机械制造工艺基础 压焊和可焊性和焊接结构设计

机械制造工艺基础压焊和可焊性和焊接结构设计第1页/共70页3.3.2压焊工艺1电阻焊2摩擦焊3超声波焊4扩散焊5爆炸焊第2页/共70页

压力焊的物理本质：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。压力焊的两要素：（1）热源：使金属达到塑性状态，提高原子的扩散能力。电阻热、高频热、摩擦热。（2）力：使金属产生塑性变形和再结晶。静压力、冲击力和爆炸力。绪论第3页/共70页电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑变和再结晶而实现焊接的。1、热源：当电流从两电极流过焊件时，因焊件电阻而产生电阻热：Q=I2Rt,R=Rc+2Rew+2Rw。①接触电阻Rc+2Rew：因接触面上存在的微观凸凹不平、氧化物等不良导体膜，使电流线弯曲变长，实际导电面积减小所致。一、电阻焊的原理及过程第4页/共70页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。如再将压力降低，接触电阻将不能回到加压前的数值。焊前预热。焊前预热将会使接触电阻大大下降。③焊件电阻。第5页/共70页2、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。同时细化晶粒，焊合缺陷等。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。为使焊缝生成在两板的贴合面附近，接触面上必须要有一定的接触电阻。第6页/共70页二、电阻点焊：

点焊过程：

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。通电后，因两工件间接触电阻的存在，使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，产生塑变和再结晶，细化晶粒，获得组织致密的焊点。第7页/共70页1、点焊时的分流：

I=I1+I2I1=K/L工件愈厚、导电性愈好、点距愈小、分流愈严重。

I1I2IL第8页/共70页2、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。熔核偏移易使焊点减小，导致接头性能下降。可采用特殊电极和工艺垫。第9页/共70页3、点焊工艺参数：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料及多层薄板的点焊。小电流，长时间称为弱规范。主要用于厚板和易淬火钢的点焊。

点焊应用1、2第10页/共70页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。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。缝焊主要用于低压容器，如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等的焊接。三、电阻缝焊：第11页/共70页对焊是利用电阻热将工件断面对接焊接的一种电阻焊方法。（1）电阻对焊：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。四、对焊：第12页/共70页（2）闪光对焊：先通电，后接触，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、车轮等的焊接，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。第13页/共70页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

。摩擦焊第14页/共70页1）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。2）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。与闪光对焊比较，节省电能80%～90%左右

摩擦焊优点第15页/共70页摩擦焊主要应用于汽车、拖拉机工业中的焊接结构、产品以及圆柄刀具。摩擦焊应用第16页/共70页将两工件压紧在一起并置于真空或保护气氛中加热，使两焊件表面微观凸凹不平处产生塑性变形达到紧密接触，经过较长时间的保温和原子扩散而形成固态冶金连接的压焊方法称为扩散焊。扩散焊分固态扩散焊和瞬时液相扩散焊两类。

扩散焊第17页/共70页焊接过程中没有液相生成，始终保持固态接触的扩散焊方法称为固态扩散焊。

固态扩散焊第18页/共70页在压力和温度的共作用下，使工件表面的凸起部分产生塑性变形，使接触面积从1%增大到75%，为原子间的扩散作好准备的过程称为变形-接触阶段

。因界面产生较大的晶格畸变、位错和空位，使界面处原子处于高度激活状态，而很快扩散形成金属键，并经过回复和再结晶产生晶界的推移，形成固态冶金结合的过程称为扩散-界面推移阶段。经过长时间保温扩散，消除孔洞，界面晶粒长大，原始界面消失的过程称为界面和孔洞消失阶段

扩散焊中的变形接触第19页/共70页液相生成：在一定温度下，利用中间夹层材料与两焊件接触处形成低熔点共晶液相，填充接头间隙。等温凝固：液相中使熔点降低的元素大量扩散至焊件母材中，而焊件母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固形成接头。均匀化：保温扩散使接头成分均匀化。

液相扩散焊第20页/共70页

扩散焊特点：焊接温度低（0.4～0.8倍的焊件熔点），可焊熔化焊难焊接的材料，如高温合金及复合材料。可焊结构复杂、精度要求高的焊件。焊缝可与母材成分和性能相同，无热影响区。

扩散焊应用：扩散焊主要用于高温合金蜗轮叶片和超音速飞机中钛合金构件的焊接；钛-陶瓷静电加速管的焊接；异种钢的焊接；高温合金、铝及铝合金、钛及钛合金、复合材料、金属与陶瓷等的焊接。扩散焊特点及应用第21页/共70页

爆炸焊是利用炸药爆炸时产生的高压（700MPa）和高温（3000℃）及高速（500～1000m/s）冲击波作用在覆板上，使其与基板猛烈撞击，接触处产生射流清除表面的氧化物等杂质，并在高压下形成固态接头的焊接方法。

爆炸焊第22页/共70页钎焊

钎焊是将熔点比焊件低的钎料加热熔化后渗入固态焊件间的间隙内，将焊件连接起来的焊接方法。根据钎料的熔点不同钎焊可分为硬钎焊和软钎焊。1硬钎焊钎料熔点高于450℃，接头强度较高(＞200MPa)，主要用于受力较大或工作温度较高的工件。常用的钎料有铜基、银基和镍基合金等。熔剂为硼砂、硼酸、氯化物和氟化物的各种组成物。主要用于受力较大的钢材、铜合金构件的焊接和刀具、工具的焊接。第23页/共70页2软钎焊钎料低于450℃，接头强度低(≤100MPA)，主要用于受力较小或工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金(焊锡)。熔剂是松香、氯化锌或氯化铵溶液。软钎焊广泛用于受力不大的钢结构、铜合金构件和仪表、导电元件的焊接。第24页/共70页

钎焊的加热方式有烙铁加热、火焰加热、电阻加热、炉内加热和盐浴加热等，其中烙铁加热温度低，只适合软钎焊。常见钎焊的接头形式如图4-21。

第25页/共70页钎焊的特点是：①工件加热温度较低，组织和性能变化很小，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确。②可焊接性能差异很大的异种金属,对工件厚度无限制。③对工件整体加热时，可同时钎焊由多条焊缝组成的复杂形状构件，生产率高。④钎焊设备简单，生产投资费用少。⑤钎焊接头一般为搭接，接头间隙为0.05-0.2mm.⑥钎焊焊剂用来消除表面氧化膜和防止钎料的氧化。第26页/共70页3.4

金属材料的焊接性

3.4.1金属材料的可焊性1、可焊性的概念：可焊性是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得优质接头的难易程度。①工艺可焊性：焊接接头产生工艺缺陷的倾向。②使用可焊性：焊接接头在使用中的可靠性。第27页/共70页2、估算钢材可焊性的方法：①碳当量：C当量=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15C当量<0.4%时,可焊性好；C当量=0.4-0.6%时,可焊性较好；C当量>0.6%时，可焊性差。第28页/共70页第二节碳钢的焊接一、低碳钢的焊接：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）。低碳钢工件用手工电弧焊时一般采用J422或J427焊条，埋弧自动焊时一般用H08A或H08MnA+焊剂431。二、中、高碳钢的焊接：中碳钢：C：0.25~0.6。（1）热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝：第29页/共70页第二节碳钢的焊接

中碳钢属于易淬火钢，热影响区易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。

(2)焊缝金属热裂缝倾向较大：

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。第30页/共70页第二节碳钢的焊接

因此，焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，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。

高碳钢焊接性能更差，一般只是进行修复。工艺措施更严格。第31页/共70页三.铸铁的补焊1.铸铁的焊接性铸铁碳、硅含量高，塑性很差，属于焊接性很差的材料。基本不考虑作为焊接结构件,只是对铸造生产时产生的一些铸造缺陷或在使用过程中铸件产生的局部破损进行焊补和修复。铸铁件的焊补和修复常用手弧焊和气焊，焊补方法分为热补焊和冷补焊。

第32页/共70页铸件在焊接时易产生以下问题：①熔合区易产生白口组织和淬火组织;②铸铁因强度低、塑性差，焊接时极易产生裂纹;③铸铁因碳、硅含量高，焊接时极易产生CO、CO2和熔渣，易产生气孔和夹渣缺陷;④铸铁熔化后，流动性好，只适合平焊.第33页/共70页2.热补焊热补焊是铸件焊前预热到600℃～700℃，焊后缓冷的方法。热焊法成本较高，劳动条件差，生产率低，一般用于焊补需要切削加工的形状复杂的铸件和重要铸件,如内燃机缸盖和气缸体等。3.冷补焊冷补焊是铸件不预热或预热温度在400℃以下的焊接方法，主要用于焊补质量要求不高的铸件。焊接时采用细焊条小电流、短弧分段焊接工艺,焊后随即轻轻锤击焊缝以松弛应力防止裂纹。第34页/共70页第三节合金结构钢的焊接焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢。普通低合金钢在我国一般按屈服强度分等级，主要用于制造压力容器、锅炉、桥梁、船舶、车辆、起重机等。普通低合金钢一般采用手工电弧焊和埋弧自动焊，此外，厚板可用电渣焊，也可采用气体保护焊，强度级别较低的可以用CO2气体保护焊，屈服强度大于500MPa的高强钢，宜用富氩混合气体保护焊(例如Ar80%+CO220%)。第35页/共70页第三节合金结构钢的焊接第36页/共70页第三节合金结构钢的焊接其焊接特点：（1）热影响区的淬硬倾向:

焊接低合金钢时，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。碳及合金元素的含量越高，钢材强度级别就越高，焊后热影响区的淬硬倾向也越大。（2）焊接接头的裂缝倾向：延迟裂缝强度越高，焊接性能降低。第37页/共70页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：①铜的导热性很高，因此，焊前工件要预热，焊接时要选用较大电流或火焰。②铜在液态易氧化，容易产生较大的焊接应力。

③铜在液态时吸气性强，特别容易吸氢。

④铜的电阻极小，不适于电阻焊接。

⑤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。

第38页/共70页第五节有色金属的焊接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。

气焊紫铜及青铜时应采用严格的中性焰。黄铜的焊接，目前最常用的焊接方法仍是气焊，一般用轻微的氧化焰，采用含硅的焊丝。

第39页/共70页第五节有色金属的焊接二、铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接也比较困难，其焊接特点是：①铝与氧的亲和力很大；②铝的导热系数较大，要求使用大功率或能量集中的热源，铝的膨胀系数也较大，易产生焊接应力与变形。③液态铝能吸收大量的氢。④铝在高温时强度及塑性很低，因此常需采用垫板。

第40页/共70页第五节有色金属的焊接目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。氩弧焊是焊接铝及铝合金较好的方法，由于氩气的保护作用和氩离子对氧化膜的阴极破碎作用，焊接时可不用焊剂，但氩气纯度要求大于99.9%。

第41页/共70页第六节异种金属的焊接性分析异种金属焊接通常要比同种金属的焊接困难，因为除了金属本身的物理化学性能对焊接有影响外，两种金属材料性能的差异会更大程度上影响它们之间的焊接。1．结晶化学性的差异

两种被焊金属在冶金上是否相容取决于它们在液态和固态时的互溶性以及在焊接过程中是否会产生金属间化合物（脆性相）。因此，在选择材料搭配时，首先要满足互溶性。

第42页/共70页第六节异种金属的焊接性分析2．物理性能的差异

金属的物理性能主要是熔化温度，膨胀系数，导热系数和电阻率等。它们的差异将影响焊接的热循环过程和结晶条件，增加焊接应力，降低接头质量，使焊接困难。异种金属的焊接方法

1．熔焊

异种金属焊接中应用较多的是熔焊方法，采用熔焊最大特点是控制稀释率和金属间化合物的产生。

第43页/共70页第六节异种金属的焊接性分析为了减少稀释率，降低熔合比或控制不同金属母材的熔化量，常可选用热源能量密度较高的电子束焊、激光焊、等离子弧焊等方法。

2．压焊

当焊接异种金属接头时，压焊具有一定的优越性，只要接头形式允许，采用压焊往往是比较合理的选择。不过，大多数压焊方法对接头形式具有一定要求。

第44页/共70页§3.4焊接件的结构工艺性

设计焊接件时,不仅要考虑到焊件的使用性能，还要考虑低廉。焊件结构工艺性应包括结构材料的选择、接头形式、焊缝布置焊件结构的工艺性能，使焊件生产简便、质量优良、成本等方面。一.焊接结构材料的选择

1.在满足焊接件使用性能的前提下，应尽量选用焊接性能良好的材料。

低碳钢和普通低合金钢的焊接性良好，价廉，焊接工艺简单，易于保证焊接质量，应优先选用。而＞0.5%C的碳钢和碳当量＞0.6%的合金钢焊接性能不好，应尽量避免采用。在选用两种不同材料进行焊接时，应注意它们焊接性的差异。第45页/共70页2.

在设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢和钢管等成型材料，对形状比较复杂的部分可以采用铸钢、锻钢和冲压件来焊接。这样可减少焊缝数量、简化焊接工艺，还可以增加结构件的强度和钢度，如图4-22。第46页/共70页

3.焊接结构件应尽量采用同等厚度的材料焊接，有利于避免应力集中、接头两边受热不均而产生焊不透等缺陷。如采用厚度不等的材料焊接时应在较厚的板材上加工出过渡形式，如图4-23。第47页/共70页二.焊接接头形式1.常见接头形式

接头基本形式有对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头。接头形式的选择主要根据结构形状、使用要求和焊接生产工艺而定。2.接头形式的选用对接接头应力分布均匀、接头质量容易保证、节省材料，是使用最多的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用。但焊前准备和装配要求较高。搭接接头不需开坡口、装配要求不高，常应用于受力不大的架结构，但搭接接头受力时产生附加弯矩，且金属消耗量较大，一般应避免采用。当接头构成直角或一定角度连接时，则必须采用角接接头和T形接头。第48页/共70页3.坡口形式、选用及加工要求

当焊件厚度较大时，为保证焊透，接头处应根据工件厚度加工出各种坡口，如图4-24(a)、(b)、(c)。

第49页/共70页第50页/共70页第51页/共70页

由上图可知，常用的坡口形式为I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口和K形坡口等。

V形和U形坡口单面焊，焊条容易到位，但焊后变形较大，焊条消耗量也大。X形和双U形坡口受热均匀，变形小,焊条消耗较少,但必须双面施焊，有时受焊件结构所限制。因此，坡口形式的选择主要根据板厚和熔透要求，同时应考虑坡口加工经济性和焊接工艺性。通常，要求焊透的重要受力焊缝应尽量采用双面焊，以利于保证质量。第52页/共70页三.焊缝的布置1.焊缝的位置应便于操作第53页/共70页2.焊缝应避开应力最大和应力集中的部位第54页/共70页

3.焊缝布置应尽可能分散焊缝的交叉和密集使接头部位严重过热，组织恶化，性能下降，而且会产生变形和裂纹(图4-27)。第55页/共70页4.焊缝位置应尽可能对称，以便减少变形第56页/共70页5.焊缝位置应远离加工表面

第57页/共70页结构名称：中压容器材料：16MnR（原材料尺寸为1200×5000mm2）件厚：筒身12mm；封头14mm；入孔圈20mm；管接头7mm生产数量：小批生产

中压容器外形图典型焊件的工艺设计第58页/共70页

筒身用钢板冷卷，分为三节，为避免焊缝密集，筒身纵焊缝可相互错开180°，封头应采用热压成型，与筒身连接处应有30mm～50mm的直段，使焊缝躲开转角应力集中位置。人孔圈如卷板机功率有限，可加热卷制，其工艺图如下图。工艺设计要点第59页/共70页序号焊缝名称焊接方法选择与焊接工艺接头型式焊接样1筒身纵缝1、2、3

因容器质量要求高，又小批生产，采用埋弧焊双面焊，先内后外。因材料为16MnR应在室内焊接（以下同）。H08MnA焊丝,431焊剂,结507焊条.2筒身环缝

4、5、6、7

采用埋弧焊，顺序焊4、5、6焊缝先内后外。7装配后先在内部用手弧焊封底，再用自动焊焊外环缝。

同上3管接头焊接

管壁为7mm，角焊缝插和式装配采用手弧焊，双面焊。

结507焊条4入孔圈纵缝

板厚20mm，焊缝短（100mm）选用手弧焊，平焊位置，V型坡口

结507焊条5入孔圈焊接

处于立焊位置的圆角焊缝，采用手弧焊。单面坡口双面焊，焊透。

结507焊条第60页/共70页3.5焊接结构设计3.5.1焊件材料的选择1、尽量选用可焊性好的材料：（1）C<0.25%的低碳钢或CE<0.4%的低合金钢。（2）尽量选用镇静钢。2、异种金属焊接时焊缝应与低强度金属等强度，而工艺应按高强度金属设计。3、尽量采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等型材。第61页/共70页第62页/共70页3.5.2焊接方法的选择1、单件生产钢结构件时：（1）板厚在3-10mm,强度较低，且焊缝较短应选用手弧焊。（2）板厚在10mm以上，焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊。（3）板厚小于3mm，焊缝较短应选用CO2焊。2、大批量生产钢结构时：（1）板厚小于3mm,无密封要求应选用电阻点焊。有密封要求应选用缝焊。第63页/共70页3.5.2焊接方法的选择（2）板厚在3-10mm，焊缝短应用CO2