金属焊接成型教学课件PPT.ppt

第八章 金属的焊接成型,将分离的半成品件或零件通过加热、加压（或 既加热又加压）等方式，借助于原子间的扩散和结合，连接成不可拆卸的的整体零件。,焊接方法,熔化焊压力焊钎 焊,焊接方法分类,各种焊接方法的特征,焊接优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。,缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）焊接接头的组织和性能可能变坏； 3）要产生焊接残余应力和焊接变形； 4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。,8.1 焊接工艺基础,一.电弧焊基本概念 （以电弧焊为例，分析焊接基本原理）,电弧：两个电极之间的气体介质内产生的一种强烈而持久的放电现象。 焊接电弧：由焊接电流供给的具有一定电压的两电极间（或电极、母材间）在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。 电弧焊：利用电弧作为热源的焊接方法。 熔池：熔焊时，在焊接热源作用下，焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分。 焊缝：焊件经焊接后所形成的结合部分。,第八章 金属的焊接成型,二.焊接原理和焊接冶金过程,焊接原理 电弧形成的条件：正 负电极之间具有一定的电 压；两电极之间的气体介 质处于电离状态。,将两电极接通电源，短暂接触并迅速分离，接触时：发生短路，产生极大的短路电流，使接触点产生大量的热，电极表面迅速升温，两者均熔化；分离时：大量电子放射，形成电弧。,直流焊机,直流正接,直流反接,交流焊机无正接反接之分,2. 焊接接头金属的组织与性能 （1）焊缝金属的组织与性能 组织：焊缝金属组织是由熔池金属结晶得到的铸造组织, 晶体的长大方向指向熔池中心, 形成柱状树枝晶。,三.焊接接头的组织与性能 1. 焊件上温度的变化和分布,焊接接头由焊缝和热影响区两个部分组成。,性能：一方面，柱状晶比较细密，其性能不低于基本金属；另一方面，由于焊芯是高级优质材料以及焊条药皮的作用,可以使得焊缝金属的化学成分优于母材,所以焊缝金属的性能一般高于母材。,（2）热影响区的组织与性能,热影响 区组织,熔合区,过热区,正火区,部分相变区,再结晶区,低碳钢焊接接头的组织变化,1)熔合区: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，产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。 2）过热区：最高加热温度在11000c以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中除熔合区以外的力学性能最差的部位。 3）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。 4）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。,低碳钢焊接接头的组织变化,焊接材料:主要是焊芯材料的化学成分。 焊条或焊丝熔化后直接影响焊缝金属的成分，从而影响其性能。 焊接工艺参数: 主要是焊接电流、电弧电压、焊接速度等。 通过影响焊接接头的热量输入，改变加热和冷却条件，从而改变热影响区的大小和接头的组织和性能。 焊接方法: 主要是热影响区宽度。 不同的焊接方法，其保护效果和热影响区大小不同。热源越集中、焊接速度越快的焊接方法，热影响区越小。,3.影响焊接接头性能的因素,4. 改善焊接接头组织与性能的措施 思路：使熔合区和过热区尽可能小。 措施： （1）母材尽量选择低碳钢（碳，硫，磷的含量均比较低）； （2）加快焊接速度，减小焊接电流； （3）对较大的焊缝采用多层焊； （4）焊后进行热处理，消除应力，细化晶粒， 改善接头的力学性能；,四.焊接应力与焊接变形 1.焊接应力与焊接变形的产生原因 在焊接过程中，对焊件进行局部的、不均匀 的加热和冷却，是产生焊接应力与变形的根本原 因。,平板对接焊时变 形与应力的形成 （ + ）拉应力 （）压应力,2.焊接变形的基本形式,（1）收缩变形：由于焊缝横向和纵向收缩而引起尺寸缩小； （2）角度变形：焊缝截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均匀而引起； （3）弯曲变形：焊,缝布置不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲； （4）扭曲变形：焊缝布置不对称或焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭曲变形； （5）波浪变形：薄板件在焊接应力作用下失稳。,3. 焊接应力与变形的危害 焊接应力： 1）增加结构工作时的应力，降低承载能力； 2）引起焊接裂纹，甚至脆断； 3）促使产生应力腐蚀裂纹； 4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。,焊接变形： 1）使工件形状尺寸不合要求； 2）影响组装质量； 3）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性； 4）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载能力。,4.焊接应力和变形的防止 焊接应力的防止及消除措施：,6）采取合理的 ，使焊缝较自由的收缩，如下图所示；,2）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；,3）采用 焊接， ，减少残余应力；,4） 预热可减少工件温差，减少残余应力；,5） 进行去应力退火，消除焊接残余应力。,1）结构设计要避免 交叉， 要尽可能小；,焊缝密集 焊缝截面和长度,小线能量 多层焊,焊前,焊后,焊接顺序,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。,焊接变形的防止和消除措施：,平板对接焊反变形,工字梁反变形,1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；,2）焊前组装时，采用反变形法；,3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力,刚性固定防止变形,4）采用合理的焊接规范； 5）选用合理的焊接顺序，如下图的对称焊和分段退焊。,长焊缝的分段退焊,对称焊,6）采用机械或火焰矫正法来减少变形。,8.4 常用金属材料的焊接,一、金属的焊接性能 1、基本概念 焊接性能是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,工艺性能：,使用性能：,在使用条件下安全工作的能力,形成优质接头不出现工艺缺陷的能力,2、影响金属焊接性能的因素,1）金属的化学成分、组织结构,2）焊接工艺条件,3、金属焊接性能的评定,碳当量法：在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量。其计算公式如下：,ce0.6%时，冷裂倾向严重，焊接性差， 需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。,钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响，故应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。,低碳钢（ce0.25%） 低碳钢的焊接性能是最好的, 用任何一种焊 接方法和用最普通的焊接工艺都能获得优质的焊 接接头。 低碳钢可以焊接各种大、中、小型结构件。 工艺措施： 低温时焊接厚度大，刚性大的结构件时， 重要结构件,二、常用金属材料的焊接 1.钢的焊接,应预热，否则易出裂纹；,应作热处理，消除焊接应力；,中碳钢（ce0.25%0.6%） 中碳钢的可焊性为中等, 焊缝区易产生热裂 纹，热影响区则易产生淬硬组织( 马氏体 )导致 产生冷裂，根据具体的焊接件结构尺寸，要选择 适当的焊接方法和焊接工艺。 中碳钢的焊接主要是在铸造、锻造毛坯的组 合件及补焊中应用。 工艺措施： 焊前预热，焊后缓冷； 选用碱性焊条； 焊接采用小电流，多层焊工艺，焊件开坡口；,高碳钢（ce0.6%） 高碳钢的焊接特点与中碳钢的焊接基本相同,但 其焊接性能差，焊接时必须使用特殊的焊接工艺 和焊后热处理。 高碳钢一般不用来制造焊接结构件，通常用 于铸造、锻造毛坯缺陷的修补工作。 低合金结构钢,低合金结构钢,低合金低强度钢（强度级别400mpa） 低合金高强度钢（强度级别400mpa）,低合金低强度钢（ ce0.4%）焊接与低碳钢相似 低合金高强度钢（ce 0.4%）焊接与中碳钢相似,不锈钢（特殊性能的合金钢） 焊接特点 碳含量不高而合金元素（尤其是cr）含量高，焊接时容易发生晶界腐蚀； 耐热，导热率小，线膨胀系数大，焊接时容易出现热裂纹； 焊接工艺措施 小电流（比焊接低碳钢时低20%），快速焊，强制冷却； 焊接电弧短，减少加热范围； 大焊缝多层焊时，应等前一层冷至60以下，再焊后一层；,焊接方法 热焊法 焊补前将铸件全部或局部预热到600700, 并在焊接过程中保持一定的温度, 且焊后缓冷。 冷焊法 焊补前对铸件预热到400以下进行焊接。,2. 铸铁的焊接 由于铸铁的焊接性能差（焊缝组织为白口 组织；焊缝易产生裂纹、气孔；熔池金属易流 失；），因此不能用焊接的方法来生产结构件, 只能进行工件的局部修补工作。,（1）铜及铜合金的焊接 焊接特点 难熔合 主要是导热系数大； 易变形 热影响区宽； 易产生裂纹 高温下容易氧化，生成cu2o; 易产生气孔 吸气严重(主要h2)； 焊接方法 紫铜和青铜：一般用氩弧焊；黄铜：气焊； 工艺措施 采用有脱氧作用的焊丝；焊前清理焊件和焊 丝；焊前预热，焊后热处理。,3.常用有色金属的焊接,（2）铝及铝合金的焊接 焊接特点 易氧化 容易生成al2o3 ，形成夹渣; 易产生气孔 吸气严重(主要h2)； 易产生裂纹 高温时强度低，塑性差； 操作困难 从固态转为液态时无塑性过程 焊接方法 质量要求高的焊件：氩弧焊； 一般件：气焊； 工艺措施 焊前、焊后清理； 厚度较大的零件，焊前 应预热。,8.5 焊接件结构工艺设计,一.焊接件材料的选择 1.根据工艺性能选择焊接件材料 优先选用含碳量低于0.25%的碳钢或碳当量 低于0.4%的合金钢。这类材料的焊接性能、切 削性能等都比较好。 2. 根据焊接件结构选择焊接件材料 在满足承载能力等工作条件的前提下，考虑 体积、重量、经济性等因素，尽量选用型材和管 材，以减少焊缝数量，简化焊接工艺。,二.焊接方法的选择,三.焊缝布置 1.尽量使焊缝位置处于方便操作之处,手工电弧焊的操作空间,不合理,合 理,2. 尽可能使焊缝避开应力集中部位,方案（a）（b）（c） 方案（d）（e）（f）,不合理,合 理,3.尽可能使焊 缝分散布置,4.尽可能使焊缝对称于中性轴布置,不合理,合 理,5.尽量减少焊缝的数量和长度,不 合 理,合 理,6.尽量使焊缝避开机械加工表面,不合理,合 理,不合理,合 理,四.焊接接头设计 包括焊接接头形式设计和坡口形式设计。,1.焊接接头形式设计 常用的接头形式有对接接头、角接接头、搭接接头、t形接头、盖板接头、十字接头和卷边接头等。其选择应根据焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度要求和施工条件而定，要考虑易于保证焊接质量和尽量降低成本。,搭接：钎焊，电阻焊的点焊和缝焊，桁架结构 对接：对焊，压力容器 卷边接头：气焊、钨极氩弧焊 熔化焊可采用对接、搭接，角接和t形接对比选择。,2. 焊接接头坡口形式设计 开坡口的目的是为了使接头根部焊透，通过控制坡口大小调节母材金属和填充金属的比例，使焊缝成形美观，同时还具有调整焊缝成分的作用。坡口形式主要取决于板料厚度。,1）对接接头坡口形式设计。 对接接头的基本坡口形式有i形坡口、y形坡口、x形坡口、u形坡口、双u形坡口等。,同样板厚条件下：x形坡口比v形坡口所需金属少，焊接工时也少，焊接变形也小；u形坡口也比v形坡口省焊条，省工时，焊接变形也小。,2）角接接头坡