《工程材料与成形技术基础》课件-第7章 金属连接成形

第7章金属连接成形7.1金属连接成形的基本原理7.2

金属焊接结构工艺设计

7.3

车身装焊

7.4

胶接

7.1金属连接成形的基本原理7.1.1金属连接概述7.1.2焊接的定义及分类7.1.3焊接成形的基本原理

在制造金属结构和机器过程中，经常要把两个或两个以上的构件组合起来，而构件之间的组合必须通过一定的连接方式，才能成为完整的产品。金属的连接有很多种方法，按拆卸时是否损坏被连接件可分为可拆连接和不可拆连接。7.1.1金属连接概述

可拆连接:不必损坏被连接件或起连接作用的连接件就可以完成拆卸，如键连接和螺栓连接，只需将键打出，或将螺母松开抽出螺栓，就可以完成拆卸。螺纹联接是应用最广泛的可拆连接。不可拆连接:必须损坏或损伤被连接件或起连接作用的连接件才能完成拆卸，如焊接和铆接。在钢结构中，常用连接方法主要有铆接、胶接、胀接、焊接、螺纹连接等。1.铆接

（1）铆接的基本分类

紧固铆接：要求铆钉具有一定的强度来承受相应的载荷，但对接缝处的密封性要求较差。

紧密铆接：不能承受较大的压力，只能承受较小而均匀的载荷，对接缝处具有高的密封性，以防泄漏。

固密铆接：既要求铆钉具有一定的强度来承受一定的载荷，又要求接缝处必须严密，在压力作用下，液体和气体均不得泄露。（2）铆接的基本形式

搭接是铆接结构中最简单的叠合方式，它是将板件边缘对搭在一起用铆钉加以固定连接的结构形式。

对接是将连接的板件置于同一个平面，上面覆盖有盖板，用盖板把板件铆接在一起。这种连接可分为单盖板式和双盖板式两种对接形式。

角接是互相垂直或组成一定角度板件的连接。这种连接要在角接处覆以搭叠零件——角钢。角接时，板件上的角钢接头有一侧或两侧两种形式。(a)搭接(b)对接(c)角接铆接的基本形式2.胶接

胶接是借助于一层非金属的中间体材料，通过化学反应或物理凝固等作用，从而把两个物体紧密地接合在一起的连接方法，也是一种不可拆连接。作为中间连接体的材料称为胶粘剂。

常见胶接基本形式胀接的结构形式

（a）光孔胀接（b）翻边胀接（c）开槽胀接3.胀接胀接是利用胀管器使管子产生塑性变形，同时管板孔壁产生弹性变形，利用管板孔壁的回弹对管子施加径向压力，使管子和管板变形达到密封和紧固的一种连接方法。进行胀接操作称为胀管，有专用的胀管器。

焊接：通过加热、加压或两者并用，用或不用填充材料，借助于金属原子的扩散和结合，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。实质：利用加热或加压，或两者并用的手段，借助原子间的扩散和结合，使分离的金属牢固地连接起来。7.1.2焊接的定义及分类焊接的特点：与铆接等其他加工方法相比，优点为：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。不足：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。焊接分类：熔焊：将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝实现连接的焊接方法，如焊条电弧焊、气焊等。压焊：必须对焊件施加压力（加热或不加热）以实现连接的焊接方法，如电阻焊等。钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件接合处和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。

焊接的应用：金属结构件——建筑结构、自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆等；机器部件——重型机械的机架、底座、箱体、轴、齿轮、刀具等。汽车一厂车身车间POLO底盘焊接

1．熔焊的冶金原理熔焊三要素热源：能量要集中，温度要高，以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。填充金属：要保证焊缝填满并添加有益的合金元素，以达到力学性能等使用性能的要求，主要有焊芯和焊丝。

7.1.3焊接成形的基本原理对熔池的保护方式：（a）渣保护（b）气保护（c）渣—气保护焊接接头：由焊缝、熔合区、热影响区三部分组成的。1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材2．焊接接头的组织和性能

焊接时，热源沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热，故在焊接过程中，焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的过程。

3．焊接应力和焊接变形（1）焊接应力

焊接时一般采用集中热源对焊件进行局部加热，因此，焊接过程中工件不均匀的加热和冷却以及存在刚性约束是产生焊接应力与变形的根本原因，焊后使焊缝及其附近区域的纵向受拉应力，远离焊缝区域受压应力。焊缝：是指在焊接接头横截面上由熔池金属形成的区域。熔合区：也称半熔化区，是指位于熔合线两侧的一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。热影响区：是指焊缝附近的母材因焊接热作用而发生组织或性能变化的区域。平板对接焊接应力的产生（2）焊接变形常见焊接变形基本形式（a）收缩变形(b)角变形(c)弯曲变形(d)扭曲变形(e)波浪变形减少焊接应力与变形的工艺措施反变形法

(a)焊前未反变形(b)焊前反变形(c)焊前预弯曲反变形(d）焊后刚性固定法(a)刚性固定(b)定位焊点固定焊件加热减应区(a)焊前(b)焊后合理选择焊接顺序常用焊接变形矫正方法(a)机械矫正(b)火焰矫正7.2金属焊接结构工艺设计7.2.1焊接结构材料的选择7.2.2焊缝布置7.2.3焊接接头的工艺设计7.2.1焊接结构材料的选择

在满足使用性能要求的前提下，应尽量选用焊接性好的材料来制作焊接结构。低碳钢和含碳量小于0.4％的低合金钢设计中应尽量选用；强度级别较低的低合金结构钢，焊接性能与低碳钢基本相同，而强度明显提高，应优先选用。镇静钢脱氧完全，组织致密，质量较高，可选作重要的焊接结构。

异种金属焊接时，必须特别注意它们的焊接性及其差异。一般要求接头强度不低于被焊钢材中的强度较低者。设计焊接结构时多用型材，以降低重量，减少焊缝，简化工艺。还可以选用铸钢件、锻件或冲压件来焊接。

部分金属材料的焊接性方法材料焊条电弧焊埋弧焊CO2保护焊氩弧焊气焊点焊钎焊低碳钢良好良好良好良好良好良好良好高碳钢良好较好较好较好良好较好较差铸铁良好较差较差较差良好不好较差铸钢良好良好良好良好良好不好较好低合金钢良好良好良好良好较好良好良好不锈钢良好较好较好良好良好良好良好铜合金良好较差较差良好较好较差良好铝较差较差不好良好较好良好较好1）焊缝布置应尽量分散。两条焊缝的间距一般要求大于3倍板厚且不小于100nm。7.2.2焊缝布置2）焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集中位置。3）焊缝的位置应尽可能对称布置，焊后不会发生明显的变形。4）焊缝应尽量避开机械加工面。5）应尽量减少焊缝的数量6）焊缝位置应便于焊接操作

此外，焊缝应尽量放在平焊位置，尽可能避免仰焊焊缝，减少横焊焊缝，尽量使全部焊接部件，至少是主要部件能在焊接前一次装配点固。对接接头搭接接头角接接头T字接头7.2.3焊接接头的工艺设计1.接头形式：2.焊接位置焊接位置是指焊接过程中施焊时焊缝在空间的位置，基本分为四种，即平焊、横焊、立焊和仰焊位置，如图所示。

（1）平焊

在水平面上任何方向进行焊接的一种操作方法。焊缝处于水平位置，熔滴主要靠自重过渡，操作容易掌握，可选用较大直径的焊条和较大的焊接电流，生产率高，应用普遍。如果焊接参数选择不正确或操作不当，容易造成根部焊瘤或未焊透，也容易出现熔渣与熔化金属混杂不清或熔渣超前而引起的夹渣。（3）横焊

在垂直面上焊接水平焊缝的一种操作方法，由于熔化金属受重力作用，容易下淌而产生各种缺陷。应采用短弧焊接，并选用较小直径焊条和较小焊接电流以及适当的运条方法。

（2）立焊

在垂直方向进行焊接的一种操作方法，由于受重力作用，焊条熔化所形成的熔滴及熔池中的金属要下淌，造成焊缝成形困难，质量受影响。立焊时选用的焊条直径和焊接电流均应小于平焊，并采用短弧焊接。

（4）仰焊

焊缝位于燃烧电弧的上方，焊工在仰视位置进行焊接，仰焊劳动强度大，是最难焊的一种焊接位置。由于仰焊时，熔化金属在重力作用下较易下掉，熔池形状和大小不易控制，容易出现夹渣、未焊透、凹陷现象，运条困难，表面不易焊得平整。焊接时，必须正确选用焊条直径和焊接电流，以便减少熔池的面积；尽量使用厚药皮焊条和维持最短的电弧，有利于熔滴在很短时间内过渡到熔池中，促使焊缝成形。

车身壳体是一个复杂的薄板结构件。一辆轿车由数百个薄板冲压件，经点焊、凸焊、惰性气体保护焊、钎焊、铆接（铝质车身的主要连接方式）、机械连接及粘接等工艺连接成一个完整的车体。汽车车身装焊技术是汽车生产制造技术的重要组成部分，装焊面沿空间分布，施焊难度相当大，要求装焊夹具定位准确迅速，质量控制手段要完善，需要应用先进的自动化生产线和大量焊接机器人才能满足大批量生产的要求。7.3车身装焊1.车身装焊工艺（1）地板总成（2）车身本体总成（3）增补焊接（4）软钎焊与焊缝平整（5）钣金装配2.车身装焊中的加工方法（1）焊接（2）粘结（3）卷边（4）密封（5）打磨（6）软钎焊填补3.装焊方式4.激光焊接汽车车身

胶接是利用胶粘剂在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键结合力而使两个胶接件连接起来的工艺方法。胶接不仅适用于同种材料，也适用于异种材料。胶接工艺简便、不需要复杂的工艺设备，胶接操作不必在高温高压下进行，因而胶接件不易产生变形，接头应力分布均匀。通常情况下，胶接接头具有良好的密封性、电绝缘性和耐蚀性。7.4胶接1.胶接主要特点

1）能连接材质、形状、厚度、大小等相同或不同的材料，特别适用于连接异形、异质、薄壁、复杂、微小、硬脆或热敏制件。2）接头应力分布均匀，避免了因焊接热影响区相变、焊接残余应力和变形等对接头的不良影响。