《机械制造基础》第2版 课件 柳青松 第8、9章 焊接、金属切削加工基础；金属切削加工基础

Chapter焊接8第8章

焊接

案例导入图8-1

上海卢浦大桥第8章

焊接

初步分析焊接：

焊接是指通过局部加热或加压或两者并用，用（或不用）填充材料，使分离的两部分金属，通过原子的扩散与结合而形成永久性连接的一种工艺方法。

上海卢浦大桥主桥全长3900m，主跨550m，用钢量达35×104t，焊缝长度为582km，是世界跨度最大的全焊钢结构拱桥。8.1焊接的工艺基础

焊接的特点与应用主要特点：⑴节省材料，减轻重量

焊接的金属结构件比铆接件节省材料10%～25%⑵简化复杂零件和大型零件的制造过程⑶适应性强⑷满足特殊连接要求8.1焊接的工艺基础

焊接的特点与应用焊接在工业生产中的应用：⑴制造金属结构件

焊接方法广泛应用于各种金属结构件的制造，如桥梁、船舶、压力容器、化工设备、车辆、矿山机械及飞行器等。⑵制造机器零件和工具焊接件具有刚性好、改型快、周期短、成本低的优点，适合于单件小批量生产加工各种机器零件和工具，如机床机架和床身、大型齿轮和飞轮、各种切削工具。⑶焊接修复焊接件具有刚性好、改型快、周期短、成本低的优点，适合于单件小批量生产加工各种机器零件和工具，如机床机架和床身、大型齿轮和飞轮、各种切削工具。克拉玛依石化8.1焊接的工艺基础

焊接的特点与应用8.1焊接的工艺基础

接头的组织与性能焊缝接头：指两个或两个以上零件用焊接组合的接点；或指两个或两个以上零件用焊接方法连接的接头。焊接接头的组成：焊接接头有焊缝区、熔合区、热影响区三部分组成。焊缝两侧因热作用而导致母材的组织和性能发生变化的区域称为热影响区。焊缝和母材的交界线称为熔合线，熔合线两侧有一个比较窄小的焊缝与热影响区的过渡区，称为熔合区。1.焊缝接头的组织8.1焊接的工艺基础

接头的组织与性能熔合区：也称半熔化区，化学成分不均匀，金属组织晶粒粗大，其力学性能最差。热影响区：根据热影响区各点温度不同，故其可分为过热区、正火区和部分相变区等。2.热影响区及熔合区的组织与性能a)b)图8-2低碳钢焊接接头的组织变化示意图8.1焊接的工艺基础

接头的组织与性能过热区：金属被加热到Ac3以上100～200℃至固相线温度区间，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后产生晶粒粗大的过热组织，因而其塑性及韧性很低，容易产生焊接裂纹。a)b)图8-2低碳钢焊接接头的组织变化示意图部分相变区：金属被加热到Ac1～Ac3温度区间，珠光体和部分铁素体发生重结晶，晶粒细化；部分铁素体来不及转变，冷却后晶粒大小不均匀，其力学性能较差。热影响区正火区：金属被加热到Ac3至Ac3以上100～200℃区域，金属发生重结晶，冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材。8.1焊接的工艺基础

接头的组织与性能⑴加强对焊缝金属的保护，防止焊接时各种杂质进入焊接区。⑵合理选择焊接方法和焊接工艺，尽量使熔合区和热影响区减至最小。⑶对焊件进行整体或局部热处理，以消除焊件应力，细化晶粒，提高焊接接头的性能。3.改善焊接接头金属组织及性能的措施8.2常用的焊接方法

焊接方法分类焊接的分类：

按焊接过程中金属所处状态及工艺特点，分为熔化焊、压焊和钎焊三大类。熔化焊：利用局部加热的方法将联接处的金属加热至熔化状态而完成的焊接方法。压焊：利用焊接时施加一定压力而完成焊接的方法。钎焊：把比被焊金属熔点低的钎料金属加热熔化至液态，然后使其渗透到被焊金属接缝的间隙中而达到结合的方法。8.2常用的焊接方法

焊接方法分类焊接的分类熔焊用得最广泛8.2常用的焊接方法

焊接方法分类硬钎焊软钎焊8.2常用的焊接方法

焊接方法分类8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊

焊条电弧焊是熔焊的一种，是利用电弧产生的热量来熔化焊条和部分工件，从而使两块金属连成一体的手工操作的焊接方法。1.焊接过程焊工手握焊钳进行焊接，在电弧高热作用下，被焊金属局部熔化，在电弧的吹力作用下，被焊金属上形成了熔池。焊条端部在电弧的作用下不断被熔化，形成熔滴，熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中，随着电弧的向前移动，熔池尾部液态金属逐步冷却结晶，最终形成焊缝。图8-4焊条电弧焊过程示意图8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊2.焊接电弧电弧的形成：焊接电弧是由两个电极之间强烈而持久的气体放电所形成的。先将焊条与焊件瞬时接触，发生短路，致使接触点处温度急剧升高并熔化，甚至部分发生蒸发。焊条迅速提起，在两电极间的电场作用下，产生了热电子发射。飞速的电子撞击焊条端头与焊件间的空气，使之电离成正离子和负离子。这些带电质点的定向运动形成了焊接电弧。

a)焊条末端与工件接触

b)拉开焊条

c)引燃电弧图8-5焊接电弧的产生及电弧构造阴极区弧柱区阳极区电弧的组成及热量分布：焊接电弧分三个区域，阴极区、阳极区和弧柱区。8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊2.焊接电弧电弧的极性与应用：采用直流弧焊机焊接时，焊件接电源正极，焊条接负极称为正接法；反之为反接法。正接时，工件上热量较大，可保证有较大的熔深，用于厚件焊接；反接法用于薄板和有色金属焊接如图8-6所示。采用交流弧焊机焊接时，不存在正、反接法的问题。图8-6直流电焊机的接线法a）正接法b)反接法8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊3.焊条电弧焊设备直流弧焊机直流弧焊机分焊接发电机和弧焊整流器两部分。①焊接发电机：由交流电动机和直流电焊发电机同轴组装而成。采用焊接发电机焊接时电弧稳定，能适应各种焊条，但结构复杂，噪音大，成本高。②弧焊整流器：弧焊整流器是一种将交流电通过整流器转换为直流电的直流弧焊机。弧焊整流器没有旋转部分，结构简单，噪音小，维修容易，使用已趋普遍。交流弧焊机结构简单、制造方便、成本低廉、节省电能、使用可靠且维修方便。缺点是电弧不够稳定。交流弧焊机是一种常用的焊条电弧焊设备。图8-7交流弧焊机原理图8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊4.焊条电弧焊使用的焊条⑴焊条的组成及其作用手工焊焊条由焊芯和涂料（药皮）组成。目前在焊接生产中广泛使用的基本上都是厚药皮焊条。焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯。焊芯用钢丝通常采用焊接专用钢丝，它起导电和填充金属的作用。药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，由矿石粉和铁合金粉等原料按一定比例配制而成。它起稳弧、造气、造渣、脱氧、粘结等作用。图8-8焊条组成示意图8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊4.焊条电弧焊使用的焊条⑵焊条的分类根据药皮的性质及其作用，焊条分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条的药皮中含有大量的TiO2、SiO2等酸性造渣物及一定数量的碳酸盐等，熔渣氧化性强，熔渣碱度系数小于1。具有良好的工艺性能，交直流电源均可使用，但焊缝的力学性能，尤其是塑性、韧度，不如用碱性焊条焊接的焊缝好，故用于一般结构件的焊接。碱性焊条的药皮中含有大量的碱性造渣物，并含有一定数量的脱氧剂和渗合金剂。碱性焊条由于药皮中含有较多的萤石，电弧稳定性差，一般多采用直流反接，只有当药皮中含有较多量的稳孤剂时，才可以交、直流两用。碱性焊条一般用于较重要的焊接结构，如承受动载荷或刚件较大的结构。8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊4.焊条电弧焊使用的焊条⑵焊条的选用通常选用焊条时应考虑以下原则：根据被焊结构的化学成分和性能要求选择相应的焊条种类。对承受动载荷、冲击载荷或形状复杂，厚度、刚度大的焊件，应选用碱性焊条；若被焊件在腐蚀性介质中工作，则应选用不锈钢焊条。根据焊件的工作条件和结构特点选用焊条。如对于立焊、仰焊可选用全位置焊接的焊条；如果焊接部位无法清理干净时，则应选用酸性焊条等。在酸性焊条和碱性焊条都能满足要求的情况下，应尽量选用酸性焊条；若需提高焊缝质量，则应选用碱性焊条。8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊5.焊条电弧焊的焊接工艺⑴焊接接头形式对接接头在各种焊接结构中它是采用最多的一种接头形式。角接接头这种接头受力状况不太好，常用于不重要的结构中。T形接头一件之端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头，叫作T形接头。搭接接头根据其结构形式和对强度的要求，分为不开坡口、圆孔内塞焊和长孔内角焊三种形式。图8-9常用焊接接头形式a)对接接头b)角接接头c)T形接头d)搭接接头8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊5.焊条电弧焊的焊接工艺表8-1焊条电弧焊常用坡口形式、尺寸及标注方法注：表图中δ为板厚，P为钝边高度，α为坡口角度，b为间隙。⑵焊缝坡口的基本形式对接板材厚度在6mm以下时一般不开坡口，只需在接口处留有一定间隙，以保证焊透。对于较厚的工件，为了使焊条能深入到接头底部引弧，保证焊透，焊前应把接头处加工成所需要的几何形状，成为坡口。8.2常用的焊接方法

焊条电弧焊5.焊条电弧焊的焊接工艺⑶焊缝的空间位置种类可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种。平焊操作方便，易保证焊接质量，生产率高，是首选的焊接方法；横焊时易产生咬边、焊瘤及未焊透等缺陷；仰焊的焊缝成形困难，最不易操作。所以，立焊、横焊、仰焊尽可能避免采用。图8-10焊接位置a)平焊b)立焊c)横焊d)仰焊8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊1.埋弧焊的工作原理及特点⑴埋弧自动焊的工作原理电弧在焊剂层下燃烧，并进行焊接的方法叫埋弧焊。图8-11埋弧自动焊示意图

焊丝送入颗粒状的焊剂下，与焊件产生电弧，使焊丝和焊件熔化形成熔池，熔池金属结晶成为焊缝，部分焊剂熔化形成熔渣，并在电弧区域形成一封闭空间，液态熔池凝固后成为渣壳，覆盖在焊缝金属上面。8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊1.埋弧焊的工作原理及特点⑵埋弧自动焊的优点所用的焊接电流大，相应输入功率较大。焊接速度高。焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢凝固。在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果比其他电弧焊方法好。自动焊接时，焊接参数可通过自动调节保持稳定。没有电弧光辐射，劳动条件较好。但是由于受小车运行轨迹限制及采用固态颗粒焊剂，所以埋弧焊不如焊条电弧焊灵活，不适用于焊接短小、弯曲的焊缝及空间焊缝。小车式埋弧焊机8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊埋弧焊小车悬臂式埋弧焊机（CZ系列焊接操作机）悬臂式埋弧焊机8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊2.埋弧自动设备的结构和工作原理⑴埋弧焊电源埋弧焊电源可以用交流(弧焊变压器)、直流(弧焊发电机或弧焊整流器)或交直流并用。一般直流电源用于小电流范围、快速引弧、短焊缝、高速焊接，所采用焊剂的稳弧性较差及对焊接工艺参数稳定性有较高要求的场合。采用交流电源时，焊丝熔敷率及焊缝熔深介于直流正接和反接之间，而且电弧的磁偏吹最小。因而交流电源多用于大电流埋弧焊和采用直流时磁偏吹严重的场合。8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊2.埋弧自动设备的结构和工作原理⑵埋弧焊机半自动埋弧焊机主要功能是：将焊丝通过软管连续不断地送入电弧区；传输焊接电流；控制焊接起动和停止；向焊接区铺施焊剂。自动埋弧焊机主要功能是：连续不断地向焊接区送进焊丝，传输焊接电流，使电弧沿接缝移动，控制电弧的主要参数，控制焊接的起动与停止，向焊接区铺施焊剂，焊接前调节焊丝端位置。8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊2.埋弧自动设备的结构和工作原理⑶埋弧焊辅助设备焊接夹具工件变位设备焊机变位设备焊缝成形设备焊剂回收输送设备8.2常用的焊接方法

埋弧自动焊3.埋弧焊的焊接材料⑴焊丝埋弧焊所用焊丝有实芯焊丝和药芯焊丝两类焊丝直径的选择依用途而定。半自动埋弧焊用的焊丝较细，一般直径为3.2、4、2.8mm，以便能顺利地通过软管，并且使焊工在操作中不会因焊丝的刚度而感到困难。自动埋弧焊一般使用直径3～6mm的焊丝，以充分发挥埋弧焊的大电流和高熔敷率的优点。⑵焊剂焊剂是颗粒状可熔化的物质，其作用相当于焊条的涂料熔炼焊剂烧结焊剂陶质焊剂8.2常用的焊接方法

气体保护焊以外加气体作为电弧介质并保护电弧及焊接区的电弧焊方法，称为气体保护焊。根据所用保护气体不同，常见的气体保护焊有氩弧焊和二氧化碳气体保护焊等。1.氩弧焊氩弧焊技术是在普通电弧焊的原理基础上，利用氩气对金属焊材的保护，通过高电流使焊材在被焊基材上融化成液态形成溶池，使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术。按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。两者区别：熔化极氩弧焊的焊丝作电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；非熔化极氩弧焊的焊丝不熔化，只起填充作用，利用保护气体隔绝空气焊接。8.2常用的焊接方法

气体保护焊1.氩弧焊⑴非熔化极氩弧焊非熔化极氩弧焊（又称为钨极氩弧焊）的电极只起发射电子、产生电弧的作用，本身不熔化，因此常采用熔点较高的铈钨棒或钍钨棒制作。图8-12熔化极氩弧焊示意图

焊钢材时，常采用直流正接。在焊接铝、镁及其合金时，则采用交流焊接。即利用负半周时质量较大的氩正离子撞击焊件，使熔池表面极易形成的而又难以清除的高熔点氧化膜破碎，以利于焊件的焊合，同时又可利用正半周的冷却作用，减少钨极的烧损。8.2常用的焊接方法

气体保护焊1.氩弧焊⑵熔化极氩弧焊焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。

最常用的惰性气体是氩气。氩气是一种比较理想的保护气体，比空气密度大25%，在平焊时有利于对焊接电弧进行保护，降低了保护气体的消耗。非熔化极氩弧焊示意图8.2常用的焊接方法

气体保护焊2.二氧化碳气体保护焊利用CO2气体（有时采用CO2+O2混合气体）作为保护介质的熔化极气体保护焊。

主要优点有：焊接生产率高焊接成本低焊接变形小焊接质量较高适用范围广操作简便由于CO2是氧化性气体，在电弧高温作用下能分解为CO和[O]，使钢中的C、Mn、Si及其合金元素烧损，降低焊缝的力学性能，且能导致气孔和金属的飞溅，故它不适用于焊接有色金属和高合金钢。8.2常用的焊接方法

气焊

利用氧气与可燃性气体（最常用的是乙炔气）混合燃烧产生的高温火焰，熔化金属，进行焊接的一种焊接加工方法。

最常用的是氧一乙炔焊。气焊设备简单、操作灵活方便、不需电源，但气焊火焰温度较低（最高3150℃），且热量较分散，生产率低，工件变形大，所以应用不如电弧焊广泛。气焊主要用于焊接厚度在3mm以下的薄钢板，铜、铝等有色金属及其合金，低熔点材料以及铸铁焊补等。气焊设备由氧气瓶、乙炔瓶、减压器、回火保护器及焊炬等组成。

8.2常用的焊接方法

电阻焊1.点焊点焊是利用柱状铜合金电极，在搭接工件接触面之间形成焊点，从而将工件连接在一起的焊接方法。利用电流通过工件接头处产生的电阻热加热，并对焊件施加压力实现连接的一种压焊。按接头形式不同，电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊等。图8-14电阻点焊示意图

工件接触面的接触电阻较大，产生的电阻热使该处温度迅速升高，金属熔化，形成液态熔核。断电后，应继续保持或加大压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。在电极和工件接触处，因为铜的导热性好，又通水冷却，所以温度较低，不会焊合。点焊可焊接低碳钢、不锈钢、铜合金、铝镁合金等。广泛应用于电子、仪表等工业，也大量用于机车车辆、飞机等制造业中。电阻焊机8.2常用的焊接方法

电阻焊缝焊机油箱缝焊加工8.2常用的焊接方法

电阻焊8.2常用的焊接方法

电阻焊2.缝焊用圆盘状旋转的电极，工件装配成搭接或对接的接头形式，置于两滚轮电极之间，电极压紧焊件并转动，配合连续或断续送电，以形成连续焊缝的焊接方法。

缝焊焊缝密封性好，主要用于制造有密封性要求的薄壁结构，如油箱、小型容器与管道等。但因缝焊过程分流严重，焊接相同板厚的工件时，焊接电流应为点焊的1.5～2倍，因此需要使用大功率的焊机。图8-15电阻缝焊示意图8.2常用的焊接方法

电阻焊3.对焊把两工件端面相对放置，利用焊接电流加热，然后加压完成两工件整个断面焊接的电阻焊方法。包括电阻对焊及闪光对焊两种。电阻对焊电阻对焊是将工件装配成对接形式，加预压力使端面紧密接触，通电后，利用接触面产生的电阻热将其加热至塑性状态（碳钢1000～1250℃），然后施加压力，并同时断电，使端面产生一定塑性变形，进行再结晶和相互扩散，从而实现连接。电阻对焊的优点是接头比较光滑，毛刺少，操作过程简单。8.2常用的焊接方法

电阻焊3.对焊闪光对焊将工件装配成对接形式后外移，通电并使其端面缓慢接触，开始只有某些点接触，强电流通过这些点被迅速加热熔化，在大电流产生的电磁力的作用下，液体金属发生爆破，以火花的形式从接触处飞出，形成闪光；继续缓慢送进工件，保持一定的闪光时间，待工件端面全部被加热熔化后，迅速施加轴向压力并切断电源，使工件产生塑性变形而形成对接接头。闪光对焊的优点是接头质量好，强度高，焊前对端面的要求低。缺点是金属损耗量较大、闪光火花易溅污周围环境和设备，焊后接头处有毛刺需要加工清理。8.2常用的焊接方法

钎焊

钎焊是一种母材不熔化，靠熔化的钎料或液相把母材连接起来的方法，钎料与母材界面上可能会发生的诸如溶解、浸润、扩散、化合之类的相互作用。1.钎焊的分类

软钎焊钎料熔点低于450℃，接头强度较低，一般低于70MPa，所以只用于钎焊受力不大、工作温度较低的工作。图8-16钎焊过程示意图a)在接头处安置钎料，并对焊件和钎料进行加热b)钎料熔化并开始流入钎缝间隙c)钎料填满整个钎缝间隙，凝固后形成钎焊接头硬钎焊钎料熔点高于450摄氏度，接头强度较高，在200MPa以上。硬钎料主要用于受力相对较大或工作温度较高的钢铁、铜合金以及异种材料工件的焊接。8.2常用的焊接方法

钎焊2.钎焊的特点

钎焊加热温度较低，母材的组织和机械性能变化很小，变形也很小，接头光滑平整，容易保证工件的尺寸精度。可用于结构复杂、开敞性差的工件，并可一次完成多缝、多零件的连接。容易实现异种金属、金属与非金属材料的连接。对热源要求较低，工艺过程简单。钎焊接头强度一般比较低，尤其动载强度较低，允许的工作温度较低。焊前装配要求较高，且钎料价格较贵。8.3常用金属材料的焊接

金属材料的焊接性1.焊接性的概念

指材料在—定焊接技术条件下，获得优质焊接接头的难易程度。2.材料焊接性的评价

碳当量是把钢中的合金元素(包括碳)的含量，按其作用换算成碳的相对含量。当CE＜0.4%时，钢材的塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。在一般的焊接技术条件下，焊接接头不会产生裂纹，但对厚大件或在低温下焊接，应考虑预热；当CE在0.4～0.6%时，钢材的塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，焊接性较差。焊前工件需适当预热，焊后注意缓冷，才能防止裂纹；当CE＞0.6%时，钢材的塑性变差。淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性更差。工件必须预热到较高的温度，要采取减少焊接应力和防止开裂的技术措施，焊后还要进行适当的热处理。8.3常用金属材料的焊接

碳钢及合金钢焊接1.低碳钢的焊接

焊接时，一般不需要采用预热等工艺措施，焊接性优良。但对于厚度大于50mm，或低温环境下焊接较大刚度结构时，焊接过程会产生较大的内应力，因此焊前应适当预热，焊后要进行去应力退火。对于电渣焊构件，焊后要进行正火处理，以改善焊接接头的粗大组织。焊接材料及工艺的选择主要应保证焊接接头与母材等强度。如采用焊条电弧焊，对一般结构，可选用酸性焊条；对承受动载结构、复杂结构、厚板结构或低温下焊接，应选用碱性焊条。8.3常用金属材料的焊接

碳钢及合金钢焊接2.中、高碳钢的焊接为保证焊后不产生裂纹，并具有良好的力学性能，通常采取以下技术措施：⑴焊前预热、焊后缓冷⑵尽量选用抗裂性好的碱性低氢焊条，也可选用比母材强度等级低一些的焊条，以提高焊缝的塑性。⑶选择合适的焊接方法和规范，降低焊件冷却速度。3.普通低合金钢的焊接常温下焊接，不用复杂的技术措施，便可获得优质的焊接接头。当施焊环境温度较低或焊件厚度、刚度较大时，则应采取预热措施，预热温度应根据工件厚度和环境湿度进行考虑。8.3常用金属材料的焊接

有色金属及其合金的焊接1.铝及铝合金的焊接1）焊接的困难铝容易氧化成Al2O3；铝及铝合金液态时能吸收大量的氢气，但固态几乎不溶解氢，熔入的氢大量析出，使焊缝易产生气孔；铝的热导率为钢的4倍，热量散失快，需要能量大或密集的热源；铝的线膨胀系数为钢的2倍，凝固时收缩率达6.5%，易产生焊接应力与变形，并可能产生裂纹；铝及铝合金从固态转变为液态时，无塑性过程及颜色的变化，因此，操作时容易造成温度过高、焊缝塌陷、烧穿等缺陷。8.3常用金属材料的焊接

有色金属及其合金的焊接1.铝及铝合金的焊接2）焊接的方法常用氩弧焊、气焊、电阻焊和钎焊等方法。无论采用哪种焊接方法，焊前都必须进行氧化膜和油污的清理。8.3常用金属材料的焊接

有色金属及其合金的焊接2.铜及铜合金的焊接1）焊接的困难铜及铜合金的导热性很强，热量很快传导出去，导致金属难以熔化，以致填充金属与母材不能很好的熔合；铜及铜合金的线膨胀系数及收缩率都较大，且导热性好，使焊接热影响区变宽，导致焊件易产生变形；铜及铜合金在高温液态下极易氧化，生成氧化铜与铜形成易熔共晶体沿晶界分布，使焊缝的塑性和韧度显著下降，易引起热裂纹；铜在液态时能溶解大量氢，而凝固时，溶解度急剧下降，熔池中的氢气来不及析出形成气孔。同时，残留的氢与氧化亚铜反应析出水蒸汽，水蒸汽以很高的压力分布在显微空隙中导致裂缝产生所谓氢脆现象。

焊接铜及其合金较理想的方法是氩弧焊。对质量要求不高时，也常采用气焊，焊条电弧焊和钎焊等。8.4常见焊接缺陷及检验

常见焊接缺陷1.焊接变形产生的主要原因是焊件不均匀地局部加热和冷却。焊接时，焊件仅在局部区域被加热到高温，离焊缝愈近，温度愈高，膨胀也愈大。但是，加热区域的金属因受到周围金属阻止，不能自由膨胀；而冷却时又受周围金属的牵制不能自由地收缩。因此这部分加热的金属存在拉应力，而其他部分的金属则存在与之平衡的压应力。当这些应力超过金属的屈服极限时，将产生焊接变形；当超过金属的强度极限时，则会出现裂缝。8.4常见焊接缺陷及检验

常见焊接缺陷2.焊缝的外部缺陷⑴焊缝增强过高当焊接坡口的角度开得太小或焊接电流过小时，均会出现这种现象。焊件焊缝的危险平面已从M-M平面过渡到熔合区的N-N平面，由于应力集中易发生破坏，因此，为提高压力容器的疲劳寿命，要求将焊缝的增强高铲平。⑵焊缝过凹因焊缝工作截面的减小而使接头处的强度降低。⑶焊缝咬边在工件上沿焊缝边缘所形成的凹陷叫咬边。它不仅减少了接头工作截面，而且在咬边处造成严重的应力集中。⑷焊瘤熔化金属流到溶池边缘未溶化的工件上，堆积形成焊瘤，它与工件没有熔合。焊瘤对静载强度无影响，但会引起应力集中，使动载强度降低。⑸烧穿烧穿是指部分熔化金属从焊缝反面漏出，甚至烧穿成洞，它使接头强度下降。图8-18焊缝增高过强图8-19焊缝过凹图8-20焊缝的咬边图8-21焊瘤图8-22烧穿8.4常见焊接缺陷及检验

常见焊接缺陷3.焊缝的内部缺陷⑴未焊透与未熔合未焊透是指焊接时接头根部未完全焊透的现象。未熔合是指熔焊时，焊缝与母材之间或焊缝与焊缝之间未完全熔化结合的现象。产生原因：焊接电流过小；焊接速度过快；未开坡口或坡口角度太小；钝边太厚，间隙过窄；焊条直径选择不当，焊条角度不对等。⑵夹渣与气孔气孔是指焊接时，熔池中的气泡在凝固时没能逸出而残留下来所形成的空穴。夹渣是指焊后残留在焊缝中的焊渣。产生原因：被焊工件焊前清理不干净；焊接材料化学成分不对；焊接速度过快、电流过小；操作不当等。8.4常见焊接缺陷及检验

常见焊接缺陷3.焊缝的内部缺陷⑶裂纹焊接裂纹是危害最大的缺陷，分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是指冷却到固相线附近在高温时产生的裂纹，裂纹有氧化色泽，一般发生在焊缝，有时也发生在焊缝附近的热影响区。冷裂纹是指在焊接接头冷却到200～300℃以下形成的裂纹。产生原因：焊接材料化学成分不当，工件含碳、硫、磷较高；焊接措施和顺序不正确；熔化金属冷却速度过快；被焊工件设计不合理，焊缝过于集中，焊接应力过大等。

图8-23未焊透与未熔合图8-24气孔与夹渣图8-25裂纹8.4常见焊接缺陷及检验

焊缝质量检验1.外观检查通过外观检查，可发现焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、气孔、夹渣及焊穿等。2.无损检测目前使用最普遍的是采用X射线检验，还有超声波检测和磁力检测。3.水压试验和气压试验对于要求密封性的受压容器，须进行水压试验和（或）进行气压试验，以检查焊缝的密封性和承压能力。4.焊接试板的机械性能试验无损检测可以发现焊缝内在的缺陷，但不能说明焊缝热影响区的金属的机械性能如何，因此有时对焊接接头要作拉力、冲击、弯曲等试验。8.4常见焊接缺陷及检验

焊缝质量检验1.外观检查通过外观检查，可发现焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、气孔、夹渣及焊穿等。2.无损检测目前使用最普遍的是采用X射线检验，还有超声波检测和磁力检测。3.水压试验和气压试验对于要求密封性的受压容器，须进行水压试验和（或）进行气压试验，以检查焊缝的密封性和承压能力。4.焊接试板的机械性能试验无损检测可以发现焊缝内在的缺陷，但不能说明焊缝热影响区的金属的机械性能如何，因此有时对焊接接头要作拉力、冲击、弯曲等试验。8.5常见焊接缺陷及检验

高能束焊接方法1.等离子弧焊等离子弧焊是一种借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，以获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。8.5常见焊接缺陷及检验

高能束焊接方法2.电子束焊【知识梳理与总结】知识点回顾1.焊接的工艺基础：焊缝的组织与性能、热影响区及熔合区的组织与性能。2.焊接的方法：焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、气焊、电阻焊、钎焊。3.金属材料的焊接性能：金属材料的焊接性、碳钢的焊接、普通低合金钢的焊接、铸铁的补焊、铝及铝合金的焊接、铜及铜合金的焊接、奥氏体不锈钢的焊接。4.焊缝的缺陷与检验：焊接变形、焊缝的外部缺陷、焊缝的内部缺陷、焊缝质量检验、外观检查、无损检测、水压试验和气压试验、焊接试板的机械性能试验。5.焊接新技术：高能束焊接方法的应用（等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊）特种焊接方法的应用（超声波焊、扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊）。《机械制造基础》第3篇

机械加工基础Chapter金属切削加工基础9第9章金属切削加工基础案例导入图9-1轴承座零件第9章金属切削加工基础初步分析该零件是典型的轴套类零件，结构上有圆柱面、内孔、内螺纹等，加工精度值最高处为0.02mm，表面粗糙度为，同轴度为，采用普通车床加工该零件。金属切削加工是使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相对运动中，把工件上多余的材料层切除，使工件获得规定的几何参数(尺寸、形状、位置)和表面质量的加工方法。9.1金属切削的基础知识切削运动及要素零件表面的形成在切削过程中，工件上存在三个变化着的表面。如图9-2所示，工件的旋转运动为主运动，车刀连续纵向的直线运动为进给运动。图9-2工件的表面9.1金属切削的基础知识切削运动及要素⑴待加工表面工件上即将被切除的表面，称为待加工表面。随着切削的进行，待加工表面将逐渐减小，直至完全消失。⑵已加工表面工件上多余金属被切除后形成的新表面，称为已加工表面。在切削过程中，已加工表面随着切削的进行逐渐扩大。⑶过渡表面过渡表面是指在工件切削过程中，连接待加工表面与已加工表面的表面，或指切削刃正在切削着的表面。9.1金属切削的基础知识切削运动及要素图9-3各种切削加工和加工表面a)铣槽b)磨外圆c)刨平面9.1金属切削的基础知识切削运动及要素切削运动在金属切削加工过程中，刀具与工件之间必须有相对运动，称此运动为切削运动。切削运动可分为两种运动形式，即主运动和进给运动。⑴主运动切下切屑所需的最基本的运动，称为主运动。在切削运动中，主运动只有一个，它的速度最高、消耗的功率最大。⑵进给运动使多余材料不断被投入切削，从而加工出完整表面所需的运动，称为进给运动。9.1金属切削的基础知识切削运动及要素切削要素切削要素可分为两大类，即切削用量要素和切削层参数要素。⑴切削用量要素

切削用量是切削速度、进给量及背吃到量的总称，也称为切削用量三要素，它是调整机床、计算切削力、切削功率、时间定额及核算工序成本等所必须的参量。①切削速度Vc②进给量f③背吃刀量ap9.1金属切削的基础知识切削运动及要素⑵切削层参数刀具切削刃沿进给方向移动一个进给量时，从工件待加工表面上切下的金属层称为切削层。切削层参数用来衡量切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的负荷和切屑的尺寸大小。①切削层公称厚度hp②切削层公称宽度bD③切削层公称横截面积AD9.1金属切削的基础知识刀具刀具的结构几何参数切削刀具的种类很多，如车刀、铣刀、钻头等，其中外圆车刀是最基本、最典型的刀具，具有代表性，其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形（图9-5）。因此，研究金属切削刀具时，通常是以车刀为例进行研究和分析。图9-5各种刀具切削部分的形状9.1金属切削的基础知识刀具⑴刀具的基本结构车刀由切削部分和刀杆组成。刀具中起切削作用的部分称切削部分，夹持部分称刀杆。刀具切削部分(又称刀头)由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖组成，如图9-6所示，即“一尖二刃三面”是普通车刀的典型结构。图9-6车刀切削部分的组成图9-7刀尖

a)修圆刀尖b)倒角刀尖9.1金属切削的基础知识刀具①前刀面刀具上切屑流过的表面，称为前刀面。②主后刀面主后刀面简称后刀面，是与工件上过渡表面接触并相互作用的刀面。③副后刀面与工件已加工表面相对的刀面，称为副后刀面。④主切削刃前刀面与主后刀面的交线，称为主切削刃，担负着主要的切削工作。⑤副切削刃前刀面与副后刀面的交线，称为副切削刃，协助主切削刃切除多余金属，形成已加工表面。⑥刀尖主切削刃和副切削刃的交点，称为刀尖。为了改善刀尖的切削性能，常将刀尖做成修圆刀尖或倒角刀尖，称为过渡刃。9.1金属切削的基础知识刀具车刀切削部分的主要角度①刀具静止参考系为了明确地规定和说明车刀的切削角度，定义刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系叫作刀具静止参考系，它主要包括基面、切削平面、正交平面和假定工作平面等图9-8刀具静止参考系的平面9.1金属切削的基础知识刀具②车刀的主要角度

在车刀设计、制造、刃磨及测量时，主要角度有以下几个，见图9-9所示。图9-9车刀的主要角度图9-10刀具的前角9.1金属切削的基础知识刀具图9-11刃倾角及其对排屑方向的影响9.1金属切削的基础知识刀具⑶刀具的工作角度刀具工作角度是指刀具在工作时的实际切削角度。由于刀具的静止角度是在假设不考虑进给运动的影响、规定车刀刀尖和工件中心等高以及安装时车刀刀柄的中心线垂直于工件轴线的静止参考系中定义的，而刀具在实际工作中不可能完全符合假设的条件。因此，刀具工作角度考虑了合成运动和刀具安装条件的影响。9.1金属切削的基础知识刀具图9-12车刀安装高度对前角和后角的影响图9-13车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响9.1金属切削的基础知识刀具刀具材料刀具的切削部分和刀杆可以采用同种材料制成一体(如高速钢车刀)，也可以采用不同材料分别制造，然后用焊接或机械夹持的方法（图9-14）将两者连接成一体。下面主要介绍刀具切削部分的材料。a)焊接车刀b)机夹车刀图9-14焊接车刀与机夹车刀9.1金属切削的基础知识刀具⑴刀具材料的基本要求刀具切削部分在切削过程中，要承受很大的切削力和冲击力，并且在很高的温度下进行工作，经受连续和强烈的摩擦。因此，刀具切削部分材料必须具备以下基本要求：①良好的硬度和耐磨性②足够的强度和韧性③良好的热硬性和化学稳定性④良好的工艺性和经济性9.1金属切削的基础知识刀具⑵常用刀具材料的种类、性能和用途①常用刀具材料工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼及金刚石等，其中高速钢和硬质合金为目前最常用的刀具材料。1)碳素工具钢2)合金工具钢3)高速钢4)硬质合金5)其他刀具材料9.1金属切削的基础知识金属切削过程1.切屑的形成与积屑瘤金属切削过程中的三个变形区对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。⑴金属切削过程中的三个变形区根据切削过程中整个切削区域金属材料的变形特点，可将刀具切削刃附近的切削层划分为三个变形区，如图9-15所示。图9-15切削过程中的变形区9.1金属切削的基础知识金属切削过程①第Ⅰ变形区从OA线开始金属发生剪切变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本结束，AOM区域称为第Ⅰ变形区，也称为金属的剪切变形区。其变形的主要特征是金属晶格间的剪切滑移以及随之产生的加工硬化。②第Ⅱ变形区切屑沿前刀面流出时受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的切屑底层金属晶粒进一步塑性变形的变形区为第Ⅱ变形区。其特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，离前刀面越近，纤维化现象越明显。③第Ⅲ变形区第Ⅲ变形区是刀具与工件已加工表面间的摩擦区，已加工表面受到切削刃钝圆部分及后刀面的挤压和摩擦，使切削层金属发生变形。9.1金属切削的基础知识金属切削过程⑵切屑的类型在金属切削过程中，刀具切除工件上的多余金属层，被切离工件的金属称为切屑。由于工件材料及切削条件不同，会产生不同类型的切屑。常见的切屑有四种类型(见图9-16)，即带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑。图9-16切屑类型a)带状切屑b)挤裂切屑c)单元切屑d)崩碎切屑9.1金属切削的基础知识金属切削过程积屑瘤的形成在一定切削速度范围内，加工钢材、有色金属等塑性材料时，在切削刃附近的前刀面上粘附着一块金属硬块，它包围着切削刃且覆盖着部分前刀面，这块剖面呈三角状的金属硬块称为积屑瘤，如图9-17所示。形成积屑瘤的条件主要取决于切削温度，例如切削中碳钢的切削温度在300～380℃时，易产生积屑瘤。图9-17积屑瘤的形成9.1金属切削的基础知识金属切削过程②积屑瘤对切削的影响1)对切削力的影响积屑瘤粘结在前刀面上，增大了刀具的实际前角，可使切削力减小。但由于积屑瘤不稳定，导致了切削力的波动。2)对已加工表面粗糙度的影响积屑瘤不稳定，易破裂，其碎片随机性地散落，可能会留在已加工表面上。另外，积屑瘤形成的刃口不光滑，使已加工表面变得粗糙。3)对刀具寿命的影响积屑瘤相对稳定时，可代替切削刃切削，减小了切屑与前刀面的接触面积，延长刀具寿命；积屑瘤不稳定时，破裂部分有可能引起硬质合金刀具的剥落，反而降低了刀具寿命。9.1金属切削的基础知识金属切削过程减小或避免积屑瘤的措施1)避免采用产生积屑瘤的速度进行切削，即宜采用低速或高速切削，因低速切削加工效率低，故多采用高速切削。2)采用大前角刀具切削，以减少刀具前刀面与切屑接触的压力。3)适当提高工件材料的硬度，减小加工硬化倾向。4)使用润滑性好的切削液，减少前刀面粗糙度，降低刀与切屑接触面的摩擦系数。9.1金属切削的基础知识切削力和功率切削过程中作用在刀具和工件上的力称为切削力。切削力所做的功就是切削功，如图9-18所示。图9-18切削力a)切削力的来源b)切削合力与分力9.1金属切削的基础知识切削力和功率

9.1金属切削的基础知识刀具磨损刀具磨损的形式刀具磨损是指刀具与工件或切屑的接触面上，刀具材料的微粒被切屑或工件带走的现象。这种磨损现象称为正堂磨损。若由于冲击、振动、热效应等原因使刀具崩刃、碎裂而损坏，称为非正常磨损。刀具正常磨损形式有以下三种：①前刀面磨损(月牙洼磨损)②后刀面磨损③前刀面和后刀面同时磨损9.1金属切削的基础知识刀具磨损图9-19刀具的磨损形态9.1金属切削的基础知识刀具磨损刀具磨损的原因很复杂，在高温(700～1200℃)和高压(大于材料的屈服强度)下，有力、热、化学、电等方面作用，产生的磨损主要有以下几个方面：硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损、相变磨损、热电偶磨损等。刀具的磨损过程在正常条件下，随着刀具的切削时间增大，刀具的磨损量将增加。通过实验得到如图9-20所示的刀具后刀面磨损量VB与切削时间的关系曲线。9.1金属切削的基础知识刀具磨损图9-20刀具磨损过程9.1金属切削的基础知识切削过程规律

9.1金属切削的基础知识切削过程规律改善工件材料切削加工性的主要途径⑴调整工件材料的化学成分⑵进行适当的热处理⑶应用材料强化工艺提高力学性能⑷改善切削条件9.1金属切削的基础知识切削液在切削过程中合理使用切削液，可以改善切屑、工件与刀具的摩擦状况，降低切削力和切削温度，减少刀具磨损，抑制积屑瘤的生长，提高生产率和加工质量。①冷却作用②润滑作用③清洗与防锈作用切削液的种类①水溶性切削液②油溶性切削液9.1金属切削的基础知识切削液切削液的合理选择切削液应根据刀具材料、工件材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。①根据刀具材料选用②根据工件材料选用③根据加工方法选用④根据加工要求选用9.1金属切削的基础知识切削用量合理地选择切削用量，对于保证加工质量、提高生产效率和降低加工成本有着重要的影响。在机床、刀具和工件等条件一定的情况下，切削用量的选择具有较大的灵活性。为了取得最大的技术经济效益，应当根据具体的加工条件确定切削用量三要素合理的组合。⑴选择原则

综合考虑切削过程、生产率与刀具寿命等因素，选定合理的切削用量值。①选定背吃刀量根据工件加工余量和粗、精加工要求，选定背吃刀量。②确定进给量根据加工工艺系统允许的切削力，其中包括机床进给系统、工件刚度及精加工时表面粗糙度要求，确定尽可能大的进给量。③确定切削速度根据刀具耐用度，确定切削速度。

9.1金属切削的基础知识切削用量切削用量的选择综合切削用量三要素对刀具耐用度、生产率和加工质量的影响，参照图9-4，选择切削用量的顺序一般为：首先选尽可能大的背吃刀量，其次选尽可能大的进给量，最后选尽可能大的切削速度。1)背吃刀量的选择