金属材料成形基础第四篇

金属材料成形基础第四篇第1页，共60页，2023年，2月20日，星期四第四篇

焊接

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：

2．压力焊：3．钎焊：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、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等软钎焊、硬钎焊第2页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、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3页，共60页，2023年，2月20日，星期四第4页，共60页，2023年，2月20日，星期四§1手工电弧焊的焊接过程

第一章

金属焊接成形工艺基础

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.焊接电弧的概念第5页，共60页，2023年，2月20日，星期四焊条工件焊接电弧具备两个条件使气体电离阴极发射电子接触电阻：R短路电流：I电阻热：Q=I2RtE=V/dd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。+-d

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。热电离碰撞电离第6页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.电弧的构造及热量分布阴极区：阳极区：弧柱区：2400k36%2600k42%5000~8000k21%3.电弧的极性直流电源正接极：直流电源反接极：工件—正极（阳极）；焊条—负极（阴极）。工件—负极（阴极）；焊条—正极（阳极）。用于薄板金属的焊接第7页，共60页，2023年，2月20日，星期四§2焊接冶金过程与电焊条一、熔焊冶金过程特点1.熔池金属温度高于一般冶金温度2.熔池金属冷却快，处于液态的时间短2000k使金属元素强烈蒸发、烧损。10s化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。3.空气对焊缝的影响严重O2[O]Fe+[O]

FeOMn+[O]

MnOSi+[O]

SiO2C+[O]

CO1）O2：第8页，共60页，2023年，2月20日，星期四氧化的结果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

：Fe+[N]

Fe4N使接头的塑性、韧性下降。3）H2

：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。[N]N2[H]H2第9页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、电焊条1.电焊条的组成及作用电焊条焊条芯药皮焊缝的填充材料

—

填充焊缝电极传导电流

—

导电机械保护的作用冶金的作用稳定电弧的作用焊条芯药皮药皮的种类：①氧化钙型；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。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.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—TSJ507药皮种类（低氢型）抗拉强度结构钢焊条J422药皮种类（钙钛型）抗拉强度结构钢焊条第11页，共60页，2023年，2月20日，星期四酸性焊条：碱性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）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第12页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、焊接热循环焊接接头焊缝区焊接热影响区1）焊缝区熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。2）焊接热影响区二、焊接接头金属组织与性能的变化焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。§3焊接接头金属的组织与性能第13页，共60页，2023年，2月20日，星期四①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过热区加热温度：T固~1100

℃塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1～3mm）第14页，共60页，2023年，2月20日，星期四③正火区加热温度：1100℃~AC3在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2～4mm）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：熔合区和过热区第15页，共60页，2023年，2月20日，星期四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焊后热处理（正火）§3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。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期四L0ⅠⅡ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第17页，共60页，2023年，2月20日，星期四第18页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、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.波浪形变形第19页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、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。ⅡⅠⅢ②（Ⅰ—Ⅲ）①（Ⅰ—Ⅱ）（Ⅱ—Ⅲ）—ⅢⅡⅠⅢ123）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%左右第20页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.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。12341—4—3—212343）加裕量法。4）反变形法。1234561—4—5—2—3—61—2—3—4第21页，共60页，2023年，2月20日，星期四5）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火焰矫正第22页，共60页，2023年，2月20日，星期四

第二章常用焊接成形方法§1熔化焊一、埋弧自动焊焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）1.埋弧自动焊设备及焊接过程第23页，共60页，2023年，2月20日，星期四第24页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.埋弧自动焊工艺1）焊前准备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。板厚在20～25mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板板厚在14～22mm应开Y型坡口，板厚在22～50mm，可开双Y型坡口或U型坡口。3)要有引弧板和引出板环焊缝：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。第25页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.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。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、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：ArAr①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%）“阴极破碎”作用1）熔化极氩弧焊25mm以下的工件2）非熔化极氩弧焊适于6mm以下工件的焊接第27页，共60页，2023年，2月20日，星期四熔化极亚弧焊非熔化极亚弧焊第28页，共60页，2023年，2月20日，星期四第29页，共60页，2023年，2月20日，星期四3）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。适用所有金属材料的焊接。第30页，共60页，2023年，2月20日，星期四以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：CO2CO2①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氧化严重；②气孔倾向大（CO）；③飞溅严重。1)存在问题2.CO2气体保护焊第31页，共60页，2023年，2月20日，星期四①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。2）CO2气体保护焊的特点及应用第32页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、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.焊接过程第33页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.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—60～150mm；三丝摆动—450mm；板极电渣焊—(>450mm)2）生产率高，成本低。3）焊接质量好。不易产生夹渣、气孔等缺陷。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。第34页，共60页，2023年，2月20日，星期四§2压力焊一、电阻焊

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。1.点焊工艺参数电极压力焊接电流通电时间适中

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。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。第35页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.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。第36页，共60页，2023年，2月20日，星期四第37页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、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。第38页，共60页，2023年，2月20日，星期四第39页，共60页，2023年，2月20日，星期四§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2.硬钎焊钎料的熔点在450℃以下。接头强度低，一般为60～190MPa，工作温度低于100℃钎料的熔点在450℃以上。接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期四钎料的作用①连接②填充钎料的种类①软钎料：②硬钎料：锡铅合金（焊锡）铝基、铜基、银基、镍基合金等。2.溶剂溶剂的作用①清理作用②降低表面张力③保护作用去除表面氧化皮改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。二、钎料和溶剂1.钎料第41页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.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。三、钎焊的特点及应用加热温度低，接头组织、性能变化小；焊接变形小，工件尺寸精确。第42页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.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。焊接性①工艺焊接性：②使用焊接性：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2.影响焊接性的因素1）焊接方法4）工艺参数2）焊接材料3）焊件化学成分

第三章常用金属材料的焊接§1材料的焊接性第43页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.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—折合成碳的相当含量对焊接性的影响其它元素CE=C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15CE<0.4%CE=0.4%~0.6%CE>0.6%具有良好的焊接性焊接性较差焊接性差第44页，共60页，2023年，2月20日，星期四§2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%焊接性由良好较差。CE<0.4%CE=0.4%～0.60%问题焊缝区易产生热裂纹热影响区易产生冷裂纹第45页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.高碳钢的焊接高碳钢：C>0.60%焊接性差。CE>0.60%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。焊补措施焊前预热（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。第46页，共60页，2023年，2月20日，星期四§3合金结构钢的焊接合金结构钢机械制造用结构钢普通低合金结构钢（调质钢、渗碳钢）（压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。）普通低合金结构钢：低强度普通低合金结构钢：高强度普通低合金结构钢：σs<400MPaCE<0.4%16Mn、09Mn2Siσs>400MPaCE<0.4%～0.5%焊接性良好。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。第47页，共60页，2023年，2月20日，星期四§4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、机床导轨等第48页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.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：⑤高钒铸铁焊条：④镍基铸铁焊条：③铜基铸铁焊条：适用于较大灰口铸铁件的焊补主要用于一般铸铁件的焊补主要用于重要件加工表面的焊补可进行机械加工、塑性和抗裂较好。焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性抗裂性好，可进行机械加工。具有良好的抗裂性与加工性主要用于一般铸铁件的焊补第49页，共60页，2023年，2月20日，星期四§5有色金属的焊