《机械制造基础》课件-02篇 第三单元 焊接成型

第三单元焊接成型02篇

毛坯成型教学目标:1.掌握各种焊接方法的工作原理、特点及应用2.能正确选择焊接方法焊接各种金属材料3.能正确处理及防止常用金属的焊接变形4.能正确处理焊件的结构工艺性教学重点和难点:

1.焊接的特点和分类2.手工电弧焊的工作原理、焊接电弧的极性及其选用、焊条类型及焊条的牌号表示方法3.气焊的工作原理、火焰类型及应用4.埋弧焊工艺原理、工艺特点和应用5.气体保护电弧焊类型及工艺原理、特点6.电阻焊的工艺原理及类型、特点7.钎焊的工艺原理及类型、特点8.气割原理、被切割的金属应要具备的条件9.常用金属的焊接性能及防止焊接变形的方法10.焊件的结构工艺性2.3.1焊接的特点和分类1.焊接的特点①接头致密性好，质量好，比铆接节约材料。②能简化大型以及复杂零件的制造过程，可实现“以小拼大”。③容易实现自动化，能改善劳动条件，降低劳动强度。④适应性好，能实现特殊结构的组合，如不同材料间的焊接成形。⑤焊接材料要求严格，有些材料的焊接性能较差。⑥焊接后的零件会产生较大的变形或应力，零件的性能会因焊接热影响区而受到影响。2.焊接的分类

金属焊接按工艺过程的特点可分为熔化焊、钎焊和压力焊三大类。

熔化焊常用的方法有气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子束焊等。

钎焊有火焰钎焊、烙铁钎焊、炉中钎焊等。

压力焊有电阻焊、高频焊、摩擦焊、超声波焊、扩散焊等。2.3.2常用焊接方法2.3.2.1手工电弧焊

手工电弧焊又称为焊条电弧焊，是指手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，如图2-75所示。1.焊接电弧的产生

焊接电弧产生的方式有非接触引弧和接触引弧两种，手工电弧焊采用接触引弧。如图2-76所示为焊接电弧产生的过程。2.焊接电弧的构造及热量分布

如图2-77所示，焊接电弧分阳极区、阴极区和弧柱区三个区域。当采用直流电源时，如焊件接正极，焊条接负极，则阳极区在焊件上，阴极区在焊条的末端。3.焊接电弧的极性及其选用

用直流电源焊接时，有正接、反接两种接法。正接是指焊条接电源的负极、焊件接电源的正极；反接是指焊条接正极、焊件接负极。在采用直流焊接电源时，正、负极的接法的要根据焊件的厚薄来进行选择。一般情况下，较薄焊件的焊接应采用反接法，如图2-78（a）所示；较厚焊接件的焊接，采用正接法，如图2-78（b）所示。若用交流电源焊接时，则不存在正、反接的问题。4.焊条

焊条由药皮和焊芯组成的。焊芯是一根金属丝，有一定的长度和直径。

焊芯有两个作用：一是焊芯熔化后作为填充金属，与熔化的母材一起形成焊缝；二是作为电极，产生电弧。焊芯的直径用来表示焊条的直径，常用的直径为3.2～6mm，长度为350～450mm。药皮的主要作用如下：（1）添加合金元素，以提高金属焊缝的力学性能。（2）形成熔渣和产生大量气体以保护熔池的金属不被氧化，起机械保护熔池的作用。（3）使电弧容易引燃并稳定燃烧，以改善焊接的工艺性能。焊条类型及牌号类型：

按用途不同焊条可分为结构钢焊条、铸铁焊条、不锈钢焊条、耐热钢焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条等。

焊条按药皮熔渣化学性质的不同，可分为碱性焊条、酸性焊条两大类。焊条牌号：

GB/T5117-1995标准规定，手弧焊用碳钢焊条型号用字母“E”加四位数字组成，即Exxxx。“E”表示焊条，前两位数字表示熔敷金属的抗拉强度的最小值，第三位数字表示焊接的位置，“0”与“1”表示焊条适用于全位置的焊接（平焊、立焊、横焊、仰焊），“2”表示焊条适用于平角焊和平焊，第三位和第四位数字组合时，表示药皮类型及焊接电源的种类。

焊接行业标准规定结构钢焊条的牌号表示方法为：汉字拼音字首加三位数字，第3个数字，代表药皮类型，焊接电流要求，第1、2数：代表焊缝金属抗拉强度。以J507为例，其中J代表结构钢焊条，50代表焊缝金属的抗拉强度不低于490MPa，7代表低氢型药皮，直流。2.3.2.2气焊

气焊是利用助燃气体氧和可燃气体乙炔按照一定的比例混合后，气体由焊炬的喷嘴喷出，点燃后形成高温火焰，其温度可达到3000℃，将焊件加热到一定温度后将焊丝溶化，并充填焊缝，用火焰吹平接头，冷凝后，最后便形成焊缝，如图2-79所示。气焊时所用的火焰，按助燃气体氧（O2）与可燃气体乙炔（C2H2）的体积比值分为三种：（1）当VO2：VC2H2=1.0～1.2时称为中性焰，中性焰中氧与乙炔充分燃烧，没有过剩的氧和乙炔，这种火焰的用途最广。（2）当VO2：VC2H2＜1时称为碳化焰，火焰中乙炔过剩，有游离态的碳，有较强的还原作用，也有一定的渗碳作用。（3）当VO2：VC2H2＞1.2时称为氧化焰，氧化焰中氧过剩，焊接时对金属有氧化作用。

碳化焰主要用于焊接含碳量较高的高速钢、高碳钢及硬质合金等材料，也用于焊补铸铁件。中性焰主要应用于低碳钢、不锈钢、低合金钢、紫铜和高铬钢等材料的焊接。氧化焰主要应用于黄铜、青铜等材料的焊接。

碳钢焊接时直接用焊丝进行焊接，不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、耐热钢进行焊接时，为防止金属被氧化及消除已形成的氧化物，必须用气焊溶剂。

气焊火焰由于温度比电弧低，热量少，主要应用于厚度在2mm左右的薄板的焊接。2.3.2.3埋弧焊

埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。1.埋弧焊工艺原理

如图2-80所示为埋弧焊工艺原理图。

埋弧焊按焊丝沿焊缝移动方法的不同，可分为埋弧自动焊、埋弧半自动焊两大类。

埋弧自动焊的焊接过程如图2-81所示。2.埋弧焊的工艺特点和应用

埋弧焊与手工电弧焊相比，具有以下优点：

操作简单，焊接质量好，节省焊接材料，劳动强度低，劳动条件较好，生产率高，易实现自动化。

埋弧焊的缺点是：

一般情况下，只能焊接平焊缝，不适宜于焊接结构复杂且有倾斜焊缝的焊件；设备的费用较高；看不见电弧，在焊接时焊缝质量检查不方便。

埋弧焊适用于低合金钢、低碳钢、不锈钢、铝、铜等金属材料厚板长焊缝的焊接。2.3.2.4气体保护电弧焊

气体保护电弧焊是指用外加的气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。最常用的气体保护焊有二氧化碳气体保护焊和氢弧焊。1.氢弧焊

氢弧焊是用氢气作为保护气体的电弧焊。氢弧焊按电极在焊接过程中是否熔化而分为熔化极氢弧焊（如图2-82（a）所示）和非熔化极氢弧焊（如图2-82（b）所示）两种。

氢弧焊与其他电弧焊方法相比，焊接时不必用焊剂就可获得高质量焊缝。由于是明弧焊接，操作和观察都比较方便，可进行各种空间位置的焊接。

氢弧焊几乎可用于所有金属材料的焊接，尤其是焊接化学性质较活泼的金属材料。目前氢弧焊多用于焊接铝、不锈钢、低合金钢、镁、铜及其合金、耐热钢等材料。2.二氧化碳气体保护焊

如图2-83所示。

二氧化碳气体保护焊的优点是生产率高。二氧化碳气体的价格比氢气低，电能消耗少，成本低。由于电弧热量集中，所以熔池小、焊件变形小、焊接质量高。缺点是不宜焊接容易氧化的有色金属等材料，也不宜在有风的场地工作，电弧光强，熔滴飞溅较严重，焊缝成型不够光滑。

二氧化碳气体保护焊常用碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热钢的焊接，也适用于修理机件，如磨损零件的堆焊。2.3.2.5电阻焊

电阻焊是指通过电极施加压力于装配好的焊件上，利用电流通过接头的接触面以及临近区域所产生的电阻热，将焊件加热至塑性或者熔化状态，在外力作用下形成原子间结合的焊接方法，又称接触焊。电阻焊按接触方式可分为对焊、点焊和缝焊，如图2-84所示。2.3.2.6钎焊

钎焊是指用比母材熔点低的金属材料作钎料，将钎料和焊件加热到低于母材熔点、高于钎料熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。

钎焊过程如图2-85所示。图（a）是将钎料放置在接头处，并加热钎料和焊件；图（b）是钎料熔化后并开始流入钎缝间隙；图（c）是钎料填满整个钎缝间隙，凝固后形成钎焊接头。

钎焊的特点是焊件接头不熔化，钎料熔化。钎焊时，用钎剂清除焊件和钎料表面的氧化物，以便使钎焊部分连接牢固、增强钎料的附着作用。

常用的钎料一般有软钎料、和硬钎料两类。

钎焊在机械、仪表、无线电、电机等制造业中应用广泛。2.3.2.7气割

气割是根据高温的金属能在纯氧中燃烧的原理进行的，它与气焊有着本质不同的过程，即气割是金属在纯氧中燃烧，而气焊是熔化金属。

气割原理如图2-86所示。切割的过程实际为重复进行预热→燃烧→去渣的过程。被切割的金属应要具备以下条件：①金属燃烧时应能放出足够的热量，且金属本身的热导性要低，有利于切割过程能不间断地进行。②燃烧所生成的金属氧化物的熔点应低于金属本身的熔点，且要有较好的流动性，以便熔化并吹掉氧化物。③金属的燃点应低于其熔点，否则金属在切割前已融化，不能形成整齐切口导致切口凹凸不平。

综合所述，能满足气割条件的金属材料是低碳钢、中碳钢及部分低合碳钢。

气割时，可用割炬代替焊炬，其余设备与气焊相同。割炬构造如图2-87所示。

割炬与焊炬相比，割炬增加了输送切割氧气的阀门和管道，割嘴结构与焊嘴的也不同。割嘴出口有两条通道，其中间通道为切割氧的出口，周围的一圈是氧气与乙炔混合气体的出口，两者互不相通。

气割与其他切割方法相比较，最大的优点是适应性强、灵活方便，它可在任意方向和任意位置割出任意厚度与形状的工件。气割设备操作简单、方便、切口质量好、生产率高，但金属材料的适用范围有一定的限制。气割应用在低碳钢、低合金钢等材料的加工中是非常普遍的。2.3.3常用金属的焊接性能1.金属的焊接性

金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性。金属的焊接性包括使用性能和工艺性能。使用性能是指在一定的焊接工艺条件下，焊接接头对其使用要求的适应性。工艺性能是指在一定的焊接工艺条件下，金属对形成裂纹等焊接缺陷的敏感性；低碳钢的焊接性要比铸铁好，铸铁的焊接性差。2.碳钢和低合金结构钢的焊接性（1）低碳钢的焊接性低碳钢焊接性好，低碳钢几乎适用于各种焊接方法的焊接。低碳钢进行焊接时一般不需要预热，只有在焊接较厚的焊件或在气候寒冷时才考虑预热。（2）中碳钢的焊接性

中碳钢焊接时，在热影响区容易生成淬硬组织。当焊接工艺不当、焊件的厚度较大时，这时很容易出现冷裂纹。与此同时，焊件接头处部分碳会融入焊缝熔池，提高焊缝金属的含碳量，导致焊缝塑性降低，在冷却凝固过程中很容易产生热裂纹。因此中碳钢的焊接性能要比低碳钢差。

中碳钢在焊接前进行预热，可以减小焊接接头的冷却速度，降低热影响区的淬硬倾向，防止冷裂纹的发生。预热温度一般为100℃～200℃。

中碳钢焊件的接头要开坡口，这样可以减小焊件金属融入到焊缝金属中的比例，防止热裂纹发生。（3）低合金结构钢的焊接性

强度等级较低的低合金结构钢因含碳量少，其淬硬倾向也小。但随着强度等级的提高，钢的含碳量也增大，加上其中合金元素的影响，会导致热影响区的淬硬倾向增大。而低合金结构钢焊件的热影响区的淬硬性会造成焊接接头处的塑性下降，随之冷裂纹产生的倾向也增大。由此可见，低合金结构钢的焊接性随其强度等级的提高而变差。

通常低合金结构钢在焊接时，应选择较小的焊接速度和较大的焊接电流，来减慢焊接接头的冷却速度。在焊前预热或者焊后及时进行热处理，均能有效防止冷裂纹的发生。3.铸铁的焊接性

铸铁的焊接性很差，在焊接时，一般容易出现以下问题：

（1）产生裂纹

（2）焊后容易产生白口组织

铸铁在生产上都不作为材料焊接用。只有当铸铁件的表面产生了不太严重的裂纹、气孔、缩孔等缺陷时，才采用焊补来弥补铸件缺陷。2.3.4焊接变形和焊件结构工艺性

焊接时，由于焊件受热不均匀，引起焊件内部产生收缩应力。这种应力会导致金属材料在焊接后形状发生变化，甚至还出现裂纹。1.防止焊接变形的方法（1）产生焊接变形的原因

焊接变形是指因焊接而产生的变形，焊接应力是指焊接构件内部因焊接而产生的内应力。产生变形与焊接应力的根本原因是焊件在焊接时局部加热和冷却的不均匀。

焊接变形的基本形式有扭曲变形、弯曲变形、波浪变形和角变形等，如图2-88所示。（2）焊接变形的防止方法①焊前固定法如图2-89（a）、2-89（b）所示为防止焊件变形图。焊接前，用重物或夹具压在焊件上，以抵抗焊接变形。也可以按如图2-89（c）所示方法进行焊接，预先将焊件通过点焊固定在平台上。一般在焊接时要用手锤敲击焊缝，及时释放焊接产生应力，以防止撤除固定装置后焊件再次发生变形，保持焊件的形状比较稳定。②反变形法

反变形法是指预先根据焊件容易变形的规律，在焊前使其形态按照焊接时发生变形的相反方向放置焊件，以抵消焊接后产生的变形。图3-15所示是根据板料焊接时容易产生角变形的规律，焊前将两块板料向下弯折一个角度放在垫块上，这个角度就是V形坡口焊后向上弯折的角度（如图2-90（a）），焊后两块板料就会按如图2-90（b）所示变得平直。③锤击焊缝法

锤击焊缝法是指焊件在焊接的过程中，用风锤或手锤敲击焊缝金属，以促进焊缝金属的塑性变形，减小焊接应力。④焊接顺序变换法

焊接顺序变换法是指通过变换焊接顺序，以尽快发散掉焊接时施加给焊件的热量，从而防止焊接发生变形的方法。如图2-91所示，常用的焊接顺序变换法有分段倒退法、跳焊法和对称法。图中由小到大的一组数字为焊接顺序，小箭头为焊接时焊条的运行方向。2.焊件的结构工艺性

焊件的结构工艺性是指所设计的焊件的结构能确保焊接工艺过程的顺利进行，主要包含以下几个方面的内容：（1）焊缝位置布局应便于焊接的操作

在采用气焊或电弧焊进行焊接时，焊枪或焊条、焊丝之间必