PPT材料及成形技术10

第10章固态材料的连接成形技术固态材料的连接可分为永久性的或非永久性的两种。永久性连接主要通过焊接和粘接过程实现。非永久性连接过程使用特制的连接件或紧固件(如铆钉、螺栓、键、销等)将零件或构件连接起来。本章主要讨论固态材料的永久性连接成形。,应用,南京长江大桥,美F-22战机,1、焊接成形过程,1、焊接成形过程特征和理论基础1）焊接成形原理及特点焊接成形原理：焊接方法类别接头处材料状态连接原理熔化焊被加热到熔化（液态）结晶或凝固压力焊被加热到半熔化（液态+高塑态）结晶或凝固+塑变钎焊钎料被加热到熔化（液态）钎料的结晶或凝固金属焊接成形的实质：将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头。特点与应用：在焊接广泛应用之前，金属结构件的连接靠铆接。与铆接比较，焊接具有节省材料、减轻重量；接头的密封性好，可承受高压；简化加工与装配工序，缩短生产周期，易于实现机械化和自动化生产等优点。广泛应用于机械制造中的毛坯生产和制造各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构件、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁、船舶、飞机等。此外，焊接还用于零件的修复焊补等。目前，焊接技术一般还存在一些问题，主要有焊接结构的残余应力和变形、焊接接头性能不够均匀、焊接品质检验比较困难等。,2）电弧焊的冶金过程及特点焊接过程中的冶金反应不同于一般冶炼过程，有如下几个特点：焊接电弧和熔池液态金属的温度远高于一般的冶炼温度，金属的氧化、吸气和蒸发现象严重；接头熔池体积小，周围又是温度较低的冷金属，因此，接头熔池处于液态的时间很短，冷却速度极快，这样一方面不利于焊缝金属化学成分的均匀和气体、渣质的排除，从而产生气孔和夹渣等缺陷；另一方面，使焊接构件形成较大的热（内）应力，造成构件变形甚至开裂。电弧焊工艺采取的技术措施：形成有效保护，限制空气侵入焊接区。如焊条药皮、焊剂、惰性保护气体等；添加合金元素以保证焊缝的成分及进行脱氧、脱硫和脱磷。如通过焊条药皮或焊剂中添加合金元素、脱氧剂、脱硫剂等；从构件设计和焊接工艺采取措施，以减小焊接应力，防止焊件变形和开裂。,3）焊接接头组织与性能焊接接头包括两部分：一部分是在焊接时经过熔化、凝固的金属，叫焊缝；另一部分是紧靠焊缝受到加热、冷却作用发生组织变化的金属，称为热影响区。这两部分的组织性能，决定了最终焊接接头的性能。（1）焊接工件上温度的变化与分布在电弧热作用下，焊接接头金属都经历由常温状态迅速加热到一定温度，然后再快速冷却到常温的过程；且离焊缝越近的点其加热速度越大，被加热的最高温度也越高，冷却速度也越大。（2）焊接接头的组成（焊缝、熔合区和热影响区）和性能焊缝和热影响区温度分布不均匀性以及焊接本身的特点，导致了焊缝区细小柱状晶组织的产生以及热影响区经历了不同规范的“热处理”，这就引起了焊接接头的性能变化；结合相图分析热影响区的组织，得出焊接的薄弱环节在熔合区和过热区；为提高焊接接头的性能，应减小热影响区的宽度。如采用合适的母材，正确的焊接工艺、焊接方法以及焊后热处理等措施。,低碳钢焊接接头的组织变化,4）焊接应力与变形焊接过程中，焊缝就相当于一个加热的杆件，焊缝周围部分可看成是具有一定的刚性拘束，焊缝(杆件)受热时不能自由伸长，冷却时不能自由收缩，这样最终在焊缝处产生拉应力，而周围金属产生压应力。刚性约束越大，最终产生的应力越大。若焊接构件刚性不足，承受不了焊接应力就会产生变形，焊件通过变形可削弱焊接应力状态。如果焊接应力超过焊接材料的强度极限，焊接件不仅发生变形，而且还会产生裂纹，尤其是低塑性材料更易开裂。焊接应力产生的结果，就会导致变形，应力和变形的存在影响了焊接件的尺寸精度和表面质量，降低了承载能力，甚至产生裂纹。因此，应通过合理的结构设计和必要的工艺措施两方面来减小焊接应力与变形，如通过采用合理的焊接顺序(拼板时，应先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝)，焊接前预热，加热适当的部位(减小焊缝热胀冷缩的阻碍)，锤击焊缝，去应力退火等措施来消除焊接应力和变形。5）焊接缺陷对各种焊接缺陷的特征、成因（见P327表10-4）、危害及防止措施应有一基本了解。,2、各种常用焊接方法及其特点,表10-1各种焊接方法及其特点,设备,一些构件的焊接,2常用金属材料的焊接,不同的构件材料、不同的焊接方法及焊接材料，表现出来的可焊性不一样。因此，了解及评价材料的可焊性，是产品设计、施工准备及正确制定焊接工艺的重要依据。1、焊接性及其评定焊接性是指在给定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。对一般的钢材来言，影响焊接性的主要因素是化学成分，因此常用碳当量：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15100来评定材料的可焊性，碳当量越高，可焊性越差。另一种评定可焊性大小的方法是冷裂敏感系数法，可作一般了解。可焊性有两个方面的内容：一是焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；二是焊接接头在使用中的可靠性。可焊性的各种实验方法就基于上述内容。2、碳钢的焊接按含碳量的大小来区别各种碳钢的焊接性。一般低碳钢的焊接性较好；而中碳钢的可接性较差，欲获得优质接头需采取一定的工艺措施如选用抗裂性好的碱性低氢焊条，焊前预热、焊后缓冷，合适的焊接方法和规范；高碳钢的很差，一般不焊接。,3、合金结构钢焊接应根据合金结构钢的特点、碳当量的大小进行综合分析，CE0.4，焊接性能接近低碳钢，常温下焊接时不用复杂的技术措施，便可获得优质的焊接接头。4、不锈钢的焊接不锈钢件焊接后接头易出现晶间腐蚀和裂纹，故在焊接工艺以及焊条等方面应采取一定的措施，如采用氩弧焊，小电流、快速焊、短弧焊、多层焊、强制冷却、焊后热处理等工艺，以保证焊接质量。5、铸铁的焊补铸铁的焊接性很差，工艺上可采用冷焊法或热焊法进行一些焊补工作。6、铜合金、铝合金的焊接铜合金、铝合金的共同点是易氧化、吸气、线收缩大等，因此在焊缝中易形成夹渣、气孔、裂纹等缺陷，焊接性能较差，工艺上应采取一定措施，如采用氩弧焊、使用焊剂等。,7、焊接结构设计,焊接结构工艺性一般包括焊接结构材料选择、焊缝布置和焊接接头设计等内容。要求如下：1）焊接材料及焊接方法的选择应根据焊接结构的使用要求，从实际生产条件出发，尽可能选用焊接性能好的材料。根据焊接构件材料的特点，选择适当的焊接方法，以保证工艺简单，焊接质量优良。2）焊缝布置焊缝位置应便于焊接操作。手弧焊时应留有焊条的操作空间，点焊、缝焊时应留有极的位置等。焊缝布置应有利于减小焊接应力与变形。如焊缝的对称分布；避免焊缝过分集中或交叉；尽量减少焊长度和数量；焊缝端部产生锐角处应去掉等。焊缝应尽量避开最大应力或应力集中处。焊缝应避开加工表面。3）接头设计接头型式选择根据结构形状、使用要求和焊接生产工艺而定。坡口型式选择根据板厚和熔透要求，同时应考虑坡口加工可能性和焊缝的可焊程度等,5固态粘接成形过程,将一个物件与另一个物件牢固地粘接在一起。粘接能部分代替焊接、铆接和螺栓连接。目前，粘接技术已广泛应用于航空、机床、造船等各个工业部门，在国民经济中起着显著的作用。1）常用粘接剂及应用环氧粘接剂可用于金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属等材料的粘接。已广泛用于航空工业、汽车制造、电子装配、农机维修、机械制造、土木建筑等。2）粘接成形技术过程包括：粘接接头的设计（见P355），表面处理（见P356），粘接剂的