《工程材料及成型》模块2 等材制造-项目3 焊接成型

《工程材料及成型》课程导论模块一

|

工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

|

增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块二等材制造1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1铸造成型3项目2锻压成型4项目3焊接成型项目5

胶接与铆接成型8【延伸学习】9【课后习题】5项目4

塑料成型67【内容小结】【学习导览】材料成型工艺分为三种大类：等材制造、减材制造、增材制造。其中等材制造属受迫成型，通过施加力受迫成型得到想要的形状，如铸造、锻造、弯曲、注塑、粉末冶金等；减材制造属定向去除，通过选择性地去除材料得到想要的形状，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削及各种切割等；增材制造属堆积成型，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三者各有优势，也各有不足，互为补充。等材制造常用于制造各类毛坯，也可用于制造最终零件，如图2-0-1所示。本模块的教学目标和主要内容目标了解我国铸造、锻造、热处理的发展历史，增强民族自豪感和发展自信心。了解砂型铸造基础知识，熟悉铸造基本操作过程。掌握锻造成型和冲压成型的特点、工艺与用途。了解电弧焊和特种焊接的工艺特点与使用场所。掌握塑料成型工艺的类型、特点与用途。了解胶接成型与铆接成型的工艺要求与使用场所。内容本模块在概括地阐述等材制造、减材制造、增材制造三者概念的基础上，分别介绍了铸造成型工艺、锻造成型工艺、冲压成型工艺、焊接成型工艺、塑料成型工艺、胶接成型工艺、铆接成型工艺各自的特点与应用。项目3焊接成型焊接，也称作熔接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接的种类很多（图2-3-1），通常按照焊接过程的特点分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类：①熔化焊。②压力焊。③钎焊。任务1电弧焊1.焊接理论基础熔化焊的焊接过程是利用热源（如电弧热、气体火焰热、高能粒子束等）先将工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后，随着热源向前移动，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。熔化焊的过程包含有加热、冶金和结晶过程，在这些过程中，会产生一系列变化，对焊接质量有较大的影响，如焊缝成分变化、焊接接头组织和性能变化以及焊接应力与变形的产生等等。（1）熔焊冶金过程1）焊接熔池的冶金特点2）对熔池的保护和冶金处理（2）焊接接头组织和性能熔焊是焊件局部经历加热和冷却的热过程。在焊接热源的作用下，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。焊缝及附近的母材所经历的焊接热循环是不相同的，因此，引起的组织和性能的变化也不相同。熔焊的焊接接头由焊缝和热影响区组成。1）焊缝的组织与性能2）热影响区的组织与性能3）影响焊接接头性能的主要因素（3）焊接应力与变形构件焊接以后，内部会产生残余应力，同时产生焊接变形。焊接应力与外加载荷叠加，造成局部应力过高，则构件产生新的变形或开裂，甚至导致构件失效。因此，在设计和制造焊接结构时，必须设法减小焊接应力，防止过量变形。1）应力与变形的形成2）减少或消除应力的措施可以从设计和工艺两方面综合考虑来降低焊接应力。在设计焊接结构时，应采用刚性较小的接头形式，尽量减少焊缝数量和截面尺寸，避免焊缝集中等。3）变形的预防与矫正焊接变形对结构生产的影响一般比焊接应力要大些。在实际焊接结构中，要尽量减少变形。2.常用电弧焊接方法常用的电弧焊有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等。（1）手工电弧焊（2）埋弧自动焊手工电弧焊的生产率低、对工人操作技术要求高，工作条件差，焊接质量不易保证，而且质量不稳定。埋弧自动焊（简称埋弧焊）是电弧在焊剂层内燃烧进行焊接的方法，电弧的引燃、焊丝的送进和电弧沿焊缝的移动，是由设备自动完成的。（3）气体保护焊气体保护电弧焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。按照保护气体的不同，气体保护焊分为两类：使用惰性气体作为保护的称惰性气体保护焊，包括氩弧焊、氦弧焊、混合气体保护焊等；使用CO2气体作为保护的气体保护焊，简称CO2焊。任务2压力焊压力焊是在焊接的过程中需要加压的一类焊接方法，简称压焊，主要包括电阻焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊和冷压焊等，本书主要介绍电阻焊和摩擦焊。1.电阻焊电阻焊是将焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过焊件及其接触处所产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力下形成焊接接头的焊接力法。按工件接头形式和电极形状不同，电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种形式。（1）点焊（2）缝焊缝焊过程与点焊相似，只是用旋转的圆盘状滚动电极代替柱状电极，焊接时，盘状电极压紧焊件并转动（也带动焊件向前移动），配合断续通电，即形成连续重叠的焊点。因此称为缝焊，如图2-3-21所示。（3）对焊对焊是利用电阻热使两个工件整个接触面焊接起来的一种方法，可分为电阻对焊和闪光对焊。焊件配成对接接头形式，如图2-3-22所示。对焊主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条等的焊接。2.摩擦焊摩擦焊是利用工件间相互摩擦产生的热量，同时加压而进行焊接的方法。图2-3-24是摩擦焊示意图。先将两焊件夹在焊机上，加一定压力使焊件紧密接触，然后一个焊件作旋转运动，另一个焊件向其靠拢，使焊件接触摩擦产生热量，待工件端面被加热到高温塑性状态时，立即使焊件停止旋转，同时对端面加大压力使两焊件产生塑性变形而焊接起来。任务3钎焊钎焊是利用熔点比焊件低的钎料作为填充金属，加热时钎料熔化而母材不熔化，利用液态钎料浸润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散而将焊件连结起来的焊接方法。钎焊接头的承载能力很大程度上取决于钎料，根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊与软钎焊两类。1.硬钎焊；2.软钎焊；3.钎焊的特点软钎焊任务4常用金属材料的焊接1.低碳钢的焊接低碳钢的含碳量小于0.25%，碳当量数值小于0.40%，所以这类钢的焊接性能良好，焊接时—般不需要采取特殊的工艺措施，用各种焊接方法都能获得优质焊接接头。只有厚大结构件在低温下焊接时，才应考虑焊前预热，如板厚大于50mm、温度低于0℃时，应预热到100℃～150℃。2.中高碳钢的焊接由于中碳钢含碳量增加（0.25%～0.6%），碳当量数值大于0.40%，中碳钢焊接时，热影响区组织淬硬倾向增大，较易出现裂纹和气孔，为此要采取一定的工艺措施。3.低合金结构钢的焊接焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢，又称低合金高强钢，主要用于建筑结构和工程结构，如压力容器、锅炉、桥梁、船舶、车辆和起重机械等。（1）低合金结构钢焊接特点（2）低合金结构钢焊接工艺措施4.不锈钢的焊接奥氏体型不锈钢如0Cr18Ni9等，虽然Cr、Ni元素含量较高，但C含量低，焊接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施，因此它在不锈钢焊接中应用最广。5.铸铁的焊接铸铁中C、Si、Mn、S、P含量比碳钢高，组织不均匀，塑性很低，属于焊接性很差的材料，因此不能用铸铁设计和制造焊接构件。但铸铁件常出现铸造缺陷，铸铁零件在使用过程中有时会发生局部损坏或断裂，用焊接手段将其修复有很大的经济效益。所以，铸铁的焊接主要是焊补工作。（1）铸铁的焊接特点（2）铸铁焊补方法按焊前预热温度，铸铁的焊补可分为热焊法和冷焊法两大类。6.非铁金属的焊接常用的非铁金属有铝、铜、钛及其合金等。由于非铁金属具有许多特殊性能，在工业中应用越来越广，其焊接技术也越来越受到重视。（1）铝及铝合金的焊接（2）铜及铜合金的焊接（3）钛及钛合金的焊接任务5特种焊接随着现代工业技术的发展，如原子能、航空、航天等技术的发展，需要焊接一些新的材料和结构，对焊接技术提出了更高的要求，于是出现了一些新的特种焊接工艺，如等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊等。1.等离子弧焊接与切割普通电弧焊中的电弧，不受外界约束，称为自由电弧，电弧区内的气体尚未完全电离，能量也未高度集中起来。等离子弧是经过压缩的高能量密度的电弧，它具有高温（可达24000K～50000K）、高速（可数倍于声速）、高能量密度（可达105W/cm2～106W/cm2）的特点。（1）等离子弧的产生；（2）等离子弧焊接；（3）等离子弧切割2.电子束焊接电子束焊是利用高速、集中的电子束轰击焊件表面所产生的热量进行焊接的一种熔焊方法。电子束焊可分为：高真空型、低真空型和非真空型等。真空电子束焊接如图2-3-29所示。电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。3.激光焊接激光是一种亮度高、方向性强、单色性好的光束。激光束经聚焦后能量密度可达106W/cm2～1012W/cm2，可用作焊接热源。在焊接中应用的激光器有固体及气体介质两种。固体激光器常用的激光材料是红宝石、钕玻璃或掺钕钇铝石榴石，气体激光器则使用二氧化碳。激光焊接的原理如图2-3-30所示，利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统可聚焦到十分微小的焦点（光斑）上，其能量密度很高。当调焦到焊件接缝时，光能转换为热能，使金属熔化形成焊接接头。根据激光器的工作方式，激光焊接可分为脉冲激光点焊和连续激光焊接两种。目前脉冲激光点焊已得到广泛应用。激光焊接具有如下特点。①激光辐射的能量释放极其迅速，不仅提高了生产率，而且被焊材料不易氧化。不需要气体保护或真空环境。②激光焊接的能量密度很高，热量集中，所以焊接热影响区极小，焊件不变形，特别适用于热敏感材料的焊接。③激光束可用反射镜、偏转棱镜或光导纤维将其在任何方向上弯曲、聚焦或引导到难以接近的部位。④激光可对绝缘材料直接焊接，易焊接异种金属材料。但激光焊接的设备复杂，投资大，功率较小。图2-3-30激光焊接示意图4.扩散焊接扩散焊是在真空或保护性气氛下，使焊接表面在一定温度和压力下相互接触，通过微观塑性变形或连接表面产生微量液相而扩大物理接触，经较长时间的原子扩散，使焊接区的成分、组织均匀化，实现完全冶金结合的一种压焊方法。扩散焊的加热方法常采用感应加热或电阻辐射加热，加压系统常采用液压，小型扩散焊机也可采用机械加压方式。扩散焊具有以下特点。①焊接时母材不过热或熔化，焊缝成分、组织、性能与母材接近或相同，不出现有过热组织的