《工程材料及成形技术基础》课件 第11章 焊接与胶接

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求了解焊接方法的分类、工艺特点及常用焊接方法的工艺过程；掌握电弧焊和激光焊的冶金过程及接头组织对接头力学性能的影响；掌握焊接应力的产生原因以及预防措施；了解焊接过程中可能出现的缺陷以及相应的检测方法；了解胶接工艺的原理、特点、工艺过程及适用范围。第11章焊接与胶接连接主要内容焊接方法与过程焊接变形与缺陷焊接方法的分类焊接的冶金过程焊接接头组织性能第11章焊接与胶接连接焊接变形产生的原因与预防措施焊接缺陷的种类与检测方法胶接原理与工艺胶接的原理胶接的工艺第11章焊接与胶接连接使材料连接在一起的方法有哪些？第11章焊接与胶接连接螺栓连接、键连接等。焊接、铆接等。材料的连接方式：可拆卸的连接方法不可拆卸的连接方法第11章焊接与胶接连接焊接在设备制造和基建设施中的应用天上飞的水上游的地上跑的压力容器工程机械建筑桥梁第一节焊接工程理论基础一、焊接方法的分类及其特点通过加压、加热或两者并用；用或不用填充材料；使金属间达到原子结合。达到原子之间的结合（金属晶格距离：0.3～0.5nm）。由于表面状态的影响，不通过加热或加压，工件之间是难以自然达到原子之间的结合的。实质使工件的材质达到原子间的结合，有两种方法：①加热结合处达到塑性或熔焊状态、降低变形阻力、增加原子的振动能②加压破坏接触表面氧化膜、增加有效面积第一节焊接工程理论基础一、焊接方法的分类及其特点焊接时所需压力与温度的关系影响焊接的主要因素有压力和温度。第一节焊接工程理论基础金属的焊接，按其冶金工艺过程的特点分为：熔焊、压焊和钎焊三大类。什么是熔焊？什么是压焊？什么是钎焊？加热压焊填充钎料加压熔焊钎焊融化区域-+第一节焊接工程理论基础熔焊压焊钎焊属液相焊接，母材接头被加热到熔化温度以上，一般不加压。属固相焊接，焊接过程必须施加压力，加热只起着辅助作用。属固-液相焊接，在接头之间加入熔点远低于母材的合金填充材料（钎料），局部加热使这些钎料熔化，而母材不熔化，借助于液态合金与固态接头的物理化学作用而实现焊接。第一节焊接工程理论基础第一节焊接工程理论基础二、电弧焊与激光焊焊条电弧焊的冶金过程1）电弧焊的冶金过程电弧焊时，焊接区各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程称为电弧焊冶金过程。第一节焊接工程理论基础2）电弧焊的特点电弧焊焊接钢材的过程包括熔化、氧化、还原、造渣、精练和合金化等一系列物理化学的冶金过程。焊接电弧和熔池金属的温度远超金属熔点（可达2000℃左右），金属蒸发、氧化和吸气现象严重。

熔池体积小、冷却速度快、液态金属停留时间短，各种化学反应未能充分地进行，不利于焊缝金属化学成分的均匀，并容易产生气孔和夹渣等缺陷。熔滴和熔池较难获得充分的保护。电弧的高温作用会导致有益的合金元素严重烧损。当熔池迅速冷却时，溶入金属的氢来不及逸出则会在焊缝中产生气孔。此外，一部分氧化物和氮化物残留在焊缝中会形成夹杂物。第一节焊接工程理论基础3）激光焊的冶金过程及特点激光照射到材料表面时，在不同激光功率密度作用下，材料将产生不同的物理现象，如表面温度升高、熔化、汽化、形成小孔及产生等离子体等。当功率密度较小（<104W/cm2）时，金属吸收激光的能量主要用于零件的表面热处理。功率密度的增大（104~106W/cm2）时，焊件表层会发生熔化，这个过程主要用于金属熔敷、合金化、表面重熔以及熔入型焊接。功率密度>106W/cm2时，焊件表面不仅会熔化，而且会发生蒸发，这个过程主要用于熔入型焊接。功率密度>107W/cm2时，焊件表面会发生剧烈蒸发，形成较高电离度的等离子体，会严重降低激光入射到金属内部的能量密度。第一节焊接工程理论基础三、焊接接头的组织和性能熔化焊接是一个局部进行、短时高温冶炼和凝固的过程。这种冶金和凝固过程是连续的，与此同时，周围未熔化的母材金属会受到短暂热处理作用。焊接过程会引起焊接接头组织和性能的变化，直接影响着焊接接头的质量。熔焊的焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。焊接时接头截面上不同位置点的温度历程第一节焊接工程理论基础焊缝组织（柱状晶）1）焊缝焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部位。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的。结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成的晶粒是指向熔池中心的柱状晶。冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散，易造成合金元素分布不均匀。焊缝金属的力学性能一般不低于基体金属。第一节焊接工程理论基础低碳钢热影响区组织2）热影响区焊缝两侧母材组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。第一节焊接工程理论基础3）熔合区熔焊焊缝与母材的交界区称为熔合区。焊接过程中仅部分金属被熔化，熔化的金属将凝固成铸态组织，而未熔合的金属因加热温度过高而成为过热粗晶组织。熔合区的性能通常是整个焊接接头中最差的，其塑性、韧性极差，成为裂纹和局部脆性破坏的源点。在低碳钢焊接接头中，尽管熔合区很窄（仅0.1~1mm），但仍在很大程度上决定着接头的性能。在保证形成接头的前提下，减少熔合区、过热区。第一节焊接工程理论基础四、焊接应力与变形对接焊缝、圆筒环形焊缝的焊接应力分布焊接过程中焊件经历局部不均匀加热，是产生焊接应力和变形的根本原因。（金属材料热胀冷缩）1）焊接应力第一节焊接工程理论基础焊接应力应对措施：在结构设计时应选用塑性好的材料，避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大和焊缝过长。确定正确的焊接次序。焊前对焊件预热。采用小能量焊接方法或捶击焊缝。焊后去应力退火。将焊件加热至500~650℃左右，保温后缓慢冷却至室温。水压实验或振动法消除焊接应力。第一节焊接工程理论基础2）焊接变形当焊接材料因刚性不足，承受不了焊接应力时就会产生变形，通过变形来削弱应力。如果焊接应力超过焊接材料的强度极限，焊接件不仅发生变形，而且还会产生裂纹。第一节焊接工程理论基础焊接变形应对措施：在结构设计中采用对称结构、大刚度结构或焊缝对称分布结构采用反变形措施或刚性夹持方法，但它不适用于焊接淬硬性较大的钢结构件和铸铁件。正确选择焊接参数和焊接次序。这样可使温度分布更为均匀，开始焊接时产生的微量变形可被后来焊接部位的变形所抵消，从而获得无变形的焊件。对于焊后变形小但已超过允许值的焊件，可采用机械矫正法或火焰加热矫正法加以消除。第一节焊接工程理论基础3）焊接裂纹在焊接接头中由焊接所引起的各种裂纹，统称为焊接裂纹。焊接裂纹在焊缝和热影响区中都有可能产生，是焊接过程中产生的最为危险的一种缺陷。焊接结构产生的破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起。焊接裂纹往往是内裂纹，存在重大的安全隐患。对重要焊件，焊后应进行焊接接头的内部探伤检查。第二节常用焊接方法一、熔焊利用热源局部加热的方法，将两工件接合处加热到熔化状态，形成共同的熔池，凝固冷却后，使分离的工件牢固结合起来的焊接称为熔焊。熔焊适合于各种金属材料、任何厚度焊件的焊接，且焊接强度高，因而获得广泛应用。熔化焊包括电弧焊、电渣焊、气体保护焊和高能束焊等。第二节常用焊接方法利用电弧作为焊接热源，用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称为手工电弧焊，它是目前应用较为广泛的焊接方法之一。1）手工电弧焊药皮燃烧时产生大量CO2气流围绕于电弧周围，熔渣和气流可防止空气中的氧、氮侵入，起保护熔池的作用。随着焊条的移动，焊条前的金属不断熔化，焊条移动后的金属则冷却凝固成焊缝。第二节常用焊接方法埋弧焊是电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。2）埋弧焊药电弧在焊剂层下的焊丝和焊件之间产生，电弧热使焊件接头、焊丝和部分焊剂熔化，形成一个较大的熔池。第二节常用焊接方法焊接过程中，熔渣能对熔池和焊缝金属进行机械保护。随焊接的进行，电弧向前移动，焊丝不断送进，熔化后的金属逐渐冷却凝固形成焊缝。未熔化的焊剂经回收处理后，可重新使用。埋弧焊具有焊接品质高而且稳定、节省金属材料、劳动条件好和生产率高等特点，适用于批量生产。埋弧焊纵截面示意图第二节常用焊接方法气体保护焊是利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。用作保护介质的有氩气和二氧化碳。3）气体保护焊——氩弧焊熔化极氩弧焊非熔化极氩弧焊氩弧焊是使用氩气为保护气体的电弧焊。氩弧焊主要用于焊接易氧化的非铁金属（如铝、镁、铜、钛及其合金）和稀有金属，以及高强度合金钢、不锈钢、耐热钢等。第二节常用焊接方法4）气体保护焊——二氧化碳气体保护焊CO2气体保护焊用二氧化碳气体作为保护气体的电弧焊称为二氧化碳气体保护焊。它以连续送进的焊丝作为电极，以自动或半自动方式进行焊接。CO2气体从环行喷嘴中喷出，保护焊丝末端和电极及熔池，使之与空气隔绝，起到保护作用。主要用于焊接低碳钢和低合金结构钢构件，不适于焊接易氧化的非铁金属及其合金。第二节常用焊接方法5）电渣焊电渣焊电渣焊是利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热作为热源的一种熔焊的方法。第二节常用焊接方法6）高能束焊接——电子束焊电子束焊高能束焊接包括等离子弧焊接、电子束焊接、激光束焊接以及它们的组合等。电子束焊是利用加速和聚焦的电子束，轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接。电子枪的阳极被通电加热至高温，发射出大量电子。发射电子在强电场的阴极和阳极之间受高压作用而加速，再经过聚焦形成高能量密度的电子束射向焊件。第二节常用焊接方法7）高能束焊接——激光束焊激光束焊激光束焊是以聚集的激光束作为热源的特种熔焊方法。常用的激光材料为红宝石、玻璃和二氧化碳。激光束的能量密度很大（105W/cm2）第二节常用焊接方法二、压焊1）电阻焊电阻焊又称接触焊，它是利用电流通过焊接接头的接触面时产生的电阻热，将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在压力下，形成焊接接头的压焊方法。

第二节常用焊接方法在压力作用下从内部加热完成焊接，整个冶金过程比较简单。焊接时无需焊剂和气体保护，也不需要金属填充物，焊接成本低。热量集中，加热时间短，热影响区小。操作简单，便于实现自动化，生产效率高，无噪无尘，劳动条件好。焊接电阻和焊接电流均影响电阻热的改变，导致焊接接头品质不稳。缺乏可靠的无损检测方法对焊接质量进行检查。电阻焊设备复杂，价格昂贵，维修困难，耗电量大。电阻焊的优点电阻焊的缺点第二节常用焊接方法电阻焊的分类是利用柱状铜合金电极，在两块搭接焊件接触面之间形成焊点的焊接方法。点焊过程可分为彼此相连的三个阶段：预压、通电加热和顶锻。点焊与点焊相似，只是用转动的圆盘状电极取代点焊时所用的柱状电极。焊点的相互重叠约50%以上，具有气密性和液密性。缝焊把焊件装配成对接的接头，使其端面紧密接触。利用电阻热加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻。对焊第二节常用焊接方法先对两接触面施加预压力，然后通电先通电，然后靠近施压第二节常用焊接方法2）摩擦焊摩擦焊是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，将工件端面加热到塑性状态，然后在压力下使金属连接在一起的焊接方法。两根圆棒的摩擦焊焊接第二节常用焊接方法3）钎焊钎焊是利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，将母材与钎料加热到高于钎料熔点且低于母材熔点的温度，利用液态钎料浸润母材、填充间隙并与母材相互扩散作用实现焊接的一种方法。钎焊过程第二节常用焊接方法3）钎焊使用熔点高于450℃的钎料进行的钎焊焊接头强度较高（大于200MPa）。常用于焊接受力较大或工作温度较高的焊接，如车刀上硬质合金刀片与刀杆的焊接。硬钎焊使用熔点低于450℃的钎料进行的钎焊软钎剂主要有松香、氧化锌溶液等。软钎焊接头强度低，用于无强度要求的焊件，如各种仪表中线路的焊接。软钎焊第三节焊接结构设计焊接结构设计，要考虑其使用性能，结构工艺性能。焊接材料的选择焊接结构设计接头工艺设计焊接方法的选择第三节焊接结构设计1）焊接材料的选择在满足工作性能要求的前提下，首要考虑选用焊接性较好的材料。低碳钢和碳当量WCE<0.4%的低合金钢具有良好的焊接性碳的质量分数WC>0.4%的碳钢和碳当量WCE>0.4%的合金钢焊接性较差充分考虑其焊接对象的焊接性差异，按焊接性较差者采取相应工艺措施。多选用工字钢、角钢、钢管和槽钢等标准型材。对形状较复杂的部分，可以采用冲压件、铸件或锻件焊接。第三节焊接结构设计1）焊接材料的选择四块钢板焊成两根钢槽焊成两钢板弯曲后焊成容器上的铸钢件法兰合理选材以减少焊缝第三节焊接结构设计2）焊接方法的选择综合考虑焊件厚度、材料的焊接性、产品质量要求、各焊接方法的适用范围、现有设备条件和生产批量。板厚度10~30mm，可用埋弧自动焊、焊条电弧焊或CO2气体保护焊。薄板，则可选用缝焊或点焊。较短的焊缝可选用焊条电弧焊，而长直或大直径环形焊缝，则适用于埋弧自动焊。焊接不锈钢、铝及铝合金等重要工件，要使用氩弧焊来保证焊接质量。第三节焊接结构设计3）焊接接头工艺设计焊缝布置设计。考虑易于操作，并有利于提高结构强度，减小焊接应力和变形。接头形式设计。要考虑强度要求、结构形状、工件厚度、焊接方法、焊后变形量、焊条消耗量以及加工坡口的难易程度等。第三节焊接结构设计3）焊接接头工艺设计典型问题举例焊条电弧焊要注意焊条操作空间第三节焊接结构设计典型问题举例防止焊缝过分集中或者交叉第三节焊接结构设计典型问题举例尽可能减少焊缝的数量（适当选用冲压件与型钢）第三节焊接结构设计典型问题举例避开最大应力或应力集中处第三节焊接结构设计典型问题举例去除焊缝端锐角处第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用对接接头I型坡口Y型坡口双Y型坡口带钝边U型坡口第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用角接接头带钝边单边V型坡口带钝边双边V型坡口Y型坡口I型坡口第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用T型接头带钝边双边V型坡口I型坡口第三节焊接结构设计常用焊接接头的形式常用搭接接头第三节焊接结构设计接头过渡形式不同厚度金属材料对接的过渡第三节焊接结构设计接头过渡形式第四节焊接质量检验焊接缺陷焊接质量检验焊接检验破坏性检验非破坏性检验（即无损检测）尺寸与外观不符合要求表面裂纹焊接裂纹未焊透未熔合气孔咬边焊瘤凹坑夹渣烧穿塌陷危害最大的是：裂纹、未焊透和夹渣第四节焊接质量检验1）焊接缺陷是危害减少了焊缝的承载截面积，削弱了焊缝强度；由于缺陷形成的缺口尖端会发生应力集中和脆化现象，容易产生裂纹并扩展。密封容器上的焊接缺陷可能会穿透筒壁，发生泄漏，影响致密性。第四节焊接质量检验未焊透重点缺陷焊接裂纹第四节焊接质量检验2）焊接检验方法破坏性检验。（从焊件或试件上截取试样或整体破