 11000C之间，晶粒粗大，塑性和韧性明显下降，易产生焊接裂纹，是热影响区中力学性能最差的部位。2）正火区：最高加热温度在Ac3至 11000C的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好，优于母材。3）部分相变区：最高加热温度在 Ac1至 Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。 图 4-6 低碳钢焊接接头的组织变化六、焊接应力与变形1.焊接应力与变形产生的原因焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却时的凝固收缩是产生焊接应力和变形的主要原因。焊接变形降低了工件的精度，需重新校正。应力降低焊件的性能，是造成焊件裂纹的主要原因之一。常见的变形基本形式 见后页图 。焊接变形 焊接变形基本形式图产 生 原 因 收缩变形 焊接后纵向 (沿焊缝方向 )和横向 (垂直于焊接方向 )收缩引起的角变形 V形坡口对接焊后，由于焊缝截面形状上下不对称，焊缝收缩不均所致弯曲变形 焊接 T形梁时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起的扭曲变形 焊接工字梁时，由于焊接顺序和焊接方向不合理所致波浪形变形 焊接薄板时，由于焊缝收缩使薄板局部产生较大压应力而失去稳定所致表 4-1 焊接变形的基本形式 2、减小焊接应力与变形的措施。 1）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力； 2）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力 3）采取合理的焊接顺序，使焊缝能较自由的收缩，如后页图。一般焊接顺序为： 1）先焊收缩量较大的焊缝； 2) 工作时受力较大的焊缝； 3) 先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。 图 4-10 合理安排焊接顺序 工字梁反变形平板对接焊反变形3、预防和校正 焊接变形的措施：1）采用反变形法，焊前留出变形余量，如图。刚性固定防止变形2）刚性固定法，焊前将焊件固定夹紧，但会产生较大的残余应力。3）采用机械矫正法来恢复变形。火焰矫正法机械矫正法4）采用火焰矫正法来减少变形，即对适当部位加热，使焊件在冷却后产生新的变形。埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。埋弧焊设备由焊接电源、焊车、控制箱三部分组成。焊车由送丝机头、行走小车、控制盘、焊丝盘和焊剂漏斗等组成。优点：1）生产率高、节省焊接材料，成本低 ；2）焊接质量好；3）劳动条件好。4）适于成批生产中、厚板结构的长直缝与直径较大的环缝。 缺点：1）适应性较差 ，焊前准备工作量大；2）因焊接电流强度大，不适于 3mm以下薄板；3）难以完成铝、钛等强氧化性金属及合金的焊接；4）设备一次性投资较大。第三节 其他焊接方法简介一、埋弧焊图 4-17 埋弧焊焊接过程1 焊件 2 焊剂 3 焊剂漏斗 4 焊丝5 送丝滚轮 6 导电嘴 7 焊缝 8 渣壳 图 4-18 埋弧焊焊缝成形示意图焊接时，用与药皮相同作用的化学焊剂覆盖焊接区，对熔融金属起保护和冶金反应的作用。焊丝从导电嘴伸出，采用大电流焊接，比手工电弧焊高 4倍，故适宜焊接较厚材料，也可焊接大直径筒体。气体保护焊 是用外加气体作为电弧介质并保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。常用的保护气体有 惰性气体 （氩气、氦气和混合气体）和 活性气体 （二氧化碳气）两种，分别成为惰性气体保护焊和 CO2焊。气体保护焊焊接时在溶池上方的焊接区形成一个气罩，使熔融金属与外界隔绝而得到保护，焊丝和保护气体由不同的机构连续地分别送入焊接区域，透过气体介质，能看到焊接情况，比埋弧焊操作性好。但因空气流动的原因，不宜在室外进行。二、气体保护电弧焊 三、气焊气焊是利用可燃气体与助燃气体混合燃烧生成的火焰为热源，熔化焊件和焊接材料使之达到原子间结合的一种焊接方法。助燃气体主要为氧气，可燃气体主要采用乙炔、液化石油气等。燃烧的混合气体是焊丝和工件的连接边熔融，移动焊嘴和焊丝，形成焊缝。气焊时，根据氧与乙炔的比例不同，火焰的温度和种类也不同，分为三种。 中性焰 是氧与乙炔体积的比值为 1.11.2的混合气燃烧形成的气体火焰，内焰温度最高可达 3150 。 用于焊接低、中碳合金钢、纯铜和铝合金等。 碳化焰 是氧与乙炔的体积的比值小于 1 时形成的气体火焰，因为乙炔有过剩量，所以火焰比中性焰长，温度低，用于焊接高碳铸铁和硬质合金。 氧化焰 氧气与乙炔的比值 1.2 时燃烧形成的火焰，温度比中性焰高、火焰短。一般用于焊接青铜、黄铜等。 气焊焊接温度低，加热缓慢，变形严重，适宜焊接2mm以下的薄板。适用于无电源的施工场地。 四、 电阻焊电阻焊是利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性或局部熔化状态，再在电极压力作用下形成接头的一种焊接方法 。电阻焊 可分为 点焊、缝焊、对焊 。 电阻对焊1 、对焊对焊是利用电阻热将焊件断面对接焊合的一种电阻焊，如图所示。2.点焊是利用电流通过两圆柱形电极和搭接的两焊件产生电阻热，将焊件加热并局部熔化，形成一个熔核（其周围为塑性状态），然后在压力下熔核结晶，形成一个焊点的焊接方法。点焊的接头均为搭接接头，焊接前应清理。点焊示意图点焊接头形式3.缝焊缝焊与点焊同属于搭接电阻焊，焊接过程与点焊相似，采用滚盘作电极，边焊边滚，相邻两个焊点重叠一部分，形成一条有密封性的焊缝。焊接分流现象较严重，故焊接电流较大，主要用于有密封性要求的薄板件。电阻缝焊原理 缝焊接头形式 五、 电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。电渣焊的特点 :适合焊40mm以上的焊缝；生产率高，焊接材料消耗少，不需开坡口；因渣池覆盖住熔池，焊缝金属较纯净；焊缝金属在高温下停留时间长，过热区大，焊缝金属组织粗大，焊后应进行正火细化处理。 图 4-23 电渣焊过程示意图六 钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的