第4章 焊接与胶接成形 01

1、机械工程材料成形技术绪绪 论论1 1、课程的作用、课程的作用2 2、课程的体系、课程的体系3 3、课程的性质、任务和基本要求、课程的性质、任务和基本要求 就机械产品的设就机械产品的设计而言，设计者计而言，设计者在设计在设计结构时，必须同时考虑结构时，必须同时考虑选用什么材料及成形方选用什么材料及成形方法，以及采用何种热处法，以及采用何种热处理方法改善其性能，理方法改善其性能，并并要将相关内容在图纸中要将相关内容在图纸中标注出来，才能将其设标注出来，才能将其设计付诸实施，因此计付诸实施，因此结构结构设计、选材、成形方法设计、选材、成形方法和热处理方法和热处理方法是密不可是密不可分的整体。分的整体

2、。图图0.1.7 0.1.7 端盖零件端盖零件图图 1. 1.课程课程的作用的作用 就机械制造而言，加工过程工序繁多，包括成形、连接、热处理、就机械制造而言，加工过程工序繁多，包括成形、连接、热处理、切削加工、特种加工、装配、检测、调试等。切削加工、特种加工、装配、检测、调试等。 例如用例如用4545钢加工一个齿轮，其加工工艺路线大致如下：钢加工一个齿轮，其加工工艺路线大致如下：下料下料锻造锻造正火正火机加工机加工调质调质机加工机加工局部表面淬火局部表面淬火+ +低温回火低温回火磨削。磨削。 通过上述加工后，其附加值远远高于原材料的成本。如何保证加工通过上述加工后，其附加值远远高于原材料的成本

3、。如何保证加工质量，降低制造成本，是企业能否发展的关键。制造者质量，降低制造成本，是企业能否发展的关键。制造者掌握工程材料的掌握工程材料的性能，熟悉各种成形方法的特点及应用范围，合理选择制造方法和制定性能，熟悉各种成形方法的特点及应用范围，合理选择制造方法和制定加工工艺加工工艺是保证加工质量的前提。是保证加工质量的前提。 在机械制造过程中，无论是从事制造还是设计工作，熟悉工程材料在机械制造过程中，无论是从事制造还是设计工作，熟悉工程材料及成形技术和热处理方法都是十分必要的。及成形技术和热处理方法都是十分必要的。2.2.本课程的体系本课程的体系 本课程内容体系是本课程内容体系是“新世纪高职高专机

4、械基础课程教新世纪高职高专机械基础课程教学内容体系改革、建设的研究与实践学内容体系改革、建设的研究与实践”课题的一部分。课题的一部分。 课程体系将课程体系将工程材料工程材料、成形工艺基础成形工艺基础及及成形工艺实习成形工艺实习有机地揉合在一起，按照有机地揉合在一起，按照“材料成形基础材料成形基础材料成形工艺材料成形工艺过程过程材料的性能与应用材料的性能与应用”的次序组建而成。的次序组建而成。 新的课程内容体系将理论教学与实习、实验、产品的新的课程内容体系将理论教学与实习、实验、产品的生产与检验有机结合，力争做到将理论与实践相结合，实生产与检验有机结合，力争做到将理论与实践相结合，实现抽象理论具

5、体化，达到学以致用、学而会用的目的。现抽象理论具体化，达到学以致用、学而会用的目的。 3.3.课程的性质、任务和基本要求课程的性质、任务和基本要求 课程的性质课程的性质 机械工程材料成形技术是一门机械工程材料成形技术是一门综合性的技术基础课综合性的技术基础课。本课程介绍铸、锻、焊等成形方法和热处理的基本原理、本课程介绍铸、锻、焊等成形方法和热处理的基本原理、工艺过程以及工程材料的组织结构和性能；铸、锻、焊等工艺过程以及工程材料的组织结构和性能；铸、锻、焊等成形方法和热处理工艺过程各工艺环节之间的相互联系以成形方法和热处理工艺过程各工艺环节之间的相互联系以及对材料性能的影响，为学习选择使用工程材

6、料，选择毛及对材料性能的影响，为学习选择使用工程材料，选择毛坯，选用少、无切削加工方法，制订机械零件加工工艺路坯，选用少、无切削加工方法，制订机械零件加工工艺路线等奠定了基础，是线等奠定了基础，是机械类各专业的必修课机械类各专业的必修课。课程的目的和任务课程的目的和任务 学习本课程的目的和任务是：掌握常用工程材料的学习本课程的目的和任务是：掌握常用工程材料的性能、熟悉材料成形原理及工艺的基础知识，熟悉材料性能、熟悉材料成形原理及工艺的基础知识，熟悉材料改性的常用方法，具有改性的常用方法，具有初步选择材料、毛坯成形方法和初步选择材料、毛坯成形方法和材料改性方法的材料改性方法的能力，为学习其它后续

7、课程和今后从事能力，为学习其它后续课程和今后从事机械制造与设计方面的工作奠定必要的工艺基础。机械制造与设计方面的工作奠定必要的工艺基础。学完本课程后，应达到的基本要求学完本课程后，应达到的基本要求 （1 1）掌握常用工程材料的种类、性能及其改性方法，）掌握常用工程材料的种类、性能及其改性方法， 其应用范围和选择原则。其应用范围和选择原则。（2 2）熟悉主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，）熟悉主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点， 具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。（3 3）掌握零件的结构成形工艺性。）掌握零件的结构成形工艺性。（4 4）了解有关的新工艺、新

8、技术及其发展趋势。）了解有关的新工艺、新技术及其发展趋势。上学期知识回顾：上学期知识回顾：1 1、三大材料体系：、三大材料体系：钢钢铸铁铸铁非铁合金非铁合金2 2、两大成形方法：、两大成形方法：铸造铸造塑性成形塑性成形改性方法改性方法热处理热处理组织结构的转变组织结构的转变第四章第四章 焊接与胶接成形焊接与胶接成形 目目 录录4.1 4.1 焊接成形基础焊接成形基础4.2 4.2 焊接成形方法焊接成形方法4.3 4.3 少、无切削的焊接与切割技术少、无切削的焊接与切割技术4.4 4.4 常用过程材料的焊接常用过程材料的焊接4.5 4.5 焊接生产与检验焊接生产与检验4.6 4.6 胶接胶接连接

9、成形连接成形焊接与胶接是连接成形的主要方法。焊接与胶接是连接成形的主要方法。 焊接在现代工业生产中具有十分重要地作用，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越，因为它可以用化大为小，化复杂为简单地方法准备坯料，然后用逐次装配焊接地方法拼小成大，这是其他工艺方法难以做到的。焊接概述汽车制造动车组制造现场造船行业的自动化焊接水下焊接焊接：焊接：是通过加热或加压，或两者并用，并且是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种加用或不用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。工方法。焊接焊接的分类：焊接的分类：（1 1）熔焊：）熔焊：焊接过程中将焊件接头加热至熔化状态，不焊

10、接过程中将焊件接头加热至熔化状态，不加压力而完成焊接的方法。加压力而完成焊接的方法。（2 2）压焊：）压焊：焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热）焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热）而完成焊接的方法。而完成焊接的方法。（3 3）钎焊：）钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。连接焊件的方法。焊接的优点：焊接的优点：能减轻结构重量，节省

11、大量材料；能减轻结构重量，节省大量材料；连接性能好，焊接接头能满足结构强度、耐压、密封性、连接性能好，焊接接头能满足结构强度、耐压、密封性、 耐蚀性等设计要求；耐蚀性等设计要求；简化复杂零件和大型零件的制造工艺，降低制造成本；简化复杂零件和大型零件的制造工艺，降低制造成本；为结构设计提供较大的灵活性；为结构设计提供较大的灵活性；焊接过程易于实现机械化和自动化。焊接过程易于实现机械化和自动化。焊接的缺点：焊接的缺点： 结构无可拆性。结构无可拆性。 焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比发生焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比发生 变化，产生焊接残余应力和焊接变形。变化，产生焊接

12、残余应力和焊接变形。 焊接缺陷的隐蔽性，易导致焊接结构的意外破坏。焊接缺陷的隐蔽性，易导致焊接结构的意外破坏。焊接特点4.1 焊接成形基础焊接成形基础4.1.1 4.1.1 熔焊冶金反应特点熔焊冶金反应特点在焊接过程中，焊接区域内的各种物质之间的相互作用，称在焊接过程中，焊接区域内的各种物质之间的相互作用，称为焊接为焊接冶金反应冶金反应1 1 焊缝焊缝2 2金属的成分、组织和性能金属的成分、组织和性能具有如下特点：具有如下特点：（1 1）冶金反应温度高）冶金反应温度高 金属及合金元素大量蒸发和金属及合金元素大量蒸发和烧损烧损 力学性能下降力学性能下降 （2 2）熔池熔池3 3小，冷速快小，冷速

13、快 产生气孔、夹杂产生气孔、夹杂 焊缝焊缝金属塑性韧性下降金属塑性韧性下降为保证焊接质量，焊接过程中通常采取如下措施：为保证焊接质量，焊接过程中通常采取如下措施：（1 1）清除工件表面的铁锈、油污，烘干）清除工件表面的铁锈、油污，烘干焊条焊条4 4，以杜绝水，以杜绝水分来源。分来源。（2 2）利用）利用药皮药皮5 5、焊剂焊剂6 6、保护气体等，使熔池与外界空、保护气体等，使熔池与外界空气隔绝。气隔绝。（3 3）添加合金元素，通过药皮、焊剂等去除有害杂质，）添加合金元素，通过药皮、焊剂等去除有害杂质，获得良好焊缝质量。获得良好焊缝质量。4.1.2 4.1.2 焊接接头的组织和性能焊接接头的组织

14、和性能焊接接头由焊接接头由焊缝焊缝、熔合区熔合区和和焊接热影响区焊接热影响区组成。组成。1 1、焊缝区、焊缝区 焊接接头1焊缝；2熔合区；3热影响区；4母材组织：组织：由熔池金属结晶得到由熔池金属结晶得到的铸造组织的铸造组织, , 晶体的长大方晶体的长大方向指向熔池中心向指向熔池中心, , 形成形成柱状柱状树枝晶树枝晶。性能：性能：焊缝金属性能一般焊缝金属性能一般不不低于低于母材的性能。母材的性能。由于熔池由于熔池冷却速度快，柱状晶细小，冷却速度快，柱状晶细小，加上焊接材料渗入的合金，加上焊接材料渗入的合金，使焊缝金属力学性能较高。使焊缝金属力学性能较高。2 2、熔合区、熔合区焊接接头中最薄弱

15、的部位之一焊接接头中最薄弱的部位之一组织：粗大的过热组织和部分新结晶的铸态组织构成。组织：粗大的过热组织和部分新结晶的铸态组织构成。性能：强度低，脆性大，是产生裂纹及局部脆断的发源地。性能：强度低，脆性大，是产生裂纹及局部脆断的发源地。3 3、热影响区、热影响区（1 1）过热区）过热区: : 粗大的过热组织，粗大的过热组织，是热影响区中性能最差的的部位是热影响区中性能最差的的部位, , 易在此区产生裂纹。易在此区产生裂纹。（2 2）正火区）正火区: : 均匀细小的铁素体均匀细小的铁素体和珠光体组织和珠光体组织, , 其性能优于母材。其性能优于母材。（3 3）部分相变区）部分相变区: : 晶粒大

16、小不均晶粒大小不均匀，其性能较差。匀，其性能较差。综上所述，焊接接头中最薄弱的部位综上所述，焊接接头中最薄弱的部位是是熔合区熔合区和和过热区过热区，焊接后此两区中，焊接后此两区中的组织脆化、硬化，易产生裂纹。的组织脆化、硬化，易产生裂纹。 4.1.3 4.1.3 焊接应力与变形焊接应力与变形1.1.焊接应力与变形对结构的影响焊接应力与变形对结构的影响降低结构的使用性能；降低结构的使用性能；影响结构的精度；影响结构的精度；易引起焊接裂纹。易引起焊接裂纹。影影响响2.2.焊接应力与变形产生的原因焊接应力与变形产生的原因图图4.1.5 加热和冷却时的应力与变形加热和冷却时的应力与变形 焊接应力和焊接

17、变形焊接应力和焊接变形 焊焊接接时时焊缝和近缝区：焊缝和近缝区：产生压应力，同时产生产生压应力，同时产生压缩塑性变形。压缩塑性变形。近缝区两侧：近缝区两侧：产生拉应力产生拉应力。焊缝和近缝区：焊缝和近缝区：产生拉应力产生拉应力。两侧：两侧：产生压应力。产生压应力。冷冷却却时时 焊接应力与变形产生的根本原因：焊接应力与变形产生的根本原因：焊接加热时，在焊接焊接加热时，在焊接接头中产生的压缩塑性变形。接头中产生的压缩塑性变形。 焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊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。焊接应力和焊接变形总是同时存在。接残余变形。焊接应力和焊接变形总

18、是同时存在。3.3.焊接应力的减少和消除焊接应力的减少和消除 尽量减少焊缝数量和尺尽量减少焊缝数量和尺寸，并避免焊缝密集和交寸，并避免焊缝密集和交叉；叉；采用合理的焊接顺序，采用合理的焊接顺序，使焊缝自由收缩；使焊缝自由收缩；加热减应区；加热减应区；锤击焊缝；锤击焊缝；预热和后热。预热和后热。 减少和消除焊接减少和消除焊接应力的常用措施应力的常用措施: : 合理的焊接顺序合理的焊接顺序加热减应法加热减应法去去应应力退火：力退火：加加热温热温度度为为500650，可，可进进行整行整 体体或局部去或局部去应应力退火。力退火。机械拉伸法：机械拉伸法：对焊对焊件施加件施加载载荷，使荷，使焊缝区产焊缝区

19、产生塑性拉生塑性拉伸如：伸如：压压力容器的水力容器的水压试验压试验。温温差拉伸法：差拉伸法：利用利用温温差使差使焊缝两侧焊缝两侧金金属属受受热热膨膨胀胀以以对对焊缝区进焊缝区进行拉伸，使其行拉伸，使其产产生生拉伸塑性拉伸塑性变变形，形，减减少或消除少或消除应应力。力。振振动动法：法：通通过过激振器使激振器使焊焊接接结构发结构发生共振生共振产产生循生循环应环应力力来来降低或消除降低或消除内应内应力。力。 温温度拉伸法示意度拉伸法示意图图 1喷喷水排管；水排管；2焊焊件；件；3、4氧氧乙乙炔炔焰焰炬炬4 4、焊接变形的减少与消除、焊接变形的减少与消除（1 1）焊接变形的基本形式）焊接变形的基本形式

20、收缩变形收缩变形：由于焊缝由于焊缝横向和纵向收缩而引起尺横向和纵向收缩而引起尺寸缩小；寸缩小； 角度变形角度变形：焊缝截面焊缝截面形状上下不对称，焊缝横形状上下不对称，焊缝横向收缩不均匀而引起；向收缩不均匀而引起；弯曲变形弯曲变形：焊焊缝布置缝布置不对称，焊缝纵向不对称，焊缝纵向 收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲；收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲；扭曲变形扭曲变形：焊缝布置不对称或焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭焊缝布置不对称或焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭曲变形；曲变形；波浪变形波浪变形：薄板件在焊接应力作用下失稳而引起。薄板件在焊接应力作用下失稳而引起。（2 2）防止焊接变形的措施）防止焊接变形

21、的措施反变形法反变形法加余量法加余量法刚性固定法刚性固定法合理选用焊接方法和焊接规范合理选用焊接方法和焊接规范选用合理的装配焊接顺序选用合理的装配焊接顺序反变形法示例反变形法示例 刚性固定法防止角度变形示例刚性固定法防止角度变形示例 a)合理合理 b)不合理不合理 X形坡口形坡口焊焊接接 次序次序动画（点击播放）（3 3）矫正焊接变形的方法）矫正焊接变形的方法图4.1.8 火焰矫正示例 图4.1.7 机械矫正示例 当焊后的变形超出当焊后的变形超出允许值时，必须进允许值时，必须进行焊后矫形。常用行焊后矫形。常用的矫形方法有的矫形方法有机械机械矫形矫形和和火焰矫形火焰矫形。动画（点击播放）4.1.

22、4 4.1.4 焊接裂纹焊接裂纹常见的焊接裂纹主要有两类：常见的焊接裂纹主要有两类：热裂纹：在固相线附近的高温下产生的裂纹。热裂纹：在固相线附近的高温下产生的裂纹。冷裂纹：在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹。冷裂纹：在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹。1 1、热裂纹、热裂纹 产生原因：焊缝中低熔点共晶组成元素产生原因：焊缝中低熔点共晶组成元素S S、P P、SiSi等发生偏析、富集，等发生偏析、富集，导致大量低熔点的共晶物聚集于晶界上导致大量低熔点的共晶物聚集于晶界上, ,在冷却结晶过程中在冷却结晶过程中, ,焊缝收缩而焊缝收缩而产生拉力产生拉力, ,使焊缝在高温时沿晶界开裂，从而产生热裂纹。

23、使焊缝在高温时沿晶界开裂，从而产生热裂纹。热热裂裂纹产纹产生示意生示意图图热裂纹的预防措施热裂纹的预防措施冶金方面：冶金方面：控制焊缝化学成分，严格控制会形成低熔点共控制焊缝化学成分，严格控制会形成低熔点共晶的杂质元素含量；改变焊缝组织状态，细化晶粒。晶的杂质元素含量；改变焊缝组织状态，细化晶粒。工艺方面：工艺方面：控制焊接规范，适当提高控制焊接规范，适当提高焊缝成形系数（）焊缝成形系数（）； 限制母材和焊接材料的低熔点杂质，如限制母材和焊接材料的低熔点杂质，如S S、P P含含 量；量； 减少焊接拉应力；减少焊接拉应力； 操作时填满弧坑。操作时填满弧坑。提高焊缝成形系数提高焊缝成形系数 最主

24、要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹段时间才发生的裂纹-因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。）。 冷裂纹产生原因：冷裂纹产生原因：焊接接头存在淬硬组织，性能脆化；焊接接头存在淬硬组织，性能脆化；扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力；成大量氢分子，造成非常大的局部压力；存在较大的焊接拉应力。存在较大的焊接拉应力。

25、 2 2、冷裂纹、冷裂纹冷裂纹的预防措施：冷裂纹的预防措施：减少氢来源，减少氢来源，用碱性焊条用碱性焊条, ,要烘干，接头要清洁（无油、锈、要烘干，接头要清洁（无油、锈、水）；水）；避免产生淬硬组织避免产生淬硬组织，焊前预热、焊后缓冷；，焊前预热、焊后缓冷；降低焊接应力，降低焊接应力，采用合理的工艺规范，焊后热处理等；采用合理的工艺规范，焊后热处理等；焊后立即进行消氢处理焊后立即进行消氢处理（即加热到（即加热到250250左右，保温，使焊左右，保温，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。 4.1.5 4.1.5 材料的材料的焊焊接性接性 材料的焊接性材料的焊接性是指是指材料对焊接加工的适材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易优质焊接接头的难易程度。程度。工艺性能工艺性能（即在一定焊接工