金属工艺学焊接.pptVIP

第 四 篇 焊 接,、焊接的概述,本质-是通过加热或加压（或者两者并用）使分离金属构件于连接处达到原子间结合，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法,满足使用要求。,原理 1）局部加热至熔化，通过凝固结晶而连接。 2）局部加压加热至塑性状态而连接。 3）通过其他物理方式获得连接效果。,焊接方法的分类,1）熔化焊 接头局部加热至熔化状态，通过结晶凝固而连接成不可拆卸的整体。 主要包括电弧焊、气体保护焊等。,2）压力焊 对焊件施加压力（可同时加热）通过塑性连接、金属再结晶和原子扩散获得原子间结合。主要包括压力焊 （点焊、缝焊、对焊等）、摩擦焊等。,3）钎焊 低熔点钎料熔化并渗入被焊工件接头间隙中扩散而实现连接。,焊接成形的特点,1）节省材料,减轻结构件的重量。,2）可化大为小、以小拼大。,3）可实现异种金属的连接。,4）焊接应力变形大，接头易产生 裂纹、 夹渣、气孔等缺陷。,应用 广泛用于制造各种金属结构，如桥梁、船 舶、密封压力容器、化工设备、机车车辆和飞行 器等。,二、熔焊工艺基础,1.焊接电弧 介于电极与焊件间的气体介质中，产生的强烈而持久的放电现象，伴随有强烈的光和热，产生高温。,电弧电源：交流电和直流 电两种。,电弧工作电压：1635V,温度分布： 电弧中心区：60008000K 阳极区：2600K 阴极区：2400K,电弧结构：由阳极区、阴极区和弧柱区构成。,电弧的极性,直流电源正接极：,直流电源反接极：,工件正极（阳极）；焊条负极（阴极）。,工件负极（阴极）；焊条正极（阳极）。,用于薄板金属的焊接,2、电弧焊质量控制,焊缝区冶金反应激烈，但不平衡。 焊接接头组织不均，性能脆弱。 产生焊接应力与变形，降低承载能力。,1）焊缝区冶金反应激烈，但不平衡,基于电弧强热高温，连接处局部熔化，熔池内冶金反应激烈，金属蒸发，气体离子还原成原子状态，金属烧损，形成氧化夹杂。,熔池小，冷却快，液体停 留时间短，冶金反应不平 衡，有害气体（H2）进入 熔池，焊缝性能下降。,焊缝冶金质量控制途径： 对熔池（液态金属）实行隔离空气保护。,方法： 熔渣保护：焊条电弧焊、埋弧自动焊、 电渣焊等； 气体保护： Ar 气保护、CO2气体保护。 向熔池添加合金元素，调整冶金成分。,2）焊接接头组织不均，性能脆弱,焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区构成。,1,2,3,4,焊接工件上温度的变化与分布,1,2,3,4,焊接接头的组织与性能分析,焊缝区 焊缝组织是由液态金属结晶成的铸态组织，宏观组织是柱状粗晶粒。成分偏析严重，组织不致密。 熔合区 是焊缝向热影响区过渡的区域，是焊缝和母材金属的交界区。其加热温度处于固相线和液相线之间，常是裂纹和局部脆性破坏的发源区。在低碳钢焊接接头中，很大程度上决定着焊接接头的性能。,热影响区（36mm）,部分相变区（Ac1Ac3）：不完全正火或淬火， 力学性能减弱。力学性能比正火区稍差。,正火区（Ac3Ac3+100200 C ）: 受热正火 （奥氏体化，空泠）热处理，力学性能改善。 其力学性能优于母材。 对于中碳、高碳钢、合金钢，有淬火倾向， 出现马氏体，硬度脆化。,过热区（Ac3+100200 C至固相线温度）: 晶粒显著粗大, 形成过热组织，塑性、韧性差。,焊缝附近的母材组织和性能发生变化的区域。,结论： 焊缝两旁相当于进行了一次不同温度热处理，热影响区组织变异，对焊接接头性能不利，使之脆弱，且熔焊过程中无法自动消除，常采用焊后热处理(正火)消除或改善。,3）产生焊接应力与变形,原因 焊件局部不均匀加热和冷却，膨胀和收缩 受到牵制，相关部位产生焊接应力并出现变形。,焊接中,冷却后,应力规律 焊缝区拉应力（+） 远离焊缝两侧对应边缘压应力（-）,焊接应力的防止及消除措施, 设计时焊缝不要密集交叉，截面和长度要尽可能 的小，以减少焊接局部过热。 选择合适的焊接顺序 先焊收缩量较大的焊缝；先焊工作时受力较大的焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝, 当焊缝处在较高温度时，敲击和碾压焊缝，使之伸长，以减少焊接应力 采用小能量，多层焊 。 焊前将工件预加热（150C350C）, 缩小焊缝与周围的温差。焊后均匀缓慢冷却。 焊后进行去应力退火。,变形规律 焊接变形越大，焊接应力减小，通过变形来平衡或释放应力，即变形总朝力图减小焊接应力的方向弯曲或扭曲。,焊接变形形式 整体尺寸收缩、角变形、弯曲、扭曲、波浪变形等。,防止或减小焊接变形措施 （1）结构设计合理； （2）采用正当焊接工艺； 如：刚性固定法 反变形法,用夹具防止焊件变形示意图,（3）焊缝分散，不宜密集和过于交叉； 焊缝设计时应尽可能对称布置。,（4）合理安排焊接次序；对于长焊缝，应分段施焊。,（5）焊后矫正处理（机械矫正；火焰矫正）。,三、电弧焊 1、焊条电弧焊(手工电弧焊),是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件 和焊条熔化而进行的焊接方法。,）焊条电弧焊的焊接过程,电弧向前移动，新的熔池 形成，过后熔池凝固，构成连续焊缝。,熔池保护：熔化了的熔渣浮起并受热分解出 CO2、CO和H2，对熔池实施熔渣和气体双保 护，防止O2、N2侵入。,熔池形成：电弧热同时熔化焊条端部和工件 连接处。,药皮作用 造渣、造气（CO2）；稳弧 隔离空气，保护熔池； 渗入合金元素，调整成份。,焊芯作用 导电、填充焊缝金属； 要求低硫、低磷、低碳； 专用冶炼、轧制与拉拔而成；,） 电焊条 电焊条用于焊条电弧焊； 电焊条由外覆药皮和中间焊芯组成；,3） 电焊条的分类,结构钢焊条J； 钼和铬耐热钢焊R； 低温钢焊条W； 奥氏体不锈钢焊条A； 堆焊焊条D； 铸铁焊条Z； 镍及镍合金焊条Ni ； 铜及铜合金焊条T； 铝及铝合金焊条L； 特殊用途焊条TS,按化学成分分：,碱性焊条 药皮熔渣中碱性氧化物比酸性氧化物多。 。如J507表示用于厚板的结构钢焊条，熔敷金属抗拉强度不低500MPa；低氢钠型药皮，采用直流电源。,酸性焊条 药皮熔渣中酸性氧化物比碱性氧化物多。如J422表示结构钢焊条，熔敷金属抗拉强度不低于420MPa；氧化钛钙型药皮，交直流电源两用。,按熔渣性质分：,焊条选用, 焊条直径以焊芯直径表示，标准系列1.6，2.0， 2.5，3.2，4.0，5.0，6.0，8.0。, 对动载或受冲击等重要零件的焊接，用碱性焊条。, 满足焊缝与母材等强度要求，焊缝金属成分与 母材基本一致。,4）焊条工艺参数, 焊接速度：保护焊透，焊缝良好前提下尽 量快速施焊。, 焊机空载电压：6070V。 电弧工作电压：2035V。, 焊接电流 =（3045）d焊条（A）, 焊条（焊芯）直径与被焊件厚度相当。 d件=3mm，焊条d=2.5，3mm； d件=47mm，焊条d=3.2，4mm；,2 、埋弧焊,1）技术方案 焊剂层下熔渣覆盖电弧； 焊机带着焊丝匀速沿工件坡口移动或工件相 对焊机机头移动。 熔剂从漏斗中不断输送覆盖被焊部位。大部 分熔剂不熔化，可重新回收使用。,埋弧自动焊的纵横截面图,2）埋弧焊主要特点 焊缝质量好，焊缝均匀美观； 焊接效率高。电流大，熔深大，焊接速度 快，焊丝自动进给。 节省焊接材料，中厚板不开坡口，一次焊 透，多余焊剂回收使用，降低了损耗。 劳动条件较好，暗弧操作，实现了机械化， 减少了烟尘。,3）应用： 平焊，长直焊缝，大直径焊缝。不适合薄板、 环形焊缝。,3、气体保护焊（氩弧焊、CO2气体保护焊）,氩弧焊分为： 熔化极氩弧焊； 不熔化极氩弧焊。,氩弧焊是以氩气作为保护（熔池）气体的电 弧焊。高温下，Ar不电离，不熔于金属。氩弧焊 质量很高。,1）氩弧焊,熔化极氩弧焊,以连续送进的焊 丝作为电极，用氩气 （纯度99.7%）保护 熔池，可供焊接厚度 25mm以下的板件。,钨极氩弧焊 以高熔点的钨棒（含铈）为电极，钨极不熔化，只起导电和引弧作用。因通过电流有限，故只适于焊6mm以下的薄板，多用直流焊接电源。,特点 电弧稳定，飞溅小，没有熔渣，焊缝致密，成形美观； 熔池金属受Ar保护，明弧可见，易实现自动化，可用弧焊机器人操作； 热量集中，焊接速度快，热影响区窄，变形小；,应用 适于焊接各类合金钢、不锈钢、耐热钢，非 铁金属及铝、镁、钛等有色金属材料；但氩 气较贵，相对成本较高。 东风公司主要用于水箱进，排水管焊接，铝合金零件的焊接和补焊。,2）二氧化碳气体保护焊 用焊丝作电极，焊丝自动送进并熔化，用CO2 气体保护熔池金属，隔离空气。 CO2属于氧化性气体，电弧分解出O和CO，造成熔池金属氧化烧损、飞溅，需要高Mn、高Si焊丝，如H08MnSiA或 H08Mn2SiA焊丝等。,特点 成本低。主要是CO2廉价易得，为埋弧焊或焊条电弧焊的40%； 生产效率高。比焊条电弧焊高13倍， 基于送丝自动化； 明弧操作，容易及时发现质量事故并处理 质量比焊条电弧焊稳定。热影响区域小，变形和裂纹倾向小；,应用 广泛用于造船和车辆制造。如:东风公司主要用于车身总成，车箱总成，后桥壳、传动轴转向、传动机构零部件，车轮总成等。,3）等离子弧焊与切割 实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊 等离子弧 电弧焊中的一般电弧，称为自由电弧。,等离子弧是基于三 种压缩效应的细小收缩 电弧，使得弧柱内的 气体（Ar或N2）完全 电离，能量高度集中， 温度高达16000K以上。,等离子弧的三种压缩效应： 机械压缩 电弧（气体电离）通过细孔道喷嘴，弧柱受到强力压缩； 强冷压缩（热压缩） 一定压力和流量的冷气，冷气均匀包围着电弧，使弧柱外围受到强烈冷却，弧柱被进一步压缩。 电磁压缩 带电粒子流自身磁场新生电磁力使得弧柱进一步缩小 。,特点与应用, 既可用于焊接，也可用于切割。切割效率高于 氧化切割倍（氧气切割时，切割处金属 在纯氧气中燃烧)。, 焊后焊缝宽度和高度均匀一致，焊缝表面光洁 平滑。, 当电流小到0.1A时，电弧仍能稳定燃烧，并保 持良好的挺直度和方向性，可用于焊接很薄的 箔材。, 等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力 强，焊接速度快，生产率高。焊1012mm的钢 板可依次焊透并双面成形。,应用 主要用于焊接或切割不锈钢，合金钢，钨、钼、钴、钛等难熔金属，非金属材料；也可用于焊接或切割铜、铝及其合金。主要用于国防工业及尖端技术中，如钛合金导弹壳体、飞机乃至飞行器的薄壁容器以及微型电器、电容的外壳等。,复 习 题,焊接电弧是怎样的一种物理现象？电弧各区的温度有多高？ 何谓焊接热影响区？各区段对焊接接头性能有何影响？ 产生焊接应力与变形的原因是什么？如何减小或消除焊接应力？如何预防和消除焊接变形？ 说明电焊条的构成及各部分的作用？ 等离子弧和一般电弧有何异同？等离子弧切割和氧气切割的原理和应用有何不同？ 试从质量、效率、成本和应用等方面比较焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊和co2气体保护焊的生产特点？,四、压力焊与钎焊,、电阻焊,根据接头形式分为点焊、缝焊和对焊。,式中 Q电阻热； 电流（几千安至几万安）； R电阻（工件电阻和）； T通电时间（短）。,电阻热： Q=RT,电阻焊是对组合焊件经电极加压，利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域所产生的电阻热把工件加热到塑性或局部熔化状态,在压力作用下形成接头的焊接方法 。,1）点焊,是将焊件装配成搭接接头后，在两柱状电极间压紧并使之密贴，加压通电，利用电阻热局部熔化母材形成焊点的电阻焊方法。,点焊时，先加压使两焊件紧密接触，然后接通电流加热。因为两焊件接触处电阻较大，电阻热使该处温度迅速升高，金属熔化，形成液态熔核。 当切断电流，去除压力，两焊件接触处的熔核凝固而形成组织致密的焊点。（电极与焊件接触处所产生的热量因被导热性好的铜或铜合金电极与冷却水传走，因此电极和焊件接触处不会焊合。,原 理（选讲）,适用于厚度为4mm以下的薄板冲压件.广泛用于飞行器、车辆、壳罩、仪表壳体和日常生活用品的焊接。东风公司主要用于驾驶室总成，车箱总成。,2）缝焊,缝焊示意图,改用滚轮或滚盘电极加压通电并滚动，使搭接接头 成为连续密封焊缝。主要用于薄板(3mm以下)密封性容器的焊接， 如汽车油箱、化工容器等。东风公司主要用于汽油箱、消声器、机油盘等薄壁容器。,3）对焊 工件对接，电阻热来自于被焊工件整个对接面。 分为电阻对焊和闪光对焊：,电阻焊,电阻对焊 起先预热，工件平整端面全接触并予夹紧，通电后，电阻热使工件端部迅速加热至塑性状态（碳钢10001200 ），再行施加较大预锻力，断电冷却后获得良好对接接头。,闪光对焊 用于不平的工件对接表面，微接触后通电，先行接触点强热熔化并以爆破而出现火光飞出，形成“闪光”，直至接头端部受热熔化，预热后并断电冷却即成对接接头。,电阻焊,闪光对焊因氧化夹杂物被闪光带走被挤出，故夹杂少，质量好，强度高，常用于相同或异种材料的焊接。,常用对接焊头形式,对焊还用于刀杆与刀头、管件、钢筋、链条的焊接， 接头要求等断面。东风公司主要用于钢圈、齿圈、轮毂等零件的焊接。,汽车金属轮网用的是闪光对焊。,、摩擦焊 摩擦焊是利用工件相对旋转,于接头处摩擦生热至高温塑性状态并加压而获取焊接头。,特点 质量好，可焊异种材料； 操作简单，易自动控制，效率高； 电能消耗少（为闪光对焊 的1/101/15）； 但设备要求高，一次性投 资大。 一般要求等断面对接。,连续驱动摩擦焊的工艺过程,连续驱动摩擦焊是使一个工件高速旋转，另一个工件则以相当大的压力压向旋转件，使接头摩擦升温。当加热到塑性状态时，利用制动器或断电使旋转件停转，同时保持和增大轴向压力进行顶锻，直至焊接完成。,储能式摩擦焊的工艺过程,是将飞轮和一个焊件加速到预定速度，使飞轮与电动机脱开或断电，同时使两工件接触并加压，飞轮的动能转化成热能，当飞轮停止转动时，加压顶锻，完成焊接。,摩擦焊的特点,a . 接头的质量好且稳定（摩擦焊的温度低于焊件的金属熔点，热影响区小，组织细密） b . 焊接生产率高、成本低（焊接操作简单且不需填充金属，易于自动控制，生产率高，设备简单、能耗少。 c . 适应范围广（不仅适用于黑色金属和有色金属、适用于特种材料、异种材料。 d . 生产条件好（无火花、弧光及尘毒，操作方便、 工人劳动强度小。 e.电能消耗少（为闪光对焊的1/101/15）； f.设备要求高，一次性投资大。 应用：广泛用于圆形工件、棒料管子的对接，东风公司主要用于进、排气阀、刀具、拉杆零件等。,、钎焊 利用易溶钎料(熔点比焊件低的钎料)填充入被焊工件的装配间隙中靠原子扩散和互溶使焊件连接起来。,）硬钎焊 钎料熔点450 ，接头强度200MPa。用于硬钎焊的钎料有铜基、银基和镍基等。钎焊工作温度为9001100。主要用于钢质或铜类构件的焊接，如自行车架、带锯锯条以及硬质合金刀片与刀头的焊接等。,钎焊分为硬钎焊和软钎焊。,）软钎料 钎料熔点450，接头强度较低，一般不超过70MPa。常用钎料是锡铅合金(熔点低于230)，通常称锡焊。软钎焊常用于仪表器件、导电板及铜合金焊接。比如汽车仪表、电器、铜质蜂窝散热器等。,）钎焊工艺要点, 应用烙铁加热、火焰加热、电阻炉加热、感应加热或盐浴加热等加热方式。烙铁加热适用于软钎焊。, 采用搭接或套接封闭接头。, 钎接面积足够大。接头装配间隙合理，一般取 0.050.2mm.,钎剂作用：去除被焊工件表面氧化物及杂质， 改善钎料对工件表面的湿润性。保护钎料和工件不被氧化。, 钎剂先引路。常用钎剂是氧化锌，松香（软钎焊）或硼沙、硼酸、氯化物（硬钎焊）等。,4）特点： a 焊接过程中，工件加热温度较低，组织和性能变化小， 焊接变形也小，工件尺寸准确。 b 生产率高。 c 钎焊设备简单，生产投资费用少。 d 焊接差异大的异种金属，工件厚度不受限制,5）应用： 用于焊接精密、微型、复杂、多焊缝、异种材料的焊接。用于制造硬质合金刀具，散热器等。 东风公司主要用于散热器总成，硬质合金刀具，管件及小零件的焊接。,五、常用金属材料的焊接,1. 金属材料的焊接性 是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。（即金属材料在一定的焊接工艺条件下表现出的“好焊”或“不好焊”。 焊接性包括两方面：工艺焊接性是指焊接接头产生缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性； 使用焊接性是指焊接接头在使用过程中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它性能（耐热、耐蚀性能等）。,2. 钢材焊接性的评价方法 碳当量法依据钢材中化学成分 对焊接热影响区淬硬性的影响程度，来评 估钢材焊接时可能产生裂纹和硬化倾向的 计算方法。,WC=Wc+WMn/6+(WCr+WMo+WV)/5+(WNi+WCu)/15(%),根据生产经验：,当WC0.6%时，钢材塑性较低,淬硬倾向很强,焊接性不好。焊前预热，焊后缓冷并加热处理，以减小和消除焊接应力，改善焊后组织，以防裂纹。,当WC=0.4%0.6%时,钢材塑性下降,淬硬倾向明显,焊接性相对较差，焊前要预热，焊后要缓冷。,当WC0.4%时，钢材塑性良好,无明显淬硬倾向，焊接性好，一般情况下不会产生焊接裂纹。,2. 低碳钢的焊接 低碳钢含碳量0.25%，塑性好，一般没有淬硬性倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外） 因此低碳钢可以用于各种焊接方法进行焊接，用得最广泛的是手工电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊。,3. 中、高碳钢的焊接,中碳钢碳量在0.256%之间，随含碳量的增加，淬硬倾向增大，可焊性变差，在焊缝及热影响区中会分别出现热裂纹和冷裂纹。 为保证接头质量，需采取下列措施进行保护： 焊前预热、焊后缓冷。（减小应力、防止裂纹的产生） 选用碱性低氢型焊条（焊条中较多的CaO能有效的脱去硫和磷，防止裂纹的产生） 焊件开坡口。且采用细焊丝、小电流、多焊层。（能获得良好的接头）,高碳钢中的含碳量大于0.6%，焊接性能更差，需采用更高的预热温度，更严格的工艺措施来保护，只限于修补工作。,4.低合金结构钢的焊接,低合金钢一般按屈服强度分级 强度级别较低的合金结构钢（s400MPa ），随合金含量的增高，热影响区的淬硬倾向增大，焊接性能较差。此外，接头产生冷裂纹的倾向也相应的增大，焊前需预热，（150250 C），并加大焊接电流，减少焊速同时选用低氢焊条。 低碳合金钢由于其优良的力学性能，广泛用于压力容器、锅炉、桥梁、车辆和船舶等金属结构上。,5. 铸铁补焊 铸铁的碳含量高，（大于2.11%）塑性差，组织不均匀，焊接性能很差，但由于其在机械行业中应用广泛，如能对其在生产中的缺陷或使用中的破损进行焊接修补，可显著提高其经济效益。 因此 铸铁的焊接主要是焊补。,铸铁焊补的特点,1. 熔合区易产生白口组织和淬硬组织；,2. 焊缝区易产生裂纹；,3. 焊缝区易产生气孔；,4. 熔池金属易流失；,铸铁焊补的方法,热焊法,焊前将焊件整体或局部预热至600700并施焊，焊后缓冷。,用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。 如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等,冷焊法,焊前不预热或低温预热（400 ）的焊补方法。 主要依靠焊条来调整焊缝的化学成分.,焊条,钢芯铸铁焊条：,适用于非加工表面的焊补,石墨化铸铁焊条：,高钒铸铁焊条：,镍基铸铁焊条：,铜基铸铁焊条：,适用于较大灰口铸铁件的焊补,主要用于一般铸铁件的焊补,主要用于重要件加工表面的焊补,可进行机械加工、塑性和抗裂较好。,焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性,抗裂性好，可进行机械加工。,具有良好的抗裂性与加工性,主要用于一般铸铁件的焊补,5. 有色金属的焊接, 铜及铜合金的焊接特点： a. 难熔合（铜及合金导热系数较大，热量易散失而 达不到焊接温度，出现不熔和焊不透的现象。 b. 易变形开裂（铜和铜合金的线膨胀系数及收缩率都 较大，易产生焊接应力而变形、开裂。 c. 易形成气孔（铜在液体时能熔解大量的氢，凝固时， 溶解度急剧下降，氢气来不及析出而形成气孔。 铜及铜合金的焊接可用氩弧焊、气焊、钎焊等。, 铝及铝合金的焊接特点：,a. 易氧化 b. 易变形开裂 c. 易形成气孔 铝及铝合金的焊接可用氩弧焊、