（北科大《工程材料》教学课件）工程材料19.ppt

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1、第十九讲：常用金属材料的焊接 Welding of Metals in Common Use一.金属材料焊接性 (Welding Performance of Metals)二.碳素结构钢和低合金结构钢焊接 (Welding of Carbon Steel and Low Alloy Steel)三.铸铁焊补 (Remedy Welding of Cast Iron)四.有色金属焊接 (Welding of Nonferrous Alloys)五.焊接新工艺(New Technologies of Welding)一.金属材料焊接性 Welding Performance of Metals

2、1概念：金属材料接受焊接，获得 优质接头难易程度。2影响因素(Factors)（1）化学成分：以钢为例，随碳和 合金元素量增加，焊接性下降。（2）焊接方法不同、焊条不同和 工艺参数不同均会影响焊接性。3间接评价金属材料焊接性:A.碳当量估算法 Estimation with Carbon Equivalent 碳当量：Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)Ce0.6%,焊接性很差。B.冷裂纹敏感系数法二.碳素和低合金结构钢焊接1碳钢分类：低碳钢 C 0.6%2低碳钢焊接 Welding of Low Carbon Steel 碳当量小于0.4%，焊缝无淬硬和冷裂

3、倾向，塑性好，焊接时一般无需采用辅助措施；在以下特殊情况应采用辅助措施：1）焊件厚度大于50mm或环境温度低于0，应预热焊件100-150，且去应力退火2）电渣焊厚件，应正火处理。3中碳钢焊接 Welding of Middle Carbon Steel 碳含量增加，淬硬倾向增大，焊接易产生冷裂，应采用辅助措施：1）焊前清理焊缝处油污，并将焊件预热150-250；2）细焊条、小电流、多层多道焊，以防冷裂；3）用碱性焊条(低氢）。4高碳钢 Welding of High Carbon Steel 碳含量太高，冷裂严重，以不能焊接，只能焊补，且采用中碳钢辅助措施以外，还应增加以下措施：（1）焊补前

4、预热250-350，刚度大的件应在焊补过程中保持预热；（2）焊补后缓慢冷却或回火处理。低合金结构钢焊接 Welding of Low Alloy Steel 1概念及其焊接问题 5%以下合金元素结构钢叫低合金高强度钢。由于合金元素的影响，易形成淬硬组织或冷裂纹。2级别低的低合金结构钢 如16Mn，碳当量=0.4%，焊接性良好，一般不需预热，但在以下情况应采取措施：（1）焊件厚度达32-38毫米或环境温度较低时，应将焊件预热到100-150；（2）焊后退火处理。3级别高的低合金结构钢 由于淬硬组织、冷裂倾向大，应采取以下措施：1）焊接时应预热；2）用碱性焊条；3）采用多层多道焊；4）焊后回火处理

5、或消氢处理。三.铸铁焊补 Remedy Welding of Cast Iron1铸铁焊接性：Welding Performance of Cast Iron 铸铁中C、Si含量高，焊接性很差，只可以焊补。铸铁易出现：白口组织、裂纹、气孔（一氧化碳）和 夹渣等。2.铸铁焊补工艺 1）热焊（Hot Welding)A.概念：焊前预热焊件600-700以上，且在焊接过程中 保持预热温度不低于400，焊后缓冷（或退火）以消除焊接应力。B.采用焊条：碳、硅含量高铸铁焊条。C.焊接方法：气焊或手弧焊（可局部预热），以碳酸钠和硼砂为熔剂。D.应用范围：适用结构复杂、重要铸铁件 加工表面的焊补。注：热焊补可

6、机加工，但生产率低，成本高。(2)冷焊（Cold Welding)A.概念：焊前不预热或预热温度低于400。靠焊条成分改善焊接部位塑性，防止白口和裂纹。B.焊条：钢芯：熔合区为白口，硬度高，难以机加工，只用于非加工表面焊补。铸铁：含C、SI高，凝固形成灰口，可机加工，常用在灰铸铁件的焊补。此外，还有铜基和镍基焊条，焊后均可机加工，镍基焊条抗裂性和机加工性好，主要用于 重要铸铁件加工表面的焊补。C.焊接方法：焊补部位的大小、方位不同，用手弧焊或气焊方法，且采用小电流、分段焊和轻敲焊缝的工艺措施。D.应用：冷焊补适合各种位置、生产率高和劳动 条件好，应用广泛，但焊补质量不如热焊补。四.有色金属焊接

7、 Welding of Nonferrous AlloysA.铜合金焊接1焊接铜合金易出现问题：1)气孔(Blowhole)由于溶解度的降低，氢以分子形态析出；氧化亚铜遇氢形成水汽。2)裂纹(Cracking)种类：热裂和冷裂。原因：1)晶界处低熔点氧化亚铜和铜的共晶物；2)铜膨胀系数大、氢气或水汽内压力大、过热组织和高温下材料强度和塑性差。(3)过热：晶粒粗大。此外，铜合金的焊接还会出现未熔合和变形等。2采取措施：1)焊丝中加脱氧剂，防止氧化亚铜产生。（如：磷青铜焊丝中的磷是脱氧用的）2)焊前清除焊件、焊丝和熔剂油、锈和水。3)加大功率，消除未熔合并使氢逸出。4)焊前预热。5)焊后锤击焊缝。

8、（通过再结晶退火细化晶粒）3焊接方法 1)紫铜和青铜焊接 最好用氩弧焊，以防氧化烧损；没有条件也可 用手弧焊和钎焊，但不能用电阻焊。2)黄铜焊接 采用气焊。（因锌沸点为900，易蒸发且ZnO蒸 汽有毒，采用氧化性气焊形成ZnO薄膜，阻止蒸发）或采用含硅焊丝，形成二氧化硅薄膜防止锌蒸发。B.铝及其合金焊接1易产生问题：（1)氧化 形成高熔点AI2O3（2050，且比重大），易形成夹渣和未熔合缺陷。（2)气孔 （由于吸氢严重）（3)裂纹和变形（由于易熔共晶的存在、膨胀系数大 和高温下强度低）2采取措施：（1)去除AI2O3 通过焊丝脱氧；或氩弧焊采用直流反接或交流弧焊，以击碎AI2O3膜。(2)去

9、除氢气 1）减少氢气来源（清除焊件表面的油、锈水）；2）降低冷却速度，以利氢的排出。（3)消除热裂 选择成分合适的焊丝且不要使接头过热。（4)减小变形1）采用夹具；2）加快焊接速度；3）加垫板防止塌陷；4）尽可能采用能量集中的焊接方法。3焊接方法:最好是氩弧焊，对一般件也可采用气焊、电渣焊、电阻焊和钎焊等方法。（因氩弧焊对焊缝保护好，且氩离子可清除焊件表面的AI2O3膜）焊接新工艺 New Technologies of Welding 一、焊接新工艺分类、及发展趋势 1分类：n 熔化焊：等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊n 压力焊：摩擦焊、扩散焊、爆炸焊2.发展趋势新材料出现促使高能束流的焊接

10、；改进焊接工艺提高焊接质量或生产率；利用微机控制焊接过程和机器人焊接。二、几种焊接新工艺简介n 等离子弧焊 真空电子束焊n 激光焊 超声波焊n 摩擦焊 扩散焊（一）等离子弧焊1、概念：等离子弧焊枪产生等离子弧，在保护气体 （氩气）下焊接金属。（1）等离子弧实质：电离度很高的“压缩”电弧：密度105106W/cm2，温度可达25万K。（2）等离子弧产生原理：1）机械压缩效应 2）热压缩效应 3）电磁压缩效应等离子弧焊：（3）等离子弧焊特点1）能量集中：105-106W/cm2、温度达2-5万K；2）很强吹力，填充性好；3）等离子弧呈中性。2分类：1）大电流（穿透法）利用小孔效应，不开坡口直接焊2

11、-12.5mm焊件；单面施焊双面成形。2）微束等离子弧焊 电流小：30-0.1A，喷射速度和能量密度小；焊接0.025-2.5mm箔材和薄板。3、应用范围（1）大电流等离子弧：适焊一定板厚、单面施焊双面成形的难熔金属。（2）微束等离子弧焊：适合焊箔材和薄板；应用于航空、军工和尖端科技的铜及铜合金、钛及钛合金，如钛合金的导弹壳体、波纹管和膜盒等。（二）真空电子束焊1定义：利用真空内高速运动的电子束，经加速、聚焦、偏转撞击工件将动能转变为热能的焊接。2原理：1）加热材料，发射电子；2）电子被电场加速；3）用电子光学系统，将低密度电子束聚焦形 成高密度电子束；4）电子束撞击工件形成焊缝。3电子束焊特

12、点1）真空保护，焊接质量好。2）电子束能量密度大：106-108W/cm2，比电弧高100-1000倍。焊接速度快、焊缝深。3）变形小。4）工艺调节范围广，适应性强。如钢板0.1-300mm、铝板300mm以上。5）设备复杂、造价高，焊件大小受真空室限制。出现：（1）低真空电子束焊：比氩气纯度高 （2）非真空电子束焊：电子束进入氦气室4、电子束焊的应用1）适合焊性能活泼、纯度高和极易被污染金属：铝、钛、锆、钼、铍、高合金钢和不锈钢。2）焊接已加工好的组合件：组合齿轮。3）焊接异种金属：铜-镍、钼-镍、钼-铜、钼-钨。4）宇宙飞船的修补最适宜采用电子束焊接，宇宙空间为天然真空室。5）低真空或非真

13、空焊可实现大型结构件的焊接。（三）激光焊 激光：原子受激辐射，产生一种单色性好、方向性强、相干性强、亮度高的光束，能量密度高：1013W/cm2。1/1000秒将光能转变为热能，温度达1万以上，可熔化或汽化对激光有吸收能力的金属和非金属。用于焊接金属或非金属。1、分类：脉冲式和连续式两类。按焊缝形成原理：分传热式和深穿入焊式两种。2.激光焊特点：1）能量密度大，焊接变形小。可焊精密零件和热敏感材料。2）可达性好，用偏转棱镜或光导纤维将激光引到 难以接近的部位，如真空管中电极的焊接；3）激光辐射放出能量极其迅速，生产率高，焊件不易氧化，可在各种气氛下焊接，几乎可焊所有金属与非金属；3应用：1）脉

14、冲式激光焊-适合焊电子和仪表工业微型器件：如0.2mm以上薄片、薄膜，直径0.02mm-0.2mm丝的密封焊；异种金属或材料的焊接，如集成电路外引线、密封性继电器等。2）连续激光焊-如CO2激光器，从薄板到50mm板的深穿入焊。（四）超声波焊1、概念：固相焊接，通过声学系统的高频弹性 振动以及工件间的静压力实现焊接。2、按接头分：点焊、缝焊、环焊。3、特点及应用：（1）可焊同种或异种金属、金属与非金属 及塑料间的焊接；如铝合金与铝合金、不锈钢与铝合金、金属与半导体及钼与铍等 热敏感材料的焊接。（2）适于焊金属箔片、细丝以及微型器件：0.002毫米的金箔和铝箔。（3）焊接厚薄悬殊或多层薄片的特殊

15、件：热电偶丝、电阻应变片及电子管灯丝等。（4）比熔化焊耗电少、变形小、联结强度高，且稳定性好。应用：在电子、电器仪表、宇航及原子能工业、冶金和机械工业得到广泛应用。（五）摩擦焊1定义：利用工件表面相互摩擦产生的热量，将金属局部 加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接。2特点及应用 1）接头质量好、稳定；2）生产率高，如蛇形管接头120件/h，闪光焊为20件/h；3）成本低 ，节电、节省金属。4）可焊异种金属如：铜-钢、铝-钢、钢-锆、铜-不锈钢。5）易于机械化、自动化。应用：杆状工件，最大截面不超过20000mm2，不能焊非圆截面件，主要用于：锅炉、石油化工、机械等工业领域。（六）扩散焊 1、概

16、念：在真空或保护气氛下，平整光洁焊接表面在热与压力共同作用下，发生微观塑性流变，相互紧密接触，经原子相互扩散 达到冶金联接。2、特点和应用：（1）母材不会过热或熔化，适于焊弥散强化高温合金、纤维强化的硼-铝复合材料。（2）可焊接异类材料：异种金属、金属与陶瓷。焊前要求：表面须进行精加工、磨平抛光和清洗油污。词汇：金属焊接性:Welding Performance of Metal 碳素钢焊接:Welding of Carbon Steel 低合金钢:Low Alloy Steel铸铁焊补:Remedy Welding of Cast Iron有色金属焊接:Welding of Nonferrous Alloys焊接新工艺:New Technologies of Welding 低碳钢焊接:Welding of Low Carbon Steel碳当量估算:Estimation with Carbon Equivalent中碳钢焊接:Welding of Middle Carbon Steel高 碳 钢 焊 接:Welding of High Carbon Steel铸铁焊接性：Welding Performance of Cast Iron 热焊:Hot Welding 冷焊:Cold Welding气孔:Blowhole裂纹:Cracking