《授课教案》第四篇 金属焊接成形焊接生产4.docx
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《授课教案》第四篇金属焊接成形焊接生产4
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课程名称:
金属材料成形基础任课教师:
徐晓峰
第四篇金属连接成形(焊接生产)计划学时:
8
教学目的和要求:
本篇主要介绍了焊接成形工艺基础、各种常用焊接生产方法、常用焊接材料、焊接结构设计及先进工艺方法。
学完本篇要求学生了解并掌握焊接成形工艺基础、各种常用焊接生产方法、常用焊接材料、焊接结构设计及先进工艺方法。
重点:
重点为焊接成形工艺基础、常用焊接生产方法和焊接结构设计;。
难点:
难点为焊接成形工艺基础、常用焊接生产方法和焊接结构设计。
思考题:
1.何谓焊接电弧用交流电焊机与直流电焊机焊接时?
其电弧有何不同?
2.焊接低碳钢时,其焊接热影响区可分为哪几个?
区域其中哪个区域的性能最好?
哪个区域的性能最差?
为什么?
3.减小与消除焊接应力的措施有哪些?
减小与消除焊接变形的措施有哪些?
4.钎焊与熔化焊相比,其焊接过程的实质有何不同?
5.何谓金属材料的可焊性?
生产中常用什么方法评定钢材的可焊性?
6.当焊接材料确定后,应如何选择焊接方法?
(根据材料的可焊性、工件的厚度、生产批量、各种焊接方法的适用范围和现场条件)
第四篇金属焊接成型
概述
一、金属焊接成形
用加热、加压等工艺措施,使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用,从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。
二、焊接成形的分类
1.熔化焊:
电弧焊(手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊)、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等。
2.压力焊:
电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等。
3.钎焊:
软钎焊、硬钎焊。
三、焊接成形的特点
1.接头牢固、封性好。
2.可化大为小、以小拼大。
3.可实现异种金属的连接。
4.重量轻、加工装配简单。
5.焊接应力变形大,接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。
第一章金属焊接成形工艺基础
§1手工电弧焊的焊接过程
一、手工电弧焊的特点
1.设备简单、应用灵活方便。
2.劳动条件差、生产率低、质量不稳定。
二、手工电弧焊焊接过程
①引弧②形成熔池③形成焊缝
三、焊接电弧
1.焊接电弧的概念
在焊条末端和工件两极之间的气体介质中,产生强烈而持久的放电现象。
形成焊接电弧必须具备两个条件
使气体电离
阴极发射电子
当焊条末端和工件接触时,接触电阻R急剧增大,短路电流I也急剧增大。
使电阻热:
Q=I2Rt急剧增大。
电场强度:
E=V/d急剧增大。
从而使热的金属气体和空气产生热电离和碰撞电离。
焊接电弧的稳定燃烧—就是带点粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。
2.电弧的构造及热量分布
阴极区:
2400k36%
阳极区:
2600k42%
弧柱区:
中心5000~8000k21%
3.电弧的极性
直流电源正接极:
工件—正极(阳极);焊条—负极(阴极)。
直流电源反接极:
工件—负极(阴极);焊条—正极(阳极)。
§2焊接接头金属的组织与性能
一、熔焊过程冶金特点
1.熔池金属温度高于一般冶金温度。
使金属元素强烈蒸发、烧损。
2.熔池金属冷却快,处于液态的时间短。
化学成分不均匀;焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。
O2
3.空气对焊缝的影响严重。
1)O2:
C+[O]CO;Fe+[O]FeO;
Mn+[O]MnO;Si+[O]SiO2
氧化的结果:
①合金元素被烧损;②焊缝产生夹渣的缺陷;
③形成CO气孔。
2)N2:
N2[N]
Fe+[N]Fe4N;使接头的塑性、韧性下降。
3)H2:
H2[H];氢气孔氢脆
二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施
1.减少有害气体进入熔池;
2.渗入合金元素;
3.清除已进入熔池的有害元素。
三、电焊条
1.电焊条的组成及作用
焊缝的填充材料填充焊缝
电极传导电流导电
焊条芯
电焊条
机械保护的作用
药皮
冶金的作用
稳定电弧的作用
药皮的种类:
①氧化钛型;②氧化钛钙型;③钛铁矿型;④氧化钛型;⑤纤维素型;⑥低氢钾型;⑦低氢钠型;⑧石墨型;⑨盐基型。
2.电焊条的分类
结构钢焊条—J;钼和铬耐热钢焊条—R;
低温钢焊条—W;不锈钢焊条—A;
堆焊焊条—D;铸铁焊条—Z;
镍及镍合金焊条—Ni;铜及铜合金焊条—T;
铝及铝合金焊条—L;特殊用途焊条—TS
酸性焊条:
在熔渣中以酸性氧化物为主(TiO2、SiO2、Fe2O3)
碱性焊条:
在熔渣中以碱性氧化物为主(K2O、Na2O、CaO、MnO)
三、电焊条的选用
1.根据被焊工件的强度选用;
2.根据被焊工件的化学成分选用;
3.根据被焊工件工作条件和结构选用;
4.根据实际生产状况选用。
四、焊接接头金属组织与性能
1.焊接热循环
2.焊接接头金属组织与性能的变化
焊接接头:
1)焊缝区;2)焊接热影响区。
1)焊缝区
熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。
2)焊接热影响区
焊缝两侧的母材,由于焊接热的作用,其组织和性能发生变化的区域。
①熔合区:
是焊缝和母材金属的交界区。
(0.1-1mm)
加热温度:
T液~T固
强度、塑性、韧性极差,是裂纹和局部脆断的发源地。
②过热区:
在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。
(1-3mm)
加热温度:
T固~1100℃
塑性和韧性很低,是裂纹的发源地。
③正火区:
在热影响区内相当于受到正火处理的区域。
(1.2-4mm)
加热温度:
1100℃~AC3;力学性能优于母材。
④部分相变区:
在热影响区内发生部分相变的区域。
加热温度:
AC3~AC1;力学性能较母材稍差。
力学性能最差的区域:
熔合区和过热区
3)减小和消除焊接热影响区的方法:
①小电流、快速焊接;
②采用先进的焊接方法;
③焊前预热、焊后热处理(正火)。
五、焊接应力与变形
(一)焊接应力与变形产生的原因
焊接应力与变形产生的根本原因是:
焊件(工件)在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。
Ⅰ
Ⅱ
焊接应力状态:
焊缝区域—拉应力
两侧冷金属—压应力
焊接变形:
焊件整体缩短L’
(二)焊接变形的基本形式
1.收缩变形;2.角变形;3.弯曲变形;4.扭曲变形;5.波浪形变形
(三)焊接应力与变形的防止
1.焊接应力的防止及消除措施
1)设计时,焊缝不要密集交叉,截面和长度也应尽可能小。
2)合理选择焊接顺序。
①(Ⅰ—Ⅱ)—Ⅲ;②(Ⅰ—Ⅲ)—(Ⅱ—Ⅲ)
3)锤击或碾压焊缝。
4)采用小能量、多层焊。
5)焊前预热(150℃~350℃)。
6)焊后热处理(去应力退火)。
可消除应力80%左右
2.焊接变形的防止及矫正措施
1)设计时,焊缝不要密集交叉,截面和长度也应尽可能小。
2)合理选择焊接顺序。
1—4—3—21—2—3—4
1—4—5—2—3—6
3)加裕量法。
4)反变形法。
5)采用焊前刚性固定法。
6)采用合理的焊接规范(小电流、快速焊接)。
7)焊接变形的矫正:
①机械矫正;②火焰矫正。
六、金属材料的焊接性
1.金属材料的焊接性
指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下,获得优质焊接接头的难易程度。
焊接接头产生工艺缺陷的倾向。
尤其指出现各种裂纹的可能性。
①工艺焊接性:
焊接接头在使用中的可靠性。
包括力学性能及其它特殊性能。
焊接性
②使用焊接性:
2.影响焊接性的因素
1)焊接方法;2)焊接材料;3)焊件化学成分;4)工艺参数。
3.焊接性的评定方法
1)实验法
十字接头试验法、Y型坡口试验法、“小铁研”试验法等。
2)碳当量估算法
C—影响最显著—基本元素
其它元素—折合成碳的相当含量对焊接性的影响
CE=C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15
CE<0.4%—具有良好的焊接性;
CE=0.4%~0.6%—焊接性较差;
CE>0.6%—焊接性差。
第二章金属的焊接成形方法
§1熔化焊
一、埋弧自动焊
1.埋弧自动焊设备及焊接过程
设备:
1)焊接电源;
2)控制箱;
3)焊接小车。
焊接热源:
电弧热
溶池保护:
焊剂(气、渣)
2.埋弧自动焊工艺
1)焊前准备
板厚在20~25mm以下的工件可不开坡口;但在实际生产中,板厚在14~22mm应开Y型坡口,半厚在22~50mm,可开双Y型坡口或U型坡口。
环焊缝:
焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a;(a=20~40mm)。
直径小于250mm一般不采用埋弧焊。
2)采取防漏措施
①双面焊;②手工电弧焊封底;③焊剂垫;④采用锁底坡口;⑤水冷铜垫板。
3)要有引弧板和引出板
3.埋弧自动焊工艺特点
1)生产率高(手弧焊的5~10倍)。
2)焊接质量高且稳定。
3)节约金属材料、生产成本低。
4)劳动条件好。
5)只能在水平位置焊接。
应用:
主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。
如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械(高炉炉身)等的焊接。
二、气体保护焊
1.氩弧焊
利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。
焊接热源:
电弧热;保护介质:
Ar。
Ar:
①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷;
②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷;
③比重大于空气(25%)。
1)熔化极氩弧焊:
适于25mm以下的工件。
2)非熔化极氩弧焊:
适于6mm以下工件的焊接。
3)氩弧焊的特点及应用
①机械保护效果好,焊缝金属纯净,焊缝成形美观,焊接质量优良。
②电弧燃烧稳定,飞溅小。
③焊接热影响区和变形小。
④可进行全位置焊接。
⑤氩气昂贵,设备造价高。
应用:
适用所有金属材料的焊接。
适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。
如:
铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。
2.CO2气体保护焊
以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。
焊接热源:
电弧热;保护介质:
CO2。
CO2:
①与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷;
②溶解于液体金属中—产生CO气孔缺陷;
③比重大于空气(25%)。
1)存在问题
①氧化严重;②气孔倾向大(CO);③飞溅严重。
2)CO2气体保护焊的特点及应用
①生产率高(是手弧焊的1~3倍)。
②成本低(是手弧焊的40%)。
③焊接热影响区和变形小。
④可进行全位置焊接。
⑤飞溅严重,焊缝成形差。
应用:
适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。
目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。
三、电渣焊
利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热,同时加热熔化焊丝和金属母材的焊接方法。
焊接热源:
电阻热;
保护介质:
液态熔渣。
1.焊接过程
2.焊接特点及应用
1)大厚度工件可一次焊成。
单丝—40~60mm;单丝摆动—60~150;
三丝摆动—450mm;板极电渣焊—
2)生产率高,成本低。
3)焊接质量好。
4)热影响区大。
—焊后热处理。
应用:
①适用于碳钢、合金钢、不锈钢等材料;
②适用于厚大工件。
厚度大于40mm的大型结构件。
§2压力焊
通过加压、或同时加热加压,使焊件产生塑性变形,并经再结晶和扩散作用,使两部分金属达到原子间的结合,实现连接的焊接方法。
一、电阻焊
对组合焊件经电极加压,利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热,实现焊接。
1.点焊
工艺参数:
电极压力;焊接电流;通电时间。
焊点距离:
太近—分流现象严重;
太远—强度不够。
应用:
4mm以下的薄板搭接。
2.缝焊
应用:
3mm以下的薄板搭接。
如:
密封的容器(油箱、水箱等)、管道等。
3.对焊
主要用于棒料的对接。
1)电阻对焊
应用:
用于断面简单,直径(或边长)小于20mm或强度要求不太高的工件。
2)闪光对焊
应用:
用于重要工件的焊接。
可焊相同金属,也可焊异种金属(铝—钢、铝—铜等)。
工件直径—0.01mm~200mm。
二、摩擦焊
1.摩擦焊焊接过程
2.摩擦焊接头型式
3.特点及应用
①质量稳定;
②不需填充金属及焊剂;
③生产率高,易实现自动化。
应用:
适用于黑色金属、有色金属;
也适用于特种材料、异种材料
焊接。
§3钎焊
是将钎料熔化,利用液态钎料湿润母材,填充接头间隙并与母材相互扩散,冷凝后实现连接的焊接方法
一、钎焊的种类
1.软钎焊
钎料的熔点在450℃以下。
接头强度低,一般为60~190MPa,工作温度低于100℃
2.硬钎焊
钎料的熔点在450℃以上。
接头强度高,在200MPa以上,工作温度较高。
二、钎料和溶剂
1.钎料
钎料的作用:
①连接;②填充。
钎料的种类:
①软钎料:
锡铝合金(焊锡)
②硬钎料:
铝基、铜基、银基、镍基合金等。
2.溶剂
溶剂的作用:
①清理作用—去除表面氧化皮
②降低表面张力—改善液态钎料对焊件的湿润性。
③保护作用
三、钎焊的特点及应用
1.加热温度低,接头组织、性能变化小;焊接变形小,工件尺寸精确。
2.可焊同种、异种金属和厚薄悬殊的工件。
3.生产率高。
易于实现自动化。
4.设备简单,生产投资费用少。
应用:
主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属的焊接。
目前:
软钎焊广泛用于电子、电器、仪表等行业;硬钎焊用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。
第三章常用金属材料的焊接
§1碳钢的焊接
1.低碳钢的焊接
低碳钢:
C<0.25%;CE<0.4%;焊接性良好。
2.中碳钢的焊接
中碳钢:
C<0.25~0.60%;CE<0.4%CE=0.4%~0.60%
焊接性由良好较差。
问题:
焊缝区易产生热裂纹;热影响区易产生冷裂纹。
措施:
焊前预热(150~250℃),焊后缓冷。
选用低氢型焊条。
焊件开坡口,且采用细焊条、小电流、多层焊。
3.高碳钢的焊接
高碳钢:
C>0.60%;CE>0.60%;焊接性差。
问题:
焊缝区易产生热裂纹;热影响区易产生冷裂纹。
措施:
焊前预热(250~350℃),焊后缓冷。
选用低氢型焊条。
焊件开坡口,且采用细焊条、小电流、多层焊。
避免选用高碳钢作为焊接结构件。
§2合金结构钢的焊接
合金结构钢:
机械制造用结构钢—(调质钢、渗碳钢)
普通低合金结构钢—(压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。
)
普通低合金结构钢:
1)低强度普通低合金结构钢:
σs<400MPa;CE<0.4%;焊接性良好。
16Mn、09Mn2Si
2)高强度普通低合金结构钢:
σs>400MPa;CE<0.4%~0.5%;焊接性较差。
15MnVN、18MnMoNb、14MnMoV
焊前预热(150~250℃),焊后缓冷;选用低氢型焊条;焊件开坡口,且采用细焊条、小电流、多层焊。
§3铸铁的焊补
一、铸铁焊补的特点(困难)
1.熔合区易产生白口组织和淬硬组织;
2.焊缝区易产生裂纹;
3.焊缝区易产生气孔;
4.熔池金属易流失;
二、铸铁焊补的方法
1.热焊法
焊前将焊件整体或局部预热至600~700℃并施焊,焊后缓冷。
用于形状复杂,焊后需要机械加工的重要件。
如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等
2.冷焊法
焊前不预热或低温预热(400℃)的焊补方法。
焊条:
①钢芯铸铁焊条—适用于非加工表面的焊补。
②石墨化铸铁焊条—适用于较大灰口铸铁件的焊补。
焊缝性能与母材基本相同,具有良好的加工性。
③铜基铸铁焊条—主要用于一般铸铁件的焊补。
抗裂性好,可进行机械加工。
④镍基铸铁焊条—主要用于重要件加工表面的焊补。
具有良好的抗裂性与加工性
⑤高钒铸铁焊条—主要用于一般铸铁件的焊补。
可进行机械加工、塑性和抗裂较好。
§4有色金属的焊接
一、铝及铝合金的焊接
1.铝及铝合金的焊接特点
1)易氧化;2)易产生气孔;3)易变形开裂;4)接头易软化。
2.铝及铝合金的焊接方法
氩弧焊、气焊、钎焊、电阻焊。
二、铜及铜合金的焊接
1.铜及铜合金的焊接特点
1)难熔合;2)易氧化;3)易产生气孔;4)易变形开裂。
2.铜及铜合金的焊接方法
氩弧焊、气焊、钎焊、碳弧焊。
第四章焊接成形金属件的工艺设计
§1焊接结构材料的选择
1.优先选用低碳钢和低强度低合金钢;
2.对于重要件应有先选用镇静钢;
3.尽量选用同一牌号的材料;
4.材料的厚度最好相等;
5.尽量选用型材。
§2焊接方法的选择
焊接方法的选择应充分考虑材料的焊接性、焊件厚度、焊缝长短、生产批量及焊接质量等因素。
§3接头工艺设计
一、接头形式的设计
1.对接接头;2.搭接接头;3.角接接头;4.T字接接头
对接接头—接头受力简单、均匀,应力集中较小,强度较高,优先选用。
搭接接头—接头强度好。
但受力复杂,应力集中严重,易产生焊接缺陷。
二、坡口形式的设计
不同厚度的工件焊接时:
三、焊缝的布置
1.焊缝应避免密集交叉
2.焊缝应对称分布
3.焊缝应避开应力集中处和最大应力处
4.焊缝应远离机械加工表面
5.焊缝的布置应便于焊接操作