机械制造基础第十章

,4.2压力焊方法,4.2.1压力焊方法及工艺4.2.2电阻焊4.2.3摩擦焊,4.2.1.压力焊方法及工艺,压力焊是指通过加热等手段使金属达到塑性状态，加压使其产生塑性变形、再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子接近到晶格距离（0.30.5nm)，形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。,热源形式为：电阻热、高频热、摩擦热等。,力的形式为：静压力、冲击力（锻压力）和爆炸力等。,压力焊为：冷压焊、扩散焊和热压焊,压力焊动画模拟,4.2.2电阻焊,1电阻焊的原理及过程,电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的。,（1）热源电阻热：Q=IIRt,其中电流和时间是外因，而电阻是内因。焊接区的总电阻为：R=Rc+2Rew+2Rw。其中Rc为焊件接触电阻，Rew为电极与焊件间的接触电阻，Rw为焊件电阻。,影响接触电阻的因素：,工件表面状态表面愈粗糙、氧化愈严重、接触电阻愈大。电极压力压力愈高、接触电阻愈小。焊前预热焊前预热将会使接触电阻大大下降。,（2）力静压力用来调整电阻大小，改善加热。产生塑性变形或在压力下结晶。冲击力（锻压力）用来细化晶粒，焊合缺陷等。其压力变化形式有平压力，阶梯压力和马鞍形压力，其中马鞍形压力较为理想。,电阻点焊熔核形成过程,（3）电阻焊过程,预压、通电加热、在压力下冷却结晶或塑性变形和再结晶。,2电阻点焊,电阻点焊是用圆柱电极压紧工件，通电、保压获得焊点的电阻焊方法。,点焊时的熔核偏移,在焊接不同厚度或不同材料时，因薄板或导热性好的材料，吸热少，而散热快，导致熔核偏向厚板或导热差的材料的现象称为熔核偏移。,防止熔核偏移的措施,采用特殊电极和工艺垫片的措施。,点焊工艺参数,点焊的工艺参数为电流、压力和时间。大电流，短时间称为强规范。小电流，长时间称为弱规范。,点焊接头形式,点焊主要用于汽车、飞机等薄板结构的大批量生产。,3电阻缝焊,缝焊是连续的点焊过程，它是用连续转动的盘状电极代替了柱状电极，焊后获得相互重叠的连续焊缝。,缝焊分流严重，通常采用强规范焊接，焊接电流比点焊大1.52倍。,缝焊主要用于低压容器，如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等的焊接。,4对焊,（1）电阻对焊先将工件夹紧并加压，然后通电使接触面温度达到塑性温度(9501000)。在压力下塑变和再结晶形成固态焊接接头（图12-77a）。电阻对焊要求对接处焊前严格清理，所焊截面积较小，一般用于钢筋的对接焊。,（2）闪光对焊先通电，后接触，因个别点接触，个别点通过的电流密度很高，可使其瞬间熔化或汽化，形成液态过梁。由于过梁上存在电磁收缩力和电磁引力及斥力而使过梁爆破飞出，形成闪光。闪光一方面排除了氧化物和杂质，另一方面使对口处的温度迅速升高。,闪光对焊主要用于钢轨、锚链、管子等的焊接，也可用于异种金属的焊接。因接头中无过热区和铸态组织，所以性能高。,4.2.3摩擦焊,1.摩擦焊的工艺过程原理,摩擦焊是利用焊件接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。,接头的焊接质量好、稳定，其废品率是闪光对焊的1%左右。适于焊接异种钢和异种金属，如碳素结构钢-高速钢、铜-不锈钢、铝-铜、铝-钢等。,2.摩擦焊具有以下优点：,焊件尺寸精度高，可以实现直接装配焊接。焊接生产率高，是闪光焊的45倍。三相负载均衡，节能，改善了三相供电电网的供电条件。与闪光对焊比较，节省电能80%90%左右。由于摩擦焊金属焊接变形小，接头焊前不需特殊清理，接头上的飞边有时可以不必去除，焊接不需要填充材料和保护气体，加工成本显著降低。摩擦焊机容易实现机械化，自动化；操作技术简单，容易掌握。摩擦焊的工作场地卫生，没有火花，弧光；没有有害气体，有利于环境保护，适于设置在自动生产线上。,4.3钎焊、封接与粘接工艺,4.3.2粘接工艺,4.3.1钎焊,钎焊、封接与粘接工艺是一种物理和化学连接。它是在低于构件熔点的温度下，采用填缝材料，在液态下充填缝隙，通过毛细作用及表面化学反应，待填缝材料结晶或固化后，将两个分离的表面连接形成不可拆接头。,4.3.1钎焊,钎焊:是利用熔点比焊件低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的焊件连接起来的一种焊接方法。,1硬钎焊钎料熔点在450以上，接头强度较高，都在200MPa以上，属于这类的钎料有铜基、银基和镍基等。,2软钎焊钎料熔点为450以下，接头强度较低，一般不超过70MPa，所以只用于钎焊受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。,钎焊过程中，一般都需要使用钎剂。钎剂的作用是：清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质，改善钎料流入间隙的性能（即润湿性），保护钎料及焊件不被氧化，因此钎剂对钎焊质量影响很大。,软钎焊时，常用的钎剂为松香或氯化锌溶液。,硬钎焊时，钎剂种类较多，主要由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等组成，应根据钎料种类选择应用。,4.3.2粘接工艺,粘接是利用胶粘剂把两种性质相同或不同的物质牢固地粘合在一起的连接方法。胶粘剂所以能够把两个物质牢固地粘接在一起，主要因为胶粘剂能通过本身在被粘接材料的连接面上产生机械、物理和化学作用而具有粘附力。,粘接具有以下优点：,粘接对材料的适应性强，既可用于各种金属、非金属的连接，也可用于金属与非金属的连接。能减轻结构重量。采用粘接可省去很多螺钉、螺栓等连接件，因此，粘接比铆接、焊接减轻结构重量约25%30%。粘接接头的应力分布均匀，应力集中较小，因此它的耐疲劳性能好。粘接接头的密封性能好，并具有耐磨蚀和绝缘等性能。粘接工艺简单，操作容易，效率高，成本低。,粘接具有以下缺点：,粘接强度比较低，一般仅能达到金属母材强度的10%50%。粘接接头的承载能力主要依赖于较大的粘接面积。使用温度低，一般长期工作温度只能在150以下，仅有少数可在200300范围内使用。粘接接头长期与空气、热和光接触时，易老化变质。粘接质量因受多种因素影响不够稳定，而且质量难以检验。,4.4金属材料的焊接性能,4.4.1金属材料的可焊性,4.4.2碳钢的焊接,4.4.3铸铁的焊补,4.4.4有色金属的焊接,4.4.1金属材料的可焊形,可焊性的概念,金属材料的可焊性，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“好焊”和“不好焊”的差别。,估算钢材可焊性的方法,碳当量法：碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：,根据经验：C当量0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。C当量=0.4%0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。C当量0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好。焊前工件必须预热到较高温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。,小型抗裂试验,从应用一般焊接工艺焊后有无裂缝或裂缝多少，可初步评定试板材料的可焊性好坏；而后调整工艺（如预热、缓冷等）再焊接试板，使达到不裂，从而可参考抗裂试验制订出合理的焊接工艺规程与规范。,4.4.2碳钢的焊接,低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，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）。,4.4.2.2中、高碳钢的焊接,中碳钢含碳量在0.25%0.6%之间，随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。在实际生产当中，主要是焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件。中碳钢的焊接特点：,4.4.2.1低碳钢的焊接,热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝,中碳钢属于易淬火钢，热影响区被加热超过淬火温度的区段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，将出现马氏体等淬硬组织。如焊件刚性较大或工艺不恰当时，就会在淬火区产生冷裂缝，即焊接接头焊后冷却到相变温度以下或冷却到常温后产生裂缝。,焊缝金属热裂缝倾向较大,焊接中碳钢时，因母材含碳量与硫、磷杂质远远高于焊条钢芯，母材熔化后进入熔池，使焊缝金属含碳量增加塑性下降，加上硫、磷低熔点杂质的存在，焊缝及熔合区在相变前就可能因内应力而产生裂缝。因此，焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差减小，以减小焊接应力，同时减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织。,4.4.2.3合金结构钢的焊接,低合金钢的焊接特点：,热影响区的淬硬倾向,低合金钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，焊后热影响区的淬硬倾向也越大。强度级别大于450MPa级的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体组织，形成淬火区，硬度明显增加，塑性、韧性则下降。,焊接接头的裂缝倾向,不同环境温度的预热要求：工件厚度/mm：16以下，不低于-10不预热,-10以下预热100150工件厚度/mm：16-24，不低于-5不预热,-5以下预热100150工件厚度/mm：24-40，不低于0不预热,0以下预热100150工件厚度/mm：40以上，均应预热100150,4.4.3铸铁的焊补,铸铁的焊接特点：,熔合区易产生白口组织；易产生裂缝；易产生气孔,4.4.3.1热焊法,热焊法是焊前将工件整体或局部预热到600700，焊后缓慢冷却。热焊法可防止工件产生白口组织和裂缝，焊补质量较好，焊后可以进行机械加工。但热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差。一般用于焊补形状复杂焊后需要加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。,4.4.3.2冷焊法,焊补之前，工件不预热或只进行400以下低温预热的焊补方法通常称为冷焊法，主要依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口组织和避免裂缝。冷焊法方便灵活生产率高、成本低、劳动条件好。但焊接处切削加工性能较差。生产中多用于焊补要求不高的铸件以及怕高温预热引起变形的工件。焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道（每段不大于50mm）并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。,4.4.4有色金属的焊接,4.4.4.1铜及铜合金的焊接,铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，其原因是：铜的导热性很高（紫铜约为低碳钢的8倍），焊接时热量极易散失。因此，焊前工件要预热，焊接时要选用较大电流或火焰，否则容易造成焊不透缺陷。铜在液态易氧化，生成的Cu2O与铜组成低熔点共晶，分布在晶界形成薄弱环节；又因铜的膨胀系数大，凝固时收缩率也大，容易产生较大的焊接应力。因此，焊接过程中极易引起开裂。,铜在液态时吸气性强，特别容易吸氢。凝固时气体从熔液中析出，来不及逸出就会生成气孔。铜的电阻极小，不适于电阻焊接。铜合金中的合金元素有的比铜更易氧化，使焊接的困难增大。例如黄铜（铜锌合金）中的锌沸点很低，极易烧蚀蒸发并生成氧化锌（ZnO）。改变接头化学成分、降低接头性能，而且形成氧化锌烟雾易引起焊工中毒。铝青铜中的铝，焊接时易生成难熔的氧化铝，增大熔渣粘度，生成气孔和夹渣。,铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、碳弧焊、钎焊等方法进行焊接。采用氩弧焊是保证紫铜和青铜焊接质量的有效方法。,4.4.4.2铝及铝合金的焊接,工业上用于焊接的主要是纯铝（熔点658）、铝锰合金、铝镁合金及铸铝。铝及铝合金的焊接也比较困难，其焊接特点是：,铝与氧的亲和力很大，极易氧化生成氧化铝（Al2O3）。氧化铝组织致密，熔点高达2050，它覆盖在金属表面，能阻碍金属熔合。此外，氧化铝密度大，易使焊缝夹渣。铝的导热系数较大，要求使用大功率或能量集中的热源，厚度较大时应考虑预热。铝的膨胀系数也较大，易产生焊接应力与变形，并可能导致裂缝的产生。,液态铝能吸收大量的氢，铝在固态时又几乎不溶解氢，因此在溶池凝固时易生成气孔。铝在高温时强度及塑性很低，焊接时常由于不能支持熔池金属而引起焊缝塌陷，因此常需采用垫板。,目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。不论采用哪种焊接方法焊接铝及铝合金，焊前必须彻底清理焊件的焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污，清理质量的好坏将直接影响焊缝性能。,4.4.4.3异种金属的焊接性分析,异种金属焊接通常要比同种金属的焊接困难，因为除了金属本身的物理化学性能对焊接有影响外，两种金属材料性能的差异会更大程度上影响它们之间的焊接。,结晶化学性的差异物理性能的差异熔点线膨胀系数导热率和比热金属的氧化性金属间化合物焊缝与母材不等强性,为了获得优质的异种金属焊接接头，除合理地选用焊接方法和填充材料，正确地制定焊接工艺外，还可采取如下一些工艺措施：,尽量缩短被焊金属在液态下相互接触时间，以防止或减少生成金属间化合物。熔焊时要很好地保护被焊金属，防止金属与周围空气的相互作用。采用与两种被焊金属的焊接性都很好的中间层或堆焊中间过渡层，以防止生成金属间化合物。在焊缝中加入某些合金元素，以阻止金属间化合物相的产生和增长。,异种金属的焊接方法,熔焊采用熔焊最大特点是控制稀释率和金属间化合物的产生。因此，为了减少稀释率，降低熔合比或控制不同金属母材的熔化量，常可选用热源能量密度较高的电子束焊、激光焊、等离子弧