机械制造技术第06次课-第三章

前次课回顾 第四节 板料冲压 1、板料冲压的特点和应用 2、板料冲压的基本工序 分离工序 变形工序 第五节 锻压件结 构工艺性 1、自由锻件的结构工艺性 2、模锻件的结构工艺性 3、板料冲压结构工艺性 第三节 模锻 3、胎模锻 特点及应用 常用胎模 4、其它设备上的模锻 本次课内容 第三章 焊接 第一节 熔焊 1、焊条电弧焊的焊接过程 2、焊条电弧焊的冶金过程及特点 1、冶金过程及其特点 2、保证焊缝质量的措施 3、焊条 1、焊条的组成和作用 2、焊条的分类和型号、牌号 3、焊条的选用原则 4、焊接接头的组织性能 1、焊接工件上温度的变化与分布 2、焊接接头金属组织与性能的变化 5、焊接的应力与变形 1、应力和变形产生的原因及变形的分类 2、减小焊接应力和变形的措施 第三章 焊接 焊接的定义 焊接是用加热或 /和加压等手段，借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地、永久性地连接起来的一种工艺方法。 焊接的特点 可用化大为小、化复杂为简单的办法来准备坯料，以建造大型结构或部件 采用铸 以制造大型零部件。 可制成双金属结构，如复合层容器等 焊接的分类 熔焊 压焊 钎焊 第一节 熔焊 熔焊 是将焊件连接部位局部加热至熔化状态，冷却凝固后形成一体的焊接方法。 熔焊种类： 焊条电弧焊 埋弧焊 气体保护焊等 一、焊条电弧焊的焊接过程 焊条电弧焊 是利用电弧产生的热量来熔化母材和焊条的一种手工操作的焊接方法。 1) 电弧的温度及热量分布 阴极区 占总电弧热量的 36%，用钢焊条焊接钢材时，其温度约 2400K。 阳极区 占 43%， 2600K。 弧柱 仅占 21%，中心温度高达5000 8000K。 电弧： 焊条与工件间的气体介质长时间而有力的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。 1、焊接电弧 2) 电弧的极性 焊条电弧焊可采用交流和直流两种焊接电源。用直流电源焊接时，有两种接线方法： 正接 当焊件接正极，焊条接负极时，称为正接。一般用于厚板的焊接。 反接 当焊件接负极，焊条接正极时，称为反接。一般用于薄板、铸铁及有色金属等焊件的焊接。 当使用交流电时，由于极性的交替变化，焊条与工件间的温度和热量分布基本相同（ 2500K），无正反接，电弧的稳定性比直流的差。 第一节 熔焊 一、焊条电弧焊的焊接过程 1、焊接电弧 第一节 熔焊 一、焊条电弧焊的焊接过程 1) 焊条电弧焊的装置 2) 焊接过程 2、焊条电弧焊的焊接过程 引弧电压： 5090V 焊接开始时的电压 电弧电压： 1635V 电弧稳定燃烧时的电压 第一节 熔焊 二、焊条电弧焊的冶金过程及特点 焊接过程中，熔化金属、熔渣和气体间发生一系列 冶金反应 空气和杂质在高温下分解成原子状态的氧、氮、氢。 氧 使金属氧化而被烧损，残留的氧化物影响焊缝质量，生成的 氮 大量溶解在高温的熔池中，形成 加焊缝的脆性；冷却时析出的氮气来不及逸出而形成气孔。 氢 大量溶解在高温的熔池中，冷却时析出的氢气来不及逸出而形成气孔，产生 “ 白点 ” ，引起氢脆。 熔渣中的 S、 们与铁形成低熔点的共晶体而存留于晶界上，加大了热脆和冷脆的可能性。 1、冶金过程 第一节 熔焊 二、焊条电弧焊的冶金过程及特点 2、冶金特点 冶金温度太高，导致金属元素蒸发，气体呈原子状态而异常活泼，从而引起金属烧损或形成有害物质。 熔池凝固时间短（ 10秒），化学反应难于达到平衡状态，成分不均匀。 产生的气体和杂质来不及浮出而产生气孔和夹渣。 3、保证焊缝质量的措施 焊前认真清理焊件和焊丝表面上杂质及烘干焊接材料等。 对焊接区进行保护，限制空气侵入。如气体保护焊等。 采用滲合金方法。通过药皮补偿所需的合金元素。 采用冶金处理方法进行脱氧、去氢、脱氮、脱硫、脱磷。 焊条 由焊芯和药皮两部分组成。 第一节 熔焊 三、焊条 1）焊芯 焊芯的作用：一是传导电流，产生电弧；二是填充焊缝 焊芯的直径：即为焊条直径，其值在 9 1、焊条的组成和作用 2）药皮 压涂在焊芯表面上的涂料层，由稳弧剂和粘结剂等组成。 药皮的主要作用： 对焊缝起保护作用： 防止空气侵入和氧化 。 冶金处理： 与焊芯配合 ， 起到脱氧 （ 氢 、 硫 、 磷 ） 和渗入合金元素的作用 。 改善焊接工艺性能： 药皮中的某些物质可提高焊接时电弧稳定性 ， 可使熔池飞溅少 、 易脱渣等 。 牌号 化 学 成 分（ %） 用途 C i i S P 般焊接结构 要的焊接结构 作埋弧焊钢丝 原料种类 原料名称 作用 稳弧剂 碳酸钾、碳酸钠、长石、大理石、钛白粉、钠水 玻璃、钾水玻璃 改善 引弧 性能和提高电弧燃烧 稳定性 脱氧剂 锰铁、硅铁、钛铁、铝铁、石墨、木碳 降低药皮或熔渣的氧化性和 脱氧 造渣剂 大理石、萤石、菱苦土、长石、花岗石、黄土、 钛铁矿、锰矿、赤铁矿、钛白粉、金红石 造成具有一定物理化学性能的熔渣，并能良好 保护焊缝 和改善焊缝成形 造气剂 淀粉、木屑、纤维素、大理石 加强对焊接区的 保护 合金剂 锰铁、硅铁、钛铁、铬铁、钼铁、钨铁、钒铁、 石墨 使焊缝金属获得必要的 合金成分 粘结剂 钠水玻璃、钾水玻璃 将药皮 粘 在钢心上 稀渣剂 萤石、长石、钛铁矿、钛白粉、锰矿 增加熔渣 流动性 、降低熔渣粘度 第一节 熔焊 三、焊条 2、焊条的 分类 和型号、牌号 药皮熔渣中酸性氧化物比碱性氧化物多的统称为 酸性焊条。 按焊条的用途分 10大类 焊条大类 代号 焊条大类 代号 拼音 汉字 拼音 汉字 结构钢焊条 J 结 铸铁焊条 Z 铸 钼和铬钼耐热钢焊条 R 热 镍和镍合金焊条 低温钢焊条 W 温 铜和铜合金焊条 T 铜 铬不锈钢焊条 G 铬 铝和铝合金焊条 L 铝 铬镍不锈钢焊条 A 奥 特殊用途焊条 堆焊焊条 D 堆 按熔渣碱度分 2大类： 酸性焊条和碱性焊条（又称为低氢型焊条） 1) 分类 结构钢焊条 又分为：碳钢焊条和低合金钢焊条等小类 药皮熔渣中碱性氧化物比酸性氧化物多的统称为 碱性焊条。 3222 i OS i OF e OM g OM n OC a 表 3酸性焊条与碱性焊条的特点 比较项目 酸性焊条 碱性焊条 药皮组成物的性能 氧化性强 还原性强 水、锈产生气孔的可能性 较小 较大 适用电源 交、直流 原则上直流，加稳弧剂后可交、直流 适用焊接电流 较大 比同规格酸性焊条小 10% 电弧长度 可长弧操作 须短弧操作 烟尘 较少 较多 焊缝成型 /熔深 好 /较浅 尚好 /较深 熔渣结构 /脱渣性 呈玻璃状 /较方便 呈结晶状 /坡口内第一层脱渣较困难 合金元素过渡效果 差 较好 冲击性能 一般 较高 抗裂性能 较差（氧化铁型除外） 较好 焊缝中含氢量 高，易生白点，影响塑性 低 第一节 熔焊 三、焊条 2、焊条的分类和 型号 、牌号 2)碳钢焊条型号 E 43 0 1 第三位和第四位数字组合时代表 焊接电 流种类和药皮类型 ，见表 3 代表 焊条 ( 代表焊条适用的 焊接位置 （ “ 0”、 “ 1”适于全位置焊接， “ 2”适于平焊及角平焊， “ 4”适于向下立焊 表示焊缝金属的 抗拉强度 最小值，单位为 碳钢焊 条型号 焊缝金属抗拉强度（ ） 药皮类型 焊条 类别 电流种类 及极性 应 用 4301 43 钛铁矿型 酸 性 焊 条 交流或直流正、反接 较重要的碳钢结 构 0 3 钛钙型 0 3 高纤维素钾型 交流或直流反接 一般碳钢结构 0 3 氧化铁型 交流或直流正接 较重要的碳钢结构 3 铁粉氧化铁型 3 低氢钠型 碱 性 焊 条 直流反接 重要碳钢、低合金钢结构 0 3 低氢钾型 交流或直流反接 0 0 铁粉 低氢钾型 焊条型号： 以各类焊条的国家标准为依据，反映焊条主要特性的一种表示方法。 第一节 熔焊 三、焊条 2、焊条的分类和型号、 牌号 3)结构钢焊条牌号 J 4 2 3 代表焊接 电流种类和药皮类型 ，见表 3 表示焊缝金属的 抗拉强度 最小值， 420 代表 结构钢焊条 。 末尾 数字 药皮类型 焊接电流种类 末尾 数字 药皮类型 焊接电流种类 0 不属于已规定的类型 5 纤维素型 交流或直流正、反接 1 氧化钛型 交流或直流正反接 6 低氢钾型 交流或直流反接 2 氧化钛钙型 7 低氢钠型 直流反接 3 钛铁矿型 8 石墨型 交流或直流正、反接 4 氧化铁型 9 盐基型 直流反接 焊条牌号： 对焊条产品的具体命名，由焊条厂制定。经历了混乱 统一 混乱的过程。 上焊 第一节 熔焊 三、焊条 3、焊条的选用原则 1）等强度原则（结构钢焊件） 一般都要求焊缝金属与母材等强度 。 结构钢 /焊条 按 屈服强度 /抗拉强度 定等级。 2）同成分原则（不锈钢或耐热钢） 选择与母材成分相近的焊条。 3）抗裂纹原则 要求塑性好、冲击韧性高、抗裂能力强或低温性能好的，应选用碱性焊条。 4）抗气孔原则 焊前清理困难，易产生气孔的焊件，应选择抗气孔能力强的酸性焊条。 5）低成本原则 满足使用要求的前提下，应选用成本低的焊条。 第一节 熔焊 四、焊接接头的组织性能 焊接接头由 焊缝 和 热影响区 两部分组成（图 3 焊缝两侧的母材受焊接加热的影响，会引起金属内部组织和力学性能变化的区域，称为 焊接热影响区 。 焊缝和热影响区的分界线称为 熔合线 。 第一节 熔焊 四、焊接接头的组织性能 1、焊接工件上温度的变化与分布 焊缝 受到一次冶金过程 热影响区 受到一次不同规范的热处理 1 1 2 3 4 5 第一节 熔焊 四、焊接接头的组织性能 2、焊接接头金属组织与性能的变化 1） 焊缝 组织和性能的变化 从熔池底壁向中心生长 柱状晶 ，对低碳钢来说，焊缝常温下的组织大部分是呈柱状的、粗大的铁素体加少量的珠光体。 低熔点 的 S、 心区 ，导致 气孔 、 热裂纹 和 冷裂纹 、耐蚀性下降、力学性能不均匀和断裂韧性降低等。 电弧吹力 等因素使柱状晶生长受干扰，晶粒有所细化；加之渗合金作用，可使焊缝金属不低于母材。 对低碳钢而言 第一节 熔焊 四、焊接接头的组织性能 2、焊接接头金属组织与性能的变化 2） 热影响区 组织和性能的变化 熔合区： 温度处于固相线和液相线之间。该区晶粒粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后为过热组织和新结晶的铸态组织，塑性、韧性很差，是焊接接头的危险地带，常产生裂纹和脆性破坏。 过热区： 该区温度在固相线以下和 1100 之间。形成特殊的 过热组织 ，其晶粒粗大，晶内有大量铁素体片，易产生粗晶脆化，塑性、韧性很差。 重结晶（正火）区： 该区各点的最高加热温度范围在1100 。因加热速度快，高温停留时间短，冷却后获得均匀细小的铁素体 +珠光体，其塑性、韧性都较好。甚至优于母材。 不完全重结晶区： 最高加热温度范围在 有部分金属重结晶后变为细小的铁素体 +珠光体组织，部分铁素体来不及转变，冷却后晶粒大小不均，力学性能也不均匀。 过热区 重结晶区 不完全重结晶区 第一节 熔焊 四、焊接接头的组织性能 2、焊接接头金属组织与性能的变化 2） 热影响区 组织和性能的变化 对于易淬火钢而言 若焊前处于 正火或退火 状态 ，在完全淬火区 6， 加热温度在固相线到 焊后冷却获得 完全淬火区 7则形成马氏体和铁素体混合组织 若焊前为 淬火 +回火 状态 ， 除有前面两个影响区外 ， 在温度低于 还会出现回火区 8， 组织是回火索氏体或回火屈氏体 。 M+F M 第一节 熔焊 四、焊接接头的组织性能 2、焊接接头金属组织与性能的变化 3）提高焊接接头质量的措施 熔合区与过热区性能比较差，应使之尽可能减小 选用焊接热影响区小的焊接方法，如埋弧自动焊等 正确选择焊接接头形式。 正确选择焊接规范 （ 焊条直径 、 焊接电流 、 电弧电压 及 焊接速度 ）。在保证焊接质量的条件下，增加焊接速度、减小焊接电流都可使焊接热影响区减小。 焊后热处理。 一般采用正火处理，使焊缝和焊接热影响区的组织转变为均匀的细晶。 低碳钢焊接热影响区尺寸（ 焊接方法 过热区 热影响区 埋弧自动焊 极氩弧焊 条电弧焊 渣焊 1820 2530 第一节 熔焊 五、焊接的应力与变形 1、焊接应力和变形产生的原因及焊接变形的分类 1）焊接应力和变形产生的原因 应力产生的原因： 焊接时 ，焊缝和近缝区处于高温状态；焊后 ， 高温金属冷却时 ， 焊缝和近缝区受到焊件低温部分的阻碍而产生拉应力 ， 远离焊缝的部位则受压应力 。 变形产生的原因： 温度分布不均 收缩变形不均 变形 焊接过程中 ， 焊件能自由伸缩 ， 则应力小而变形大；反之 ， 则反 第一节 熔焊 2）焊接变形的分类（表 3 类 型 示 意 图 说 明 缩短变形 由垂直焊接方向横向收缩和平行 焊接方向的纵向收缩引起 角变形 由于焊接时温度分布不均，使沿板厚方向的横向收缩不同，在焊缝中心处发生的弯曲变形 类 型 示 意 图 说 明 弯曲变形 焊缝 位置在焊件上布置 不对称 ，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲（丁字梁） 波浪变形 焊接 薄板 时，由较大的焊接压应力引起薄板在厚度方向失稳所致 扭曲变形 细长构件 ，纵向焊缝在构件截面上布置的 不对称 或焊接工艺不合理，使构件绕自身轴线扭转 第一节 熔焊 五、焊接的应力与变形 2、减小焊接应力和变形的工艺措施 1） 减小焊接应力的工艺措施 采用合理的焊接顺序 焊前预热 （ 350400） 加热减应区法：加热阻碍收缩区 锤击法：在塑性较好时锤击 热