《焊接成形技术》PPT课件.ppt

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1、第四章 焊接成形技术 焊接是指通过加热或加压的手段通过加热或加压的手段，使分离的焊件通过原子扩散与结合从而形成永久性连接的加工方法。焊接的优点成形方便：方法灵活多变，工艺简单，能在较短时间内生产出复杂的焊接结构。结合大型、复杂零件时，可结合铸件、锻件、冲压件，化大为小，化杂为简。适应性强：微型、大型和复杂金属构件；高温高压等化工设备；单件及各种批量生产。成本低广泛应用于车辆、船舶、航空航天、电机电器等，及重大工程建设中。焊接的分类熔熔焊焊气气 焊焊电弧焊电弧焊电渣焊电渣焊等等离离子子焊焊电子束焊电子束焊激光焊激光焊热剂焊热剂焊焊条电弧焊焊条电弧焊埋弧焊埋弧焊气体保护焊气体保护焊压压焊焊电阻焊电

2、阻焊摩擦焊摩擦焊气压焊气压焊冷压焊冷压焊超声波焊超声波焊高频焊高频焊爆炸焊爆炸焊点点 焊焊缝缝 焊焊对对 焊焊钎钎焊焊软钎焊软钎焊硬钎焊硬钎焊熔化焊：利用外加热源使焊件局部加热至熔化状态，一般同时熔入填充金属，然后冷却结晶成一体的焊接方法。特点：加热温度较高，焊件易变形。但接头表面的清洁程度要求不高，操作方便，适用于各种常用金属焊接，应用广。压力焊：对焊件加压或同时加热，使其接头处紧密接触并发生塑性变形，从而形成原子间结合的焊接方法。只适用于塑性较好的金属材料的焊接。钎焊：加热仅使熔点低于焊件金属的填充料即钎料熔化，填充到接头间隙后冷却凝固而完成焊接的方法。特点：不仅适于同种或异种金属的焊接，

3、而且适于金属与玻璃、陶瓷等非金属的焊接。目 录第一节 焊条电弧焊 第二节 其它常用焊接方法 第三节 常用金属材料的熔焊特点 第四节 焊件的选材和结构工艺性 第一节 焊条电弧焊一、焊接电弧和焊接冶金过程一、焊接电弧和焊接冶金过程1焊接电弧焊接电弧定义：焊接时母材和焊条之间的气体介质被电离而产生的强烈的连续、持久放电现象。电子流由阴极阳极。焊接电弧的组成 焊接电弧包括阴极区、阳极区和弧柱三部分。阴极区阴极区因发射大量电子而消耗一定能量，产生热量少；温度约为2400K；阳极阳极表面受高速电子撞击，传入较多能量，因而产生热量较多。温度约为2600K；弧 柱:中心的温度可达6000K8000K。焊接电弧

4、的产生 电焊机 焊条 阴极区 阳极区 弧柱 AV图4-1 焊接电弧的产生阴极区：2400K 阳极区：2600K 弧柱区中心：6000K8000K焊接方式直流正接：直流正接：直流电焊机工件为正极工件为正极（接阳极），焊条为焊条为负极负极（接阴极）；电弧热量主要集中于焊件，利于其熔化，适于焊接较厚工件。直流反接：直流反接：直流电焊机工件为负极，焊条为正极工件为负极，焊条为正极。适于焊接有色金属及薄钢板，以免烧穿焊件。电弧的极性与应用直流电源焊接时的正接和反接自流电焊机焊钳焊条工件（a）正接（+）（）自流电焊机焊钳焊条工件（b）反接（）（+）采用交流电焊机焊接时，因正负极交替变化，故无正、反接之分。

5、2 2焊接的冶金过程特点焊接的冶金过程特点 进行电弧焊时，被熔化的金属、熔渣和气体之间进行着一系列的物理化学反应。如金属的氧化与还原，气体的溶解与析出，杂质去除等。因此焊池可视为一个微型冶金炉。但焊接的冶金过程不同于一般的冶炼过程。存在以下特点：焊条电弧焊的焊接过程焊条电弧焊的焊接过程焊条电弧焊的焊接过程金属熔滴金属熔滴焊件焊件焊缝焊缝熔池熔池焊条芯焊条芯液态熔渣液态熔渣固态渣壳固态渣壳焊条药皮焊条药皮气体气体焊接冶金过程特点焊接冶金过程特点 a.冶金过程短：熔化速度快熔化速度快，凝固时间短凝固时间短（10s），各种化学反应不充分化学反应不充分，因此焊缝中化学成分不够化学成分不够均匀均匀。b.

6、冶金温度高：焊接碳素结构钢和普通低合金钢时，熔滴的平均温度约2300，熔池在1600 以上，易造成合金元素的烧损与蒸发。c.冶金条件差：O、H、N等气体分子易与熔池中的Fe、Mn、Si等有益元素发生化学反应，造成合造成合金元素的烧损金元素的烧损,使焊缝塑性和韧性显著下降。使焊缝塑性和韧性显著下降。空气中的水分、油、锈等，高温分解出氢原子融入液态金属，使焊缝中H，产生产生“氢脆氢脆”，从而引起冷裂纹和形成气孔。由于冷却较快，熔入高温气体和杂质来不及析出，易于形成气孔和夹渣形成气孔和夹渣。保证焊接质量措施防止周围有害气体侵入金属熔池；控制焊缝金属的化学成分，补充易烧损的合金元素；进行脱O、S、P，

7、减少焊接缺陷。二、焊接接头的组织和力学性能二、焊接接头的组织和力学性能 1焊接接头焊接接头焊缝金属区域、熔合区和因焊接热而产生的影响区称为焊接接头。焊缝金属温度最高，热影响区温度由内至外逐渐降低。焊缝金属焊缝金属热影响区热影响区母材母材图图4-2 4-2 焊接接头焊接接头熔合区熔合区2焊接接头的组织和力学性能焊接接头的组织和力学性能 熔化焊使焊缝及其附近的母材经历了一个快速加热和冷却的过程。由于温度分布不均，焊缝受到一次复杂的冶金过程，焊缝附近的金属受到一次不同规范的热处理，因而会发生相应的组织与性能的变化，直接影响焊接质量。（1）焊缝金属区焊缝金属区 加热时焊缝处温度高于液相线，母材与填充金

8、属形成共同熔池，冷凝时液态金属自熔合区向焊缝中心方向结晶，最后形成柱状晶粒组织；柱状晶粒组织；杂质、气泡和裂纹易产生于中心部位。冷速快，金属晶粒细，因此焊缝区的金属强度焊缝区的金属强度不低于母材不低于母材。焊缝金属的结晶示意图焊缝金属的结晶示意图焊件晶粒焊件晶粒熔合线熔合线柱状晶粒柱状晶粒熔池熔池（2）熔合区熔合区 温度介于液、固相线之间，为焊缝和母材的过渡区。已熔金属结晶为铸态组织，未熔晶粒受高温影响晶粒粗大，力学性能很差。宽度不大（0.10.4mm），却是产生裂纹和局部脆性破坏的发源地。低碳钢的焊接接头组织图图4-3 低碳钢的焊接接头组织低碳钢的焊接接头组织正火区正火区部分相变区部分相变区

9、熔合区熔合区过热区过热区焊缝金属焊缝金属1100Tm（3 3）热影响区）热影响区 因焊接热而使焊缝附近区域的母材产生组织变化的部位称为热影响区热影响区。根据距离焊缝区的远近，分为三个区域：过热区、正火区、部分相变区。低碳钢的焊接接头组织图图4-3 低碳钢的焊接接头组织低碳钢的焊接接头组织正火区正火区部分相变区部分相变区熔合区熔合区过热区过热区焊缝金属焊缝金属熔合区和过热区是焊接接头熔合区和过热区是焊接接头的组织和性能最差的部位的组织和性能最差的部位。1100Tm热影响区.过热区过热区 1100CTm，粗大的过热组织，塑性和韧性显著下降。易产生易产生焊接裂纹。焊接裂纹。.正火区正火区 Ac311

10、00C，相当于正火热处理，冷却获得细小的亚共析钢组织。力学性能优于母材。.部分相变区部分相变区 Ac1Ac3，加热时组织为F晶粒+粗大A，冷却后AP，F保持粗大晶粒。晶粒大小不均，力学性能低于正火区。3影响焊接接头性能的主要因素影响焊接接头性能的主要因素 注意：注意：熔合区和熔合区和过热过热区是区是焊焊接接接接头头的的组织组织和性能最差的部位和性能最差的部位，其宽度越大，越易产，其宽度越大，越易产生焊接裂纹生焊接裂纹。影响焊接接头性能的主要因素有母材、焊接方法、焊接工艺参数、接头与坡口形式和焊后冷却速度等。表4-1 不同方法焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸 焊接方法焊接方法各各 区区 平平 均均

11、 尺尺 寸寸热影响区热影响区总宽度总宽度过热区过热区正火区正火区部分相变区部分相变区焊条电弧焊焊条电弧焊2.23.02.23.01.52.51.52.52.23.02.23.05.98.55.98.5埋弧自动焊埋弧自动焊0.81.20.81.20.81.70.81.70.71.00.71.02.33.92.33.9电电 渣渣 焊焊182018205.07.05.07.02.03.02.03.025302530气气 焊焊21214.04.02.02.02727三、焊接应力与变形焊接应力与变形 1焊接应力与变形的产生 焊接过程中对焊件进行不均匀加热和冷却是产生焊接应力与变形的根本原因。无论膨胀还是

12、收缩，焊缝区金属的变化程度均大于母材，产生应力，继而发生变形。l l(+)(-)(a)加加热热时时的的应应力力和和变变形形图图4-44-4 平板对焊时应力和变形的平板对焊时应力和变形的形成原理示意图形成原理示意图 l l(+)(-)(b)冷却时的应力和变形冷却时的应力和变形焊接变形的基本形式纵向和横向纵向和横向收缩变形收缩变形角变形角变形弯曲变形弯曲变形扭曲变形扭曲变形波浪变形波浪变形图图4-54-5 焊接变形的基本形式焊接变形的基本形式焊接应力不可避免，当焊接应力S时，焊件产生变形。应力b时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接应力对零件使用性能的影响 焊接应力的存在，对结构质量、使用性能及焊后机

13、械加工精度都有很大影响，从而影响焊件的使用寿命，甚至导致整个构件断裂而报废。因此设计和制造焊接结构时应尽量减少焊接应力与变形。2减小焊接应力和变形的措施 1）合理设计焊件结构 尽量减少焊缝长度和截面积，避免密集交叉的焊缝，焊缝尽量分散、并对称分布。2）合理选择焊接顺序.应该使焊接时焊缝的纵向和横向都能自由收缩，以避免焊缝交叉处应力过大产生裂纹。先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝。焊接顺序不合理焊接顺序不合理 1 A 2焊接顺序合理焊接顺序合理 1 22）合理选择焊接顺序.当焊缝较长时，可采用分段退焊法或跳焊法等进行焊接，使温度分布较均匀，减少焊接应力和变形。分段逆焊法分段逆焊法总焊接方向总焊接方

14、向1 2 3 4 5 6分段跳焊法分段跳焊法总焊接方向总焊接方向 1 3 5 2 4 62）合理选择焊接顺序.若焊件具有对称布置的焊缝，应采用对称焊接的顺序。厚板的焊接厚板的焊接 6 3 2 4 1 5工字梁的焊接工字梁的焊接 2 4 1 33）焊前预热 预热后焊接可减少工件各部位温差，焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩，以减小应力与变形。焊前焊前焊后焊后加热区加热区4）采用反变形法 焊前将工件放在与焊接变形方向相反的位置上或焊前将工件反向变形，以抵消焊后产生的变形，使结构得到正确形状。焊前焊后焊后焊前5）刚性固定法 采用夹具将工件刚性固定或临时点焊在工作台上，然后进行焊接的一种方法。此法焊接可

15、有效的防止薄板的波浪变形，但焊接残余应力较大，只适于塑性好的低碳钢结构。临时焊点焊件平台压铁减小焊接应力和变形的措施6 6）锤击焊缝）锤击焊缝 每焊一道焊缝后，用圆头小锤对红每焊一道焊缝后，用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行均匀迅速的锤热状态下的焊缝进行均匀迅速的锤击，使金属产生塑性变形延伸，抵击，使金属产生塑性变形延伸，抵消一部分焊接收缩变形，从而减少消一部分焊接收缩变形，从而减少焊接应力和变形焊接应力和变形 。7）焊后热处理 焊后立即采取去应力退火的方法，将焊后立即采取去应力退火的方法，将焊件整体或局部加热到焊件整体或局部加热到600650C，保，保温一定时间后，缓慢冷却，可消除焊接温一定时

16、间后，缓慢冷却，可消除焊接残余应力残余应力80%90%。3焊接变形的矫正 若焊件变形量超过允许值，应对焊件进行矫正。机械矫正法：利用外力如通过压力机、锤击等方法矫正塑性较好、厚度较小的焊件。机械矫正法机械矫正法压头压头支撑支撑PL焊接变形的矫正火焰矫正法：利用火焰对焊件的某些部位进行局部加热，冷却后焊件上部沿纵向产生较大的塑性变形，来抵消构件在该部分已产生的变形，从而使焊件得以矫正。加热位置、加热温度、加热面积的选择需有经验可考。图图4-64-6 火焰矫正法火焰矫正法加热区加热区上拱上拱四、电焊条 1电焊条的分类和型号 组成：一般电弧焊所使用的电焊条由焊芯焊芯和药皮药皮两部分。焊芯：导电、熔化

17、后作为填充金属 药皮：提高电弧燃烧的稳定性，保护溶池，脱氧，补充合金元素，提高焊缝的力学性能。（1）焊条的分类.酸性焊条：熔渣以酸性氧化物（TiO2、SiO2、Fe2O3、P2O5）为主。优点：电弧稳定，易脱渣，飞溅小，对油、锈、水的敏感性小，不易形成气孔，焊接电源可采用交流或直流等；缺点：熔渣氧化性强，C、Si、Mn等合金元素烧损大，焊缝金属杂质多，故塑性和韧性差，抗裂性差。应用：低碳钢和不重要结构件的焊接。.碱性焊条：熔渣以碱性氧化物（CaO、MnO、Na2O、MgO）为主。优点：焊缝金属中Mn含量多，有害元素（S、P等）比酸性焊条少，故焊缝金属的塑性、韧性好，抗裂性强；缺点：电弧稳定性差

18、，易飞溅，不易脱渣，对油、锈、水的敏感性大，工艺性与抗气孔性差。应用：用直流电源，重要结构件的焊接，如船舶、压力容器等。（2）焊条的型号 碳钢焊条的型号(GB/T511795)示意如下:E E 电源种类和药皮类型电源种类和药皮类型 焊缝的空间位置焊缝的空间位置 熔敷金属的熔敷金属的b最小值最小值 Kgf/mm2 电极焊条电极焊条碳钢焊条的型号、焊接位置碳钢焊条的型号、焊接位置第三位数字表示焊接位置 “0”和“1”适用于全位置焊接（平、立、仰、横）；“2”适用于平焊和平角焊；“4”适用于向下立焊；碳钢焊条的药皮类型、电流种类碳钢焊条的药皮类型、电流种类第三位和第四位数字组合表示焊接电源种类和药皮

19、类型。其中“03”为钛钙型药皮，适于交流或直流正、反接电源；“15”为低氢钠型药皮，适于直流反接电源；“22”为氧化铁型，交流或直流正接。常见碳钢焊条牌号：E4303、E5015、E5016等。碳钢焊条的型号、药皮类型、焊接位置及电流种类碳钢焊条的型号、药皮类型、焊接位置及电流种类 标准型号标准型号商用牌号商用牌号药药 皮皮 类类 型型焊焊 接接 位位 置置电电 流流 种种 类类E000特殊型特殊型不规定不规定交流或直流正、反接交流或直流正、反接E013钛铁矿型钛铁矿型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或直流正、反接交流或直流正、反接E032氧化钛钙型氧化钛钙型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或

20、直流正、反接交流或直流正、反接E10-高纤维钠型高纤维钠型平、立、仰、横平、立、仰、横直流反接直流反接E115高纤维钾型高纤维钾型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或直流反接交流或直流反接E12-高钛钠型高钛钠型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或直流正接交流或直流正接E131高钛钾型高钛钾型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或直流正、反接交流或直流正、反接E157低氢钠型低氢钠型平、立、仰、横平、立、仰、横直流反接直流反接E166低氢钾型低氢钾型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或直流反接交流或直流反接标准型号标准型号商用牌号商用牌号药药 皮皮 类类 型型焊焊 接接 位位 置置电电 流流 种种 类类

21、E204氧化铁型氧化铁型平角焊平角焊交流或直流正接交流或直流正接E22平平交流或直流正、反接交流或直流正、反接E232铁铁钛粉钛钙型钛粉钛钙型平、平角焊平、平角焊交流或直流正、反接交流或直流正、反接E241铁铁铁粉钛型铁粉钛型交流或直流正接交流或直流正接E274铁铁铁粉氧化铁型铁粉氧化铁型交流或直流反接交流或直流反接E186铁铁铁粉低氢型铁粉低氢型平、立、仰、横平、立、仰、横交流或直流反接交流或直流反接E48平、立、仰、横平、立、仰、横向下向下E286铁铁铁粉低氢型铁粉低氢型平、平角焊平、平角焊交流或直流反接交流或直流反接E088石墨型石墨型平平交流或直流反接交流或直流反接-9盐基盐基平、平角

22、焊平、平角焊直流反接直流反接碳钢焊条的型号、药皮类型、焊接位置及电流种类碳钢焊条的型号、药皮类型、焊接位置及电流种类 续低合金钢焊条的型号 低合金钢焊条的型号由GB/T511895确定，在牌号的四位数字后面，后缀字母表示熔敷金属化学成分分类代号，以及附加合金元素的元素符号。如E5515-B2-V，属于低氢钠型，直流反接，全位置焊接，并含1.0%Cr、0.5%Mo和0.10%0.35%的V。E5515B2VNb，低氢钠型药皮CrMoVNb耐热钢焊条。直流反接,可全位置焊接 2焊条的选用原则 1）等强度原则：对低碳钢和低合金高强度结构钢焊件，选用与焊件相同强度等级的焊条；异种钢焊接时，按与强度等级低者选用焊条。2）同成分原则：对耐热钢和不锈钢焊件，按母材化学成分选择相应成分的专用焊条，以保证焊接接头的特殊性能要求。焊条的选用原则 3）抗裂纹、抗气孔原则：对承受交变载荷或冲击载荷，形状复杂、刚度大的焊接结构，要求塑、韧性好，应选择抗裂性好的碱性焊条；对薄板和刚性较小，构件受力不复杂的焊件，及表面带有油、锈、水等清理不便的结构件时，应选择抗气孔性好、对清洁条件不敏感的酸性焊条。焊条的选用原则4）对加工过程中需经热加工或热处理的焊件，应选择能保证热加工或热处理后焊缝强度及韧性的焊条。5）焊条工艺性能要满足施焊操作需要。如非水平位置施焊时，应选用全位置焊条。