机械制造基础 第2版 林江 第3、4章 塑性成形、焊接

第3章塑性成形第一节塑性成形理论基础

第二节塑性成形方法第三节塑性成形工艺设计第四节塑性加工方法的结构工艺性第五节塑性成形新发展返回

塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。塑性成形加工的特点：优点：1）改善金属的组织，提高金属的力学性能；2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益；3）具有较高的劳动生产率。4）适应性广。缺点：1）锻件的结构工艺性要求较高，内腔复杂零件难以锻造；2）锻造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；3）需重型机器设备和较复杂模具，设备费用与周期长；4）生产现场劳动条件较差。

常用塑性成形加工方法有：1）自由锻造，2）模型锻造，3）挤压，4）拉拔，5）轧锻，6）板料冲压。如图3-1所示。塑性成形主要用于主轴、曲轴、连杆、齿轮、叶轮、炮筒、枪管、吊钩、飞机和汽车零件等力学性能要求高的重要零部件。第一节塑性成形理论基础一、塑性成形的实质

二、冷变形强化与再结晶三、锻造比与锻造流线四、塑性成形基本规律五、金属的锻造性能一、塑性成形的实质

具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。1、单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形有两种方式：滑移变形和双晶变形。1）滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2所示。晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的。如图3-3所示。当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图3-4所示，形成可见的变形。2）双晶：亦叫孪晶：晶体在外力作用下，晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。如图3-5所示。2、多晶体的塑性变形

多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。如图3-6所示。多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和双晶；但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。如图3-7反映了晶粒位向与受力变形的关系。

同时在多晶体的晶界处，由于相邻晶粒间的位向差别，产生晶格的畸变，并有杂质的存在，以及晶粒间犬牙交错状态，对多晶体的变形造成很大障碍。低温时，晶界强度高于晶粒内部强度，变形抗力大不易变形；高温时，晶界强度降低，晶粒易于相互移动。所以多晶体由于存在晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要远高于同种金属的单晶体。

二、冷变形强化与再结晶

金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。

1、冷变形强化（加工硬化）：指金属在低温下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，如图3-8所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。

冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。

对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。

2、回复：

指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力减少。

回复温度较低，对于纯金属，可用下式计算：式中----金属的绝对回复温度；

----金属的绝对熔化温度；

回复作用不改变晶粒的形状及晶粒变形时所构成的方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。故回复作用可以降低内应力，但机械性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。如图3-9b所示。

3、再结晶

指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。如图3-9c所示。

再结晶过程：先在变形金属中出现再结晶核心（小晶块，或破碎物），结晶核心周围的畸变晶格中的原子向再结晶核心聚集，从不稳定状态向稳定状态过渡，有秩序地排列起来，而形成新的具有正常晶格结构的晶粒，直至新晶粒完全形成，再结晶结束。如果继续升温或保温，再结晶晶粒还会聚合长大，即二次再结晶。再结晶使内应力全部消除，强度降低，塑性增加。如图3-10所示为变形后的金属在加热时组织和性能的变化。

再结晶的最低温度称为再结晶温度，一般纯金属地再结晶温度为：

再结晶处理：利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化，恢复金属的良好塑性，以利于后继的冷变形加工。4、冷变形和热变形

冷变形：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔。能获得较高的硬度及表面质量。热变形：指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形。如锻造、热挤和轧制等；能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。

三、锻造比和锻造流线（纤维组织）

1、锻造流线的形成：在金属铸锭中含有夹杂物多分布在晶界上，在金属塑性变形时，晶粒沿变形方向伸长，塑性夹杂物也随着变形一起被拉长，呈带状分布；脆性夹杂物被打碎呈碎粒状或链状分布；通过再结晶过程，晶粒细化，而夹杂物却依然呈条状和链状被保留下来，形成锻造流线。如图3-11所示。锻造流线使金属的机械性能呈现各向异性，平行于纤维方向塑性和韧性增加，垂直于纤维方向则下降。

2、锻造比：是锻造生产中代表金属变形大小的一个参数，一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示：如镦粗工序，锻造比为：

拔长锻造比：3、锻造比对金属的组织和性能的影响：一般情况下，增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能，但当锻造比过大，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度已到极限，故力学性能不再升高，而增加各向异性。锻造比越大，锻造流线越明显，其力学性能的方向性越明显；如图3-12所示为碳素结构钢锭采用不同锻造比进行拔长后的力学性能变化曲线，当锻造比增加时，钢的强度在横向和纵向差别不大，而塑性和韧性纵向明显好于横向。锻造流线的稳定性很高，而且用热处理不能消除。故在设计和制造易受冲击载荷的零件时：必须考虑锻造流线的方向，使最大正应力与流线方向一致，切应力或冲击应力与流线方向垂直；使锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断。如图3-13所示的拖钩，如图3-14所示的齿轮。四、塑性成形基本规律

塑性成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律，即在给定条件下，变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场，以确定物体形状、尺寸的变化及应变场。从而为选择变形工步和设计成型模具奠定基础。1、体积不变定律：金属塑性变形前后体积不变，实际中略有缩小；可计算各工序尺寸。2、最小阻力定律：塑性变形时金属质点首先向阻力最小方向移动。一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向；如图3-15，3-16所示。

五、金属的锻造性能

金属的锻造性能是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量，塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。影响金属锻造性能的因素有：金属的本质和金属的变形条件。

1、金属本质的影响1）金属的化学成分：化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。2）金属的组织状态：组织结构不同，锻造性能不同；单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好；铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构；金属内部有缺陷也不一样。

1）变形温度：温度升高，塑性上升，降低变形抗力，易于锻造；但温度过高也会产生相应的缺陷，如氧化，脱碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。

锻造温度范围指始锻温度与终锻温度间的温度范围，以合金状态图为依据。对始锻温度，原则是在不出现过热和过烧的前提下，尽量提高始锻温度，碳钢在AE线下2000C。终锻温度即停止锻造的温度，对于锻件质量有很大影响，太高，停锻后晶粒会重新长大，降低锻件机械性能；太低，再结晶困难，冷变形强化现象严重，变形抗力太大，甚至产生锻造裂纹，也易损坏设备和工具。碳钢在加热时奥氏体晶粒长大示意图如图3-17a所示，锻造温度见图3-17b。

2、金属的变形条件：

2）变形速度：指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。

如图3-18所示。3）变形时的应力状态：不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的；如图3-19所示。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形降低，应为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。

思考题：1、试述单晶体和多晶体塑性变形的实质。2、锻造流线的存在对金属机械性能有何影响，在零件设计中应注意哪些问题？3、试述金属的锻造性能及其影响因素。

第二节塑性成形方法一、锻造（一）自由锻

自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间，施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法。坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性强。主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。1、自由锻设备：锻锤和压力机1）空气锤：它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适用于小型锻件；其结构与原理如图3-20所示。2）蒸汽—空气锤：利用蒸汽或压缩空气作为动力，构造及工作原理如图3-21所示，适用于中小型锻件。3）水压机：以压力代替锤锻时的冲击力，适用于锻造大型锻件；其工作过程包括空程、工作行程、回程、悬空。其原理和结构如图3-22所示。1）基本工序：改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序；包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等。最常用的是镦粗、拔长、冲孔。2）辅助工序：为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如压钳口、倒棱和切肩。3）精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形，平整端面、校直弯曲。

2、自由锻工序：根据作用与变形要求的不同，可分为基本工序、辅助工序和精整工序。

3、自由锻的特点：优点：1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法；3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的设备吨位小。缺点：1）锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多；2）锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。故自由锻只是用于单件或小批量生产。（二）模锻

模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。

与自由锻相比，模锻的优点是：1）由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂；2）锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件的机械性能和使用寿命。3）锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加工工时；4）生产率较高；5）操作简单，易于实现机械化；6）生产批量越大成本越低。

模锻的缺点：1）模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设备吨位大，设备费用高；2）锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故只适用于中小型锻件的成批或大批生产。如图3-23所示为典型模锻件。

模锻广泛应用于国防工业和机械制造业，按质量计算模锻件在飞机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机车占60%。

按使用设备不同，模锻可分为：锤上模锻、胎模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。1、锤上模锻：

锤上模锻即在模锻锤上的模锻，模锻锤的构造如图3-24a所示，锻模结构如图3-24b所示，由带有燕尾的上模和下模组成。其运动过程如动画所示。模膛根据其功能不同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类：（1）制坯模膛：用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件的模膛。由可分为：1）拔长模膛。减少坯料某部分横截面积，增加该部分长度，如图3-25a所示。2）滚压模膛。翻转操作使零件成形的模膛。如图3-25b所示。3）弯曲模膛。使坯料弯曲的模膛，如图3-25-c所示。4）切断模膛。如图3-25d所示。（2）模锻模膛1）预锻模膛：为改善金属流动条件，使锻件最终成形前获得接近终锻形状的模膛。2）终锻模膛：模锻时最后成形用模膛，需有飞边槽。带冲孔连皮和飞边的锻件如图3-26所示。根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模和多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模，对弯曲连杆可设计为多膛锻模，如图3-27所示。2、胎模锻

胎模锻是在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模锻件的一种工艺方法。其特点是，与自由锻相比，生产率和锻件精度较高，粗糙度低，节约金属材料。与模锻相比，节约了设备投资，简化了模具制造。但生产率和锻件质量比模锻低，劳动强度大，安全性差，模具寿命低。适用于小型锻件的中小批量生产。胎模结构可分为以下几类：如图3-28所示。1）摔模，用于锻造回转体锻件；2）扣模，用于平整侧面；3）套筒模，用于镦粗锻件；4）合模，用锻造比较复杂锻件。3、曲柄压力机上模锻：曲柄压力机的结构与传动原理如图3-29所示，吨位一般为200—1200kN；与锤上模锻比，具有下述特点：优点：1）锻造力是压力，坯料的变形速度较低，可锻造较低塑性合金；2）锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在一次行程中即可完成，便于实现机械化和自动化，具有很高生产率；3）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。4）振动和噪音较小，劳动条件改善。缺点：1）设备费用高，模具结构复杂；2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此不能进行拔长、滚压等制坯。

4、摩擦压力机上模锻

摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其结构与传动原理如图3-30所示。摩擦压力机上模锻的特点如下：1）滑块运动速度低，可锻造低塑性合金钢和有色金属；2）承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻；3）打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生产周期；4）滑块行程不固定，故工艺性广泛。5、平锻机上模锻

平锻机相当于卧式的曲柄压力机，他沿水平方向对坯料施加锻造压力。结构和原理如图3-31所示。其特点是：1）坯料都是棒料或管材，并且只进行局部（一端）加热和局部变形加工，因此可锻造立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件。平锻机上锻件如图3-32所示。2）锻模有两个分模面，锻件出模方便，可以锻出在其它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件。3）需配备对棒料局部加热的专用加热炉。4）是高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设备结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。

6、精密模锻精密模锻是在普通锻压设备上，装置具有模腔形状复杂（近于产品零件形状）、尺寸精度高的锻模，直接锻造出所要求的产品零件；如图3-33所示的差速器行星锥齿轮。精密模锻与一般模型锻造相比，其特点是：1）锻件公差小，表面质量高；2）锻件内部形成按轮廓分布的封闭纤维组织，机械性能好。3）其缺点是模具制造复杂，对坯料尺寸和加热质量要求较高，仅适于大批量生产。工艺要点：1）选择合理的成形工艺与制造精密锻造所用模具；2）选好坯料和加热方法。 二、板料冲压

板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。又称薄板冲压或冷冲压。板料冲压的特点：1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力。

2）金属板料经冷变形强化，并获得一定的几何形状后，结构轻巧，强度和刚度较高。

3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械加工即可作零件使用。

4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。

5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于大批量生产。

冲压工艺广泛应用于汽车、飞机、农业机械、仪表电器、轻工和日用品等工业部门。（一）板料冲压的基本工序

板料冲压的基本工序按变形性质分为分离工序和成形工序两大类；1、分离工序：使坯料的一部分与另一部分分离的工序。主要有：（1）冲孔和落料（冲裁）两个工序的变形过程和模具结构是一样的，冲孔是在板料上冲出孔洞，而落料是得到与孔洞同样形状的板料。如图3-34所示。1）冲裁过程分析：板料冲裁时有变形和分离两个过程；如图3-35所示，当凸模向下运动压住板料时，板料受到挤压，产生弹性变形并进而产生塑性变形，当上下刃口附近材料内的应力超过一定限度后，即开始出现裂纹，裂纹扩展，板料切离。冲裁区可分为塌角、光亮带、剪裂带和毛刺四部分。光亮带具有最好的尺寸精度和光洁的表面。其它三个区域降低冲裁件质量。这与凹凸模间隙、刃口锋利程度、模具结构、材料的性质，板料厚度等有关。

3）凹凸模刃口尺寸的确定。冲裁后，冲下件的尺寸和余料的相应尺寸是不同的，二者相差数值为模具间隙的两倍。故在设计冲孔模具时，应使凸模刃口尺寸等于孔的尺寸，凹模刃口尺寸为孔的尺寸加两倍间隙值；落料模具时，凹模刃口尺寸为成品尺寸，凸模刃口尺寸为成品尺寸减去相应间隙值。模具间隙一般为板料厚度的5～10%，

2）凸凹模间隙。间隙对冲裁件质量、冲裁力大小和模具寿命影响很大。间隙合适，上下裂纹重合，断口表面平整，毛刺小，冲裁力小。间隙太小，上下裂纹不重合，断口中部出现撕裂，毛刺也会增大，还会加速模具模损，冲裁质量很快恶化；间隙太大，材料的拉伸变形增大，塌角、毛刺、剪裂带均增大，冲裁质量恶化；4）冲裁力计算。冲裁力是选用冲床吨位和检验模具强度的主要依据，平刃冲模的冲裁力可用下式计算：——冲裁力，单位为kN；——冲裁件周边长度，单位为mm；——板料剪切强度，单位为Mpa；——板料厚度，单位为mm；——因数，与模具间隙、刃口、材料力学性能、厚度等有关，常取1.35）冲裁件的排样：排样指落料件在条料、带料或板料上进行合理布置的方法。如图3-36为四种不同排样方法消耗材料的对比。排样可分为无搭边排样（图3-36d）和有搭边排样（如图3-36a、b、c)。（2）修整：利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔，切去一薄层金属，以除去塌角、剪裂带和毛刺，提高尺寸精度和降低表面粗糙度。修整冲裁件的外形为外缘修整，修整内孔为内缘修整。如图3-37所示。

（3）切断：指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。剪刃安装在剪床上，把大板料剪成条料或平板零件。

（4）精密冲裁：用压边圈使板料冲裁区处于静压作用下，抑制剪裂纹的发生，实现塑性变形分离的冲裁方法。目前已大规模采用。（5）切口：将材料沿不封闭的曲线部分地分离开，其分离部分的材料发生弯曲的冲压方法。

2、变形工序

变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生相对位移而不破裂的工序。（1）拉深：是使平面板料变为开口的中空形状零件的冲压工序，又称拉延。拉深件种类很多，大体可分为旋转件、矩形件和复杂件，如图3-38所示。对较深零件还可采用多次拉深法，如图3-39所示。1）拉深变形过程：

拉深过程如图3-40所示，板料在拉深过程中的变形过程和应力分布如图示，在凸模压力作用下，处于凸模底部的板料被压入凹模，形成筒底，在拉深过程中基本不变形，受径向和切向拉应力；拉深零件的侧壁由底部以外的环形部分变形后形成，受轴向拉应力；尚未进入凹模的环形区存在径向拉应力和切向压应力。由于上述应力的作用，拉深件的壁厚在不同的部位有减薄或增厚的变化，侧壁的上部增加最多，靠近底部的圆角部位附近，壁厚最小，也是拉深过程中最容易破裂的部分。底部和侧壁的拉应力应限制在不使材料发生塑性变形内，而环形区内的径向拉应力应达到或超过材料的屈服极限，任何部位的应力总和应小于强度极限。否则会造成拉穿缺陷。同时环状变形区的切向压力很大，易使板料出现皱折，应采取措施预防。

2）拉深板料的计算：可以概略地按照拉深前后工件面积相等的原则计算，对圆筒状零件根据面积相等有：——零件高度；——切边余量。3）拉深系数与拉深次数。拉深系数，板料拉深时的变形程度，，即拉深后的工件直径与板料直径或半成品直径之比。拉深系数越小，生产率越高，拉深应力越大，能保证拉深过程正常进行的最小拉深系数，称为极限拉深系数。它与材料的内部组织，机械性能，板料相对厚度，冲模的圆角半径，间隙值及润滑条件有关。对不能一次拉

制成形的可多次拉深，拉深系数可取大些。4）拉深废品及缺陷：拉深过程中，环状变形区的切向压力很大，当毛坯中多余三角形不能顺利变厚及沿高度方向伸长时，易使板料出现皱折，严重时导致坯料拉穿。如图3-41所示。预防措施：1）拉深模具的工作部分，应加工成合理的圆角，2）控制凸模和凹模之间的间隙；3）合理的拉深系数；4）为减少由于摩擦引起的拉深件内应力的增加及减少模具磨损，应涂润滑剂。5）为防止皱折，通常用压边圈将工件压住，但压力应适中。

（2）弯曲：弯曲是将平直板料弯成一定角度和圆弧的工序。如图3-42所示变形区外层金属受切向拉应力作用，发生伸长变形；内层金属受切向压应力作用，产生压缩变形；在这两个应力-应变区之间存在一个不产生应力和应变的中性层，位置在板料的中心部位。

弯曲变形区的外表层存在最大的切向拉应力和最大的伸长变形，是最危险的部位，如果最大拉应力超过材料的强度极限，则会造成板料破裂。最大拉应力与弯曲半径，板料厚度，材料性能有关。弯曲时应使实际弯曲半径大于材料允许的最小半径，并使拉应力方向和锻造流线方向一致。如图3-43所示。弹复（回弹）：塑性弯曲使板料产生弹性变形和塑性变形，当外载荷去除后，弹性变形部分恢复，从而使板料产生与弯曲方向相反的变形。如图3-44所示。

弹复现象会影响弯曲件的尺寸精度，材料的屈服强度越高，弹复角越大；弯曲半径越大，弹性变形所占比例越大，弹复角越大；弯曲半径不变时，弯曲角越大，弹复角越大。

克服弹复现象的措施有：1）增大凸模压下量，或适当改变模具尺寸，使弹复后达到零件要求。2）改变弯曲时的应力状态，把弹复现象限制在最小的范围内。

（3）翻边：是使平板坯料上的孔或外圆]获得内、外凸缘的变形工步。如图3-45所示。

（4）成形：利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。如压肋，收口，胀形等。如图3-46所示橡皮压肋和橡皮胀形。1、简单模：在压力机的一次行程中只完成一道工序的模具，如图3-47所示。模具结构简单，制造方便，适于小批生产。（二）冲模的分类与构造2、连续模：级进模，在冲床的一次行程中，在模具不同部位上同时完成数道冲压工序的模具，如图3-48所示。生产效率高、易于实现自动化，但定位精度要求高，制造成本高，适于大批量生产。3、复合模：在压力机的一次行程中，在模具的同一位置完成一道以上工序的模具，如图3-49所示的落料拉深复合模。零件精度高、平整性及生产率高，但模具制造复杂成本高，适于大批量生产中小型零件。三、其他塑性加工方法1、挤压成形：挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯料产生定向塑性变形并通过模具上的孔型，而获得具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。挤压的优点：1）可提高成形零件的尺寸精度，并减小表面粗糙度。2）具有较高的生产率，并可提高材料的利用率。3）提高零件的机械性能。4）挤压可生产形状复杂的管材、型材及零件。缺点：变形阻力大，需能量较大的锻压设备，模具易磨损。

成形方式：

根据成形时温度的不同可分为：

1）热挤压：在挤压前，将金属坯料加热，使坯料在一般锻造温度范围内进行挤压。塑性好变形抗力小，但对模具的耐热性能要求高，且零件尺寸精度较低，表面较粗糙。

2）温挤压：将金属加热到一定温度（对钢材一般8000C以下），再挤压。既利用其塑性好，变形抗力低；又可提高尺寸精度，减小表面粗糙度。

3）冷挤压：使金属在室温状态下挤压成形。变形抗力大，但零件尺寸精度高，表面粗糙度低，冷挤压成形所产生的加工硬化作用，提高零件的强度。适用于变形抗力较低，塑性较好的有色金属及其合金、低碳钢、低碳合金钢。

根据金属的流动方向和凸模运动方向的关系可分为：1）正挤压：两者方向相同，如图3-50a所示。2）反挤压：两者方向相反，如图3-50b所示。3）复合挤压：两方向同时发生；如图3-50c所示。

4）径向挤压：金属的流动方向与凸模运动方向垂直。如图3-50d所示。2、轧制成形：

轧制也叫压延，是金属坯料通过一对旋转轧辊之间的间隙而使坯料受挤压产生横截面减少、长度增加的塑性变形过程。是生产型材、板材和管材的主要方法。生产效率高、产品质量好、成本低、节约金属。按轧辊的形状、轴线配置可分为：辊锻、辗环、横轧、斜轧。1）辊锻：使坯料通过一对旋转的装有圆弧形模块的轧辊是受辗压而变形的加工方法，如图3-51所示，用于制造扳手、钻头、连杆等。2）辗环：是通过扩大环形坯料的内、外径来获得各种环形零件的工艺方法，如图3-52所示，用于火车轮箍、轴承座圈、齿轮及凸缘等。3）横轧：是轧辊轴线与坯料轴线平行，且轧辊与坯料作相对转动的轧制方法；如图3-53所示为齿轮横轧。4）斜轧：轧辊相互倾斜配置，以相同方向旋转，坯料在轧辊的作用下反方向旋转，同时作轴向运动的轧制方法，如图3-54a轧制钢球，图3-54b轧制周期变截面型材。

5）楔横轧：利用两个外表面镶有楔形凸块、作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法，如图3-55所示，主要用于加工阶梯轴、锥形轴等。3、拉拔成形：拉拔是使金属坯料通过一定形状的模孔，使其横截面减小、长度增加的加工方法，如图3-56所示。产品形状尺寸精确、表面质量好、机械强度高。常用于拔制金属丝、细管材和异型材等。4、超塑性成形：超塑性是指金属材料在特定条件下所表现出极大的异常塑性的现象；利用材料的超塑性进行成形的方法即为超塑性成形。如图3-57所示。变形抗力低、充模性能好、工件尺寸精确、机械性能好。

5、摆动辗压：上模轴线与坯料的轴线倾斜一个角度，上模一边绕轴线旋转，一边对坯料进行压缩的加工方法。如图3-58所示。局部变形，无冲击，噪声振动小，生产率高；常用于加工回转体类、盘饼类零件，如汽车半轴、齿轮等。6、液态模锻：将定量的熔化金属液倒入凹模型腔内，在金属液即将凝固或半凝固状态下用冲头加压，使其凝固成形的加工方法。7、高速高能成形：在极短时间内将化学能、电能、电磁能或机械能传递给坯料，使之迅速成形的加工方法；如爆炸成形、电液成形、电磁成形等。思考题：1、试述锤上模锻的锻模模膛的分类。2、冲裁时，板料的变形和分离过程如何？3、试为下列零件选择塑性成形方法。发动机曲轴、大型水轮机轴、汽车大梁、铝饭盒、无切削齿轮、钢球。第三节塑性成形工艺设计一、自由锻工艺规程的制订

自由锻的工艺规程包括：绘制锻件图，计算坯料的重量和尺寸，确定变形工步，选定设备和工具，确定锻造温度范围和加热、冷却及热处理的方法和规范等。

1、绘制锻件图锻件图是根据零件图，并考虑加工余量，锻造公差和余块等绘制而成。它是计算坯料、确定变形工艺、设计工具和检验锻件的依据。加工余量，锻造公差和余块及典型锻件图的画法如图3-59所示。1）坯料质量坯料质量为锻件质量与锻造时各种金属损耗的质量之和。可用下式计算：2、计算坯料重量和尺寸：

——坯料质量——锻件质量——坯料加热时因氧化而烧损质量，常取锻件的2.5%——冲孔时的芯料质量——锻造中被切掉部分的质量2）坯料尺寸：首先根据坯料质量计算出坯料体积，然后考虑锻造比和变形方式等因素确定坯料截面尺寸，最后计算出长度尺寸或钢锭尺寸。3、确定变形工步：确定变形工步的依据是锻件的形状特征，尺寸、技术要求、生产批量和生产条件等。包括确定锻件成形所必需的基本工序、辅助工序和精整工序，以及设备和工具。对轴杆类采用拔长为基本工序；对空心类采用镦粗加冲孔；对曲轴类采用拔长和错移。4、选择锻造设备、确定加热火次、确定工夹具、加热设备、加热及冷却规范、热处理及锻件的后继热处理等。二、自由锻工艺规程实例

现以冷轧轧辊为例，确定其工艺卡如表3-1所示。

三、模锻工艺规程的制订

模锻工艺规程包括制订锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（模膛）、选择设备及安排修整工序等。1、制订锻件图锻件图是生产和检验锻件及设计锻模的依据。制订锻件图时应考虑如下问题：1）分模面的确定分模面即是上下锻模在模锻件上的分界面，其位置影响锻件成形、锻件出模、模具加工、工步安排、金属材料消耗和锻件质量。应遵循以下原则。

保证模锻件能从模膛取出，应在最大截面处分模；如图3-60所示，aa面不合理。防止错模，应使上下模膛轮廓相同；如图3-60所示，cc面不合理。应使模膛深度最浅，以利于金属充满模膛，模具加工；如图3-60所示，bb面不合适。

节约金属、减少切削加工量；如图3-60所示，bb面无法锻出孔。使分模面为平面，并使上下模膛深度基本一致；如图3-60所示，dd面分型最合适。图3-60分模面的选择比较2）确定加工余量、公差、余块、模锻斜度、圆角半径、冲孔连皮

加工余量、公差、余块：比自由锻件小，孔应有冲孔连皮。模锻斜度：为取出模锻件，在平行于锤击方向的表面设计的斜度。如图3-61a所示。圆角半径：在模锻件上所有两平面的交角出均需做成圆角，如图3-61b所示，以增加锻件强度，使锻造时金属易于充填模膛，避免裂纹，减轻锻模磨损。

最后绘制锻件图，如图3-62为齿轮坯的模锻件图。2、确定模锻工步

模锻工步主要根据模锻件的形状和尺寸来确定。1）长轴类长度明显大于其宽度和高度的零件，如台阶轴、曲轴、连杆等，如图3-63所示；锻造时常选用拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等工步。2）盘类轴向尺寸较短，在分模面上投影为圆形或长宽尺寸相近的零件，如齿轮、凸缘、十字轴等，如图3-64所示；常采用镦粗、终锻等工步。3、坯料计算：计算方法与自由锻相同，包括锻件、飞边、连皮、钳口料头和氧化皮的质量。4、选择模锻设备5、安排修整工序1）切边和冲孔。如图3-65所示。2）校正3）热处理：正火或退火4）清理：去除氧化皮，油污及其他表面缺陷；5）精压：平面精压或体积精压。如图3-66所示。第四节塑性加工方法的结构工艺性

一、自由锻件的结构工艺性

自由锻采用简单和通用性的工具，因此锻件设计时应在满足使用要求的前提下采用简单规则的形状。如表3-2所示，如图3-67所视为自由锻件类型。二、模锻件的结构工艺性

设计模锻件时，应根据模锻特点和工艺要求，使零件结构符合下列原则：1、模锻件应具备合理的分模面；2、仅配合表面设计为加工面，其余为非加工面，与锤击方向平行的非加工面应有模锻斜度，连接面应有圆角。3、零件外形应简单、平直和对称，截面相差不宜过于悬殊，避免高肋、薄壁、凸起等不利于成形的结构。如图6-68所示的a、b、c均不利成形，而d较好。4、应避免窄沟、深槽、深孔及多孔结构；以利于充填和模具制造。5、形状复杂的锻间应采用锻焊或锻机械连接组合工艺，以减少余块，简化模锻工艺。三、板料冲压件的结构工艺性

设计冲压件时，因在满足使用要求的前提下，具有良好的冲压工艺性能；从而保证产品质量、提高生产率、节约金属材料、降低生产成本。1、对各类冲压件的共同要求1）材料尽量选用普通材料，尽量采用较薄板料和加强肋结构，如图3-69所示；2）尽量采用简单而对称的外形，使坯料受力均衡，简化工序，便于模具制造；如图3-70所示；3）精度要求不宜过高，否则增加精压工序；4）改进结构，简化工艺，节约材料，如图3-71的冲焊组合结构，图3-72的冲口工艺。2、对冲裁件的要求1）工件外形应尽量符合既好又无废料的排样要求；如图3-73所示；2）冲孔时应力求简单、对称，尽量采用圆形、矩形等规则形状；3）避免长槽与细长悬臂结构，如图3-74为不合理结构；4）圆孔直径、方孔边长、孔距等符合图3-75的要求；5）冲裁线相交处应有圆角过渡，以避免模具开裂，圆角半径应大于0.5个板厚。3、拉深件的要求：1）外形力求简单尽量采用轴对称形状，以减少拉深次数；2）尽量避免深度过大；3）拉深件的圆角半径要合适。4、对弯曲件的要求1）弯曲件形状尽量对称，弯曲半径不得小于材料允许的最小半径。

2）弯曲边不宜过短；3）弯曲带孔件时，孔的位置应大于1.5-2个板厚。如图3-76所示。第五节塑性成形新发展1、精密塑性成形技术：如精冲技术、超塑性成形技术、航空制造技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温锻技术、多向模锻技术等。2、快速制模技术：快速成形技术的应用。3、塑性成形的计算机模拟。思考题：1、自由锻和模锻的工艺规程分别包括哪些主要内容？2、下图所示零件采用模锻制坯，试修改设计不合理结构，并说明理由；并绘制锻件图。返回文档图3-1各种塑性成形方法返回文档图3-2单晶体的塑性变形动画演示图3-3位错运动形成滑移的示意图

返回文档动画演示

返回文档图3-4很多晶面滑移组成滑移带返回文档图3-5晶体的双晶变形动画演示

返回文档图3-6多晶体塑性变形示意图动画演示图3-7多晶体晶粒位向与受力变形关系示意图返回文档返回文档图3-8常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响图3-9金属的回复和再结晶示意图返回文档回复动画演示a)塑性变形后的组织

b）金属回复后的组织c）再结晶组

图3-10变形后的金属在加热时，组织和性能的变化返回文档1—内应力曲线2—晶粒度曲线3—强度曲线（变形抗力）4—延伸率曲线返回文档图3-11热轧对晶粒组织的影响图3-12锻造比对力学性能的影响返回文档返回文档图3-13拖钩的纤维流线返回文档图3-14不同成形工艺齿轮的流线分布a)棒料经切削成形b)扁钢经切削成形c)棒料镦粗后切削成形

d)热轧成形

返回文档图3-15不同截面的金属流动情况(a)圆形

(b)正方形

(c)长方形

返回文档图3-16金属镦粗变形返回文档图3-17a碳钢在加热时奥氏体的形成及晶粒长大示意图图3-17b碳钢的锻造温度范围返回文档1—变形抗力曲线2—塑性变化曲线图3-18变形速度对塑性及变形抗力的影响返回文档图3-19不同变形方式时的应力状态(a)挤压

(b)拉拔

(c)自由锻

返回文档图3-20空气锤

图3-21双柱拱式蒸汽—空气自由锻锤返回文档1—工作气缸2—落下部分3—机架4—砧座5—操作手柄6—滑阀

7—进气管8—滑阀气缸9—活塞10—锤杆11——排气管图3-22自由锻水压机本体结构返回文档1—工作缸2—工作柱塞3—上横梁4—活动横梁5—立柱6—下横梁7—回程缸8—回程柱塞9—回程横梁10—拉杆11—上砧12—下砧图3-23典型模锻件返回文档返回文档图3-24a模锻锤图3-24b锤上锻模1—锤头2—上模3—飞边槽4—下模5—模垫6、7、10—楔铁8—分模面9—模膛返回文档图3—25b滚压模膛图3-25a拔长模膛a）开式

b）闭式

a）开式

b）闭式

图3—25d切断模膛返回文档图3—25c弯曲模膛返回文档图3-26带冲孔连皮和飞边的模锻齿轮坯1－飞边

2－分模面

3－冲孔连皮

4－锻件

图3-27弯曲连杆的模锻过程返回文档返回文档图3-28胎模种类a）摔模

b）扣模

c）开式套筒模

d）闭式套筒模

e）合模

图3-29曲柄压力机返回文档返回文档图3-30摩擦压力机返回文档图3-31平锻机的工作情况和传动系统返回文档图3-32平锻机上锻造的锻件返回文档图3-33差速器行星锥齿轮差速器行星锥齿轮锻件图

精密模锻坏料与凹模接触情况

a)不合理

b)合理

返回文档图3-34落料与冲孔示意图a)落料b)冲孔返回文档图3-35冲裁过程a)变形三阶段b)冲裁力的变化c)冲裁零件断面返回文档图3-36不同排样方式材料消耗对比返回文档图3-37修正工序简图a)外缘修整b）内缘修整

1-凸模

2-凹模

返回文档图3-38各种拉深件返回文档图3-39拉深工序图1-坯料

2-第一次拉深的产品(第二次拉深的坯料)3-凸模

4-凹模

5-成品

返回文档图3-40拉深过程及变形和应力1—凸模；2—压边圈；3—板料；4—凹模a）变形过程b）应力分布返回文档图3-41起皱与拉穿a)起皱b)拉穿返回文档弯曲过程b）弯曲产品1—工件2—凸模3—凹模图3-42弯曲过程中金属变形简图返回文档图3-43弯曲时的纤维方向返回文档图3-44弯曲时的回弹现象1—回弹前2—回弹后返回文档

1—坯料2—翻边3—凸模4—凹模图3-45翻边简图图3-46成形工序简图返回文档a)压肋b)胀形返回文档图3-47简单模1－凸模

2－凹模

3－上模板

4－下模板5－模柄

6－凸模压板

7－凹模压板

8－卸料板9－导板10－定位销11－导套12－导柱

返回文档图3-48连续模1－落料凸模

2－定位销

3－落料凹模

4－冲孔凸模

5－冲孔凹模

6－卸料板

7－坯料

8－成品

9－废料

a)冲压前b)冲压时返回文档图3-49落料及拉深复合模1-挡料销

2、3凸凹模(落料凸模、拉深凹模)4-条料

5-压板(卸料器)6-落料凹模7-拉深凸模

8-顶出器

9-落料成品

10-开始拉深件

11-零件(成品)12-废料

a)冲压前

b)冲压时

返回文档图3-50挤压的几种方式a)b)c)d)1－凸模

2—凹模

3—坯料

4—挤压产品a)正挤压

b)反挤压

c)复合挤压d)径向挤压

返回文档图3-51辊锻1－锻辊

2－模块

3－坯料

返回文档图3-52辗环1－驱动辊

2－芯辊

3－坯料

4－导向辊

5－信号辊

返回文档图3-53热轧齿轮示意图1－带形轧轮

2－坯料3－感应加热器

返回文档图3-54螺旋斜轧a)轧制钢球

b)轧制周期变截面型材

返回文档图3-55两辊式斜横轧1—导板2—轧件

3—带楔形凸块的轧辊

返回文档图3-56拉拔示意图1—模具

2—坯料

返回文档图3-57塑性板料拉深示意图1－凸模

2－-压板

3－凹模

4—电热元件5－板料

6－-高压油孔

7－工件

a)拉深过程b)成品件返回文档图3-58摆动辗压返回文档图3-59加工余量、余块及锻件图的画法下一页续表3-1冷轧轧辊自由锻工艺卡返回文档返回文档图3-61a模锻斜度图3-61b模锻圆角半径返回文档图3-62齿轮坯模锻件图返回文档图3-63长轴类锻件返回文档图3-64盘类锻件返回文档图3-65切边模和冲孔模a)切边模

b)冲孔模

返回文档图3-66精压a)平面精压

b)体积精压

下一页表3-2自由锻件结构工艺性要求返回文档续表3-2自由锻件结构工艺性要求返回文档图3-67自由锻锻件类型返回文档图6-68模锻零件形状返回文档图3-69加强肋a)无加强筋b)有加强筋

返回文档图3-70消声器后盖形状的改进（a）改进前（b）改进后

返回文档图3-71冲—焊结构返回文档图3-72冲口工艺应用返回文档图3-73零件形状与材料利用率的关系返回文档图3-74不合理的长槽结构返回文档图3-75冲孔件尺寸与厚度的关系返回文档图3-76弯曲件结构工艺性a)弯曲边高

b)带孔的弯曲件

第4章焊接第一节焊接成形基础

第二节焊接方法第三节焊接结构工艺设计第四节焊接技术新发展返回

焊接是利用加热或加压（或者加热和加压），使分离的两部分金属靠得足够近，原子互相扩散，形成原子间的结合的连接方法。在机械制造、建筑、车辆、石油化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。焊接的特点：优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高；2）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短；4）易于实现机械化和自动化。缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便；2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形；

4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。

焊接方法可分为：

1）熔化焊：利用局部加热的方法，把工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝，将两部分金属连接成为一个整体的工艺方法。

2）压力焊：在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。3）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方法。第一节焊接成形基础一、熔焊的冶金过程（一）焊接电弧

熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移去，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等，以下以电弧焊为例来分析。1、焊接电弧的产生焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热的金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。2、焊接电弧的结构电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4-1所示。1）阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K；2）阳极区：受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K；3）弧柱区：阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达6000-8000K。图4-1电弧的结构示意图（二）焊接冶金过程

焊接的冶金过程如图4-2所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：图4-2焊条电弧焊过程

能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图3-3所示；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降，如图3-4所示；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物（Fe4N）形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。

焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点：1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分；2）熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。

为保证焊缝质量，可从两方面采取措施：1）减少有害元素进入熔池。主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊焊剂、和气体保护焊的保护气体（CO2,氩气）等）。2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。

（三）焊接热循环

焊接热循环：在焊接加热和冷却过程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图4-5所示。不同点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。对焊接质量起重要影响的参数有：最高加热温度、在过热温度11000C以上停留时间和冷却速度等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。图4-5焊接热循环曲线

以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图4-6所示，受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫焊接热影响区，熔化焊焊缝和母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。图4-6低碳钢焊接接头的组织变化(四）焊接接头组织和性能1、焊缝区焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图4-7所示；结晶过程中将在最图4-7焊缝的柱状树枝晶后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。2、熔合区：化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，性能是焊接接头中最差的。3、热影响区

：热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图4-6所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。图4-6低碳钢焊接接头的组织变化1）过热区：最高加热温度11000C以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中机械性能最差的部位。2）正火区：最高加热温度从Ac3至11000C的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，机械性能较好。3）部分相变区：最高加热温度从Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。

低碳钢焊接接头的组织、性能变化如图4-8所示，熔合区和过热区性能最差，热影响区越小越好，其影响因素有焊接方法、焊接规范、接头形式等。4、影响焊接接头性能的因素

焊接接头的机械性能决定于它的化学成分和组织。具体有：1）焊接材料，焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分；2）焊接方法，一方面影响组织粗细，一方面影响有害杂质含量；图4-8低碳钢焊接接头的性能分布3）焊接工艺，焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称，叫焊接工艺参数；线能量:指熔化焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。4）焊后热处理：如正火，能细化接头组织，改善性能。5）接头形式，工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。

二、金属的焊接性能1、金属焊接性的概念：焊接性是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。包括工艺焊接性，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；使用焊接性，焊接接头对使用要求的适应性，包括焊接接头的力学及其他特殊性能。焊接性能随焊接方法、焊接材料和焊接工艺而变，不同条件下焊接性能有很大差别。如钛的手工电弧焊接性极差，但氩弧焊则好。2、金属焊接性的间接评价方法

碳当量法：在粗略估计碳钢和低合金结构钢的焊接性能时，把钢中的合金元素（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，其总和叫碳当量。其计算公式如下：

碳当量越高，焊接性越差。一般当CE<0.4%时，冷裂倾向不大，焊接性好，不需预热；CE=0.4%～0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差，需预热和采取其他工艺措施来避免裂纹；CE>0.6%时，冷裂倾向严重，焊接性差，需采用较高的预热温度和其他严格的工艺措施。值得注意的是钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度的影响；故应根据具体情况进行抗裂试验及使用焊接性试验。

三、焊接应力和变形1、焊接应力与变形产生的原因

焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。图4-9是低碳钢平板对接焊时产生应力和变形的示意图。平板焊接时，要产生热胀冷缩；加热时，如自由膨胀则如a）中虚线所示，但由于受到阻碍，产生同样伸长；故高温处产生压应力，低温处产生拉应力；两者平衡。冷却后，由于冷却速度不同，高温处冷却慢，收缩大，同样最后在高温处产生拉应力，低温处产生压应力。图4-9平板对接焊的应力a)焊接过程中b)冷却后

一般情况下，焊件塑性好，结构刚度小时，焊件收缩容易，焊件变形大，焊接应力小；反之焊接变形小，焊接应力大。焊接变形的基本形式如表4-1所示。

2、焊接应力与变形的危害焊接应力：1）增加结构工作时的应力，降低承载能力；2）引起焊接裂纹，甚至脆断；3）促使产生应力腐蚀裂纹。4）残余应力衰减会产生变形，引起形状、尺寸不稳定。

焊接变形：1）使工件形状尺寸不合要求；2）影响组装质量；3）矫正焊接变形很费工时，增加成本，降低接头塑性；4）使结构形状发生变化，并产生附加应力，降低承载能力。

3、焊接应力和变形的防止焊接应力的防止及消除措施1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小；

2）采取合理的焊接顺序，使焊缝较自由的收缩；如图4-10所示；3）焊缝仍处在较高温度时，锤击或辗压焊缝使金属伸长，减少残余应力；4）采用小线能量焊接，多层焊，减少残余应力；5）焊前预热可减少工件温差，减少残余应力；6）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。焊接变形的防止和消除措施1）结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小，与防止应力一样也是减少变形的有效措施；2）焊前组装时，采用反变形法，如图4-11，4-12所示；3）刚性固定法，但会产生较大的残余应力，如图4-13所示；4）采用合理的焊接规范；5）选用合理的焊接顺序，如图4-10的对称焊，图4-14的分段退焊。6）采用机械或火焰矫正发来减少变形。如图4-15，4-16所示。思考题1、焊接接头包括那几个部分，低碳钢焊接接头各部分的性能如何？2、解释下列名词：焊接热循环、金属的焊接性、碳当量。3、焊接应力和变形有哪些危害，产生原因是什么？第二节焊接方法

焊接方法种类很多，按照焊接过程的物理特点可分为熔焊、压焊和钎焊三类。常用焊接方法有:

熔焊

堆焊与喷涂

高能焊

电渣焊

电弧焊

气焊

激光焊

电子束焊

等离子弧焊

气体保护焊

埋弧焊

焊条电弧焊

压焊

摩擦焊

扩散焊

电阻焊

超声波焊

爆炸焊

对焊

点焊

缝焊

钎焊

真空钎焊

感应钎焊

炉中钎焊

电阻钎焊

盐浴钎焊

火焰钎焊

烙铁钎焊一、熔焊（一）焊条电弧焊

焊条电弧焊是利用电弧作为热源，手工操纵焊条进行焊接的方法，又称手工电弧焊。手工电弧焊的特点：1）设备简单、操作灵活；2）可焊接多种金属材料；3）室内、外焊接效果相近；4）对焊工操作水平要求较高，生产率较低。（二）埋弧焊

埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。1、埋弧焊设备：由焊接电源、焊车、控制箱三部分组成，焊车由送丝机头、行走小车、控制盘、焊丝盘和焊剂漏斗等组成。

2、埋弧焊的焊接过程及工艺埋弧焊焊接过程如图4-17所示；埋弧焊焊缝形成过程如图4-18所示；埋弧焊焊丝从导电嘴深处长度较短，故可采用大电流焊接，比手工电弧焊高4倍；故适宜焊接较厚材料；也可焊接大直径筒体，如图4-19所示。3、埋弧焊特点及应用优点：1）生产率高、节省焊接材料，成本低；2）焊接质量好；3）劳动条件好；缺点：1）适应性较差，焊前准备工作量大；2）焊接电流强度大，不适于3mm以下薄板；3）难以完成铝、钛等强氧化性金属及合金的焊接；4）设备一次性投资较大。适于成批生产中、厚板结构的长直缝与直径较大的环缝。

气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。常用保护气体有惰性气体（氩气、氦气和混合气体）和活性气体（二氧化碳气）两种，分别成为惰性气体保护焊和CO2焊。（三）气体保护电弧焊1、惰性气体保护焊（1）保护气体和电极材料保护气体有氩气（Ar）和氦气（He），或其混合气体，分别称为氩弧焊和氦弧焊及混合气体保护焊。氩弧焊分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊；如图4-20所示。钨极氩弧焊的电极材料可用纯钨或钨合金，一般采用铈钨极，其在焊接过程中不熔化，故需采用焊丝。焊接电流较小，适于薄板焊接。

熔化极氩弧焊采用焊丝作为电极，可使用大电流，适于中厚板焊接。氩弧焊设备由送丝系统、主电路系统、供气系统、水冷系统、控制系统、焊枪等组成。如图4-21所示。（2）电源种类和极性钨极氩弧焊一般采用直流正接，以减少钨极烧损，但焊接铝、镁金属时，为去除氧化物而利用“阴极破碎”可采用直流反接。熔化极氩弧焊一般采用直流反接。（3）惰性气体保护焊的特点及应用1）可焊化学性质活泼的非铁金属及其合金或特殊性能钢；2）电弧燃烧稳定、飞溅小，表面无熔渣，焊缝成形美观，质量好。3）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊缝周围气流冷却，热影响区小，焊后变形小，适于薄板焊接；4）电弧为明弧可见，操作方便，易于自动控制焊缝。5）氩气、氦气价格较贵，焊件成本高。

适于焊接铝、镁、钛及其合金，稀有金属锆、钼，不锈钢，耐热钢、低合金钢等。

2、CO2气体保护焊

CO2焊采用CO2为保护气体，其焊接过程如图4-22所示。CO2在高温下会分解氧化金属，故不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢。同时需采用能脱氧和渗合金的特殊焊丝。可分为自动焊和半自动焊（送丝自动，电弧移动手工）。其设备包括：主电路系统、控制系统、焊枪、供气系统、冷却系统。CO2焊的特点：1）生产率高；电流大，易于自动化，无渣壳。2）成本低；无需涂料焊条和焊剂，CO2价廉；3）焊缝质量较好；4）采用气体保护，能全位置焊接，易于自动控制

；5）焊缝成形差，飞溅大；6）不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢；7）设备较复杂，使用和维修不便。

适于焊接低碳钢和强度级别不高的普通低合金结构钢。

（四）电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣产生的熔渣电阻热加热熔化母材与电极（填充金属）的一种焊接方法。按电极形状可分为丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊和熔管电渣焊。丝极电渣焊过程如图4-23所示。焊接过程为先引弧，形成渣池，电弧过程变为电渣过程，熔化金属凝固成形。电渣焊的特点:1）可一次焊成很厚的焊缝；2）生产率高，焊接材料消耗少，不需开破口；3）焊缝金属较纯净，渣池覆盖住熔池，保护良好，有利于气体和杂质浮出。4）接头金属在高温下停留时间长，过热区大，接头金属组织粗大，焊后应进行正火处理。

主要用于厚壁压力容器和铸—焊、锻—焊、厚板拼焊等大型构件的制造，厚度应大于40mm的碳钢、合金钢和不锈钢等。（五）高能焊

高能焊是利用高能量密度的束流，如等离子弧、电子束、激光束等作为焊接热源的熔焊方法。1、等离子弧焊和切割1）等离子弧的产生：等离子弧是一种电离度很高的压缩电弧；温度高，