机械工程材料与热处理（第2版）课件：零件毛坯成型概论

零件毛坯成型概论

铸造

铸造成形铸造是指将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后而得到具有一定形状、尺寸和性能的铸件的成形方法。分类砂型铸造和特种铸造

应用常用于制造承重的各类结构件

优点（1）可铸造出形状十分复杂的铸件，铸件的尺寸和重量几乎不受限制；（2）铸造原材料价格低廉，铸件的成本较低；（3）铸件的形状和尺寸与零件很接近，因而节省了金属材料及加工的工时间

缺点（1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。

（2）铸件质量不够稳定。砂型铸造砂型铸造可分为湿砂型铸造和干砂型铸造两种。湿砂型不经烘干可直接进行浇注；干砂型是经烘干才能浇注的高黏土砂型砂型铸造砂型铸造的生产工序

模样和芯盒砂型制造模样→制备造型材料→造型（制造砂型）→造芯（制造砂芯）→烘干（用于干砂型铸造）→合型→熔炼→浇注→落砂→清理与检验和铸件的外形相适应单件或小批生产时，模样和芯盒可用木材制作，大批大量生产时，可用铝合金、塑料等材料来制作。用型砂制成的铸型称为砂型，砂型用砂箱支撑时，砂箱也是铸型的组成部分。砂型铸造造型材料主要包括型砂和芯砂

1、强度：应保证铸型（或型芯）受外力作用时，不易被损坏。型砂强度不足会造成塌箱、冲砂与砂眼等缺陷。2、透气性：铸型（或型芯）能允许气体通过，因为浇注时，型腔内的空气及铸型产生的挥发气体要通过砂型逸出。3、可塑性：型砂受力易成型且获得清晰轮廓。可塑性好，造型的轮廓清晰，可铸出形状尺寸精确的铸件。4、耐火性：型（芯）砂在高温液态金属作用下，不软化、不熔融和不粘结的能力、耐火性差的型（芯）砂，砂粒易粘附在铸件表面，使清砂和切削加工困难。5、退让性：铸件凝固收缩时，型（芯）砂不阻碍铸件收缩。退让性差的型芯砂，将阻碍铸件的收缩，会使铸件产生应力，引起变形，甚至开裂。原砂是型砂和砂芯的主要组成部分，其主要成分是由SiO2及其他氧化物。砂粒均匀且呈圆形的好，一般采自山地、沙漠、河滩和海滨。粘结剂其作用是将砂粒互相粘结在一起，使型（芯）砂具有一定的强度和可塑性。种类很多，常用的有陶（高岭）土、膨润土、油类、合脂、树脂等。附加物为了改善型（芯）砂某些性能而附加的物质。例如，加入煤粉可提高耐火性，加入水玻璃可提高强度，加入木屑可改善透气性和退让性等。型砂和芯砂的组成物决定于铸造合金的种类，铸件的大小及结构特征等。由原砂、粘接剂、水和附加物配制而成。造型根据生产性质不同，造型方法可分别采用手工造型或机器造型手工造型：全部用手工或手动工具完成的造型工序。根据铸件的形状特点，可采用整体模造型、分块模造型、挖砂造型、活块造型、三箱造型、刮板造型等机器造型：用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序，主要用于成批大量生产。按紧砂方式不同，常用的造型机有震压造型、微震压实造型、高压造型、抛砂造型、射砂造型、气流冲击造型等。整模造型分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。三箱造型挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。挖砂造型4、活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。活块造型刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。刮板造型组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。假箱造型砂型铸造造芯芯的主要作用是形成铸件的内腔或局部外形分类：手工造芯或机器造芯手工造芯主要应用于单件、小批量生产中。机器造芯是利用造芯机来完成填砂、紧砂和取芯的，生产效率高，型芯质量好，适用于大批量生产型心固定：型芯在砂型中靠与砂型接触的芯头来定位和稳固支撑砂型铸造浇注系统及冒口浇注系统：把液态金属引入型腔的通道，简称浇口浇注系统作用：保证熔融金属平稳、均匀、连续地充满型腔；阻止熔渣、气体和砂粒随熔融金属进入型腔；控制铸件的凝固顺序；供给铸件冷凝收缩时所需补充的金属熔液（补缩）冒口作用：补缩、排气、集渣砂型铸造合型将铸型的各个组元如上型、下型、型芯、浇口杯等组合成一个完整铸型的操作过程注意事项：合型后，上、下型应夹紧或在铸型上放置压铁，以防止浇注时上型被熔融金属顶起，造成射箱（熔融金属流出箱外）或跑火（着火的气体溢出箱外）等事故砂型铸造熔炼与浇注熔炼是指使金属由固态转变成熔融状态的过程任务：提供化学成分和温度合适的熔融金属熔炼设备：冲天炉、电炉落砂、清理及检验落砂：用手工或机器使铸件与型砂、砂箱分开的操作清理：采用铁锤敲击、机械切割或气割等方法清除铸件表面粘砂、型砂、多余金属（包括浇冒口、飞翅和氧化皮）的过程检验用肉眼或借助于尖嘴锤找出铸件表层或皮下的铸造缺陷，如气孔、砂眼、粘砂、缩孔、冷隔、浇不足等特种铸造金属型铸造在重力的作用下将液态金属浇入金属型中获得铸件的方法金属铸型常采用铸铁或铸钢制造，按分型面不同，金属型有整体式、垂直分型式、水平分型式等工艺要点：浇注前应将铸型预热，并在内腔喷刷一层厚0.3mm~0.4mm的涂料，以防出现冷隔与浇不足缺陷，并延长金属型的寿命；铸件凝固后应及时开型、取出铸件，以防铸件开裂或取出铸件困难特点：使用寿命长、生产率高、铸件的尺寸精度高、表面质量好、劳动条件好；制造周期长、成本高、工艺要求高，且不能生产形状复杂的薄壁铸件应用：大批量生产形状简单的铝、铜、镁等非铁金属及合金铸件特种铸造压力铸造压力铸造是指熔融金属在高压下被快速压入铸型中，并在压力下凝固的铸造方法，简称“压铸”常用的压射压力为5~150MPa，充型速度为0.5~50m/s，充型时间为0.01~0.2s特种铸造压力铸造压力铸造生产率高，便于实现自动化；铸件的精度高、表面质量好；组织细密、性能好，能铸出形状复杂的薄壁铸件。但压力铸造设备投资大，压铸型制造周期长、成本高；受压型材料熔点的限制，目前压力铸造不能用于高熔点铸铁和铸钢件的生产，由于浇注速度大，常有气孔残留于铸件内，因此铸件不宜热处理，以防气体受热膨胀，导致铸件变形破裂主要用于大批量生产铝、锌、铜、镁等非铁金属与合金件离心铸造将金属浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型，在离心力的作用下凝固成铸件的铸造方法离心铸造机按旋转轴的方位不同，可分为立式、卧式和倾斜式三种类型。立式机适宜铸造直径大于高度的圆环类铸件，卧式机适宜铸造长度大于直径的套类和管类铸件比砂型铸造省工省料，生产率高，成本低；铸件在离心力的作用下结晶，组织致密，基本上无缩孔、气孔等缺陷，力学性能好；便于双金属铸件的铸造。但铸件的内孔尺寸误差大、表面粗糙；铸件的比重偏析大，金属中的熔渣等密度小的夹杂物易集中在内表面离心铸造广泛用于大口径铸铁管、缸套、双金属轴承、活塞环、特殊钢无缝管坯等的生产。熔模铸造用易熔材料制成模样，在模样上涂挂若干层耐火涂料，待硬化后熔出模样形成无分型面的型壳，经高温焙烧后即可浇注获并得铸件的方法熔模铸造蜡模制造首先根据要求的标准铸件的形状和尺寸，用钢、铜或铝合金制造压型；然后将熔化成糊状的蜡质材料（常用50%石蜡+50%硬脂酸）压入压型中，待冷却凝固后取出，修去分型面上的毛刺后得到单个的蜡模。为能一次铸出多个铸件，可将多个蜡模粘合在一个蜡制的浇注系统上，构成蜡模组型壳制造在蜡模组上涂挂耐火涂料层以制成具有一定强度的耐火型壳。首先将蜡模浸入涂料中（石英粉+水玻璃、硅酸乙酯等），取出后撒上石英粉（砂），再浸入氯化铵的溶液中进行硬化。重复上述过程4~6次，制成5~10mm厚的耐火型壳。待型壳干燥后，置于90~95℃的热水中浸泡，熔出蜡料即得到一个中空的型壳熔模铸造焙烧、浇注将型壳在850~950℃的炉内进行焙烧，去除残留的蜡料和水份，并提高型壳的强度；将焙烧后的型壳趁热置于砂箱中，并在其周围填充砂子或铁丸固定，即可进行浇注熔模铸造是一种精密铸造工艺，铸件的尺寸精度高、表面质量好，适应性强，能生产出形状特别复杂的铸件，适合于高熔点和难切削合金，生产批量不受限制。但熔模铸造的工艺复杂、生产周期长、成本高，不适宜大件铸造熔模铸造适合于形状复杂、精密的中小型铸件（质量一般不超过25kg）；可生产高熔点、难切削的合金铸件，如形状复杂的涡轮发电机、增压器、汽轮机的叶片和叶轮；可生产复杂刀具；还可生产各种不锈钢、耐热钢、磁钢等的精密铸件实型铸造是用泡沫塑料代替木模和金属模样，造型后不取出模样，当浇入高温金属液时泡沫塑料模样气化消失，金属液填充模样的位置，冷却凝固后获得铸件的方法实型铸造实型铸造时不用起模、不用型芯、不合型，大大减化了造型工艺，并减少了由制芯、取模、合型引起的铸造缺陷及废品；由于采用了干砂造型，使砂处理系统大大简化，极易实现落砂，改善了劳动条件；由于不分型，铸件无飞翅毛刺，使清理打磨工作量减少50%以上。但实型铸造气化模造成空气污染；泡沫塑料模具设计生产周期长，成本高，因而要求产品有相当的批量后才有经济效益；生产大尺寸的铸件时，由于模样易变形，须采取适当的防变形措施适用于各类合金（钢、铁、铜、铝等合金），适合于结构复杂甚至相当复杂、难以起模或活块和外芯较多的铸件，如模具、气缸头、管件、曲轴、叶轮、壳体、艺术品、床身、机座等。铸造工艺图铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等的图样。图中应表示出：铸件的浇注位置、分型面、型芯的数量、形状、尺寸及固定方法、加工余量、起模斜度、浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置。

（一）浇注位置及分型面的选择

浇注位置是指浇注时铸件所处的位置。分型面是指两半个铸型相互接触的表面。一般先从保证铸件的质量出发来确定浇注位置，然后从工艺操作方便出发确定分型面。1、浇注位置的选择

1）一般情况，铸件浇注位置的上面比下面铸造缺陷多，所以重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面。机床床身浇注时的位置起重机卷筒浇注时的位置2）浇注位置的选择应有利于铸型的充填和型腔中气体的排出，所以具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置，以防止出现浇不足和冷隔等缺陷。见箱盖浇注时的位置平板浇注时的位置3）体积收缩大的合金及壁厚差较大的铸件，应按顺序凝固的原则，将壁厚较大的部位和铸件的热节部置于上部或侧部，以便设置冒口进行补缩。4）尽量减少型芯的数目，最好使型芯位于下型以便下芯和检查，同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。2、分型面的确定选择

1）分型面应尽量采用平面分型，避免曲面分型，并应尽量选在最大截面上，以简化模具制造和造型工艺。不正确正确202）应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中，而且尽可能放在下型，以便保证铸件尺寸的精确。3）尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面，减少活块的数目。4）尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷，保证铸件尺寸的精确。5）应尽量减少砂芯的数目6）分型面的选择应尽量与铸型浇注时位置一致。（二）铸造工艺参数的选择

铸造工艺参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些工艺数据。（1）收缩余量——为了补偿收缩，模样比铸件图样尺寸增大的数值。（2）起模斜度（拔模斜度）——为使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度称为起模斜度。凡垂直于分型面（分盒面）的没有结构斜度的壁均应设起模斜度。起模斜度的大小，应根据模壁测量面高度、模样材料及造型方法确定。（3）

加工余量——为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。零件上需要加工的表面，应需有适当的加工余量。铸件加工余量的大小取决于铸件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工面与基准面的距离及加工面在铸型中的位置、加工精度要求等。加工余量的具体数值应根据加工余量国家标准和铸件尺寸公差标准配套使用选取。（4）最小铸出孔及槽——零件上的孔、槽、台阶等应从铸件质量及经济方面考虑。较大的孔、槽等应铸出来，以便节约金属和机构加工工时，同时还避免铸件局部过厚所造成的热节，提高铸件的质量，较小的孔槽，则不宜铸出，直接加工反而方便；如有特殊要求，且无法实行机加工的孔如弯曲孔，则一定要铸出。（5）型芯头——芯头是指伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分，其功用是定位、支撑和排气。为了承受砂芯本身重力及浇注时液体金属对砂芯的浮力，芯头的尺寸应足够大才不致破坏；浇注后，砂芯所产生的气体，应能通过芯头排至铸型以外，在设计芯头时，处理要满足上面的要求，还应做到下芯、合型方便，应留有适当斜度，芯头与芯座之间要留有间隙铸造缺陷分析与铸件质量控制

（一）缩孔和缩松

铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现空洞，容积大而集中的孔洞为缩孔，细小而分散的孔洞为缩松。

1、缩孔的形成:纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.2、缩松的形成原因:铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。3、影响缩孔、缩松形成的因素（1）合金的成分缩孔:结晶温度范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大缩松:结晶温度范围越大的合金，产生缩松的倾向越大（2）浇注过程浇注温度、浇注速度等均影响合金的总体积收缩。浇注温度高，形成缩孔的倾向大；浇注慢，缩孔的容积小。

（3）铸型条件

表现在铸型对铸件冷却速度的影响。铸型的激冷能力大，缩孔的容积越小。湿型比干型的冷却能力强，金属型比砂型的冷却能力强。（4）铸件结构

1、原理——顺序凝固原则即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道，如下图所示。动画：定向凝固184、消除缩孔和缩松的方法2、方法1）合理布置内浇道及确定浇铸工艺。浇注系统的不同引入位置即内浇道，与铸件各部分的温度分布有直接关系。浇注位置的选择应服从顺序凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要应根据铸件结构、浇注系统类型来选择浇注温度和浇注速度。用高的浇注温度缓慢地浇注，有利于“顺序凝固”；通过多个内浇到低温快浇，有利于实现同时凝固原则。2）合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。冒口：在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。冒口的尺寸应保证冒口比铸件被补缩部位凝固的晚，并有足够的金属液供给。冷铁：由金属材料制成的激冷物称激铁，包括铸铁、钢材、铜等金属材料。将冷铁放入铸型某一特定部位，用以加速铸件某局部热节的冷却，是消除铸件中缩孔和缩松的有效措施。补贴：对于板件和壁后均匀的薄壁件，由于冒口的有效补缩距离所限，往往在铸铁的内部仍产生缩孔和缩松。若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度，使铸件壁厚变成朝冒口铸件增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度。所增加的楔形部分，称为“补贴”。（二）铸造应力、变形和裂纹

铸件在凝固之后的继续冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，称为铸造应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。铸造应力热应力收缩应力铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。

相变应力铸件在冷却过程中会产生固态相变，由于铸件各部分冷却速度不同，导致相变不同时发生，则会产生相变应力。铸件的结构：铸件各部分能自由收缩

工艺方面：采用同时凝固原则（同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固）时效处理：人工时效；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀铸件变形的消除方法铸件的裂纹与防止

裂纹——当铸造应力大到一定程度，超过金属的强度极限时，铸件便将产生裂纹。是严重的铸造缺陷，必须防止。按裂纹形成的温度范围分为热裂和冷裂。

（1）热裂——铸件在合金凝固末期的高温下形成的。外观形状曲折而不规则，裂口表面呈氧化色，裂口沿晶粒边界通过。防止：铸件结构合理，改善铸型和型芯的退让性，减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇道设置应符合同时凝固原则；此外，减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度，特别是硫是合金的热脆性增加，导致热裂倾向增大。（2）冷裂——铸件在低温下形成的裂纹。外观形状呈连续直线状或圆滑曲线，而且常是穿过晶粒；裂口干静，具有金属的光泽或呈轻微氧化色。

冷裂常出现在形状复杂大工件的受拉伸部位，特别是具有应力集中处（如尖角、缩孔、气孔、夹渣等附近）。有些冷裂纹实在铸件清理、搬运或机械加工时，受到震击才出现。脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢最易产生冷裂纹。一、偏析铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。

(1)晶内偏析（又称枝晶偏析）——晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。(2)区域偏析——铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析——铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为防止比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。铸造合金的偏析和吸气性二、铸件中的气孔和合金的吸气

（1）侵入性气孔

——由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。

（2）析出性气孔

——溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。

（3）反应性气孔——浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。一、铸件质量对铸件结构的要求1、铸件应有合理的壁厚（铸件壁厚介于临界壁厚和最小壁厚之间）铸造的结构工艺性最小壁厚：在各种工艺条下，铸造合金能充满型腔的最小厚度。主要取决于合金的种类、铸件的大小及形状等因素。临界壁厚：各种铸造合金都存在一个临界壁厚，在砂型铸造条件下，各种铸造合金临界壁厚约等于其最小壁厚的3倍。缺陷：如果所设计铸件的壁厚小于允许的“最小壁厚”，铸件就易产生浇不足、冷隔等缺陷。在铸造厚壁铸件时，容易产生缩孔、缩松、结晶组织粗大等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。2、铸件壁的联接形式要合理

1）铸件如果因为结构需要不能做到壁厚均匀，则不同壁厚的联接应采用逐渐过渡的形式。2）对于铸件结构中有两个或三个甚至更多个壁相连的情况，可采用交错接头或环形接头的形式。3、铸件壁厚应力求均匀

壁厚均匀，是指铸件的各部分具有冷却速度相近的壁厚，。铸件的内壁厚度应略小于外壁厚度。铸件的壁厚应均匀4、防止产生变形

某些壁厚均匀的细长铸件，较大面积的平板铸件，以及壁厚不均匀的长形箱体都会由于应力而产生翘曲变形，采用合理的结构设计予以解决。5、尽量避免过大的水平面

过大的平面不利于金属液的填充，容易产生浇不到等缺陷，在进行铸件的结构设计时，应尽量将水平面设计成倾斜形状。6、铸件结构应避免冷却收缩受阻和有利于减小变形

铸件在结构设计时，应尽量使其能自由收缩，以减小应力，避免裂纹。如图所示的弯曲轮辐和奇数轮辐的设计，可使铸件能较好地自由收缩。轮辐的设计二、铸件工艺对零件结构的要求（一）铸件的外形设计1、

改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋条的结构

设计铸件上的凸台、凸缘和肋条结构时，应考虑便于造型起模，尽量避免使用活块或外壁型芯。2、避免外部侧凹

铸件在起模方向上若有侧凹，见图a，就必须再造型时增加较大的外壁型芯才能起模，若将其改成图b所示结构，则可省去外壁型芯，显然后一种结构是合理的。铸件两种结构比较3、应使铸件具有最少的分型面

减少铸件分型面的数量，不仅可以减少砂箱的用量，降低造型工时，而且可以减少错箱、偏芯等缺陷，从而提高铸件的精度。端盖的设计a存在法兰凸缘，不能采用简单的两箱造型。b所示的结构，取消上部的凸缘，使铸件仅有一个分型面，则将大大简化造型操作。4应尽量使分型面平直

平直的分型面可避免操作费时的挖砂造型或假箱造型；同时，铸件的毛边少，便于清理。5.铸件要有结构斜度

铸件上垂直于分型面的不加工表面应设计出一定的斜度，称为结构斜度。结构斜度便于起模，并可延长模具的使用寿命。铸件结构斜度的大小和许多因素有关，如铸件的高度、造型的方法等，高度越低，斜度应越大。凸台的结构斜度可达30°-50°。铸件结构斜度（二）铸件内腔的设计

1、有利于砂芯的固定和排气型芯的固定主要依靠芯头来保证，若采用图a的结构，则需要两个型芯，而且其中大的型芯呈悬臂状态，装配时必须采用芯撑作辅助支撑，若改成图b所示的形状，采用一个整体型芯来形成铸件的空腔，则既可增加型芯的稳固性，又改善了型芯排气和清理条件，显然后者的设计是合理的。轴承架铸件对于因芯头不足而难于固定型芯的铸件，在不影响使用功能的前提下，可设计出适当大小和数量的工艺孔，用以增加芯头的数量，稳固型芯，如图b所示。增设工艺孔结构2、应使铸件尽可能不用或少用型芯

图a采用方形中空截面，为形成其内腔，必须采用型芯；图b所示工字形开式截面，则可避免型芯的使用，这样在简化造型的同时，也可保证铸件的质量，故后者的设计是合理的。悬臂支架3.铸件结构设计中应避免封闭空腔。

图a所示铸件为封闭空腔结构，其型芯安放困难、排气不畅、难于清砂，可改成图b所示的结构。铸件结构避免封闭内腔焊接成型基础焊接：是通过加热或加压或两者兼用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子（分子）间结合的一种方法第一节概述熔化焊将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法压力焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。钎焊钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属（称为钎料），将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料填充接头间隙并与固态母材通过扩散实现连接焊件的方法。焊接方法分类主要焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊软钎焊硬钎焊熔化焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊焊接的特点

焊接与铆接等其他加工方法相比，具有减轻结构重量，节省材料；生产效率高，易实现机械化和自动化；接头密封性好，力学性能高；工作过程中无噪音等优点。其不足之处是会引起焊接接头组织、性能的变化，同时焊件还会产生较大的应力和变形。

焊接的应用

焊接主要用于制造各种金属构件，如建筑结构、船体、车辆、锅炉及各种压力容器。此外，焊接也常用于制造机械零件，如重型机械的机架、底座、箱体、轴、齿轮等。手工电弧焊

手工电弧焊是熔焊一种,是利用电弧产生的热量来熔化焊条和部分工件，从而使两块金属连成一体的手工操作的焊接方法。由于它使用的设备简单，操作灵活方便，能够适应各种条件下的焊接，因此成为熔焊中应用最广泛的一种焊接方法。但焊条电弧焊要求操作者技术水平较高，生产率较低，劳动条件较差。（一）焊接过程

手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。焊接时,焊工手握夹着焊条的焊钳进行焊接,

在电弧高热的作用下，被焊金属局部熔化，在电弧的吹力作用下，被焊金属上形成了凹坑。这个凹坑称为熔池。焊条作为一个电极,其端部在电弧的作用下不断被熔化,形成熔滴，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中,随着电弧的向前移动,熔池尾部液态金属逐步冷却结晶,最终形成焊缝。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，其保护熔化金属的作用。

焊接时,先将焊条与焊件瞬时接触,发生短路.强大的短路电流流经少数几个接触点,致使接触点处温度急剧升高并熔化,甚至部分发生蒸发。当焊条迅速提起时，焊条头温度已升得很高，在两电极间的电场作用下，产生了热电子发射。飞速的电子撞击焊条端头与焊件间的空气，使之电离成正离子和负离子。电子和负离子流向正极，正离子流向负极。这些带电质点的定向运动形成了焊接电弧。动画：电弧的形成62（二）焊接电弧

1、电弧的产生焊接电弧分三个区域，阴极区，阳极区和弧柱区。各区域的热量是不同的。阴极区：热量约占电弧总热量的36％；

阳极区：热量约占电弧总热量的43％；

弧柱区：热量约占电弧总热量的21％。2、电弧的组成及热量分布

用碳钢焊条焊接钢时，阳极区约为2600K

，阴极区约为2400K

，弧柱的温度约为（6000～8000）K（2)交流电源焊接时，不存在正、反接问题。3、电弧的极性及应用（1)直流电源焊接

正接法：焊件接电源正极，焊条接负极。

反接法：焊件接电源负极，焊条接正极。

选择极性时，主要根据焊条的性质与焊件的厚度。正接时，工件上热量较大，可保证有较大的熔深,用于厚件焊接；反接法用于薄板和有色金属焊接。（三）手工电弧焊设备

１）直流弧焊机

直流弧焊机分焊接发电机和弧焊整流器两部分。

（１）焊接发电机

焊接发电机由交流电动机和直流电焊发电机同轴组装而成。采用焊接发电机焊接时电弧稳定，能适应各种焊条，但结构复杂，噪音大，成本高。焊接发电机适用于小电流焊接。（2）弧焊整流器

弧焊整流器是一种将交流电通过整流器转换为直流电的直流弧焊机。弧焊整流器没有旋转部分，结构简单，噪音小，维修容易，使用已趋普遍。２）交流弧焊机

它是符合焊接要求的降压变压器。工作原理如图所示，通过改变次级线圈抽头的接法和可动铁芯的位置，对焊接电流进行调节。交流弧焊机结构简单，制造方便，成本低廉，节省电能，使用可靠，维修方便。缺点是电弧不够稳定。交流弧焊机是一种常用的焊条电弧焊设备。

３）焊钳和面罩

焊钳是用来夹持焊条和传递电流的。面罩是用来保护眼睛和面部，以避免弧光伤害。

（四）电焊条（简称焊条）（1）电焊条的组成及其作用

手工焊焊条由焊芯和涂料（药皮）组成。焊芯焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯。它起导电和填充

焊缝的作用。焊芯用由特殊冶炼的焊条钢拉拔制成。焊芯牌号：H+材料牌号（H08，H08Mn2Si）药皮药皮是压涂在焊芯表面的涂料层。它起稳弧、造气、

造渣、脱氧、渗合金等作用。药皮必须含有造气剂和造渣剂。还应含有稳弧剂和合金化剂，以及脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。（2）电焊条的分类根据药皮的性质及其作用，焊条分为：酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条：药皮熔渣中的酸性氧化物比碱性氧化物多。具有良好的工艺性能，交直流电源均可使用，但焊缝的力学性能，尤其是塑性、韧度，不如用碱性焊条焊接的焊缝好，故用于一般结构件的焊接。碱性焊条：工艺性能差，要求用直流电源施焊，但焊接质量好，用于重要的结构件及焊接性较差金属的焊接。电焊条的分类（用途）碳钢焊条低合金钢焊条不锈钢焊条堆焊焊条铸铁焊条镍及镍合金焊条铜及铜合金焊条铝及铝合金焊条特殊用途焊条（3）焊条的型号与牌号

E4315表示焊条第三位数字表示焊条的焊接位置“0”和“1”表示全位置焊接“2”表示平焊，平角焊“4”表示向下立焊第三位和第四位数字，表示焊接电流种类和药皮类型表示焊条药皮为低氢钠型（15），并可采用直流反接焊接第一位和第二位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值σb≥430MPa一种焊条型号有不同工艺性能的几种牌号如J427和J427Ni，同属于E4315焊条型号。最后一位数字：1～5为酸性焊条，使用交流或直流电源均可，6～7为碱性焊条，只能用直流电源。（4）电焊条的选用原则等强度原则：低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。同一强度等级的酸性焊条和碱性焊条的选用主要应考虑：焊接件的结构形状、钢板厚度、载荷性质和抗裂性能而定。低碳钢与低合金结构钢焊接，可按某一种钢接头中强度较低的钢材来选用相应的焊条。焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条。（五）手弧焊工艺

1）接头形式及坡口根据焊接的结构形状、厚度及工作条件，可选择不同的接头类型及坡口。焊接接头类型分为焊件开坡口的目的在于保证焊透，增加接头强度对钢板厚度在6mm以下的双面焊，因手工焊的溶深可达4mm，故可不开坡口，即I形坡口。对厚度在6mm以上的钢板，可采用Y形、X形和U形坡口（2）焊缝的空间位置

施焊时焊缝在空间的位置平焊操作容易，劳动条件好，生产率高，质量易于保证，应尽量将焊缝放在平焊位置上施焊。进行立焊、横焊和仰焊时，由于重力作用，被熔化的金属向下滴落而造成施焊困难，应尽量避免，若确需采用这些焊接位置时，则应选用直径较小的焊条、较小的电流及短的电弧等措施进行焊接（3）焊接工艺参数焊接时影响焊缝形状、大小、质量和生产率的各种工艺因素的总称。主要是焊条直径、焊接电流、焊接速度焊条直径

由工件厚度、焊缝位置和接头形式等因素确定；

选用较大直径的焊条，能提高生产率；但如用过大直径的焊条，会造成未焊透和焊缝成形不良。一般情况下，焊件厚度＜4mm时，焊条直径约等于焊件厚度；≥4mm时，焊条直径为（4～6）mm。仰焊时，焊条直径一般不超过4mm。

焊接电流一般焊接电流主要由焊条直径和焊缝位置确定电流太大，焊条熔化过快，金属飞溅加剧，可能烧穿焊件；电流过小，电弧不稳定，造成焊不透，生产率降低。焊接速度即单位时间内完成的焊缝长度，直接关系到焊接的生产率。焊接速度的快慢一般不作规定，由焊工自行掌握。一般原则是在保证焊接质量的前提下寻求高的生产率。

埋弧自动焊

埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧自动焊是埋弧焊的一种自动化焊接方法。埋弧焊的工艺焊前准备板厚小于14mm时，可不开坡口；板厚为14～22mm时，应开Y型坡口；板厚为22～50mm时，可开双Y型或U型坡口。

Y型和双Y型坡口的角度为50°～60°。

焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中埋弧焊的特点及应用

埋弧自动焊因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于成批生产中平直长焊缝和较大直径环缝的平焊。因此，被广泛用于大型容器和钢结构焊接生产中。67动画：钨极氩弧焊氩弧焊以氩气作为保护气体的电弧焊。分溶化极氩弧焊和不熔化极氩弧焊气体保护焊

焊接时，钨棒并不熔化，只起产生电弧的作用。因为钨棒所能通过的电流密度有限，所以只适用于焊接厚度为6mm以下的簿件熔化极氩弧焊以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），焊丝熔滴通常呈很细颗粒的“喷射过渡”进入熔池，所用电流比较大，生产率高。焊接板厚8mm以上的铝容器时，熔化极氩弧焊通常采用直流反接。氩弧焊的特点及应用机械保护效果很好，焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊缝成型美观。氩气贵，成本高。氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接。如铝、钛和不锈钢等。二氧化碳气体保护焊（简称CO2焊）

以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。

CO2气体密度大，高温体积膨胀大，保护效果好。但CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2纯度要大于99.8%。CO2焊时的飞溅

CO2+Fe=FeO+CO↑FeO进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：

FeO+C=Fe+CO生成的CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。防止飞溅的措施CO2焊常用H08Mn2SiA焊丝来进行脱氧，合金化。采用短路过渡和细颗粒过渡。为使电弧稳定，飞溅少，CO2焊采用直流反接。采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。采用药芯焊丝。CO2焊的特点及应用CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢薄板的焊接。电流通过焊件接头处的接触面及其临近区域产生的电阻热，将焊件加热到塑性状态或局部熔化状态，同时施加机械压力进行焊接的一种加工方法，因此属于压力焊电阻焊的主要优点是生产率高、焊接变形较小、劳动条件好，而且操作简易和便于实行机械化、自动化。但设备费用高、耗电量大，接头型式和工件厚度受到限制。因此，电阻焊主要应用于大批量生产棒料的对接和薄板的搭接。

电阻焊电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊。点焊电阻点焊是指将焊件装配成搭接接头，并压紧在两极间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊接方法。由于焊接处熔化的金属不与外界空气接触，所以焊接强度高，工件表面光滑，变形较小。电阻点焊主要用于板厚小于4mm的薄板结构，特殊情况可达10mm。电阻点焊广泛用于制造汽车车箱、飞机外壳和仪表等轻型结构。

施压—通电—断电—松开先施压，后通电，是为了避免电极与工件之间产生电火花烧坏电极和工件。先断电，后松开，是为了使焊点在压力下结晶，以免焊点缩松。点焊的质量

主要与焊接电流、通电时间、电极压力和工件表面的清洁程度等因素有关。焊接电流太小、通电时间太短、电极压力不足、特别是接头表面没有清理干净，都有可能焊接不牢。焊接电流过大、通电时间过长，都会使焊点熔化过大；过大的电极压力，会将工件外表面压陷点焊接头形式缝焊缝焊的电极是一对旋转的圆盘，叠合的工件在圆盘间通电，并随圆盘的转动而送进，于是就能得到连续的焊缝，将工件焊合，焊接过程与点焊相同缝焊一般只适用于焊接3mm以下的密封性容器焊接，如油箱、烟道焊接等。

（1）电阻对焊

先施加顶锻压力，使工件接头紧密接触。然后通电，利用电阻热使工件接触面上的金属迅速升温到高度塑性状态；接着断电，同时增大顶锻压力，在塑性变形中使焊件焊合成一起。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。对焊

（2）闪光对焊闪光对焊是两焊件先不接触，接通电源，再移动焊件使之接触。由于工件表面不平，接触点少，其电流密度很大，接触点金属迅速达到熔化、蒸发、爆破，以火化形式从接触处飞射出来，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。经多次闪光加热后，端面达到均匀半熔化状态，此时断电并迅速对焊件加压顶锻，形成焊接接头。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。钎焊

钎焊是将熔点低的金属材料作钎料和工件共同加热到高于钎料熔点，在工件不熔化的情况下，使钎料熔化后填满被焊工件连接处的间隙，并与被焊工件相互扩散而形成接头的焊接方法。钎焊按钎料熔点分为软钎焊和硬钎焊两大类。2、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。主要用于受力较大的钢铁和铜合金构件以及刀具的焊接。1、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，如电子线路的焊接。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。钎焊工艺方法

钎焊机件的接头形式都采用板料搭接和管套件镶接。这样的接头之间有较大的结合面，以弥补钎料的强度不足，保证接头有足够的承载能力。接头之间还应有良好的配合，控制适当大小的间隙。间隙太大，不仅浪费钎料，而且会降低焊缝的强度。如果间隙太小，则会影响钎料熔液渗入，可能使结合面不能全部焊合。钎焊的特点及其应用钎焊与熔焊相比，优点是加热温度低，接头组织和力学性能变化小，工件变形小；能焊接同种金属或不同种金属；设备简单，易实现自动化；焊接过程简单，生产效率高；钎焊接头强度低，常用搭接接头来提高承载能力。钎焊主要用于精密仪表、电气零部件、异种金属构件、复杂薄板构件及硬质合金刀具的焊接。焊接应力与变形产生的原因

焊接过程中工件局部的不均匀加热和冷却是产生焊接应力与变形的根本原因。焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。在焊接结构中，焊接应力与变形既同时存在，又相互制约。要使焊接应力减小，应允许被焊工件有适当的变形。一般，当焊接结构刚度较小或被焊工件材料塑性较大时，焊接变形较大，焊接应力较小；相反，焊接变形较小，焊接应力较大。焊接应力与变形及其防止措施

一、焊接变形的基本形式焊件焊后的变形形式主要有：收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。收缩变形

由于焊缝的纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直于焊缝方向）收缩，引起焊缝的纵向收缩和横向收缩。角变形V形坡口对接焊，由于焊缝截面形状上下不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起角变形。弯曲变形T形梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起弯曲变形。扭曲变形

工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起扭曲变形，又称螺旋形变形。波浪形变形

由于焊缝收缩时薄板局部引起较大的压应力而失去稳定，焊后使构件呈波浪形。这种变形容易发生在薄板焊接中。二、焊接变形与应力的危害

工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。三、预防焊接变形的工艺措施

1、采用反变形方法通过试验或计算，预先确定焊后可能发生变形的大小和方向，将工件安装在相反方向位置上2、加裕量法根据经验在工件下料尺寸上加一定裕量，通常为0.1%～0.2%，以弥补焊后的收缩变形。3、刚性固定法当焊件刚性较小时，采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。4、选择合理的焊接顺序采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（图a）。而图b因先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力。

5、强制冷却法使焊缝处热量迅速散走，减小金属受热面，以减少焊接变形。6、焊前预热，焊后处理

预热可以减小焊件各部分温差，降低焊后冷却速度，减小残余应力。在允许的条件下，焊后进行去应力退火或用锤子均匀迅速的敲击焊缝，使之得到延伸，均可有效的减小残余应力，从而减小焊接变形。机械矫正法严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。四、焊接变形的矫正

常用的方法有：机械矫正法和火焰矫正法73火焰矫正法利用氧－乙炔焰对焊件适当部分加热，利用加热时的压缩塑性变形和冷却时的收缩变形来矫正原来的变形。适用于低碳钢和没有淬硬倾向的普通低合金钢。常用金属材料的焊接

一、金属材料的焊接性

1、焊接性概念

焊接性反映金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

它包括两方面内容：

接合性能：即在一定的焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。使用性能：即在一定的焊接工艺条件下，焊接接头对使用要求的适应性。

2、金属焊接性的评定金属焊接性的主要影响因素是化学成分。钢的焊接性取决于碳及合金元素的含量，其中碳含量影响最大。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，为碳当量，用符号CE。表示，它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标，见下面公式根据经验：

CE＜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。

CE=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。

CE＞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。二、碳素结构钢和低合金高强度结构钢的焊接1、低碳钢的焊接

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）。2、中碳钢的焊接

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。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。中碳钢的焊接特点：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。3、低合金高强度结构钢的焊接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100～150℃

工件厚度/mm：16-24，不低于-5℃不预热,-5℃以下预热100～150℃

工件厚度/mm：24-40，不低于0℃不预热,0℃以下预热100～150℃

工件厚度/mm：40以上，均应预热100～150℃三、不锈钢的焊接

在所用的不锈钢材料中，奥氏体不锈钢应用最广。奥氏体不锈钢焊接性良好，一般采用快速焊，收弧时注意填满弧坑，焊接电流比焊低碳钢时要降低20％左右。四、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；易产生气孔针对铸铁的焊接缺陷进行焊接修补，一般采用焊条电弧焊、气焊来修补，按焊前是否预热分为热焊和冷焊两类。1、热焊

热焊法是焊前将工件整体或局部预热到600～700℃，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。2、冷焊

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。

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。五、非铁金属焊接

1、铝及其铝合金的焊接

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。

铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，且焊接性能较差，易产生未焊透、不熔合、夹渣、热裂、气孔、变形大等缺陷。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。2、铜及其铜合金的焊接

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。焊接结构工艺性一般包括焊接结构材料的选择、焊缝布置和焊接接头工艺设计。焊接结构工艺性一、焊接结构材料的选择原则：尽量选用可焊性好的材料:优先选用低碳钢和普通低合金钢。因这类钢淬硬倾向小，塑性高，焊接工艺简单。尽量选用镇静钢。镇静钢含气量低，特别是含H2和O2量低，可防止气孔和裂纹等缺陷。尽量采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等型材，以简化工艺过程。二、焊缝的布置1、焊缝应尽可能分散，避免过分集中和交叉，以便减小焊接热影响区，防止粗大组织的出现。2、焊缝应尽可能避开最大应力和应力集中的位置，以防止焊接应力与外加应力相互叠加，造成过大的应力和开裂。3、焊缝的位置应尽可能对称分布，以抵消焊接变形。4、焊缝布置应便于焊接操作，焊缝位置应使焊条易到位，焊剂易保持，电极易安放。5、尽量减少焊缝长度和数量，从而减少焊接加热次数，减少焊接应力和变形，同时减少焊接材料消耗，降低成本，提高生产率。6、焊缝应尽量避开机械加工表面，以防止破坏已加工面。

焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等。焊接质量检验一、焊接缺陷及其防止措施1、热裂纹热裂纹的特征热裂纹可发生在焊缝区或热影响区。热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹。因热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。（一）焊接裂纹热裂纹产生的原因:晶间存在液态薄膜。接头中存在拉应力。热裂纹的防止:限制钢材和焊条、焊剂的低熔点杂质，如硫和磷含量。Fe和FeS易形成低熔点共晶，其熔点为988℃，很容易产生热裂纹。缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性减少偏析。减少焊接应力的工艺措施，如采用小线能量，焊前预热，合理的焊缝布置等。2、冷裂纹冷裂纹的形态和特征焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。延迟裂纹的产生原因:焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化。存在较大的拉应力。因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹。防止延迟裂纹的措施:选用碱性焊条或焊剂，减少焊缝金属中氢的含量，提高焊缝金属塑性。焊条焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去油水；除锈，减少氢的来源。工件焊前预热，焊后缓冷，可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力。采取减小焊接应力的工艺措施，如对称焊，小线能量的多层多道焊等。焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250℃，保温2～6h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。焊后进行清除应力的退火处理。焊缝气孔有三种：氢气孔高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。一氧化碳气孔当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：

FeO+C=Fe+CO↑

此时，若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出，便产生CO气孔。熔池氧化愈严重，含碳量愈高，越易产生CO气孔。（二）气孔氮气孔熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。

防止气孔的方法：

焊条、焊剂要烘干，焊丝和焊缝坡口及其两侧的母材要清除锈、油和水。焊接时采用短弧焊，采用碱性焊条。CO2焊时，采用药芯焊丝。采用低碳材料都可减少和防止气孔的产生。锻压概述锻压是一种对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变其尺寸、形状，用于制造机械零件或毛坯成形的方法。锻压包括锻造和冲压

锻造：一般是将轧制圆钢、方钢（中、小锻件）或钢锭（大锻件）加热到高温状态后进行加工。板料冲压：是在冲床上用冲模使金属或非金属板料产生分离或变形而获得制件的加工方法。板料冲压通常在室温下进行，所以又叫冷冲压。（用于冲压的材料必须具有良好的塑性，常用的有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合金、铜和铜合金等金属材料以及皮革、塑料、胶木等非金属材料。）锻造（1）锻造的作用及应用消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时保存完整的金属流线。（2）始锻温度指开始锻造的温度，一般始锻温度应尽可能高一些，一方面可以提高金属的塑性，另一方面又可延长锻造的时间。但加热温度过高，金属将产生过热或过烧的缺陷，使金属塑性急剧降低，可锻性变差。通常将变形允许加热达到的最高温度定为始锻温度。一般金属材料的始锻温度应比其熔点低100～200℃。（3）终锻温度指终止锻造的温度，一般终锻温度应尽可能低一些，这样可延长锻造时间，减少加热次数。但温度过低，金属塑性降低，变形抗力增大，可锻性同样变差，金属还会产生加工硬化，甚至发生开裂。通常将变形允许的最低温度定为终锻温度锻压的特点(2)节约金属材料比如在热轧钻头、齿轮、齿圈及冷轧丝杠时节省了切削加工设备和材料的消耗。(1)改善金属组织、提高力学性能锻压的同时可消除铸造缺陷，均匀成分，形成纤维组织，从而提高锻件的力学性能。(3)较高的生产率比如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率约高50倍。（4）锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯，如机器中的主轴、齿轮等，但不能获得形状复杂的毛坯或零件。自由锻1、自由锻的分类、特点及应用

自由锻分手工锻和机器锻两种,适应性强，灵活性大，生产周期短，成本低。缺点是锻件尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多，生产率低，劳动强度大、条件差，要求操作者的技术水平较高。

自由锻适合于单件、小批和大型锻件的生产。自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下两个砧铁（砧座与锤头）之间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。

2、自由锻设备

１）自由锻常用设备空气锤液压机利用压缩空气推动锻锤进行工作。以落下部分质量来表示锻造能力；常用吨位为65—750千克，用于锻造小型锻件。利用高压水为动力进行工作。靠静压力工作。常用吨位为5~150吨，用于锻造大型锻件，是大型锻件的唯一设备。2）自由锻常用工具

3、自由锻工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序

包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等；辅助工序包括压钳口、倒棱、压肩等；精整工序是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、修整鼓形等。3、自由锻工序使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序镦粗

应用：一般用来制造齿轮坯或盘饼类毛坯;为拔长工序增大锻造比;为冲孔工序作准备等

a）完全墩粗b）端部墩粗c）端部墩粗d）中间墩粗3、自由锻工序使毛坯横截面积减小、长度增加的锻造工序拔长用来制造轴杆类毛坯

a）平砧拔长b）反复90°翻转锤击c）沿螺旋线翻转锤击d）心轴拔长冲孔：在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。冲孔常用于制造带孔齿轮、套筒、圆环及重要的大直径空心轴等锻件。为减小冲孔深度和保持端面平整，冲孔前通常先将坯料镦粗。冲孔后大部分锻件还需芯棒拔长、扩孔或修整。冲孔分双面冲孔和单面冲孔两种

3、自由锻工序

弯曲：采用特定的模具将毛坯弯成所规定的外形的锻造工序弯曲方法主要有锻锤压紧弯曲法和用垫模弯曲法两种

切割：把板材或型材等切成所需形状和尺寸的坯料或工件的锻造工序。4、自由锻工艺规程的制订

工艺规程是指导生产的基本技术文件。编制自由锻工艺规程应遵循设计自由锻零件时，必须考虑锻造工艺是否方便、经济和可能；零件的形状应尽量简单和规则。自由锻的工艺规程绘制锻件图计算坯料质量和尺寸选择锻造工序

选择锻造设备选择坯料加热、锻件冷却和热处理的方法1、绘制锻件图

锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了工艺余块、加工余量、锻造公差等之后绘制的图。

2、选择锻造工序

通常，自由锻件的成形过程是由一系列锻造工序组合而成的，工序的选择主要是根据锻件的形状和工序的特点来确定。1）盘类圆环类锻件包括各种圆盘、叶轮、齿轮、模块等，其特点是横向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。锻造基本工序是镦粗，其中带孔的件需冲孔。

2）空心类锻件包括各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造空心件的基本工序有镦粗、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长等。3）轴杆类锻件包括各种圆形截面实心轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等，还有矩形方形、工字形截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆等，锻造轴杆件的基本工序是拔长，但对于截面尺寸相差大的铸件，为满足锻造比的要求，则需采取镦粗一拔长工序。

4）曲轴类锻件包括单拐和多拐的各种曲轴，目前锻造曲轴的工艺有自由锻、模锻、全流线挤压锻等。其中自由锻的力学性能差，加工余量大，只在单件或小批生产中应用。其基本工序有拔长、错移和扭转。

5）弯曲类锻件包括各种具有弯曲轴线的锻件，如吊钩、弯杆、曲柄、轴瓦盖等，基本工序是拔长、弯曲。

6）复杂形状锻件包括阀体、叉杆、十字轴等，锻造难度大，应根据锻件形状特点，采用适当工序组合锻造。5、自由锻锻件结构工艺性零件结构应尽可能简单、对称、平直；应避免零件上的锥形、楔形结构；不允许有小凸台零件上不允许有加强筋；应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交；模锻利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法称为模锻

与自由锻比较，模锻具有模锻件尺寸精度高、形状可以很复杂、质量好、节省金属和生产率高等优点。此