《铸造工艺》PPT课件.ppt

第4章 金属材料成形工艺 4.1 常用金属铸造工艺 将熔化的金属液浇注到具有与零件形状相适应的铸型型腔中，待其凝固、冷却后，获得零件或毛坯的生产方法称为铸造。用铸造方法得到的毛坯或零件称为铸件。 铸造具有如下特点： （1）可以制造各种形状的铸件，且铸件形状和尺寸与零件很接近，节约金属，节省工时。 （2）铸件的尺寸和重量几乎不受限制。 （3）可以适应各种材料，特别是低塑性及不能锻造和焊接的材料。 （4）铸造用原材料来源广，价格低廉，可回收利用。 铸造生主要可分为砂型铸造和特种铸造两类。其中砂型铸造是铸造生产中的最基本的方法。,4.1.1 砂型铸造工艺 砂型铸造是指用模样（型芯）在型（芯）砂制造的砂型中注入金属液，获得铸件的方法。其工艺过程如图4.1所示。,1 造型材料 造型材料指用于制造砂型和型芯的材料，包括型砂、芯砂和涂料等。它们用砂、水、黏结剂和附加物配制而成。型（芯）砂的性能好坏，直接影响到铸件的质量，因此配制好的型（芯）砂，必须具备良好的可塑性，足够的强度，好的透气性，高的耐火性，还要有一定的退让性。,2 造型 制造铸型的工艺过程称为造型，造型分手工造型和机器造型两大类。 （1）手工造型。手工造型时紧砂和起模用手工完成，操作灵活，适应性强，模样成本低，但铸件质量较差，生产率低，劳动强度大，主要用于单件、小批生产。 （2）机器造型。机器造型是用模板和砂箱在专门的造型机上进行造型。它使填砂、紧砂和起模等操作实现机械化。其生产率高，铸型质量好，改善了工人劳动条件，适于大批生产。 3 造芯 当铸件有内腔时，一般需制作型芯。型芯用芯盒制成，芯盒结构有整体式、对开式和拆开式三种，如图4.3所示。造芯方法也分手工造芯和机器造芯两种。,1手工造芯 手工将芯砂填入芯盒，经紧实修整后制成型芯。形状简单、高度不大的型芯用整体式芯盒；回转体及形状对称的型芯用对开式芯盒；形状复杂的大、中型型芯采用拆开式芯盒。 2机器造芯 机器造芯用于成批、大量生产的型芯，常用方法有振压式造芯和射芯法。,4 浇注系统。金属液进入铸型型腔时所经过的一系列彼此相连的通道称为浇注系统。完整的浇注系统包括外浇口、直浇道、横浇道和内浇道，如图4.4所示。 （1）外浇口。金属液的直接注入处。作用是减轻液流对铸型的直接冲击，阻拦熔渣流入直浇道。 （2）直浇道。外浇口下一段圆锥形垂直通道。作用是使金属液产生一定静压力，改善铸型的填充性。 （3）横浇道。将金属液引入内浇道的水平通道。作用是挡渣，并向内浇道分配液流。,（4）内浇道。把金属液直接导入型腔的通道。利用内浇道的位置、大小和数量，可以控制金属液进入型腔的速度和方向。,4.1.2 合金的铸造性能 合金在铸造过程中表现出来的工艺性能称为铸造性能。包括流动性、收缩、偏析倾向、吸气性和氧化性等。 1 流动性 合金的流动性是指液态金属的流动能力。合金流动性越好，液态金属填充铸型的能力越强，易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。影响合金流动性的因素主要是化学成分、浇注温度和铸型的填充性等。 2 合金的收缩 （1）收缩概念及影响因素。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。合金液从浇注温度冷却到室温要经历三个阶段：液态收缩、凝固收缩和固态收缩。影响收缩的因素有：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件等。 （2）缩孔的形成及防止措施。金属液在铸型内凝固时，由于液态和凝固收缩造成体积减小，若得不到金属液补足，将在铸件最后凝固部位形成孔洞，称为缩孔。缩孔分为集中缩孔和分散缩孔两类。合理控制铸件的凝固过程，建立良好的补缩条件，就能获得致密铸件。,（3）铸造内应力、变形和裂纹 铸造内应力。铸件在凝固和冷却过程中由于收缩不均匀和相变等因素而引起的内应力，称铸造应力。铸造应力是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。 变形。当铸件中存在着内应力时，其厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力，铸件将自发地通过变形来减少或消除内应力。对变形量较大的铸件，可用反变形法或开设拉筋。重要铸件，可用时效处理彻底去除残余应力。 裂纹。当铸造应力超过合金的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹分热裂纹与冷裂纹两种。,4.1.3 铸钢件的铸型工艺特点 铸钢熔点高，流动性差，收缩率大，易产生浇不足、冷隔、黏砂、缩孔（松）、裂纹等缺陷。因此，除合理设计铸件外，还应采取相应的工艺措施。 首先，加大浇注系统的截面尺寸，设置冒口，采用顺序凝固，对少数薄壁均匀件，可采用同时凝固，多开内浇口，快速浇注。其次，采用颗粒大而均匀的石英砂，在铸型表面涂石英粉涂料，铸型用干型或快干型，以提高铸型的透气性、耐火性和退让性。此外，浇注温度要严格控制，不能过高或过低。,4.1.4 铸件的质量检验与缺陷分析 常见铸件缺陷的特征及缺陷产生原因见下表：,4.2 特种铸造简介 特种铸造指有别于砂型铸造的其他铸造方法，如金属型铸造、熔模铸造、离心铸造、压力铸造、磁型铸造等。 4.2.1 金属型铸造 将金属液浇入到金属铸型中，依靠重力作用而获得铸件的铸造方法称为金属型铸造。金属型可以重复使用，所以又称为“永久型铸造”。 1金属型铸造的特点及应用范围 金属型铸造：金属型使用寿命长，节约造型工时，提高生产率；铸件尺寸精度高，表面粗糙度小；铸件冷却快，晶粒细小，力学性能好；铸件工艺利用率高，金属液消耗量少。缺点是金属型生产周期长，成本高；铸型无退让性和透气性；铸件易形成白口，不易生产大型、复杂铸件。金属型铸造适于大批量生产有色金属合金铸件。 2金属型的构造及铸造工艺特点 根据分型面位置的不同，金属型一般分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式等。如图4.5所示。其中垂直分型式便于设置浇冒口及取出铸件，易于实现机械化，所以应用最多。,图4.5 金属型的结构,金属型铸造时应采取以下一些工艺措施： （1）金属型腔要涂0.21.0mm厚的耐火衬料与表面涂料。 （2）喷刷涂料和浇注前金属型要预热，以使铸件冷却速度降低。 （3）掌握好铸件出型温度和出型时间，防铸件产生裂纹和白口，提高生产率。 4.2.2 熔模铸造 熔模铸造是用易熔材料制成模型，在模型上涂若干层耐火涂料，经干燥硬化后，再将模型熔失，获得无分型面的型壳，将金属液浇入型壳中，冷凝后即成铸件。,1 熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程见图4.7所示。,2 熔模铸造的特点及应用 熔模铸件精度高，粗糙度小；可以浇注形状复杂的各种合金铸件，如合金钢件、碳钢件、耐热合金件；生产批量没有限制，可以从单件到成批大量生产。但熔模铸造的生产工序多，周期长，只能铸造中小型铸件。熔模铸造主要适于生产各种形状复杂的小型零件，如汽轮机和涡轮发动机上的叶片及其他小型零件。,4.2.3 压力铸造与低压铸造 1 压力铸造 压力铸造是在高压下，快速将液态或半液态金属压入金属型中，并在压力下充型、凝固的一种铸造方法。压铸与其他铸造方法相比有如下优点： （1）压铸件可获得高的尺寸精度，粗糙度小，铸件晶粒细密，强度和硬度提高很多。 （2）在高速高压下充型，可铸出薄壁复杂件及各种孔眼、螺纹及花纹等。 （3）生产率高，且易于实现自动化生产。 （4）经济效益好，省料，省工时，省设备。 压铸也存在一些缺点：如压力设备及压型投资大，只适于定型产品的大量生产；型腔中气体难以完全排出，铸件易产生细小的气孔和缩松；压铸件不能热处理，以免加热时气体膨胀使铸件变形；压铸件的塑性低，不宜在冲击和振动的情况下工作。压力铸造适于有色金属的中小型薄壁件的大量生产。,2 低压铸造 低压铸造是介于一般重力铸造（金属型、砂型、壳型等）与压力铸造之间的一种铸造方法。其基本原理如图4.9所示，在储有一定温度金属液的密封坩埚中通入干燥的压缩空气或惰性气体，使坩埚内的金属液在气体压力作用下自下而上地通过升液管和浇道压入型腔内，继续保持一定的压力，直到型腔内的金属液全部凝固为止，然后撤除液面上的压力，使升液管和浇道中没有凝固的金属液由于重力作用而流回容器中，这样就完成了低压铸造过程。低压铸造适用于各种不同铸件；铸件在压力下结晶，顺序凝固，铸件组织致密；金属利用率和铸件合格率高，劳动条件好，设备投资少。,4.2.4 离心铸造 将金属液浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心作用下充满铸型并形成铸件，这种铸造方法称为离心铸造。离心铸造既适合浇注中空铸件，又能铸造成形铸件。 离心铸造具备以下优点： （1）铸件组织致密，力学性能好。 （2）不用设置冒口和浇注系统。铸造圆柱形内腔的回转体铸件时，不用型芯。 （3）便于铸造“双金属”铸件，如钢套镶铜轴承等。 其缺点是铸件内表面质量较差，内孔孔径不准确，不适于浇注易产生比重偏析的合金。,4.3 锻造 锻造是利用外力，通过工具或模具使金属材料发生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的加工方法。根据所用设备和工具的不同，锻造分为自由锻造、模型锻造、胎模锻造和特种锻造四类。与其他加工方法相比，锻造具有以下特点： （1）改善金属的组织，提高力学性能。 （2）生产率较高。 （3）节省材料和加工工时。 （4）适用范围广。 锻造的不足之处是不能获得形状很复杂的锻件。 4.3.1 金属的锻造性能 金属的锻造性能是指金属材料锻造的难易程度。锻造性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则金属的锻造性越好；反之则差。 影响金属锻造性能的因素有以下几方面。 1金属的化学成分和组织 一般纯金属及其固溶体的锻造性最好，化合物的锻造性最差。钢中的Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素，会降低锻造性，而S、Cu、Sn、Pb等元素分布于晶界，也降低锻造性。铸态的粗晶结构比细晶粒组织的锻造性差。,2变形温度 提高金属锻造时的温度，塑性增加，变形抗力减小，改善了金属的锻造性。 3变形速度 变形速度指单位时间内的变形程度。变形速度对金属塑性的影响有两方面：一方面变形速度增加，加快了加工硬化速度，降低了塑性。另一方面变形速度增加时，变形过程中的热效应使金属软化，塑性增加。 4应力状态 金属的变形方法不同，所产生的应力大小和性质也不同。拉应力有助于晶间变形发生，金属的塑性下降；压应力阻碍晶间变形发生，提高了金属的塑性。,4.3.2 常用合金的锻造性能 1碳钢。低碳钢的塑性较好，锻造温度范围较宽，很适宜用锻造方法制造毛坯。 2合金钢。碳钢相比，合金钢中合金元素的固溶强化现象明显，且硬而脆的合金碳化物较多，所以可锻性较差。,3铝合金。铝合金的锻造温度低，锻造温度范围狭窄，锤击时要轻、快，变形量不能太大，否则容易产生裂纹。 4铜合金。铜合金的始锻温度比铝合金高一些，锻造温度范围也比较窄。,4.3.3 自由锻造 自由锻造指采用通用工具或直接在锻造设备（锻锤或水压机）的上、下砧之间进行锻造。原材料用钢锭或轧材，主要用于单件和小批生产，是特大型锻件唯一的生产方法。 自由锻造应用广泛，且工艺灵活，工具简单，成本低。但与其他锻造方法相比，其生产率较低，锻件质量由锻工操作水平保证。 自由锻造的基本工序有拔长、镦粗、冲孔、扩孔、切割、弯曲、扭转和错移等八种。 1拔长。使金属坯料的横截面积减少，长度增加的工序。如图4.13所示，得到具有长轴线的锻件，如光轴、曲轴、台阶轴、拉杆、连杆等。 2镦粗。使金属坯料的横截面积增大，高度减小的工序。用来锻齿轮坯、圆盘等；也可以作为环、套类空心件冲孔前的预备工序；还可以增加拔长的锻造比。见图4.14。,3冲孔 用冲头在坯料上冲出通孔或不通孔的工序。用于锻造空心工件，如齿轮坯、圆环、套筒等。如图4.15所示。 4扩孔 减小空心坯料壁厚，增加其内、外径的工序。用于锻造各种圆环锻件。如图4.16所示，冲头扩孔用于扩孔量不大的空心件，芯棒扩孔用于薄壁空心件。,5弯曲 将坯料弯曲成一定形状的工序，可以锻造吊钩、角尺、U形弯板等锻件。弯曲变形的锻件，金属的纤维组织沿锻件轮廓连续分布，锻造质量好。弯曲方法见图4.17。 6切割 用剁刀切去坯料上一部分坯料的工序，主要用于下料和切除料头等。 7扭转 将坯料的一部分相对另一部分绕其共同轴线转过一定角度的工序。用来锻造曲轴、连杆等锻件，也可校正锻件。 8错移 将坯料的一部分相对于另一部分错开，但仍保持这两部分轴线平行的工序。,4.3.3 模型锻造 模型锻造是把加热的金属坯料放入固定于模锻设备上的锻模内，施加压力使其变形，得到所需形状和尺寸的锻件的锻造工艺。,模锻与自由锻相比有以下优点： （1）生产率高。有时比自由锻高十几倍。 （2）模锻件表面质量高，尺寸精确，加工余量小，节省材料和机加工工时。 （3）能锻造出形状比较复杂的锻件。 （4）操作简单，对工人技术要求较低，劳动强度较低。 模锻也存在一些缺点：锻模成本高，受设备吨位限制，模锻件重量不能太大，一般在150kg以下。模锻只适用于中、小型锻件的大批量生产。,1 锤上模锻 锤上模锻是目前广泛采用的一种模锻方法，它所用设备主要是蒸汽空气模锻锤，吨位为1.516t，能锻造的锻件重量为0.5150kg。锻模的外形和结构见图4.18。 模膛根据其作用分为制坯模膛、模锻模膛和切割模膛三大类。,2 绘制模锻件图 模锻件图是制定模锻工艺规程，设计和制造锻模，验收锻件的依据。模锻件图根据零件图绘制，绘制时应考虑下列问题。 (1)分模面位置 分模面指上、下模的分界面，分模面的选择要保证锻件能从模膛中取出，并使模膛高度最小。一般情况下，分模面选在锻件最大截面上，为防止上、下模错移，最好在最大截面的中部；分模面尽量为平面，以简化模具的制造。 (2)确定机加工余量和公差 由于模锻件尺寸较精确，表面粗糙度小，其机加工余量和公差比自由锻件小。机加工余量（单边）一般为14mm，公差在0.53mm之间。 (3)模锻斜度 为方便锻件从模膛中取出，锻件在垂直于分模面的壁上应有一定斜度，称为模锻斜度。由于锻件冷却收缩时易夹紧模膛凸出部分，所以内壁斜度比外壁斜度大。一般外壁斜度取=37，内壁斜度取=512。模膛越深，模锻斜度越大。,(4)圆角半径 锻件上所有壁的交接处均需做成圆角，以提高金属在模膛内的流动性，避免应力集中产生裂纹，并延长锻模寿命。锻件上向外凸出的为外圆角，向内凹的为内圆角。一般内圆角半径比外圆角半径大23倍，同一锻件尽可能采用相同的圆角半径，以方便加工。 (5)冲孔连皮 锻件上直径d25mm的孔，模锻时不能冲透，在孔内留有一定厚度的冲孔连皮，待切边时冲透或机加工时切除。轴套模锻件图见图4-19。,图4.19 轴套模锻件图,3 摩擦压力机上模锻 摩擦压力机上可以锻造带头的杆类锻件和一些较为复杂的小锻件，与模锻锤相比，摩擦压力机的锤击速度较低，有利于低塑性材料的变形；冲击力小，可以采用顶杆装置及小模锻斜度或无模锻斜度，实现精密模锻。另外，摩擦压力机结构简单，价格较低，无砧座，震动小，劳动条件好，但其生产率不如模锻锤。目前摩擦压力机广泛用于各中、小型工厂，以中、小批量生产为主。,4 平锻机上模锻 平锻机的锻模由两块凹模和一块凸模组成，有两个相互垂直的分模面。因此，扩大了模锻范围，可以做出带法兰的半轴类和有两个凸缘的锻件，生产率高，锻件模锻斜度小或无斜度，无冲孔连皮，能节省大量金属，而且锻件精度高。平锻机可以模锻形状复杂的锻件，特别是带头部的杆件及有孔的锻件，但对非回转体件及不对称的锻件较难锻造。平锻机上模锻广泛用于大批量生产的锻件。 4.3.4 锻压新工艺简介 1 精密模锻 精密模锻是在普通模锻设备上锻造形状复杂的高精度锻件的一种先进模锻工艺。它能锻造一些形状复杂、使用性能要求高且难机械加工的零件 2 辊锻 辊锻是使冷态或热态的坯料在装有扇形模块的一对旋转的轧辊中通过，借助模槽对金属的压力使坯料产生塑性变形，获得所需锻件或锻坯的锻造新工艺。,4.4 板料冲压 4.4.1 板料冲压特点 板料冲压是在冲床上用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。这种加工方法通常是在冷态下进行的，所以又叫冷冲压。 板料冲压有以下特点： （1）加工范围广。可冲压复杂的零件、仪表上的细小件和重型汽车上的纵梁等大制件。可加工低碳钢、高塑性合金钢、铜、铝及镁合金，也可加工石棉板、纤维板等非金属材料。 （2）产品有足够高的精度和较小的表面粗糙度。 （3）材料消耗少，能得到重量轻、强度和刚度较高的零件。 （4）生产率高，产品成本低，操作简单，便于机械化和自动化。 其缺点是冲模制造复杂，成本高，并且成形工序不能加工低塑性金属，所以板料冲压一般只用于大批量生产。,4.4.2 冲压设备及冲压模具 1冲压设备 常用的冲压设备是曲柄压力机，按床身形式分为开式和闭式两种。 开式压力机的床身为整体型，可以从前、左、右三个方向送进坯料，结构简单，操作方便。但床身刚度较小，容易变形。,闭式压力机为大、中型压力机，床身两侧封闭，强度和刚度都比较大 2冲压模具 冲模按工序的组合特点分为简单模、连续模和复合模三种。 （1）简单冲模。指在冲床的每次行程中只能完成一道基本工序的冲模。如落料模、冲孔模、切边模、弯曲模、拉深模等。 （2）复合冲模。在冲床的一次行程中，一个模具内的同一位置上能完成几个不同冲压工序的冲模，称为复合冲模。复合冲模结构紧凑，制件精度高，生产率高，孔与制件外形的同心度容易保证，但模具构造复杂，成本高，适于大批量生产及精度要求高的冲压件。 （3）连续冲模。指在冲床的一次行程中，按一定顺序在模具的不同位置完成两道以上的冲压工序的冲模。连续冲模生产率高，制件精度较高，操作方便，便于实现自动化生产。但模具制造复杂，成本高，适于精度要求不高的中、小型制件的大批量生产。,4.4.3 板料冲压的基本工序 板料冲压基本工序分为分离工序与变形工序两大类。 1 分离工序 分离工序是使板料与制件沿要求的轮廓线分离，获得一定断面质量的冲压方法。包括剪切、冲裁、切口、修边等工序。如图4.22所示。,（1）剪切。剪切工序主要用于下料。由剪床完成。 （2）冲裁。指板料沿封闭的轮廓线分离的工艺，包括落料和冲孔两个工序。冲裁时，板料分离的过程如图4.23所示。凸模下压，板料产生弹性压缩和弯曲，与凸、凹模接触处形成很小圆角。凸模继续下压，材料内应力超过屈服极限，部分金属被挤入凹模洞口，产生塑剪变形，形成光亮带，板料也发生弯曲和拉伸。凸、凹模刃口处由于应力集中出现细微裂纹。随着凸模的压下，裂纹不断向材料内部扩展，当上、下裂纹重合时，板料被剪断分离，形成粗糙断裂带。,冲裁时，凸、凹模的刃口必须锋利，凸、凹模的间隙要合理。设计模具时，落料用凹模刃口尺寸等于制件尺寸，凸模刃口尺寸等于制件尺寸减去双边间隙；冲孔用凸模刃口尺寸等于孔的尺寸，凹模刃口尺寸等于孔径尺寸加双边间隙。 为提高材料利用率，冲裁时应合理排样。如果制件切口的精度要求较高，可用有搭边的排样，见图4.24（a）；反之，则用无搭边排样，可节省金属，见图4.24（b）。,2 变形工序 使冲压毛坯在不被破坏的条件下发生塑性变形，获得要求的制件形状和尺寸精度的冲压方法，它包括弯曲、拉深、成形三类，见图4.25。 （1）弯曲。弯曲是将板料弯成一定角度或形状的冲压方法。如图4.26所示，弯曲时坯料内侧受压，外侧受拉，弯曲变形程度由弯曲件的内角半径r与材料厚度t之比（即弯曲系数K= r/t）来衡量。比值越小，弯曲变形量越大。,（2）拉深。拉深是利用模具使板料变为开口空心件的冲压方法，也称压延或拉延。拉深分不变薄拉深和变薄拉深两种。拉深件的尺寸精度高，可以制造形状复杂的零件。 3成形 成形是通过毛坯的局部变形来改变毛坯的形状，包括翻边、扩口、缩口、旋压、整形、校平、压印等工序。 4.5 其他压力加工方法简介 4.5.1 零件的轧制 轧制是使金属坯料在轧机上旋转的轧辊下辗压，并进行变形的加工方法。它具有生产率高，产品质量好，成本低，金属消耗少等优点。轧制分为纵轧、横轧和斜轧三大类。 （1）纵轧。纵轧时两轧辊线平行、旋转方向相反，轧辊轴线与坯料轴线相垂直。零件的纵轧有辊锻轧制与辗环轧制。 （2）横轧。横轧时轧辊轴线与坯料轴线平行。轧制前将毛坯外层加热，然后将带齿的轧轮作径向进给，同时轧轮与毛坯对辗。对辗过程中，毛坯上一部分金属被压入形成齿谷，相邻部分金属被轧轮“反挤”而上升形成齿顶。齿轮热轧可以制造直齿轮和斜齿轮，它是一种无切削加工齿形的新工艺。,（3）斜轧。斜轧时轧辊同向旋转，轴线在空间交错，并与坯料轴线相交一定角度，坯料在轧辊的作用下边旋转边前进，作螺旋运动，也称螺旋斜轧。 4.5.2 零件的挤压 挤压是将坯料放在挤压模中，在强大压力作用下从型腔中挤出，获得所需挤压件的加工方法。根据坯料的温度不同，挤压分为冷挤压、温挤压、热挤压三种。 1冷挤压 指在室温下进行的挤压。冷挤压件的尺寸精度较高，表面粗糙度较小。加工硬化提高了挤压件的强度，与切削加工相比，其生产率大幅提高，且成本低。但冷挤压的变形抗力非常大，这限制了挤压件的尺寸。 2温挤压 将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度范围内进行挤压。与冷挤压相比，温挤压降低了变形抗力，成形容易，提高了模具寿命。温挤压有利于实现机械化、自动化生产。温挤压不仅用于中碳钢，还可用于合金钢。温挤压件的性能接近于冷挤压件。,3热挤压 将毛坯加热至热锻温度范围内进行挤压。热挤压变形抗力小，但挤压件的尺寸精度和表面质量较低。热挤压广泛地用于冶金部门生产铝、铜、镁及其合金的型材和管材等。也用于生产机械零件及其毛坯。 4.5.3 零件的拉拔 拉拔是将金属坯料从模孔中拉出，使其横截面积减少，得到与模孔尺寸形状相同的制品的加工方法。拉拔多在室温下进行，主要用于生产各种钢、有色金属及其合金的棒材、线材和管材。,4.6 焊接 焊接的实质就是将分离的金属，通过局部加热或同时加热和加压等方式，借助于原子间的扩散和结合，以达到永久性连接的一种工艺方法。 根据原子间结合的方式不同，焊接方法可以分为三大类。 1熔化焊 将焊件接头处加热至熔化状态，通常还需另加填充金属（焊丝、电焊条）以形成共同的熔池，冷却凝固后便形成一整体。此类焊法有电弧焊、气焊、电渣焊等。,2压力焊 将焊件接头处局部加热至高温塑性状态或接近熔化状态，然后施加压力，使接头处紧密接触并产生一定的塑性变形，通过原子间的结合而形成一整体。此类焊法有电阻焊、摩擦焊、爆炸焊等。 3钎焊 将填充金属（低熔点钎料）熔化后，渗入到焊件的接头处，通过原子间的扩散和溶解将两固态金属连成一个整体。此类焊法有软钎焊和硬钎焊。,4.6.1 手工电弧焊 手工电弧焊是利用焊条与焊件间产生的电弧热，将焊件和焊条熔化而进行的手工操作焊接方法。 手工电弧焊设备简单，使用灵活，可在室内、室外、高空和各种位置施焊，是焊接生产中应用最广的一种方法。 1 焊接电弧 焊接电弧是电极与工件间的气体介质中强烈持久的放电现象。电极可以是碳棒、钨极或焊条，手工电弧焊一般使用焊条。,2 手工弧焊机 手工电弧焊主要设备是弧焊机。按电流种类不同分为直流弧焊机和交流弧焊机。 3 焊条 焊条是作为熔化电极用的焊接材料。由焊芯和涂敷在焊芯外的药皮两部分组成。 （1）焊芯。焊芯起导电和填充焊缝的作用，是形成焊缝和调整焊缝成分的主要材料。 （2）药皮。药皮的主要作用是使电弧稳定燃烧和获得优质的焊缝。 4 焊接工艺 手工电弧焊的焊接工艺包括接头形式与坡口、焊缝空间位置、焊接规范的选择等。 （1）接头形式与坡口。接头形式有对接接头、角接接头、搭接接头、T字形接头四种，如图4.32所示。常见坡口形式有：V形、U形、K形和X形四种。,（2）焊缝的空间位置。如图4.33所示，按焊缝在空间的位置不同，分为平焊、横焊、立焊和仰焊四种。 （3）焊接规范。手工电焊的焊接规范是选择焊条直径、焊接电流、焊接速度和电弧长度等。 5 焊接应力与变形 焊接过程中，由于焊接接头区域受不均匀的局部加热和冷却，其膨胀和收缩受到周围金属的牵制而不能自由进行，就在焊件中产生焊接应力与变形。焊接应力存在使焊件的结构强度与冲击韧性下降，易引起裂纹和脆断。同时焊接应力导致的焊接变形，使焊件尺寸、形状改变，给装配造成困难。因此，对焊接应力与变形必须予以重视。,图4.33 焊缝的空间位置,6 焊件的结构工艺性 焊接结构工艺性一般包括焊接结构材料选择、焊缝布置和焊接接头设计等方面内容。 （1）焊接结构材料的选择。应尽可能选择焊接性良好的焊接材料来制造焊接结构件。特别是优先选用低碳非合金钢和低合金高强度钢等材料，其价格低廉，工艺简单，易于保证焊接质量。 （2）焊缝布置。焊缝布置的一般工艺原则如下： 焊缝布置应尽量分散，避免过分集中和交叉。 焊缝应避开应力集中部位。 焊缝布置应尽可能对称。 焊缝布置应便于焊接操作。 尽量减少焊缝长度和数量。 焊缝应尽量避开机械加工表面。,4.6.2 其他熔化焊 1 气焊与气割 气焊是利用氧气和可燃气体混合燃烧时产生的大量热量，将焊件和焊丝局部熔化，而进行焊接的一种方法。气焊设备简单，操作灵活方便，能进行多种金属的焊接。但气焊火焰温度低，加热慢，焊件受热区大，生产率低，因此应用不如电弧焊广泛。 气割是利用气体火焰将金属预热到燃点温度，然后开放切割氧，将金属剧烈氧化成熔渣，并从切口中吹掉，从而将金属分离的过程。 2 埋弧焊 埋弧焊也称熔剂层下电弧焊。它可以分为自动和半自动埋弧焊两种。焊接时，自动焊机头将光焊丝自动送入电弧区并保证选定的弧长，电弧在焊剂层下燃烧，并靠焊机控制均匀地向前移动（或焊机不动，工件匀速移动）。在焊丝前面，焊剂从漏头中不断流出撒在工件表面。 3 氩弧焊 氩弧焊是以氩气作为保护气体的一种电弧焊接方法。氩气是惰性气体，它不和金属起化学反应，也不熔于金属，保护效果很好，焊接后焊逢质量较高。 氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面无熔渣，成形美观；电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，焊接速度快且热影响区窄，工件焊后变形小。氩弧焊是明弧，便于操作，容易实现全位置的自动化焊接。,4 二氧化碳气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是以CO2作为保护气体的电弧焊。它用焊丝作电极，靠焊丝和焊件之间产生的电弧熔化金属，以自动或半自动方式进行焊接。CO2保护焊的电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，热影响区小，工件变形小，焊接质量较好；而且焊丝自动送进，焊接速度快，生产率高；用CO2气体代替焊剂，降低了成本。 但CO2保护焊的焊缝表面成形性差，飞溅较大，焊接设备复杂，维修不便。 5 电渣焊 电渣焊是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源来进行焊接的。 电渣焊的特点是：生产率高，任何厚度的工件都不需开坡口，焊接材料消耗少；焊缝金属纯净，不易产生夹渣和气孔，很厚的工件也可以一次焊成。由于焊缝区在高温下停留的时间较长，热影响区较大，晶粒粗大，易产生过热组织，使近缝区的力学性能下降，故对重要工件，焊后需进行处理。,4.6.3 电阻焊与钎焊 1 电阻焊 电阻焊又称接触焊，它是利用电流通过两焊件接触处所产生的电阻热作为焊接热源，将焊件局部加热至高温塑性状态或熔化状态，并在压力作用下形成牢固接头的焊接方法。电阻焊具有高生产率、焊接变形小、劳动条件好、不需添加填充金属、易于实现自动化等优点。但设备较复杂，耗电量大，对焊件厚度与截面形状有一定限制，通常用于成批大量生产。 2 钎焊 钎焊是利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，经适当加热后，钎料熔化进入焊缝间隙，借助毛细管的作用被吸入和充满工件间隙之内，由于被焊金属原子与钎料原子间的相互扩散作用，凝固后形成钎焊接头。 4.6.4 常用金属材料的焊接 1 金属的可焊性 金属材料的可焊性是指被焊金属材料在一定的焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数及结构型式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,2 常用金属材料的焊接特点 1碳钢 （1）低碳钢。含碳量小于0.25%，塑性好，一般无淬硬倾向，可焊性良好，各种焊接方法均可适用。在常温下焊这类钢，不需采取特殊的工艺措施，焊后也不需热处理。 （2）中碳钢。含碳量在0.25%0.60%左右，可焊性较差，含碳越高，可焊性越差，近缝区易产生淬硬组织和冷裂纹。因此焊前必须预热，预热温度为150400之间，焊后缓冷，进行去应力退火，尽可能选用抗裂性好的低氢型焊条。焊接时采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊。中碳钢主要用于各种铸件、锻件的焊接。 （3）高碳钢。含碳量大于0.60%，可焊性更差，焊接时焊缝与热影响区产生裂纹的倾向更大，因此，只用于高碳钢工件的修补。 2合金钢 （1）低合金钢。由于合金元素的影响，焊接性能较低碳钢差。低合金钢一般按屈服强度分级，强度等级低的，可焊性较好，可以采用与低碳钢相似的焊接工艺。强度等级较高的低合金钢（C当量0.4%），可焊性较差，淬硬和冷裂倾向加大，焊接时需采取严格的工艺措施，如焊前预热（150以上），选用低氢型焊条，焊后550650去应力退火。,（2）中、高合金钢。这两类钢合金元素含量较高，可焊性差，焊接时，要针对不同的钢种和不同的要求，采取适当的工艺措施，才能获得满意效果。 3铸铁 铸铁的碳、硅含量高，可焊性很差，容易出现白口组织及气孔、裂纹等缺陷，主要用于铸铁件的焊补。由于铸铁熔点低，铁水流动性好，所以一般只适于在平焊位置施焊。常用手弧焊或气焊焊接，焊接方法有以下两种。 （1）热焊法。焊前将工件整体或局部预热到600700，并在焊接过程中保持预热温度，焊后缓慢冷却。热焊法使焊件受热均匀，冷却速度慢，可防止产生白口及裂缝，焊补质量好，焊后易于机械加工。但生产率低，成本较高，焊工劳动条件差，故一般用于小型及焊后需要加工的复杂和重要铸件。 （2）冷焊法。焊前不预热或预热温度低于400，依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口和裂缝。冷焊法生产率高，成本低，劳动条件较好，但有时质量不易保证。冷焊法一般用于焊后不需机械加工的铸件。,4铜及铜合金 铜及铜合金的导热性很好，为保证焊透，焊接时需较大的热量，一般需预热；铜的热胀冷缩性大，易产生较大的焊接应力与变形，焊件应力大时易产生裂纹；铜液态时吸气性强，凝固时易生成气孔，氧化性强，生成的氧化物会引起热裂及夹渣。 目前焊接铜、青铜多采用氩弧焊，黄铜用轻微氧化焰气焊。此外，还可以采用钎焊。 5铝及铝合金 铝及铝合金容易氧化，生成高熔点的致密氧化铝，阻碍金属的熔合，易使焊缝夹渣；铝的导热系数大，焊厚度较大的工件时需预热；它的热胀冷缩性大，易产生焊接应力与变形，甚至产生裂缝；吸气性强，易产生气孔，且液态和固态时的表面颜色无明显变化，不易判断熔池温度的变化，使焊接操作产生困难。目前焊接铝及铝合金的较好方法是氩弧焊、电阻焊和钎焊，也可采用中性焰气焊。,