第4章 连接成形.ppt

第4章连接成形 定义 连接成形是将若干个构件连接为一体的成形方法 分为 焊接 胶接和机械连接等三大类 焊接 通过加热或加压 或两者并用 并且用或不用填充材料 使工件达到结合的一种方法 分为 熔焊 压焊 钎焊 优点 省工省料 效率高 连接牢固 适于焊接的材料广泛 缺点 可能产生气孔 裂纹 焊件上存在焊接应力和焊接变形 胶接 用胶粘剂将被粘物表面连接在一起的方法 胶接工艺简便 生产效率高 成本低 在工业生产中应用愈来愈广泛 机械连接 通过构件间产生的机械作用力实现连接的方法 机械连接质量可靠 易于检修 在工业中应用广泛 4 1焊接基础4 1 1熔焊冶金过程及其特点 在熔焊过程中 焊接接头金属将发生一系列的物理 化学反应 称为熔焊冶金过程 包括液相冶金 熔池结晶 焊缝和热影响区的组织变化等 焊接时 先将焊条与焊件瞬时接触 发生短路 强大的短路电流流经少数几个接触点 致使接触点处温度急剧升高并熔化 甚至部分发生蒸发 当焊条迅速提起时 焊条头温度已升得很高 在两电极间的电场作用下 产生了热电子发射 飞速的电子撞击焊条端头与焊件间的空气 使之电离 形成带电质点 这些带电质点的定向运动形成了焊接电弧 1 熔焊液相冶金的特点 反应温度高 比表面积大 反应时间短 见表4 1 1熔焊液相冶金 熔焊冶金特点知 对焊缝影响较大的是气体的侵入和成份的变化焊缝对外表现出的力学性能特点为 ak 即 硬度高 脆性大 2 保证焊缝质量的措施 1 防止有害气体侵入熔池用气体及熔渣隔离空气或两者联用焊前清理焊件及焊丝 烘干焊条或焊剂 2 冶金处理添加有益元素脱氧 脱硫 脱磷渗有益合金 2 熔池结晶 熔池金属凝固时 以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心 沿着散热的反方向长大 形成垂直于熔池壁的柱状晶 焊缝金属晶粒较粗 组织不致密 且易引起化学成分偏析 有些焊缝金属在凝固末期还可能产生热裂纹 保证质量的办法 1 焊缝中增添少量Ti V Mo等元素 可形成弥散的结晶核心 使焊缝晶粒细化 力学性能提高 2 采用机械振动 超声振动 电磁搅拌等工艺措施均可细化焊缝晶粒 1 母材2 熔合线3 联生结晶4 柱状晶 3 焊接接头的组织转变 焊接接头 是由两个或两个以上零件要用焊接组合或已经焊合的接点 针对熔合区 焊接热影响区尤其是其中的过热区可能出现的质量问题 可以 1 采取热量集中的焊接方法 减小热影响区的宽度 减小影响提高性能 先进的焊接方法均如此 见表4 2 2 工艺上 小电流 快速焊 以减小单位长度上的热量输入 3 焊后正火 机设04 1 2 3 第八次课第十四周周二下午5 6节 11月28日 4 1 2焊接应力与变形1 焊接应力与变形产生的原因 焊接件的结构特点 塑性好 细 薄 易变形 焊后残留在焊件内 焊接残余应力 焊接残余变形 2 焊接残余应力的调节与消除 1 焊接残余应力的分布 先冷处受压后冷处受拉 2 调节焊接残余应力的措施 A 减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密集和交叉 采用型材 复杂部位采用冲压件或铸件 薄板结构采用电阻焊代替熔焊 B 刚性较小的接头 1 设计措施 尽量减少焊缝的数量 2 工艺措施A 合理的焊接顺序 先内后外先短后长交叉处不起头收尾 B 降低焊接接头的刚性 a 板孔少量翻边b 镶块压凹 C 加热减应区 D 锤击焊缝 焊后趁热 E 预热和后热 a 焊前加热b 焊后冷却 3 焊接残余应力的消除方法 1 去应力退火 整体或局部加热温度500 650 局部去应力退火 结构简单 刚性较小或体积较大的焊件 如圆筒 管道 长构件等 2 机械拉伸法 3 温差拉伸法适用于 焊缝较规则 厚度在40mm以下的板壳结构 4 振动法激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力 温度拉伸法示意图1 喷水排管2 焊件3 4 氧乙炔焰炬 4 焊接残余变形的控制和矫正 1 焊接残余变形的类型 五种 常见多为综合型的变形 收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 失稳变形 较理想的正常情况 厚度方向加热不均匀 高度方向加热不均匀 横截面上加热不均匀 多见于薄板件 2 控制焊接残余变形的措施 A 尽量减少焊缝的数量和尺寸 合理选用焊缝的截面形状 B 合理安排焊缝位置 1 设计措施 A 反变形法 2 工艺措施 B 刚性固定法 用压铁压紧薄板2 压铁3 焊件4 平台5 定位焊点 预置反变形 用夹具夹紧凸缘1 固定夹 塑性预弯反变形 强制预弯反变形 C 合理选用焊接方法和焊接规范 选用能量较集中的焊接方法 CO2气体保护焊 等离子弧焊焊接时采用较小的热输入 小电流 提高焊接速度 D 选用合理的装配焊接顺序尽量对称焊 厚板多层焊 长缝分段焊 工字梁埋弧焊焊接顺序 a 工件移动b 机头移动 3 焊接残余变形的矫正1 机械矫正法利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形 使二者相互抵消 生产效率高 矫正质量好 适用于塑性材料长直缝和环形焊缝构件 a 用压力机矫正弯曲变形b 用辊轮矫正失稳变形 2 火焰矫正法即利用火焰局部加热焊件的适当部位使其产生塑性变形 以抵消焊接残余变形 操作灵便 但需较丰富的实际经验 4 2焊接方法4 2 1熔焊 1 电弧焊 电弧作为热源 焊条电弧焊 埋弧焊和气体保护焊 1 埋弧焊 电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法 埋弧焊1 焊接衬垫2 V形坡口3 焊剂挡板4 焊剂给送管5 焊丝6 接焊丝电缆7 颗粒状焊剂8 渣壳9 焊缝10 母材11 焊缝金属12 接工件电缆 接地 13 熔池14 电弧 筒体环焊缝的埋弧焊1 焊丝2 送丝滚轮3 焊剂4 筒体5 滚轮架 埋弧焊 优点 采用大电流 30mm以下板厚可不开坡口一次焊成 效率高 焊缝质量好 表面光滑美观 节省焊接材料和电能 埋弧焊特点 适用 较厚的板料的长 直焊缝和较大直径的环形焊缝 缺点 设备投资较高 且只适用于平焊位置 1 熔化极气体保护焊采用实心焊丝或药芯焊丝作电极的气体保护焊 保护气体有 CO2 Ar Ar O2 Ar CO2等 CO2气体保护焊用于 低碳钢 强度级别较低的低合金结构钢 熔化极氩弧焊用于 易氧化的非铁合金 要求较高的各类合金钢 用外加气体作电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法 2 气体保护电弧焊 熔化极气体保护焊1 送丝滚轮2 焊丝3 导电嘴4 喷嘴5 进气管6 氩气流7 电弧8 焊件 优点 生产效率高 易于操作 质量好 全位置焊接 焊接材料利用率高 能耗低 缺点 设备成本高 维修费用高 CO2气体保护焊 2 钨极惰性气体保护焊用纯钨或活化钨 钍钨 铈钨 电极的惰性气体保护焊 钨极惰性气体保护焊1 焊丝2 焊丝导管3 气体喷嘴4 电流导体5 钨极6 保护气体7 电弧8 铜垫板 优点可焊几乎所有的金属合金 电弧燃烧稳定 低电流可焊 适于薄板和难焊位置 明弧便于操作 焊接效率较低 成本较高 应用 不锈钢 耐热钢和各种非铁金属及其合金 钨极惰性气体保护焊 2 电渣焊利用电流通过液体熔渣产生的电阻热进行焊接 优点 厚板一次行程中焊成 熔敷速度高 加热和冷却速度慢 不易产生气孔 夹渣等缺陷 且脱硫 脱磷较充分 焊缝质量较高 缺点 晶粒粗大 热影响区较宽 焊后通常须进行正火处理 以细化晶粒 提高接头的韧性 适用 厚度30mm以上的厚板或大截面结构 电渣焊a 丝极电渣焊b 板极电渣焊1 冷却水管2 12 冷却滑块3 焊丝4 10 渣池5 11 熔池6 13 焊缝7 8 焊件9 板极 电渣焊 3 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 堆焊几乎可采用任何一种熔焊方法 堆焊可提高零件的使用寿命 可获得耐磨 耐蚀 耐热等特殊性能 堆焊是一种重要的表面工程技术用于 各种机械零件和工具 模具的制造和修复 机设04 1 2 3 第九次课第十四周周五下午7 8节 12月1日 4 2 2压焊 电阻焊 摩擦焊 1 电阻焊工件组合后通过电极施加压力 利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法 应用 薄板 网和空间构架等的焊接 如汽车外壳 门等 优点 质量高 内应力与变形小 不需填充材料 生产率高 劳动条件好 优点 生产率更高 且焊缝可具有密封性 应用 有密封要求的薄板容器 如油箱 罐体 散热器等 1 点焊 柱状电极 2 缝焊 滚轮电极 点焊 点焊 点焊 缝焊 3 对焊将焊件以整个接触面焊合 1 电阻对焊先加压后通电 接头力学性能差应用 断面紧凑 直径小于20mm的低碳钢棒料和管子 直径小于8mm的非铁金属棒料和管子 2 闪光对焊先通电后加压 接头力学性能好应用 各种金属材料和各种断面 如钻头 刀具 钢轨和大型管道 2 摩擦焊利用焊件表面相互摩擦所产生的热 使端面达到热塑性状态 然后迅速顶锻 完成焊接 优点 接头质量好 焊件精度高 劳动条件好 生产效率高可焊接异种材料缺点 非圆形截面 大型盘状或薄壁件 以及摩擦系数小或易碎的材料难于焊接设备投资较大 适于 圆形 管形截面工件的对接 如刀具 阀门 钻杆 逐步取代闪光对焊 图4 23摩擦焊机结构1 电动机2 传动带3 带轮4 制动装置5 主轴6 转动夹具7 不转动夹具8 液压缸9 焊件 摩擦焊 4 2 3钎焊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 1 焊接材料 1 钎料钎焊时用作填充金属的材料1 软钎料 熔点低于450 锡铅基 铅基 镉基等合金 焊接受力不大 工作温度较低的零件 2 硬钎料 熔点高于450 铝基 铜基 银基 镍基等合金 焊接受力较大 工作温度较高的零件 2 钎焊焊剂 松香 氯化锌水溶液 磷酸水溶液作用 清除钎料和母材表面的氧化物保护焊件和液态钎料以免氧化改善液态钎料对焊件的润湿性 2 接头型式多采用搭接 图4 24钎焊接头形式a 平面搭接接头b T形接头c 角接接头d 套管接头 3 加热方式 烙铁 火焰 电阻 感应 浸渍和炉中加热 适用 精密 微型 形状复杂或多钎缝的焊件及异种材料间的焊接 广泛用于焊接换热器 夹层结构 电真空器件和硬质合金刀具 4 特点 钎焊加热温度较低接头光滑平整组织和力学性能变化小焊件变形小适于焊接异种材料可同时焊多工件 多接头 生产效率高接头强度和耐热性能较低 焊前清理和装配要求较高 4 2 4其它焊接方法 1 等离子弧焊借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用 获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法机械压缩热压缩电磁压缩效应 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 特点 能量密度和温度高 穿透能力强 焊接速度快 生产率高 特点 焊接速度快 热输入小 焊缝深宽比大 热影响区窄 焊件变形小 等离子弧焊 3 激光焊以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法 特点 焊接速度高 热输入小 焊缝窄 热影响区及焊接变形小 焊缝平整光滑 4 扩散焊将工件在高温下加热 但不产生可见变形和相对位移的固态焊接方法 属于压焊类型 特点 不需填充材料和焊剂 无铸态组织 不影响性能 且可同时焊接多个接头 应用 各类材料及很厚和很薄的材料 应用 精密结构件及热敏感件的焊接 激光焊接 激光切割 4 3 常用金属材料的焊接4 3 1材料的焊接性 材料的焊接性 材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件 并满足预定服役要求的能力 1 材料焊接性的影响因素 影响因素 材料的化学成分 低碳钢 好 高碳钢 差 铸铁 更差 焊接方法 能量集中 保护好 焊接性好 焊接材料 焊丝 焊剂和气体等碱性焊条或碱性焊剂 焊接性好 惰性气体保护 焊接性好 焊件结构类型 结构简单 刚性小 焊接性好 服役要求 服役要求不高 焊接性好 2 焊接性的评价 1 用碳当量评价钢的焊接性1 国际焊接学会 IIW 推荐的公式 CE 0 4 焊接性良好 淬硬倾向较小 不必预热CE 0 4 0 6 焊接性较差有一定的淬硬倾向 需采取适当预热等一定的工艺措施CE 0 6 焊接性很差淬硬倾向大 需采用较高的预热温度等严格的工艺措施 Pw 冷裂纹敏感系数 2 冷裂纹敏感系数 利用Pw可以求出工件所需的预热温度tp 如下式 tp 1440Pw 392 4 3 2常用金属材料的焊接1 碳钢的焊接 1 低碳钢的焊接 CE 0 4 焊接性良好可用各种方法无需采用任何工艺措施方便施焊 母材碳含量偏高或在低温下焊接刚性较大的结构时 可采取预热 后热及使用低氢型焊条或高碱度焊剂等措施 2 中碳钢的焊接 0 4 CE 0 6 焊接性较差 预热 预热温度 100 200 和后热 选用低氢型焊条或碱度较高的焊剂 使用小电流 低焊速和多层焊 焊后应立即进行热处理 3 高碳钢的焊接 CE 0 6 更易产生淬硬组织和裂纹 工具 模具的修补和钢轨的对接 高温预热和更严格的工艺措施 2 低合金结构钢的焊接 1 强度级别低的低合金结构钢的焊接 s 295 390MPa价格较低 广泛用于较重要的焊接结构 类似于低碳钢不需预热 也不需焊后热处理 但常采用碱性焊条 2 强度级别较高的低合金结构钢的焊接 s 440 540MPa高强度 高韧性及在低温或动载下工作的重要焊接结构 类似于中碳钢 预热和后热 采用碱性焊条或碱度较高的焊剂 焊后去应力退火或高温回火 3 耐热钢的焊接淬硬组织和裂纹类似于中碳钢 4 不锈钢的焊接热裂纹 脆化高纯焊接材料 高碱度焊剂或低氢型焊条 热量集中的焊接方法 小的热输入 小电流 高焊速 焊后热处理 从各类钢的焊接看 对焊接性较差的钢 无论采用何种焊接方法 通常都需采用碱性焊条或焊剂 且应进行预热和后热 焊接性越差 碱度要求越高 预热温度也越高 辅之以严格的其他工艺措施和接头清理 才能保证焊接件的质量 5 铸铁的焊接易产生裂纹 白口及淬硬组织 故焊接性极差一般仅用于毛坯的焊补和修复损坏的铸铁零件 纯镍铸铁焊条 焊缝为镍铁合金 有良好的抗裂性及切削加工性 一般仅用于机床导轨面等重要铸铁件的加工面的修补 1 异质焊缝冷焊 用焊条电弧焊 通常不预热 碳钢铸铁焊条 焊缝为碳钢 成本低 但易产生热裂纹 且难于切削加工 只能用于焊补铸铁件的非加工面 2 同质焊缝热焊 铸铁型的焊条或焊丝焊前将铸件整体或局部预热至550 650 且焊时温度不低于400 常用焊条电弧焊和气焊 焊后去应力退火 一般用于形状复杂 刚性大且焊后需切削加工的重要铸件 如车床床头箱 内燃机缸体等 铸铁冷焊生产效率高 劳动条件好但焊接时须小电流 短段焊 每段10 50mm 断续焊 焊接区温度 60 分散焊 且应焊后立即轻敲焊缝冷焊常用于铸件使用后的损坏修补 铸铁热焊虽质量好 但成本高 生产效率低 劳动条件极差 一般用于形状复杂 刚性大的重要铸件的毛坯重要面切削加工前的修补 6 非铁金属的焊接 1 铝及铝合金 铝及铝合金可采用大多数焊接方法 氩弧焊工艺简便 焊接质量好是铝合金焊接的首选 2 铜及铜合金 铜及铜合金的焊接性较差可采用气焊 埋弧焊 氩弧焊 等离子弧焊 电阻焊和摩擦焊等焊接方法 4 4焊接结构设计与工艺设计结构材料的选用 焊缝布置 焊接方法的选择 焊接接头设计以及焊接材料 焊接参数的选择等 4 4 1结构材料的选择 1 尽量选用焊接性较好的材料低碳钢 强度级别低的低合金钢 2 尽量采用廉价材料尤其注意异种材料的使用 麻花钻钻头高速钢 钻柄中碳钢耐热钢表面堆焊 3 尽量选用轧制型材 冲压件 4 4 2焊缝布置 1 留有足够的操作空间 2 应避免焊缝密集或汇交 3 应使焊缝尽量避开工作应力较大和易产生应力集中的部位 不合理合理避免焊缝密集交叉 不合理合理避开应力较高的部位 4 应避免母材厚度方向工作时受拉 5 尽量使焊缝避开机加工面 不合理合理 不合理合理 4 4 3焊接方法的选择 1 材料的焊接性 低碳钢和低合金结构钢 各种焊接方法高合金钢 非铁金属及其合金 能量集中 保护良好的焊接方法 如氩弧焊 电子束焊 等离子弧焊等异种金属 电子束焊 激光焊 摩擦焊 扩散焊和钎焊等 焊缝较短且不规则 气焊 焊条电弧焊等手工焊方法 焊缝较长且规则 埋弧焊 气体保护焊等薄板结构 电阻点 缝 焊 气焊 CO2焊 氩弧焊和等离子弧焊 厚板结构 埋弧焊 电渣焊 电子束焊 形状复杂 焊缝多而难以施焊 浸渍钎焊 炉中钎焊 2 焊件结构特点 3 生产批量 4 经济性 1 生产批量较小设备投资较少 气焊 焊条电弧焊 2 生产批量较大高效 电阻焊 摩擦焊 埋弧焊和气体保护焊 优先选用普通的焊接方法 气焊 电弧焊 电阻焊 转轴的焊接结构a 焊条电弧焊b 摩擦焊2 4 5 焊缝 4 4 4焊接接头设计 1 接头形式 a 对接接头b 搭接接头c 角接接头d T形接头 1 各类焊接接头的特点 1 对接接头应力分布较均匀 承载能力较高且节省材料 但备料和安装要求高应用最广 2 搭接接头备料和装配简易 但承受载荷时应力分布不均匀且受剪应力作用 故承载能力不高 耗材大 用于 受力不大 板厚较小或现场安装的结构 3 角接接头和T形接头可承受不同方向的力和力矩 易产生应力集中 承载能力低用于 桁架 底座 立柱等焊接结构 2 焊接接头形式的选择 1 焊接方法熔焊适用于各类接头形式 电阻点焊须采用搭接接头 对焊和摩擦焊须采用对接接头 钎焊多采用搭接接头 2 焊件结构特点和使用要求承载较大的焊接接头宜采用对接接头以减少应力集中 反之 可采用搭接 角接 T形接等接头形式 以便于备料和简化工艺 2 坡口形式根据设计和工艺需要 在焊件的待焊部位加工并装配成的呈一定几何形状的沟槽坡口形式 I形 V形 U形 X形和双U形 1 各类坡口的特点I形坡口易于制备 但板厚较大时难于焊透 V形坡口较易制备 但厚板焊接时费工费料 且焊接变形较大 U X 双U形坡口焊接时省工省料 焊接变形小 但制备较费工 X 双U形还需双面焊接 2 坡口形式选择 1 焊件板厚薄板对接一般采用I形坡口 随着板厚的增大 可采用其它适当的坡口形式 以保证焊透并减小焊接量 2 焊件使用条件承载较小或精度要求不高时 可采用I形 V形等坡口形式 承载较大或精度要求高时 宜采用U形 X形 双U形等坡口形式 以保证焊透且减小焊接变形 4 4 5焊接工艺设计示例 储罐结构如图所示 质量要求较高 板料尺寸为2000mm 5000mm 16mm 材料为Q345钢 入孔管和排污管壁厚分别为16mm和10mm 现拟批量生产 试制定焊接工艺方案 贮罐结构图和焊接工艺图a 结构简图b 焊缝布置图c 焊接工艺简图1 筒身纵焊缝2 4 5 筒身环焊缝3 入孔管环焊缝6 排污管环焊缝 1 结构分析 避免焊缝交叉 2 焊接方法筒身板厚较大 焊缝长而规则 埋弧焊两接管与筒身间的焊缝较短且为空间曲线 焊条电弧焊无需预热和后热 3 接头和坡口形式筒身焊缝要求较高 对接接头 埋弧焊 I形坡口两接管焊缝 角接头插入式装配4 焊接材料埋弧焊 焊丝H08MnA 焊剂HJ431焊条电弧焊 碱性焊条E5015 焊接储罐工艺方案见表4 5 P172 4 5胶接胶接是用胶粘剂将被粘物表面连接在一起 优点 材料的种类 厚度和形状不限 应力集中和变形小 大幅度提高接头强度 尤其是疲劳强度 可提高接头的密封性能 工艺简便 生产效率高 成本低 缺点 胶接接头耐老化性 耐热性 耐溶剂性均较差胶接工艺要求较严 质量较难检验 4 5 1胶接基础 1 固化机理 化学方法聚合 交联等反应 物理方法乳胶液凝聚 溶液挥发或熔融体冷却等 2 粘结机理 机械粘合论胶粘剂渗透到孔隙中 固化后产生机械楔合作用 吸附论表面分子间相互吸附 静电论静电相互吸引而产生粘附力 扩散论分子相互扩散 在界面上互溶 4 5 2胶接接头接头的类型 4 5 3胶接工艺 工艺流程 表面处理涂胶胶层固化质量检测 胶粘剂选择 除胶接外 还起固定 密封等作用 综合考虑被粘物材质 结构形状 使用条件和经济性等 刷涂 喷涂 浸渍 注入和漏胶 清除表面污物 增加表面积和表面能 应控制温度 压力和时间三个参数 破坏试验几乎是唯一依据 胶接 铆 螺 钉 连接提高接头密封性 减少应力集中胶接 点焊 提高承受不均匀扯离载荷的能力 4 5 4胶接在机械制造中的应用 量具 刃具的胶接 零件和铸件的修补 4 6机械连接 机械连接接头质量可靠 易于检修 但结构较重 密封性差 且承载截面往往被削弱 按被连接件间有无相对运动 可分为静连接和动连接两大类 按能否拆卸 可分为可拆连接和不可拆连