金属工艺学-4焊接.ppt

1,金属工艺学焊接,2,第四章焊接,焊接：通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充金属，使焊件间达到原子结合的一种加工方法。本质：通过焊接使焊件达到了原子结合，从而将原来分开的物体构成一个整体，这是任何其它连接形式所不具备的。,3,第四章焊接,4,4-1手弧焊,手弧焊是熔焊中电弧焊的一种焊接方法熔焊：焊接过程中，将焊件加热至熔化状态，不加压力完成的焊接方法通称为熔焊。电弧焊：电弧：在工件与焊条两电极之间的气体介质中持续强烈的放电现象利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。,5,4-1手弧焊,手弧焊：用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。,6,4-1手弧焊,优点：使用的设备简单方法简便灵活适应性强,缺点：生产率较低焊接质量不够稳定可焊最小厚度为1.0mm（1.5mm）焊接质量在一定程度上决定于焊工的操作技术；对于活泼金属（Ti、Nb、Zr等）和难熔金属不能采用手弧焊。对于低熔点金属不可能用手弧焊。,7,4-1手弧焊,一、手弧焊的设备电弧焊机：转换电压交流直流焊钳：夹持焊条和传导电流,8,4-1手弧焊,交流电焊机：是一个交流变压器，只是次级的匝数较少，而线径较粗罢了，能够输出低电压、大电流。,U1/U2=n1/n2,220V,380V6070V2035V,9,4-1手弧焊,直流电焊接：对交流电进行整流而获得直流电一种直流弧焊电源。（硅整流弧焊机）,10,4-1手弧焊,逆变式弧焊整流机焊接电弧正常工作时采用脉冲宽度调制控制方式,设定逆变频率为20kHZ,并进行恒流外特性控制;系统在空载时由于采用电压反馈控制使PWM调制器间断地输出脉冲,间歇振荡的频率低而脉冲宽度窄,不但空载损耗小,而且使变压器不易饱和。系统对焊接电弧的短路过程采用了短路分频控制方式,并进行短路电流的控制.系统采用了小给定值和最小脉宽控制电路。焊接容易起弧、焊弧稳定、焊接特性好。,11,4-1手弧焊,焊钳:焊钳是夹持焊条和传导电流，也被称为焊把.焊钳要求：导电性能好、重量轻夹持焊条牢以及装换焊条方便等。面罩和护目镜面罩的作用是保护焊工的面部免受强烈的电弧光和金属飞溅的灼伤。面罩是由轻而坚韧的纤维纸板制成的。护目镜的作用是减弱电弧光的强度，并过虑红外线和紫外线,清楚地观察焊接熔池的情况，焊接过程而不会使眼睛受弧光灼伤。,12,4-1手弧焊,二、电焊条：焊芯和药皮组成焊芯：起导电和填充焊缝作用，与熔化的母材共同形成焊缝。规格:直径1.6mm8mm之间，常用2.56mm。,13,4-1手弧焊,药皮:提高电弧稳定性；防止空气对熔化金属的有害作用；防止焊缝金属氧化，补充合金元素，以保证焊缝金属的化学成分和力学性能。按熔渣性质，焊条可分为两类：酸性焊条：药皮熔渣中的酸性氧化物较多，适于各种电源，成本低，但焊缝的塑性、韧性稍差，操作性好，渗合金作用弱不宜焊接受动载荷和要求高强度的重要结构件碱性焊条：熔渣中碱性氧化物多，一般采用直流电源。焊缝塑性、韧性好，抗冲击能力强，价格较高，操作性差只适于焊接重要结构件。,14,4-1手弧焊,焊条的种类、型号和牌号焊条有10大类：结构钢焊条、碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜焊条、铝焊条、低温钢焊条、镍和镍合金焊条,15,4-1手弧焊,三、手弧焊工艺：a.选择接头形式和坡口接头形式：对接、角接、T字接、搭接,16,4-1手弧焊,坡口的作用：使焊条、焊丝或焊炬（气焊时喷射乙炔-氧气火焰的喷嘴）能直接伸入坡口底部以保证焊透，并有利于脱渣和便于焊条在坡口内作必要的摆动，以获得良好的熔合。坡口的形状和尺寸主要取决于被焊材料及其规格（主要是厚度）以及采取的焊接方法、焊缝形式等。在实际应用中常见的坡口型式有：弯边接头：厚度3mm的薄件；平坡口：3-8mm的较薄件；V型坡口：厚度6-20mm的工件（单面焊接）；X型坡口：厚度12-40mm的工件，对称型与不对称型(双面焊接)U型坡口：厚度20-50mm的工件（单面焊接）；双U型坡口：厚度30-80mm的工件（双面焊接）。坡口角度通常取60-70，采用钝边（也叫做根高）的目的是防止焊件烧穿，而间隙则是为了便于焊透。,17,4-1手弧焊,b.焊接前清理焊接表面，以免影响电弧引燃和焊缝质量c.焊接位置：平焊、立焊、横焊和仰焊。平焊易操作，劳动条件好，生产率高，焊缝质量易保证，所以焊缝布置应尽可能放在平焊位置。立焊、横焊和仰焊时，由于重力作用，被熔化的金属要向下滴落而造成施焊困难，因此，应尽量避免。,18,4-1手弧焊,d.确定焊接工艺参数：焊条直径、焊接电流、焊接速度根据所焊接工件的材质选择焊条，焊接速度和电弧长度，由焊工根据焊条牌号和焊缝所在空间的位置，在施焊过程中调节。（1）焊条直径为提高生产率，通常选用直径较粗的焊条，一般不大于6mm。工件厚度在4mm以下的对接焊时，一般均用直径小于等于工件厚度的焊条。大厚度工件焊接时，一般接头处要开坡口，在焊打底层焊时，可采用2.54mm直径焊条，之后各层可采用5-6mm直径焊条。立焊时，焊条直径一般不超过5毫米；仰焊时则不应超过4毫米。,19,4-1手弧焊,（2）焊接电流根据焊条直径来确定。焊接电流太小，焊接生产率较低，电弧不稳定，还可能焊不透工件。焊接电流太大，则会引起熔化金属的严重飞溅，甚至烧穿工件。对于焊接一般钢材的工件，焊条直径在3-6mm时，可由下列经验公式求得焊接电流的参考值:I=(3055)dI焊接电流（A）；d焊条直径（mm）；此外，电流大小的选择，还与接头型式和焊逢在空间的位置等因素有关。立焊、横焊时的焊接电流应比平焊减少10-15%；仰焊则减少15-20%。,20,4-1手弧焊,操作方法：引弧和运条引弧：直击法，划擦法,21,4-1手弧焊,运条：熔池、焊缝、横向摆动,基本运条方法,22,4-1手弧焊,四、焊接缺陷未焊透烧穿夹渣气孔裂纹,23,4-2其他焊接方法,一、气焊利用乙炔和氧混合燃烧所产生的热量使焊件和焊丝局部熔化进行焊接的方法。,24,4-2其他焊接方法,二、气体保护焊用外加气体来保护焊接区的电弧焊。常用保护气体：氩气氦气二氧化碳,25,4-2其他焊接方法,氩弧焊:以氩气作保护气体的电弧焊，焊接质量较高。按所用电极不同：1.不熔化极氩弧焊：铈钨棒作电极，只适于厚度6mm以下工件。焊接3mm以下薄件时，常用卷边直接焊接。焊接较厚工件时，需添加填充金属。焊接钢材时，多用直流正接以减少钨极的烧损。焊接铝、镁及其合金时则希望用直流反接或交流电源。2.熔化极氩弧焊：以连续送进的焊丝作为电极进行焊接。此时可用较大电流焊接厚度25mm以下工件。对氩气要求纯度99.7以上焊前必须把接头表面清理干净,26,4-2其他焊接方法,27,4-2其他焊接方法,特点：1.适于各种合金钢、易氧化的非铁合金及镐、钼等稀有金属。2.电弧稳定，飞溅小，表面没有熔渣，成型美观。3.明弧可见，易于操作，易实现全位置自动焊接。4.热影响区窄，接头质量高，因而工件变形小。5.成本高。目前主要用于：焊接铝、镁、钛及其合金，也用于焊接不锈钢、耐热钢、一些重要低合金钢。,28,4-2其他焊接方法,二氧化碳气体保护焊以CO2气体保护熔池的电弧焊。以焊丝为电极,可实现自动送进；焊丝中还需加入硅、锰等脱氧剂,H08MnSiA。特点CO2焊成本低、质量好、效率高，可实现自动焊、全位置焊。主要适用于焊接低碳钢和低合金结构钢的中、薄板结构，如轿车外壳的拼接等,29,4-2其他焊接方法,粗丝CO2焊（焊丝1.65.0mm）,细丝CO2焊（焊丝0.51.2mm）,CO2保护焊,适合焊530mm的中厚板,适合焊0.84.0mm的薄板,30,4-2其他焊接方法,电阻焊：焊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。根据接头形式和焊接过程的不同分类：对焊、点焊、缝焊特点：1）焊接速度快，变形小；2）生产率高，劳动条件好；3）易于实现机械化和自动化；4）设备复杂，耗电量大。,31,4-2其他焊接方法,电阻对焊：将焊件装备成对接接头，时期端面紧密接触，利用电阻加热至塑性状态，然后切段电流迅速施加顶锻压力完成焊接的方法。压紧、通电、塑变适用焊截面简单的（方、圆）、直径或边长小于20mm且强度要求不高的杆件、管材等。,32,4-2其他焊接方法,闪光对焊：通电、靠近、闪电、最后压紧塑变适用于焊各种大小的等截面的重要工件，可以是同种金属或异种金属，尤其适合细丝的对接或特别粗大的金属棒、管或异型材料的对接。如焊接重要的管道、钢轨、锚链、刀具、钢筋等。,33,4-2其他焊接方法,点焊：焊件装备配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热融化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。适用焊无气密性要求的薄板结构，如汽车外壳等；低、中碳钢、低合金钢、不锈钢及铝合金等厚度小于6mm的板料搭接。,34,35,4-2其他焊接方法,缝焊：焊件装配成搭接或对接接头并置于两个滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续通电，形成一条焊缝的电阻焊方法。适用焊有气密性要求的薄板（3mm）容器和管道等，如汽车水箱、油箱。电流大、短时、高效、变形小；不填充金属、接头平整、机械自动化。,36,4-2其他焊接方法,埋弧自动焊：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接。特点：焊接质量高，焊缝质量好且稳定，表面光滑美观；电流大、熔深大，省工省时效率高；节省焊接材料和电能；造船、石油、化工容器、管道、锅炉等但设备投资较高，且只适用于平焊位置。,37,4-2其他焊接方法,1-焊件；2-V形坡口；3-垫板；4-焊剂；5-焊剂斗；6-焊丝7-送丝轮；8-导电器；9-电缆；10-焊丝盘；11-焊剂回收器；12-焊渣；13-焊缝；,38,4-2其他焊接方法,钎焊：利用熔点比焊件金属低的填充金属（钎料），经加热熔化后，将两个焊件在固态下连接起来的焊接方法。钎焊过程熔化钎料的填缝过程钎料组分与母材相互扩散过程,39,4-2其他焊接方法,钎剂的作用有:去除氧化膜和油污等杂质保护母材接触面和钎料不受氧化增加钎料的润湿性和毛细流动性硬钎焊使用熔点高于450的钎料焊件接头强度高，工作温度高用于受力较大的钢铁件、工具及铝、铜合金件，如钎焊刀具、自行车架等常用钎剂为硼砂、硼酸、氯化物等,40,4-2其他焊接方法,软钎焊使用熔点低于450的钎料焊件接头强度低，工作温度低用于电子线路元件的连接等常用钎剂为松香、氯化锌溶液特点：焊件加热温度低、组织和性能变化小接头尺寸精确、生产率高用于特殊结构件和异种金属焊接，如仪表、航空、喷气设备和硬质合金刀具的焊接。,41,4-3焊接基础知识,焊接质量与结构材料的选用、焊缝位置的布置、接头形式和坡口形状、工艺规范的确定、焊接方法和焊接材料的选用等有关。焊接冶金特点焊接应力与变形焊接材料的选择焊接结构工艺性,42,4-3焊接基础知识,焊接冶金特点：氧、氮、氢等分子吸热分解为化学性质十分活泼的原子，与熔池有益元素生成氧化物或氮化物而烧损，并溶解在金属熔池中，是焊缝的化学成分发生变化，因此降低了焊缝的力学性能。局部加热，热量集中，熔池体积小，冷却速度极快，化学反应不能到达平衡。焊缝的化学成分不均匀，有气孔和夹渣。预防气体保护渗入合金元素,43,4-3焊接基础知识,焊接应力与变形,受热不均匀+熔敷金属收缩,内应力+形状尺寸变化,根本原因：不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和不同比容的组织。,采取合理的结构设计和工艺措施减少或消除焊接应力和变形,44,4-3焊接基础知识,焊接变形焊接过程中引起的焊件变形直接影响焊件的性能和使用，因此需要采用不同的焊接工艺来控制和预防焊件的变形，并对产生焊接变形的构件进行矫正。焊接变形种类纵向收缩变形：沿焊缝长度方向的收缩。横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩。角变形：绕焊缝轴线的角位移。挠曲变形：构件中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形；错边变形：焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生厚度方向的错边。扭曲变形：由于装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。,45,4-3焊接基础知识,焊接变形的基本形式a）收缩变形b）角变形c）弯曲变形d）扭曲变形e）波浪变形,46,4-3焊接基础知识,焊接残余应力的消除和调整设计上合理地确定焊缝的数量、坡口的形状和尺寸应采取合理的焊接顺序先焊接收缩量大的焊缝焊接时适当降低焊件的刚度在焊件的适当部位局部加热，使焊缝能比较自由地收缩，以减小残余应力。热处理(高温回火)是消除焊接残余应力常用方法。整体消除应力的热处理效果比局部热处理好。也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整。,47,4-3焊接基础知识,焊前反变形,焊后,焊前预弯反变形,焊后,48,合理,不合理,4-3焊接基础知识,49,4-3焊接基础知识,焊接变形的矫正机械方法矫正。对于长而规则的对接焊缝引起的薄板壳结构变形，用钢轮辗压焊缝及其两侧，可获得良好矫正效果。利用局部加热产生压缩塑性变形使较长的焊件在冷却后收缩的火焰矫正法，具有机动性强、设备简单的优点，得到广泛采用。,50,机械矫正法,火焰矫正法,4-3焊接基础知识,51,4-3焊接基础知识,焊接材料的选择焊条、焊丝、焊剂、气体金属材料的焊接性能焊接材料的选择,52,4-3焊接基础知识,1.金属材料的焊接性能金属材料对焊接加工的适应性。在一定焊接条件下，获得优质焊接接头难易程度。决定于金属材料本身性质和加工条件。包括内容:结合性能：指某种材料在给定的焊接工艺条件下，形成完整而无缺陷的焊接接头的能力。使用性能：指在给定的焊接工艺条件下，焊接接头或整体结构满足使用要求的能力。,53,4-3焊接基础知识,2.焊接材料的选择焊条类型、型号和药皮按焊缝金属与母材等强度原则选择相应的焊条强度等级按结构特点、设备条件等选择药皮类型,54,焊接结构工艺性设计原则：有利于减少焊接工作量，便于施焊；使焊件在焊后少加工；有利于减少焊接应力和变形；用拼焊结构代替整铸、整锻件，简化工艺节省材料；降低劳动强度。,4-3焊接基础知识,55,4-3焊接基础知识,焊接接头的工艺设计,焊缝的布置,焊缝布置应尽量分散,不合理,合理,56,4-3焊接基础知识,焊接接头的工艺设计,焊缝布置应尽量分散,不合理,合理,焊缝的布置,57,4-3焊接基础知识,焊接接头的工艺设计,焊缝的位置应尽可能对称布置,不合理,合理,焊缝的布置,58,4-3焊接基础知识,焊接接头的工艺设计,焊缝的位置应尽可能对称布置,不合理,合理,焊缝的布置,59,4-3焊接基础知识,焊接接头的工艺设计,焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集中位置,不合理,合理