第4章焊接成形.ppt

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1、第4章 金属的焊接成形,材料之间连接的方式有：机械连接、物理化学连接、冶金连接。1、焊接 通过加热或加压（或两者并用）使原子扩散与结合，从而形成一个整体。2、分类 按原理为三类：（1）熔化焊（2）压力焊（3）钎焊,（1）熔化焊：利用局部加热的方法，把工件结合处加热为熔化态，形成熔池，冷却结晶，形成牢固接头。,（2）压力焊：焊接时不管加热与否，都要施加一定压力，使两焊件产生一定塑性变形，在压力下形成牢固接头。,（3）钎焊：对被焊工件和填充金属加热，焊件（母材）不熔化，填充材料（钎料）熔化，填充于被焊金属连接处，靠原子扩散形成接头。,3、焊接的特点,1）与铆接相比节,省材料和工时，构件轻；2）气密

2、性，水密性好；例金山化工厂，3万m3气罐几十个大气压，六层楼高。3）可化大为小，拼小成大；万吨水压机立柱；3万吨油轮焊缝达1000多公里，相当于北京上海的距离。4）易于实现机械化，自动化操作，提高生产率。因此焊接工艺在造船业、汽车制造业、机械行业以及飞行器制造业中，已成为一种重要的技术被广泛利用。,4.1 焊接工艺基础 4.1.1 焊接接头的组织与性能 1、焊接热循环 焊接接头由焊缝区和周边热影响区组成。焊接接头附近的金属由室温加热到不同的温度后，又冷却至室温，相当于不同程度的热处理，因此组织性能大大不同。下面以低碳钢（C=0.25%）为例来说明焊缝及附近（热影响区）金属组织变化。图4-1,2

3、、焊缝的组织和性能,3、热影响区的组织与性能（1）熔合区：（半熔化区）相当于ACAE线间（液-固相线之间），熔化的金属凝固后生成铸态组织，未熔化金属因加热温度过高形成金属过热粗晶，这个区虽很小，但晶粒严重粗大，、k低，是断裂发源地。是性能最差区之一。（2）过热区：温度在固相线以下(1100)左右。过热区晶粒严重粗大，力学性能差，是焊接接头的薄弱区域。,（3）正火区：AC3-1100，金属发生再结晶，晶粒细化，冷却后得到均匀细小的P+F组织（正火组织），其性能优于母材，力学性能好。（4）部分相变区：相当AC1AC3之间，部分金属发生相变，P 和部分 F 发生相变成为A，使晶粒细化；但还有部分 F

4、 没有来得及转变，冷却后造成晶粒大小不一，性能较差。可见，焊接接头中熔合区和过热区是力学性能最差的区域。,4.1.2 焊接应力、变形与裂纹 1、焊接应力的产生 焊接过程中局部不均匀加热，使焊缝及附近金属体积膨胀，沿焊缝方向伸长，而远处冷金属要阻碍伸长，使焊缝及周围金属受压，产生塑性变形。塑性变形的出现会使应力释放。冷却后，焊缝要冷却收缩，远离焊缝的金属又阻碍收缩，使焊缝及周围金属受拉应力焊接应力。而远离焊缝区则受压应力。图4-4,2、焊接变形 当焊接应力超过了相应温度下的屈服极限时（焊s），焊件就产生了变形焊接变形。焊接变形分为5种：p118 图4-6（1）收缩变形；（2）角变形；（3）弯曲变

5、形；（4）扭曲变形；（5）波浪变形。,3、减少焊接变形的措施 1）焊接前（1）焊件尺寸增设收缩余量；（2）反变形法；p118 图4-7（3）刚性固定法。p119 图4-8 2）焊接中（1）合理安排焊接顺序：p119 图4-9（2）先焊收缩量大的焊缝；p118 图4-11（3）先焊受力大焊缝；（4）先焊短缝；（5）锤击焊缝（碾压）。,4、焊接变形的矫正 p120 图4-10（1）机械矫正法；（2）火焰矫正法。5、减少和消除焊接应力的措施（1）焊接材料；（2）焊接结构；（3）焊接工艺。,4.2.常用熔化焊方法,4.2.1 焊条电弧焊 电弧焊利用电极形成的电弧，使被焊工件的局部加热到熔化状态而焊接的

6、方法。电弧焊冶金特点：（1）温度高于冶金温度，在电极区2400-2600K，会使元素烧损。（2）熔池体积小，冷却快，冶金不充分，气体夹杂来不及上浮。,1、焊接过程 电弧在焊条与被焊工件之间燃烧。工件和焊芯同时熔化，成为熔池；药皮熔化后与液态金属发生物理化学反应（冶金反应），所形成的熔渣不断从熔池中向上浮起；药皮燃烧产生大量CO2、CO、H2等保护气体，围绕在电弧周围，熔渣和气体能防止空气中氧和氮的侵入，起保护液态金属的作用。电弧向前移动时，工件和焊条金属不断熔化形成新的熔池。原熔池则不断冷却凝固，构成连续的焊缝。覆盖在焊缝表面的熔渣凝固成为固态渣壳。这层熔渣和渣壳对焊缝的质量和减缓金属的冷却速

7、度有着重要的作用。,2、焊接电弧 电弧是一种气体导电现象。通常空气并不导电，在一定电场作用下，可使气体分解为带电粒子，这些带电粒子在电场作用下作定向运动，以高速向正极运动，产生了强烈的光和热，这就是电弧，电弧的热量与电流I、电压V成正比，I越大，则粒子的作用速度快，产生的总热量就高。,一般，电弧热量在阳极区产生较多，而阴极区由于放出大量电子时，消耗了一定的能量，所以，产生的热量相对少一些，由于这个热量的差异，使得焊接时有两种接线方法。,交流电弧焊时，正负极任意接。直流电弧焊时，分为正接法和反接法。,3、电焊条 焊芯导电、填充焊缝金属的作用；药皮熔渣隔离空气、使焊缝金属脱氧去硫并补充有益元素、稳

8、定电弧，从而使焊缝具有一定的化学成分和力学性能。焊芯（焊丝）是组成焊缝金属的主要材料。其化学成分及质量将直接影响焊缝质量。因此国家标准对其作了相应规定。如果被焊件是不锈钢、合金结构钢，则应选用合金钢焊条或焊丝。按成分和用途分为九大类。（p125）,焊条的选用原则 使焊缝和母材具有相同的使用性能：低碳钢和普通低合金钢构件，选择相同强度等级的焊条，但要注意到，如Q235给出的是s，而焊条给出的是b 指标；同一强度等级的酸性和碱性焊条的选择，应根据焊件的性能和特点。通常，塑性、韧性要求高的用碱性焊条；而受力简单，母材质量较好时可选用酸性焊条；低碳钢与低合金钢焊接（异种钢接头），可按其中强度较低的材料

9、选用焊条。铸钢的焊接，一般需预热处理，再焊接；焊接特殊性能钢，要选用特殊的专用焊条。,4.2.2埋弧自动焊 前述的电弧焊的三个动作（引弧、送进焊条和移动电弧）都靠机器自动完成自动焊，只有一部分动作靠机器完成，而还有一部分靠焊工辅助完成半自动焊。p126 为了提高质量、生产率、改善劳动条件，焊接向自动化半自动化方向发展。,1、焊接过程：埋弧焊时，电弧被焊剂所包围。引弧、送丝、送进焊条都由电焊机自动完成。2、埋孤焊的特点及应用：生产率高，电流达1000A以上，是手工的5-10倍，焊深达 20mm。焊接质量好而稳定。保护熔池好，参数稳定。节省金属和电能，12mm不用开坡口。劳动条件好，无弧光，烟雾，

10、机械操作。埋弧焊主要用于伏焊焊接厚度较大的长平直焊缝和大直径环形焊缝。广泛用于造船、容器、锅炉的制造。,4.2.3 气体保护焊 1、二氧化碳气体保护焊 1)焊接过程：用二氧化碳气体作为保护气体的电弧焊。它用焊丝作电极，靠焊丝和工件之间产生的电弧熔化工件与焊丝，熔池凝固后成为焊缝。p129图4-22,2)特点：生产率高，自动送进，电流密度大，是手工的13倍。焊接质量好，脱S好，热影响区小、变形倾向小。成本低，CO2价低，是埋弧焊的40-50%。操作性能好，明弧焊接。适合各种位置的焊接。飞贱大，烟雾大，易产生气孔，设备贵。3)应用：主要用于低碳钢、低合金钢。在机车，造船、汽车、机械等行业有较广的应

11、用。,2、氩弧焊 1)焊接过程：用惰性气体氩气作为保护熔池的保护气体，防止有害气体侵入，氩气不和金属反应，焊接质量好，分为熔化极和不熔化极氩弧焊。p128,钨极氩弧焊（不熔化极）；熔化极氩弧焊。,2)氩弧焊特点及应用：（1）保护作用好，适于有色金属、稀有金属。（2）热影响区小，变形小。（3）操作性能好，明弧，稳定性好，各种位置焊接。（4）Ar成本高，设备贵。适于Al、Cu、Mg、Ti等及不锈钢、耐热钢的焊接。,4.2.4电渣焊（1）电渣焊过程 是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源来熔化金属进行焊接的。P130,（2）特点 焊厚件，生产率高。质量好，保护好。成本低，经济效益好。热影响区大。焊

12、后冷速慢，焊接应力小。（3）应用 应用于重型及大型设备的制造中。,4.3 压力焊与钎焊,4.3.1 电阻焊 是利用电流通过焊件及接触处产生电阻热，将局部加热到塑性或半熔化状态，在压力下形成接头。电阻焊接根据接头形式不同，分为：点焊；缝焊；对焊；,（1）点焊 把清理好薄板放在两极之间，夹紧通电，接触面产生电阻热，使其熔化，在压力下使焊件焊在一起，电极通水冷却。图4-28 p134 点焊质量与焊接电流、通电时间、电极电压、工件清洁程度有关。相邻两点要有足够的距离（以尽量减少分流）。,（2）缝焊（滚焊）与点焊相似，称为重叠点焊。用旋转盘状电极，代替柱状电极。焊接时，滚盘压紧工件，并转动，断续通电，形

13、成连续点，重叠50%以上，密封性能好，由于焊点近，电流是点焊的1.52倍。图4-30 p134,（3）对焊 电阻对焊：把工件加压，使焊件压紧，然后通电，产生电阻热，加热到塑性状态，断电加压，使工件焊到一起，电阻对焊操作简便，接头光滑，焊前接头要清理。适于强度要求不高的一些工件。图4-31 p135,2.电阻焊特点及应用（1）特点 接头质量好，热影响区小。生产率高，易于机械化，自动化。不需填加金属和熔剂。劳动条件好，无弧光。噪音，适于异种材料焊接 焊件结构简单，重量轻。电耗量大，设备贵，厚度一定限制。,（2）应用 点焊、凸焊适用于4mm薄板，用于汽车，飞机，日用品等。缝焊适用于3mm薄板，用于密

14、封结构，油箱、消音器，管道等。对焊；适用于棒料、型材对接，如自行车圈、圆环链等。4.3.2 摩擦焊 利用金属工件接触面摩擦产生热量，使工作端面达到塑性状态，加压，使工件焊接到一起。1）焊接过程：如图示。P136 图4-33,2）特点及应用 接头质量好，组织致密。生产率高，机械化，不填加焊接材料。可焊接金属范围广，如异种金属焊接。设备简单，耗能少，劳动条件好。适用于圆柱管件对接，汽车，仪表。,4.3.3 钎焊 1.钎焊过程 是利用熔点低的（比焊件）钎料作填充金属，用钎剂去除氧化膜，适当加热使钎料熔化（但工件不熔化），充填接头，把固态工件连接在一起。2.钎焊的分类（1）软钎焊：钎料熔点450以下，

15、接头强度低于70 Mpa,受力不大的低温度工作的工件。例如锡焊，用于电器元件、仪表、生活用具。（2）硬钎焊：钎料熔点在450以上，接头强度200 Mpa,工作温度较高工件，如铜焊，银焊，镍焊。用于刀具、电器、自行车架。,3.钎焊的特点：（1）温度低，变形小，接头尺寸精密。（2）适应性广，适于异种材料焊接。（3）生产率高，整体加热。（4）设备简单。（5）强度有限，有色金属钎料成本高。,4.4 常用金属材料的焊接 焊接性(weldability)是指被焊金属材料在采用一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。即：金属材料对焊接加工的适应性。金属材料的焊接性不是金属材料本身的属性，实质上是其

16、物理、化学性能和力学性能在焊接过程中的综合反映。,4.4.1 碳钢(carbon steel)的焊接 碳钢的焊接性主要决定于其含碳量。1、低碳钢的焊接：C0.25%，塑性好，淬硬倾向小，焊接性好，无需采用特别的工艺措施。2、中碳钢的焊接 C=0.250.6%，淬硬倾向变大，焊接性较差。易出现的问题：焊缝易产生热裂纹。焊接热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。,焊接工艺：焊前需预热（150250）、焊后缓冷。减少基体熔化时间，小电流，细焊条，开坡口，多层焊。采用碱性低氢焊条，提高焊缝塑性。3、高碳钢的焊接 高碳钢焊接性能更差，导热性差，淬硬倾向大，只能用于修补。必要时必须采用更高的预热温度、更严格的工

17、艺措施。并保持焊后缓慢冷却和热处理。,4.4.2合金结构钢的焊接（1）普通低合金结构钢 焊接特点：热影响区易形成淬硬组织，脆性增加。、ak。热影响区易产生冷裂纹：对氢敏感、淬硬程度以及接头的内应力较大。工艺措施：b400MPa和低C钢一样，不用复杂工艺。如16Mn。强度高的低合金钢一般需焊前预热；焊中控制焊接参数，以使冷速不会过快；焊后热处理或消氢处理。（消氢处理即焊后立即将焊件加热到200-350，保温26小时，以加速氢扩散逸出，防止产生因氢引起的冷裂纹。）,（2）不锈钢（stainless steel）奥氏体型不锈钢（如1Cr18Ni9Ti），应用广泛。含碳量低，塑性好，焊接性良好。需采用

18、与母材成分接近的焊条。马氏体型不锈钢，焊接性较差。焊接时，因空冷条件下焊缝就可转变为马氏体组织，所以焊后淬硬倾向大，易出现冷裂纹。因此，焊前预热温度200400，焊后要进行热处理。如果不能实施预热或热处理，应选用奥氏体不锈钢焊条。铁素体型不锈钢（如1Cr17）。焊接时，热影响区中的铁素体晶粒容易过热粗化，使焊接接头的塑、韧性急剧下降，甚至开裂。因此应进行焊前预热并小电流、大焊速焊接。目前，不锈钢的焊接的常用方法是焊条电弧焊和氩弧焊。并实施焊前预热，焊接时采用小电流，快速焊等工艺措施。,4.4.3 铸铁（cast iron）的补焊 铸铁中C，Si，Mn，S，P的含量比碳钢高，塑性极低，焊接性能差

19、，不能作为焊接结构。但对铸铁件的局部缺陷（如裂纹、气孔及在使用过程中出现的局部损坏或断裂等）进行焊补（补焊）很有经济价值。铸铁焊补的主要问题有：熔合区易生成白口组织，其中的Fe3C硬度高，脆性大，难以切削加工；焊接接头易出现裂纹；易产生气孔、夹杂等缺陷。,根据焊前是否预热温度，将铸铁焊补分为冷焊法和热焊法两种。（1）热焊法 焊前把工件预热至60O700，并在此温度下施焊，焊后缓冷或在600700保温，消除应力。常用的焊补方法是焊条电弧焊或气焊：焊条电弧焊适于中等厚度以上（10mm）的铸铁件，选用铁基铸铁焊条或低碳钢芯铸铁焊条。10mm以下薄件为防止烧穿，采用气焊，用气焊火焰预热和缓冷焊件，选用

20、铁基铸铁焊丝并配合焊剂使用。,（2）冷焊法 焊前工件不预热（或局部预热至300400），焊后缓冷。常用的方法是焊条电弧焊。,4.4.4 非铁金属的焊接 铝合金的表面有一层致密的氧化膜，其熔点高于铝合金本身，因此铝合金是难焊接金属。采用氩弧焊，利用其“阴极破碎”作用，去除氧化铝膜，使焊接得以实现。通常：8mm以下板厚的铝合金采用钨极（不熔化极）氩弧焊；8mm以上板厚的铝合金则采用熔化极氩弧焊。“阴极破碎”作用氩弧焊时采用反接法（工件接负极），氩气电离后，由于氩正离子的质量较大，在电场力的加速下撞击工件表面，使氧化膜表面破碎并清除。铝合金还可以采用电阻焊和钎焊。,4.5 焊接结构设计 4.5.1

21、焊接件材料的选择 在满足使用性能前提下，尽量选用焊接性能较好的材料，尽量选C0.4%碳钢，C当0.4%合金钢。根据材料的可焊接性能选材。4.5.2 焊接方法的选择 原则是在保证质量的前提下：1、优先选用常用的焊接方法；2、产品批量较大时，考虑提高生产率和降低成本。,低碳钢和低合金结构钢：各种方法均可。氩弧焊较贵，一般不用。长直焊缝或圆周焊缝，且批量较大：埋弧自动焊。单件生产或焊缝短且处于空间不同位置：手工电弧焊。薄板、无密封要求：点焊。薄板、有密封要求：缝焊。合金钢、不锈钢：氩弧焊。,4.5.3 焊接接头工艺设计 设计焊接结构时，应多采用型钢，这样可以减少焊缝数量，简化焊接工艺，增加焊件的强度

22、和刚性。,1、焊缝的布置,焊缝布置是否合理，直接影响结构件的焊接质量和生产率。因此，设计焊缝位置时应考虑下列原则：（1）焊缝应尽量处于平焊位置 各种位置的焊缝，其操作难度不同。以焊条电弧焊焊缝为例，其中平焊操作最方便，易于保证焊接质量，是焊缝位置设计中的首选方案，立焊、横焊位置次之，仰焊位置施焊难度最大，不易保证焊接质量。,（2）焊缝布置应尽可能对称 利于焊接变形相互抵消。,（3）焊缝布置应尽量避免密集或交叉,（4）焊缝布置应避开最大应力和应力集中位置,（5）焊缝布置应尽量避开切削加工表面,（6）焊缝要布置要便于焊接操作 焊条电弧焊时，焊条要能伸到焊缝位置，如图所示。点焊、缝焊时，电极要能伸到待焊位置，如图所示。埋弧焊时，焊缝所处的位置能否存放焊剂，如图。设计时若忽略了这些问题，则无法施焊。,4.5.5 焊接接头设计 主要考虑焊件结构形状、板厚和使用性能要求。有对接接头、角接接头、T字接头、搭接接头4种。P143,