工程材料及热加工基础 28焊接-教案

课题名称焊接课次28教学目的与要求知识目标：1.熟悉碳钢、合金结构钢、铸铁、非铁金属及其合金的焊接性能；2.掌握焊接应力的产生原因；3.掌握焊接的变形类型、防治措施及变形的矫正；4.掌握焊接结构材料的选择；5.掌握焊缝的布置和接头设计；6.能够识度焊接结构装配图。能力目标：1.能选择合理的焊接方法。重点、难点重点：各种材料的焊接性能；难点：焊接的变形及其预防和矫正，材料的选择，装配图。教学设计（方法、教具、手段、内容）教学方法：讨论法、板书讲解、实例分析、简图教学用具：教材、教案、PPT、动画教学内容：课题引入一、金属材料的焊接性；二、焊接的应力与变形；三、焊接结构设计课外作业金属的焊接性能；焊接的变形原理、预防和矫正。授课教案焊接教案一、金属材料的焊接性金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。在设计焊接件时，必须了解什么材料容易焊接而得到优良的焊接质量，因此了解和评价金属材料的焊接性，是焊接结构设计、确定焊接方法及正确制定焊接工艺的重要依据。材料的焊接性包含结合性能和使用性能，结合性能是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向，使用性能是指焊接接头在使用中的可靠性。焊接性的评定通常将钢中合金元素（包括碳）的含量，按其作用换算成碳的相当含量，称为“碳当量”，用符号“ωCE”表示，以它作为评定钢焊接性的一种参考指标。影响焊接性的因素主要有焊接方法、焊接材料及焊件化学成分。1、碳钢的焊接低碳钢（C<0.25%，ωCE<0.4%）焊接性很好。母材大都选用Q235、10、15、20等钢。根据不同焊接方法配选焊条、焊丝或焊剂。焊接工艺与技术：⑴清除接口油污、水分，烘干焊条、焊剂。⑵对于厚度大的零件，为防止裂纹倾向，建议采用焊前预热，不宜快冷。预热温度为100～150℃。中碳钢又称调质钢，含碳量为0.25％～0.6％，如45钢，主要用作轴、杆、轮及重载零件。ωCE=0.4%～0.60%，焊接性随含碳量升高而变差。焊缝区和热影响区易产生热裂纹，一般采取的措施有焊前预热，焊后缓冷。选用低氢型焊条（如J426、J506）和焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。高碳钢的含碳量＞0.6％，一般作为高硬度、高耐磨件的材料。ωCE>0.60%，焊接性差。焊缝区易产生气孔和软化点，冷、热裂纹敏感性强烈。预防的措施有选用低氢型焊条；焊前预热，焊后缓冷抑制马氏体相变和焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。2、合金结构钢的焊接合金结构钢中含有较多的合金元素，碳当量大，焊接性不好。焊接的主要问题是冷、热裂纹敏感性和热影响区性能的脆化。⑴低合金高强度结构钢的含碳量属于低碳钢范围，但由于含有合金元素，碳当量不同，其焊接性也不同。ωCE<0.4%，钢的塑性好，焊接性优良，常用焊条电弧焊和埋弧自动焊进行焊接，不需采用特殊工艺措施。但当工件的刚度和厚度大，或在低温时，应加大焊接电流、减慢焊接速度、选用低氢型焊条（如J507）、焊前预热（温度≥100℃）。ωCE>0.4%，焊接性较差，常用焊条电弧焊和埋弧自动焊进行焊接，一般焊前需预热（温度≥150℃）。焊接时应调整焊接规范严格控制热影响区冷却速度，焊后及时热处理以消除应力。⑵铸铁的含碳量高、组织不均匀，硫、磷等杂质含量多、塑性低，焊接性差，所以不能用来焊接铸铁构件，只采用焊接来修补铸铁件的缺陷及修理局部损坏的零件。补焊主要出现的问题是易产生白口组织和裂纹。铸铁的补焊困难，主要是因为熔合区易产生白口组织和淬硬组织；熔池金属易流失；焊缝区易产生气孔与裂纹。生产中铸铁的焊补方法有热焊和冷焊法两种。热焊法：焊前将焊件整体或局部预热至600~700℃并施焊，焊后缓冷。用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件，如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等。冷焊法：焊前不预热或低温预热（400℃）的焊补方法。常用焊条电弧焊对铸铁进行冷焊，焊接时应尽量用小电流、短弧、分段焊等。⑶铜及铜合金的焊接难融合，易焊不透；易氧化；易产生气孔；易变形开裂。焊接铜合金常用的方法有氩弧焊、气焊、焊条电弧焊、埋弧自动焊、钎焊等。钨极氩弧焊和气焊主要焊接薄板（厚度1~4mm）；板厚大于5mm的长焊缝宜采用埋弧自动焊和熔化极氩弧焊。⑷铝合金的焊接性较差，须采取特殊工艺措施才能保证焊接质量。主要是因为铝合金焊接易氧化，产生夹渣缺陷；氧化铝膜阻碍金属的融合；易产生气孔；热膨胀系数大，易变形开裂。氩弧焊是焊接铝合金最为理想的方法，多用于焊接质量要求高的构件，所用焊丝应于工件成分相同或相近。对于焊接质量要求不高的也可采用气焊。二、焊接应力与变形1.焊接应力产生的原因焊件冷却后产生的残余应力称为焊接应力。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，焊接应力超过焊件材料的屈服极限时，会引起焊件变形。即使不产生变形，残余应力也会降低焊件承受载荷的能力。焊接应力的分布焊接应力分布特点：中心为拉应力，两边受压。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。2.焊接变形的基本形式由于焊缝的纵向（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，而收缩量不均匀导致产生焊接变形。产生焊接变形的主要原因：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。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。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。3.减小焊接应力和变形的措施合理的焊接顺序应尽量使焊缝的纵向和横向收缩都比较自由。如图a中1、2顺序焊接，可减小应力；按图b中1、2顺序焊接，会增大应力，尤其在焊缝交叉A处，易产生裂纹。若工件的对称两侧都有焊缝，应采用对称的焊接顺序。长焊缝可采用分段退焊法或跳焊法完成整条焊缝的焊接。加热减应区，焊前对工件适当部位进行加热，使加热部位产生与焊缝收缩方向相反的变形。焊后冷却时，加热区和焊缝一起收缩，以减小焊缝应力和变形。每焊一道焊缝后，用小锤对红热状态下的焊缝进行均匀迅速的锤击，可减小焊接应力和变形；或采用随焊锤击技术来减小变形，降低残余应力，防止焊接热裂纹，改善焊缝的力学性能。4.焊接变形的校正（反变形法）为抵消焊接变形，焊前先将工件向变形相反方向进行人为的变形。如图所示厚度为8mm～12mm钢板，采用V形坡口单面对接焊接后的变形情况，可以采用反变形后，基本上可防止角变形。刚性固定发采用刚性固定法拼接薄板，焊前用压铁压在焊缝两侧，并在工件周围进行定位焊，然后进行焊接。待焊缝冷却后搬走压铁并铲除定位焊点，可有效地防止波浪变形。机械矫正法：采用压力机、辊床、矫直机或锤击等方法矫正焊后工件的变形，如图所示主要适用于矫正塑性较好、厚度较小的焊接工件。火焰矫正法：用火焰对焊后工件适当部位进行局部加热，使焊件冷却收缩时产生新的变形，以矫正焊接所产生的变形。主要适用于低碳钢和无淬硬倾向的低合金钢。三、焊接结构设计1、焊接结构设计要求与原则基本要求：实用性、可靠性、工艺性、经济性等。基本原则：合理选择材料的种类，尽量采用标准件和型材；合理设计结构形式（简洁明快的结构形式）；焊合理布置焊缝（如对称分布焊缝）；实施工艺方便，改善劳动条件。2、焊接结构材料的选择常用的金属材料一般都可以焊接，但材料的焊接性不同，焊后接头质量的差别就很大，同时所选用的金属材料必须满足结构使用性能和加工性能的要求。首先考虑用焊接性较好的材料，应尽量采用焊接性良好的含碳量<0.25%的低碳钢和含碳量<0.2%的低合金钢。其次焊接结构应选同种金属材料，尽量少用异种金属（产生很大的应力甚至造成裂纹）进行焊接，以简化制造工艺。3、焊缝的布置按焊缝在空间位置不同，焊缝可分为平焊、横焊、立焊、仰焊等四种类型。其中平焊操作方便易于保证焊缝质量，故应尽量采用焊缝处于平焊位置焊接。焊缝的布置（焊缝位置应便于操作），合理布置焊缝位置是焊接结构设计的关键，它与产品质量、生产率、成本以及工人的劳动条件有密切关系。a)、b)、c)所示的内侧焊缝，焊条无法进入，如必须焊接只能将焊条弯曲，但视线被遮挡极易造成缺陷，改为d)、e)、f)所示的设计才比较合理。焊缝位置应尽可能分散：焊缝密集和交叉会造成接头过热，加大热影响区，组织恶化，力学性能下降，增大焊接应力。两条焊缝间距一般要求大于三倍钢板厚度且不小于100mm。图中a)、b)、c)结构不合理，分别改成d)、e)、f)结构合理。焊缝应尽可能对称分布：图a)所示焊件的焊缝位置偏在截面重心的一侧，由于焊缝的收缩会造成较大的弯曲变形；图b)、c)所示的焊缝位置对称，就不会发生明显变形，效果较好。焊缝位置应尽量避开最大应力和应力集中的位置：对于受力较大较复杂的焊接构件，在最大应力和应力集中处不应该布置焊缝。例如大跨度的焊接钢梁，应避免放在梁中间。在构件截面有急剧变化的位置或尖锐棱角部位，易产生应力集中，也应避免布置焊缝。不合理合理不合理合理应尽量焊缝减少的数量：设计焊缝结构时，应尽量选用型材、板材、管材等，形状复杂的部分也可采用冲压件、锻件和铸钢件，即可减小焊接工作量，又能减小焊接应力和变形，减少焊接材料消耗，提高生产率。4、焊接接头设计焊接接头是焊接结构最基本的组成部分，是影响结构性能与安全的关键因素。常用的接头形式有：对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头四种：接头形式的选用：对接接头受力简单、均匀，应力集中较小，强度较高，优先选用。搭接接头强度好，但受力复杂，应力集中严重，易产生焊接缺陷。接头成直角或一定角度联接时，通常采用角接接头与T形接头，角接接头一般只起连接作用，不能传递工作载荷；T形接头在接头成角度的联接中应用比较广泛。接头坡口形式：为了能使焊接接头处能焊透，应当使电弧能伸入焊缝根部，应在焊接接头处开设坡口。常见的坡口形式有：I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口等四种。T形接头坡口设计：T形接头是结构非直线连接中应用最广泛的连接形式。T形接头坡口形式T形接头坡口形