材料工艺及设备第三部分

第三部分

材料液态成型加工工艺及设备将材料加热到高温溶化成液态，然后采取一定的成型和冷却方法获得所希望的材料制品的材料加工方法称为材料的液态成型。人们把材料分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料三大类。根据三大类材料成型工艺的特点，材料的液态成型工艺可分为金属材料的液态成型、无机非金属材料的液态成型和高分子材料的液态成型工艺。本部分内容主要讲述金属材料的液态成型工艺及设备。第七章

金属材料液态成型加工工艺及设备金属材料的液态成型是将金属材料加热到高温熔化成液态，然后采取一定的成型，待其冷却、凝固、获得所希望的金属材料制品，这种制造金属制品的过程叫做金属材料的液态成型工艺。金属材料液态成型的历史悠久。铸造是一种液态金属成型的方法，在铸造成型工艺中，最常用、最普遍的生产方法是砂型铸造，约占铸件总产量的90%以上。本章重点研究砂型铸造成型中的手工造型和机器造型。导入案例：世界最大的水轮机叶片

哈电研制的三峡水轮机转轮叶片的化学成分、力学性能、内外质量及尺寸精度达到了同类产品的国际先进水平，叶片铸造工艺方法具有创新性，叶片型线准确，加工余量分布均匀。叶片最大轮廓尺寸为4537×4951×2300毫米，净重17.49吨。哈电制造的三峡叶片每吨成本11.5万元，国外定货价格每吨14万元，每片可节约43万元。每台机组15片叶片，每台可节约资金655万元。

在我国古老的历史上占有极其重要的地位。第一节发展与现状

一、历史悠久已经建成机械化造型成产线500余条，能液态成型制造重达145t的机床横梁铸件、120t的轧机轧辊、260t的大型铸铁钢锭模、426t长江三峡水轮机叶轮、730t轧机机架和重达758t的压机活动横梁等金属制品。已能制造世界上最新式的铸造机械和仪器，如能生产各种类型熔炼炉、高压造型机、制芯机、砂处理和清理设备以及一些无损探伤仪等大型成套设备，机械手和机器人在铸造生产的落砂、清理工序和压铸模精铸中开始得到应用。二、机械化生产年代

将金属加热到液态，使其具有流动性，然后在重力或外力（压力、离心力、电磁力等）的作用下浇注、压射或吸入到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，冷却并凝固后，拆除铸型后获得一定形状和性能的零件或毛坯的成形工艺。第二节铸造成型概述

图7.1铸造成形过程阀体件管件机械配件汽车配件金属材料铸造形成的方法很多，按造型方法可分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造是以型砂为主要造型材料制备铸型的传统铸造工艺方法，它具有原料来源丰富、生产批量和铸件尺寸不受限制、成本低廉、适应性广、生产准备简单、成本低廉等优点，是应用最广泛的铸造方法，是最基本的液态成形方法，其生产的铸件要占铸件总量的80%以上。特种铸造是除砂型铸造以外其它铸造方法的总称，常用的特种铸造方法有金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造、实型铸造、低压铸造、陶瓷型铸造等。第三节铸造工艺砂型铸造是利用具有一定性能的原砂为主要造型材料，液态金属依靠重力充满铸型型腔，经冷却后，获得铸件的一种铸造方法。铸型由外型和型芯两部分组成。外型也称为铸型，它是形成铸件的外部轮廓；型芯是形成铸件的内腔。用型砂制成的铸型和型芯又叫做砂型和砂芯。一、砂型铸造1、砂型铸造的工艺过程（1）手工造型方法

整模造型

a)b)c)d)上下a）木模样b）造下砂型c）造上砂型d）铸型分模造型挖砂造型

活块模造型

a）活块模用销钉定位；b）活块模用燕尾槽定位；c）造型时拔销钉；d）起出主体模样后取活块模假箱造型

a）端盖模样放在假箱上b）在假箱上造下砂型

1—端盖模样2—假箱刮板造型

a）刮制下型b）刮制上型c）合箱两箱分模造型

三箱分模造型

a)b)c)d)e)f)g)a）铸件b）模样c）造下砂型d）造中砂型e）造上砂型f）起模g）铸型

地坑造型组芯造型

（2）机器造型方法

压实造型单纯借助压力紧实砂型。机器结构简单、噪声小，生产率高，消耗动力少。型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀，上下紧实度相差很大。高压造型用较高压实比压（一般在0.7～1.5MPa）压实砂型。砂型紧实度高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度值小，废品率低，生产率高、噪声小、灰尘小、易于机械化、自动化，但机器结构复杂、制造成本高。

震击造型依靠震击力紧实砂型。机器结构简单，制造成本低，但噪声大、生产率低，要求厂房基础好。砂型紧实度沿砂箱高度方向越往下越大。震压造型经过多次震击后再压实砂型。生产率高，能量消耗少，机器磨损少，砂型紧实度较均匀，但噪声大。微震压实造型

在加压紧实型砂的同时，砂箱和模板作高频率、小振幅震动。生产率高、紧实度均匀、噪声小。

抛砂造型

用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力作用下完成填砂和紧实。生产率高，能量消耗少、噪声低、型砂紧实度均匀、适用性广。射压造型

压缩空气膨胀，将型砂射入砂箱进行填砂和紧实，再进行压实。生产率高，紧实度均匀，砂型腔尺寸精确、表面光滑、工人劳动强度低、易于自动化，但造型机调整维修复杂。射砂紧实造型用压缩空气将型（芯）砂高速射入砂箱（或芯盒）而进行紧实。将填砂、紧实两个工序同时完成，故生产率高，但紧实度不高，需进行辅助压实。a）在底板上刮制中空砂芯b）在芯盒内刮制中空砂芯1—刮板2—砂芯3—模样（芯盒）4—底板5—轴造芯

a)b)514321235在大批量生产的铸造车间，机械化程度高，有条件把造型、浇注、落砂等主要工序组成流水线，进行有节奏的高效率生产。2、铸造生产流水线概念

浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的状态和位置，即确定哪个部位在上或在下，哪个面朝上、呈侧立状态，或朝下。浇注位置的确定是工艺设计中重要环节。它关系到铸件的内在质量、铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易，因此往往须制订出几种方案加以分析、对比，择优选用。浇注位置对铸件的质量影响很大，选择时应考虑以下原则。二、铸造工艺的制定1、浇注位置的确定原则

（1）对于具有大平面的铸件，应将铸件的大平面放在铸型的下面。大平面长时间受到金属液的烘烤容易掉砂，在平面上易产生夹砂、砂眼、气孔等缺陷，故平板、圆盘类铸件的大平面应尽量朝下。a)合理b)不合理（2）浇注位置的选择应有利于型腔中气体的排出，铸件的薄而大的平面应放在铸型的下部或侧立、倾斜，以保证金属液能充满，避免产生浇不足、冷隔等缺陷。a)合理b)不合理（3）铸件的重要加工面应朝下或侧立。一般情况下，气体、夹杂物总是漂浮在金属液上面，朝下的面及侧立的面处金属液质量纯净、组织致密，铸件的上半部分比下半部分的铸造缺陷多。所以应将铸件的重要加工面或主要受力处放到下面，若有困难则可放到侧面或斜面，当铸件的重要加工表面有多个时，应将较大的平面朝下。（4）浇注位置应有利于所确定的凝固顺序。当铸件壁厚不均需要补缩时，应按顺序凝固的原则，一般将铸件厚大的部分置于浇注位置的上面或侧面，以便于安放冒口和冷铁。如图中的卷扬筒，其厚端位于顶部是合理的，可使金属液按自下而上的顺序凝固，在最后凝固部分便于采用冒口补缩，以防止缩孔的产生.a)合理b)不合理（5）应使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。这样可避免在合型后，或于浇注后再次翻转铸型。翻转铸型不仅劳动量大，而且易引起砂芯移动、掉砂、甚至跑火等缺陷。只在个别情况下，如单件、小批生产较大的球墨铸铁曲轴时，为了造型方便和加强冒口的补缩效果，常采用横浇竖冷方案。于浇注后将铸型竖立起来，让冒口在最上端进行补缩。当浇注位置和冷却位置不一致时，应在铸造工艺图上注明。（1）分型面应选在铸件的最大截面上，并力求采用平面。这样可使模样顺利取出，简化造型工艺，不用或少用挖砂造型或假箱造型。2、分型面的确定

（2）铸件的重要加工面应朝下或在侧面。铸件凝固过程中，气体、非金属夹杂物等容易上浮，故铸件上表面的质量远不如下表面或侧面。a)合理

（3）有利于铸件的补缩。对收缩大的铸件，应把铸件的厚实部分放在上面，以便放置补缩冒口；对收缩小的铸件，则应将厚实部分放在下面，依靠上面金属液体进行补缩。a)收缩大的铸件b)收缩小的铸件（4）应使铸件全部或大部置于同一砂箱内。尽量将铸件的重要加工面或大部分加工面与加工基准面放在同一个砂箱中，而且尽可能放在下型，以便保证铸件的尺寸精确，但下箱型腔也不宜过深。（5）应尽量减少分型面数目，减少活块的数目，并取平直分型面。分型面少，铸件精度容易保证，且砂箱数目少。abdc三通铸件的分型方案

（6）应尽量减少砂芯的数目。图为接头铸件的分型面方案。按图a），接头内孔的形成需用型芯；如改成图b)，上箱用吊砂，下箱用砂垛，可省掉型芯，而且铸件外形整齐、容易清理。a)用型芯b)不用型芯（7）应便于铸件清理。图为摇臂铸件的分型面方案。a方案采用分模造型，具有平直分型面的优点，但浇注后会在分型面处产生飞边，清理时由于砂轮厚度大，无法打磨铸件中间的飞边。若选择b方案，是曲折分型面，则采用整模、挖砂造型，不易错箱，清理工作量大为减少。

a)不便清理

b)便于清理

（8）受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度。图b所示的分型面，合型时如产生微小偏差将改变工字梁的截面积分布，因而有一边的强度会削弱，故不合理。而方案a则没有这种缺点。上上下下a)合理b)不合理（1）机械加工余量（2）铸出孔的大小（3）铸造收缩率（4）拔模斜度3、工艺设计参数的确定

a）增加铸件厚度法b）增加和减少铸件厚度法c）减少铸件厚度法熔模铸造是指用易熔材料（如蜡料）制成模样并组装成蜡模组，然后在模样表面涂上数层耐火涂料制成模壳，经硬化干燥后，再将其中的模样熔化、排出型外而制成模壳，模壳再经高温焙烧后浇注获得铸件的一种铸造方法。熔模铸造也称“失蜡铸造”或“熔模精密铸造”。产品精密、复杂、接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，故熔模铸造是一种近净形的生产金属零件的先进工艺。第四节

特种铸造

一、熔模铸造1、熔模铸造的工艺过程

a)母模

b)压型

c)熔蜡

d)充满压型

e)一个蜡模

f)蜡模组

g)结壳、倒出熔蜡 h)填砂浇注

铸件尺寸精度高，表面粗糙度值低。能适应各种合金的铸造。可铸出形状复杂、轮廓清晰的薄壁铸件以及不便分型的铸件。生产灵活性高，适应性强。缺点：材料昂贵、工艺过程繁琐、铸件冷却速度较慢、生产周期长（4～15天），铸件成本比砂型铸造高数倍。此外，难以实现全盘机械化和自动化生产，且不能用于生产大型的铸件。2、熔模铸造的特点熔模铸造是少、无切削加工工艺的重要方法，最适于高熔点合金精密铸件的成批、大量生产，也可用于单件生产，可实现机械化流水线生产。它主要适用于形状复杂、难以切削加工的中小铸件。目前，它几乎已应用于所有的工业部门，主要用于航空航天、汽轮机与燃气轮机、造船与兵器、电子、石油化工、交通运输、泵和阀、汽车、拖拉机和机车等领域的中小型精密铸件的生产。3、熔模铸造使用范围金属型铸造是在重力作用下将液态合金浇入到用金属材料制成的铸型中，获得铸件的一种铸造方法。由于铸型是用金属制成，一副金属型可以反复浇注，少则几十次，多则数万次，故又称为永久型铸造或硬模铸造。金属型铸造既适用于批量生产形状较复杂的铝合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等，由于金属型铸造具有很多优点，故应用非常广泛。二、金属型铸造

金属型的材料一般采用铸铁，要求较高时可用碳钢或低合金钢。根据分型面位置不同，金属型分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式。1、金属型构造

垂直分型式金属型水平分型式金属型

包括准备、预热、装配金属型、浇注、冷却、开型、取出铸件、质量检验与后处理等工序。（1）喷刷涂料：0.1～0.5mm（2）预热金属型：100～350℃（3）稍高的浇注温度砂型高：20～30℃（4）适合的出型时间：铸件在金属型内停留的时间不能太长，否则由于收缩量增大，铸件的出型及抽芯困难，铸件的内应力和裂纹倾向加大。10～60s2、金属型的铸造工艺（1）导热快，冷却迅速，晶粒细小，结晶组织致密，其力学性能比砂型铸件高。（2）铸件的精度和表面质量比砂型铸件高（3）铸件的工艺收得率高。（4）可节约造型材料80～100％。（5）多次浇铸，易于机械化和自动化生产。（6）工序少，劳动条件好，劳动强度低。缺点：成本高、热烈倾向大、工艺要求严格。3、金属型铸造的特点除某些热裂倾向大的合金外，所有的铸造合金都可以用金属型铸造，其中以铝、镁、铜合金应用最广，如铝活塞、气缸盖、泵体、铜瓦、轴套、轻工业品等。对黑色金属铸件，只限于形状简单的中、小件。一般只有成批或大量生产时采用。在航空工业中，有时因铸件质量要求高，可不受生产批量的限制。3、金属型铸造的适用范围

压铸是最先进的金属成型方法之一、是实现少切屑、无切屑的有效途径，发展快，用途广，几乎涉及所有工业部门。压力铸造是在高压下，将液态金属或半液态金属以较高的速度充填入铸模型腔中，并在压力下凝固成形，以获得轮廓清晰、尺寸精确铸件的成形工艺方法，简称压铸。三、压力铸造压铸工艺过程是：向型腔喷射涂料、闭合压型、压射金属、打开压型、顶出铸件。分为热压室式和冷压室式。1、压力铸造工艺喷嘴

压型 通道

活塞、冲头

金属液吸收孔 压室

金属液

坩锅

热压室压铸机工作原理冷室压铸机工作原理动型定型型腔压室液压缸活塞推杆卧式压铸机工作过程示意图型芯型腔分型面液态金属顶出器铸件a）合型b）压铸c）开型（1）精度高，稳定，省料、省工、成本低。（2）力学性能好，组织细密，强度、硬度高。（3）生产率比其他铸造方法均高。（4）可铸结构复杂、轮廓清晰的零件。缺点(1)压铸的设备投资大。(2)压铸的速度高，气体排除难。(3)压铸合金的种类常受到限制。2、压力铸造的特点

压铸几乎涉及所有工业部门。如交通运输领域的汽车、造船、摩托车工业；电子领域中计算机、通信器材、电气仪表工业；机械制造领域的机床、纺织、建筑、农机工业；国防工业、医疗器械、家用电器以及日用五金等均有应用。压铸件所用材料多为有色金属，质量由几克到数十千克，尺寸从几毫米到几百毫米以致上千毫米，最大直径可达2m。3、压力铸造的适用范围

低压铸造是介于重力铸造（如金属型铸造、砂型铸造等）和压力铸造之间的一种铸造方法。它是在0.2～0.7大气压的低压下将金属液注入型腔，并在该压力下结晶凝固成形，以获得铸件的方法。铸型一般采用金属型、或金属型与砂芯组合型。低压铸造主要应用于较精密复杂的中大、小型铸件。合金不限，尤其适用于铝、镁合金。四、低压铸造

工艺过程包括升液、充型、增压凝固、卸压冷却等阶段。1、低压铸造工艺1－铸型2－密封盖3－坩埚4－金属液5－升液管（1）充型压力和速度便于控制，适合于各种铸型、各种合金的铸件。如金属型、砂型、熔模型壳、树脂型壳等。（2）铸件的组织致密，轮廓清晰，力学性能高，金属液充型平稳，有利于铸件质量。（3）设备简单，劳动条件有所改善，易于实现机械化和自动化。（4）浇注系统简单，浇口可兼冒口，金属利用和工艺出品率高，通常可达90％～98％。缺点：升液管寿命短，金属液易氧化。2、低压铸造的特点

低压铸造产品广泛应用于汽车、拖拉机、船舶、摩托车、柴油机、汽油机、机车车辆、医疗机械、仪器等工业部门的大批量零部件的生产，如汽车轮毂、发动机缸体、缸盖，水泵体、油缸体、减震筒、密封壳体等。我国已成功地铸造了重达200kg的铝活塞、30t的铜螺旋桨及大型球墨铸铁曲轴铸件。3、低压铸造的适用范围

离心铸造是将液态合金浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下充填铸型并结晶凝固的铸造方法。离心铸造时合金液在铸型内随着铸型作圆周运动，在离心加速度作用下，合金液质点就产生了离心力。离心铸造既是传统、又是一种现代的铸造方法，它使合金液离开中心紧靠铸型，质点间依次紧密，使铸件组织致密。离心铸造可以用金属型，也可以用砂型、熔模壳型。五、离心铸造

1、离心铸造工艺1-浇包；2－铸型；3－液体金属；4－带轮和传动带；5－旋转轴；6－铸件；7－电动机立式离心铸造示意图卧式离心铸造示意图

1－浇包；2－浇注槽；3－铸型；4－液体金属；5－端盖；6－铸件

（1）可以用金属型，也可以用砂型。（2）铸件组织细密，力学性能好。（3）可省去型芯和浇注系统。（4）便于铸造“双金属”铸件。（5）铸件具有自由表面。（6）合金液充填能力，工艺出品率高。缺点：（1）某些合金偏析重。（2）内表面较粗糙，尺寸误差大。（3）设备投资大。2、离心铸造的特点离心铸造已是一种应用广泛的铸造方法，常用于生产管套类、筒类、双金属类及其他成型零件。如轴套、滚筒、炉底辊、化工用管、铜合金轴瓦、涡轮、活塞环等。目前已有高度机械化、自动化的离心铸造机，有年产量达数十万吨的机械化离心铸管厂，铸件的最大重量可达十几吨。3、离心铸造的适用范围

陶瓷型铸造是在砂型铸造和熔模铸造的基础上发展起来的一种精密铸造方法。它是将金属液浇注到陶瓷铸型中得到铸件的一种铸造方法，分为整体陶瓷铸型和复合陶瓷铸型两种。整体陶瓷型，全由陶瓷浆料浇灌而成。复合陶瓷型，采用衬套,在衬套和模样之间的空隙浇灌陶瓷浆料制造铸型。衬套可用砂型，也可用金属型。用衬套浇灌陶瓷壳层可以节省大量陶瓷浆料，在生产中应用较多。六、其它特种铸造

1、陶瓷型铸造

（1）工艺过程

a)模样

c)灌浆

b)砂套造型 d)喷烧

e)合型

f)铸件

水玻璃砂

陶瓷面层

1）铸件尺寸精度高、表面粗糙度值低，约与熔模铸造相近。可浇注高熔点合金。2）可用于各种铸件。3）在单件、小批量生产条件下，需要的投资少、生产周期短。4）由于灌浆工序繁琐，陶瓷型铸造不适于批量大、重量轻和形状复杂铸件。陶瓷型铸造主要用于生产复杂的精密铸件，广泛用于铸造冲模、锻模、玻璃器皿模、压铸模、模板等，也可用于生产中型铸钢件。（2）特点及适用范围磁型铸造是60年代发展起来的一种新工艺，70年代传入我国后得到了一定的发展。磁型铸造是将装有气化模和铁丸的砂箱置于磁场中，铁丸在磁场作用下相互结合在气化模外形成铸型，当金属液浇入磁型时，高温金属将气化模逐渐烧失，而占据型腔，待冷却凝固后撤出磁场，则磁型自然散落，从而获得铸件的方法。2、磁型铸造（1）工艺过程

线圈气化模磁丸砂箱磁型机1）无型砂，无灰尘危害，材料反复使用；2）设备简单，占地面积小。3）造型、清理简单。4）不需起模，加工余量小。不足：1）不适用于厚大复杂件。2）气化模燃烧时放出许多烟气，使空气污染。3）易使铸钢件表层增碳。磁型铸造已在机车车辆、拖拉机、兵器、采掘、动力、轻工、化工等行业应用。（2）特点及适用范围实型铸造又称为气化模铸造或消失模铸造，其原理是用泡沫塑料（包括浇冒口系统）代替木模或金属模样进行制造，造型后模样不取出，在浇注时，迅速将模样燃烧气化消失掉，金属液充填了原来模样的位置，冷却凝固后获得铸件。由于这种铸型呈实体，不存有空腔，故名实型铸造。随着工艺的发展，先后出现了多种消失模铸造工艺，但工业上应用最为成功的主要分为两类即自硬砂消失模铸造和干砂消失模铸造。3、实型铸造刷涂料、造型聚苯乙烯原料在模具中发泡成型浇注落砂、清理模型汽化（1）工艺过程

1）铸件精度高。2）工序简单、生产效率高。3）零件的设计自由度大。4）清洁生产，被称为“21世纪的绿色工程”。5）投资少、成本低。6）工人劳动强度低、技术熟练程度要求低。缺点：1）实体模样带来的铸件内部质量问题。2）尺寸大的模样较容易变形。3）制作泡沫塑料模样的模具费用较高。生产形状复杂的铸件，如模具、汽缸头、管件、曲轴、叶轮、壳体、床身、机座等。（2）特点及适用范围金属半固态铸造就是将球状初生固相的固液混合浆料，经压铸机压铸，形成铸件或先将这种固液混合浆料完全凝固成坯料，再根据需要将坯料切分，将切分的坯料重新加热至固液两相区，然后将这种半固态坯料进行压铸机压铸，铸造成形，这两种方法均称之为金属的半固态铸造。目前，半固态金属铸造的工艺过程主要分两大类：流变铸造和触变铸造。4、半固态金属铸造a)连续流变器c)压射成形d)半固态压铸件b)半固态金属浆料

放入压铸机压射室987654312流变压铸1-搅拌棒；2-合金液；3-加热器；4-冷却器；5-搅拌室；6-半固态合金浆料；7-压射冲头；8-压铸压射室；9-压铸型图（1）工艺过程

触变压铸

1）铸件的收缩率小，铸件尺寸精度高，减少了零件毛坯的机加工量，降低生产成本，可以方便地机械搬运，也便于实现自动化操作。2）充型平稳，不易发生喷溅，铸件组织致密性和性能更均匀，不易产生缩孔、偏析等缺陷少。3）充型温度和应力低，模具和压铸机寿命长，能耗小，生产效率高。汽车工业中轿车、轻型车的转向节、泵体、转向器壳体、阀体、一些悬挂支架件和轮毂等高强度、高致密度、高可靠性要求的铸件。（2）特点及适用范围悬浮铸造时指在浇注金属液时，将一定量的金属粉末加到金属液流中，使其与金属液掺和在一起而流入铸型的一种铸造方法。所添加的粉末材料称为悬浮剂，常用的有铁粉、铸铁丸、铁合金粉、钢丸等。悬浮铸造可明显地提高铸钢、铸铁的力学性能，减少缩孔和缩松，提高铸件的抗热裂性能，减少铸锭和厚壁铸件中化学成分不均匀性，提高铸件的凝固速度。缺点是对悬浮剂和浇注温度的控制要求较高。

5、悬浮铸造连续铸造是一种先进的铸造方法，其工艺过程是将金属液不断地浇入一种称为结晶器的特殊金属型中，经过结晶器凝固形成一定厚度的表层凝壳后，通过机械运动方式，使已具有凝固外壳的铸件不断的从结晶器另一端拉出，从而获得连续凝固后的铸件。从工艺及设备的不同特点考虑，可分为立式连续铸造、卧式连续铸造和立弯式连续铸造等方法。6、连续铸造

（1）工艺过程

1）连续铸造时，没有浇注系统的冒口，模具中不含或很少有型砂和各种粘结材料。2）无造型工序，减轻了劳动强度，劳动条件好。3）冷却速度快，铸件组织均匀，力学性能好。4）连续铸造便于实现机械化、自动或半自动化。缺点：由于铸件凝固速度快，也会造成较大的内部应力，会造成裂纹及硬度分布的不均匀。应用广泛，可用来生产各种机械零件，也可为金属轧制成材用提供铸锭及坯料。（2）特点及适用范围各种铸造方法均有其特点和各自的适用范围，因此，必须结合铸件结构形状、质量要求、合金种类、生产批量及生产条件等具体情况认真进行综合分析，从中确定最佳铸造方法。砂型铸造尽管有着许多缺点其适应性最强，因此，在铸造方法的选择中应优先考虑。而各种特种铸造方法仅是在相应的条件下，才能显示出其优越性。因此，在选择各种铸造方法时，应进行全面的技术经济分析。七、金属液态成形方法的合理选择

第五节铸件结构设计

一、合金的铸造性能对铸件结构的要求1、合理设计铸件壁厚（1）铸件壁厚应适当（2）铸件壁厚要尽可能均匀（3）铸件内壁应薄于外壁（1）设计结构圆角2、铸件壁的联接a）不合理b）合理（2）避免交叉和锐角连接铸件壁的交叉处热量蓄积较多，易形成缩孔和缩松，因此要避免锐角或交叉。对中小型铸件可采用交错接头，大型铸件可用环状接头。铸件壁间若出现小于90°的锐角，可采用过渡形式。不合理合理（3）厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡当铸件各部分的壁厚不一致、甚至相差较大时，容易产生应力集中现象，应采用逐步过渡和转变的方法，防止截面的突变。

b≤2ab＞2ab＞2a浇注时铸件的水平面容易产生气孔、夹渣、夹砂等缺陷。因此，在设计铸件结构时，尽量用稍带倾斜面或曲面壁来代替过大的水平面。3、应避免过大的水平面

(a)不合理(b)合理（1）避免冷却收缩受阻碍设计铸件的筋、辐时，应尽量使其得以自由收缩，以免产生裂纹和内应力。4、避免易变形和裂纹的结构a）不合理b)弯曲辐条以松弛应力c)带孔辅板防止断裂d)单数辐条应力小

（2）细长易绕曲的铸件应设计成对称截面因为对称截面的相互抵消作用使变形大大减少。a)b)图7.52梁形铸件的设计通过改进铸件结构、铸件热处理时矫形、塑性铸件进行机械矫形和采用反变形模样等措施予以解决。（a）不合理（b）合理（3）设计防裂筋应在铸件易产生变形或裂纹处增设防裂筋，以防止变形或热裂。防裂筋的应用a)不合理b)合理平板铸件结构的设计5、利于补缩和实现顺序凝固（a）不合理（b）合理（1）设计凸台、凸缘和肋板等突起部分时尽量不要妨碍起模。

二、铸造工艺对铸件结构的要求

1、铸件的外形设计分型面分型面

（2）尽量减少分型面数目abdc（3）避免外形侧凹（4）应有结构斜度（5）应尽量使分型面平直采用平直的分型面，可避免挖砂造型或假箱造型，减少制造模样和模板的工作量，同时铸件的毛边少，便于清理，因此应尽量避免弯曲的分型面。a）b）c）21铸件内腔设计的好，不仅可以减少型芯的数量，降低工装费用，还有利于型芯的稳固、排气和清理，以防偏芯和气孔缺陷。

（1）尽量不用或少用型芯2、铸件内腔设计（2）应利于型芯的固定和排气在铸型中，支承型芯主要依靠型芯头，必要时可采用型芯撑。型芯撑是用钢铁等金属材料制成，浇注后就夹杂在铸件中，会影响铸件内在质量和气密性，故型芯撑只适用于非工作表面或不承受液压或气压的铸件。（a）不合理（b）合理（3）减少清砂的工作量铸件清理包括：清除表面粘砂、内部残留砂芯，去除浇注系统、冒口和飞翅等操作。这些操作劳动量大且环境恶劣。铸件结构设计应注意减轻清理的工作量。单件、小批生产中，模样和芯盒的费用占铸件成本的很大比例。为节约模具制造工时和材料，铸件应设计成规则的、容易加工的形状。3、简化模具的制造带有辅助压实机构的震实造型机简称为震压造型机。震压造型机能使砂箱上部型砂得到紧实，工艺性能较好，多用于中小型砂箱的造型。第六节铸造成型设备一、造型设备1、震压式造型机

1-机身；2-按压阀；3-起模同步架；4-震压气缸；5-起模导向杆；6-起模顶杆；7-起模液压缸；8-振动器；9-转臂动力缸；10-转壁中心轴；11-整块；12-压板机构；13-工作台；14-起模架Z145型震压式造型机总图Z14系列顶箱震压式造型机摇震压缩型造型机

摇震压缩自动顶模型造型机2、垂直分型无箱挤压造型机1—反压板2射砂机构3—造型室4—压实板5—浇注台6—浇包垂直分型无箱射压造型的造型原理1-射砂筒；2-射砂阀；3-贮气罐；4-增速液压缸；5-控制系统；6-罩壳；7-泵站；8-后框架；9-机座；10-导杆；11-上液压缸；12-中框架；13-正压板；14-造型室；15-反压板；16-浇注台垂直分型无箱射压造型机1-射砂筒；2-压实板上的模板；3-压实板；4-反压实板上的模板；5-反压板（Ⅰ）射砂；（Ⅱ）压实；（Ⅲ）第一次脱模；（Ⅳ）合型；（Ⅴ）第二次脱模；（Ⅵ）关闭造型室垂直分型无箱射压造型过程利用这种强大的气压冲击作用，可使型砂得到紧实。

3、气冲造型机GF式气冲装置1-压缩空气室；2-快开阀；3-阀门；4-辅助框；5-模板；6-砂箱；7-升降夹紧机构；a-砂型上部空腔1-移动式气冲装置及定量斗；2-气冲装置；3-定量斗；4-辅助框；5-砂箱进出框；6-模板回转更换装置；7-举升工作台；8-模板装卸装置；9-模板框；10-砂箱气冲造型机简图将液态热固性树脂和催化剂与原砂通过混砂机混合制成混合物，采用压缩空气射入芯盒内用180～240℃加热。由于热的作用，固化剂中的酸释放出，使砂子混合物硬化。热芯盒射芯机通常由供砂装置、射砂机构工作台及夹紧机构、立柱机座、升降工作台、加热板及空气管路盒电气控制系统组成，依次完成加砂、芯盒夹紧、射砂、加热硬化、取芯等工序。二、造芯设备1、热芯盒射芯机

1-振动电动机；2-闸板；3-射砂筒；4-射砂头；5-排气塞；6-气动托板；7-工作台气缸；8-底座；9-立柱；10-闸板气缸；11-闸板密封圈；12-砂斗；13-减震器；14-排气阀；15-加热板；16-夹紧器；17-夹紧气缸；18-工作台；19-开关控制器；20-取芯杆；21-砂芯；22-环形薄膜阀；23-芯盒将树脂包覆在细砂粒上，以形成一种干燥的自由流动的材料，然后将其加到热的芯盒中，此时覆盖于砂粒上的树脂熔化，而后聚合成硬化状态。壳芯机就是采用壳芯法工艺生产壳芯的射芯机，用它可以生产实芯的砂芯(取决于硬化时间及芯子的截面厚度)，或者空心芯子。一旦从芯盒中取出及进行冷却后，这些芯子可立即用于铸造。2、壳芯机a）原始位置b）芯盒合拢吹砂斗上升c）翻转吹砂加热结壳d）回转摇摆倒出余砂硬化e）芯盒分开顶芯取芯图7.77壳芯机工作原理示意图冷芯盒射芯是采用气体硬化砂芯,其结构与热芯盒射芯机的结构类似，也可以在原有热芯盒射芯机上改装而成，只需增设一个吹气装置，取代原有的加热装置，吹气装置主要是吹气板和供气系统。射砂工序完成后，将射头移开，并将芯盒与通气板压紧，通入硬化气体，硬化砂芯。砂芯硬化后，再通过通气板通入空气，使空气穿过已硬化的砂芯，将残留在砂芯中的硬化气体冲洗除去。3、冷芯盒射芯机1）热气流烘干装置

三、造型材料处理及旧砂再生设备

1、烘干设备热气流烘干装置1-加热炉；2-给料器；3-砂斗；4-喉管；5-输送管道；6-旋风分离器；7-旋风除尘器；8-泡沫除尘器；9-滤水装置；10-风机；11-消声器2）三回程滚筒烘炉1-出灰门；2-进风口；3-操作门；4-炉篦；5-炉体；6-进砂管；7-导向筋片；8-外滚筒；9-举升板；10-中滚筒；11-内滚筒；12-漏斗；13-传动托轮1)碾轮式混砂机2、混砂设备（混砂机）1-围圈；2-辉绿岩铸石；3-底盘；4-支腿；5-十字头；6-弹簧加减压装置；7-碾轮；8-外刮板；9-卸砂门；10-气阀；11-取样器；12-内刮板；13-壁刮板；14-减速器；15-曲柄；16-加水装置2）转子式混砂机转子式混砂机的转动机构重量轻，转速快，混砂周期短，生产率高。转子式混砂机适于混制各类型砂，是高压、气冲、静压和射压造型较为理想的混砂机。3）碾轮转子式混砂机1-内刮板；2-曲臂；3-弹簧加压机构；4-碾轮；5-十字头；6-刮板臂；7-外刮板；8-壁刮板；9-混砂转子机构；10-卸砂门；11-机体；12-加水机构；13-混碾机构；14-减速器；15-弹性联轴器；16-电动机；17-电机座4）摆轮式混砂机1-围圈；2-刮板；3-砂流轨迹；4-转盘；5-主轴；6-偏心轴；7-摆轮1）磁分离设备：磁分离的目的是将混杂在旧砂中的断裂浇冒口、飞边、飞翅与铁豆等铁块磁性物质去除。①电磁皮带轮；②电磁分离滚筒。3、旧砂处理设备2）破碎设备：对于高压造型，干型粘土砂，水玻璃砂和树脂砂的旧砂块，进行破碎。3）筛分设备：旧砂过筛一般在磁分离和破碎之后，可进行1-2次筛分。常用的筛砂机有：滚筒筛砂机、摆动筛砂机、振动筛砂机等。

①摆动筛②滚筒筛③震动筛4）冷却设备：铸型浇注后，高温金属的烘烤使旧砂的温度增高。如用温度较高的旧砂混制型砂，水分不断蒸发，型砂性能不稳定。造成铸件缺陷。为此，必须对旧砂实施强制冷却。目前普遍采用增湿冷却方法，即用雾化方式将水加入到热旧砂中，经过冷却装置，使水分与热砂充分接触，吸热汽化，通过抽风将砂中的热量除去。常用的旧砂冷却设备有双盘搅拌冷却、振动沸腾冷却、冷却提升机和冷却滚筒等。1）铸铁熔炼设备四、铸造熔化设备

1、熔炼设备冲天炉结构图1-除尘器；2-烟囱；3-进风系统；4-前炉；5-出渣口；6-出铁口；7-支柱；8-炉底板；9-加料口2）铸钢熔炼设备石墨电极炉顶砖炉衬砖出钢口出钢槽捣结炉底钢水炉渣耐火砖出渣口冷却水912345678感应电炉炉体部分构造图1-水泥石棉盖板；2-耐火砖上框；3-捣制坩埚；4-玻璃丝绝缘布；5-感应器；6-水泥石棉防护板；7-耐火砖底座；8-不锈钢制（不感磁）边框；9-转轴3）铸铝、铜合金熔炼设备铝、铜合金在熔炼中突出的问题是元素容易氧化、合金易吸气。空气至烟道654321坩埚炉结构1-炉盖；2-炉身；3-坩埚；4-填砖；5-炉栅；6-风管1-燃烧室；2-熔炼室；3-坩埚；4-烟道1234焦炭火焰反射坩埚炉结构柴油坩埚炉结构电阻坩埚炉结构1-吊环；2-炉盖；3-炉身；4-炉壳；5-油管；6-喷嘴；7-风管；8-填料1-坩埚；2-坩埚托板；3-耐热铸铁板；4-石棉板；5-电阻丝托砖；6-电阻丝；7-炉壳；8-耐火砖1）秤量设备:电磁配电秤的结构原理2、配料设备129

8

765341-控制屏；2-小车卷场结构；3-荷重传感器；4-电磁吸盘；5-万向挂钩；6-滑轮卷电缆装置；7-电子秤；8-驾驶室；9-行车2）加料设备

12

3

4固定爬式加料机1-小车；2-料桶；3-机架；4-卷扬机123单轨加料机1-单轨；2-活动横梁；3-立柱

1）倾转式浇注机3、浇注设备1-同步挡块；2、4-薄膜气缸；3-横向移动车架；5-电动机；6-减速器；7-摩擦轮；8-横向移动液压缸；9-纵向移动车架；10-倾转液压缸；11-倾转架；12-浇包2）气压式浇注机

1

2

3

456789101-感应器；2-气压浇包；3-气压调节装置；4-接触电极；5-气动塞杆控制器；6-电子定位指示器；7-塞杆；8-倾转浇包；9-铸型；10-称重装置3）电磁式浇注机主要用于铝、镁、铜等非铁合金，其特点是容易调节浇注速度和浇注量，容易实现自动化，设备也没有机械运动。1

23451-加料口；2-电阻加芯棒；3-炉膛；4-导线；5-浇出口1）旋风除尘器常用于冷却设备抽风除尘系统和冲天炉、电弧炉的初级除尘。五、铸造车间的环保设备

1、除尘设备

入口出口出口管圆筒部圆锥部反转入口

集尘口集尘室2）脉冲反吹袋式除尘器气阀管道压缩空气净化空气锁气器含尘空气过滤袋除尘器壳体表7-11常见废气的净化方法2、废气净化装置3、噪声控制设备金属外套

陶瓷管4、污水处理设备1-污水池；2-加药系统；3-污水泵；4-进水管；5-处理器；6-出水管；7-清水池；8-反冲进水管；9-回用水管；10-清水泵；11-排泥口；12-反冲排水第八章

材料焊接成形工艺及设备焊接俗称“钢铁裁缝”，是一种低成本、高科技连接材料的可靠工艺方法。到目前为止，还没有另外一种工艺比焊接更为广泛地应用于材料间的连接，并对所焊产品产生更大的附加值。因此无论现在和将来，焊接都是成功地将各种材料加工成可投入市场产品的首选工艺。焊接技术已发展成为融材料学、力学、热处理学、冶金学、自动控制学、电子学、检验学等学科为一体的综合性学科。导入案例：QH-165点焊机器人

自20世纪80年代开始，哈工大曾先后研制成功10Kg、30Kg、100Kg、120Kg级系列点焊机器人，并在汽车焊接领域获得成功应用。实践证明，焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大地提高了点焊作业的生产率。随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165Kg点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。焊接是利用局部加热或加压等手段，借助金属原子间的结合与扩散作用，使分离的两部分金属牢固地结合起来的一种永久性连接材料的工艺方法。焊接过程的实质就是通过适当的物理-化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离（0.3～0.5nm）形成金属键，从而使两金属连为一体。焊接方法的种类很多，按照焊接过程中材料所处的状态不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊。第一节常见焊接方法

1）电弧的引燃一、手工电弧焊1、焊接电弧

图8.2电弧的点燃

2）电弧的组成图8.3焊接电弧结构3）直流弧焊时的正接和反接正接时，电弧热量主要集中在焊件上，可以加快焊件熔化保证足够的熔深，适用于焊接较厚的焊件；反接法常用于薄件焊接以及非铁合金、不锈钢、铸铁等的焊接，以避免烧穿焊件。1）对焊接电源的基本要求

（1）具有一定的空载电压以满足引弧的需要。一般为50至90V。（2）短路电流一般不超过工作电流的1.25至2倍。（3）电弧变化时，能保证电弧的稳定。（4）电压恢复时间不大于0.05s。（5）具有适当的功率。（6）焊接规范能在较大的范围内作均匀调节。具备抗干扰能力和恢复能力。

2、焊接电源2）常用焊接电源的类型（1）交流弧焊机把网路电压的交流电变成适宜于弧焊的低压交流电，一般应用于手弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊等方法。（2）直流电焊机交流电通过整流转换器转为直流电。（3）交直流两用弧焊机适用于焊接低碳钢、中碳钢、低合金钢及铸件等。3）弧焊机的选用弧焊机选用时主要考虑焊接电流种类、功率和工作条件及节能等要求。使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，则应选用直流弧焊机。购置能力有限而焊件材料的类型繁多时，可考虑选用通用性强的交、直流两用弧焊机。4）常用工具和辅助设备主要有焊钳、焊接电缆、快速接头、面罩、防护服、敲渣锤、钢丝刷和焊条保温筒等。1）焊接过程

3、焊接过程与焊条图8.5焊条电弧焊焊接过程示意图2)焊接冶金特点（1）冶金温度高（2）冶金过程短（3）冶金条件差为保证焊缝质量，焊接过程中必须采取必要的工艺措施，来限制有害气体进入焊缝区，并补充一些烧损的合金元素。手工电弧焊焊条的药皮、埋弧自动焊的焊剂等均能起到这类作用。气体保护焊也能起到保护作用。3)焊条（1）焊条的组成及作用①焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯，其化学成分直接影响焊缝质量。作用一是作为电极传导电流，二是作为填充金属与熔化的母材共同组成焊缝金属。②药皮是由矿石粉末、铁合金粉、有机物和化工制品等原料按一定比例配制后压涂在焊芯表面上的一层涂层。其作用一是改善焊接工艺性，二是机械保护作用，三是冶金处理作用。（2）焊条的分类与型号焊条种类非常多，国产焊条约有300多种。在同一类型焊条中，特性不同，型号也不同。某一型号的焊条也可能有一个或几个品种。同一型号的焊条在不同厂家成产，牌号也不同。例如J422（结422），“J”表示结构钢焊条；“42”表示焊缝金属抗拉强度不低于420MPa；“2”表示药皮为氧化钛钙型，适用于直流或交流电源。（3）焊条的选用原则焊条的种类和牌号很多，各有使用范围。选用是否恰当将直接影响焊接质量、劳动生产率和产品成本等。在选择焊条时，通常是根据焊件化学成分、机械性能、抗裂性，耐腐蚀性和高温性能等要求，选用相应的焊条种类。然后，再根据焊接结构形状、施工条件和焊接工艺综合考虑来选用具体的型号与牌号。

4、焊接接头的金属组织与性能低碳钢焊接接头组织焊缝金属焊缝金属的化学成分主要取决于焊芯金属的成分，但也受熔化母材的影响。由于焊条药皮在焊接过程中具有合金化作用，使焊缝金属的化学成分往往优于母材，因此，如能合理选择焊接材料和母材，恰当控制冶金反应，可以使焊缝中的有害元素（例如钢中的硫、磷）低于母材，而有益元素（锰、硅等）高于母材，焊缝金属的强度一般不低于母材强度，但冲击韧性比轧制母材稍差。2)热影响区焊接热影响区是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。由于热影响区各部位的最高加热温度不同，因此其组织变化也不同。热影响区的宽度与焊接规范大小和焊接材料的性质有关，一般电弧焊焊接接头的热影响区大约在5～40mm之间。低碳钢的热影响区分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。对于重要的焊接件，常在焊后进行正火处理，以减弱热影响区的危害。埋弧焊（SAW）是使电弧在熔剂层下燃烧进行焊接的方法。

二、埋弧自动焊

焊接电源控制箱车架操作盘焊丝盘横梁焊剂漏斗送丝电动机矫直机机头小车电动机

1、埋弧自动焊的焊接过程1）生产效率高:比焊条电弧焊高6～8倍2）焊缝质量好:焊缝形成稳定3）节省材料:金属飞溅很少4）劳动条件好:易实现自动化，操作简单埋弧自动焊常用于碳钢、低合金结构钢、不锈钢和耐热钢等中厚板结构的长直缝、直径大于300mm环缝的平焊，主要用在压力容器、船舶、锅炉、起重机械、海洋结构、冶金机械等工业中。

2、埋弧自动焊的特点及应用三、气体保护焊

1、氩弧焊

图8.10氩弧焊的原理示意图MIGTIG1）不熔化极氩弧焊（TIG）TIG焊根据被焊工件的材料和要求可选择直流、交流和脉冲等三种焊接电源。钨极氩弧焊的电流种类与极性的选择原则是：焊接铝、镁及其合金时，采用交流电；焊其他金属（低合金钢、不锈钢、耐热钢、钛及钛合金、铜及铜合金等）采用直流正接。TIG焊主要用于不锈钢、高合金钢、高强钢以及铝、镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。2）熔化极氩弧焊（MIG）与TIG焊相比较，MIG焊焊丝和电弧的电流密度大，母材熔深大，填充金属熔敷速度快，焊接变形小，生产率高；MIG焊和TIG焊一样，几乎可焊接所有的金属，尤其适合于铝、镁、铜、钛及其合金以及不锈钢等金属材料的焊接。MIG焊出的焊缝内在质量和外观质量都很高，该方法已经成为焊接一些重要结构时优先选用的焊接方法之一。3）氩弧焊的特点及应用（1）保护效果好，焊缝纯净、美观。（2）金属飞溅少，焊缝致密、质量优良。（3）焊接热影响区较窄，变形小。（4）明弧焊接，操作性好易实现自动化。（5）电弧稳定，特别是小电流时也很稳定，熔池温度容易控制，容易做到单面焊双面成形。氩弧焊的主要不足是氩气成本高，氩弧焊设备贵，焊前清理要求严格，因此焊接成本高。

2、二氧化碳气体保护焊

图8.11

CO2气体保护焊示意图CO2气体保护焊特点及应用1）生产率高。比焊条电弧焊提高1～3倍。2）焊接质量好。热量集中，熔池较小，焊接速度快，变形和开裂倾向也小。3）成本低。CO2气体价格低，成本仅是埋弧焊和焊条电弧焊40％～50％左右。4）操作性能好。缺点是焊接熔滴飞溅大，焊缝外形较为粗糙。劳动保护差。用于机车车辆、船舶制造、金属结构和汽车制造等部门。1)气焊

四、气焊和气割

焊缝熔池焊件焊丝焊嘴乙炔+氧气气焊是利用可燃气体与助燃气体混合燃烧的火焰作热源，将工件和焊丝熔化而达到金属间牢固连接的一种方法。最常用的是氧－乙炔焊。用乙炔和氧气在焊炬中混合，然后从焊嘴喷出燃烧，将工件和焊丝熔化形成熔池，冷却凝固后形成焊缝，气焊时气体燃烧，产生大量的CO2、CO、H2气体笼罩熔池，起到保护作用。气焊使用不带药皮的光焊丝作填充金属，和熔化的母材一起组成焊缝。气焊铸铁、不锈钢、铝、铜等金属材料时，应使用气焊剂，以去除焊接过程中形成的氧化物，改善液态金属的流动性，并起保护作用。2)气割气割是指利用气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流。使其燃烧并放出热量，利用切割氧流把熔化状态的金属氧化物吹掉，从而实现切割的方法。气割使用的气体和供气装置可与气焊通用。气割时，先用氧-乙炔焰将金属加热到燃点，然后打开切割氧阀门，放出一股纯氧气流，使高温金属燃烧。燃烧后生成的液体熔渣，被高压氧流吹走，形成切口。金属燃烧放出大量的热，又预热待切割的金属。所以气割过程是预热→燃烧→吹渣形成切口不断重复进行的过程。3)气焊和气割的特点及应用气焊特点是火焰易于控制，操作简便、灵活，容易实现单面焊双面成形；但热源温度较低，热量分散，加热缓慢，生产率低，不易于实现机械化；加热面积大，接头热影响区宽，工件变形大；接头组织晶粒粗大，综合力学性能差。气割的特点是设备简单、使用灵活，但对切口两侧金属的成份和组织产生一定的影响，且引起被割工件的变形。气焊和气割主要应用于建筑、安装、维修及野外施工等条件下的黑色金属焊接。还用于铸铁件、硬质合金刀具等材料的焊接和构件变形的火焰矫正等。

五、电渣焊

电渣焊是一种利用电流通过液态熔渣所时产生的电阻热为热源，同时熔化母材与焊丝来进行焊接的方法。它与电弧焊不同，除引弧外，焊接过程中不产生电弧。根据焊接时使用电极的形状，可分为丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊和带极电渣焊等。若焊接40mm以上厚度的工件可不开坡口，焊接同等厚度的工件，焊剂消耗量只是埋弧自动焊的1/50～1/20。电能消耗量是埋弧焊的1/3～1/2、焊条电弧焊的1/2。1-工件；2-金属熔池；3-渣池；4-导电嘴；5-焊丝；6-强迫成形装置；7-引出板；8-金属熔滴；9-焊缝；10-引弧板；11-送丝轮；12-焊接电源电渣焊前，先将焊件垂直放置（呈立焊缝），在两工件间留有一定的间隙（25～35mm）。连接面两侧装有水冷铜块（用水冷却，使焊缝成形），在工件下端加装引弧板，在顶部加装引出板。这样，在焊接前先在焊接部位形成一个封闭的空间。焊接电流从焊丝端部经过熔渣时产生大量电阻热（温度可达1700～2000℃），将连续送进的焊丝和焊件接头边缘金属迅速熔化，熔化形成熔滴，穿过渣池进入渣池下面的金属熔池。熔池底部逐渐凝固成焊缝。1、电渣焊的焊接过程

1）适合焊接厚件，生产率高，成本低。可不开坡口，焊接同等厚度的工件，焊剂消耗量只是埋弧自动焊的1/50～1/20。电能消耗量是埋弧焊的1/3～1/2、焊条电弧焊的1/2。2）焊接质量好。3）焊件冷却慢，焊接应力小。缺点：电渣焊适用范围小。应用于锅炉制造、重型机械、石油化工等制造业中，它是制造大型铸-焊或锻-焊联合结构的重要工艺方法。2、电渣焊的特点及应用电阻焊按接头形式可分为点焊、缝焊和对焊三种型式。电阻点焊，简称点焊，是将焊件装配成搭接或对接接头后，压紧在两电极之间，然后通电，利用电阻热熔化固态金属，在搭接工件接触面之间形成一个个焊点的焊接方法。点焊的焊接过程分预压、通电加热和断电冷却几个阶段。六、电阻焊

1、点焊点焊示意图

2、对焊图8.16对焊示意图

1）电阻对焊焊件以对接的形式利用电阻热在整个接触面上被焊接起来的电阻焊。当电流通过工件和接触端面时，就会在此产生大量的电阻热，使接触面附近金属迅速加热到塑性状态，然后对工件施加较大的顶锻力并同时断电，使高温接触处产生一定的塑性变形而形成接头。一般用于接头强度和质量要求不太高，形状简单，直径（或边长）小于20mm的工件。2）闪光对焊工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点(产生闪光)，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。闪光对焊常用于重要工件的焊接，主要用于钢轨（如钢管、钢轨的接长）、锚链、管子等的焊接，也可用于异种金属（如高速钢与中碳钢对焊成的铰刀、铣刀、钻头等）的焊接。缝焊与点焊基本相似，可以认为是连续的点焊过程。又称为滚焊。3、缝焊图8.17缝焊示意图

FF缝焊的特点及应用缝焊由于焊缝中的焊点相互重叠约50%以上，密封性好。缝焊分流现象严重，只适用于3mm以下的薄板焊件。缝焊主要用于制造要求密封性好的薄壁结构，如油箱、消音器、小型容器和管道、自行车大梁等。缝焊焊缝表面光滑美观，气密性好。缝焊已广泛应用于家用电器(如电冰箱壳体)、交通运输(如汽车、拖拉机油箱)及航空航天(如火箭燃料贮箱)等工业部门中要求密封的焊件的焊接。摩擦焊是利用工件相互摩擦产生的热量同时加压而进行焊接的一种焊接方法。摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相连接方法。几乎所有能进行热锻的金属都能摩擦焊接，摩擦焊还可以用于异种金属的焊接。七、摩擦焊

焊件1焊件2F摩擦焊的特点及应用

1）接头质量好且稳定。摩擦焊温度一般都低于焊件金属的熔点，热影响区很小；接头在顶锻压力下产生塑性变形和再结晶，因此组织致密；2）焊接生产率高。3）适应性强。4）成本低、效益好。5）焊件尺寸精度高。6）生产条件好。目前已能焊接直径168mm的大型石油钻杆。钎焊属于物理连接，亦称钎接，是利用熔点比焊件低的钎料作为填充金属，加热时钎料熔化，通过液态钎料在母材金属表面或间隙中润湿、铺展、毛细流动填缝、最终凝固结晶而实现原子间结合的一种材料连接方法。据采用热源不同可分类为电弧钎焊、火焰钎焊、电阻钎焊、激光钎焊、电子束钎焊、超声波钎焊、红外钎焊、感应钎焊和浸渍钎焊(液体介质中钎焊)等。八、钎焊

硬钎焊是使用熔点高于450℃的钎料（称为硬钎料或难熔钎料）进行的钎焊。常用的硬钎料有铜基、银基、铝基合金。硬钎焊钎剂主要有硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等。硬钎焊接头强度高（＞200MPa），工作温度也较高，常用于受力较大或工作温度较高的钢铁及铜合金构件的焊接，以及工具和刀具的焊接。1、硬钎焊软钎焊亦称锡焊，它是使用熔点低于450℃的钎料（称为软钎料或易熔钎料）进行的钎焊。常用的软钎料是锡基和铅基合金。这种钎料熔点低，渗入接头间隙的能力强，焊接工艺性好，但焊缝强度较低。软钎焊钎剂主要有松香、氯化锌溶液等。软钎焊接头强度低（60至190MPa），工作温度在100℃以下。常用于强度要求低或无强度要求的焊件或工作温度不高的场合，如电子产品和仪表中线路的焊接。2、软钎焊与一般焊接方法相比，钎焊的加热温度较低，焊件的应力和变形较小，对材料的组织和性能影响很小，接头光滑平整，焊缝平整美观，尺寸精确，焊件不需加工，工件厚度不受限制，可以焊接异种材料和一些其他方法难以焊接的特殊结构。钎焊适宜于小而薄，且精度要求高的零件，广泛应用于机械、仪表、电机、航空、航天等部门。3、钎焊的特点及应用焊接性是指材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。它包括两个方面内容：工艺焊接性和使用焊接性。焊接性是金属的一种加工性能。第二节常用金属材料的焊接

一、金属材料的焊接性1、焊接性概念

1）碳当量法在各种元素中，碳的影响最明显，其他元素的影响可折合成元素可以换算成碳的相当含量来计算它们对焊接性的影响，换算后的总和称为碳当量。碳当量用符号WCE­­表示，它是常用来评定钢材焊接性的一种参考指标。该法使用方便，是目前评定焊接性能应用最广的方法。换算成碳当量后，则碳当量越高，焊接性越差。2、焊接性的评定2）冷裂纹敏感系数法由于碳当量法仅考虑了钢材的化学成分，忽略了焊件板厚，焊缝含氢量等其它影响焊接性的因素。因此，无法直接判断冷裂纹产生的可能性大小。采用焊接冷裂纹敏感系数指标进行判断，则可弥补这一方面的不足。显然，冷裂纹敏感系数越大，则产生冷裂纹的可能性越大，焊接性越差。1）低碳钢的焊接低碳钢的含碳量≤0.25%，碳当量数值≤0.40%，具有良好的塑性和冲击韧性，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，焊接性好。一般情况下，焊这类钢时不需要采取特殊的工艺措施，用各种焊接方法都能获得优质焊接街头，通常焊前不需要预热、在焊后也不需进行热处理。二、黑色金属材料的焊接

1、钢的焊接

2）中碳钢焊接

中碳钢含碳量在0.25％～0.6％之间。随着含碳量的增加、热影响区组织淬硬倾向和裂纹敏感性越加明显，焊接性能逐渐变差，容易出现裂纹和气孔。（1）采用焊前预热，焊后缓冷措施。（2）尽量选用碱性低氢型焊条。（3）采用细焊丝、小电流焊接，焊件开坡口，采用多层焊等措施。（4）选用合适的焊接方法和焊接规范，降低焊件冷却速度，减少裂纹的产生。如采用直流反接和锤击焊缝等。3）高碳钢的焊接高碳钢碳当量数值在0.60%以上,由于碳当量高，焊接性很差，淬硬倾向大，易出现各种裂纹和气孔，而且焊接时应采取更高的预热温度及更严格的工艺措施。高碳钢材通常不用于做焊接结构，主要用来修复损坏的机件。焊接时，一般要采用焊前退火、预热和焊后处理。高碳钢一般用于制作高硬度与耐磨的零部件。应在退火条件下焊接这类钢，然后热处理。例如修复断裂的高碳钢零部件前，如条件许可，建议先将修复部位进行退火。4）低合金高强度钢的焊接

低合金高强度钢广泛应用于制造压力容器，桥梁、船舶和其它各种金属焊接构件。它按屈服强度可分为6个等级。一般400MPa以下的低合金高强度钢，在常温下焊接时，不用复杂的工艺措施，便可获得优质的焊接接头。但强度级别较高的钢，由于合金元素含量较多，碳当量较高，因此，焊接性差，焊接时，应采取严格的工艺措施。5）高合金不锈钢的焊接

一般说来，不锈钢的焊接性还是比较好的，目前生产中常用的一些焊接方法，大多适用于不锈钢的焊接，不同类型的不锈钢焊接时出现的主要问题也不同。当厚度大于2mm时，奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和铁素体不锈钢均可选用手工电弧焊。不锈钢焊接首选的焊接方法应该是惰性气体保护焊，对于厚度小于3mm不锈钢，可以采用钨极氢弧焊；对于厚度小于1mm的不锈钢，可以采用微束等离子氩弧焊或小电流脉冲氩弧焊，也可用激光焊。铸铁含碳量高（大于2.11%），组织不均匀，Si、Mn、S、P的含量也比碳钢高，其塑性差，强度低，焊接性能不好，因此不能作为焊接结构件。但铸铁件生产常出现铸造缺陷，使用中时常会发生局部损坏断裂，用焊接手段将其修复，很有经济价值，所以铸铁的焊接主要是焊补工作，即修复铸件缺陷或损坏的部位。分为热焊与冷焊两大类。2、铸铁的焊接1）焊接特点（1）难熔合，易变形（2）热裂纹倾向大，易开裂（3）易产生气孔和氢脆现象（4）铜的电阻极小，不适于电阻焊（5）某些铜合金比纯铜更容易氧化，使焊接的困难增大。三、非铁金属的焊接

1、铜及铜合金的焊接

2）焊接工艺措施（1）选择焊接强热源设备和焊前预热，防止难熔合、未焊透现象并减少焊接应力与变形；（2）适当的焊接顺序，并在焊后锤击焊接接头，以减小应力，防止变形、开裂。（3）焊后进行退火热处理。（4）严格限制杂质含量。（5）焊接过程中使用熔剂对熔池脱氢，在电焊条药皮中加入适量萤石，以增强去氢作用。3）焊接方法铜和铜合金的焊接，常用的方法有氩弧焊、气焊、埋弧焊、钎焊等。氩弧焊是焊接紫铜和青铜合金应用最广的熔焊方法。厚度小于3mm的工件采用TIG焊，可不开坡口不加焊丝；厚度3～12mm的工件采用填丝TIG焊或MIG焊；厚度大于12mm的工件一般采用MIG焊。选用焊丝除满足一般工艺、冶金要求外，应注意控制其杂质含量和提高脱氧能力。1）焊接特点（1）容易氧化。铝容易氧化成薄膜（熔点高达2050℃），密度比铝大、组织致密，易覆盖于金属表面和进入焊缝，易造成夹渣。（2）易形成气孔。（3）易变形、开裂。（4）操作困难。焊缝易塌陷，烧穿。（5）铝的导热系数较大，焊接时热量散失快，厚度较大时应考虑预热。2、铝及铝合金的焊接2）焊接工艺措施（1）焊前清理。焊前清理除去焊口表面和焊丝的氧化膜、油污、水分，进行干燥，便于熔焊及防止气孔、夹渣等缺陷。（2）焊前预热。厚度超过5～8mm的焊件应焊前预热，以减小应力，避免裂纹，并利于氢的逸出，防止气孔的产生。（3）焊接时在焊件下放置垫板。为了保证焊件焊透而不致烧穿或塌陷，焊前可在焊口下面放置垫板加以防护。3）焊接方法铝及铝合金的焊接无论采用哪种焊接方法，焊接前都必须进行氧化膜和油污的清理。目前，氩弧焊是焊接铝及铝合金最理想的熔焊方法，也可使用电阻焊、钎焊方法焊接铝材。氩弧焊不仅有良好的保护作用，且有阴极破碎作用，可去除氧化铝膜，使合金熔合良好，焊接质量好，成形美观，焊件变形小，常用于要求较高的结构件。钛（熔点1725℃，密度为4.5g/cm3）及钛合金具有高强度、低密度、强抗腐蚀性和好的低温韧性，是航天工业的理想材料，因此焊接该种材料成为在尖端技术领域中必然要遇到的问题。由于钛及钛合金化学性质非常活泼，极易出现多种焊接缺陷，焊接性差，所以主要采用氩弧焊，此外还可采用等离子弧焊、真空电子束焊和钎焊等。3、钛及钛合金的焊接焊接应力是指在焊接过程中被焊工件内产生的应力，焊接变形是指焊接过程中被焊工件所产生的变形。金属构件在焊接以后，总要发生变形和产生焊接应力，且二者是同时存在，又相互制约。焊接应力的存在，对焊接构件质量、使用性能和焊后机械加工精度都有很大影响，应采取相应措施预防和减少焊接应力与变形。四、焊接质量1、焊接应力与变形的产生原因及危害2、焊接变形的基本形式

焊接应力的存在会引起焊件的变形。焊接变形的基本类型有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等5种形式

1）减少焊接应力和变形的措施（1）选择合理的焊接工艺参数（2）焊接结构设计应避免使焊缝密集交叉，避免焊缝截面过大和焊缝过长，以减小焊接局部过热，选用塑性好的焊工材料。在保证承载能力的情况下，应选择合理的接头、坡口形式，多采用型材、冲压件。采用压型结构代替筋板结构，有利于防止薄板结构的变形。3、焊接应力和变形的预防与矫正筋板压型板用压型板代替筋板减少焊缝数量和焊接变形

（3）加余量法。通常为0.1％～0.2％，以弥补焊后的收缩变形。（4）反变形法。(a)变形补偿式反变形(b)翼板强制反变形（5）选择合理的装配和焊接顺序，尽量让焊缝自由收缩而不受到较大约束或牵制。原则是：先期焊缝产生的焊接应力和变形应尽量不影响或少影响后期焊接的残余应力和变形。总焊接方向总焊接方向拼焊钢板的焊接顺序长焊缝的分段焊法

（6）刚性固定法。焊前采用强制手段，将焊件固定在夹具上或经定位点焊，来约束焊接变形，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。压铁拼焊钢板的刚性固定法法兰盘的刚性夹固

（7）焊前适当预热和焊后缓冷及去应力退火。预热可减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，焊后焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。预热焊件可以局部加热或整体加热，预热温度一般为100至600℃。在允许的条件下，焊后进行去应力退火或用锤子均匀迅速地敲击焊缝，使之得到延伸，均可有效地减小残余应力，从而减小焊接变形。2）焊接变形的矫正（1）机械矫正。焊后，通过压力机和矫直机施加外力、辗压、锤击等方法，产生新的塑性变形来矫正焊接变形。这种方法适用于矫正刚性较小、塑性较好的低碳钢和普通低合金钢和厚度不大的焊件。压头支撑筋板F（2）火焰矫正。采用火焰对焊接构件局部加热，在高温处，材料的热膨胀受到构件本身刚性制约，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消了焊后在该部位的伸长变形，达到矫正目的。加热温度一般为600～800℃。不须专用设备，简便，机动，适用面广。变形五、焊缝常见缺陷

1、焊缝尺寸不符合要求

a)焊缝高低不平、宽度不均匀、波形粗劣；b)余高过高或过低；c)余高大；d)过渡不圆滑；e)合适焊接裂纹是危害最大的缺陷，是焊接结构和压力容器发生突发事故的重要原因之一。焊接裂纹不仅直接降低了焊