机械工艺制造基础课程焊接改进精.ppt

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1、机械工艺制造基础课程焊接改进第1页，本讲稿共66页b焊接成形原理：焊接成形原理：焊接是指用加热或加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而形成不可折卸接头的材料成形方法。b焊接成形特点：焊接成形特点：（1）可化大而复杂的结构为小而简单的坯料拼焊，简化了工艺，降低了成本。（2）可实现不同材料间的连接成形。3.1 3.1 概述概述第2页，本讲稿共66页第3页，本讲稿共66页（3）可实现特殊结构的生产。（4）与铆接相比，焊接结构重量轻，可以减轻机器自重，提高运载能力和行驶性能。但不可拆卸，易引起残余应力，焊缝易产生裂纹、气孔等缺陷，因此，应特别注意焊缝品质的检验，否则易造成恶性事故

2、。第4页，本讲稿共66页b焊接工艺的分类：焊接工艺的分类：根据焊接过程的工艺特点，可将焊接分为：熔化焊熔化焊 压力焊压力焊 钎焊钎焊 电弧焊 电阻焊 软钎焊 电渣焊 摩擦焊 硬钎焊 电子束焊 超声波焊 激光焊 爆炸焊 等离子弧焊 扩散焊 高频焊第5页，本讲稿共66页b焊接在工业中的应用：焊接在工业中的应用：（1）金属结构的焊接。如锅炉、压力容器、管道、桥梁、海洋平台和起重机等，船舶、车辆、飞机、火箭的梁架和外壳。第6页，本讲稿共66页（2）机械零件的焊接。如轴、齿轮、锻模和刀具等。第7页，本讲稿共66页3.2 3.2 焊接工艺的基本原理焊接工艺的基本原理第8页，本讲稿共66页3.2.1 3.2

3、.1 熔焊原理及过程熔焊原理及过程1 1、熔焊本质及特点：、熔焊本质及特点：熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。第9页，本讲稿共66页 熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。2、熔化焊的三要素：、熔化焊的三要素：1)热源：能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。3.2.1 3.2.1 熔焊原理及过程熔焊原理及过程第10页，本讲稿共66页2)熔池的保护：可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素

4、。3)填充金属：保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到机械性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。3.2.1 3.2.1 熔焊原理及过程熔焊原理及过程第11页，本讲稿共66页b 热源：（1）电弧：是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象。电弧三个区：阴极区、阳极区和弧柱区。阴极区-电子发射区。阳极区-接收电子。弧柱区-气体电离区。3.2.1 3.2.1 熔焊原理及过程熔焊原理及过程第12页，本讲稿共66页电弧的温度：弧柱区60008000K，阳极区2600K，阴极区2400K。第13页，本讲稿共66页2、熔池的保护渣保护：1渣保护：第14页，本讲稿共66页（2）气保护：2、熔池的保护气保

5、护：第15页，本讲稿共66页2 2、熔池的保护、熔池的保护渣气联合保护：渣气联合保护：（3）渣气联合保护：利用渣的良好的冶金反应和焊缝成形特点，以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及CO2+药芯。第16页，本讲稿共66页3、填充金属：当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能填满焊缝，这时，必须用焊丝填满。另外，为了提高焊缝性能，使焊缝与母材等强度，必须用焊丝过渡合金元素。第17页，本讲稿共66页手工电弧焊的焊条手工电弧焊的焊条药皮：药皮成分：稳弧剂、合金化剂、脱氧剂、去氢剂、粘结剂等。药皮类型：酸性药皮与碱性药皮。酸性药皮工艺性好，碱性药皮工艺性差；碱性药皮焊缝含氢

6、量低，焊接质量好。第18页，本讲稿共66页 常用的焊条钢芯为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。如H08、H08A、H08MnA。H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表含碳量的万分之几；A为高级优质钢；E代表特级优质钢。第19页，本讲稿共66页第二节第二节 焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能一、焊接热循环：焊接热循环：焊接热循环焊接热循环-焊缝及其附近的母材经受的加热和冷焊缝及其附近的母材经受的加热和冷却作用。却作用。焊接热影响区焊接热影响区-受焊接热循环的影响，焊缝附近的母受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。熔焊焊缝和

7、母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有熔焊焊缝和母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，也称半熔化区。也称半熔化区。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。第20页，本讲稿共66页二、焊缝的组织和性能：成分偏析：宏观偏析的分布与焊缝成型系数B/H有关。当B/H很小时，易形成中心线偏析，产生热裂纹。焊缝金属的宏观组织形态是柱状晶、晶粒粗、成分偏析严重、组织不致密。但由于焊接冷却快，化学成分控制严格，碳、磷、硫等含量低，通过渗合金调整焊缝的化学成分，使其有一定的合金元素，这样焊缝金

8、属的强度可与母材相当。a）B/H较大 b）B/H较小图3-5 焊缝结晶过程第21页，本讲稿共66页低碳钢的热影响区：1）过热区：1100以上，晶粒粗大，塑性差。2）正火区：850-1100晶粒细小，性能好。3）部分相变区：700-850，晶粒大小不均，性能较差。三、热影响区与熔合区的组织和性能：三、热影响区与熔合区的组织和性能：第22页，本讲稿共66页第23页，本讲稿共66页熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。三、热影响区与熔合区的组织和性能：三、热影响区与熔合区的组织和性能：第24页，本讲稿共66页1）焊剂与焊丝：直接影响焊缝的化学成分。2）焊接方法：不

9、同的热源，温度高低和热量集中程度不同。3）焊接工艺参数：电流、电压、焊接速度和线能量（单位长度焊缝上的能量E=IU/),直接影响输入焊接接头的热量大小。4）熔合比(Fm/Ft)：是指母材在焊缝中所占的百分数，将影响焊缝的化学成分。Fm Ft5）焊后热处理：四、影响焊接接头性能的因素：第25页，本讲稿共66页 第三节 焊接变形和焊接应力一、焊接应力与变形产生的原因：自由膨胀和收缩 刚性夹持 局部约束加热时冷却后加热前第26页，本讲稿共66页焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩，当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无残余变形。当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生

10、残余应力，又产生残余变形。第三节第三节 焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力第27页，本讲稿共66页 第三节第三节 焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊件焊后的变形形式主要有尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。第28页，本讲稿共66页二、焊接变形与应力的危害：二、焊接变形与应力的危害：产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定。第29页，本讲稿共6

11、6页三、焊接应力和变形的防止：1、焊接应力的防止及消除：焊缝不要有密集交叉截面，长度也要尽可能小，以减小焊接局部加热，从而减少焊接应力。采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力。采用小线能量，多层焊，也可减少焊缝应力。1221第30页，本讲稿共66页三、焊接应力和变形的防止：焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。焊后进行去应力退火可消除残余应力。2、焊接变形的防止及消除：焊缝不要有密集交叉，以减少焊接局部加热；还可对称布置焊缝，使变形互相抵消。焊接工艺上，采用高能量密度的热源、采用小线能量焊接规范、分段倒退焊、多层多道焊都能减少焊接变形。第31页，本讲稿共66页三、焊接应力和

12、变形的防止：111122第32页，本讲稿共66页采用反变形方法：三、焊接应力和变形的防止：采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。焊前反变形焊前反变形焊后焊后焊前预弯反变形焊前预弯反变形焊后焊后第33页，本讲稿共66页三、焊接应力和变形的防止：焊前预热，焊接过程中采用散热措施，锤击还处在高温的焊缝等都能减少焊接变形。第34页，本讲稿共66页严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。三、焊接应力和变形的防止：第35页

13、，本讲稿共66页第四节 焊接缺陷 焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷。第36页，本讲稿共66页第四节 焊接缺陷一、焊接裂纹：1、热裂纹：b 特征：发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中形成，叫结晶裂纹。发生在热影响区，在加热到过热温度时因晶间低熔点杂质发生熔化而产生，叫液化裂纹。裂纹沿晶间开裂，有氧化色彩。b 产生原因：晶间存在液态薄膜；接头存在拉应力。b 防止措施：控制低熔点杂质，S、P等；适当提高焊缝成形系数，防止中心偏析；碳含量应在0.10%以下；减小焊接应力。第37页，本讲稿共66页2、冷裂纹：形态特征：焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹。冷裂纹的特征是

14、无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最主要、最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。第四节 焊接缺陷第38页，本讲稿共66页b延迟裂纹的产生原因：焊接接头淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化。存在较大的拉应力。因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹。第四节 焊接缺陷第39页，本讲稿共66页b 防止延迟裂纹的措施：选用碱性焊条或焊剂；焊前严格清理，减少氢的来源。试验：J507焊条：使用前未经烘干，扩散氢含量：15.1cm3/10

15、0g350烘干2小时，扩散氢含量：5.8cm3/100g400烘干2小时，扩散氢含量：4.3cm3/100g说明焊条烘干是非常有效和必要的。第四节 焊接缺陷第40页，本讲稿共66页b 防止延迟裂纹的措施：工件焊前预热，焊后缓冷。采取减小焊接应力的工艺措施。焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250，保温26h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。焊后进行清除应力的退火处理。第四节 焊接缺陷第41页，本讲稿共66页二、气孔：1、焊缝气孔的种类：氢气孔。一氧化碳气孔：当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：FeO+CFe+CO此时，若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸

16、出，便产生CO气孔。第四节 焊接缺陷第42页，本讲稿共66页氮气孔：熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。2、防止气孔的方法：焊条、焊剂要烘干，焊丝和焊缝坡口及其两侧的母材要清除锈、油和水。焊接时采用短弧焊，采用碱性焊条。CO2焊时，采用药芯焊丝或低碳材料。第四节 焊接缺陷第43页，本讲稿共66页第五节 焊接检验一、焊接检验过程：焊接质量检验是焊接结构生产过程的重要组成部分。焊接质量检验应包括焊前检验、焊接生产中的检验和焊后成品检验。二、外观检验：用肉眼或低倍数（小于20倍）放大镜检查焊缝区有否可见的缺陷，如表面气孔、咬边、未焊透、裂缝等，并检查焊缝外形及尺寸是否合乎要求。第44页，本讲稿

17、共66页第五节 焊接检验三、无损检验：1磁粉检验：2着色检验：第45页，本讲稿共66页第五节 焊接检验3超声波检验 4X射线和射线检验第46页，本讲稿共66页第五节 焊接检验四、机械性能试验：为评定焊接接头或焊缝金属的机械性能，常做的试验是拉伸试验、冲击试验、弯曲及压扁试验、硬度试验和疲劳试验等。五、密封性检验：用于检验常压或受压很低的容器或管道的焊缝致密性，看其是否有穿透性缺陷，常采用以下的方法：(1)静气压试验(2)煤油检验(3)水压试验 第47页，本讲稿共66页1 手工电弧焊2 埋弧自动焊3 气体保护焊4 电渣焊5 等离子弧焊6 电子束焊7 激光焊第48页，本讲稿共66页1 1、手工电弧

18、焊的原理手工电弧焊的原理：利用药皮和焊芯为电极，而工件为另利用药皮和焊芯为电极，而工件为另一电极，通过短路引燃电弧，在电弧的高一电极，通过短路引燃电弧，在电弧的高温下，药皮产生大量的气体和熔渣，以实温下，药皮产生大量的气体和熔渣，以实现气渣联合保护。焊芯熔化后形成焊缝，现气渣联合保护。焊芯熔化后形成焊缝，以保证焊缝的化学成分和机械性能。以保证焊缝的化学成分和机械性能。一、手工电弧焊：一、手工电弧焊：第49页，本讲稿共66页一、手工电弧焊：一、手工电弧焊：直流电源工件焊条直流电源 工件焊条2 2、手工电弧焊的工艺：、手工电弧焊的工艺：（1 1）直流手工电弧焊：焊接电源为直流电源，分直）直流手工电

19、弧焊：焊接电源为直流电源，分直流正接和直流反接。流正接和直流反接。直流正接是工件接电源的正极，焊条接负极，可获得直流正接是工件接电源的正极，焊条接负极，可获得较大的熔深，适于厚板的焊接。较大的熔深，适于厚板的焊接。直流反接与正接相反，焊条接正极，可实现薄板的快速直流反接与正接相反，焊条接正极，可实现薄板的快速焊接。焊接。第50页，本讲稿共66页一、一、手工电弧焊手工电弧焊（2 2）交流手工电弧焊：电源为交流电源。两极不存）交流手工电弧焊：电源为交流电源。两极不存在温度差。主要用于酸性焊条的焊接。在温度差。主要用于酸性焊条的焊接。（3 3）焊条的型号和牌号：型号）焊条的型号和牌号：型号Exxxx

20、Exxxx其中其中E E为为ElectrodeElectrode的首写字母，的首写字母，xxxx为熔敷金属的最小抗拉强度为熔敷金属的最小抗拉强度（Kgf/mmKgf/mm2 2),),第三位数第三位数x x表示焊接位置。三、四两位数表示焊接位置。三、四两位数字组合表示焊接电流种类和药皮类型。字组合表示焊接电流种类和药皮类型。牌号牌号Jxxx,Axxx,ZxxxJxxx,Axxx,Zxxx其中其中J J代表结构钢，代表结构钢，A A奥氏体钢，奥氏体钢，Z Z铸铁。铸铁。第51页，本讲稿共66页（4 4）酸性焊条与碱性焊条：）酸性焊条与碱性焊条：第52页，本讲稿共66页二、埋弧自动焊：二、埋弧自动

21、焊：1、埋弧自动焊的原理及特点：b埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，热效率高；b焊丝为连续的盘状焊丝，焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高。b金属利用率高。焊接质量好。劳动条件好。b但只能用于长平直焊缝和环焊缝的焊接。第53页，本讲稿共66页2 2、埋弧自动焊的工艺：、埋弧自动焊的工艺：1 1）焊前准备：焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板）焊前准备：焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板。和熄弧板。2 2）平板对接焊：一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双）平板对接焊：一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双面焊接，也可采用打底焊或焊剂垫或垫板。为提高生产率，面焊接，也可采用打底焊或焊

22、剂垫或垫板。为提高生产率，也可采用水冷铜成形底板进行单面焊双面成形。也可采用水冷铜成形底板进行单面焊双面成形。二、埋弧自动焊：二、埋弧自动焊：第54页，本讲稿共66页二、埋弧自动焊：二、埋弧自动焊：3)3)环焊缝：焊接环焊缝时，焊丝起弧点应与环的中心线偏环焊缝：焊接环焊缝时，焊丝起弧点应与环的中心线偏离一距离离一距离e e。以防止熔池金属的流淌。直径小于以防止熔池金属的流淌。直径小于250250mmmm的环的环缝一般不采用埋弧自动焊。缝一般不采用埋弧自动焊。4 4）多丝埋弧自动焊：同时有两个以上焊丝起弧焊接，焊接）多丝埋弧自动焊：同时有两个以上焊丝起弧焊接，焊接速度高，焊缝成形好。速度高，焊缝

23、成形好。3 3埋弧焊的应用：埋弧焊的应用：埋弧焊主要用于压力容器压力容器的环缝焊和直缝焊环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接。第55页，本讲稿共66页三、气体保护焊：1氩弧焊：利用氩气保护电弧热源及焊缝区进行焊接。(1)钨极氩弧焊：b以钨钍合金和钨铈合金为阴极，形成不熔化极氩弧焊。b一般采用直流正接。b通常用来焊薄板。第56页，本讲稿共66页三、气体保护焊：（2）熔化极氩弧焊：b以焊丝为一电极（正极），工件为另一电极（负极），所用电流比较大，生产率高。b熔化极氩弧焊通常采用直流反接，这对于焊铝工件正好有“阴极破碎”作用。第

24、57页，本讲稿共66页三、气体保护焊：（3）脉冲氩弧焊将电流波形调制成脉冲形式，用高脉冲来焊接，低脉冲用来维弧和凝固，可控制焊缝的尺寸与焊接质量。（4）氩弧焊的特点及应用 机械保护效果很好，焊缝金属纯净，焊接质量优良，焊缝成型美观。电弧稳定，可实现单面焊双面成型。可全位置自动焊接。氩气贵，成本高。氩弧焊主要用于易氧化的有色金属和合金钢的焊接。如铝、钛和不锈钢等。第58页，本讲稿共66页2 二氧化碳焊bCO2为无色无味气体，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。bCO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。b但CO2气体为氧化性气体，在高

25、温下将分解为CO和O2：所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。第59页，本讲稿共66页高温下同时有CO2、O2、CO存在。合金元素的氧化烧损主要产生于高温分解出来的原子氧的氧化作用。进入熔池中的FeO与C作用，在液态金属中产生CO气体；进入熔滴中的FeO与C作用，易产生飞溅。合金元素烧损、CO气孔和飞溅是CO2焊接的三个主要问题，通过加药芯来改善。第60页，本讲稿共66页防止飞溅的措施CO2焊常用H08Mn2SiA焊丝来进行脱氧，合金化。采用短路过渡和细颗粒过渡。为使电弧稳定，飞溅少，CO2焊采用直流反接。采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。采用药芯焊丝。CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量

26、较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢薄板的焊接。第61页，本讲稿共66页四、电渣焊：利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。分为丝极、板极、熔嘴和熔管电渣焊。1、结晶特点：b在焊接低碳钢和近缝区易产生过热组织，焊后需进行正火处理。b电渣焊时的成形系数一般为24，以防止中心偏析。第62页，本讲稿共66页2、电渣焊工艺特点：b工件焊前要装配好。间隙、角度、引入和引出板。第63页，本讲稿共66页五、等离子弧焊：1、等离子弧焊工艺：（1）穿孔型等离子弧焊：最适用于焊接38mm不锈钢，12mm以下钛合金，26mm低碳钢或低合金钢，以及铜、黄铜、镍及镍基合金的对接缝。可实现不开坡口，不加填充金属，不用衬垫的单面焊双面成型。第64页，本讲稿共66页五、等离子弧焊：（2）、熔入型等离子弧焊工艺：熔入型等离子弧焊适用薄板、多层焊缝的盖面及角焊缝的焊接。由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属箔的有效方法。（3）微束等离子弧焊：第65页，本讲稿共66页六、电子束焊：七、激光焊：第66页，本讲稿共66页