焊接与切割(材料加工基础).ppt

1、第三章 焊接与切割 本章主要讨论在工业中非常重要的焊接技术与切割方法，特别是常用金属材料的焊接，以及一些焊接结构上的工艺性设计。,第三章 焊接与切割,第一节 焊接理论 焊接的定义可以概括为：同种或异种材质的工件，通过加热或加压或二者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺称为焊接(Welding)。 典型焊条电弧焊的焊接过程如图6-1所示。,第一节 焊接理论,一、焊接热过程及焊接热源 1. 焊接热过程的特点 焊接热过程包括焊件的加热、焊件中的热传递及冷却三个阶段。焊接热过程具有如下特点： (1) 加热的局部性。 (2)焊接热源是移动的。 (3)具有极高的加热速

2、度和冷却速度。,第一节 焊接理论,第一节 焊接理论,2. 焊接过程具有一系列优点： (1) 连接性能好 (2) 省料、省工、成本低 (3) 重量轻 (4) 简化工艺,第一节 焊接理论,3. 焊接过程也存在着一些不足之处： (1) 焊接结构是不可拆卸的。 (2) 熔焊接头的力学性能不如轧制的母材金属。 (3) 熔焊会产生一的焊接残余应力和变形。 (4) 容易产生焊接缺陷。,4. 焊接热源 现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是： (1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。高能量密度和高温可以使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速焊接，提高生产率。 (2) 热源性能稳定，易于调节和控制。热源性

3、能稳定是保证焊接质量的基本条件。 (3) 高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。 主要焊接热源有电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束和激光束等等，见表6-1。,第一节 焊接理论,5. 焊接温度场 温度场指的是一个温度分布的空间焊接温度场可以用等温线或等温面来表示，如图6-2。 6. 焊接热循环 母材上某一点所经受的这种升温和降温过程叫做焊接热循环(Weld Thermal Cycle)。 焊接热循环可以用图6-3所示的温度-时间曲线来表示。,第一节 焊接理论,二、焊接化学冶金 熔化焊时，伴随着母材被加热熔化，在液态金属的周围充满了大量的气体，有时

4、表面上还覆盖着熔渣。这些气体及熔渣在焊接的高温条件下与液态金属不断地进行着一系列复杂的物理化学反应，这种焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。该过程对焊缝金属的成分、性能、焊接质量以及焊接工艺性能都有很大的影响。,第一节 焊接理论,1. 焊接化学冶金反应区 焊接化学冶金反应从焊接材料(焊条或焊丝)被加热、熔化开始，经熔滴过渡，最后到达熔池，该过程是分区域(或阶段)连续进行的。以焊条电弧焊为例，可划分为三个冶金反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区(见图6-4) 。 （1）药皮反应区 焊条药皮被加热时，固态下其组成物之间也会发生物理化学反应。 （2）熔滴反应区 熔

5、滴反应区包括熔滴形成、长大到过渡至熔池中的整个阶段。 （3）熔池反应区 熔滴金属和熔渣以很高的速度落入熔池，并与熔化后的母材金属相混合或接触，同时各相间的物理化学反应继续进行，直至金属凝固，形成焊缝。,第一节 焊接理论,2. 气相对焊缝金属的影响 3. 熔渣及其对金属的作用 熔渣在焊接过程中的作用有保护熔池、改善工艺性能和冶金处理等三个方面。,第一节 焊接理论,三、焊接接头的金属组织和性能 1. 焊缝的组织和性能 焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的，由于结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成的晶粒是柱状晶，柱状晶粒的生长方向与最大冷却方向相反，垂直于熔池底壁

6、。焊缝金属的力学性能可高于基体金属 。,第一节 焊接理论,2. 热影响区的组织和性能 在电弧热的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。图6-5为低碳钢焊接时热影响区组织变化示意图。按组织变化特征，其热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。 3. 改善焊接接头组织性能的方法,第一节 焊接理论,四、焊接过程模拟 （1）焊接热过程的数值模拟 （2）焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟 （3）焊接应力和应变发展过程的数值模拟 （4）非均质焊接接头的数值模拟 （5）焊接熔池形状和尺寸的数值模拟 （6）焊接过程的物理模拟,第一节 焊接理论,第二节 常用连接工艺 工

7、业上使用的焊接和连接方法有几十种，如图6-6所示。 一、熔化焊 在液态下进行焊接时，母材接头被加热到熔化温度以上，它们在液态下相互融合，冷却时便凝固在一起，这就是熔化焊接(Fusion Welding)。,第二节 常用连接工艺,1. 埋弧自动焊 埋弧自动焊(Submerged Arc Automatic Welding)是电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。 埋弧自动焊的焊接过程如图6-7和图6-8所示。 埋弧自动焊与焊条电弧焊相比具有生产率高、焊接质量高而且稳定、节省金属材料、劳动条件好等优点，但是埋弧自动焊的灵活性差。埋弧自动焊可焊接碳钢、低合金钢、不锈钢和纯铜等，适用于较厚的板料

8、(660mm)的长、直焊缝和直径大于250mm环形焊缝的焊接。生产批量越大，使用埋弧自动焊的经济效益越佳。,第二节 常用连接工艺,2. 气体保护电弧焊 气体保护电弧焊(Gas Shielded Arc Welding)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。用作保护介质的气体有氩气、氦气、二氧化碳，以及这些气体的混合气。 （1） 熔化极气体保护电弧焊 熔化极气体保护电弧焊(Gas Metal Arc Welding ,GMAW)以连续送进的焊丝作为电极，并利用电弧热将焊件熔化，并由焊炬喷嘴喷出的气体保护下形成焊缝，如图6-9。 （2） 钨极气体保护电弧焊 钨极气体保护电弧焊(Ga

9、s Tungsten Arc Welding，GTAW)是一种不熔化极气体保护电弧焊，是利用高熔点的钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。 钨极惰性气体保护焊(TIG)是用氩气或氦气等惰性气体进行保护的GTAW焊接方法，如图6-10所示。,第二节 常用连接工艺,3. 电渣焊 电渣焊(Electro-slag Welding)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化焊接方法。 电渣焊总是在垂直立焊位置进行焊接，丝极电渣焊的焊接过程如图6-11所示。,第二节 常用连接工艺,二 压力焊 在固态下进行焊接时，可以利用压力将母材接头焊接，加热只起着辅助作用，有时不加热，有时加热到接

10、头的高塑性状态，甚至使接头的表面薄层熔化，这便是压力焊接(Pressure Welding)。 1. 电阻焊 电阻焊(Resistance Welding)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。电阻焊按接头形式的不同，可分为点焊、缝焊、凸焊和对焊等类型，如图6-12(1)所示。,第二节 常用连接工艺,（1） 点焊 焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，形成焊点。如图6-12(2)a所示。 （2）凸焊 凸焊是由点焊演化而来，通常是在两板件之一上冲出凸点，然后进行焊接。 （3）缝焊 缝焊与点焊原理相似，只是其电

11、极为一对转动的铜滚轮。焊件在转动滚轮作用下，边焊接边前进，使焊缝相互连接形成连续的焊缝。 （4）对焊 对焊是利用电阻热使两被焊工件沿整个接触面焊合的电阻焊接工艺方法，可分为电阻对焊和闪光对焊。,第二节 常用连接工艺,2. 摩擦焊 摩擦焊(Friction Welding)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起的焊接方法。 摩擦焊焊接过程如图6-13所示。,第二节 常用连接工艺,三、钎焊 在接头之间加入熔点远较母材低的合金，局部加热使这些合金熔化，借助于液态合金与固态接头的物理化学作用而达到焊接的目的，这便是钎焊(Soldering Power

12、：6KW,LARA52型： Chamber dimensions： 350600800； Operating voltage：60KV; Power：30KW,第三节 现代焊接与切割方法,成都飞机制造厂,由北京航空制造工程研究所研制，其主要部件电子枪是德国 Steigerwald Strahltechnik公司合作生产的高压型电子束焊机。 控制系统为西门子的SIMATIC S7-400容错PLC 设备加速电压可调节范围为70150Kv，电子束流可调节范围为0200mA，焊接速度可调节范围为050mm/s；真空室尺寸8200mm4000mm2000mm，容积65.6m3，电子束功率30KW。,Z

13、D150-30C CV65M 电子束焊机,第三节 现代焊接与切割方法,电子束焊接的应用,电子束焊接后的铜触头半成品，熔深11mm， 从背面痕迹可见功率的控制非常准确,未焊接之前的铜触头,第三节 现代焊接与切割方法,真空电子束焊在汽车转动件的应用,第三节 现代焊接与切割方法,二、激光焊接与切割 1.激光焊接 激光焊接：是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。,第三节 现代焊接与切割方法,激光焊接原理及应用,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,激光焊接的主要特性： 1、速度快、深度大、变形小。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置

14、单。3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1 最高可达10：1。5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定 位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。6、可焊接难以接近的部位施行非接触远距离焊接具有很大的灵活性。7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多 工位加工，为更精密的焊接提供了条件。,第三节 现代焊接与切割方法,激光焊接应用举例,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,6-轴机器人

15、YAG激光焊接汽车顶棚（VOLVO）,第三节 现代焊接与切割方法,三维空间轨迹机器人加工系统,第三节 现代焊接与切割方法,2.激光切割 激光熔化切割：与升华切割相比所需的功率较小，这是因为材料只是熔化并随着惰性气体喷射从切口中吹出。 激光火焰切割：能够获得相当高的加工速度，尤其对于低合金钢材料。相对于前两种切割方法使用惰性气体，激光火焰切割使用的是纯氧。将材料加热到燃烧温度之上，直到发生放热反应为切割过程提供能量。火焰切割所需的能量大约只是升华切割的1/20。,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,激光切割的特点： 1、可以切割任何材料（金属、非金属）； 2、切割质量高，切口

16、表面质量可达到机械加工的中等程度 3、可以实现平面、空间曲面、复杂图形的切割； 4、切割速度快、生产效率高； 5、在中、小批量的板材下料方面，替代冲压加工 6、与CT技术结合，实现模具快速制造,第三节 现代焊接与切割方法,激光切割应用举例,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,第三节 现代焊接与切割方法,三、扩散焊 扩散焊原理 在一定温度和压力条件下，相互接触待焊接头表面通过微观塑性变形或在待焊面形成微量液相而使待焊面原子充分的物理接触，然后经长时间的原子相互扩散来实现冶金结合。 扩散焊应用及

17、优点： a.焊接质量高，焊后无需加工，可实现自动化，无塑性变形，可焊一些其他方法无法焊的材料。 b.扩散焊主要应用于一些特种材料、特殊结构制造，如航空航天工业、电子工业、核工业。 扩散焊缺点： 设备投资大，焊接时间长，表面准备耗力大，对焊缝的焊合质量无可靠无损检测手段。,第三节 现代焊接与切割方法,固相扩散焊 液相扩散焊 扩散焊原理示意图,第三节 现代焊接与切割方法,扩散焊可焊的材料,第三节 现代焊接与切割方法,真空扩散焊设备,扩散焊的应用,第三节 现代焊接与切割方法,第四节 各种材料的连接 一、金属材料的焊接 1. 金属材料的焊接性(可焊性) （1）焊接性的概念 一定焊接技术条件下，获得优质

18、焊接接头的难易程度，即金属材料对焊接加工的适应性称为金属材料的焊接性(Weldability)。,第四节 各种材料的连接,（2）焊接性的评价 1）碳当量法 碳当量是把钢中的合金元素(包括碳)的含量，按其作用换算成碳的相对含量。国际焊接学会推荐的碳当量(CE)公式为： 式中(C)、(Mn)等碳、锰等相应成分的质量分数(%)。 一般来说，碳当量越大，钢材的焊接性越差。当CE0.6时，钢材的塑性变差。淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性更差。,第四节 各种材料的连接,2)冷裂纹敏感系数法 冷裂纹敏感系数的式为： 式中PW冷裂纹敏感系数； h板厚； H100g焊缝金属扩散氢的含量(mL)。 冷裂纹敏感系数越大

19、，则产生冷裂纹的可能性越大，焊接性越差。,第四节 各种材料的连接,2.常用的金属焊接 （1）低碳钢的焊接 低碳钢的CE小于0.4，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，焊接性良好。,第四节 各种材料的连接,（2）中、高碳钢的焊接 中碳钢的CE一般为0.40.6，随着CE的增加，焊接性能逐渐变差。高碳钢的CE一般大于0.6，焊接性能更差 。 通常采取以下技术措施： 1)焊前预热、焊后缓冷 2)尽量选用抗裂性好的碱性低氢焊条，也可选用比母材强度等级低一些的焊条，以提高焊缝的塑性。 3)选择合适的焊接方法和规范，降低焊件冷却速度。,第四节 各种材料的连接,（3）普通低合金钢的焊接 屈服强度2

20、94392MPa的普通低合金钢，其CE大多小于0.4%，焊接性能接近低碳钢。焊接16Mn钢的预热条件如表 6-3所示。 强度等级较高的低合金钢，其CE=0.4-0.6%，有一定的淬硬倾向，焊接性较差。 （4）奥氏体不锈钢的焊接 （5）铸铁的焊补 （6）铝及铝合金的焊接 （7）铜及铜合金的焊接,第四节 各种材料的连接,二、塑料的焊接 将分离的塑料用局部加热或加压等手段，利用热熔状态的塑料大分子在焊接压力作用下相互扩散，产生范德华作用力，从而紧密地连接在一起，形成永久性接头的过程称为塑料的焊接。 1. 热气焊 利用热气体(在大多数情况下即热风)对塑料表面加热，并通过手动或机械方式对焊接区施加焊接压

21、力，从而进行焊接的方法称为热气焊。,第四节 各种材料的连接,2. 超声波焊接 塑料超声波焊接的原理是使塑料的焊接面在超声波能量的作用下作高频机械振动而发热熔化，同时施加焊接应力，从而把塑料焊接在一起，如图6-18所示。 塑料超声波焊接的焊接面预加工有一些特殊的要求，在焊接面上，常设计有带尖边的超声波能量定向唇，又称导能筋，如图6-19所示。 3. 摩擦焊 塑料摩擦焊的原理与金属摩擦焊相同。 4. 挤塑焊,第四节 各种材料的连接,5. 光致热能焊接 以一束聚焦但频带不相干的光源对被焊材料的表面加热，以光致热能熔化表面层塑料，同时手动或机械操纵作用焊接压力，从而实现焊接的方法称为光致热能焊接。 6

22、. 热工具焊 利用一个或多个发热工具对被焊塑料的表面进行加热，直至其表面层充分熔化，然后在压力作用下进行焊接的方法称为热工具焊。热工具焊是应用最广泛的塑料焊接方法。,第四节 各种材料的连接,三、异种材料的连接 几种被粘材料适用的胶粘剂如表6-4所示。,第四节 各种材料的连接,第五节 焊接结构及工艺性 一、焊接结构材料的选择 1.碳素结构钢 碳素结构钢按其含碳量的不同分为3类，见表6-5。 2.低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢包括一般低合金结构钢和其他优质低碳低合金高强度钢，其强度高于含碳量相当的碳素钢，但塑性、韧性和焊接性良好。 3.微合金高强度高韧性控轧控冷结构钢(TMCP+AcC)

23、4.超高强度结构钢,第五节 焊接结构及工艺性,二、焊缝的布置 1. 焊缝位置应方便焊接操作和检验 焊缝布置应考虑焊接操作时有足够的空间，以便于施焊和检验。图6-20为几种焊接方法布置焊缝位置时合理与不合理的方案。 在焊接操作时，根据焊缝在空间位置的不同，可分为平焊、横焊、立焊和仰焊操作。图6-21为上述操作方法示意图。 2. 焊缝应尽量分散布置，避免密集和汇交 密集交叉的焊缝容易导致接头组织和性能恶化，产生应力集中和焊接变形。图6-22中的图a)焊缝布置不合理，应改为图b)中的焊缝位置。,第五节 焊接结构及工艺性,3. 焊缝布置应尽量对称 对称的焊缝布置，可使焊接变形互相约束、抵消而减轻变形程

24、度。例如，图6-23所示的焊件。 4. 应避免母材厚度方向工作时受拉 因母材厚度方向强度较低，受拉时易产生裂纹，应合理安排焊缝，如图6-24所示。,第五节 焊接结构及工艺性,5. 焊缝布置应避开最大应力和应力集中位置 对于受力较大、较复杂的焊接构件，在最大应力和应力集中的位置不应布置焊缝，如图6-25所示的大跨度焊接横梁的焊缝的布置及图6-26所示的压力容器的焊缝的布置，图6-27所示的焊缝布置。 6. 焊缝布置应避开机械加工表面 如果焊接结构的某些部位要求较高精度，而且必须在加工以后才能进行焊接，此时焊缝布置应避开机械加工的表面，使已加工表面的加工精度不受影响(图6-28)、,第五节 焊接结

25、构及工艺性,三、焊接接头及其设计 1.焊接接头的特点 图6-29为三类接头的典型形式。 2. 接头形式 焊接接头的基本类型实际上共有五种，即对接接头、T形(十字)接头、搭接接头、角接接头和端接接头，如图6-30所示。 3. 坡口形式 常用的坡口形式如图6-31所示。 4.焊接接头的力学性能 图6-32示出典型结构钢超强匹配(即焊缝强度高于母材)的焊接接头各区的强度、塑性和韧性分布示意图，可见其各区性能有显著的不均匀性。 横向和纵向两种形式的焊接接头拉伸试样示于图6-33。,第五节 焊接结构及工艺性,四、焊接应力与变形 1. 焊接应力和变形产生的原因 在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热和冷

26、却是产生焊接应力和变形的根本原因。 焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊接残余变形。 2. 焊接变形的基本形式 焊接变形的形式因焊接件结构形状不同、其刚性和焊接过程不同而不同。最常见的如图6-34所示。,第五节 焊接结构及工艺性,3. 防止和减少焊接变形的措施 （1）合理设计焊接构件 （2）选择合理的焊接顺序 在焊接过程中，选择合理的焊接顺序能大大减少变形。 图6-35所示的拼板件，宜先焊错开的短焊缝，再焊直通的长焊缝，使短焊缝有较大的横向收缩余地，从而减小残余应力。 （3）采取必要的技术措施 反变形法是生产中常用的焊前预防方法，如图6-36所示。 焊后采用火焰对焊接构件局部加热，可矫正焊接中的变形，图6-37上给出在刚性较好的构件上（如如焊接工字梁、带纵缝的管件)局部加热的部位。 机械矫正法是利用外力使结构产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相抵消，达到消除焊接变形的目的，如图6-38。,第五节 焊接结构及工艺性,4. 减少与消除焊接应力的措施 实际上有些减少变形的方法同时也可以减少内应力。也可采用选择合理的焊接顺序、焊前预热、加热“减应区”和焊后热处理等措施。,第五节 焊接结构及工艺性,第六节 焊接质量