工程材料及成形工艺基础-课件第9章

第9章焊接成形9.2焊接成形方法29.1焊接成形原理及过程19.3焊接成形工艺3目录9.5焊接新技术59.4焊接成形构件的结构设计49.1焊接成形原理及过程焊接成形是通过加热或加压，或两者兼用，使焊件达到原子间结合并形成永久接头的工艺过程。为使两个零件形成牢固的原子间结合，需使两个零部件的原子间距接近晶格常数(3～5)×10-10m的距离。焊接所用能源可以是电能、机械能、化学能、声能或光能等。9.1.1焊接成形原理1.焊接热过程及特点焊接热过程包括焊件的加热、焊件中的热传递及焊件的冷却三个阶段。焊接热过程具有如下特点：（1）加热具有局部性。（2）焊接热源是移动的。（3）具有极高的加热速度和冷却速度。2.焊接热源实现焊接必须由外界提供相应的能量，能源是实现焊接的基本条件。焊接热源热量应当高度集中，可快速实现焊接过程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的焊接热影响区。能够满足焊接条件的焊接热源主要有电弧热、化学热、电阻热、高频热源、摩擦热、电子束和激光束等。9.1.2焊接热过程及焊接热源3.焊接温度场焊接温度场是指温度分布的空间。焊接时，焊件上存在着不均匀的温度分布，同时，由于热源不断移动，焊件上各点的温度也在随时变化。因此，焊接温度场是随时间不断变化的。焊接温度场可以用等温线或等温面来表示。如图9-1所示，通过等温线可以看出焊接时工件温度的分布情况。图9-1焊接温度场的等温线4.焊接热循环母材上某一点所经受的这种升温和降温过程称为焊接热循环。它具有加热速度快、温度高、高温停留时间短和冷却速度快等特点。焊接热循环可以用温度—时间曲线表示，如图9-2所示。图9-2焊接热循环的温度—时间曲线9.1.3焊接化学冶金图9-3手工电弧焊的冶金反应区Ⅰ—药皮反应区；Ⅱ—熔滴反应区；Ⅲ—熔池反应区；t1—药皮开始反应温度；t2—焊条端熔滴温度；t3—弧柱间熔滴温度；t4—熔池表面温度；t5—熔池凝固温度焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程称为焊接化学冶金过程。焊接化学冶金反应从焊接材料被加热、熔化开始，经熔滴过渡，最后到达熔池，该过程是分区域(或阶段)连续进行的。不同焊接方法有不同的反应区，以手工电弧焊为例，可分为药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区三个冶金反应区，如图9-3所示。9.1.4焊接材料1.焊条1）焊条的组成及作用焊条是气焊或电焊时，熔化填充在焊接工件的接合处的金属条，由焊芯及药皮两部分组成。焊条在焊芯外将药皮均匀、向心地压涂在焊芯上。焊条的材料通常跟工件的材料相同。焊条种类不同，焊芯也不同。（1）焊芯。焊条中被药皮包裹的金属芯称为焊芯。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时，焊芯有两个作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能；二是焊芯本身熔化作为填充金属，与液体母材金属熔合形成焊缝。焊条焊接时，焊芯金属占整个焊缝金属的一部分。因此，焊芯的化学成分直接影响焊缝的质量。（2）药皮。压涂在焊芯表面的涂层称为药皮。药皮由多种矿石粉、铁合金及黏结剂等按一定比例配置而成。焊条的药皮在焊接过程中起着极为重要的作用，能使电弧燃烧稳定，使焊缝质量得到提高。2）焊条分类焊条按用途可分为10大类，包括结构钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。此外，焊条按熔渣性质还可分为酸性焊条和碱性焊条两大类。3）焊条的型号和牌号焊条型号是国家标准中规定的焊条代号。应用最广的是碳素结构钢焊条和低合金结构钢焊条。焊条型号由字母E+四位数字组成。焊条型号的字母E表示焊条，前两位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值的1/10，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。轧制焊丝大多数焊丝属于轧制焊丝，它包括碳素结构钢焊丝、低合金结构钢焊丝、不锈钢焊丝和有色金属焊丝等。铸造焊丝铸造焊丝是指有些合金，如钴铬钨合金，不能进行锻、轧和拔丝，而只能用铸造的方法制成。它主要用于工件表面的手工堆焊，以满足如抗氧化、耐磨损和高温下耐腐蚀等特殊性能要求。药芯焊丝药芯焊丝包括用薄钢带卷成圆形或在异形钢管内填一定成分的药粉，经拉制成的有缝药芯焊丝和用钢管填满药粉拉制成的无缝药芯焊丝。2.焊丝3.焊剂焊剂也称为钎剂，是焊接时能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的一种物质。焊剂的作用123焊剂可去除焊接面的氧化物，降低焊料熔点和表面张力，尽快达到钎焊温度。焊剂可保护焊缝金属在液态时不受周围大气中有害气体影响。焊剂可使液态钎料保持合适的流动速度，以填满钎缝。4.保护气体常用的保护气体有CO2、Ar、He或混合气体等，用于对焊接区进行保护。5.钎料钎料是为实现两种材料（或零件）的结合，在其间隙内或间隙旁所加的填充物。钎料的熔点必须比焊接材料的熔点低，适用于连接精密、复杂、多焊缝和异类材料的焊接。钎料按熔点高低可分为软钎料（熔点低于450℃的钎料）和硬钎料（熔点高于450℃的钎料）。软钎料主要有锡基、铅基、锌基等钎料，硬钎料主要有铝基、银基、铜基、镍基等钎料。1.设备投资少，成本相对较低焊接工艺装备相对铸造、锻压投资少，生产准备周期短，容易满足各种生产批量的要求，且由于焊接结构加工工序少，加工简单，因而焊接成形过程的生产率高，生产成本相对较低。2.节省材料和工时采用焊接制造金属结构可比采用铆接制造金属结构节省10％～20％的材料，降低了成本，缩短了生产周期。在同样使用条件下，将铸件改为焊接结构可减少金属重量的30％～50％。3.简化工艺在制造大型、复杂的结构和零件时，可用型材和板材先制成部件，然后装焊成大构件，从而简化了制造工艺，如台车架铸—焊联合成形工艺、万吨水压机立柱的锻—焊联合成形工艺等。9.1.5焊接成形过程的特点9.2焊接成形方法熔化焊简称为熔焊，是将要焊接的工件局部加热至熔化，冷凝后形成焊缝而使构件连接在一起的加工方法。熔焊是广泛采用的焊接方法，大多数的低碳钢、合金钢都采用熔焊的方法焊接。特种熔焊还可以焊接陶瓷、玻璃等非金属。其中电弧焊应用最广泛，包括手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等。1.手工电弧焊手工电弧焊是最常用的熔焊方法之一。手工电弧焊在焊接时，电弧在焊条与焊件之间燃烧，使焊件和焊条焊芯熔化形成熔池。同时，焊条药皮也被熔化，并发生化学反应，形成熔渣和气体，对焊条端部、熔滴、熔池及高温的焊缝金属起保护作用。手工电弧焊具有设备简单、维护方便、操作灵活、应用范围广等优点，但是它也有对焊工要求高、劳动条件差、生产效率低等缺点。9.2.1熔化焊2.埋弧自动焊埋弧自动焊是焊接时经引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程，完全由机械来完成的焊接方法。埋弧自动焊的焊接示意图如图9-4所示。图9-4埋弧自动焊的焊接示意图1—金属板；2—焊件；3—V形坡口；4—焊剂；5—焊剂斗；6—焊丝；7—焊丝盘；8—送丝轮；9—电缆；10—导电器；11—焊剂回收器；12—焊渣；13—焊缝埋弧自动焊的优点123生产率高。焊缝质量高。劳动条件好。3.气体保护焊1）氩弧焊氩弧焊是在普通电弧焊原理的基础上，利用氩气保护金属焊材，通过高电流使焊材在焊件上熔化成液态且形成熔池，使焊材与焊件达到冶金结合的一种焊接技术。它可用于焊接铜、铝、合金钢等。氩弧焊按电极的不同可分为非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种类型。2）二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是利用二氧化碳（有时采用二氧化碳和氧气的混合气体）作为保护介质的熔化极气体保护焊。由于二氧化碳气体热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断，易导致金属的飞溅，因此，不适于焊接非铁金属及高合金钢。但当采用优质焊机且参数选择合适时，可得到稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头，因而这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要的焊接方法之一。9.2.2压力焊1.电阻焊根据工艺特点的不同，电阻焊主要分为点焊、缝焊、对焊三种类型，其焊接示意图如图9-5所示。图9-5电阻焊三种类型的焊接示意图1）点焊点焊是将焊件装配成搭接接头，压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法，见图9-5（a）。点焊主要用于薄板焊接。其工艺过程如下：（1）预压。保证工件接触良好。（2）通电。使焊接处形成熔核及塑性环。（3）断电锻压。使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、无裂纹的焊点。2）缝焊缝焊的过程与点焊相似，是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊件装配成搭接接头或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮对焊件加压，并带动焊件转动，形成一条连续焊缝的电阻焊方法，见图9-5（b）。缝焊主要用于焊接焊缝较为规则，且要求密封的结构，板厚一般在3mm以下。3）对焊对焊是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法，见图9-5（c）。对焊根据加压与通电方式的不同可分为电阻对焊和闪光对焊。（1）电阻对焊。电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。它主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。（2）闪光对焊。闪光对焊是将焊件装配成对接接头且接通电源，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，在大电流作用下产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内，达到预定温度时断电，并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。2.摩擦焊摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的一种压焊方法。如图9-6所示，电动机1转动带动左侧待焊工件6转动，在轴向加压油缸9压力的作用下，右侧待焊工件7左移与旋转的左侧待焊工件6发生摩擦，使待焊工件的摩擦界面及附近温度升高，通过摩擦界面的分子扩散和再结晶而实现待焊工件的焊接。摩擦焊通常包括机械能转化为热能、材料塑性变形、热塑性下的锻压、分子间扩散再结晶四个步骤。图9-6摩擦焊机示意图1—电动机；2—离合器；3—制动器；4—主轴；5—回转夹具；6、7—待焊工件；8—移动夹具；9—轴向加压油缸3.高频焊高频焊是利用流经焊件连接面的高频电流所产生的电阻热作为热源，使焊件待焊区表层被加热到熔化或塑性状态，同时通过施加（或不加）顶锻力，使焊件达到金属间结合的一种焊接方法。高频焊的实现在于它应用了高频电流的两大效应，即集肤效应和邻近效应。（1）集肤效应。集肤效应是当导体通以交流电时，导体断面上出现的电流分布不均匀，电流密度由导体中心向表面逐渐增加，且大部分电流仅沿导体表层流动的一种物理现象。导体的电阻率越低，磁导率越大，电流的频率越高，集肤效应越显著。（2）邻近效应。邻近效应是当高频电流在两个导体中彼此反向流动，或在一个往复导体中流动时，电流会集中在导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。钎焊是将熔点比母材低的钎料加热至熔化，但加热温度低于母材的熔点，用熔化的钎料填充焊缝、润湿母材并与母材相互扩散形成一体的焊接方法。根据钎料熔点不同，其可分为硬钎焊和软钎焊。（1）硬钎焊。硬钎焊的加热温度大于450℃，接头强度大于200MPa。硬钎焊通常用于受力较大、工作温度较高的焊件焊接，如自行车车架和刀具等。（2）软钎焊。软钎焊的加热温度小于450℃，接头强度小于70MPa。软钎焊通常用于印制电路板、电子元器件、仪器仪表和导线等的焊接。9.2.3钎焊9.3焊接成形工艺焊接成形工艺分析是指在整个焊接产品投产前对其焊件结构、材料和技术要求进行分析研究，提出问题及制定解决问题的方法。它是编制焊接成形工艺过程、制定焊接成形工艺文件、设计焊接成形工艺装备和组织焊接生产的前提条件。其重点是根据焊件的整体结构和焊缝布置情况，分析因焊接成形工艺问题引起焊件结构整体或局部变形的方向和大小，制定采用控制和减小焊接应力及变形的最佳方案（包括焊接方法、装焊顺序、焊接参数及其他工艺措施等），并且要求在分析制订的同时进行方案论证。9.3.1焊接成形工艺分析焊接成形的工艺过程一般为备料—装配—焊接—焊接变形矫正—质量检查—表面处理（热喷涂和油漆等）。备料的工作包括型材选择、型材外形矫正、按比例放样和划线、下料切割、边缘加工和成形加工（折边、弯曲、冲压、钻孔等）。装配是利用专用卡具或其他紧固装置将加工好的零件或部件组装成一体，为焊接做准备。焊接时，根据焊件材质、尺寸、使用性能要求、生产批量及现场设备情况选择焊接方法，确定焊接工艺参数，按合理顺序施焊。由于热反应或残余应力等存在，焊接后的焊件可能产生变形，必须先对其进行矫正，然后对焊缝质量进行检查，最后进行表面处理。9.3.2焊接成形工艺过程9.3.3焊接成形工艺评价焊接成形工艺评价的目的123评定施焊单位是否有能力焊出符合相关国家标准或行业标准，以及技术规范所要求的焊接接头。验证施焊单位所拟订的焊接成形工艺指导书是否正确。为制定正式的焊接成形工艺指导书或焊接成形工艺卡提供可靠的技术依据。2.焊接成形工艺评价的条件和规则焊接成形工艺评价的规则包括评价对接焊缝与角焊缝的焊接成形工艺，可采用对接焊缝接头的形式；板材对接焊缝试样评价合格的焊接成形工艺，可用于管材和板材的角焊缝。但当出现下列情况之一者，需重新进行焊接成形工艺评定：（1）改变焊接成形方法。（2）改变焊接材料。（3）改变坡口形式。（4）改变焊接成形工艺参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源极性、焊道层数等）。（5）改变热规范参数（预热温度、层间温度、后热和焊后热处理参数等）。3.焊接成形工艺评价的程序焊接成形工艺评价的程序如下：（1）确定应评价的焊接成形典型接头的数量与类型。（2）编制焊接成形工艺评价指导书，其内容包括焊前准备、焊接成形方法、接头形式、设备仪表、焊接材料、焊接成形工艺参数、热规范参数、焊接空间位置和施焊顺序等。（3）依据确定的典型接头类型，按标准加工出一定数量的待焊试件。（4）焊接成形设备及工艺装备的准备。（5）试样的焊接应由符合登记要求的焊工，按焊接成形工艺指导书的规定，认真操作，同时应有专人作好实焊记录。它是现场焊接的原始资料，是焊接成形工艺评价报告的重要依据。（6）焊接试样常规性能检测项目包括焊接外观检测、探伤检验、力学性能测试、金相检验、断口检验等。（7）当各种记录数据和检测数据收集好后，即可编制焊接成形工艺评价报告。最后根据焊接成形工艺评价报告，编制焊接成形工艺规程，用于指导生产过程。9.4焊接成形构件的结构设计在满足工作性能要求的前提下，选择焊接成形构件材料时，首先要考虑焊接性较好的材料，主要应从以下几个方面来考虑：（1）低碳钢和含碳量小于0.4％的低合金结构钢都具有良好的焊接性，因此，在设计时应尽量选用。（2）含碳量大于0.4％和碳当量大于0.4％的合金钢，焊接性不好，因此，在设计时一般不宜选用。若必须选用，则应在设计中和生产中采取必要的措施提高其焊接性。（3）强度级别较低的低合金结构钢，其焊接性能与低碳钢基本相同，而强度明显高于低碳钢，因此，应优先选用。9.4.1焊接成形构件材料的选择（4）强度级别较高的低合金结构钢，其焊接性能稍差些，在设计强度要求高的重要结构时可以选用。（5）镇静钢脱氧完全、组织致密、质量较高，可选作重要的焊接结构。（6）沸腾钢含氧量较大，组织成分不均匀，焊接时易产生裂纹。承受动载荷和在严寒下工作的重要构件等不宜选用。（7）异种金属焊接时，必须特别注意它们的焊接性及其差异。一般要求接头强度不低于被焊钢材中的强度较低者。（8）设计焊接结构时多用型材，以降低重量，减少焊缝，简化工艺。此外，还可以选用铸钢件、锻件或冲压件来进行焊接。焊接成形方法的选择应根据焊件的形状、尺寸、材料、焊缝位置及生产效率和经济性等因素来综合考虑。1.焊接材料低碳钢的焊接性能良好，几乎能适用所有的焊接成形方法，因此，在选择具体焊接成形方法时，生产效率和经济性就成为主要的取舍依据。其他焊接材料就不同，如不锈钢、铝及铝合金用氩弧焊焊接时，质量要求较高；铸铁的补焊宜采用手工电弧焊或气焊。9.4.2焊接成形方法的选择2.焊件接头类型和焊缝空间各种焊接成形方法均有自己适用的接头类型及焊接工位。例如，电阻焊、对焊只适用于棒材对接，而不能焊长的对接焊缝；埋弧自动焊只适用于焊接长直焊缝及大筒体环焊缝。从焊接工位来讲，垂直位置的焊缝，使用埋弧自动焊几乎无法实现，而使用气体保护焊则十分适宜。3.板厚必须了解各种焊接成形方法适用的板厚范围，合理选择适当的焊接成形方法。4.焊接结构及工作条件选择焊接成形方法还应考虑满足结构的载荷要求（如静载、动载、冲击等）和工作条件（如耐热、耐蚀、耐磨、低温工作等）。1.焊接接头的作用焊接接头主要起到两方面的作用：一是连接作用，即把被焊工件连接成一个整体；二是传力作用，即传递被焊工件所承受的载荷。2.焊接接头的设计焊接接头的设计包括焊接接头形式设计和焊接坡口形式设计。焊接接头形式设计主要考虑焊件的结构开口和板厚、接头使用性能要求等因素。焊接坡口形式设计主要考虑焊缝能否焊透、坡口加工难易程度、生产效率、焊条消耗量、焊后变形大小等因素。9.4.3焊接接头的作用及设计1）焊接接头形式设计根据接头的构造形式，焊接接头可分为对接接头、T形（十字）接头、角接接头、搭接接头、端接接头五种类型，如图9-7所示。图9-7焊接接头的类型2）焊接坡口形式设计焊接坡口是指将被焊工件上的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽。常用焊接坡口形式有I形坡口、V形坡口、U形坡口、J形坡口、Y形坡口、X形坡口和K形坡口七种类型，如图9-8所示。图9-8焊接坡口的类型1.焊缝位置布置应方便焊接操作和检验焊缝位置布置应考虑焊接操作时有足够的空间，以便于施焊和检验。如图9-9所示为几种焊接方法布置焊缝位置时不合理与合理的设计。9.4.4焊缝位置的合理设计图9-9几种焊接方法布置焊缝位置时不合理与合理的设计焊接时，根据焊缝在空间的不同位置，可分为平焊、立焊、横焊和仰焊操作，如图9-10所示。图9-10焊缝空间位置示意图2.焊缝位置应尽量分散布置，避免密集和汇交密集交叉的焊缝容易导致接头组织和性能恶化，产生应力集中和焊接变形。如图9-11（a）所示的设计不合理，应改为如图9-11（b）所示的设计较为合理。图9-11未分散布置的焊缝位置与分散布置的焊缝位置3.焊缝位置应尽量对称布置对称的焊缝位置可使焊接变形互相约束、抵消而减轻变形程度。如图9-12所示的焊件，其中，图9-12（a）的设计不合理，应改为图9-12（b）的设计较为合理。图9-12焊缝位置应尽量对称布置4.焊缝位置布置应避免母材厚度方向工作时受拉因母材厚度方向强度较低，受拉时易产生裂纹，应合理布置焊缝位置。如图9-13（a）所示的设计不合理，应改为如图9-13（b）所示的设计较为合理。图9-13焊缝位置布置应避免母材厚度方向工作时受拉5.焊缝位置布置应避开最大应力和应力集中的位置对于受力较大、较复杂的焊接件，在最大应力和应力集中的位置不应布置焊缝。如图9-14所示为大跨度焊接横梁的焊缝位置布置，其中，图9-14（a）的设计不合理，应改为图9-14（b）的设计较为合理。同理，如图9-15所示为压力容器凸形封头的焊缝布置。图9-15（a）的设计不合理，应改为图9-15（b）的设计较为合理。图9-14大跨度焊接横梁的焊缝位置布置图9-15压力容器凸形封头的焊缝位置布置如图9-16所示，在构件截面有急剧变化的位置或尖锐棱角部位，由于易产生应力集中，因而不应布置焊缝，图9-16（a）的设计不合理，应改为图9-16（b）的设计较为合理。图9-16构件截面急剧变化位置的焊缝位置布置6.焊缝位置布置应避开机械加工表面如果焊接结构的某些部位要求较高精度，而且必须在加工以后才能进行焊接，此时，焊缝位置布置应避开机械加工表面，使已加工表面的加工精度不受影响，如图9-17所示。其中，图9-17（a）的设计不合理，应改为图9-17（b）的设计较为合理。图9-17焊缝位置布置应避开机械加工表面9.5焊接新技术电子束焊是一种利用电子束作为热源的焊接工艺。电子束发生器中的阴极加热到一定