压焊工艺（PPT57页）.ppt

1 压焊工艺 压力焊是指通过加热等手段使金属达到塑性状态 加压使其产生塑性变形 再结晶和扩散等作用 使两个分离表面的原子接近到晶格距离 0 3 0 5nm 形成金属键 从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法 热源形式为 电阻热 高频热 摩擦热等 力的形式为 静压力 冲击力 锻压力 和爆炸力等 压力焊为 冷压焊 扩散焊和热压焊 2 第一节电阻焊 一 电阻焊的原理 电阻焊是利用电阻热为热源 并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的 1 热源电阻热 Q I2Rt 焊接区的总电阻为 R Rc 2Rcw 2Rw 其中 Rc 焊件接触电阻 Rcw 电极与焊件间的接触电阻Rw 焊件电阻 3 2 影响接触电阻的因素 工件表面状态表面愈粗糙 氧化愈严重 接触电阻愈大 电极压力压力愈高 接触电阻愈小 焊前预热焊前预热将会使接触电阻大大下降 静压力用来调整电阻大小 改善加热 产生塑性变形或在压力下结晶 冲击力 锻压力 用来细化晶粒 焊合缺陷等 其压力变化形式有平压力 阶梯压力和马鞍形压力 其中马鞍形压力较为理想 1 接触电阻Rc 2Rcw 因接触面上存在的微观凹凸不平 氧化物等不良导体膜 使电流线弯曲变长 实际导电面积减小 2 压力 4 3 电阻焊过程 预压 通电加热 在压力下冷却结晶或塑性变形和再结晶 通电后 因两焊件间接触电阻的存在 贴合面处温度迅速上升到熔点以上 断电后 熔核立即开始冷却结晶 由于有维持压力或顶锻压力的作用 从而消除了缩孔和缩松等缺陷 并产生塑性变形和再结晶 细化晶粒 获得组织致密的焊点 电阻焊分为点焊 缝焊和对焊三种形式 电阻焊 5 2 电阻点焊 电阻点焊是用圆柱电极压紧工件 通电 保压获得焊点的电阻焊方法 1 点焊时的分流现象 点焊前先将表面清理好的两个工件预压夹紧 然后接通电流 电极为铜或铜合金材料 其内部通有冷却水 因此电极子会熔化 而两工件相互接触处则由于电阻热很大 温度迅速升高 金属熔化形成液态熔核 断电后 继续维持或加大压力 使熔核在压力下凝固结晶 形成组织致密的焊点 移动焊件 依次形成其他焊点 因已焊点形成导电通道 在焊下一点时 焊接电流一部分将从已焊点流过 使待焊点电流减少的现象称为分流 图11 4 分流减小了焊接电流 使焊点品质下降 6 从上式中可见 焊件愈厚 导电性愈好 则分流愈严重 因此 为防止分流 对不同的材质和板厚的材料 应满足不同的最小点距要求 见表11 1 7 点焊时的熔核偏移 在焊接不同厚度或不同材料时 因薄板或导热性好的材料 吸热少 而散热快 导致熔核偏向厚板或导热差的材料的现象称为熔核偏移 见图11 5 熔核偏移易使焊点减少 接头性能变差 可采用特殊电极和工艺垫片的措施 防止熔核偏移 如图11 6所示 8 点焊工艺参数 点焊的工艺参数为电流 压力和时间 大电流 短时间称为强规范 主要用于薄板和导热性好的金属的焊接 也可用于不同厚度或不同材质及多层薄板的点焊 小电流 长时间称为弱规范 主要用于稍厚板和淬火钢的点焊 9 点焊焊件都采用搭接接头 应用 点焊主要适用于厚度为4mm以下的薄板 冲压结构及线材的焊接 每次焊一个点或一次焊多个点 目前 点焊已广泛用于制造汽车 车厢 飞机等薄壁结构以及罩壳和轻工 生活用品等 10 3 电阻缝焊 缝焊是连续的点焊过程 它是用连续转动的盘状电极代替了柱状电极 焊后获得相互重叠的连续焊缝 图11 8 缝焊分流严重 通常采用强规范焊接 焊接电流比点焊大1 5 2倍 电阻缝焊 缝焊主要用于 低压容器的焊接 如汽车 摩托车的油箱 气体静化器等 11 四 对焊 先将工件夹紧并加压 然后通电使接触面温度达到塑性温度 950 1000 在压力下塑变和再结晶形成固态焊接接头 电阻对焊要求对接处焊前严格清理 所焊截面积较小 对焊是利用电阻热将杆状焊件端面对接的一种电阻焊工艺 电阻对焊 1 电阻对焊 一般用于钢筋的对接焊 12 2 闪光对焊先通电 后接触 因个别点接触 个别点通过的电流密度很高 可使其瞬间熔化或汽化 形成液态过梁 由于过梁上存在电磁收缩力和电磁引力及斥力而使过梁爆破飞出 形成闪光 闪光一方面排除了氧化物和杂质 另一方面使对口处的温度迅速升高 闪光对焊主要用于钢轨 锚链 管子等的焊接 也可用于异种金属的焊接 因接头中无过热区和铸态组织 所以性能高 当温度分布到合适的状态后 立刻施加顶锻力 将对接处所有的液态物质全部挤出 是纯净的高温金属相互接触 在压力下产生塑性变形和再结晶 形成焊接接头 13 第二节摩擦焊 一 摩擦焊的工艺过程原理 摩擦焊是利用焊件接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热 使端部达到塑性状态 然后迅速顶锻 完成焊接的一种压焊方法 摩擦焊 国外摩擦焊 14 15 焊件尺寸精度高 可以实现直接装配焊接 焊接生产率高 是闪光焊的4 5倍 三相负载均衡 节能 改善了三相供电电网的供电条件 与闪光对焊比较 节省电能80 90 左右 由于摩擦焊金属焊接变形小 接头焊前不需特殊清理 接头上的飞边有时可以不必去除 焊接不需要填充材料和保护气体 加工成本显著降低 摩擦焊机容易实现机械化 自动化 操作技术简单 容易掌握 摩擦焊的工作场地卫生 没有火花 弧光 没有有害气体 有利于环境保护 适于设置在自动生产线上 接头的焊接质量好 稳定 其废品率是闪光对焊的1 左右 适于焊接异种钢和异种金属 如碳素结构钢 高速钢 铜 不锈钢 铝 铜 铝 钢等 二 摩擦焊具有以下优点 16 第三节超声波焊 一 超声波焊的原理 二 超声波焊的特点 利用超声频的高频振荡能 通过磁致伸缩元件将超声频转化为高频振动 在上下振动极的作用下 两焊件局部接触处产生强烈的摩擦 升温好变形 从而使氧化皮等污物得以破坏或分散 并使纯净金属的原子充分靠近 形成冶金结合 可分为超声波点焊和超声波缝焊 接头中无铸态组织或脆性金属间化合物 也无金属的喷溅 其力学性能比电阻焊好 稳定性高 可焊的材料范围广 特别适合于高熔点 高导热性和难熔金属的焊接及异种材料的焊接 可用于厚薄悬殊及多层箔片的焊接焊接表面清理简单 电能消耗少 为电阻焊5 17 第四节扩散焊 一 扩散焊的原理 三 瞬时液相扩散焊过程 将两焊件压紧并置于真空或保护气氛中加热 使接触面微观凹凸不平处产生塑性变形而紧密接触经过较长时间的保温和原子扩散形成固态冶金连接 分固态和瞬时液相扩散焊两种 二 固态扩散焊过程 变形 接触阶段扩散 界面推移阶段界面和孔洞消失阶段 液相生成等温凝固均匀化 18 四 扩散焊的特点 焊接温度低 熔点的40 80 可焊接熔化焊难以焊接的材料 可焊接结构复杂 要求焊接表面十分平整好光洁及精度要求高的焊接 可焊接不同材料 焊缝可与母材成分和性能相同 四 扩散焊的应用 扩散焊可用于高温合金涡轮叶片 超声速飞机中钛合金构件 钛 陶瓷静电加速管的焊接 异种钢 铝及铝合金 复合材料的焊接及金属与陶瓷等的焊接 19 第五节爆炸焊 一 爆炸焊的原理 二 爆炸焊的特点 利用爆炸时产生的高压 高温及高速冲击波作用在腹板上 使其与基板猛烈冲击 在接触处产生射流 从而清除表面的氧化物等杂质 并在高压下形成固态接头 结合面为平坦界面时 撞击速度较低 结合面无熔化发生 因此接头性能较差 故在实际生产中不多用 结合面为波浪界面时 撞击速度较高 结合面有熔化发生 因此接头性能较好 故在实际生产中尽可能使用这种结合形式 结合面为连续的熔化层时 撞击速度过高 结合面产生连续的熔化层 因此接头性能也较差 故在实际生产中尽量避免使用这种结合形式 20 第十二章钎焊 封接与粘接工艺 钎焊 封接与粘接工艺是一种物理和化学连接 它是在低于构件熔点的温度下 采用填缝材料 在液态下充填缝隙 通过毛细作用及表面化学反应 待填缝材料结晶或固化后 将两个分离的表面连接形成不可拆接头 21 12 1钎焊 1 硬钎焊钎料熔点在450 以上 接头强度较高 都在200MPa以上 属于这类的钎料有铜基 银基和镍基等 2 软钎焊钎料熔点为450 以下 接头强度较低 一般不超过70MPa 所以只用于钎焊受力不大 工作温度较低的工件 常用的钎料是锡铅合金 所以通称锡焊 钎焊 是利用熔点比焊件低的钎料作填充金属 适当加热后 钎料熔化而将处于固态的焊件连接起来的一种焊接方法 22 钎焊过程中 一般都需要使用钎剂 钎剂的作用是 清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质 改善钎料流入间隙的性能 即润湿性 保护钎料及焊件不被氧化 因此钎剂对钎焊质量影响很大 软钎焊时 常用的钎剂为松香或氯化锌溶液 硬钎焊时 钎剂种类较多 主要由硼砂 硼酸 氟化物 氯化物等组成 应根据钎料种类选择应用 钎焊的加热方法 烙铁加热 火焰加热 电阻加热 感应加热 盐浴加热等 钎焊 23 3 钎焊的特点 1 工件加热温度低 所以其组织和力学性能变化很小 接头光滑平整 焊件尺寸精确 2 可以焊接性能差异很大的异种金属 对焊件厚度也没有严格限制 3 对焊件整体加热钎焊时 可同时钎焊由多条 甚至上千条 接头组成的 形状复杂的构件 生产率很高 4 钎焊设备简单 生产投资费用少 5 钎焊接头强度低 允许的工作温度不高 焊前清理要求严格 钎料价格较高 不适于一般钢结构和重载动载荷机件的焊接 6 钎焊主要用于焊接精密仪表 电器零部件 异种金属构件以及某些复杂薄板结构 也常用来焊接各类导线与硬质合金刀具 24 12 2封接 略 25 12 3粘接工艺 粘接是利用胶粘剂把两种性质相同或不同的物质牢固地粘合在一起的连接方法 胶粘剂所以能够把两个物质牢固地粘接在一起 主要因为胶粘剂能通过本身在被粘接材料的连接面上产生机械 物理和化学作用而具有粘附力 26 粘接具有以下优点 粘接对材料的适应性强 既可用于各种金属 非金属的连接 也可用于金属与非金属的连接 能减轻结构重量 采用粘接可省去很多螺钉 螺栓等连接件 因此 粘接比铆接 焊接减轻结构重量约25 30 粘接接头的应力分布均匀 应力集中较小 因此它的耐疲劳性能好 粘接接头的密封性能好 并具有耐磨蚀和绝缘等性能 粘接工艺简单 操作容易 效率高 成本低 27 粘接具有以下缺点 粘接强度比较低 一般仅能达到金属母材强度的10 50 粘接接头的承载能力主要依赖于较大的粘接面积 使用温度低 一般长期工作温度只能在150 以下 仅有少数可在200 300 范围内使用 粘接接头长期与空气 热和光接触时 易老化变质 粘接质量因受多种因素影响不够稳定 而且质量难以检验 28 第十三章金属材料的焊接性能 第一节金属材料的可焊性 第二节碳钢的焊接 第四节铸铁的焊补 第五节有色金属的焊接 第三节合金结构钢的焊接 29 第一节金属材料焊接性的概念及评估方法 一 可焊性的概念 金属材料的可焊性 是指被焊金属在采用一定的焊接方法 焊接材料 工艺参数及结构型式条件下 获得优质焊接接头的难易程度 即金属材料在一定的焊接工艺条件下 获得优质焊接接头的难易程度 焊接性包括两个方面 一是工艺焊接性主要是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向 尤其是出现各种裂纹的可能性 二是使用焊接性主要是指焊接接头在使用中的可靠性 包括焊接接头的力学性能及其它特殊性能 如耐热 耐蚀性能等 30 金属材料的焊接性可通过估算和试验方法来确定 二 估算钢材可焊性的方法 碳当量法 碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为 各种化学元素对焊缝组织性能 夹杂物的分布以及对焊接热影响区的淬硬程度等的影响不同 对产生裂纹倾向的影响也不同 在各种元素中 碳的影响最为明显 其它元素的影响可折合成碳的影响 影响钢材焊接性的主要因素是化学成分 31 根据经验 C当量 0 4 时 钢材塑性良好 淬硬倾向不明显 可焊性良好 在一般的焊接工艺条件下 焊件不会产生裂缝 但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热 C当量 0 4 0 6 时 钢材塑性下降 淬硬倾向明显 可焊性较差 焊前工件需要适当预热 焊后应注意缓冷 要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝 C当量 0 6 时 钢材塑性较低 淬硬倾向很强 可焊性不好 焊前工件必须预热到较高温度 焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施 焊后要进行适当的热处理 才能保证焊接接头质量 32 三 小型抗裂试验 从应用一般焊接工艺焊后试板有无裂缝或裂缝多少 可初步评定材料的可焊性好坏 若有裂缝 应调整工艺 如预热 缓冷等 再焊接试板 直至达到不裂 因此可通过参考抗裂试验制订出合理的焊接工艺规程与规范 33 第二节碳钢的焊接 低碳钢含碳量不大于0 25 塑性好 一般没有淬硬倾向 对焊接热过程不敏感 可焊性良好 焊这类钢时 不需要采取特殊的工艺措施 通常在焊后也不需要进行热处理 电渣焊除外 一 低碳钢的焊接 低碳钢可以用各种焊接方法进行焊接 应用最广泛的 焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊 气体保护焊和电阻焊等 熔焊法焊接结构钢时 焊接材料及工艺的选择主要应保证焊接接头与工件材料等强度 34 焊条电弧焊焊接一般低碳钢结构 可选用E4313 J421 E4303 J422 E4320 J424 焊条 焊接动载荷结构 复杂结构或厚板结构时 应选用E4316 J426 E4315 J427 或E5015 J507 焊条 埋弧焊时 一般采用H08A或H08MnA焊丝配焊剂431进行焊接 二 中 高碳钢的焊接 中碳钢含碳量在0 25 0 6 之间 随含碳量的增加 淬硬倾向愈发明显 可焊性逐渐变差 在实际生产当中 主要是焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件 35 热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝 中碳钢属于易淬火钢 热影响区被加热超过淬火温度的区段时 受工件低温部分的迅速冷却作用 将出现马氏体等淬硬组织 如焊件刚性较大或工艺不恰当时 就会在淬火区产生冷裂缝 即焊接接头焊后冷却到相变温度以下或冷却到常温后产生裂缝 中碳钢的焊接特点 36 焊缝金属热裂缝倾向较大 焊接中碳钢时 因母材含碳量与硫 磷杂质远远高于焊条钢芯 母材熔化后进入熔池 使焊缝金属含碳量增加塑性下降 加上硫 磷低熔点杂质的存在 焊缝及熔合区在相变前就可能因内应力而产生裂缝 37 焊接前 焊接中碳钢构件 焊前必须进行预热 使焊接时工件各部分的温差小 以减小焊接应力 同时减慢热影响区的冷却速度 避免产生淬硬组织 一般情况下 35钢和45钢的预热温度可选为150 250 结构刚度较大或钢材含碳量更高时 预热温度应再提高些 焊接后 由于中碳钢主要用于制造各类机器零件 焊缝一般有一定的厚度 但长度不大 焊接中碳钢多采用焊条电弧焊 厚件可考虑采用电渣焊 但焊后要进行相应的热处理 38 焊条选择焊接中碳钢焊件 应选用抗裂能力较强的低氢型焊条 碱性焊条 要求焊缝与工件材料等强度时 可根据钢材强度选用E5016 J506 E5015 J507 E6016 D1 J606 E6015 D1 J607 焊条 若不要求等强度时 可选用E4315 J427 型强度低些的焊条 以提高焊缝的塑性 不论用哪种焊条焊接中碳钢件 均应选用细焊条 小电流 开坡口进行多层焊 以防止工件材料过多地熔入焊缝 同时减小焊接热影响区的宽度 39 高碳钢的焊接 特点 高碳钢的焊接特点与中碳钢基本相似 由于含碳量更高 焊接性变得更差 工艺 进行焊接时 应采用更高的预热温度 更严格的工艺措施 应用 实际上 高碳钢的焊接一般只限采用焊条电弧焊进行修补工作 40 合金结构钢分类 机械制造用合金结构钢低合金结构钢用于机械制造的合金结构钢零件 包括调质钢 渗碳钢 一般都采用轧制或锻造的坯料 焊接结构较少 如需焊接 因其焊接性与中碳钢相似 所以其焊接工艺措施与中碳钢基本相同 第三节合金结构钢的焊接 41 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 其焊接特点如下 1 热影响区的淬硬倾向低合金结构钢焊接时 热影响区可能产生淬硬组织 淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关 钢中含碳及合金元素越多 钢材强度级别越高 则焊后热影响区的淬硬倾向越大 如300MPa级的09Mn2 09Mn2Si等钢材的淬硬倾向很小 其焊接性与一般低碳钢基本一样 350MPa级的Q345 即16Mn 钢淬硬倾向也不大 但当实际含碳量接近允许上限或焊接参数不当时 过热区也完全可能出现马氏体等淬硬组织 强度级别大于450MPa级的低合金钢 淬硬倾向增加 热影响区容易产生马氏体组织 硬度明显增高 塑性和韧度则下降 42 2 焊接接头的裂纹倾向随着钢材强度级别的提高 产生冷裂纹的倾向也加剧 影响冷裂纹的因素主要有三个方面 焊缝及热影响区的含氢量 热影响区的淬硬程度 焊接接头的应力大小 对于热裂纹 由于我国低合金结构钢系统其含碳量低 且大部分含有一定的锰 对脱硫有利 因此产生热裂纹的倾向不大 43 根据低合金结构钢的焊接特点 生产中可分别采取以下措施进行焊接 对于强度级别较低的钢材 在常温下焊接时与对待低碳钢基本一样 在低温或在大刚度 大厚度构件上进行小焊脚 短焊缝焊接时 应防止出现淬硬组织 要适当增大焊接电流 减慢焊接速度 选用抗裂性强的低氢型焊条 必要时需采用预热措施 对锅炉 受压容器等重要构件 当厚度大于20mm时 焊后必须进行退火处理 以消除应力 44 不同环境温度的预热要求 工件厚度 mm 16以下 不低于 10 不预热 10 以下预热100 150 工件厚度 mm 16 24 不低于 5 不预热 5 以下预热100 150 工件厚度 mm 24 40 不低于0 不预热 0 以下预热100 150 工件厚度 mm 40以上 均应预热100 150 低合金钢的焊接措施 45 对于强度级别高的低合金结构钢件 焊前一般均需预热 焊接时 应调整焊接参数 以控制热影响的冷却速度不宜过快 焊后还应进行热处理以消除内应力 不能立即热处理时 可先进行消氢处理 即焊后立即将工件加热到200 350 保温2 6h 以加速氢扩散逸出 防止产生因氢引起的冷裂纹 46 47 第四节铸铁的焊补 一 铸铁的焊接特点 熔合区易产生白口组织 易产生裂缝 易产生气孔 只适于平焊 热焊法是焊前将工件整体或局部预热到600 700 焊后缓慢冷却 热焊法可防止工件产生白口组织和裂缝 焊补质量较好 焊后可以进行机械加工 但热焊法成本较高 生产率低 焊工劳动条件差 一般用于焊补形状复杂焊后需要加工的重要铸件 如床头箱 汽缸体等 二 热焊法 48 三 冷焊法 焊补之前 工件不预热或只进行400 以下低温预热的焊补方法通常称为冷焊法 主要依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口组织和避免裂缝 冷焊法方便灵活生产率高 成本低 劳动条件好 但焊接处切削加工性能较差 生产中多用于焊补要求不高的铸件以及怕高温预热引起变形的工件 焊接时 应尽量采用小电流 短弧 窄焊缝 短焊道 每段不大于50mm 并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力 防止焊后开裂 常用的焊条有 1 钢芯铸铁焊条 高强度铸铁和球墨铸铁的补焊 2 镍基铸铁焊条 重要铸件加工面的补焊 3 铜基铸铁焊条 一般灰铸铁的补焊 49 第五节有色金属的焊接 一 铜及铜合金的焊接 铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多 其原因是 铜的导热性很高 紫铜约为低碳钢的8倍 焊接时热量极易散失 因此 焊前工件要预热 焊接时要选用较大电流或火焰 否则容易造成焊不透缺陷 铜在液态易氧化 生成的Cu2O与铜组成低熔点共晶 分布在晶界形成薄弱环节 又因铜的膨胀系数大 凝固时收缩率也大 容易产生较大的焊接应力 因此 焊接过程中极易引起开裂 50 铜在液态时吸气性强 特别容易吸氢 凝固时气体从熔液中析出 来不及逸出就会生成气孔 铜的电阻极小 不适于电阻焊接 铜合金中的合金元素有的比铜更易氧化 使焊接的困难增大 例如黄铜 铜锌合金 中的锌沸点很低 极易烧蚀蒸发并生成氧化锌 ZnO 改变接头化学成分 降低接头性能 而且形成氧化锌烟雾易引起焊工中毒 铝青铜中的铝 焊接时易生成难熔的氧化铝 增大熔渣粘度 生成气孔和夹渣 铜及铜合金可用氩弧焊 气焊 碳弧焊 钎焊等方法进行焊接 采用氩弧焊是保证紫铜和青铜焊接质量的有效方法 51 二 铝及铝合金的焊接 工业上用于焊接的主要是纯铝 熔点658 铝锰合金 铝镁合金及铸铝 铝及铝合金的焊接也比较困难 其焊接特点是 铝与氧的亲和力很大 极易氧化生成氧化铝 Al2O3 氧化铝组织致密 熔点高达2050 它覆盖在金属表面 能阻碍金属熔合 此外 氧化铝密度大 易使焊缝夹渣 铝的导热系数较大 要求使用大功率或能量集中的热源 厚度较大时应考虑预热 铝的膨胀系数也较大 易产生焊接应力与变形 并可能导致裂缝的产生 52 液态铝能吸收大量的氢 铝在固态时又几乎不溶解氢 因此在溶池凝固时易