金属连接成形pptConvertor要点Word文件下载.docx

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1金属连接成形原理

二、连接成形的特点

与切削加工、压力加工、铸造、热处理一起构成了现代金属加工技术。

在汽车、船舶、飞机、航天、石油化工、桥梁、建筑、交通、电力电子等部门得到广泛的应用。

与铆接比有如下特点：

1、连接性能好。

焊接接头的力学性能、耐高低温、高压性能和导电性、耐腐蚀性、耐磨性、密封性等均可达到与母材性能一致。

例，120万kW核电站锅炉，外径6400mm，壁厚200mm，高13000mm，耐压17.5MPa。

使用温度350℃，接缝不能泄漏。

应用焊接方法可制造出了满足上述要求的结构。

2、与铆接相比，结构重量轻，节约材料，制造周期短，成本低。

简化工艺，能以小拼大，被喻为神奇的“钢铁裁缝”。

3、焊接的不足之处

①结构无可拆性。

②焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化；

焊接接头产生焊接残余应力、焊接变形和焊接裂纹等缺陷。

③焊接缺陷的隐避性，如裂纹、气孔、未熔合和未焊透、夹渣等，容易导致焊接结构的早期破坏。

如比利时大桥、采油平台、储罐等。

（一）液相焊接

利用热源加热待焊部位，使之发生熔化，凝固结晶后实现原子间结合。

熔化焊属于最典型的液相焊接。

除了被连接的母材（同质或异质）、还可填加同质或非同质的填充材料。

常用的填充材料是焊条或焊丝。

2连接成形途径和方法

一、焊接方法的分类

大多数焊接方法都需要借助加热或加压。

或同时实施加热和加压，以实现原子结合。

从冶金的角度来看，可将焊接分为三大类：

（二）固相焊接

固相焊接属于典型的压力焊方法。

因为固相焊接时，必须利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊表面的温度升高（但一般低于母材金属熔点），通过调节温度、压力和时间以保证充分进行扩散而实现原子间结合。

在预定的温度（利用电阻热、摩擦热、超声振荡等）紧密接触时，金属内的原子获得足够能量、增大活动能力，可在待焊界面上进行相互扩散，从而形成固相连接接头。

（三）固－液相焊接

固－液相焊接，就是待焊表面并不直接接触，而是通过两者毛细间隙中的中间液相相互联系。

于是，在待焊的同质或异质固态母材与中间液相之间存在两个固－液界面，通过固－液相间原子充分扩散，可实现原子间的结合。

钎焊即属此类，形成中间液相的填充材料称为钎料。

根据钎料熔点不同可分为：

（1）软钎焊熔点低于450℃的锡基钎料；

（2）硬钎焊熔点高于450℃的铜基钎料。

二、焊接热源的种类及特征

1、电弧热利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，是目前焊接热源中应用最为广泛的一种，如手工电弧焊、埋弧自动焊等。

2、化学热利用可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂燃烧时所产生的热量作为焊接热源，如气焊。

这种热源在一些电力供应困难和边远地区仍起重要的作用。

3、电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻焊和电渣焊。

采用这种热源所实现的焊接方法，都具有高度的机械化和自动化，有很高的生产率，但耗电量大。

4、高频热源对于有磁性的被焊金属，利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实质上也属电阻热。

由于这种加热方式热量高度集中，故可以实现很高的焊接速度，如高频焊管等。

5、摩擦热由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源，如摩擦焊。

6、电子束在真空中，利用高压高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源，如电子束焊。

7、激光束通过受激辐射而使放射增强的单色光子流，即激光，它经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源。

焊接方法

熔化焊

压力焊

钎焊

气焊

电弧焊

电渣焊

电子束焊

激光焊

手工电弧焊

气体保护焊

埋弧焊

氩弧焊

CO2焊

电阻焊

摩擦焊

扩散焊

高频焊

点焊

缝焊

对焊

烙铁钎焊

火焰钎焊

炉中钎焊

焊接方法的分类

3熔焊原理及过程

一、熔化焊的本质及特点

所有的焊接方法中，熔焊是目前焊接生产中应用最多的一类焊接方法。

对大型、高参数（高温、高压下运行）设备，如大吨位船舶、舰艇、发电设备、核能装置、锅炉、化工容器等的制造中，几乎全部采用熔焊。

熔化焊是焊接利用热源将分离的两个固态物质局部加热到熔化状态，形成熔池，随热源的移动，熔池也随之移动，熔池中的液态金属逐步冷却结晶后形成焊缝，从而将两个焊件连接成一个整体的焊接方法。

其实质是达到原子间距0.3~0.5nm。

在熔焊过程中，焊接热源首先将焊接处的母材及填充金属加热熔化形成熔池，熔池金属与周围的高温固体母材金属紧密接触，充分的浸润，待焊接热源离开，温度降低，液态的熔池金属冷却凝固，形成同母材长合在一起的联生结晶，成为原子结合的接头。

形成熔池形成焊缝和接头

二、熔化焊的三要素

1、热源

能量要高度集中，温度要高。

以保证金属快速熔化，减小热影响区。

常用的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。

2、熔池的保护

可分为渣保护、气保护和渣—气联合保护三种方式。

起到防止氧化，脱氧、脱硫、脱磷和焊缝合金化作用。

3、填充金属

保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能。

主要有焊芯和焊丝。

三、焊接接头的组织与性能

1-焊缝区

2-熔合区

3-热影响区

4-母材

熔焊热源在熔化焊缝区金属的同时，向工件金属传导热量，必然引起附近未熔化区域金属的组织和性能发生变化。

这个受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域叫热影响区。

低碳钢一般分为四个区域：

熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

（一）不易淬火钢

低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢）的HAZ（HeatAffectedZone）可分为四个区：

1、熔合区

也叫做半熔化区。

是焊缝与母材相邻的部位（温度处于固液相线之间），范围很窄。

在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。

Q235双面埋弧焊

20×

2、过热区

温度范围处在固相线以下1100℃左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大现象，冷却之后得到粗大的魏氏组织。

韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。

加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或渗碳体从奥氏体晶界沿一定晶面向晶内生长并呈针片状析出。

452×

3、相变重结晶区

也叫正火区。

母材金属加热到Ac3温度以上的区域，发生重结晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体。

在HAZ中塑性和韧性都最好，所处的温度范围约在Ac3~1000℃之间。

20钢双面埋弧焊

4、不完全重结晶区

热影响区中处于Acl~Ac3之间范围内。

只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。

晶粒大小和组织不均匀，力学性能不佳。

250X

（二）易淬火钢

1、完全淬火区

处于Ac3以上的区域。

钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马氏体）。

靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体。

相当于正火区的部位得到细小的马氏体。

15MnV

600×

过热区：

板条M+A′

焊缝区和过热区

2、不完全淬火区

母材被加热到Acl~Ac3温度之间的热影响区。

原铁素体保持不变，有不同程度的长大，形成马氏体-铁素体的组织。

3、回火区（低于Acl以下的区域）

如果母材在焊前是调质状态，低于焊前调质温度的部位，其组织性能不发生变化。

热影响区高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象（也叫回火软化区）。

5000×

30CrSiNiMoVA过热区电镜

焊缝属铸态组织，由于按等强原则选择的焊接材料，强度不低于母材，韧度也接近母材，只是塑性略有降低。

塑性和韧度最低区域是熔合区和过热区。

原因是晶粒粗大、拉应力也最大，是接头中最薄弱的部位。

改善的途径是：

合理选择焊接方法、接头形式与焊接规范；

控制焊后冷却速度；

尽量减小热影响区范围、细化晶粒以降低脆性；

可焊后热处理改善接头的组织和性能；

尽量选择低碳、低氢的焊接材料和低碳、低硫和磷的母材。

（三）改善焊接接头组织和性能的途径

由于焊接局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，导致在焊接结构内部产生了焊接应力与变形。

焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因；

焊接变形使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能。

变形是物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化。

应力是存在于物体内部的、受外力作用或其他因素引起物体内部之间相互作用力，叫做内力。

物体单位截面积上的内力叫做应力。

四、焊接应力与变形

（一）焊接应力与变形产生的原因

1、焊件的不均匀受热

（1）长板条中心加热引起的应力与变形

①基本规律：

加热时，焊缝区受压应力，两

边受拉应力，焊件沿焊缝长度方向增长。

②基本原因：

焊接时对焊件进行了局部不均

匀加热，焊接区金属的膨胀、收缩受到阻碍所致。

（2）长板条一侧加热引起的应力与变形

2、焊缝金属的收缩

3、金属组织的变化

4、焊件的刚性和拘束

（二）焊接变形的种类及其影响因素

焊接变形分为5种基本变形形式：

收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。

焊接变形的基本形式

1、收缩变形

焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。

（1）纵向收缩变形

（2）横向收缩变形

横向收缩变形

纵向收缩变形

纵向收缩

2、角变形

角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。

3、弯曲变形

弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称、焊缝的收缩沿焊件宽度方向分布不均匀而引起的。

（1）纵向收缩引起的弯曲变形

（2）横向收缩引起的变曲变形

4、波浪变形

常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。

工字梁的扭曲变形

5、扭曲变形

产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。

（三）控制焊接变形和应力的措施

1、焊前预热

目的是减小各部分温差，降低接头冷却速度，从而减小焊接变形。

预热温度一般在400℃以下。

2、选择合理的焊接顺序

（1）尽量使焊缝自由收缩，减小残余应力

（2）对称焊缝采用分散对称焊

3、加热减应区

600~700℃。

在焊接前加热图示减应区，焊接后，整个框架在热塑性状态下缩短，应力释放。

图示中部杆件断裂，由于结构刚性大，焊缝不能自由收缩，焊接后仍易开裂，若选框架左右两杆中段为减应区，加热后框架膨胀并使断裂的间隙增大，焊后焊缝与减应区一起冷却收缩，这样就可以消除或减

小焊接应力。

被加

热的部位叫做“减

应区”。

适合于铸