第3章 材料的连接成形

第3章材料的连接成形 金属连接的形式可拆卸连接 螺栓 键 楔不可拆卸连接 铆接 焊接 胶接铆接 焊接比较节约金属 密封性好 质量高 简化修理工作 生产力高 3 1焊接成形3 1 1慨述定义 将两块分离的金属用加热或加压 或既加热又加压的方法 使其借助于原子间的结合与扩散作用 使分离的金属材料牢固地连接起来的工艺过程 用途 船舰 高炉壳体 压力容器 建筑构架和车厢等都是用焊接方法制造的 种类 按焊接过程的特点分为熔化焊 压力和钎焊三大类 其中应用最普遍的是熔化焊中的电弧焊 3 1 2焊接成形工艺基础 3 1 2 1焊接电弧焊接电弧是在具有一定电压的电极与工件之间的气体介质中 产生的强烈而持久的放电现象 焊接设备 3 1 2 2焊接冶金过程及特点 一 焊接过程 熔池视作一微型冶金炉 但冶炼条件差 温度高 反应快 氧化 吸气 金属蒸发烧损严重 熔池小 冷速快 冶金反应不充分 排气去渣来不及 易产生气孔 夹渣 裂纹 脆性 力学性能下降等缺陷 保证焊缝质量措施 使熔池与空气隔开 保护熔池 加脱氧剂 脱氧造渣 增添有益合金元素 补偿烧损 3 1 2 3电焊条 焊条的组成 由焊条芯和药皮组成焊条芯作用 1 导电2 填充焊缝 质量要求高 特殊冶炼而成 2 焊条药皮稳定电弧 添加钾 钠 锑使其易电离 以增加导电性 造气 防止空气的有害影响造渣 使金属与空气隔离 保证液态金属不被氧化 氮化 使焊缝金属缓冷 减少焊接应力 保证脱氧 脱S P H 渗入合金元素药皮的种类 酸性焊条和碱性焊条 焊缝金属质量的主要因素 手弧焊特点 操作灵活 适应性强生产力低 质量不稳对工人技术要求高 3 1 2 4焊接接头组织与性能 焊缝和热影响区统称焊接接头 焊缝区 熔合区很窄 仅0 1 0 4mm宽 组织极不均 部分铸态 部分过热 力学性能最差 塑性差 强度低 脆性大 属接头薄弱部位 过热区1 3mm宽 晶粒粗大 塑性 韧度差 也属性能最差部位 正火区1 2 4mm宽 晶粒均匀细小 塑性 韧度较高 是热影响区中力学性能最好的区域 部分正火区即不完全重结晶区 晶粒大小不均 力学性能较正火区差 再结晶区只在焊前经过冷塑性变形 如冷轧 冷冲压等 的母材中出现 塑性提高 3 1 2 5焊接应力与变形 一 产生的原因和典型示例在焊接过程中对焊件进行局部的不均匀加热会产生焊接应力与变形 常见的几种基本形式 收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪形变形 二 减少焊接应力与变形的工艺措施 防止和减少焊接变形的工艺措施 1 反变形法 2 选择合理的焊接次序 3 刚性夹持法 4 矫正法 4 矫正法 3 1 3熔焊 埋弧焊 二 特点 生产率高质量稳定节省材料改善了劳动条件只宜平焊 不宜焊薄 短 不规则的焊缝 以及铝 钛等氧化性强的金属 三 埋弧焊应用 氩弧焊 钨极氩弧焊 熔化极氩弧焊 二氧化碳气体保护焊 用CO2作保护气体 为熔化极焊 特点 氧化性与冷却作用强 焊缝力学性能下降 易形成气孔 金属飞溅大 不宜焊接有色金属和高合金钢 CO2气来源广 价格低 CO2电弧穿透力强 生产率高 接头抗裂性好 采用直流反接 主要用于焊接板厚0 8 4mm的低碳钢和低合金结构钢 应用 特点 电渣焊 利用电流通过熔渣产生的电阻热进行焊接的方法 焊厚件不开坡口 留25 35mm间隙一次焊成 生产率高 节约金属与工时 焊缝金属纯净 熔池保护严密 停留时间长 自下而上结晶 不易产生气孔 夹渣等熔池大 冷却慢 焊缝及热影响区宽 晶粒粗大 接头力学性能下降 只能立焊 工件厚度不宜 30mm 特点 主要用于重型机械 制造40 450mm厚锻 焊 铸 焊件 可焊碳钢 低合金钢 高合金钢 有色金属等 气焊 用气体 氧 乙炔 火焰进行熔焊 焊丝作填充金属 用气焊熔剂保护熔池 去除氧化物等 焊接热影响区宽 变形大 质量差 应用少 用于无电源和野外场合 焊接0 5 3mm碳钢薄板 铝 黄铜等 及铸铁补焊气割 用气体 氧 乙炔 火焰进行燃烧切割 割缝较大 毛糙不平 只能用于低碳钢 中碳钢和低合金结构钢 不能用于铸铁 不锈钢和铜 铝及其合金 气焊与气割 3 1 4压焊 电阻焊 利用电流通过焊件接触处产生电阻热 将该处加热到塑性或局部熔化状态 同时通过电极施加压力进行焊接 不需填充金属和焊剂可焊异种金属工作电压很低 没有弧光和有害辐射易于实现自动化设备复杂 耗电大 接头形式受限分点焊 缝焊和对焊三类 点焊 采用柱状电极 被焊工件上形成单独的尺寸不大焊点 采用搭接接头 熔核封闭性好 焊点强度高 表面光滑 工件变形小 用于焊接不要求气密的厚度小于3mm的低碳钢 不锈钢等薄板构件 如汽车驾驶室 车厢 飞机等薄板结构 缝焊 采用一对连续转动 断续通电的滚轮电极 形成连续密封焊缝 采用搭接接头 表面光滑平整 较高强度和气密性 用于焊接有气密性要求的厚度小于3mm的薄壁容器 如油箱 管道 小型容器等 对焊 利用电阻热将两个工件沿整个接触面对接 1 电阻对焊接头处无熔化 只有塑性变形 外观光滑 工件端面要求平整清洁 接头力学性能较低 用于断面简单 截面积小 强度要求不高的碳钢 纯铝等杆件对接 2 闪光对焊接头处有火花溅出与熔化金属挤出 端面清理要求不高 接头力学性能高 但有毛刺 且烧损多 用于重要工件对接 材料 尺寸适用围广 摩擦焊 利用工件间相互摩擦产生的热量 同时加压而进行的焊接 1 5钎焊 加热时 焊件不熔化 仅熔点低的钎料熔化 靠毛细作用填充间隙 凝固后实现连接 钎料作为填充金属决定了接头质量 加钎剂以清洁 保护焊接处表面 增加钎料润湿性和流动性 温度低 对母材组织和性能影响小 应力和变形小 可焊接异种材料 生产效率高 设备简单 投资小 接头平整光滑美观 接头强度较低 焊前清理要求高 接头形式 钎料熔点 450 常用锡铅钎料 松香或氯化锌溶液钎剂 接头强度低 工作温度低 用于焊接受力不大的工件 如电子产品 仪表等 软钎焊 硬钎焊 钎料熔点 450 一般焊件多采用铜基 铝基钎料 常用钎剂有硼砂 硼酸和氟化物 氯化物等 接头强度较高 工作温度也较高 多用于受力构件的连接 如自行车架 刀具等 钎焊加热方式 3 1 6金属材料的焊接性 3 1 6 1焊接性的概念和评定方法焊接性 用来相对衡量金属材料在一定的焊接工艺条件下 获得优质接头的难易程度 评定标准 工艺可焊性产生工艺缺陷的倾向 使用可焊性对使用要求的适应性 金属材料焊接性的评定方法 W c 当量 W c W Mn 6 W Cr 5 W Mo 5 W V 5 W Ni 15 W Cu 15 用碳当量来评定 把各种元素都按相当于若干含碳量的办法总和起来 W c 当量 0 4 钢材淬硬倾向不明显可焊性优良焊接时无须加热 淬硬倾向逐渐明显可焊性较差需适当预热和工艺措施 W c 当量 0 4 0 6 W c 当量 0 4 经验 淬硬倾向强可焊性差需较高的预热温度和严格的工艺措施 W c 当量 0 6 3 1 6 2碳钢和合金钢的焊接 碳钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢 低结钢 不锈钢 三大类奥氏体钢中以奥氏体不锈钢焊接性最好 应用最广 常用1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni9等 一般不需特殊工艺措施 常采用焊条电弧焊和氩弧焊 也可埋弧焊 等离子弧焊等 按等成分原则用不锈钢焊条 丝 W 0 25 焊接性最好可采用任何焊接方法 最常用焊条电弧焊 埋弧焊 气体保护焊和电阻焊可采用最普通焊接工艺 重要结构焊后去应力退火焊条的选择应保证焊缝与母材等强度应用最广 如Q235 10 15 20等 W0 25 0 60 焊接性较差 易裂 W 焊接性 最常用焊条电弧焊 碱性焊条 焊前预热 焊后缓冷 消除应力退火焊件多为锻件和铸钢件 或进行补焊 W 0 60 焊接性很差 裂纹倾向很大通常仅用焊条电弧焊或气焊进行补焊注意焊前预热 严格焊接工艺 焊后缓冷 消除应力退火不用于焊接结构件 大多是补焊修理损坏件 强度级别 400MPa 如Q295 Q345 W0 4 如Q420 Q460 焊接性较差 基本同中碳钢常用焊条电弧焊和埋弧焊 碱性焊条和碱性焊剂 以及气体保护焊 也可采用电渣焊 3 1 6 3铸铁的补焊 铸铁焊接性很差 不用于制造焊接结构件 只是对铸件局部损坏和铸造缺陷处进行焊补修复 易形成硬而脆的白口组织 焊后难以切削加工易产生裂纹易产生气孔只宜平焊采用电弧焊或气焊 用于灰铸铁与球墨铸铁件 液固相温度较接近 凝固时间短 气体来不及逸出 铸铁流动性好 立焊时溶池金属易流失 焊前加热至600 700 焊中保持400 以上 连续补焊 焊后缓冷 中小型薄壁件常用气焊 壁厚较大件常用焊条电弧焊 用同质焊条或焊丝 补焊质量好 焊后切削加工性好 但劳动条件差 成本高 生产效率低 仅用于焊后要求切削加工或形状复杂的重要铸铁件 如机床导轨 主轴箱 汽缸体等 热焊法 焊前一般不预热 焊后及时锤击焊缝 松弛焊接应力 用焊条电弧焊 应选好焊条 焊接热应力较大 焊后切削加工性较差 简便 劳动条件好 成本较低 生产效率高 冷焊法 3 1 6 4非铁金属的焊接 铜及铜合金的焊接 焊接性较差 1 难焊透 熔合 散热快 焊前预热 2 易产生热裂纹 低熔点共晶 3 易产生气孔 液态易吸气 焊前清理焊件表面 4 应力变形大 线胀系数大 5 黄铜产生锌蒸发 造成锌损失与毒气紫铜和青铜用氩弧焊 微氧化焰气焊用于黄铜 还可采用焊条电弧焊 埋弧焊 等离子弧焊 钎焊等 铝及铝合金的焊接 用于焊接的主要是工业纯铝和防锈铝合金 焊接性较差 1 易氧化 形成夹杂 2 易形成气孔 液态铝吸气量大 3 应力 变形大 易裂 线胀系数大 4 易烧穿 塌陷 颜色变化不显著 强度低 最常用氩弧焊 其次是电阻焊 气焊用于质量要求不高的薄件 3 1 7焊接缺陷与检验 3 1 7 1焊缝常见缺陷 焊前检验生产过程检验焊后检验 3 1 7 2焊接检验过程 3 1 7 2焊接接头检验方法 破坏检验方法非破坏检验方法 3 1 7 4常用非破坏检验方法 外观检查 1 磁粉检验 用于检验铁磁性材料焊件表面或近表面处缺陷 2 渗透探伤 只适于检查工件表面难以用肉眼发现的缺陷 表层以下缺陷无法检出 常用荧光和着色两种检验方法 密封性检验对贮存气体 液体 液化气体的各种容器 反应器和管路系统进行 1 水压试验 主要用于高压容器和管道 2 气压试验 用于低压容器 管道和船舶舱室等 3 煤油试验 用于不受压的焊缝及容器 无损探伤 1 超声波探伤 主要用于探测表面光滑 形状简单的厚大焊件的内部缺陷 2 射线探伤 利用X射线或 射线照射焊缝 根据底片感光程度检查焊接缺陷 X射线宜用于厚度50mm以下焊件 射线宜用于厚度50 150mm焊件 3 1 8焊接结构的工艺设计 3 1 8 1焊接结构设计的步骤与内容1 分析工作条件 提出性能要求2 提出设计方案 优化设计3 按照设计内容 分步进行设计 3 1 8 2焊接结构材料的选择1 尽量选用焊接性能好的材料2 注重材料的冶金质量3 尽量少用异种材料焊接4 优先选用型材5 合理选择材料的尺寸 形状和规格 3 1 8 4焊接接头及坡口形式的确定 对接 应力均匀 承载力强 易施焊 易焊透 使用最多 如锅炉 压力容器等 角接 易组装 外形美观 承载力较低 多用于箱形构件 搭接 焊缝受剪切力 承载力较低 不易焊透 检验 耗材多 但不开坡口 易组装 用于受力不大结构 及异金属连接件 T形 应用广泛 能承受各方向力和力矩 承载力比对接强 但不易焊透 检验 应力集中大 常用于角度连接的重要受力构件 如船体等 焊条电弧焊 6mm厚钢板对接 开坡口 Y U型坡口单面焊 易施焊 但角变形大 双Y 双U型坡口两面焊 变形小 尽量选用 但须两面可施焊 U 双U型坡口根部宽 易