材料成形技术基础第三章金属焊接成形工艺.ppt

材料成形技术基础,建筑之家,第三章 金属焊接成形工艺,第三章 金属焊接成形工艺,一、焊接：,通过加热或加压或者两者并用，并且用或不用填充材 料，使金属材料达到原子结合的一种成形方法。,二、分类,熔焊：,气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊电子束焊、激光焊等,压力焊：,电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等,钎焊：,软钎焊、硬钎焊,三、特点,1.焊接结构重量轻，节省金属材料 。,3.接头具有良好的力学性能和密封性,4.维修不便（焊接结构不可拆卸）,机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、 航空及航天工业等应用十分广泛。,5.焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷,四、应用：,2.可化大为小、以小拼大,第一节 金属焊接成形理论基础,一、熔焊冶金过程,(一)、焊接电弧,1.电弧及形成条件,两极间的气体处于电离状态,(3)引弧过程：,一种强烈而持久的气体放电现象,(1)电弧：,(2)形成条件,两电极间具有一定的电压,电阻热：q=i2rt,e=v/d,d,焊接电弧的稳定燃烧 就是带电粒子产生、运动、复合、燃烧的动态平衡过程。,热电离,碰撞电离,2.电弧特点：,电压低(2030v)，,电流大(几十几千a),温度高(5000k以上)，,3.电弧组成,阴极区：,发射电子，温度约2400k 热量 36%,温度高于阴极区， 约2600k，热量43%,温度达60008000k 热量21%,阳极区：,弧柱区：,4.弧焊电源：,交流、直流、脉冲、逆变,能量密度大、移动性好,5.两极接法(直流焊机),工件正极； 焊条负极,工件负极； 焊条正极,直流正接：,适合焊接厚大工件、酸性焊条,直流反接：,适合焊接薄小工件、碱性低氢焊条、 易氧化的有色金属,(二) 焊接冶金过程,1.特点,冶金温度高，相界大，反应速度快,2000k使金属元素强烈蒸发、烧损。,液态金属会发生强烈氧化、氮化反应夹渣,氢原子易溶入液态金属中形成氢脆。,各种化学反应难以达到平衡状态， 化学成分不够均匀， 易产生气孔和夹杂等缺陷。,熔池小(约23cm3)，冷却快(液态时间10s左右)。,2.工艺措施,对熔化金属进行机械保护,气体保护,熔渣保护,气-渣联合保护,清理坡口及两侧的锈、水、油污,烘干焊条，去除水分,(1)减少有害元素进入熔池,(2)对熔池进行冶金处理,焊接材料中加入一定量的脱氧剂锰铁和硅铁,加入一定量的合金元素补偿烧损,(三)焊接接头的组织与性能,接头组成：,焊接热影响区,1.焊缝金属,由母材和焊条（丝）熔化形成的熔池冷却结晶而成的,组织：铸态柱状晶组织,性能：力学性能不低于母材。,焊缝金属、熔合区、,1焊缝区（熔化区） 2熔合区（半熔化区） 3热影响区 4母材,2.熔合区：,加热温度：,组织：,强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断发源地,焊缝与热影响区的过渡区。,部分铸态组织 + 部分过热组织,t液t固 ，宽度 0.11mm。,性能：,3.焊接热影响区：,焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。,(1)过热区,t固1100 ， 宽度约13mm,粗大过热组织(奥氏 体晶粒严重长大),加热温度：,组织：,性能：,塑性和韧度明显下降。 是裂纹的发源地。,(2)正火区：,加热温度：,1100 ac3， 宽度约1.24.0mm。,组织：,均匀而细小的f+p,性能：,力学性能优于母材。,(3)部分相变区 (也称部分正火区),加热温度：,ac3ac1之间,组织：,细小的(f+p)+原始组织,性能：,晶粒大小不均匀， 力学性能较差(较 母材稍差)。,(4)再结晶区,加热温度:,ac1450之间,塑性有所增加。,小结：,力学性能最差的区域: 熔合区和过热区,(四)改善焊接接头组织和性能的主要措施：,1.选用低c、p、s的钢材作为焊接结构材料,2.热影响区冷却速度恰当,3.采用多层焊,后层对前层有回火作用,4.焊后热处理,退火或正火处理可以细化晶粒， 改善焊接接头的力学性能,二、焊接应力与变形,1.原因：,在焊接过程中对焊件进行的不均匀加热和冷却。,2.机理：热胀冷缩。,3.焊接应力分布规律：,同铸造热应力,(一) 焊接应力产生的原因,4.变形方向：,同铸造应力变形方向,1)收缩变形,2)角变形,3)弯曲变形,4)扭曲变形,5)波浪形变形,焊缝的纵向（沿焊缝长度方向） 和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起,焊缝横截面形状上下不对称， 焊缝横向收缩不均引起,t形梁焊接时，焊缝布置不对称， 由焊缝纵向收缩引起,工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭曲,薄板焊接时，焊接应力使薄板 局部失稳而引起,5.焊接变形的基本形式,6.焊接应力和变形危害：,造成焊件的尺寸、形状变化；,矫正变形会使性能降低，成本增加；,焊接应力会降低承载能力；,引起焊接裂纹；,应力衰减会产生变形。,(二)减小和预防焊接应力和变形的工艺措施,1.尽可能减少不必要的焊缝,3.合理地选择焊缝的尺寸和形式,4.焊前预热,2.合理安排焊缝位置,焊缝数量 多，焊件所受的热量相应多，变形大,合 理,焊缝对称分布，收缩变形可相互抵消，焊件整体不会产生挠曲变形,不合理,预热温度：400以下,5.选择合理的焊接顺序,(1)尽量使焊缝自由收缩,采用分散对称焊工艺,（）,（）,（）,1 4 3 2,1 2 3 4,对称焊可使对称于截面中性轴的两侧焊缝的 收缩能够互相抵消或减弱，以减小焊接变形。,长焊缝尽可能采用分 段退焊或跳焊工艺,6.采用小电流，快速焊,分散焊加热时间短、 温度低且分布均匀， 可减小焊接应力和变形,分段退焊使温度分布均匀， 能减小焊接变形,7.加热减应区,8.散热法,对厚大焊件采用 多层多道焊,9.锤击或碾压焊缝,10.焊后拉伸或振动工件,11.焊后去应力退火,12.预先反变形,13.刚性固定法,(三)矫正焊接变形的措施,1.机械矫正法,适用于塑性较好、厚度不大的焊件。,2.火焰加热矫正法,用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢,矫正工艺：,以点状、线状和三角形加热变形伸长部分,加热温度为600800,动画,会产生较大焊接应力。 只用于塑性较好的低碳钢结构,三、焊接质量检验,(一)常见焊接缺陷,表3-2,影响美观，减小有效承载面积，造成应力集中,危害：,常见缺陷：,咬边、焊瘤、未焊透、气孔、裂纹、夹渣,(二)焊接质量检验过程,1.焊前检验,2.生产过程中的检验,3.成品检验,主要是外观检验,(三) 焊接质量检验方法,四、金属的焊接性,1.焊接性: 在一定的焊接工艺条件(焊接方法、焊接材料、 焊接工艺参数和结构形式)下，获得优质焊接 接头的难易程度。,焊接性,焊接接头在使用中的可靠性。 包括力学性能及其它特殊性能。,焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性。,(一)焊接性的概念,工艺焊接性,使用性能,2.影响焊接性的因素,(1)焊接方法,(2)焊接材料,(3)焊件化学成分,(4)工艺参数,(二)钢的焊接性评定方法,1.碳当量法,c, 影响最显著, 基本元素, 折合成碳的相当含量对焊接性的影响,其它元素,ce0.4%,ce=0.4%0.6%,ce0.6%,焊接性能良好,焊接性能较差 焊前预热，焊后缓冷,焊接性能很差 焊前必须预热，焊后要适当热处理 一般不用于生产焊接结构。,2.冷裂纹敏感系数法 pc,考虑了合金元素的含量、板厚及氢含量,预热温度t = 1440pc - 392,式中 h板厚，mm； h焊缝金属扩散氢含量(ml/100g),pc越大，则产生冷裂纹的可能性越大，焊接性越差。,第二节 金属焊接成形工艺方法,一、熔焊,1.工艺过程,(一)手工电弧焊 也称为焊条电弧焊,引弧,2.特点与应用,(1)设备简单，应用灵活方便,(2)焊条系列完整， 可焊接大多数常用金属。,(3)劳动条件差，强度大,(4)焊接厚度一般在320mm,生产率较低，质量不稳定,(5)不适合焊接一些活泼金属、难熔金属及低熔点金属,动画,(二)埋弧焊,电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。,焊接电源,控制箱,焊接小车,焊接热源：电弧热,1.埋弧自动焊设备及焊接过程,溶池保护：焊剂(气、渣),2.埋弧自动焊工艺,坡口间隙均匀一致，高低平整。,单面焊： 14mm,双面焊： 28mm,动画, 坡口形式：v、x形,单面焊时，应采用反面衬垫。,要有引弧板和熄弧板,防止烧穿、保证焊缝反面成形,防止起弧和熄弧时产生 的气孔、夹杂等缺陷进入 工件焊缝之中,电弧引燃位置向旋转反 方向偏离焊件中心线 一定距离e=2040mm,(6)大型环焊缝：,3.特点,与手工电弧焊相比,(1)生产率高(手弧焊的520倍）,(2)焊接质量好且稳定,(3)劳动条件好,4.应用,适于钢、ni基合金、cu合金等。 不能焊al、ti等活泼金属及合金（焊剂为mno、sio2）,适用于批量生产,钢板厚度660mm的水平长直焊缝和直径250mm以上 的环形焊缝,（焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观）,（无弧光、飞溅，劳动强度低）,(三)气体保护焊,用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊,1.co2气体保护焊,(1)工艺过程,焊接热源：电弧热,保护介质：co2,(2)特点,成本低(为手工电弧焊和埋弧 焊的4050),co2作为保护气体，焊丝作电极,焊接时操作性能好,明弧焊，适于全位置焊接,焊接质量较好,接头的抗裂性好；焊件变形小,生产率高(比手工电弧焊提高14倍),氧化严重,飞溅严重，焊缝成形差；烟雾大，弧光强； 容易产生co气孔。,(3)工艺措施,焊丝中含有si、mn元素(脱氧和渗合金),低碳钢用h08mnsia焊丝，低合金钢用h08mn2sia焊丝,采用直流反接,直流：保证电弧稳定燃烧(co2气流对电弧冷却作用较强),反接：减小飞溅(工件温度低),(4)应用,适合焊接钢板厚度130mm低碳钢和低合金结构钢,不宜焊接非铁金属和合金钢,2.氩弧焊,使用高纯度氩气作为保护气体的气体保护焊,不熔化极氩弧焊,焊接热源：电弧热,保护介质：ar,种类,熔化极氩弧焊,工艺要点,a.钢、钛合金和铜合金直流正接,减少w烧损，有利于焊件的熔化,b.铝、镁合金交流电源,“阴极破碎”作用,c.适用于0.56mm的薄板,为减少钨极烧损，电流不宜过大,(1)不熔化极氩弧焊(w极氩弧焊),原理：,钨棒作电极，焊丝作填充金属,(2)熔化极氩弧焊,原理：,焊丝作电极并兼作充填金属,动画,动画,工艺要点,a.均采用直流反接(无电极烧损问题),提高了电弧稳定性；对易氧化合金有“阴极破碎”作用,b.焊接电流范围增大,可焊接中厚板，板厚为825mm,(3)脉冲氩弧焊 电流为脉冲形式,原理：,利用高脉冲电流熔焊件形成焊点，低脉冲 电流时焊点凝固，并维持电弧稳定燃烧。,a.可降低热输入，避免薄板烧穿，实现单面焊双面成 形，并能进行全位置焊接。,工艺要点,b.适于焊接0.15mm的管材和薄板。,(4)氩弧焊的特点和应用：,电弧燃烧稳定，飞溅小。,焊缝金属纯净(ar保护)，焊缝成形美观， 焊接质量优良。,焊接热影响区和变形小,操作性能好(明弧、全位置焊),焊接成本较高(氩气价格高),焊前清理要求严格(氩气无冶金作用),应用：,适用于易氧化的有色金属及合金钢材料， 如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。,3.药芯焊丝气体保护焊,(1)原理：同普通熔化极气体保护焊,采用纯co2或co2+ar混合气体作为保护气。 采用内部装有焊剂的药芯焊丝，实现气渣联合保护,(2)特点和应用,飞溅少，电弧稳定，焊缝成形美观,生产率比手工电弧焊高35倍,可以焊接多种材料,抗气孔能力较强,药芯焊丝制造较困难， 且易变潮，使用前应在250 300下烘烤,采用直流反接、半自动焊，可进行全位置焊接。,用于焊接碳钢、低合金钢、不锈钢和铸铁等。,1.工艺过程,2.分类 根据电极形式,(四)电渣焊,利用电流通过液态熔渣产生的电阻热进 行焊接的一种熔焊方法。,焊接热源：电阻热,保护介质：液态熔渣,(1)丝极电渣焊 焊丝作电极,动画,单丝可焊厚度4060mm,横向摆动后可焊60150mm,三丝摆动可焊450mm。,用于厚度40450mm的长焊缝、大型焊件的环焊缝,(2)板极电渣焊,适用于焊接大断面短焊缝。,成本低，生产率高； 但电源功率大，焊缝长度1.5m,3.特点及应用,(1)大厚度工件可一次焊成,(2)生产率高，成本低,(3)焊接质量好(气体和熔渣能充分浮出 ),(4)焊缝力学性能较差，焊件需正火热处理,(5)不能平焊，不适于厚度30mm工件，焊缝不宜过长,应用：厚度40450mm的碳钢、合金钢、不锈钢等材料,用金属板作为熔化电极,(五)高能焊,如等离子弧、电子束、激光束等,利用高能量密度的束流作为焊接热源的熔焊方法的总称,1.等离子弧焊接与切割,一种压缩的、能量更为集中的电弧,(1)等离子弧,特点：热量集中，温度高(24000k)， 电弧挺度高、冲击力大(流达数倍音速),等离子弧的产生 三种压缩效应,a.机械压缩效应,b.热压缩效应,c.电磁压缩效应,弧柱中气体完全电离，获得 等离子弧,(2)等离子弧焊,电极：钨极,工作气体：氩气,工艺方法,a.穿孔型等离子弧焊,工艺特点：,电流100300a；,无需开坡口，不要留间隙；,单面焊双面一次成形；,板厚上限为：碳钢7mm，不锈钢10mm。,动画,利用电弧压缩效应，获得较高能量 密度的等离子弧进行焊接的方法,电流0.130a，焊接厚度为0.0252.5mm。,b.微束等离子弧,工艺特点：,焊接过程基本与钨极氩弧焊相似,等离子弧能量密度大，弧柱温度高，一次熔深大， 热影响区小,b.可焊超薄焊件 最小厚度可达0.025mm,电流0.1a时，电弧仍能稳定燃烧，并保持良好的挺直 度和方向性，,c.设备复杂，气体消耗量大，只适用于室内焊接,应用,适用于难熔、易氧化、热敏感性强的材料， 如mo、w、cr、ti及其合金、不锈钢等,特点,a.生产率高，焊缝质量好，应力变形小,(3)等离子弧切割,利用等离子弧的高温高速弧流使切口的金属局部熔 化以致蒸发，并借助高速气流或水流将熔化的材料吹 离基体形成切口的切割方法。,特点：,工件切口狭窄，边缘光滑平整，变形小等。,切割速度快，生产率高，,用途：,主要用于不锈钢、非铁合金、铸铁等难以用氧乙炔 火焰切割的金属材料以及非金属材料的切割。,切割厚度可达200mm,2.电子束焊,利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中 的焊件所产生的热能进行焊接的方法,(1)电子束焊过程,(2)种类,高真空电子束焊,工作室与电子枪同在一室， 真空度为10-210-1pa,适用于难熔、活性、高纯金属 及小零件的精密焊接。,例：锆、钼、钛、钽、镍、铂、铍,动画,低真空电子束焊,工作室与电子枪被分为两个真空室， 工作室真空度为10-115pa。,适用于较大型的结构件和对氧、氮不太敏感的难熔金属,非真空电子束焊 不设真空工作室,适用于碳钢、低合金钢、不锈钢、难熔金属及铜、 铝合金等的焊接。,(3)特点及应用,能量密度为普通电弧的500010000倍，热量集中， 热影响区小(0.050.75mm)，焊缝窄而深(120)，可对 精加工后的零件进行焊接。,焊接变形小，可进行装配焊接,焊接质量高,真空中焊接，金属不会被氧化、氮化，接头强度高,焊接设备复杂，成本高，且焊件尺寸受真空室限制,激发x射线，焊接辅助时间长，生产率低,可焊板厚0.1300mm；可焊形状复杂件；能焊一般金属材料，也可焊难熔金属(如钛、钼等)、活性金属(除锡、锌等低沸点元素较多的合金外)、复合材料及异种金属构件。,应用：,适合焊接一些难熔、活性或高纯度金属以及 热敏感性强的金属。,焊接适应性强(工艺参数调节范围宽),主要用于焊接原子能、航空航天部门中特殊的材料和结构,3.激光焊,利用聚集的激光束作为能源轰击焊件所产 生的热量将焊件熔化，进行焊接的方法,(1)激光焊过程,激光单色性好、方向性好，能量密度大。,激光器产生激光束，通过聚焦系统 聚焦在焊件上，光能转化为热能， 使金属熔化形成焊接接头。,激光焊有点焊和缝焊两种,(2)激光焊的特点及应用,焊接操作灵活,动画,激光不受电磁场的影响，不产生x射线， 无需真空保护(焊接极快，被焊材料不易氧化)， 可以用于大型结构的焊接。,可直接焊接绝缘导体；也能焊接物理性能差别较大 的异种材料(如金硅、锗金、钼钛等)。,广泛用于电子、仪表工业的微型器件焊接,能量密度大，热影响区、变形小。 特别适于光敏材料,设备复杂，价格昂贵，能量转化率低(5%20%)， 输出功率较小，焊件厚度受到一定限制，并且对激 光束吸收率低的材料和低沸点材料不宜采用。,(六)堆焊,为增大或恢复焊件尺寸或使焊件表面 获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接,特点：,可修复已失去精度或表面破损的零件,省材料、省费用、省工时，延长零件的使用寿命。,可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能， 发挥材料的综合性能工作潜力。,应用：已遍及各种机械产品的制造和维修部门。在冶 金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化 工设备等领域均有广泛的应用。,焊接工艺及其参数要求较高(异种金属焊接),利用电阻热将连接处加热到塑性状态或局部 熔化状态，再施加压力形成接头的焊接方法。,二、压焊,(一)电阻焊,通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形，并经再结晶和扩散作用，使两部分金属达到原子间的结合，实现连接的焊接方法。,电阻焊的特点：,(1)电压低，电流大，生产率高,(2)无需填充金属，焊接变形小(加热迅速且温度较低),(3)劳动条件好，操作简单，易于实现自动化生产,(4)设备复杂，投资大，只适用于成批大量生产,(5)接头质量不稳定，限制了在受力较大的构件上的应用,电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种,1.点焊,(1)点焊过程：,焊接第二点时，有一部分电流会流 经已焊好的焊点,(2)分流现象：,分流使焊接区电流减小， 影响焊点质量。,危害：,控制焊点距离,太近分流现象严重,太远强度不够,措施：,(3)接头形式：搭接,动画,如汽车驾驶室、车厢、电器、仪表、飞机制造,(4)应用：,4mm以下的低碳钢、合金钢、铜合金、 铝镁合金等薄板。,2.缝焊,(1)缝焊过程：与点焊相似，盘状电极代替柱状电极,(2)特点：,分流现象严重(焊点互相重叠约50以上), 焊接电流大，约为点 焊的1.52倍左右。,厚度0.12mm有气密性要求的 低碳钢、不锈钢、耐热钢、铝 合金等，如油箱、净化器和管道等。,(3)应用：,动画,用于接头强度和质量要求不太高、 断面简单，直径小于20mm的碳钢、 不锈钢、铜和铝等棒料、管材。,3.对焊,即对接电阻焊,(1)电阻对焊,电阻对焊过程,b.端面加工、清理要求高，质量不易保证。,应用,特点,a.操作简单，接头外观光滑、毛刺小。,如钢筋、门窗等。,(2)闪光对焊,闪光对焊过程,特点,a.接头质量高,b.焊前对端面清理要求不高,c.焊件烧损较多，焊后毛刺需清理,d.适应性强,应用,可用于同种金或异种金属焊接；,可焊直径小于0.01mm的金属丝，也可焊截面2000mm2 的金属棒或金属型材。,用于重要杆状件的焊接。 工件直径0.01mm200mm。 如刀具、管子、钢筋、钢轨、车圈等。,动画,利用焊件接触端面相互摩擦所产生的热， 使端面达到热塑性状态，然后迅速施加 顶锻力实现焊接的一种固相压焊方法。,(二)摩擦焊,1.焊接过程,动画,(2)焊接生产率高(比闪光对焊高56倍),(1)接头的质量好而且稳定(废品率低于电阻对和闪光对焊),(3)适用范围广(适于焊接异种金属 ),温度低于焊件金属的熔点，热影响区小；,顶锻力作用下完成塑性变形和再结晶，组织致密；,焊件端面氧化膜和油污被摩擦清除，不易产生气孔 和夹渣,2.特点及应用,(4)成本低,焊件无需特殊清理，比闪光对焊节电8090,(5)生产条件好,操作简单，易实现机械化和自动化， 无火花、弧光及有害气体。,(6)非圆截面、盘状工件及薄壁管件焊接较困难,(7)可焊接的最大截面为20000mm2(受焊机电机功率的限制),(8)一次性投资费用大，适于大批量生产,适用于黑色金属、有色金属； 也适用于特种材料、异种材料焊接。 摩擦系数小的铸铁、黄铜不易采用摩擦焊。,应用：,(三)超声波焊,利用超声波的高频振荡使焊件局部接触处加热和变形， 然后施加一定压力实现焊接的一种压焊方法。,1.超声波焊过程,2.特点及应用,(1)接头力学性能高于电阻焊， 焊接变形小,接头无铸态组织或脆性金属化合 物，强度比电阻焊高1520； 焊件温度低，焊接应力与变形很小。,(2)焊件表面清理要求不严，耗电较少(仅为电阻焊的5),(3)可焊接厚度差异很大和多层箔片结构,(4)适焊材料广泛,在美、日等发达国家的微电机制造中，超声波焊已几 乎取代了电阻焊和钎焊，用来焊接铜、铝线圈和导线。,(四)扩散焊,在真空或保护气氛中，在一定温度和压 力下保持较长时间，使焊件接触面之间 的原子相互扩散而形成接头的焊接方法。,1.扩散焊过程,2.特点及应用,(1)焊接应力变形小，接头强度高,(2)可实现各类同种材料和异种 材料间的焊接,(3)能焊接结构复杂以及厚薄相 差大的工件,(4)焊件表面加工及清理要求高， 生产率低，成本高，设备投资大。,应用：,用于熔焊、钎焊难以满足质量要求的精密、 复杂的小型焊件。,(五)爆炸焊,利用炸药爆炸时产生的冲击波使焊件迅速 撞击，短时间内实现焊接的一种压焊方法。,1.爆炸焊过程,2.特点及应用,适于焊接双金属构件，可节省大 量的贵重金属。,高速、高能成形,如钢铜、钢铝、钛钢、 锆铌等复合板和复合管等。,采用比母材熔点低的金属作钎料，将焊件和钎料加热， 只使钎料熔化而焊件不熔化，利用液态钎料填充间隙、 浸润母材并与母材相互扩散实现连接的方法。,三、钎焊,(一)钎焊过程,钎料的浸润、铺展和连接三阶段,(二)钎焊分类,1.钎料：形成钎焊接头的填充金属,钎料要求：,a.合适的熔点、良好的润湿性和填缝能力， 能与母材相互扩散；,b.一定的力学性能和物理化学性能。,2.钎焊分类,(1)按熔点,钎料熔点高于450钎焊,接头强度高200490mpa。,特点:,多用于受力较大的钢和铜合金工件及 工具的钎焊。如硬质合金刀具、钻探 钻头、自行车车架,常用钎料：,黄铜和银基钎料,硬钎焊,钎料熔点低于450的钎焊。,特点：,用于电子产品、电机电器和汽车配件。,接头强度低，60140mpa。,常用钎料：,软钎焊,锡铅钎料,(2)按加热方法分：,火焰钎焊、感应钎焊、浸沾钎焊、炉中钎焊以及 烙铁钎焊、电阻钎焊、扩散钎焊、红外线钎焊、 反应钎焊、电子束钎焊、激光钎焊等。,3.钎剂,作用,保护钎料和母材接触面不被氧化,增加钎料润湿性和毛细流动性,要求,钎剂残渣对母材和接头的腐蚀性应较小,软钎焊松香或氯化锌溶液。,种类,硬钎焊硼砂、硼酸和碱性氟化物的混合物, 清理作用, 降低表面张力, 保护作用,去除表面氧化皮和油污杂质,熔点应低于钎料,(三)接头形式,套管嵌接,接头间隙0.050.2mm。,板料搭接,便于控制接头间隙，使钎料在接头中均匀分布。,特点：,增加焊件之间的结合面，弥补钎料强度的不足；,(四) 特点及应用,(1)应力变形小；接头光滑平整，工件尺寸精确,(2)可焊接性能差异很大的异 种金属, 对工件厚度无限制,(3)生产率高,(4)设备简单，生产投资费用少。,(5)接头强度较低，耐热能力差,(6)焊前清理要求严格，而且钎料价格较高,钎焊不适于一般钢结构和重载动载机件的焊接， 主要用来焊接精密仪表、电气零部件、异种金属 构件以及某些复杂薄板结构，,如夹层构件和汽车水箱散热器等，各类导线与硬质合金刀具。,第三节 金属焊接成形工艺及焊件结构设计,工艺设计内容：,选择结构材料、焊接材料和焊接方法， 设计焊接接头、制定工艺和焊接技术条件。,一、焊接材料,(一)焊条,1.组成及作用,2.种类及型号,(1) 种类,根据熔渣化学性质分,酸性焊条,碱性焊条,以酸性氧化物为主(tio2、sio2、fe2o3）,特点：,a.有良好的工艺性,对油、水、锈不敏感，交直流电源均可用。,b.氧化性强，合金元素烧损大，焊缝的塑性和 韧度不高。,c.焊缝中含氢量高，抗裂性差。,应用： 一般结构件,酸性焊条,d.成本低,碱性焊条（又称低氢焊条）,药皮中以碱性氧化物与莹石为主(k2o、na2o、cao、mno),特点,脱氧、除氢、渗金属作用强，焊缝力学性能与 抗裂性好,工艺性较差 对油、水、锈较敏感，抗气孔性差,成本高,应用： 重要的结构件。,电弧稳定性差 一般采用直流反接,焊条行业统一将焊条按用途分为十类,国家标准将焊条按化学成分划分若干大类,(2)焊条型号与牌号,型号 国家标准代号,碳钢焊条gb5117-1995,e,如“03”表示交直流电源均可用、钛钙型药皮,“e”表示焊条,前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度（mpa）,第三位数字表示焊条使用的焊接位置,“0”、“1”均表示适用于全位置焊接，“2”表示适用于平焊和平角焊， “4”表示适用于向下立焊；,第三、四位数字组合表示电流种类和焊条药皮类型,如e4303、e5015、e5016等。,焊条牌号 行业统一代号。,表示方法：,例：j422,“j”表示结构钢焊条,“42”表示熔敷金属的抗拉强度（rm）不低于420 mpa,“2”表示氧化钛钙型药皮，交流、直流电源均可使用,z248,“z”表示铸铁焊条,“2”表示熔敷金属主要化学成分的组成类型（铸铁）,“4”是牌号编号,“8”表示石墨型药皮，交流、直流电源均可使用,3.焊条的选用,(1)焊条牌号选择,考虑母材的力学性能和化学成分,等强度原则：焊件抗拉强度与焊条强度等级相同,用于低碳钢和低合金结构钢。,同成分原则：焊件化学成分与焊条相近。,用于耐热钢、不锈钢等材料,考虑结构的使用条件和特点,承受动载或冲击载荷，或结构复杂、 大厚度的焊件，选择碱性焊条,原则,母材中碳、硫、磷较高：选择碱性焊条(抗裂性较好),考虑焊接设备,(2)焊条直径,焊接件愈厚，焊条直径应愈大,考虑焊条的工艺性,焊前清理困难，且易产生气孔的焊件：选择酸性焊条,(二)埋弧焊焊接材料,1.焊剂,非熔炼焊剂,保护作用，冶金处理作用,起保护作用 目前大多使用,熔炼焊剂,种类,熔炼焊剂牌号:,“焊剂”或 “hj”和三个数字表示,第一位数字表示焊剂中锰含量，,第二位数字表示sio2、caf2的含量，,第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号,如“焊剂431”或“hj431”,2.焊丝,直径1.66mm的实芯,作用,作为电极和填充金属；,脱氧、去硫、渗合金等冶金处理。,牌号：,大写字母“h”(焊)和钢材牌号表示 如h08,。,(1)低碳钢： c0.25%,ce 0.4%,焊接性良好。,(2)中碳钢：c0.250.60%,问题,焊缝区易产生热裂纹,热影响区易产生冷裂纹,二、焊件结构材料的选择,(一)常用金属材料的焊接性能及焊接特点,1、碳素钢,常用焊接方法：,手工电弧焊、埋弧焊、 气体保护电弧焊和电阻焊。,措施,焊前预热（150250 )，焊后缓冷。,选用低氢型焊条。,焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。,常用焊接方法：手工电弧焊,(3)高碳钢：c0.60%,焊接性差。,问题: 同中碳钢,措施: 同中碳钢,预热温度更高（250350 ）,避免选用高碳钢作为焊接结构件。,焊补,低强度普通低合金结构钢：,高强度普通低合金结构钢：,s390mpa,ce0.4%,16mn、09mn2si,s420mpa,ce0.4%0.5%,焊接性良好。,焊接性较差。,15mnvn、18mnmonb、14mnmov,2.低合金结构钢,焊前预热（150250 ），焊后缓冷； 焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。 选用低氢型焊条； 焊后及时进行消除应力热处理 去氢处理,采用手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、 电渣焊、压焊等。,采用手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊,3.奥氏体不锈钢,1cr18ni9、1cr18ni9ti、0cr18ni9等,问题,晶间腐蚀,热裂纹,常用焊接方法：手工电弧焊、氩弧焊和埋弧焊。,措施：,严格控制焊缝金属的含碳质量,采用含有ti、nb等元素的焊接材料和母材,措施：,选用碳质量分数很低的母材和焊接材料(塑性好),采用含适量mo、si等铁素体形成元素的焊接材料,焊接工艺：,采用小电流、快速焊,减少加热范围,多层焊时，应等前面一层冷至60以下。,强制冷却。稳定化处理。,一般不用来制造焊接结构，多为补焊。,4.铸铁,焊接性很差,(1)铸铁的焊接性问题,熔合区易产生白口组织和淬硬组织,焊缝区易产生裂纹(冷裂纹、热裂纹),焊缝区易产生气孔(co与co2),熔池金属容易流失(铸铁的流动性好不宜立焊),(2)铸铁补焊方法: 手工电弧焊和气焊，厚大件采用电渣焊,(3)手工电弧焊补焊方法,焊前将焊件整体或局部预热到600700， 补焊过程中温度不低于400，焊后缓冷,热焊法,补焊质量较好,工艺复杂，生产率低，成本高，劳动条件差。,形状复杂、焊后要求切削加工的重要铸件， 如汽缸、机床导轨、主轴箱等。,焊前不预热或预热温度较低(400),特点：,应用：,冷焊法,措施：,用于补焊后不要求切削加工的铸件 或高温预热易引起变形的铸件,a.依靠焊条来调整焊缝化学成分和提高塑性,b.采用小电流、分段焊(每段50mm)、短弧焊， 焊后轻锤焊缝以松驰应力等工艺措施,特点：,a.生产率高、成本低、劳动条件好,b.焊接处切削加工困难,应用：,5.非铁金属,(1)铜及铜合金,焊接性较差(与低碳钢相比),焊接性问题,b.变形开裂倾向大,c.易产生气孔和氢脆现象,a. 难熔合,d.铜合金易氧化,焊接工艺措施,a.选择能量密度大的焊接方法，并焊前预热(150550),b.选择适当的焊接顺序，并在焊后锤击焊缝,c.焊前彻底清除氧化物、水分、油污,d.使用熔剂(萤石)对熔池脱氢，降低熔池冷却速度,e.在焊接材料中加入脱氧剂(磷进行脱氧),f.焊后进行退火处理,焊接方法,手工电弧焊、气焊、氩弧焊。不宜采用电阻焊,a.纯铜和青铜：氩弧焊,b.黄铜：气焊(温度较低，锌蒸发较少),(2)铝及铝合金的焊接,焊接性问题,a.易氧化 al2o3阻碍金属的熔合，容易形成夹杂,b.易形成气孔 液态铝可溶解大量氢,c.易变形、开裂 线膨胀系数和收缩率大，导热性好,d.操作困难 易产生变形，难以掌握加热温度,焊接工艺措施,a.焊前清理,有利于熔合，防止气孔、夹渣,b.厚度超过58mm的焊件，预热至100300,焊接方法,常用的方法：氩弧焊、电阻焊、气焊,减小焊接应力、裂纹；有利于氢的逸出,防止其与空气、水分作用，腐蚀焊件,c.焊后清理残留焊剂和焊渣,(3)钛及钛合金的焊接,焊接性问题,a.易氧化、脆化,b.容易出现裂纹,易吸氢、吸氧、吸氮；合金导热性差,措施：,严格清理焊件表面；焊接时应加强保护,不能用氧乙炔气焊、手工电弧焊和co2气体保护焊,焊接方法,钨极氩弧焊、等离子焊、真空电子束焊、点焊等,6.异种金属的焊接,(1)焊接性问题,互溶性,材料熔点、膨胀系数、热导率、电阻率等 的差异使焊接困难,易形成脆性大的金属间化合物,例如：feal、fe2al3、fe2al7、feti、fe2ti,焊缝的成分、组织结构和力学性能与被焊 金属存在差异,(2)工艺措施,防止或减少生成金属间化合物,有效地保护被焊金属,熔焊、压焊、钎焊,(3)焊接方法,(二)焊接选材的基本原则,1.在满足使用性能的前提下，选用焊接性好的材料,按低强度金属选择焊接材料，高强度金属制定焊接工艺,3.采用焊接性不确定的新材料时，必须预先进行焊接性试验,4.尽量选用型材,2.强度和性能不同的钢材拼焊,三、焊接方法的选择,1.低碳钢和低合金结构钢,各种焊接方法均适用,(1)板厚为中等厚度(1020mm ),手弧焊、埋弧焊和气体保护焊,(2)生产批量较大长直焊缝或大直径环形焊缝埋弧焊,(4)薄板轻型结构,无密封要求点焊,有密封要求缝焊,(5)若工件为35mm以上厚板重要结构电渣焊,2.合金钢、不锈钢等重要工件氩弧焊,6mm以下的工件不熔化极氩弧焊,熔化极氩弧焊焊接25mm以下的工件,(3)单件生产或焊缝短且处于不同空间位置手弧焊,3.铝合金构件,氩弧焊,4.稀有或高熔点金属的特殊构件,等离子弧焊接、真空电子束焊接或脉冲氩弧焊,微束等离子弧焊接或脉冲激光点焊,5.微型箔件,四、焊接工艺参数的选择,焊接工艺参数：,为保证焊接质量而选定的物理量的总称,手弧焊的工艺参数：,焊条直径、焊接电流、 焊接速度、电弧长度,焊条直径主要取决于焊件的厚度,焊接电流根据焊条直径选取,焊接速度尽可能大,电弧长度不能超过所选焊条直径,t形接头：广泛采用在空间类焊件上，具有较高的强度，如船体结构中约70的焊缝采用了t形接头。,五、焊件结构设计,(一)焊接接头和坡口型式的设计,1.焊接接头形式,对接接头,角接接头,t形接头,搭接接头,2.坡口形式,(1)坡口的作用：,保证厚度较大的焊件能够焊透,调整焊缝的性能（调节母材和填充金属的比例）,(2)坡口形式:,不开坡口(i形坡口),v形坡口,x形坡口,u形坡口,(3)坡口型式选择根据,根部较宽，容易焊透，焊条消耗量较小， 坡口制备成本较高，用于重要的受动载的厚板结构件,手工电弧焊板厚6mm对接时，一般开设坡口；,重要结构，板厚3mm应开设坡口,厚度相同的工件,a.v、u型坡口,可焊到性较好(一面焊)，焊后角变形大，焊条消耗量大,b.x、双面u型坡口,两面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗量较小,c.u型、双面u型坡口,b.厚度差（t-t1）超过规定时,厚度不同的工件,接头处易应力集中；产生焊不透,a.厚度差（t-t1）不超过表3-7的规定时,接头的基本形式和尺寸按厚度较大的板确定,应在厚板上作出单面或双面斜度。,(二)焊缝布置,1.焊缝位置应便于施焊，有利于保证焊缝质量,(1)平焊缝操作最方便、质量最易保证,(2)应考虑各种所需要的施焊操作空间,焊条运行需空间不够,不便于电极安放,气体的保护效果差,接头处不易存放焊剂,(3)应考虑对熔化金属的保护,2.焊缝尽可能分散布置，避免密集交叉,3.尽可能对称分布焊缝,焊缝集中分布使接头过热，力学性能降低，甚至出现裂纹,焊缝间距(35)t 且不小于100mm,焊缝对称布置可以使各条焊缝的焊接变形相抵消,4.焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位,5.焊缝应尽量避开机械加工面,6.焊缝转角处应平缓过渡,大跨距梁，中间外加应力最大，焊接应力与外加应力叠加易造成应力过大而开裂,增加一条焊缝，改善了焊缝的受力情况，结构承载能力上升,焊接残余应力影响加工精度 焊缝的机械加工性能不好 焊缝会影响工件力学性能,转角易产生应力集中，尖角处应力集中更为严重,(三)焊接结构图的绘制,用以表明焊缝横截面的形状,1.焊缝的