塑性成形方法塑焊

第五讲,一、内容1、其他塑性成形方法2、焊接成形工艺二、习题1、名词解释：轧制、电液成形、电磁成形、挤压、拉拔、熔焊、压焊、钎焊、焊缝区、熔合区、热影响区、碳当量。2、零件轧制有哪些优点？3、零件挤压具有哪些特点？4、焊接的特点有哪些？5、影响金属焊接性的因素有哪些？6、焊接件基本变形形式有哪些？7、减少和消除焊接应力及变形的措施有哪些？,1,一、精密模锻精密模锻是在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的锻造工艺。如精密锻造锥齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再切削加工。精密模锻件尺寸精度可达IT15-IT12、表面粗糙度值Ra3.2-1.6um。,2,第四节其他塑性成形方法简介随着工业的不断发展，对压力加工生产提出了越来越高的要求，不仅应能生产各种毛坯，更需要直接生产更多的零件。近年来，在压力加工生产方面出现了许多特种工艺方法，并得到迅速发展，如精密模锻、零件挤压、零件轧制及超塑性成形等。,1、工艺过程将原始坯料采用普通摸锻方法锻成中间坯料；对中间坯料进行严格的清理，除去氧化皮和缺陷；采用无氧化或少氧化加热后精锻。为提高锻件质量，减少氧化程度，精锻碳钢时应选择锻造温度为900450之间的温模锻加工。,3,2、工艺特点：原始坯料质量和尺寸必须精确。防止锻件尺寸公差增大，使锻件精度降低。采用无氧化或少氧化加热，尽量减少坯料表面形成氧化皮。仔细清理中间坯料表面，除净氧化皮、脱碳层及其他缺陷。模具的设计与制造必须精确，一般要求精锻模腔的加工高于锻件的精度12级。锻模应设计导柱、导套以准确合模。模膛内应开出小孔以便精锻时及时排气，减小金属流动阻力，更易于充满模膛。需认真润滑和冷却锻模，提高锻模寿命和降低设备功耗。精密模锻需在精度高、刚度大的高速锤、曲柄压力机、摩擦压力机上进行。,4,1、型材的扎制有一定塑性的金属材料，如钢、铜、铝等，可塑性加工成所需形状、尺寸的的板材、管材、线材，以及各种截面形状的型材(圆钢、角钢、钢板、槽钢等)。有75%以上的钢是通过塑性加工成为各种线材供应使用。生铁系脆性材料，不能够塑性加工。,5,二、轧制轧制：金属材料在旋转轧辊的摩擦力F1和抗力F2的作用，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状，并改变其性能的塑性加工方法。轧制是在专用的轧制机上进行的。,（1）型材是指圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、T字钢、钢轨，以及有色金属的各类型材。（2）轧制机的轧辊分为光轧辊与型孔轧辊两类。型孔轧辊有特殊的轧槽，上、下两轧辊对合构成一定形状的孔型，可轧制不同截面形状的轧材。型材轧制机轧制时，加热后的坯料，顺次通过一系列孔型，最后得到所要求截面形状的型材。具体尺寸规格要符合国家标准。型材轧制完成后，切成一定的长度，涂上标记。直径(69)mm的圆钢则卷成盘条，俗称盘圆。型材广泛用于各种结构上，也相当普遍地用作锻造或机械加工的坯料。,6,2、钢板的轧制钢板按厚度分为薄钢板与厚钢板两类，厚度小于4mm的为薄钢板，厚度大于4mm的为厚钢板。薄钢板通常是优质钢。按最后一道次轧制加热与否，分为热轧钢板与冷轧钢板。冷轧钢板的强度高于热轧钢板，但塑性差。厚钢板都是热态轧制的，其轧制工艺过程为：钢锭板坯厚板坯厚板矫正检验截切热处理。3、钢管的轧制钢管分为有(焊)缝管与无缝管两类。有缝管成本低，强度较低，只能在受压低的情况下使用。承受高压的管子，如锅炉蒸汽管、高压输油管，钻探机的钻管等，都必须使用无缝钢管。无缝钢管是用圆钢坯，经穿孔、轧管、整径和定径等工序制成，可制得壁厚(0540)mm，直径(5450)mm，长达10m以上的钢管。,7,（1）纵轧纵轧是轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法。包括各种型材轧制和辊锻轧制等。辊锻轧制是使坯料通过装有弧形模块的一对作相反旋转的轧辊，受压变形的生产方法，辊锻轧制既可作为模锻前的制坯工序，也可直接辊锻工件.,8,4、零件轧制优点：生产率高，质量好，成本低，并可大量减少金属材料消耗等。分类：根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制分为纵轧、横轧、楔横轧等几种。,成形辊锻适用于生产如下三种类型的锻件：1）扁断面的长杆件：如板手、活动扳手、链环等。2）带有不变形头部、而沿长度方向横截面面积递减少的锻件：如叶片等。叶片辊锻成形与铣削成形相比，材料利用率提高4倍，生产率提高2.5倍，且叶片质量好。3）连杆件：用辊锻工艺锻制连杆生产率高，工艺过程得以简化，但需进行后续的精整工艺。（2）横轧横轧是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。如辗环轧制，齿轮轧制等。,9,信号辊4用来控制环件直径。坯料变形到与辊4接触，信号辊立即发出信号，使辊1停止工作。这种方法生产的环类件呈各种形状，如火车轮箍、轴承座圈、齿轮及法兰等,10,1）辗环轧制它是用来扩大环形坯料的内外直径，获得各种环状零件的轧制方法。如图，驱动辊1由电机带动旋转，利用摩擦力使坯料5在驱动辊和芯辊2之间受压变形。驱动辊还可由油缸推动作上下移动。改变1、2两辊间的距离，使坯料厚度逐渐变小，而直径得到扩大。导向辊3用以保持正确运送坯料。,2）齿轮轧制采用热横轧可制造出直齿轮和斜齿轮，如图。这是一种无屑或少屑加工齿轮的新工艺。轧制前将坯料加热，然后将带有齿形的轧轮1作径向进给，迫使轧轮与坯料2对辗，这样坯料上的一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而上升，形成齿顶。,11,3）斜轧斜轧亦称螺旋斜轧。它是轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制方法。如钢球轧制、周期轧制、冷轧丝杠等。螺旋斜轧采用两个带有螺旋型槽的轧辊，互相交叉成一定角度，并做同方向旋转使坯料在轧辊间既绕自身轴线转动，又向前进。与此同时受压变形获得所需产品。产品形状由型槽决定，轧制过程连续进行。,12,（4）楔横轧1）楔横轧带有楔形模具的两个或三个轧辊，以相同的方向旋转，棒料在它的作用下反向旋转的轧制。2）楔横轧的变形过程主要是靠两个楔形凸块压缩坯料，使坯料径向尺寸减小，长度增加。楔形凸块展开后如图所示。楔形凸块由三部分组成，即楔入部分，展宽部分和精整部分。轧制时楔入部分首先与坯料接触，将坯料压出环形槽，称为楔入过程。然后楔形凸块上展宽部分的侧面把环形槽逐渐扩展，使变形部分的宽度增加（展宽部分）。达到所需宽度后，由楔形凸块上的第三部分对轧进行精整。,13,轧件变形过程,3）楔横轧有如下优点：生产率高，每台轧机每小时可生产数百甚至上千个锻件。产品精度高。采用高刚度轧机或冷轧时，可达到无屑加工要求。设备投资少，模具寿命高。此外，生产中无冲击，噪声小，易于实现机械化与自动化。目前，楔横轧在我国发展很快，主要用于大批量生产阶梯轴、锥形轴等对称形零件或毛坯。,14,三、零件挤压、拉拔1、挤压（1）挤压是使坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。（2）按金属的流动方向与凸模运动方向，挤压可分为四种：1）正挤压：金属的流动方向与凸模运动方向相同。2）反挤压：金属的流动方向与凸模运动方向相反。,15,3）复合挤压：在剂压过程中，一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反。（4）径向挤压：金属的流动方向与凸模运动方向呈90度。,16,（3）挤压又可按坯料的挤压温度不同分为：1）热挤压：挤压时，坯料变形的温度高于再结晶温度，与锻造温度相同。特点：金属的变形抗力小，允许的变形程度较大，生产率高。但产品表面较粗糙。热挤压广泛地应用于冶金部门。生产铝、铜、镁及其合金的型材和管材等。目前也越来越多地用于机器零件和毛坯的生产。2）冷挤压：挤压时坯料变形的温度低于再结晶温度，经常是在室温下。特点：金属的变形抗力较大，变形程度不宜过大。变形后的金属，其内部组织为冷变形强化组织;产品的强度高;表面较光洁。,17,3）温挤压温挤压时金属坯料变形的温度介于室温和再结晶温度之间（100-800度）。与热挤压相比，坯料氧化脱碳少，表面粗糙精度高，产品尺寸精度较高。与冷挤压相比，变形抗力低，增大了每个工序的变形程度，提高了模具的寿命，扩大了冷挤压产品材料的品种，温挤压产品的表面粗糙度值可达Ra6.3-3.2um。适合于挤压中碳钢和合金钢件。,18,如图示为纯铁底座零件，以前采用切削加工方法制造；改用冷挤压一次成形，尺寸精度完全符合设计要求，表面粗糙度值为Ra1.4-0.8um。,（4）零件挤压具有如下特点：1）适合于挤压的材料品种多挤压时金属坯料处于三向受压状态，可提高金属坯料的塑性，因而适合于挤压的材料品种多。如非铁金属、碳钢、合金钢、不锈钢及工业纯铁等。在一定的变形量下，某些高碳钢、轴承钢，甚至高速钢等也可进行挤压。,19,如电机不锈钢接头外壳如图，若采用冷挤压制作，需经多次挤压才能完成。现采用温挤压成形（变形温度360度），只需两次挤压即可成形。其过程为：第一次用复合挤压将21mm处的尾部挤出，第二次用正挤压，即可获得平底工件。,2）可制出形状复杂、深孔、薄壁和异型断面的零件。3）挤压零件的精度可达IT7-IT6，表面粗糙度值可达Ra3.2-0.4um，从而可达到少或无屑加工的的目的。4）提高了零件的力学性能出挤压变形后，零件内部的纤维组织基本上是沿零件外形分布而不被切断，从而提高了零件的力学性能。5）节省原材料。其材料利用率可达70%，生产率也较高，比其它锻造方法提高几倍。挤压是在专用挤压机（有液压式、曲轴式、肘杆式等）上进行的，也可在适当改造后的通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行。,20,2、拉拔坯料在牵引力作用下，通过模孔被拉出，产生塑性变形，使得截面缩小，长度增加的工艺，称为拉拔。常温下的拉拔，称为冷拔。图为拉拔示意图。拉拔是在专用的拉拔机上进行的，主要用于各种线材的生产，也可生产薄壁异性管料和特殊几何形状的型材。其制品尺寸准确，表面光滑。线材一般指直径在6mm以下的条料，如钢丝的直径为(036)mm，铜丝可拉拔至直径为0005mm的微细丝,21,1、爆炸成形：利用炸药爆炸所产生的化学能，使金属塑性成形得到所要求的制品，叫做爆炸成形。其成形装置及原理如图所示。,22,四、高能成形在极短时间内，将电能、化学能或机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速塑性成形的加工方法，称为高能成形。它包括爆炸成形、电液成形和电磁成形等。,当充电电压达到一定数值时，辅助间隙与主间隙依次被击穿，产生高压放电，在放电回路中，形成强大的冲击电流，电极周围的介质形成冲击波及液流冲击，使金属板料成形。,23,2、电液成形：借助于水中两电极之间的放电所产生的冲击波及液流冲击，使金属塑性成形，称为电液成形。图为电液成形原理。交流电源电压升至(20一40)kV，经整流变为高压直流，并向电容器充电。,3、电磁成形：在变化的磁场作用下，坯料内产生感应电流，同时形成的磁场与线圈形成的磁场相互作用，使坯料产生塑性变形的加工方法，叫做电磁成形。如图管子缩颈的电磁成形原理。若把成形线圈置于管内，则可完成胀形工艺。,24,25,五、超塑性模锻通过(挤压、轧制、锻造及热处理等)获取具备微细晶粒超塑性的毛坯，再将其加热到超塑性变形温度，以超塑性变形允许的应变速率，在液压机上进行等温模锻，最后对锻件进行热处理以恢复强度的方法称为超塑性模锻。与普通锻模不同的是，为了在成形过程中必须保持模具和坯料恒温，在锻模中设置有加热和隔热装置(见图361)。,超塑性模锻用于小批量生产高温合金、钛合金等难成形、难加工材料的高精度零件，如高强度合金的飞机起落架和涡轮盘、注塑模型腔、特种齿轮等，大大节约了原材料，降低了生产成本。超塑性成形扩大了适应锻压生产的金属材料范围。如过去只能采用铸造成形的镍基合金也可以进行超塑性模锻成形，而且可锻出形状复杂、尺寸精度高、组织均匀、晶粒细小的工件，是实现少、无切屑加工的新途径。同时由于金属的变形抗力很小，可充分发挥中、小型设备的作用，延长了模具的使用寿命。,26,27,1、焊接方法的种类按焊接过程工艺特征分类：熔焊，压焊，钎焊（1）熔焊：将待焊处的母材金属熔化形成熔池，待冷却形成焊缝的焊接方法。如气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊和激光焊等。（2）压焊：焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。如电阻焊、摩擦焊等。（3）钎焊：利用熔点比母材（被焊的金属材料）低的液态钎料，填充仍为固态的接头间隙，并与母材发生溶解与扩散，实现连接焊件的方法。,焊接：是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接过程的实质：利用加热或加压力等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。,第四章焊接成形工艺,28,29,2、焊接的特点,连接性能好。焊接接头具有良好的力学性能、密封性、耐腐蚀性、耐磨性和导电性等。省工省料。一般比铆接节省金属材料1020。还可以制造双金属结构。焊件重量轻。因为焊接结构比起铆接、铸件、锻件更加合理，厚度可以减少，可以节省材料，减轻自重。对于运输运载工具具有重大意义。简化制造工艺。可以利用焊接以小拼大的方法制造重型或复杂的机器零部件以简化铸造或锻造工艺，简化切削加工的工艺。焊件不可拆卸，更换、修理不方便。熔焊焊接接头的冲击韧性比轧制的母材差一些。产生焊接应力和变形。产生焊接缺陷，引起应力集中，降低承载能力，甚至引起脆断。,30,3、焊接的应用,焊接广泛应用于机械制造、汽车制造、造船、航空航天、石油化工、冶金、电力、原子能、电子和建筑等等各个工业部门。,主要用于制造各种金属结构件。如石油化工部门大型球罐、压力容器、各种管道，起重机，房屋结构，火箭壳体和燃料容器。制造机器零件及工具。如压力机机架、各种轴类件，齿轮、刀具等。修复已经损坏的零件。,31,具备两个条件,使气体电离,阴极发射电子,电阻热：Q=I2Rt,(1)焊接电弧:在焊条末端和工件两极之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象。,第一节焊接理论基础一、焊接的冶金特点1、焊接电弧,(2)产生电弧的电极：可以是金属丝、钨丝、碳棒或焊条。,5,32,(3).电弧的构造及热量分布,2400k产生约占总热量的36%,2600k产生约占总热量的43%,60008000k产生约占总热量的21%,6,焊条电弧焊只有65%-85%的热量用于加热和熔化金属，其余的热量则散失在电弧周围和飞溅的金属滴中。,(5)交流弧焊机（弧焊变压器），电极每秒钟正负变化达一百次之多，两极加热温度一样，在2500K左右，不存在正接和反接问题。弧焊机的空载电压就是焊接时的引弧电压，一般为50-90V。电弧稳定燃烧时的电压称为电弧电压，它与电弧长度（即焊条与工件间的距离）有关。电弧长度越大，电弧电压也越高。一般情况下，电弧电压在16-35V范围之内。,33,直流电源正接极：,工件正极（阳极）；焊条负极（阴极）。,直流电源反接极：,工件负极（阴极）；焊条正极（阳极）。,用于薄板金属的焊接,(4)直流弧焊机,7,2、焊接的冶金过程是指熔焊时焊接区内各种物质之间(如液态金属、熔渣、气体)在高温下相互作用的过程。其实质是一次局部金属再熔炼的过程。所以，在焊接区内将发生一系列复杂的物理、化学反应。它与一般的冶金过程不同，具有以下特点。(1)在焊接电弧的高温作用下，使液态金属中的有益元素(Mn，Si，C，Fe等)大量烧损和蒸发，减少了有益元素的含量，使焊缝的化学成分发生变化，因此降低了焊缝的力学性能，使之变脆。(2)焊接区金属熔池的体积很小，而周围又是冷金属，故冷却速度极快，熔池处于液态的时间很短(以秒计)，使各种化学反应难以达到平衡状态，并且在高温时溶解在液态金属熔池中的气体及存在的杂质来不及上浮逸出，造成焊缝化学成分的不均匀，焊缝中存在气孔和夹渣等缺陷。,34,35,各点最高温度不同,3、焊接接头的组织与性能焊接工件上温度的变化与分布,因为离焊缝中心距离不同。,各点在不同的时间达到该点最高温度,焊接是一个重新熔化与结晶的过程，故焊接接头组织与母材不同。现以低碳钢为例说明焊接接头组织与性能的变化。焊接接头组织一般包括焊缝区、熔合区和热影响区。,因为热传导需要一定的时间。,(1)焊缝区电弧焊的焊缝是由熔池内的液态金属凝固而成的，是一个特殊的冶金过程。它属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶，S，P等形成的低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹。由于是按等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的强度一般不低于母材。(2)熔合区焊接接头中，焊缝区与热影响区过渡的区域，称为熔合区。该区域成分及组织极不均匀，晶粒长大严重，冷却后成为粗晶粒，强度下降，塑性和韧性很差，而且此处接头端面变化，往往成为裂纹的发源地。熔合区宽度只有01一1mm，但它对焊接接头的性能有很大影响。(3)热影响区焊接接头中，材料因受加热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域，称为热影响区。它包括过热区、正火区和部分相变区。,36,1）过热区：焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域称为过热区。此区的温度范围宽度约13mm。由于温度高，晶粒粗大，塑性和韧性降低。当焊接刚度大的结构件时，常在过热区产生裂纹。15002）正火区：该区的温度范围宽度约为124.0mm。由于金属发生了重结晶，随后在空气中冷却，因此可以得到均匀细小的正火组织。正火区的力学性能优于母材。,37,低碳钢焊接接头的组织变化,38,3）部分相变区：该区只有部分组织发生相变。由于部分金属发生了重结晶，冷却后可获得细小的铁素体和珠光体晶粒，而未重结晶的部分金属则得到粗大的铁素体。由于晶粒大小不一，导致力学性能不均匀。4）热影响区的大小热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范、接头形式等因素。用不同焊接方法焊接低碳钢时，焊接热影响区的平均尺寸如表示。,焊接热影响区在电弧焊焊接接头中是不可避免的。当热源热量集中、焊接速度快时，热响区就小。所以电子束焊的热影响区最小，而气焊的热影响区较宽。实际上，接头的破坏常是从热影响区开始。用焊条电弧焊或埋弧焊方法焊接一般低碳钢结构时，因热影响区较窄，危害性较小,焊后不进行热处理即可使用。但对重要的碳钢构件、合金钢构件或用电渣焊焊接构件，则必须注意热影响区带采的不利影响。为消除其影响，一般采用焊后正火处理，使焊缝和焊接热影响区的组织转变成为均匀的细晶结构，以改善焊接接头的性能。对焊后不能进行热处理的金属材料或构件，可以通过选择正确的焊接方法和焊接工艺减少热影响区的范围。例如在同一种焊接方法下，增加焊接速度或减少焊接电流都能减少影响区.,39,40,二、金属材料的焊接性,1、焊接性的概念,（1）焊接性,金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,（2）焊接性的内容,接头的接合性能：就是在一定的焊接工艺条件下，金属产生焊接缺陷的敏感性。接头的使用性能：就是在一定的焊接工艺条件下，金属的焊接接头对使用要求的适应性。,41,（3）影响金属焊接性的因素,金属材料的种类、化学成分、组织与性能；焊接工艺条件：焊接方法，焊接材料，焊接工艺。构件类型：焊接件的厚度和其他结构因素。使用要求：使用环境等使用条件以及所提出的使用要求。,42,2、钢材焊接性的估算方法,钢材是焊接结构中应用最广泛的金属材料，评价方法有两类：,（1）直接试验法焊接性试验：焊接裂纹的试验，焊接接头使用性能的试验等。,（2）间接估算法，如碳当量计算方法等；,43,将钢中合金元素（包括碳）的含量，按其对焊接性影响程度，换算成碳的相当含量。,3、碳当量,碳当量可以作为评定钢材焊接性的一种参考指标，这是因为影响钢材焊接性的主要因素是钢材的化学成分。,国际焊接协会推荐的碳当量计算公式为：,式中化学元素符号都表示该元素在钢中含量的百分数。这个公式可以用来评价碳钢和一般低合金钢的焊接性能，对不锈钢不适用。,44,碳当量越大，钢的淬硬和冷裂倾向就越大，焊接性也就越差。,CE0.6，钢的淬硬和冷裂倾向都很严重，焊接性能差，焊接时要采取较高的预热温度；,4、碳当量与焊接性,用碳当量评定金属的焊接性，仅仅考虑了化学成分对焊接性的影响，没有考虑焊接工艺条件、构件刚性等因素对焊接性的影响，因而碳当量的方法是非常粗略的。,45,三、焊接应力与变形,焊接过程中，由于焊接热源对焊件的不均匀加热，会使焊件产生应力和变形，以致焊接结构的尺寸精度和焊接接头强度受到影响。1、焊接应力与变形产生的原因焊接时，加热是局部进行的，焊缝区域加热膨胀，周围的金属未被加热，制约了焊缝区受热金属的自由膨胀，焊缝产生塑性变形。冷却后，焊缝区域比周围区域短，焊缝周围区域没有缩短，从而阻碍焊缝区域的自由收缩，产生焊接以后工件的变形与应力。一般情况下，焊件塑性较好、结构刚度较小时，焊件自由收缩的程度较大。因此，焊接应力较小，则相应的焊接变形增大；相反，如果焊件自由收缩受到很大限制，则