《工程材料与热加工基础》-3

3.1锻压成形技术由于金属在高温下强度降低，塑性提高，所以在高温下对金属进行变形加工要比在低温下容易得多。在工业生产中，除了一些铸件和烧结件之外，几乎所有的金属材料都是在加热至高温后经压力加工制成的。我们知道，只要有塑性变形，就会产生加工硬化。冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶加以消除。如果金属在再结晶温度以上进行压力加工，那么由于塑性变形引起的加工硬化现象便可以立即被再结晶过程所消除。这种在再结晶温度以上进行的加工过程称为热加工，其特点是无加工硬化现象；相应地在再结晶温度以下的压力加工就称为冷加工，其特点是有加工硬化现象。各种金属的再结晶温度相差很大，因而它们的热加工温度界限差别也很大，表3-1为常见金属材料的热加工温度。例如，铅的再结晶温度低于室温，锡的再结晶温度约为-7℃，因而在室温下对它们进行加工都属于热加工；而对于钨，再结晶温度为1200℃，因而在1000℃拉制钨丝也属于冷加工。下一页返回3.1锻压成形技术热加工可用较小的能量消耗，获得较大的变形量。但在高温下热加工时，金属表面容易产生氧化，产品表面粗糙度较大，尺寸精度较低。因此热加工主要用于截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品；而冷加工则适于截面尺寸较小、加工尺寸要求较高、表面粗糙度要求较低的金属制品。1.热加工后的组织与性能(1)改善铸锭组织，消除铸态金属的某些缺陷。金属材料在高温下的变形抗力低，塑性好，因此热加工时容易变形，变形量大，可使一些在室温下不能进行压力加工的金属材料(如Ti、Mg、W、Mo等)在高温下进行加工。通过热加工，可焊合金属毛坯中的气泡，压实疏松，使金属材料的致密度增加；由于在温度和压力的作用下扩散的速度加快，因而可以部分地消除偏析；将粗大的柱状晶粒变为细小均匀的等轴晶粒，并改善夹杂物、碳化物的形态、大小和分布。因此热加工可使金属材料的力学性能提高，wc≈0.3%的碳素钢锻态和铸态上一页下一页返回3.1锻压成形技术力学性能比较见表3-2。(2)形成热加工纤维组织。在热加工过程中，铸态金属毛坯中的枝晶及各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使枝晶间富集的杂质和金属夹杂物的走向逐渐与变形一致，排列形成纤维状，在宏观试样上沿着变形方向变成一条条细线，这就是热加工中的流线。由一条条流线勾画出来的组织称为纤维组织。由于纤维组织的出现，使得金属材料的力学性能呈现各向异性，沿着流线的方向具有较高的力学性能，垂直于流线方向的性能则较低，疲劳性能、抗腐蚀性能、切削加工性能和线胀系数等，均有显著的差别。因此，在制定热加工工艺时，必须保证流线有正确、合理的分布，使得流线与工件工作时的应力方向一致。wc≈0.45%的碳素钢力学性能与纤维方向的关系见表3-3。必须指出，热处理的方法是不能消除或改变工件中的流线分布，而只能依靠适当的塑性变形来改善流线的分布。在不希望金属材料中出现各向异性时，必须采用不同方向的变形来打乱流线的方向性。上一页下一页返回3.1锻压成形技术(3)形成带状组织。复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈现带状分布，这种组织称为带状组织。亚共析钢经热加工处理后，呈带状分布的夹杂物会优先成为先共析铁素体析出时的晶核，使铁素体也呈带状分布，在铁素体的两侧是呈带状分布的珠光体，铁素体与珠光体沿金属的加工变形方向平行交替分布，这就是带状组织，如图3-1所示。带状组织使金属材料的力学性能产生了方向性，特别是使横向的塑性和韧性明显降低，使材料的切削性能降低；具有带状碳化物的刀具或滚珠，在淬火时容易变形和开裂，并使组织和硬度不均匀。对于在高温下能获得单相组织的材料，带状组织有时可以用正火来消除，而由于严重的磷偏析引起的带状组织需要用高温扩散退火以及随后的正火来消除。2.热加工成形金属材料热加工成形技术包括锻压成形、铸造成形和焊接成形等。上一页下一页返回3.1锻压成形技术(1)锻压成形。锻压成形是指将具有塑性的金属材料，在热态或冷态下借助锻锤的冲击力或压力机的压力，使其产生塑性变形，以获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。锻压是锻造和冲压的总称，有时也称其为金属压力加工。(2)铸造成形。铸造成形是将金属熔化成液态后，浇注到与拟成形零件的形状及尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后获得零件毛坯的生产方法。(3)焊接成形。焊接是一种通过加热或加压或两者并用，用或不用填充材料，使被焊材料之间达到原子结合而形成永久性连接的工艺方法。锻压成形是指将具有塑性的金属，在热态或冷态下借助锻锤的冲击力或压力机的压力，使其产生塑性变形，以获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。锻压是锻造和冲压的总称，有时也称其为金属压力加工。上一页下一页返回3.1锻压成形技术大多数金属材料及其合金在热态或冷态下都具有不同程度的塑性，它们均可在高温或室温下进行各种锻压成形加工。常见的锻压成形加工按其成形方式不同，可分为轧制、挤压、拉拔、自由锻造、模型锻造、板料冲压等，图3-2是几种常见的锻压成形加工方法示意图。锻压成形加工具有以下特点。(1)力学性能高。锻压加工可使金属获得比较致密的组织，可弥合或消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和粗大的树枝状晶粒等缺陷。合理地利用锻造后形成的纤维组织，使锻件的纤维组织方向与受力方向一致，可显著提高零件的力学性能。(2)材料利用率高。锻压加工仅改变金属坯料的形状和尺寸，而其体积基本保持不变。与切削加工方法相比，锻压加工减少了零件在制造过程中金属材料的消耗。(3)生产效率高。与切削加工相比，锻压加工大大提高了生产效率，上一页下一页返回3.1锻压成形技术降低了生产成本。特别对于大批量生产，锻压加工具有显著的经济效益。锻压加工在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、造船、冶金及国防等工业中有着广泛的应用。以汽车为例，汽车上70%的零件都是由锻压成形加工方法制造的。3.1.1锻造锻造成形是对处于再结晶温度以上的金属施加外力，使其产生塑性变形，从而获得所要求的形状、尺寸和组织性能的加工方法。金属的锻造必须要在一定的温度范围内进行。开始锻造的温度称为始锻温度，停止锻造的温度称为终锻温度，它的确定是以合金相图为依据的。例如，碳钢的锻造温度范围如图3-3所示，始锻温度比AE线低200℃左右，终锻温度约为800℃。始锻温度过高，会造成过热、过烧等缺陷。终锻温度过低，金属的变形抗力急剧增加，使加工上一页下一页返回3.1锻压成形技术难于进行；强行锻造将导致锻件破裂报废。锻件的锻后冷却对其性能也有很大影响。一般的锻件均采用空冷，以避免因冷速过快而发生变形或开裂等现象。对一些碳当量较高的中碳钢和合金钢锻件，锻后可将其埋入炉灰中缓冷，或将锻件放入500℃〜700℃炉中随炉缓冷，以避免因冷速过快而生成硬化组织，以至于使锻件无法进行后续的机械加工。1.自由锻造自由锻造又称为自由锻，是利用冲击力或压力使金属在上下两个砧铁或锤头与砧铁之间产生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件的成形过程。在自由锻成形过程中，金属坯料能在垂直于压力的方向自由伸展变形，锻件的形状和尺寸主要由锻工的操作技术来保证。自由锻工艺灵活，锻造工具简单，适应性强，适用于各种大小的锻件生产。自由锻的不足之处是锻件精度低，生产效率低，对工人的上一页下一页返回3.1锻压成形技术技术要求高，劳动条件差等。(1)自由锻设备。常用的自由锻设备有空气锤、蒸气一空气锤和液压机等。通常几十千克重的小锻件采用空气锤，两吨以下的中、小型锻件采用蒸气一空气锤，大型锻件则应在液压机上锻造。图3-4是空气锤的结构。工作时，电动机通过曲柄连杆带动压缩缸内活塞运动，产生的压缩空气经控制阀送入工作缸的下腔或上腔，驱使上砧铁或锤头上下运动进行打击。操作者通过脚踏杆或手柄操纵控制阀门可完成锻锤空转、锤头上悬、锤头下压、单次锻打和连续打击等多种动作，并能控制打击的力度，以满足锻造的各种需要。空气锤的规格用落下部分的质量来表示。落下部分包括工作活塞、锤杆和上砧铁三部分，常用规格为65〜750kg，而锻锤产生的打击力量一般是落下部分质量的1000倍左右。(2)自由锻基本工序。自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序是使坯料产生一定程度的塑性变形，逐渐形成锻件所上一页下一页返回3.1锻压成形技术需形状和尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转和错移等。辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预变形加工，如压肩、倒棱等。精整工序则是用以改善锻件表面质量而进行的加工，如整形、清除表面氧化皮等。①镦粗。使坯料高度减小、横截面积增大的锻造工序称为镦粗，镦粗主要用于锻造如齿轮、圆盘等饼类锻件。在锻造环状空心锻件时，镦粗是作为冲孔前的预备工序。镦粗有整体镦粗和局部镦粗两种基本方法，如图3-5所示。整体镦粗时，坯料应尽量用圆柱形，镦粗前坯料的高度与直径之比不应大于2.5~3.5，端面应平整并垂直于轴线，镦粗时的打击力要足，否则容易产生弯曲、凹腰、歪斜等缺陷。②拔长。使坯料横截面积减小、长度增加的锻造工序称为拔长，主要用于锻造如主轴、拉杆等长度较大的轴(杆)类锻件(图3-6)。拔长时要不断送进和翻转坯料，以使变形均匀，每次的送进量Z也要适当，上一页下一页返回3.1锻压成形技术送进量小时，坯料主要是向轴向流动，拔长效率高。但送进量也不宜过小，否则会增加压下次数，反而会降低拔长效率。③冲孔。用冲头在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序称为冲孔，主要用于锻造如齿轮、圆环等空心锻件。通孔的锻件可采用实心冲头双面冲孔，先将孔冲到坯料厚度的70%~80%深，取出冲子，然后翻转坯料，从反面将孔冲透[(图3-7(a)]。对于厚度较小的坯料或板料，可采用单面冲孔，如图3-7(b)所示。(3)自由锻件的结构工艺性。设计自由锻零件时，除要满足使用性能要求外，还应考虑其工艺要求，以达到结构合理、便于锻造、减少材料与工时的消耗、提高生产率等目的。表3-4所示为常见自由锻件的结构工艺要求。(4)自由锻工艺规程的制订。制订工艺规程、编写工艺卡片是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，也是组织生产过程、规定操作规范、控制和检查产品质量的上一页下一页返回3.1锻压成形技术依据。自由锻工艺规程包括绘制锻件图和计算坯料的质量及尺寸。①绘制锻件图。锻件图是工艺规程中的核心内容。它是以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成的。绘制锻件图应考虑以下几个因素。a.加工余量。由于自由锻件的尺寸精度低，表面质量差，所以应在零件的加工表面上留出供切削加工用的金属，称为锻件余量。其大小与零件的形状、尺寸等因素有关。零件越大，形状越复杂，则余量越大，其数值可查阅锻工手册。b.余块。为了简化锻件的形状、便于锻造而增加的一部分大于余量的金属叫做锻造余块，简称余块。c.锻造公差。锻造公差是锻件基本尺寸的允许变动量，其大小与锻件的形状、尺寸等因素有关，并结合生产具体情况而定。通常为加工余量的1/4~1/3。典型的锻件图如图3-8所示。图中粗实线为零件的主要轮廓形状，括弧内的尺寸为零件的尺寸。上一页下一页返回3.1锻压成形技术②述料质量及尺寸的计算。述料的质量可按下式计算：m坯料=m锻件+m烧损+m料头

(3-1)式中m坯料——坯料的质量；

m锻件——锻件的质量；

m烧损——加热时坯料表面氧化烧损的质量；

m料头——锻造过程中冲掉或修切端部产生的料头质量。锻件的质量件为锻件的体积与金属密度的乘积，锻件的体积可根据锻件的公称尺寸计算。坯料加热时烧损的质量m烧损，第一次加热时取被加热金属质量的2%~3%，以后各次加热取1.5%~2%。根据式(3-1)计算所得的坯料质量和截面大小，即可确定坯料长度尺寸或选择适当尺寸的钢锭。2.模型锻造模型锻造又称为模锻，是利用压力或冲击力使金属毛坯在一定形状的上一页下一页返回3.1锻压成形技术锻模模膛内受压变形而获得锻件的锻造方法。在变形过程中，由于模膛对金属坯料流动的限制，因而可以锻出和模膛形状相同的锻件。与自由锻相比，模锻具有生产效率高、锻件尺寸精确、加工余量小、可锻出自由锻难以成形的复杂锻件等优点。但受模锻设备吨位的限制，模锻件的质量一般不超过150kg。另外，锻模制造成本较高，所以模锻适合加工中小型、大批量的锻件。根据模锻设备不同，模锻可分为锤上模锻、胎模锻和压力机上模锻等。(1)锤上模锻。锤上模锻是指在蒸汽、空气锤、高速锤等模锻设备上进行的模锻，其锻模由上、下模两部分组成，如图3-9所示。模锻时将加热好的坯料放在下模膛中，上模随同锤头一起上下往复运动锤击坯料，使其发生塑性变形并充满模膛，最终获得所需的锻件。对于形状比较复杂的锻件，往往要用几个模膛使坯料逐步变形，最后在终锻模膛中才能得到锻件的最终形状。图3-10所示为在多膛锻模上一页下一页返回3.1锻压成形技术上模锻弯曲连杆的示意图。坯料经过拔长、滚挤、弯曲等三个模膛制坯，然后经预锻和终锻两个模膛制成带有飞边的锻件。(2)胎模锻。胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。一般采用自由锻方法使坯料初步成形，然后将坯料放在胎模模腔中终锻成形。图3-11所示为常见的胎模结构，分扣模和套模两类。扣模用于锻造侧面平直的锻件；套模用于锻造端面有凸台或凹坑的回转体锻件。胎模锻虽然不及锤上模锻生产率高，精度也比较低，但它灵活，适应性强，不需昂贵的模锻设备，所用模具也较简单，成本低。胎模锻广泛用于中、小批量的锻件生产。3.1.2冲压使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为冲压。通常在室温下进行，故又称冷冲压。冲压常用的材料有低碳钢、低合金钢、上一页下一页返回3.1锻压成形技术奥氏体不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金等低强度、高塑性板材，板料厚度小于6mm，大都不超过1〜2mm，故亦称薄板冲压。8〜12mm以上厚板的冲压要加热后进行。某些非金属板料亦可以采用冲压方法加工，如胶木板、云母片、石棉板和皮革等。冲压件具有尺寸准确、表面光洁、结构刚性好等优点，一般不再进行机械加工、只需稍经钳工整修即可直接作为零件使用。冲压模具采用模具钢制造，结构一般比较复杂，加工精度要求高，并经严格的热处理，因而其制造成本高。只有在大批量生产时，采用冲压加工才是经济合理的。1.冲压的基本工序(1)冲裁。利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的一种冲压方法称为冲裁，见图3-12。冲裁包括冲孔和落料。二者的操作过程完全相同，只是用途不同。落料时，被分离下来的部分是成品或作为进一步加工的坯料，板料本身则成为废料或余料;冲孔时，是在板料上上一页下一页返回3.1锻压成形技术冲出孔洞，冲下的部分为废料。冲裁所用的模具称为冲裁模。冲头和凹模的工作部分都有锋利的刃口，并且要有合适的间隙。如果间隙过大或过小，则孔的边缘或落料件的边缘会带有毛刺，甚至影响模具寿命。(2)弯曲。指将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度制件的成形方法，见图3-13。弯曲时，板料受弯部分的内层被压缩，外层被拉伸。为防止板料被拉裂，冲头端部应做成圆角，而且弯曲半径(即冲头的圆角半径r)亦有所限制。同时，凹模边缘也要加工出圆角，以防止板料在弯曲过程中被划伤或擦伤。弯曲件存在回弹现象。(3)拉深(拉延)。指变形区在一拉一压的应力状态下，使板料(或浅的空心坯)成形为空心件(深的空心件)而厚度基本不变的加工方法，见图3-14。拉深所用的坯料通常由落料工序制出。使用压边圈的目的是防止上缘起皱。压边力要适当，过大容易造成上一页下一页返回3.1锻压成形技术拉裂，过小则作用不够仍会起皱。2.冲床及冲模(1)冲床。冲床是最常用的冲压设备，其外形和传动关系见图3-15。电动机通过带减速系统带动空套在轴上的大带轮旋转，踩下踏板使离合器闭合，通过曲轴和连杆使原处于最高极限位置的滑块沿导轨向下运动，进行冲压。冲压操作时，如踩下踏板后迅速松开，则离合器脱开，在制动器的作用下，使滑块停止在最高位置上，完成一个单次冲压；如果不松开踏板，则可进行连续冲压。模具分为凸模(又称冲头)和凹模，分别装在滑块的下端和工作台上。冲床的公称压力是指滑块到达下极限位置前某一个特定距离或曲轴旋转到下极限位置前某一个特定角度时，滑块上所容许的最大作用力，用N或t来表示。实现某一种冲压工艺所需变形力要低于冲床的公称压力。上一页下一页返回3.1锻压成形技术(2)冲压模具。冲压模具按工序的复合程度可分为简单模、连续模和复合模。①简单模。在压机的一次行程中只完成一道工序的模具称为简单模。简单模结构简单，容易制造，适用于小批量生产。②连续模。压机的一次行程中，在模具的不同部位上同时完成数道冲压工序的模具称为连续模。连续模生产效率高，易于实现自动化。但要求定位精度高，制造比较麻烦，成本也较高。③复合模。利用压机的一次行程，在模具的同一位置完成两道以上工序的模具称为复合模。复合模能保证较高的零件精度、平整性及生产率，但制造复杂，成本高。图3-16所示为简单冲裁模结构图。其组成及各部分的作用如下。①上、下模板及凸、凹模固定板、模柄等。将凸模和凹模安装、固定在滑块和工作台上。上一页下一页返回3.1锻压成形技术②凸模和凹模。是模具的核心工作部件，两者共同作用使板料分离。它们分别固定在上下模板上。③导柱和导套。起导向作用，保证模具的运动精度。④导料板。引导板料送进方向。⑤挡料销。控制坯料送进量。⑥卸料板。使板料在冲裁后从凸模上卸下。上一页返回3.2铸造成形铸造是将金属熔化并浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后获得毛坯或零件的方法。铸造所得的毛坯与零件统称铸件，铸造后还需要加工者称毛坯，不需加工直接使用者称零件。铸造方法分为两大类，即砂型铸造和特种铸造，其中砂型铸造应用最广泛。砂型铸造的生产过程主要包括制造模样和芯盒、配制型砂及芯砂、造型、造芯、合型、熔炼金属、浇注、落砂、清理及检验。图3-17所示为套筒铸件的砂型铸造过程示意图。对于型芯及大铸型，在合型前还需进行烘干。特种铸造主要有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。铸造的特点是金属在液态下成形，即熔化的液体金属在一定的压力下充满铸型而获得铸件。因此，铸造是制造各类机器零件与毛坯的主要方法，见表3-5。铸造生产适应性广，几乎可以铸造各种合金、任何形状的零件；铸件的重量可轻至几克，重至数百吨，壁厚也可由0.5〜100cm;铸造所下一页返回3.2铸造成形用原材料来源广泛、生产设备简单、成本低廉。但铸造过程工序多，对铸件的质量较难精确控制，其力学性能一般不如锻件高。因此，凡承受载荷或交变载荷的重要受力件，目前很少使用铸件。3.2.1砂型铸造砂型铸造是最传统的也是一种最常用的铸造方法，它适用性强，工艺设备简单，可用于生产各种不同尺寸、形状及各种合金的铸件，尤其适合批量小、大型复杂铸件的生产。掌握砂型铸造是合理选择铸造方法和正确设计铸件的基础。1.砂型的造型和砂型铸造的工艺过程为了获得合格的铸件，必须制订出可行的铸造工艺方案，制造出合理的砂型，如铸型的分型面、型芯的形状及其固定方法、拔模斜度、浇注系统、冒口与冷铁的尺寸和布置等。砂型的主要组成部分如图3-18所示。上一页下一页返回3.2铸造成形砂型铸造的工艺过程如图3-19所示。首先，根据零件的形状和尺寸设计并制造出模样和芯盒，配制好型砂和芯砂，用型砂和模样在砂箱中制造砂型，用芯砂在芯盒中制造型芯。2.砂型铸造材料及工具(1)造型(芯)材料。造型(芯)材料包括制造砂型的型砂和制造砂芯的芯砂，以及砂型和砂芯的表面涂料。造型材料的性能，对造型和造芯工艺和铸件质量有很大影响。型(芯)砂的组成原料；砂、黏土、水、有机或无机黏结剂和其他附加物。①砂。砂的主要成分是石英(Si02)，砂中含Si02量越高，杂质越少，则砂耐火度越高。同时砂粒大小、形状、均匀程度等对其使用性能都有很大影响。②黏结剂。其作用是将砂粒黏结起来，从而使型砂具有一定强度和可塑性。常用的黏结剂有：黏土(湿型用膨润土，干型用普通黏土)；上一页下一页返回3.2铸造成形特殊黏结剂(如油脂、水玻璃、树脂等)。其中油脂、树脂一般用做配制芯砂。③附加物。为了改善型(芯)砂的某些特殊性能而加入一些附加物。如在湿型砂中加入煤粉，可防止黏砂，提高铸件表面质量；在干型砂中加入一些木屑，可提高型砂的透气性和退让性。(2)对型(芯)砂的性能要求。型(芯)砂必须具备一定的铸造工艺性能，才能保证造型、造芯、起模、修型、下芯、合型、搬运等顺利进行，同时能承受高温金属液的冲刷与烘烤。铸件中有些缺陷往往与造型材料直接有关，如砂眼、夹砂、气孔、裂纹等，都是因为型(芯)砂某些性能达不到使用要求所致。因此，要求型(芯)砂应具备以下性能。①强度。是指型砂、芯砂紧实后再受到外力时抵抗破坏的能力。强度低，则可能发生塌箱、冲砂等，会使铸件产生砂眼、夹砂等缺陷。强度太高，砂型太硬，透气性差，会使铸件产生气孔、上一页下一页返回3.2铸造成形内应力或裂纹等。②透气性。是指型(芯)砂通过气体的能力。当高温金属液浇入型腔后，在铸型内产生的大量气体必须顺利地从砂粒间隙排出，否则铸件易产生气孔。③耐火度。是指型(芯)砂在高温液态金属作用下不软化、不烧结的能力；否则，易黏砂，铸件清理困难，严重时使铸件成为废品。④退让性。是指铸件在冷却收缩时，砂型和砂芯可被压缩而不阻碍铸件收缩的能力。否则，将造成铸件收缩受阻而产生较大内应力，从而引起变形或裂纹。⑤可塑性。是指型砂在外力作用下变形后，当去除外力时恢复变形的能力。可塑性好的型砂容易变形，起模性能好。在手工造型车间，上述性能一般都是靠经验判断。如图3-20所示，用手攥一把型砂，感到柔软、容易变形、不沾手，掰断时不粉碎，就上一页下一页返回3.2铸造成形说明型砂性能合格。在大规模生产车间内设有型砂实验室，用专门仪器测试型砂与芯砂性能。(3)型(芯)砂的制备。型(芯)砂按使用黏结剂不同，可分为：黏土砂、油砂、树脂砂、水玻璃砂等，其中应用最广泛的是黏土砂。黏土砂的混制过程是先将新砂或旧砂(经过筛去除杂物和团块)、黏土、附加物(煤粉等)按一定比例和顺序加入到混砂机内，经2~3min碾压、揉搓混合后，再加入适量水混碾5〜7min。在混碾中黏土和水形成黏土胶体，以薄膜形式覆盖在砂粒表面，使砂粒黏结起来，使型砂具有一定的强度和可塑性以及良好的透气性。混好的黏土砂应堆放4~5h，使黏土水分均匀(也称调匀)，使用前要进行过筛或用松砂机松散后再用。碾轮式混砂机如图3-21所示。(4)砂型铸造的工模具。①模样和芯盒。模样是用来形成铸型型腔的，其形状应与铸件外形相似。芯盒是用来制造砂芯的，砂芯是形成铸件内腔的，其形状与上一页下一页返回3.2铸造成形铸件内腔相似。模样与芯盒的材质，主要用木材，故常称木模；批量大时，也可用金属模型。制造模样和芯盒时，应合理地选择浇注位置和分型面，以便模样能够从铸型中取出；浇注位置是指铸件在铸型中安放的位置。分型面是指上砂型与下砂型的分界面，如图3-22所示。②造型工具及辅具。造型工具及辅具如图3-23所示。(5)铸造成形方法。①手工造型。全部用手工或手动工具完成的造型工序称为手工造型。手工造型工艺简单，操作方便，但劳动强度大，生产率低。适用于单件、小批量生产。常用的手工造型方法按模样的特征分有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型等；按砂箱的特征分有两箱造型、三箱造型、刮板造型、脱箱造型、地坑造型等。手工造型的方法有很多，常用的手工造型方法如表3-6所示。上一页下一页返回3.2铸造成形②机器造型。机器造型是用机器全部地完成或至少完成紧砂操作的造型工序。与手工造型相比，机器造型生产率高；造型时因模板与砂箱有定位导销，定位准确，故铸件尺寸精度较高，表面粗糙度较小。此外，机器造型对工人操作技术要求不高，易于掌握，工人的劳动强度低。但机器造型需要专用设备及专用砂箱和模板等，一次性投资费用大，适用于大量、成批生产的铸件。机器造型时采用模样和底板牢固地组合成一体的模板来造型。模板上有浇口模和定位装置(定位销和定位销孔)。定位装置保证分别在两台造型机上造出的上、下箱精确的合箱。此外，机器造型是专门制造上、下箱的机器配对组成生产线，故不宜用于三箱造型及活块造型。图3-24是常用的震压式造型机造型过程示意图。a.造芯。芯子是铸件的重要组成部分，其主要作用是构成铸件的内腔。形状复杂的铸件也可用芯子构成铸型的局部外形。芯子用芯砂或其他材料制成。用芯砂制造芯子，和造型有许多不同之处。由于上一页下一页返回3.2铸造成形浇注时芯子受到金属液的包围，金属液对它的冲刷及烘烤比砂型厉害。因此，芯子应比砂型有更高的强度、透气性、耐火性和退让性。形状复杂、薄壁芯子要用桐油、合成脂或树脂作黏合剂，一般芯子则用黏土作黏合剂。型芯由型芯体和芯头两部分构成。其结构如图3-25所示。型芯主体形成铸件的内腔；芯头起支撑、定位和排气作用。芯头的形状、大小与模样上的芯头座相适应，为了便于下芯、合型和防止挤砂，芯头和芯座之间具有相对应的斜度，并留有适当间隙。b.合型。将铸型的各个组元如上型、下型、型芯、浇口盆等组合成一个完整铸型的过程称为合型。合型是制造铸型的最后一道工序，它直接关系到铸件的质量。合型操作不当会造成铸件气孔、砂眼、错型、偏芯、飞边、跑火等缺陷。•合型前的检验。铸型和型芯在合型前必须全面检验，其检验的内容是：铸型和型芯的干燥程度，是否有裂纹；铸型和芯的硬度，是否上一页下一页返回3.2铸造成形有气孔；按铸造工艺卡检查浇注系统是否正确，尺寸和位置是否符合要求等。•合型步骤。吹净型腔，将型芯装入型腔，并使型芯通气道与砂型通气道相连接，使气体能从砂型中引出，如图3-26所示；合型后在上箱上加压铁，或用夹具夹紧上、下箱(见图3-27)，防止浇注时金属液的浮力将上箱抬起，造成金属液从分型面流出(称为跑火)。3.2.2特种铸造特种铸造是在砂型铸造的基础上发展起来的新工艺。特种铸造弥补了砂型铸造的某些不足，其生产的铸件尺寸精度高，表面质量和力学性能好。但是由于受到工艺条件的限制，只能在一定的条件和范围内应用。特种铸造方法很多，生产上应用较为广泛的有溶模铸造、金属型铸造、离心铸造和压力铸造。除此之外还有低压铸造、壳型铸造、磁型铸造、真空密封造型法等多种方法。上一页下一页返回3.2铸造成形1.熔模铸造熔模铸造又称精密铸造。它是用易熔材料石蜡制成精确的模样，称蜡模。在蜡模上涂挂若干层耐火材料，经硬化、干燥成壳，然后加热脱掉蜡模，再将脱掉蜡模的型壳经高温焙烧。焙烧后的型壳装箱、填砂加固后趁热将液态金属进行浇注，从而获得铸件。因这种铸造方法是以失蜡为主要过程，故也称失蜡铸造，其工艺过程如图3-28所示。图3-28是熔模铸造过程示意图。先将糊状的蜡料压入由钢、青铜或石膏等材料根据零件图制成的压型中，待其冷却后取出便得单个蜡模样。把若干个蜡模样焊合在一个浇注系统上，就构成了蜡模组。把蜡模组放入硅砂粉和黏结剂配制的耐火涂料中浸渍，然后在上面均匀地撒一层硅砂，再放入硬化剂中硬化。如此重复4~6次，最后在蜡模组外表面形成5〜10mm厚的硬壳。将结了壳的蜡模组浸入85℃〜95℃的热水中，使蜡料熔化倒出即得型壳。为进一步去除型壳内的残蜡和水分，增加型壳的强度，将型壳埋在铁箱内的砂粒中，直接装上一页下一页返回3.2铸造成形炉在800℃〜950℃下进行焙烧。为提高液态合金的充型能力，防止浇不足，常在焙烧后将型壳冷至600℃〜700℃时即进行浇注。待合金冷却凝固后，打碎型壳即得铸件。由于熔模铸造没有分型面，型壳内表面极光洁，故有“精密铸造”之称。铸件尺寸精度可达IT10~IT14级，表面粗糙度可达Ra2.5~3.2μm。但熔模铸造工艺过程复杂，生产周期长，铸件成本高，铸件的质量一般小于25kg。熔模铸造主要用于生产小型精密铸件，尤其是适合生产形状复杂的薄壁铸件和一些高熔点、难切削加工的合金铸件，如汽轮机的叶片、成形刀具、汽车和拖拉机上的小型零件等。2.金属型铸造将熔融金属浇入金属铸型获得铸件的方法，称为金属型铸造。金属型不同于砂型，它可一型多铸，一般可使用几百次到几万次，故又称永久型铸造。上一页下一页返回3.2铸造成形图3-29所示为用于铝活塞铸造的金属铸型结构示意图。该金属型采用垂直分型式。活塞的内部由组合式型芯构成。待铸件冷却凝固后，先抽出中间型芯，再取出左右两侧型芯，然后沿水平方向拔出左右圆孔型芯，最后分开左右两个半型即可取出铸件。金属铸型导热速度快，没有退让性和透气性。由于在高温金属液的冲刷下型腔易损坏，为了保证铸件质量和延长金属铸型寿命，需要采取型腔内涂耐火涂料、严格控制合金的浇注温度和浇注速度、浇注前预热金属型、适当减慢铸型的冷却速度和开型时间等工艺措施。金属型铸造实现了“一型多铸”，提高了生产效率，铸件尺寸精度高，表面质量好。由于金属型铸件冷却速度快，铸件晶粒细小，从而提高了铸件的力学性能。但金属型制造周期长，成本高，不适合单件、小批量生产，也不适合生产形状复杂和薄壁的铸件。金属型铸造主要用于形状简单的非铁金属合金铸件的大批量生产，如铝活塞、气缸体、缸盖、铜合金轴瓦和轴套等。上一页下一页返回3.2铸造成形3.压力铸造压力铸造(简称压铸)是金属液在高压下快速压入金属型腔中，并在压力下快速凝固。从而获得铸件的铸造方法。铸造过程是在压铸机上完成的，工艺过程如图3-30所示，生产工艺流程如图3-31所示。4.离心铸造离心铸造是将金属液浇注到旋转的铸型中，在离心力作用下填充铸型以形成铸件的铸造方法。离心铸造是在离心铸造机上进行。它适用于金属型，亦适用于砂型。铸型可以围绕垂直轴旋转，也可绕水平轴旋转。可铸圆筒形铸件，也可以铸成形铸件，如图3-32所示。离心铸造不用砂芯便可制成中空的圆筒形铸件，工艺简单，生产率和金属的利用率高；铸件组织细密、无缩孔和气孔等缺陷，提高了铸件力学性能；但离心铸造的铸件易产生偏析，不能用于有偏析倾向的合金；铸件的内表面比较粗糙，内孔尺寸不易控制。离心铸造适于长筒空心铸件，也可铸造成形铸件以及双层金属铸件等。上一页下一页返回3.2铸造成形5.低压铸造低压铸造是液态金属在低于0.1MPa气体压力的作用下，由下而上地填充铸型型腔，并在压力下结晶凝固而获得铸件的铸造方法。图3-33是低压铸造原理示意图。在一个盛有液态金属的密闭保温坩埚中，由进气管通入压缩空气或惰性气体，在气体压力作用下，金属液从升液导管内自下而上平稳上升充满型腔，并使金属在压力下结晶。当铸件凝固后，解除液面上的压力，这时升液导管和浇口中尚未凝固的金属液在重力作用下流回坩埚，然后打开铸型取出铸件。低压铸造充型时的压力和速度容易控制，充型平稳，对型腔的冲刷力小。金属在压力下结晶，故铸件组织致密，力学性能高。另外，低压铸造设备投资较少，劳动条件好，易于实现机械化和自动化操作。低压铸造广泛用于生产质量要求高的铝合金、铜合金和镁合金铸件，如汽缸体、缸盖、活塞、叶轮等。上一页下一页返回3.2铸造成形3.2.3铸件质量检验与常见缺陷分析浇注、冷却后的铸件必须经过落砂、清理、检验，合格后才能进行机械加工或使用。1.落砂落砂是用手工或机械使铸件和型砂、砂箱分开的操作。落砂时应注意铸件的温度。温度太高，铸件未凝固，会发生烫伤事故。即使铸件已凝固，急冷也会使铸件产生表面硬皮，增加机械加工的困难，或使铸件产生变形和裂纹等缺陷。落砂过晚，又影响生产率。一般铸铁件的落砂温度在400℃〜500℃之间，形状复杂、易裂的铸铁件应在200℃以下落砂。在保证铸件质量的前提下应尽早落砂。铸件在砂型中保留的时间与铸件的形状、大小和壁厚等有关，10kg以下的铸铁件，在车间地面冷却0.5~1.0h上一页下一页返回3.2铸造成形就可落砂；50~100kg的铸铁件冷却1.5~4.0h就可落砂。2.清理落砂后应对铸件进行初步检验。初检合格的铸件就可进行清理。清理工序包括：去除浇冒口，清除砂芯，清除内外表面的黏砂，铲除、打磨皮缝和毛剌，表面精整等。中、小型铸铁件的浇冒口，可用工具打掉，敲击时要注意方向，防止损伤铸件。铸钢件的浇冒口要用氧气切割或电弧切割。不锈钢铸件要用等离子弧切割。有色合金铸件多用锯割。铸件清理一般用风铲、錾子、钢丝刷等手工工具进行。因劳动条件差，生产效率低，应尽量用清理机械代替手工操作。如用气动落芯机和水力清理设备清除芯子；用喷丸清理滚筒、喷丸室清除表面黏砂；用砂轮机打磨铸件表面浇冒口及飞边的残留部分。许多铸件清理后需进行清除内应力的退火，以提高铸件形状和尺寸的稳定性。有的铸件表面还需精整，以提高铸件表面质量。上一页下一页返回3.2铸造成形3.铸件质量检验由于铸造工序多、投料多等各方面的因素，铸件容易产生缺陷，所以，对清理完的铸件要进行质量检验。对于表面缺陷或皮下缺陷，如气孔、砂眼、黏砂、缩孔、浇不足、冷隔、变形等，质量检验常用的方法是用眼睛观察或借助工具检验。对于内部缺陷，可用耐压试验、磁粉探伤、超声波探伤等方法检验。必要时，还可以进行解剖检验、力学性能检验和化学成分检测等。3.2.4铸造技术的新发展随着科技的飞速发展，新材料、新能源、信息技术、计算机技术等相关学科高新技术成果的应用，促进了铸造技术在许多方面的快速发展。1.计算机技术在铸造中的应用铸造生产中计算机可应用的领域很广。例如，在铸造工艺设计方面，上一页下一页返回3.2铸造成形计算机可模拟铸造凝固过程的缩孔、液态金属流动性等；可进行铸造工艺参数的计算；可绘制铸造工艺图、木模图、铸件图等；用于生产控制等。计算机是数值模拟不可缺少的工具，CAD、CAPP、CAM等各单元技术在铸造生产中得到广泛应用，近年来，又向着CIMS的方向发展。2.精密铸造成形技术的发展近年来，精密成形技术在我国得到迅速发展。在精密成形铸造技术方面，近几年来发展了熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造等新技术。采用消失模铸造生产的铸件质量好，铸件壁厚公差达到了±0.15mm，表面粗糙度Ra25μm。电渣熔铸工艺已用于大型水轮机的导叶生产。一批先进的新型、高效、优质、高精度的铸造技术得到应用，如采用了感应电炉双联熔炼技术，炉前微机自动检测控制技术，树脂砂铸造技术等，使铸件质量得到大幅度提高。上一页下一页返回3.2铸造成形3.凝固理论的发展凝固理论的发展大大提高了铸件的质量，可减少消耗，提高生产率。(1)差压铸造理论方法。差压铸造的实质是使液体金属在压差的作用下，填充到预先有一定的压力的型腔内，进行结晶、凝固获得铸件。它成功地将低压铸造和压力下结晶两种先进的工艺方法结合起来，从而使理想的浇注、充型条件和合理的凝固条件相配合，对结晶温度范围宽的合金具有良好的补缩效果，减小缩孔、缩松，显示了良好的发展前途。(2)定向凝固及单晶精铸理论。目前，定向凝固工艺已发展到一个新的高度，成为高温合金涡轮叶片等零件的主要生产手段之一。由于叶片内全部是纵向柱状晶，晶界与主应力方向平行，各项性能指标较高。与普通凝固方法相比，抗拉强度高2倍，断裂韧性高4倍，疲劳强度高8倍。近年来，涡轮叶片的单晶精铸也有了很大发展，整个叶片可由一个上一页下一页返回3.2铸造成形晶粒组成，没有晶界，力学性能指标提高。(3)快速凝固技术。快速凝固技术近年来已引起人们的重视。它可以显著地细化晶粒，极大地提高固溶度(远超过相图中的固溶度极限)，可以出现常规凝固条件下所不会出现的亚稳定相，还可以凝固成非晶体金属，使得快速凝固合金具有优异的力学和物理化学性能。另外，在凝固理论的发展中还出现了悬浮铸造、旋转振荡结晶法和扩展凝固铸造等，在提高铸件质量等方面作出了贡献。4.铸件凝固过程的数值模拟技术的发展铸件凝固过程的宏观模拟经30多年的不断发展，目前已相当成熟，它可以预测与铸件温度场直接相关的铸件的宏观缺陷，如缩孔、疏松、热裂、宏观偏析等，并且可用于铸件的铸造工艺辅助设计。随着铸件凝固过程宏观模拟的日益成熟，以及许多合金的凝固动力学规律进一步被揭示，铸件凝固过程的微观模拟越来越受到人们的重视，成为铸造学科中研究的热点之一。所谓铸件凝固过程的微观模拟是指上一页下一页返回3.2铸造成形在晶粒尺度上模拟铸件的凝固过程。研究的重点由宏观向微观转变，微观模拟的尺度包括纳米级、微米级及毫米级，涉及结晶生核长大、树枝晶与柱状晶转变。另外，质量控制模拟正在向微观组织模拟、性能及使用寿命预测的方向发展。5.快速成形技术的应用在铸造业，快速成形技术主要用于生产铸造模具和各种铸型。可以利用快速成形技术制得快速原型，如结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产铸造使用的模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加工生产模具；快速成形制得的快速原型也可以直接作为铸造用模型，如作为消失模、蜡模等。快速成形技术也可以使用覆膜砂、石膏、陶瓷等材料直接做出铸造用的铸型。上一页下一页返回3.2铸造成形3.3焊接技术焊接技术是现代工业中一种重要的金属加工工艺，它广泛地应用于金属结构、桥梁、造船、航空、航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术以及石油化工、电力、冶金、建筑等部门。焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子间结合的一种方法。实质是借助于原子之间的结合与扩散作用，使分离的两块金属牢固地连接成一个整体。被焊接的材料称为母材金属，焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊缝，接头非常牢固，它的强度一般不低于母材金属。由于被焊金属的接触表面一般不可能绝对平整光洁，表面糊造、氧化膜和油污都是实施焊接的障碍。因此，在焊接过程中，必须采用一定的手段，促使金属原子扩散、结晶正常进行，以达到焊接的目的。金属的焊接根据其过程特点可分为三类。上一页下一页返回3.2铸造成形(1)熔焊。将待焊处的母材金属焊熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。熔焊包括气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊和激光焊等，但应用最多的是电弧焊和气焊。(2)压焊。焊接过程中，必须对焊件施加压力(加热或不加热)，以完成焊接的方法称为压焊。包括电阻焊、冷压焊、扩散焊、超声波焊、摩擦焊和爆炸焊等，应用最多的是电阻焊。(3)钎焊。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料做钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，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连接焊件的方法。钎焊能用于各种异类金属的焊接。熔焊与钎焊的本质区别如图3-34所示。3.3.1熔焊成形基本原理熔焊是利用电弧放电产生的热量将被焊工件和焊接材料加热至熔化状态，在进行了一系列的冶金反应后，上一页下一页返回3.2铸造成形液态金属凝固形成焊缝的焊接方法。在熔焊中，焊条电弧焊(也称手工电弧焊)是应用最广泛的焊接方法。焊条电弧焊过程如图3-35所示，它利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热熔化，熔化了的焊芯金属与母材融合在一起形成熔池，熔化了的焊条药皮形成熔渣并放出的气体保护了熔池不被周围空气侵害，高温熔渣与液态金属之间的冶金反应保证了焊缝金属的化学成分。当液态金属冷却结晶形成焊缝后，覆盖在焊缝表面的熔渣也随之凝固形成渣壳。因此，焊接熔渣对焊缝成形以及控制焊缝的冷却速度起着重要的作用。1.焊接电弧电弧是一种气体放电现象。一般情况下，气体是不导电的。但是，一旦在具有一定电压的两电极之间引燃电弧，电极间的气体就会被电离，产生大量能使气体导电的带电粒子(电子、正负离子)。在电场的作用下，带电粒子向两极做定向运动，形成很大的电流，并产生上一页下一页返回3.2铸造成形大量的热量和强烈的弧光。焊接电弧稳定燃烧所需的能量来源于焊接电源。电弧稳定燃烧时的电压称为电弧电压，一般焊接电弧电压在16〜35V范围之内，具体取决于电弧的长度(即焊条与焊件之间的距离)。电弧越长，电弧电压就越高。焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图3-36所示。用钢焊条焊接时，阴极区的温度约为2400K，放出的热量约占电弧总热量的36%;阳极区的温度可达2600K，放出的热量约占电弧总热量的43%;弧柱区中心温度可达6000〜8000K，放出的热量仅占电弧总热量的21%。电弧的热量与焊接电流和电弧电压的乘积成正比。电流越大，电弧产生的总热量就越大。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环境和飞溅的金属滴中。上一页下一页返回3.2铸造成形2.焊接接头焊接接头是由两个或两个以上零件要用焊接组合或已经焊合的接点。检验接头性能应考虑焊缝、熔合区和热影响区甚至母材等不同部位的相互影响。熔焊焊接接头采用高温热源进行局部加热形成短暂而复杂的冶金反应，焊缝呈铸造组织。焊条的焊芯用优质材料制造，药皮中含有合金元素，因此焊缝金属具有优于母材的化学成分和力学性能。电弧焊焊缝的形成过程如图3-35所示。焊接接头的基本形式有对接、搭接、T形和角接四种，如图3-37所示。焊接接头组成如图3-38所示。对接接头是两件表面构成不小于135°，不大于180°夹角的接头。它是焊接结构中采用最多的一种接头形式。为了保证接头焊透，常常需要在焊件的待焊部位开坡口。坡口即根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽。上一页下一页返回3.2铸造成形角接接头是两焊件端部构成大于30°，小于135°夹角的接头。根据焊件厚度和强度要求，角接接头可分为多种形式。T形接头是焊件一端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。根据焊件厚度和强度要，T形接头可分为多种形式。搭接接头是两焊件部分重叠构成的接头。它可沿着一块板或两块板的边缘焊接，也可在上面一块钢板上开孔，采用塞焊把两块钢板焊接在一起。常见的坡口形式如图3-39所示。熔焊时，按焊件接缝所处的空间位置分，有平焊、立焊、横焊和仰焊位置等，如图3-40所示。平焊时操作方便，劳动条件好，生产率高，焊缝质量容易保证。立焊、横焊位置次之。仰焊位置最差。3.3.2焊接成形方法1.焊条电弧焊上一页下一页返回3.2铸造成形焊条电弧焊又称为手工电弧焊，它是利用电弧产生的热量熔化局部母材和焊条的一种手工操作的焊接方法，焊条电弧焊的焊接过程如图3-41所示。焊接前，把焊钳和焊件分别接到弧焊机输出端的两极，并利用焊钳夹持焊条。焊接时，焊条和焊件分别作为两个电极，电弧在焊条和焊件之间产生。在电弧热量作用下，焊条和焊件同时熔化，形成金属熔池。随着电弧沿焊接方向移动，熔池金属迅速冷却凝固成焊缝。(1)焊接设备。①交流弧焊机。(图3-42所示)交流弧焊机实际上是一种具有一定特性的降压变压器，因此又称为弧焊变压器。它具有结构简单、价格便宜、使用方便、噪声小、维修容易等优点。但其电弧稳定性较差。图3-43是BXI—330型交流弧焊机外形，型号中“B”表示弧焊变压器，“X”表示下降外特性，“I”为系列品种序号，“330”表示弧焊机的额定焊接电流为330A。上一页下一页返回3.2铸造成形②旋转直流弧焊机。旋转直流弧焊机由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发电机组成，又称为弧焊发电机。旋转直流弧焊机的电弧稳定性好，焊缝质量高，但其结构复杂，制造成本高，维修较困难，使用时噪声大。AXI—500型的旋转直流弧焊机型号中“A”表示弧焊发电机，“X”表示下降外特性，“I”为系列品种序号，“500”表示弧焊机的额定焊接电流为500A。旋转直流弧焊机目前已属淘汰产品。③整流弧焊机。整流弧焊机采用电弧焊专用的整流器，故又称弧焊整流器。它是利用交流电经过变压、整流后获得直流电。与交流弧焊机相比，整流弧焊机的电弧稳定性好；与旋转直流弧焊机比较，整流弧焊机结构简单，使用时噪声小，节能。整流弧焊机是我国推荐首选的手弧焊机，已在逐渐取代旋转式直流弧焊机。图3-43是ZXG—300型的整流弧焊机，型号中“Z”表示弧焊整流器，“X”表示下降外特性，“G”表示该整流弧焊机采用硅整流上一页下一页返回3.2铸造成形元件，“300”表示弧焊机的额定焊接电流为300A。直流弧焊机有正、负极之分，焊接时电弧两端极性不变。焊件接电源正极，焊条接电源负极的接线法称为正接；焊件接电源负极，焊条接电源正极的接线法称为反接，如图3-44所示。使用碱性焊条时应采用直流反接，以保证电弧稳定燃烧。(2)焊条。焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极。它由焊芯及药皮两部分组成，如图3-45所示。①焊芯。焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯，它有两个作用：一是作为电极产生电弧；二是熔化后作为填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝金属。②药皮。药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，它由造渣剂、造气剂、稳弧剂、脱氧剂、渗合金剂、黏结剂、增塑剂按一定比例配制而成。它的作用是：上一页下一页返回3.2铸造成形a.机械保护作用。利用药皮在高温分解时放出的气体和熔化后形成的熔渣起机械保护作用，防止氮气等有害气体侵入焊接区域。b.冶金处理作用。通过熔渣与气相、熔化金属之间的冶金反应降低焊缝中氧、氢、硫、磷等杂质的含量，添加有益的合金元素，使焊缝具有合适的化学成分及良好的力学性能。c.改善焊接工艺性能。如使电弧容易引燃、保证电弧稳定燃烧等。③焊条的种类、牌号及性能。焊条的分类见表3-7。具体的焊条牌号以各类焊条的相应字母加上三位数字表示，例如J422，“J”表示结构钢焊条，前两位数字“42”表示焊缝金属的σb≥420MPa，第三位数字“2”表示药皮类型呈钛钙型，电源种类是交、直流两用。焊条按熔渣的性质可分为酸性焊条和碱性焊条，酸性焊条交、直流电源均可以使用；而碱性焊条用于直流电源。焊条的直径和长度是指上一页下一页返回3.2铸造成形焊芯的直径,和长度L。常用的结构钢焊条直径规格有2.0mm、2.5mm、3.2mm、4.0mm、5.0mm等。焊条长度为250~450mm。(3)焊接操作技术。①引弧。引弧焊时，引燃焊接电弧的过程称为引弧。引弧方法有两种，即敲击法和摩擦法，如图3-46所示。②运条。电弧引燃后，为使焊缝成形优良，必须正确运条。运条包括三个方向的运动，如图3-47所示。a.焊条不断向熔池送进，主要是为了维持所要求的电弧长度，送进的速度应该与焊条熔化速度相一致。太快会造成短路，太慢会造成断弧。b.焊条沿焊接方向移动，主要在于形成焊缝。c.焊条横向摆动，主要是焊缝宽度增加，保证焊缝正确成形。还可上一页下一页返回3.2铸造成形延缓熔池金属的冷却结晶时间，有利于熔渣和气体浮出。在实际的工作中，上述三种运动是有机地结合在一起的，常用的运条方法如图3-48所示。③堆敷平焊。堆敷平焊是在平焊位置的焊件上堆敷焊缝，这是手弧焊最基本的操作。初学者进行操作练习时，在选择合适的焊接电流后，应着重注意掌握好焊条角度，控制电弧长度和焊接速度。a.焊条角度。平焊的焊条角度，如图3-49所示。b.电弧长度。是指阴极区、弧柱和阳极区长度的总和。沿焊缝中心线均匀地向下送进焊条，保持电弧长度约等于焊条直径。c.焊接速度。均匀地沿焊接方向前移焊条，使焊接过程中保持熔池宽度基本不变。④对接平焊。对接平焊操作技术和堆敷平焊基本相同，厚度为4〜6mm的低碳钢板对接平焊的操作过程如下：上一页下一页返回3.2铸造成形a.坡口准备。b.焊前清理。将坡口表面、两侧的油污、铁镑、水分清除干净。c.组对。将两块钢板水平放置，对齐，留1〜2mm间隙。d.定位焊。在钢板两端先焊上长10〜15mm的焊缝，以固定两块钢板的相对位置。e.焊接。选择合适的工艺参数进行焊接，采用双面焊。f.焊后清理。用钢丝刷等工具把焊渣和飞溅物清理干净。g.外观检查。检查焊缝外观形状和尺寸是否符合要求，并检查有无其他焊接缺陷。(4)焊接工艺参数。①工艺参数的选择。焊条电弧焊的焊接工艺参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电流种类及极性等。上一页下一页返回3.2铸造成形a.焊条直径。焊条直径表示焊条规格的一个主要尺寸，用焊芯的直径来表示。焊条直径的选择主要是根据工件厚度、接头形式、焊接位置、焊接层数确定。一般薄壁件立焊、仰焊、横焊应选用较小直径的焊条多层焊的最后一道工序应选用大直径的焊条。焊条直径的选择见表3-8。b.焊接电流。焊接电流是焊接时流经焊接回路的电流。焊接电流应与焊条直径相配合，焊条直径越大，使用的焊接电流也应越大。各种直径焊条常用焊接电流范围见表3-9。c.电弧电压。是指电弧两端(两电极)之间的电压降，包括阴极压降、阳极压降和弧柱压降。弧焊时，电弧电压取决于电弧的长度，为使熔池得到良好的保护，减少飞溅，避免产生咬边、夹渣等缺陷，应采用短弧施焊。d.焊接速度。焊接速度是单位时间内完成的焊缝长度。在保证焊透和焊缝高低宽窄一致的前提下，应尽量快速运条施焊。工件越薄焊速应上一页下一页返回3.2铸造成形越快。②焊接工艺参数对焊缝成形的影响。焊接工艺参数是否合适，对焊接质量有很大影响，也可以从焊缝成形的情况大致判断工艺参数是否合适，如图3-50所示。a.焊接电流和焊接速度合适时，焊缝形状规则，焊波均匀并呈椭圆形，焊缝到母材过渡平滑，焊缝外形尺寸符合要求，如图3-50的Ⅰ所示。b.焊接电流太小时，电弧不易引燃，燃烧也不稳定，弧声变弱，焊波呈圆形，而且余高增大。熔深和熔宽都减小，如图3-50的Ⅱ所示。c.焊接电流太大时，弧声强，飞溅多，焊条往往变得红热，焊波突变，熔宽和熔深都增加，如图3-50的Ⅲ所示。焊薄板时，有烧穿的可能性。d.焊接速度太慢时，焊波变圆而且余高、熔宽和熔深都增加，如图3-50的Ⅳ所示。上一页下一页返回3.2铸造成形e.焊接速度太快时，焊波变尖，焊缝形状不规则，而且余高、熔宽和熔深都减小，如图3-50的Ⅴ所示。2.气焊气焊是利用气体火焰做热源的焊接方法，最常用的是氧乙炔焊。气焊的焊丝只作为填充金属与熔化的母材一起形成焊缝。焊接低碳钢时，常用的焊丝牌号有H08、H08A等。气焊熔剂的主要作用是保护熔池金属，去除焊接过程中形成的氧化物，增加液态金属的流动性。(1)气焊特点。①火焰温度较低，适用于电弧焊难以焊接的薄工件的焊接。②加热和冷却速度缓慢。热量不集中，火焰可随意抬高和压低，能顺利地焊接需要预热和缓冷的金属材料。③加热面积大，易于调节，热量分散，接头的热影响区宽，焊接变形大。上一页下一页返回3.2铸造成形④设备简单，移动方便，适用性强，特别适用于野外施工。(2)气焊设备。气焊所用的主要设备有乙炔瓶、氧气瓶、减压器、回火保险器、焊炬等。它们之间的连接如图3-51所示。①乙炔瓶。乙炔瓶是储存和运送乙炔的容器，其外形与氧气瓶相似，外表漆成白色，并用红漆写上“乙炔”字样。乙炔瓶的工作压力为1.5MPa，在瓶内装有浸满丙酮的多孔性填料，可使乙炔稳定而又安全地储存在瓶内。使用乙炔瓶时，除应遵守氧气瓶使用要求外，还应注意：瓶体的温度不能超过30℃〜40℃，搬运、装卸、存放和使用时都应竖立放稳，严禁在地面上卧放并直接使用，一旦要使用已经卧放的乙炔瓶必须先直立后静止20min，再连接乙炔减压器后使用；不能遭受剧烈的振动。②氧气瓶。氧气瓶是运送和储存高压氧气的容器，其容积为40L，工作压力为15MPa，可装气6000L。按照规定，氧气瓶外表漆成天蓝色，并用黑漆标明“氧气”字样。上一页下一页返回3.2铸造成形③减压器。减压器是将高压气体降为低压气体的调节装置。气焊时所需的气体工作压力一般都比较低，必须将气瓶内输出的气体压力降压后才能使用。④回火保险器。装在燃烧气体系统上的防止向燃气管路或气源回烧的保险装置，一般有水封式与干式两种。回火保险器的作用是截留回火气体，保证乙炔发生器的安全。⑤焊炬。焊炬是气焊时用于控制气体混合比：流量及火焰并进行焊接的工具。其作用是将乙炔和氧气按一定比例均匀混合，由焊嘴喷出后，点火燃烧，产生气体火焰。常用的射吸式焊炬，如图3-52所示。(3)气焊火焰。气焊所采用的火焰通常是氧乙炔焰。乙炔焰的外形构造、化学成分及火焰温度分布对焊缝质量的影响取决于氧气体积与乙炔体积的混合比。调节其混合比可获得三种性质不同的火焰：中性焰、碳化焰、氧化焰，如图3-53所示。上一页下一页返回3.2铸造成形①中性焰。氧和乙炔的混合比为1.1~1.2时燃烧所形成的火焰称为中性焰。它由焰芯、内焰和外焰三部分构成。焰芯呈尖锥状，色白明亮，轮廓清楚；内焰呈蓝白色，轮廓不清楚，与外焰无明显界限；外焰由里向外逐渐由淡紫色变橙黄色。中性焰适用于焊接低碳钢、中碳钢、普通低合金钢、不锈钢、纯铜等金属材料。②碳化焰。碳化焰是氧与乙炔的混合比小于1.1时燃烧所形成的火焰。碳化焰比中性焰长，其结构也分成焰芯、内焰和外焰三部分。焰芯呈白色，内焰呈淡白色，外焰呈橙黄色。碳化焰适用于焊接高碳钢、铸铁和硬质合金等材料。③氧化焰。氧与乙炔的混合比大于1.2时燃烧所形成的火焰称为氧化焰。氧化焰比中性焰短，分为焰芯和外焰两部分。由于火焰中有过量的氧，故对熔池金属有强烈的氧化作用，一般气焊时不宜采用。(4)气焊基本操作。①点火和灭火。点火时，先微开氧气阀门，再打开乙炔阀门，然后将上一页下一页返回3.2铸造成形焊嘴靠近明火点燃火焰。灭火时，先关闭乙炔阀门，再关闭氧气阀门。②调节火焰。调节火焰包括调节火焰的种类和大小。首先根据焊件材料确定采用那种氧乙炔焰。通常点火后，得到的火焰多为碳化焰，若要调成中性焰，则应逐渐开大氧气阀门，加大氧气的供给量。③堆敷平焊。气焊时，一般用左手拿焊丝，右手拿焊炬，两手的动作要协调，沿焊缝向左或向右焊接。焊嘴轴线的投影应与焊缝重合，同时要注意掌握好焊嘴与焊件的夹角α。焊嘴倾斜角度如图3-54所示。焊件越厚，α越大。在焊接开始时，为了较快地加热焊件和迅速地形成熔池，α应大些。正常焊接时，一般保持α在30°~50°范围内。当焊接结束时，α应适当减小，以便更好地填满弧坑和避免焊穿。气焊开始时，应先将焊件局部加热到熔化状态后再加焊丝。加焊丝时，要把焊丝端部插入熔池，使其熔化。焊接过程中，要控制熔池上一页下一页返回3.2铸造成形温度，避免熔池下塌。3.其他焊接方法(1)埋弧焊。埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。①焊接过程。埋弧焊的基本过程如图3-55所示。焊接时，先在焊件接头上面覆盖一层颗粒状的焊剂，当焊丝末端与焊件之间产生电弧以后，电弧的热量使焊丝、焊件熔化形成熔池。电弧周围的焊剂被电弧熔化成液态熔渣，形成一个封闭的包围电弧和熔池金属的空腔，使电弧和熔池与外界空气隔绝。待焊缝凝固后，熔渣形成渣壳。②埋弧焊机。埋弧焊机由焊接电源、控制箱和焊接小车三部分组成。MZ—1000型埋弧焊机是一种常用埋弧焊机，如图3-56所示。焊机型号中“MZ”表示埋弧焊机，“1000”表示额定电流为1000A。③埋弧焊的特点。与焊条电弧焊相比，埋弧焊有下列优点。a.生产率高。由于埋弧焊焊丝导电长度短，可使用较大的焊接电流，上一页下一页返回3.2铸造成形所以焊丝熔化快，母材熔深大。同时，埋弧焊所用的焊丝是连续成卷的，可节省更换焊条的辅助时间。b.节省金属材料。由于埋弧焊没有焊条头的浪费，飞溅损失也很少，因此可节省大量焊丝金属。c.焊接质量高。主要的原因是焊剂对金属熔池保护得比较严密，空气较难侵入，而且熔池保持液态的时间较长，冶金过程进行的较为完善，气体和熔渣易于浮出。同时，焊接工艺参数能自动控制，从而使焊接质量稳定，焊缝成形美观。d.劳动条件好。因为没有弧光，所以焊工不必穿戴防护服装和面罩，焊接烟雾也较少。但是埋弧焊的应用范围有一定的限制。•因为设备费用较责，准备工作费时，所以只适宜于批量生产长焊缝的焊件。•不能焊接薄的工件，薄件易烧穿，一般焊接的钢材厚度为6〜60mm。上一页下一页返回3.2铸造成形•只能进行平焊，而且不能焊接任意弯曲的焊缝。(2)气体保护焊。①二氧化碳气体保护焊。利用二氧化碳作为保护气体的气体保护焊。它以焊件和焊丝做电极，产生焊接电弧，并通入已经干燥过和预热的二氧化碳气体进行的焊接方法，如图3-57所示。由于二氧化碳在1000℃以上的高温下会分解成一氧化碳和氧气，具有一定的氧化作用，因此不宜焊接容易氧化的有色金属。它主要用于焊接低碳钢和低合金钢，也用于耐磨零件的堆焊，铸钢件及其他焊接缺陷的补焊。二氧化碳气体保护焊的特点如下。a.生产率高。二氧化碳电弧的穿透力强、熔深大，而且焊丝的熔化率高，所以熔敷速度快，生产率比焊条电弧焊高1~3倍。b.焊接成本低。二氧化碳气体是化工厂的副产品，来源广，价格低，上一页下一页返回3.2铸造成形因而二氧化碳气体保护焊的成本只有埋弧焊和焊条电弧焊的40%~50%。c.能耗低。二氧化碳气体保护焊和焊条电弧焊相比，3mm厚低碳钢板对接焊缝，每米焊缝消耗的电能前者为后者的70%左右。所以，二氧化碳气体保护焊也是较好的节能焊接方法。d.适用范围广。不论何种位置都可进行焊接，薄板可焊到1mm左右，焊接最大厚度几乎不受限制。而且焊接薄板时，较之气焊速度快，变形小。e.抗镑抗裂。抗镑能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性好。f.易于实现机械化。焊接焊后不需清渣，又因是明弧，便于监视和控制，有利于实现焊接过程的机械化。其主要缺点是：金属飞溅较大，成形不够美观，弧光强烈，烟雾较大。上一页下一页返回3.2铸造成形由于二氧化碳气体保护焊具有上述一系列特点，因此它已广泛用于造船、汽车制造、机车车辆制造、农机制造、工程机械、石油化工、冶金等工业部门，成为目前国际上应用最广的焊接方法。②钨极惰性气体保护焊。钨极惰性气体保护焊是使用纯钨或活化钨(钍钨、铈钨等)电极的惰性气体保护焊，简称TIG焊。钨极惰性气体保护焊的构成如图3-58所示。它是用钨极和工件之间产生的电弧作为热源，电弧和熔化金属都处于惰性气体保护之中，使其不受周围空气的有害作用。钨极氩弧焊电弧稳定性好，能够成功地焊接一些用一般弧焊方法难以焊接的活泼金属，操作方便，容易实现焊接过程的机械化。因此，在航空、原子能、石油化工、电站锅炉、机械制造等部门被广泛应用。③熔化极惰性气体保护焊。熔化极惰性气体保护焊简称为MIG，它是使用熔化电极的惰性气体保护焊。熔化极惰性气体保护焊用焊丝做电极及填充金属，其焊接原理如图3-59所示。上一页下一页返回3.2铸造成形熔化极惰性气体保护焊的特点：与焊条电弧焊、埋弧焊等其他熔化极电弧焊不同之处是在氩气保护下进行焊接。a.和TIG焊一样，几乎可焊接所有的金属，尤其适合于焊接铝及铝合金、铜及铜合金及不镑钢等材料。b.由于用焊丝做电极，可采用高密度电流，因而母材熔深大，填充金属熔敷速度快。用于焊接厚板铝、铜等金属时生产率比TIG高，焊件变形比TIG小。c.熔化极惰性气体保护焊可采用直流反接，焊接铝及铝合金时有良好的阴极雾化作用。目前，MIG焊已在中等厚度以上的铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金、不镑钢等材料的焊接中获得了广泛的应用。(3)电阻焊。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。它有两种形式：一种是将被焊金属接触上一页下一页返回3.2铸造成形部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，使金属原子间相互结合，形成牢固的接头，如电阻焊、摩擦焊；另一种形式是仅在被焊金属的接触面上施加足够的压力，借助于压力所引起的塑性变形，使原子间相互接近而获得牢固的压挤焊点，如冷压焊。压焊中电阻焊应用最广。电阻焊是焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。其主要特点是：焊接电流大，生产率高；易于实现机械化和自动化；焊接时不需要填充金属。电阻焊的基本形式有点焊、缝焊、对焊三种，如图3-60所示。广泛用于汽车制造、飞机、车辆等工业部门。(4)摩擦焊。摩擦焊是一种优质、高效的固态焊接方法，即通过机械摩擦运动及施加载荷使两个表面之间产生热量，然后利用此热量使材料之间互相连接。这种焊接方法不需要填充金属、焊剂和保护气体。上一页下一页返回3.2铸造成形特点：摩擦焊作为一种世界公认的高效、节能、环保型焊接工艺，可以替代锻压焊，二氧化碳气体保护焊、熔焊、激光焊、闪光对焊及电阻焊；可以焊接通常被认为是不可组合的金属材料，如铝和钢、铜和铝、钛和铜及镍合金和钢。一般来说，所有可锻造的金属材料都可以进行摩擦焊接，包括汽车用阀门合金材料、马氏体时效钢、工具钢、合金钢及钽等。摩擦焊产品的焊接质量不依赖于操作人员的技术水平，能保证成批工件制造精度的复现性。由于焊接过程中接合面没有发生熔化，因此不会出现气孔、偏析和夹渣等凝固缺陷。应用：摩擦焊广泛地应用在航天和航空部件，切削刀具，农业机械，汽车零部件，油田、军工产品，轴类坯件及双金属材料等领域。可用于管对管、杆对杆、或管对杆焊接；也可将管与杆焊接到底盘上、空板上及突出部位。(5)激光焊接。激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面上一页下一页返回3.2铸造成形之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。3.3.3焊接缺陷与焊接质量检验在焊接结构生产中，常因种种原因使焊接接头产生各种缺陷。焊接缺陷主要是减少了焊缝有效的承载面积，焊件在使用过程中易造成应力集中，引起裂纹而导致焊接结构破坏，影响焊接结构的安全使用。对于一些重要的焊接构件，如压力容器、船舶、电站设备、化工设备等，对焊缝中存在的缺陷有严格的要求，只有经过严格的焊接质量检验合格的产品才能允许出厂。1.焊接缺陷及预防措施