机械加工工艺第四章焊接.ppt

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1、目的和要求目的和要求了解了解熔焊的基本过程；熔焊的基本过程；理解理解接头性能对焊接质量的影响；接头性能对焊接质量的影响；了解了解常用焊接方法，常用焊接方法，理解理解手工电弧焊的基本原理，特点手工电弧焊的基本原理，特点和应用；和应用；了解了解现代焊接方法的特点和应用；现代焊接方法的特点和应用；了解了解常用金属材料的焊接性能，常用金属材料的焊接性能，掌握掌握碳钢、低合金钢的碳钢、低合金钢的焊接方法和焊接性能；焊接方法和焊接性能；掌握掌握焊接的结构工艺性，能选择简单焊件的材料，焊接焊接的结构工艺性，能选择简单焊件的材料，焊接方法，接头形式及焊缝布置。方法，接头形式及焊缝布置。一、金属焊接成形一、金属

2、焊接成形用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。第四章第四章 焊焊 接接第一节第一节 概概 述述铆接与焊接（图示）一、金属焊接成形一、金属焊接成形用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。二、焊接成形的分类二、焊接成形的分类 1 1熔化焊：熔化焊：2 2压力焊：压力焊：3 3钎焊：钎焊：电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等软钎焊、硬钎焊第四章第四章 焊焊 接接第一节第一节

3、概概 述述三、焊接的应用三、焊接的应用三、焊接的应用三、焊接的应用三、焊接的应用三、焊接的应用三、焊接的应用三、焊接的应用五、焊接的不足五、焊接的不足1接头 牢固、封性好。2可化大为小、以小拼大。3可实现异种金属的连接。4重量轻、加工装配简单。5焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。四、焊接的优点四、焊接的优点1不可拆卸。2焊接接头性能下降。3焊接残余应力和焊接变形。4焊接缺陷。焊条焊条工件工件焊接电弧热源在焊条末端和工件两极之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象。+-d第二节第二节 熔焊过程与接头性能熔焊过程与接头性能一、熔一、熔 焊焊 过过 程程加热形成熔池冷却、结晶包括：

4、冶金过程、热过程、结晶过程1.1.冶金过程（金属的熔炼）冶金过程（金属的熔炼）阴极区：阳极区：弧柱区：2400k 36%2600k 42%50008000k 21%1)熔池金属温度高于一般冶金温度2)熔池金属冷却快，处于液态的时间短(2000k)使金属元素强烈蒸发、烧损。10s化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。O2OFe+O FeOMn+O MnOSi+O SiO2C+O CO(1)(1)O O2 2：3)空气对焊缝的影响严重氧化的结果合金元素被烧损；焊缝产生夹渣的缺陷；形成CO气孔。2 2）N N2 2 ：Fe+N Fe4N使接头的塑性、韧性下降。3 3）H H2 2 ：扩散氢

5、氢脆NN2HH2 例一：二战期间，美国250艘船断裂事故，10艘在平静港湾突然一断为二。例二：60年代初，美国北极星导弹试验多次发生爆炸事故。调查：壳体材料常规强度没有问题，在爆炸碎片中发现裂纹。1.减少有害气体进入熔池；2.渗入合金元素；3.清除已进入熔池的有害元素。焊接时要采取措施1 1）加热速度、冷却速度加热速度、冷却速度 (100500/(100500/s)s)2 2）最高加热温度最高加热温度T Tmm3 3）过热区停留时间过热区停留时间t t过过4 4）关键区停留时间关键区停留时间t t8/58/5影响热循环的因素：理想的焊接热循环：2.2.熔化焊的热过程熔化焊的热过程3.3.焊接熔

6、池的结晶过程焊接熔池的结晶过程产生偏析（产生偏析（a a）、（）、（b b）容易开裂。容易开裂。4.4.焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形各部分加热和冷却均不同步各部分加热和冷却均不同步受母材的约束受母材的约束柱状树枝晶柱状树枝晶垂直垂直 于熔壁，晶柱轴线向中心。于熔壁，晶柱轴线向中心。产生内应力产生内应力变形变形裂纹裂纹L L0焊接应力状态：焊接应力状态：焊缝区域焊缝区域拉应力拉应力两侧冷金属两侧冷金属压应力压应力焊接变形：焊件整体缩短 L焊接变形的基本形式(a)收缩变形(b)角变形(c)弯曲变形(d)扭曲变形(d)波浪形变形焊接应力与变形的防止1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应

7、尽可能小。2）合理选择焊接顺序。（）（）（）1 12 21 12 21 12 23 34 41 4 3 21 12 23 34 41 2 3 47）反变形法3）锤击或碾压焊缝4）采用小能量、多层焊5）焊前预热（150 350）6）焊后热处理（去应力退火）可消除应力80%80%左右1234561 4 5 2 3 6(1)热裂纹发生在焊缝区焊缝区严格控制焊缝成分P、S，Ni、Co、Mn,减小焊接应力。在高温下（固相线附近），P、S等低熔点杂质在晶界出形成液态膜，受焊接力影响发生开裂。(2)冷裂纹发生在钢材Ms以下淬硬的脆性组织、焊接应力及扩散氢合理选材，例如钢材的碳当量CE改善焊接工艺：1)、5)

8、、6)改进热过程2)、3)4)、5)减少氢含量5.5.焊接裂纹焊接裂纹最危险的缺陷最危险的缺陷7)去除应力二、焊接接头的性能二、焊接接头的性能焊接接头焊缝区焊接热影响区晶粒粗大，成分偏析、不致密晶粒粗大，成分偏析、不致密熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。2.2.热影响区和熔合区热影响区和熔合区1.1.焊缝的组织与性能焊缝的组织与性能焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。性能与母材接近性能与母材接近(冲击韧性较差冲击韧性较差)可调整化学成分，有害元素较低可调整化学成分，有害元素较低 熔合区是焊缝和母材金属的交界区。（）加热温度：T液T固强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆

9、断的发源地。过热区加热温度：T固1100 塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）正火区加热温度：1100 AC3在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（）力学性能优于母材。部分相变区在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：AC3AC1力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区3.3.影响焊接接头性能的因素影响焊接接头性能的因素（1）焊接材料构成焊缝金属（2）焊接方法：热源特性、机械保护效果（3）焊接工艺：焊接电流、电压、焊接速度、线能量E（4）焊前预热、焊后热处理（正火）E线能量I/cm，I/U/V焊接电流A/电弧电压V/焊接

10、速度cm/s有效热系数（）、（）一、焊条电弧焊一、焊条电弧焊 特点特点(1)设备简单、应用灵活方便。(2)劳动条件差、生产率低、质量不稳定。焊接过程焊接过程引弧 形成熔池形成焊缝第三节第三节 常用焊接方法常用焊接方法熔化焊熔化焊 1.1.焊条焊条焊条芯药皮焊缝的填充材料填充材料 填充焊缝电极电极传导电流 导电机械保护机械保护的作用冶金冶金的作用稳定电弧稳定电弧的作用焊条芯焊条芯药皮药皮药皮的种类：氧化钛型；氧化钛钙型；钛铁矿型；氧化钛型；纤维素型；低氢钾型；低氢钠型；石墨型；盐基型。(1)(1)组成组成和作用和作用（2 2）焊条的种类）焊条的种类结构钢焊条J；钼和铬耐热钢焊条R；低温钢焊条W；

11、不锈钢焊条A；堆焊焊条D；铸铁焊条Z；镍及镍合金焊条Ni；铜及铜合金焊条T；铝及铝合金焊条L；特殊用途焊条TSJ 5 0 7药皮种类（低氢型）抗拉强度结构钢焊条J 4 2 2药皮种类（钙钛型）抗拉强度结构钢焊条酸性焊条：碱性焊条：在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）2.2.焊条的选用焊条的选用1.根据被焊工件的强度选用2.根据被焊工件的化学成分选用3.根据被焊工件工作条件和结构选用4.根据实际生产状况选用二、埋弧自动焊二、埋弧自动焊焊接电源控制箱焊接小车焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）1.1.埋弧自动焊设

12、备及焊接过程埋弧自动焊设备及焊接过程2.2.埋弧自动焊工艺埋弧自动焊工艺1 1）焊前准备）焊前准备2)2)采取防漏措施采取防漏措施双面焊；手工电弧焊封底；焊剂垫；采用锁底坡口；水冷铜垫板。板厚在2025mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中，板厚在1422mm应开Y型坡口，半厚在2250mm，可开双Y型坡口或U型坡口。3)3)要有引弧板和引出板要有引弧板和引出板环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a a；（a a=2040mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。3.3.埋弧自动焊工艺特点埋弧自动焊工艺特点1）生产率高（手弧焊的510倍）2）焊接质量高且稳定。3）节约金属材料、生产成

13、本低。4）劳动条件好。5）只能在水平位置焊接。应用：主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。三、气体保护焊三、气体保护焊1.1.氩弧焊氩弧焊利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：ArAr不与金属发生化学反应不产生夹渣缺陷不溶解于液体金属中不产生气孔缺陷比重大于空气（25%）“阴极破碎”作用1 1）熔化极氩弧焊）熔化极氩弧焊2525mm以下的工件2 2）非熔化极氩弧焊）非熔化极氩弧焊适于6 6mm以下工件的焊接3 3）氩弧焊的特点及应用）氩弧焊的特点及应用

14、 机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观，焊接质量优良。电弧燃烧稳定，飞溅小。焊接热影响区和变形小。可进行全位置焊接。氩气昂贵，设备造价高。应用：应用：适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。适用所有金属材料的焊接。以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：COCO2 2CO2 与金属发生化学反应产生夹渣缺陷 溶解于液体金属中产生 CO 气孔缺陷 比重大于空气（25%）氧化严重；气孔倾向大（CO）；飞溅严重。1)1)存在问题存在问题2.2.COCO2 2气体保护焊气体保护焊 生产率高（是手弧焊的13倍）。成本低（是手弧焊的

15、40%）。焊接热影响区和变形小。可进行全位置焊接。飞溅严重，焊缝成形差。应用：适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。2 2）COCO2 2气体保护焊的特点及应用气体保护焊的特点及应用压力焊压力焊五、电阻焊五、电阻焊 通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形，并经再结晶和扩散作用，实现连接的焊接方法。1.1.点焊点焊工艺参数电极压力焊接电流通电时间适中适中 对组合焊件经电极加压，利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，实现焊接。焊点距离太近分流现象严重太远强度不够应用：4mm以下的薄板搭接。点点 焊焊缝缝 焊焊2.2.缝

16、焊缝焊应用：应用：3mm3mm以下的薄板搭接。以下的薄板搭接。如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。3.3.对焊对焊主要用于棒料的对接。1 1）电阻对焊）电阻对焊应用：用于断面简单，直径（或边长）小于20mm或强度要求不太高的工件。2 2）闪光对焊）闪光对焊应用：用于重要工件的焊接。可焊相同金属，也可焊异种金属（铝钢、铝铜等）。工件直径0.01mm200mm。六、摩擦焊六、摩擦焊1.1.摩擦焊焊接过程摩擦焊焊接过程2.2.摩擦焊接头型式摩擦焊接头型式3.3.特点及应用特点及应用 质量稳定；不需填充金属及焊剂；生产率高，易实现自动化。应用：适用于黑色金属、有色金属；也适用于特种材料、异种材料焊

17、接。摩摩 擦擦 焊焊七、钎焊七、钎焊是将钎料熔化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。种类种类1.1.软钎焊软钎焊2.2.硬钎焊硬钎焊钎料的熔点在450 以下。接头强度低，一般为60190MPa，工作温度低于100 钎料的熔点在450 以上。接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。钎料的作用 连接 填充钎料的种类 软钎料：硬钎料：锡铝合金（焊锡）铝基、铜基、银基、镍基合金等。2.2.溶剂溶剂溶剂的作用 清理作用 降低表面张力 保护作用去除表面氧化皮改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。二、钎料和溶剂二、钎料和溶剂1.1.钎料钎料2.可焊同种

18、、异种金属和厚薄悬殊的工件。3.生产率高。易于实现自动化。4.设备简单，生产投资费用少。应用：主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属 的焊接。目前：软钎焊广泛用于电子、电器、仪表等行业；硬钎焊 用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。三、钎焊的特点及应用三、钎焊的特点及应用1.加热温度低，接头组织、性能变化小；焊接变形小，2.工件尺寸精确。一、金属焊接性一、金属焊接性1.1.金属材料的焊接性金属材料的焊接性指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性 工艺焊接性：使用焊接性：焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性焊接接

19、头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能 影响焊接性的因素1）焊接方法4）工艺参数2）焊接材料3）焊件化学成分第五节第五节 常用金属材料的焊接常用金属材料的焊接2.2.碳当量碳当量C C 影响最显著 基本元素 折合成碳的相当含量对焊接性的影响其它元素CE0.6%具有良好的焊接性焊接性较差焊接性差三、碳钢的焊接1.1.低碳钢的焊接低碳钢的焊接低碳钢：C0.25%CE 0.4%焊接性良好焊接性良好。2.2.中碳钢的焊接中碳钢的焊接中碳钢：C0.250.60%焊接性由良好良好 较差较差。C CE E 0.4%0.60%焊接性差。焊接性差。CE 0.60%问题问题焊缝区易产生热裂纹热影响区易产生

20、冷裂纹措施措施焊前预热（250350 ），焊后缓冷。选用低氢型焊条。焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。避免选用高碳钢作为焊接结构件。焊补焊补措施焊前预热（150250 ），焊后缓冷。选用低氢型焊条。焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。三、低合金钢的焊接合金结构钢合金结构钢机械制造用结构钢机械制造用结构钢普通低合金结构钢普通低合金结构钢（调质钢、渗碳钢）（调质钢、渗碳钢）（压力容器、锅炉、桥梁、（压力容器、锅炉、桥梁、车辆、船舶等结构。）车辆、船舶等结构。）普通低合金结构钢：普通低合金结构钢：低强度普通低合金结构钢：低强度普通低合金结构钢：高强度普通低合金结构钢：高强度普通低合金结

21、构钢：s s400MPa400MPaC CE E 0.4%400MPa400MPaC CE E 0.4%0.5%0.4%0.5%焊接性良好焊接性良好。焊接性较差。焊接性较差。15MnVN15MnVN、18MnMoNb18MnMoNb、14MnMoV14MnMoV焊前预热（焊前预热（150250 150250 ），焊后缓冷；），焊后缓冷；选用低氢型焊条；选用低氢型焊条；焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。四、奥氏体不锈钢的焊按成分分类按成分分类高铬钢高铬钢 Cr13Cr13铬镍钢铬镍钢Cr18Ni9TiCr18Ni9Ti按组织分类：按组织分类：马氏

22、体钢马氏体钢 系列：系列：奥氏体钢奥氏体钢：Cr13 Cr13 铁素体钢系列：铁素体钢系列：Cr18Ni9TiCr18Ni9TiCr17Cr1728,28,如如Cr25TiCr25Ti焊接性较差。焊接性较差。15MnVN15MnVN、18MnMoNb18MnMoNb、14MnMoV14MnMoV不锈钢焊接的主要问题晶间腐蚀 抗腐蚀原理：抗腐蚀原理：主要取决于钢中主要取决于钢中CrCr 当钢含当钢含CrVVCrVV的高电位，抗电化学腐蚀能力较好。的高电位，抗电化学腐蚀能力较好。产生晶间腐蚀 即在组织的晶界处，发生含铬量即在组织的晶界处，发生含铬量12%,使钢材耐使钢材耐腐能力急剧下降。（比一般均

23、匀腐蚀要快的多，严重腐能力急剧下降。（比一般均匀腐蚀要快的多，严重时钢材出现龟裂甚至碎成块状。）时钢材出现龟裂甚至碎成块状。）克服晶间腐蚀的方法：克服晶间腐蚀的方法：a a）降低降低钢材的含碳量。钢材的含碳量。b)b)添加稳定元素。如：添加稳定元素。如：Ti,NB,V,MoTi,NB,V,Mo等等；c c）焊接时加热、快速冷却；焊接时加热、快速冷却；d d）焊后补焊后补充热处理。（水韧处理）充热处理。（水韧处理）五、铸铁的焊补一、铸铁焊补的特点（困难）一、铸铁焊补的特点（困难）1.熔合区易产生白口组织和淬硬组织；2.焊缝区易产生裂纹；3.焊缝区易产生气孔；4.熔池金属易流失；二、铸铁焊补的方法

24、二、铸铁焊补的方法1.1.热焊法热焊法焊前将焊件整体或局部预热至600700并施焊，焊后缓冷。用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等2.2.冷焊法冷焊法焊前不预热或低温预热（400）的焊补方法。焊条焊条钢芯铸铁焊条：适用于非加工表面的焊补适用于非加工表面的焊补石墨化铸铁焊条：高钒铸铁焊条：镍基铸铁焊条：铜基铸铁焊条：适用于较大灰口铸铁件的焊补适用于较大灰口铸铁件的焊补主要用于一般铸铁件的焊补主要用于一般铸铁件的焊补主要用于重要件加工表面的焊补主要用于重要件加工表面的焊补可进行机械加工、塑性和抗裂较好。可进行机械加工、塑性和抗裂较好。焊缝性能与母材基本相同，具有良好

25、的加工性抗裂性好，可进行机械加工。抗裂性好，可进行机械加工。具有良好的抗裂性与加工性主要用于一般铸铁件的焊补主要用于一般铸铁件的焊补六、有色金属的焊接一、铝及铝合金的焊接一、铝及铝合金的焊接1.铝及铝合金的焊接特点铝及铝合金的焊接特点1）易氧化；2）易产生气孔；4）接头易软化；3）易变形开裂；2.2.铝及铝合金的焊接方法铝及铝合金的焊接方法氩弧焊、气焊、钎焊、电阻焊。二、铜及铜合金的焊接二、铜及铜合金的焊接1.1.铜及铜合金的焊接特点铜及铜合金的焊接特点2 2）易氧化；）易氧化；3 3）易产生气孔；）易产生气孔；1 1）难熔合；难熔合；4 4）易变形开裂；）易变形开裂；2.2.铜及铜合金的焊接

26、方法铜及铜合金的焊接方法氩弧焊氩弧焊、气焊、钎焊、碳弧焊。气焊、钎焊、碳弧焊。1 焊接结构材料的选择1.优先选用低碳钢和低强度低合金钢；2.对于重要件应有先选用镇静钢；3.尽量选用同一牌号的材料；4.材料的厚度最好相等；5.尽量选用型材。2 焊接方法的选择 焊接方法的选择应充分考虑材料的焊接性、焊件厚度、焊缝长短、生产批量及焊接质量等因素。第六节第六节 焊接结构工艺设计焊接结构工艺设计3 接头工艺设计一、接头形式的设计一、接头形式的设计1.对接接头2.搭接接头3.角接接头4.T字接接头对接接头 接头受力简单、均匀，应力集中较小，强度较高，优先选用搭接接头 接头强度好。但受力复杂，应力集中严重，易产生焊接缺陷。二、坡口形式的设计二、坡口形式的设计不同厚度的工件焊接时：三、焊缝的布置三、焊缝的布置1.1.焊缝应避免密集交叉焊缝应避免密集交叉2.2.焊缝应对称分布焊缝应对称分布3.3.焊缝应避开应力集中处和最大应力处焊缝应避开应力集中处和最大应力处4.4.焊缝应远离机械加工表面焊缝应远离机械加工表面5.5.焊缝的布置应便于焊接操作焊缝的布置应便于焊接操作4 4 典型工艺设计实例4 4 典型工艺设计实例