机械制造基础-焊接

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机械制造基础,ECUST,第四篇 焊接,焊接,：,永久性连接金属材料的工艺方法。,实质,：利用加热或加压，或两者并用的手段，借助原子间的扩散和结合，使分离的金属牢固地连接起来。,特点,：下料阶段：化大为小 拼小成大,化复杂为简单 拼简单成复杂,内容,：,电弧焊,其它常用焊接方法,常用金属材料的焊接,焊接结构设计,焊接,电弧焊,焊接电弧,定义：,由焊接电源供给、具有,一定电压,的两极间或电极与,母材间,的气体介质中产生的强烈而持久的,放电现象,，称为焊接电弧。,组成：,由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。,特性：,焊接电弧的热量与焊接电流的平方和电压的乘积成正比，,电流愈大,，产生的,总热量愈大,。,第一章 电弧焊,图,4-1,焊接电弧,焊接电弧,电弧中阳极区和阴极区的,温度因电极材料不同而有所不同。,用钢焊条焊接钢材时，,阳极区,温度约为,2,600K,，,阴极区,约为,2,400K,，,电弧中心区温度最高，可达,6,000,8,000K,。,电弧热量在,阳极区,产生的较多，约占,总热量的,43,；,阴极区,因放出大量的电子，消耗了一部分能量，所以产生的热量相对较少，,约占,36,；,其余,21,左右的热量是,在弧柱中产生,的。,焊条电弧焊只有,65,85,的热量用于加热和熔化金属，,其余的热量则散失在电弧周围和飞溅的金属滴中。,电弧焊,图,4-1,焊接电弧,电弧焊,焊接电弧的正接法和反接法,由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异及其它一些原因，使用,直流电源,焊接时，有,正接和反接,两种接线方法。,图,4-2,直流电源时的正接与反接,电弧焊,焊接电弧的正接法和反接法,正接是将工件接到电源的正极，焊条接到负极；,反接是将工件接到电源的负极，焊条接到正极。,特性：,正接时工件的温度相对高一些。,如果焊接时使用的是交流弧焊机，因为电极每秒钟正负变化达一百次之多，所以两极加热温度一样，都在,2,500K,左右，因而不存在正接和反接问题。,图,4-2,直流电源时的正接与反接,电弧焊,焊接接头的组织和性能,焊接工件上的温度变化与分布,离焊缝越近的点，被加热的温度越高；越远的点被加热的温度越低。,在焊接过程中，,焊缝的形成是一次冶金过程，焊缝附近区域金属,相当于受到一次不同规范的,热处理,，,必然会产生相应的组织与性能的变化。,图,4-3,焊缝区各点温度变化情况,电弧焊,焊接接头的组织与性能,低碳钢,:,焊缝和焊缝附近区域由于受到电弧不同程度的加热而产生组织与性能的变化。,如图，左侧下部是焊件的横截面，上部是相应各点在焊接过程中被加热的,最高温度曲线,。图中,1,、,2,、,3,等各段金属组织的获得可用右侧所示的部分铁,-,碳合金状态图来对照分析。,图,4-4,低碳钢焊接接头的组织,焊接接头的组织与性能,1.,焊缝,焊缝的结晶将影响焊缝的力学性能，应,慎重选用焊条或其它焊接材料,。焊接时，焊接材料的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素含量可能比母材金属高，,焊缝金属的性能,可能不低于,母材金属的性能。,电弧焊,电弧焊,2,焊接热影响区,（,1,）熔合区,熔化的金属凝固成,铸态组织,，因加热温度过高而成为过热粗晶，易引起应力集中，所以熔合区在很大程度上决定着焊接接头的性能,（,2,）过热区,奥氏体晶粒急剧长大，形成,过热组织,，故塑性及韧性降低。对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。,（,3,）正火区,加热时金属发生重结晶，转变为细小的,奥氏体晶粒,。冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材。,（,4,）部分相变区,珠光体和部分铁素体发生重结晶，转变成,细小的奥氏体晶粒,。部分铁素体不发生相变，但其晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而力学性能比正火区稍差。,焊接热影响区的大小和组织性能变化的程度，,决定于,焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。,电弧焊,电弧焊,2,焊接热影响区,表,4-1:,低碳钢时不同焊接方法的焊接热影响区平均尺寸。,电弧焊,表,4-1,焊接热影响区的平均尺寸数值,电弧焊,改善焊接热影响区组织和性能的方法,低碳钢,的焊接,结构，用手工电弧焊或埋弧自动焊时，热影响区尺寸较小，对焊接产品质量影响较小，,焊后可不进行热处理；,对于,低合金钢,焊接,结构或,用,电渣焊,焊接的结构，热影响区较大，,焊后必须进行热处理，通常可用正火的方法,，细化晶粒，均匀组织，改善焊接接头的质量；,对于焊后,不能进行热处理的焊接,结构，只能通过,正确选择焊接方法，合理制定焊接工艺,来,减小热影响区，,以保证焊接质量。,焊接应力与变形,焊接过程中，焊缝被加热处于液态，相邻的金属加热到很高的温度，然后再快速冷却下来，这时，,各点处的温度不同，冷却速度也不相同,，在,热胀冷缩和塑性变形,的影响下，必将产生,内应力、变形或裂纹,。,产生：,加热时,，,焊缝区金属的热膨胀量较大，并受两侧金属所制约不能自由伸长而,被塑性压缩,，,向厚度方向展宽；,冷却时，,同样受两侧金属制约而,不能自由收缩,，各部分收缩不一致，导致焊缝区乃至整个焊件产生应力和变形。,焊接应力：,焊接构件由焊接而产生的内应力。,焊接变形：,焊后焊件残留的变形。,电弧焊,焊接应力和变形,焊接应力：,（,1,）,产生的原因：,加热不均匀及冷却不均匀。,（,2,）,应力分布：,平板对接焊缝,圆筒环形焊缝的焊接应力分布（图,4-5,）。,电弧焊,图,4-5,对接焊缝、圆筒环形焊缝的焊接应力分布,（,c,）径向应力,焊接应力和变形,焊接应力：,（,3,）,焊接次序对应力的影响：,图,4-6b,中,A,区易产生裂缝。,（,4,）,减小应力的措施：,合理的焊接次序,，合理选材。,焊前预热,，,预热温度为,350,400,减弱各部位温差，从而显著减小焊接应力,。,焊后热处理,：去应力退火，加热到,600,650,，保温,1,小时以上，缓冷。,电弧焊,图,4-6,焊接次序对应力的影响,电弧焊,焊接变形的变形基本形式：,图,4.7,收缩变形：,焊缝纵向、横向收缩，使构件纵向、横向尺寸减小。,角变形：,Y,型坡口对接时，焊接次序不合理，焊缝横向收缩不均匀引起的变形。,弯曲变形：,焊缝不对称，工艺不合理，焊接,T,形梁时，由于焊缝布置不对称，焊缝纵向收缩引起的变形。,扭曲变形：,焊接工字梁时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起的变形。,波浪变形：,焊接薄板时，由于焊缝收缩使薄板局部产生较大压力而失去稳定引起的变形。,电弧焊,预防变形的措施,焊前措施：,反变形法：,平板焊接的反变形,(,图,4.8),，防止壳体焊接局部塌陷的反变形,(,图,4.9),。,图,4.8,平板焊接的反变形,图,4.9,防止壳体焊接局部塌陷的反变形,电弧焊,预防变形的措施,焊前措施：,加裕量法：,补偿焊后收缩，下料裕量,0.1,0.2,。,刚性夹持法：,夹持，点固（塑性好的材料）。,合理的焊接次序：,构件对称两侧都有焊缝，应使两侧焊缝的收缩能互相抵消或减弱。图,4.10,11,为,X,型坡口,及梁的,焊接次序,。,图,4.11,梁的焊接次序,图,4,.1,0,双,X,型坡口焊接次序,电弧焊,2.,焊后措施：,机械矫正法：,利用机械外力作用来矫正变形，如辊床、压力机、矫直机， 图,4.12,。,火焰加热矫正法：,氧,乙炔火焰加热压应力处（考经验）冷却收缩，消除变形图,4.13,反变形法。,3.,焊接裂纹：,（,1,）,原因,焊接应力过大,材料成分：,S,、,P,（,2,）,预防,选用碱性焊条,，,预热，合理次序，小能量焊接。,图,4,12,机械矫正法,图,4,13,火焰矫正法,焊条电弧焊,四,.,焊条电弧焊,用手工操纵焊条进行焊接的方法。,优点：,设备简单，操作灵活，成本低。,缺点,：有强烈的弧光和烟尘，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求高，焊接质量不稳定。,适用,：单件小批量生产，焊接碳素钢、低合金结构钢、不锈钢及铸铁的补焊等。,焊条电弧焊,一、焊条电弧焊的焊接过程,原理：,在药皮焊条和母材间产生电弧，,利用电弧热融化焊条和母材的焊接方法。,焊条外层覆盖焊药，遇热融化，具有使电弧稳定、形成溶渣、脱氧、精炼等作用。,焊缝质量由很多因素决定，,如母材金属和焊条的质量、,焊前的清理程度、焊接时电弧的稳定情况、焊接参数、焊接操作技术、焊后冷却速度以及焊后热处理等。,图,4-14,焊条电弧焊过程,电弧焊,焊条电弧焊,焊接过程,焊条,涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。,焊芯,：在焊接过程中既是,导电的电极，同时本身又熔化作为填充金属，,与熔化的母材共同形成焊缝金属。,药皮,：压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气造渣，起,保护作用，防止空气进入焊缝，防止焊缝高温金属不被空气氧化,(,表,4-3),。,焊条电弧焊,焊条的分类（按熔渣的化学性质分）,酸性焊条,优点：焊渣呈玻璃状，易脱渣；工艺性能较好，电弧稳定。,缺点：力学性能，尤其是塑性和韧性差，抗裂性低。,典型型号：,E4303,碱性焊条,优点：焊接金属塑性、韧性好，抗裂性强，合金元素损失少。,缺点：对油、锈、污敏感；电弧不稳定；熔渣为结晶状，不易脱渣。,焊条的分类（按用途分）,焊条电弧焊,焊条的选用（按强度等级和化学成分选用）,焊接一般结构如,低碳钢、低合金钢,结构件时，一般,选用与焊件强度等级相同的焊条,，而不考虑化学成分相同或相近。,焊接,异种结构钢,时，按,强度等级低的钢种选用,焊条。,焊接,特殊性能钢种,，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件,化学成分相同或相近,的特种焊条。,焊件的,碳、硫、磷质量分数较大时,，,应选用碱性焊条,。,焊接,铸造碳钢或合金钢,时，因为碳和合金元素较高，铸件厚度、刚度较大，形状复杂，,应选用碱性焊条,。,焊条电弧焊,焊条的选用（按焊件的工作条件选用）,焊接,承受,动载,、,交变,载荷及,冲击,载荷的结构件时，,应选用碱性焊条,。,焊接,承受,静载,的结构件时，,可选用酸性焊条,。,焊接,表面带有,油、锈、污,等结构件时，,应选用酸性焊条。,焊接在,特殊条件（腐蚀、高温）,下工作的结构件时，应选用,特殊用途焊条。,焊条电弧焊,焊条的选用（按焊件的形状、刚度及焊接位置选用）,厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条。,厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊的结构件，应选用适当的酸性焊条。,除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位置焊条。,埋弧焊,1.,埋弧焊过程,图,4-15,埋弧焊原理,埋弧焊,焊接材料,焊 剂,焊 丝,熔 炼焊 剂,陶 瓷焊 剂,相当于焊 芯,相当于药 皮,熔炼焊剂：,在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产；,陶瓷焊剂：,利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。,焊丝与焊剂,埋弧焊,1,、焊接质量高且稳定；,2,、熔深大，节省焊接材料；,3,、无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少；,4,、自动化操作，生产效率高。,5,、设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形,工件的纵、环焊缝的批量生产。,埋弧自动焊的特点,埋弧焊,埋弧焊工艺,（,1,）,工件的下料仔细、,准备坡口和装配（点焊固定）,（,2,）,焊缝,两侧,50,60mm,以内，去除油污、铁锈,（,3,）,工件厚,，,S20,25mm,时，双面焊（或开坡口单面焊接）,（,4,）焊接前在焊缝两端焊上,引弧板与引出板,，（图,16,保证引弧处和断弧处质量）,图,4-16,埋弧焊的引弧板与引出板,埋弧焊,埋弧焊工艺,（,5,）防止烧穿和保持焊剂，焊接第一条焊道时，在焊缝下面,放置焊剂垫和垫板,（图,17,）,（,6,）大直径（,250mm,）,筒体环焊缝时，防止熔池金属流失，焊丝位置,应逆旋转方向偏离,焊件中心线,一定距离,a,，（图,18,）。其大小视筒体直径与焊接速度等而定。,气体保护焊,氩弧焊,以氩气（惰性气体）作为保护气体的电弧焊。,（,1,）,不熔化极氩弧焊：,电极：铈钨棒,不熔化,，较厚工件需填充焊丝（图,19a,）,焊接厚度,6mm,以下的工件。,（,2,）,熔化极氩弧焊：,连续送进焊丝（电极），不需填充金属，可用较大电流，焊接厚度为,25mm,以下的工件，图,19(b),。,气体保护焊,氩弧焊,特点：,机械保护效果好，焊缝金属纯净，成形美观，质量好,。,电弧稳定，小电流时也很稳定。熔池温度容易控制，单面焊双面成形。,采用气体保护，电弧可见,(,称为明弧,),，易实现全位置自动焊接。,电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池小，焊速快，热影响区小，焊接变形小。,氢气价格较高，因此成本较高。,钨极脉冲氩弧焊,（不熔化极氩弧焊的一种）,常用于薄板、管材和易淬火钢、高强钢,(,原理,:,图,20,脉冲电流,),氩弧焊特点及使用范围：,（,1,）,电弧燃烧稳定,，飞溅小，焊缝致密、成形美观，焊接质量好；,（,2,）,有气体保护,，明弧可见，便于操作。,（,3,）,热量集中,，焊接速度快，焊接热影响区较窄，工件变形小。,（,4,）,适用于,各类,合金钢、不锈钢、有色金属,（铝、镁、钛等），,稀有金属,（锆、钼、钽等）的焊接。,气体保护焊,气体保护焊,二氧化碳气体保护焊,以二氧化碳作为保护气体，以焊丝作电极，以自动或半自动方式进行焊接。,(,原理,:,图,4.21,),气体保护焊,二氧化碳气体保护焊,特点：,成本低,焊接成本仅是埋弧自动焊和手工电弧焊的,40,左右。,生产率高,焊丝送进自动化，电流密度大，电弧热量集中，焊接速度快。焊后没有熔渣，不需清渣，比手工电弧焊提高生产率,1,一,3,倍。,操作性能好,电弧是明弧，可清楚看到焊接过程。,焊接质量较好,电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，热影响区较小，变形和开裂倾向也小。,焊缝成形差,飞溅大。烟雾较大，控制不当易产生气孔,。,设备使用和维修不便,送丝机构容易出故障，需要经常维修。,等离子弧焊接与切割,图,4-22,离子电弧发生装置原理,等离子弧焊接与切割,离子电弧,:,使自由电弧的弧柱受到压缩，产生温度比自由电弧高得多的等离子弧,。,(1),机械压缩效应,：经高频振荡使气体产生电离形成的电弧通过喷嘴细孔道，弧柱被强迫压缩。,(2),热压缩效应,：是水冷喷嘴以及通入一定压力的冷气（氩气、氮气）使电弧外层冷却，迫使带电粒子流向弧柱中心收缩。,(3),磁压缩效应,：是无数根平行导线（带电粒子在弧柱中的运动）所产生的自身磁场，使这些导线相互吸引，电弧被进一步压缩。,电弧在上述,三种效应,的作用下，被压缩得,很细，能量高度集中，,弧柱内的气体完全电离为电子和离子，称为等离子弧，其温度高达,16,000K,以上。,图,4-22,离子电弧发生装置原理,手工电弧焊和气焊,等离子弧焊接与切割,离子电弧,:,离子弧用于切割时，称为等离子弧切割。比氧气切割效率高,1,3,倍，可以切割不锈钢、铜、铝及其合金、难熔的金属和非金属材料。等离子弧用于焊接时，称为等离子弧焊接。,等离子弧焊特点：,(1),等离子弧焊除具有氩弧焊的优点,(,压缩效应的钨极氩弧焊,),。,(2),等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，因此焊接厚度,10,12 mm,的钢材可不开坡口，,一次焊透双面成形。等离子弧焊的焊接速度高，,生产率高，焊后的焊缝宽度和高度较均匀一致，焊缝表面光洁。,（,3,）当,电流小到,0.1A,时，,电弧仍能稳定燃烧，并保持,良好的挺直度和方向性，,故等离子弧焊可焊接很薄的箔材。,微型计算机在电弧焊中的应用,利用微型计算机,可以对焊接电流、电压、焊接速度、气体流量和压力等,参数进行快速综合运算分析和控制,，也可对各种焊接过程的数据进行,数理统计分析，,并已,总结,出焊接不同材料。不同板厚的,最佳参数方程与图表。,功能,:,微型计算机可以储存有关生产技术的操作程序、焊接程序、焊接参数调整程序等。,原理,:,微型计算机从焊接执行情况与参数中,提取信息,，而后在微型计算机中进行,对比,，,再通过数字模拟转换器控制电源、送丝机构、气流阀、伺服机构等及时反馈，调整操作与参数，从而确保焊接质量。,图,4-23,利用微型计算机监控焊焊接质量的示意图,微型计算机在电弧焊中的应用,焊接机器人,:,特点,:,具有手工操作所固有的灵活性，如果要焊接机器人去焊接另一种产品，只要对它重新示教就可以了。焊接机器人,用于大量生产的焊接生产自动线，为实现小批量生产自动化,开辟了新的道路。,图,4-24,焊接机器人,优点,:,（1）能代替人在危险、污染或特殊情况下进行焊接，例如在高温、高压、易爆、有毒、水下、放射性等条件下进行焊接。,（,2,）能代替人从事简单而单调重复的焊接工作，可解放工人从事其它更复杂的劳动。,（,3,）焊接工作具有相当高的重复再现精度，不会发生人所常有的误动作，能保证焊接质量稳定可靠。,（,4,）具有相当高的运动精度和焊接参数控制精度，可实现超小型焊件的精密焊接。,作业,P166-167, (2), (3), (4), (6), (7), (8),第二章 其他常用焊接方法,一、电阻焊,利用电流通过焊件及其接触处产生的,电阻热,，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在,压力,下形成焊接接头的焊接方法。,图,4.24,点焊示意图,其他常用焊接方法,图,4.24,点焊示意图,过程：,柱状电极压紧在工件上,接通电流,接触处温度升高熔化（液态熔核）,断电,继续保持压力或加大压力,液态熔核在压力下凝固结晶，形成焊点。,当焊接下一个焊点时，有一部分电流会流经已焊好的焊点，称为,分流现象,，因此两个相邻焊点之间应有一定距离。,工件厚度,，导电性,，分流现象越严重，点间距,1.,点焊：,利用柱状电极加压通电，在搭接工件接触面之间焊成一个个焊点的焊接方法。,影响点焊质量的主要因素有,焊接电流、通电时间、电极压力及工件表面清理情况等。,根据焊接时间的长短和电流大小，常把点焊焊接规范分为,硬规范和软规范,。,硬规范,是指在较短时间内通以大电流的规范。适合焊接导热性能较好的金属。,软规范,是指在较长时间内通以较小电流的规范。适合焊接有淬硬倾向的金属。,其他常用焊接方法,其他常用焊接方法,1.,点焊：接头形式：搭接接头,应用：,ST,钎料熔点，钎料熔化并渗入到接头间隙中,液态钎料与工件金属相互溶解扩散,冷凝后形成钎焊接头。,2.,分类,:,硬钎焊：,钎料熔点高于,450,C,，,焊接接头强度在,200MPa,以上。,硬钎焊主要用于受力较大的钢铁铜合金结构件、工具以及刀具的焊接。,软钎焊：,钎料熔点低于,450,C,，,焊接接头强度一般不超过,70MPa,。,图,4,.28,钎焊的接头形式,，板料搭接和套接。接头有较大钎接面，间隙适当。,图,4-28,钎焊的接头形式,其他常用焊接方法,三,.,钎焊：,常用钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。,主要用于受力不大的常温工作的仪表、导电元件的连接。,钎剂：,去除钎料及被焊金属表面的氧化膜、油污，改善钎料的润湿性，保护钎料及焊件不被氧化。,软钎焊：,松香、氧化锌溶液。,硬钎焊：,硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等。,4.,加热方式：,火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热、盐浴加热以及烙铁加热等，烙铁加热加热温度低，只适用于软钎焊。,5.,特点及应用范围：,工件加热温度低，组织和力学性能变化小，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确。,可以焊接性能差异很大的异种金属，对工件厚度的差别没有严格的限制。,复杂形状构件，生产率高（可同时焊接上千条焊缝）。,设备简单，投资少。,接头强度尤其是动载强度低，耐热性差，且焊前清理及组装要求较高。,其他常用焊接方法,四,.,电渣焊：,利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源进行焊接的方法。,焊接过程,如图,4-32:,两个工件,1,的接头相距,25,35mm,。,固态熔剂熔化后形成的渣池,3,具有较大的电阻，当电流通过时产生大量电阻热，使渣池温度保持在,1,700,2,000,。,焊丝,2,和工件,1,被渣池加热熔化而形成金属熔池,4,。工件待焊端面两侧各装有冷却铜滑块,5,，这样可使液态熔渣及金属熔池不会外流。冷却水从滑块内部流过，迫使熔池冷却并凝固成为焊缝,6,。,从而使立焊缝由下向上顺次形成。,其他常用焊接方法,四,.,电渣焊特点：,（,1,）可一次,焊接很厚,的工件。,（,2,）,生产率高，成本低,。焊接厚度在,40mm,以上的工件，即使采用埋弧焊也必须开坡口进行多层焊。而电渣焊对任何厚度的工件都不需开坡口，只要使焊接端面之间保持,25,35mm,的间隙，就可一次焊成。因此生产率高、消耗的焊接材料较少、成本低。,（,3,）焊缝金属比较纯净。,（,4,）焊后冷却速度较慢，焊接应力较小。,因而适合于焊接塑性稍差的中碳钢与合金结构钢工件。,一般要进行焊后热处理,。如正火处理，以改善其性能。,其他常用焊接方法,五,.,真空电子束焊接：,原理图,4-34:,电子枪、工件及夹具全部装在真空室内。电子枪由加热,灯丝、阴极、阳极及聚集装置等组成。当阴极被灯丝加热到,2,600K,时，能,发出大量电子。,这些电子在阴极与阳极（焊件）间的高压作用下，射向焊件表面,使焊件金属迅速熔化，,甚至气化,适当移动焊件，得到要求的焊接接头,。,真空电子束焊接的特点：,（,1,）由于在真空中焊接，焊件金属无氧化、无氨化。无金属电极用污，保证了焊缝金属的,高纯度。,（,2,）热源能量密度大，熔深大，速度快，焊缝深而窄，能单道焊厚件。焊接热影响区很小，基本上,不产生焊接变形，,防止难熔金属熔接时产生的裂纹及泄漏。,（,3,）厚件也,不必开坡口，,焊接时一般不必另填金属。,（,4,）电子束参数可在较宽范围内调节，且焊接过程的,控制灵活，适应性强。,图,4-34,真空电子束焊接示意图,其他常用焊接方法,六,.,激光焊接：,原理图,4-35:,利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统可聚焦到十分微小的焦点，能量密度大于,105W/cm,2,。,当调焦到焊件接缝时，光能转换为热能，使金属熔化形成焊接接头。,激光焊接的特点：,(1),激光辐射的能量释放极其迅速，,点焊过程只有几毫秒。,提高了生产率，被焊材料不易氧化。因此可以在大气中进行焊接，不需要气体保护或真空环境。,(2),激光焊接的能量密度很高，热量集中，作用时间很短。所以,焊接热影响区极小，焊件不变形，,特别适用于热敏感材料的焊接。,（,3,）焊接一般焊法,难以接近或无法安置的焊点。,（,4,）激光可对绝缘材料直接焊接，焊接异种金属材料也比较容易，甚至,能把金属与非金属焊在一起。,图,4-35,激光焊接示意图,其他常用焊接方法,作业,p177,(2), (3), (4), (6).,第三章 常用金属材料的焊接,金属材料的焊接性,金属焊接性,金属材料对焊接加工的适应性，即金属在一定的焊接方法、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。,包括：,工艺性能，,即在一定工艺条件下，焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现裂纹的可能性；,使用性能，,即焊接接头在使用中的可靠性，包括力学性能及耐热、耐蚀等特殊性能。,常用金属材料的焊接,金属材料的焊接性,金属焊接性的评定,包括估算或试验方法。,用碳含量法估算钢材焊接性（碳当量法）,当,C,E,0.6,时，焊接性差，冷裂倾向严重，需要较高的预热温度和严格的工艺措施。,常用金属材料的焊接,金属材料的焊接性,小型抗裂试验法,评定不同拘束形式的接头产生裂纹的倾向。,评定方法,:,周围固定焊缝冷却到常温以后，按实际产品的焊接工艺进行单层焊或多层焊。焊完后在室温下放置,24h,，,先检查焊缝及热影响区,有无表面裂纹,，再从垂直焊缝方向切取厚度为,15mm,的金相磨片,两,块，进行,低倍放大检验,是否存在内裂纹。,图,4-36,刚性固定对接,抗裂试验,常用金属材料的焊接,碳钢的焊接,低碳钢的焊接,碳当量小，,无淬硬倾向，冷裂倾向小，焊接性良好。除电渣焊外，焊前不需要预热，,适合各种方法焊接,。,板厚大于,50mm,，,在低温环境下焊接需要预热,100,150,C,。,手工电弧焊中，一般选用,E4303,和,E4315,焊条；埋弧自动焊常选用,H08A,或,H08MnA,焊丝和,HJ431,焊剂。,中、高碳钢的焊接,淬硬倾向和冷裂倾向较大,，焊缝金属热裂倾向较大。焊前须,预热,150,250,C,。,常用手工电弧焊，选用,E5015,焊条。焊后缓慢冷却，防止冷裂纹产生。,高碳钢,焊接性差，一般不作焊接结构用材料，,只限于修补,。,常用金属材料的焊接,低合金结构钢的焊接,一般用焊条电弧焊和埋弧自动焊,特点：,热影响区淬硬倾向,钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，焊后热影响区的淬硬倾向越大。强度级别较大的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区易产生马氏体组织，硬度提高，塑性和韧性下降。,焊接接头的裂纹倾向,随着钢材强度级别的提高，产生冷裂纹的倾向也加剧。影响生冷裂纹主要因素有三方面：一焊缝及热影响区的,含氢量,；二热影响区的,淬硬程度,；三焊接接头的,应力大小,。,常用金属材料的焊接,铸铁的焊补,一般采用手工电弧焊、气焊。,热焊,焊前将工件整体或局部,预热到,600,700,C,，,焊后缓慢冷却。,优点：,可防止出现白口组织和裂纹,，焊补质量较好。焊后可机械加工。,缺点：,生产率低，成本较高，劳动强度差。,冷焊,一般不预热或较低温度,预热（,400,C,以下）,。,常用手工电弧焊，,依靠焊条来防止白口和裂纹,。,优点：,方便灵活，生产率高，成本低，劳动条件好，可用于一些非加工面的焊补。,常用金属材料的焊接,非铁,金属及其合金的焊接,铝及铝合金的焊接,纯铝、铝锰合金、铝镁合金及铸铝。,焊接特点：,极易氧化,易氧化生成氧化铝，组织致密，熔点高，阻碍熔合，易形成夹杂而脆化。,形成气孔,液态铝吸收大量的氢，冷却时，产生气孔。,电源功率大且易变形,铝导热系数大，需大功率电源；铝线膨胀系数大，易产生焊接应力和变形，甚至开裂。,特殊工艺措施,铝在高温时强度很低，容易引起焊缝塌陷，常需采用垫板。,氩弧焊,:,保护电极和熔池不受空气的有害作用。,常用金属材料的焊接,非铁,金属及其合金的焊接,铜及铜合金的焊接,比低碳钢困难的多。,焊接特点：,难熔合,铜导热系数大，比铁大,7,11,倍，热量易散失，使母材和填充金属难于熔合，需大功率电源，焊前要预热。,易氧化,液态铜易氧化，分布在晶界处。铜膨胀系数大，凝固系数也大，易产生较大的焊接应力，易开裂。,产生气孔,铜易吸收氢，凝固时来不及逸出，形成气孔。,易变形,铜的膨胀系数和收缩系数大，且铜的导热性强，热影响区宽，焊接变形严重。,氩弧焊,:,保护电极和熔池不受空气的有害作用。,作业,P183,(1), (2), (3).,第四章 焊接结构设计,设计焊接结构时,设计者既要很好,了解产品使用性能的要求，,如载荷大小、载荷性质、使用温度、使用环境以及有关产品结构的国家标准与规程，,又要考虑焊接结构的工艺性。,如焊接工件材料的选择、焊接方法的选择、焊接接头的工艺设计等。,还要考虑到制造单位的质量管理水平、产品检验技术等有关问题，,才能设计出比较容易生产、质量优良、成本低廉的焊接结构。,焊接结构设计,焊接结构件材料的选择,应选择焊接性良好的焊接材料，,特别是优选低碳钢和碳当量,小于,0.4,的低合金钢等材料，,其价格低廉，工艺简单，易保证焊接质量。,各种常用金属材料的焊接性如表,4-8,所示,表,4-8,常用金属材料的焊接性,焊接结构设计,焊接方法的选择,依据材料的焊接性、工件的结构形式、厚度和各种焊接方法的适用范围、生产率选择。,常用金属材料的焊接性,焊接结构设计,合理选材，减少焊缝数量,尽量减少焊缝长度和数量。,图,4-37,合理选材减少焊缝数量,采用型材、管材、冲压件、锻件和铸钢件等作为被焊材料。这样不仅能减小焊接应力和变形，还能减少焊接材料消耗，提高生产率。如图所示箱体构件，如,采用型材或冲压件（图,b,）焊接，可较板材（图,a,）减少两条焊缝。,焊接结构设计,焊缝布置原则,尽可能分散，避免过分集中和交叉。,焊缝集中分布容易使接头过热，材料的力学性能降低。,两条焊缝的间距一般要求大于三倍或五倍的板厚。,图,4-38,焊缝分散布置的设计,焊接结构设计,焊缝布置原则,应尽可能对称,焊缝的对称布置可以使各条焊缝的焊接变形相抵销，对减小梁柱结构的焊接变形有明显的效果。,图,4-39,焊缝对称布置的设计,焊接结构设计,焊缝布置原则,应避开应力集中部位。,图,4-40,焊缝避开最大应力断面与应力集中位置的设计,如图所示。以防止焊接应力与外加应力相互叠加，造成过大的应力而开裂。不可避免时，应附加刚性支承，以减小焊缝承受的应力。,焊接结构设计,焊缝布置原则,应尽量避开机械加工表面。,图,4-41,图,4-41,焊缝远离机械加工表面的设计,因为,焊缝的机械加工性能不好，且焊接残余应力会影响加工精度。,如果焊接结构上某一部位的加工精度要求较高，又必须在机械加工完成之后进行焊接工序时，应将焊缝布置在远离加工面处，以避免焊接应力和变形对已加工表面精度的影响 。,焊接结构设计,焊缝布置原则,考虑各种焊接方法所需要的,施焊操作空间 。,图,4-42,手工电弧焊的焊缝布置,图,4-44,图,4-44,点焊或缝焊焊缝布置,焊接结构设计,接头形式设计,形式：,根据结构的形状、强度要求、工件厚度、焊接材料消耗量及其他焊接工艺决定。,对接,受力较均匀，节省材料，对下料尺寸精度要求高,。,搭接,被焊工件不在同一平面上，受力时接头产生附加弯曲应力，对下料要求精度低。,角接,T,形接,接头成一定角度或直角连接时采用。,焊接结构设计,接头形式,对接接头,I,形坡口、,Y,形坡口、双,Y,形坡口、,U,形坡口。,（,a,）对接接头,焊接结构设计,接头形式,对接接头,T,形接头、 角接接头 搭接接头,图,4-45,焊条电弧焊接头形式,压力容器简介,结构名称：中压容器（见图）,材 料：,16MnRe,(,低,合金结构钢,),钢板尺寸为,2000mm,5000mm,16mm,。,生产数量：小批生产,压力容器简介,压力容器工艺图,工艺设计要点,:,(1),选用焊接方法,:,筒身纵缝、环缝均采用埋弧焊，出口接管及入孔接管采用焊条电弧焊。,(2),焊缝布置,:,简身用钢板冷卷，按实际尺寸，可分为二节，筒身纵焊缝为避免焊缝密集，相互错开一定角度,(180,度,),，封头应采用热压成型，与筒身连接处应有,30,50mm,的直段，使焊缝躲开转角应力集中位置。入孔圈采用加热卷制。其工艺图如图所示。,压力容器实物图,二、压力容器生产工艺过程,压力容器生产工艺过程实物图,压力容器生产工艺流程框图,1.,封头生产工序,（,1,）下料,（,2,）拉深,（,3,）消除应力退火,封头生产工序,（,4,）切边,（,5,）缩口,封头生产工序,（,1,）下料,2.,筒体节生产工序,（,2,）加工坡口,（,3,）卷圆,筒体节生产工序,（,5,）焊接双面纵焊缝,（,4,）装配及定位焊,筒体节生产工序,筒体节纵焊实物图,筒体节生产工序,（,6,）去引弧板和引出板并清理,（,7,）筒体节校圆,（,8,）筒体节开接管孔,筒体节生产工序,（,9,）封头与筒体节及筒体节之间的装配和定位焊,压力容器装配和定位焊实物图,筒体节生产工序,3.,接管和法兰生产工序图,（,1,）出口接管切割成形,（,2,）入孔接管板材卷圆成形,（,3,）法兰毛坯下料,（,4,）法兰切削成形,接管和法兰生产工序图,（,5,）入孔接管和法兰装配与焊接,接管和法兰生产工序图,4.,总装配和焊接生产工序,（,1,）环焊缝对接缩口接头与衬板接头,（,2,）焊环焊缝,总装配和焊接生产工序,（,3,）压力容器接管装配与焊接,（,4,）压力容器消除应力退火,总装配和焊接生产工序,5.,检验,（,1,）力学性能试验,(,切取试样的破坏性检验,),（,2,）外观检查,(,目检,),（,3,）超声波检验,（,4,）射线探伤,（,5,）气密性试验,（,6,）水压试验,超声波检验示意图,检验,3.,超声波探伤,利用超声波探测材料内部缺陷的无损检验法。,超声波在固体介质中传播时，,介质变换的界面,处会使超声波产生部分,反射波束，,根据反射波的脉冲可判断内部缺陷位置。,（,4,）射线探伤,探伤时，焊缝底面放置照相底片，射线向下照射并在通过缺陷部位时,衰减,，在底片上的感光有差异，会显现出与缺陷形状相同的黑色和斑点，由此可确定内部缺陷状态。,X,射线探伤示意图,检验,（,5,）气密性试验,将压缩空气压入焊接容器，利用容器内外气体的压力差检查有无泄漏。,气密性试验示意图,检验,（,6,）水压试验,将焊接容器灌满水，排尽空气，用水压泵加入静水压力并维持一定的时间，观察焊缝位置是否有泄漏，并确定缺陷位置。,水压试验示意图,检验,作业,P191, (1).,焊接检验,第一节 焊缝常见缺陷,焊接产品的制造过程要经历从原材料选择、焊前准备到焊接加工等多种工序和环节，,各种因素都会使焊接结构中出现不同的焊接缺陷，影响焊接质量。,焊瘤,:,焊条熔化太快，电弧过长：电流过大，焊速太快，运条不当。,焊接检验,第一节 焊缝常见缺陷,夹渣：,施焊中焊条未搅拌熔池，焊件不洁,电流过小，分层焊时，各层渣未去除。,裂纹：,焊件中含碳,、,硫、磷高，焊接结构设计不合理；焊接程序不当：焊缝冷却太快，应力过大，存在咬边气泡，夹渣，未焊透。,焊接检验,第一节 焊缝常见缺陷,气孔：,焊件不洁，焊条潮湿：电弧过长，焊速太快，电流过大，焊件含碳量高。,咬边：,电流过大，焊条角度不对，运条不当，电弧过长。,焊接检验,第一节 焊缝常见缺陷,未焊透：,装配间隙过小，坡口开得太小，钝边太大，电流过大，焊速过快，焊条末对准焊缝，焊件不沽。,焊接检验,焊接检验,焊接检验通常分为三个部分，即焊前检验、生产过程检验和焊后检验。,一、焊前检验,焊前检验的主要内容包括原材料检验和焊接结构鉴定。原材料检验内容为工件金属质量、焊丝、焊条及其它焊接材料的质量检验。,二、生产过程检验,生产过程检验是针对制造过程各工序的完成质量进行跟踪检查。内容包括焊接工艺参数（如焊接电流、焊接速度等）。,三、焊后检验,焊后检验是对焊接质量的综合评定，焊后检验的内容主要包括焊缝的外观检查、焊缝密封性检及焊缝内部缺陷检验。,焊接检验,焊接接头检验方法,焊接接头的检验方法可分为,破坏检验和非破坏检验；,破坏检验,从焊件或试件上,切取试样，,以检验其各种力学性能的试验法。,非破坏检验,在不破坏焊接结构和焊接接头状态的条件下，直接审查和评定焊接质量。,焊接检验,常用非破坏检验方法,一、无损检测,工业生产中常用的外观检查方法中，除用眼睛或低倍放大镜观察,(,目检,),焊缝表面缺陷外，较多地采用下列方法：,1.,着色探伤,利用渗透性很强的有色油液喷到焊缝位置。去除油液后，用显微剂可显示带有色彩的缺陷形状图象，从而判断缺陷的位置和严重程度。,图 着色探伤法操作示意图,焊接检验,常用非破坏检验方法,2.,磁粉探伤,利用在强磁场中，铁磁性材料表层缺陷产生的漏磁场吸附磁粉的现象而进行的无损检验法。通过磁场使工件磁化，在工件表面均匀撒上磁粉，有缺陷的位置会出现磁粉聚集现象，从而可找到缺陷位置。,图 磁粉探伤原理示意图,焊接检验,常用非破坏检验方法,3.,射线探伤,采用,X,射线或,射线照射焊接接头，以检察内部缺陷的无损检验法。,X,射线或,射线在穿透一定厚度物质时有,衰减,的特性，,探伤时，焊缝底面放置照相底片，射线向下照射并在通过缺陷部位时衰减，在底片上的感光有差异，会显现出与缺陷形状相同的黑色和斑点，由此可确定内部缺陷状态。,图,X,射线探伤法,焊接检验,常用非破坏检验方法,4.,超声波探伤,利用超声波探测材料内部缺陷的无损检验法。,超声波在固体介质中传播时，,介质变换的界面,处会使超声波产生部分,反射波束，,根据反射波的脉冲可判断内部缺陷位置。,图 超声波探伤法,焊接检验,二、密封性检验,通常采用液体或气体来检查焊缝区有无漏水、漏气和渗油、漏油等现象的检验。,1,煤油试验,煤油的渗透性很强，可透过极小的贯穿性缺陷。将煤油涂在焊缝一侧，确定贯穿性缺陷的位置和大小。,2,水压试验,将焊接容器灌满水，排尽空气，用水压泵加入静水压力并维持一定的时间，观察焊缝位置是否有泄漏，并确定缺陷位置。,3,气密性检验,将压缩空气压入焊接容器，利用容器内外气体的压力差检查有无泄漏。,复习思考题,1.,焊接检验的目的是什么？,2.,工业生产中的焊接检验如何进行？,3.,对焊缝内部缺陷可采取哪些检验方法？,作业,：（,2,）,.,毛坯选择的一般原则,毛坯选择的内容,1,毛坯材料的选用,一般毛坯材料多选用金属材料，也选用非金属材料作毛坯材料。,2,毛坯加工方法的选择,通常采用,铸造方法、锻造方法、冲压方法,、粉末冶金方法、,挤压方法、轧制方法、焊接方法、,粘结方法等。,毛坯材料选用举例,毛坯选择原则,毛坯选择原则,（一）毛坯选择首先要保证有足够的使用性能,任何机械零件、工程构件或工模具在实际使用时，为了,胜任服役条件，都需要具有一定的性能,，这就是,使用性能,。它主要是指强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，有时还要求物理性能和化学性能。,性能要求依据：,1,工作条件因素,指使用时的受力大小、受冲击和应力集中的情况、应力状况、工作温度和环境介质等。,2,失效因素,失效主要有变形、磨损、断裂、疲劳等形式，要根据实际失效进行分析，有针对性地提出性能指标。,3,寿命期限及工作可靠性因素,寿命要求长，可靠性要求高，当然性能要求高。,毛坯选择的一般原则,（二）毛坯选择应考虑必须有良好的工艺性能,毛坯的工艺性能良好要求有三个方面：,所选毛坯的加工方法能把毛坯制造出来，,能容易地制造出来,所生产的毛坯能保证质量。第二点对批量生产的情况相对就更为重要。,主要的工艺性能有以下几种：,1,铸造性能,指铸造时的流动性，收缩率及偏析、缩孔、气孔等缺陷倾向。,2,锻压性能,指锻压时的塑性、变形抗力，可加工温度范围、抗氧化性，热脆倾向、冷裂倾向等。,3,焊性性能,包括接合性能及使用性能，前者指一定工艺条件下，所获得优质接头的能力。后者指接头所具有的性能在使用条件下安全运行的能力。,毛坯选择的一般原则,（三）毛坯的材料选用与加工方法选择应同时考虑,选择材料与加工方法是互为依赖、相互影响的。什么样的加工方法必须配合选择什么样的材料，反之什么样的材料，必定选择相对应的加工法。,（四）毛坯选择不仅要满足宏观结构的成形要求，而且还应获得一定的微观组织结构,毛坯加工成形后，达到设计所规定的精度、形状尺寸,、,表面粗糙度的要求，可通过以下方法成形：,（,1,）液态冷凝成型,冶金、铸造加工。,（,2,）固态塑变成形,锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔加工。,（,3,）拼焊、粘结成形,焊接、粘结加工。,也可以通过以上方法的组合成形。毛坯选择还应考虑成形后能获得一定的显微组织结构，从而达到预期的性能要求。,毛坯选择的一般原则,（五）毛坯选择在经济上应合理,（,1,）,尽量选用,生产过程简单,、生产率高、生产周期短、能耗与材耗少、投资小的毛坯加工方法，,既使成本下降，又能保证质量。,（,2,）,毛坯的加工,批量,决定了加工的机械化、自动化程度。批量愈大，愈有利于这一程度的提高。,（,3,）,毛坯选择要全面考虑,生产过程的总成本，,综合分析,设计试验费、材料费、毛坯加工费、切削加工费、使用维修费等，分析相互的联系与制约，全面权衡利弊，选择最佳的经济的方案。,（六）毛坯的选择应考虑生产现实的可能性,所选的毛坯材料，应保证供应上有可能，要符合本国的资源情况及市场供应的可能性，,尽可能用国产材料代替进口材料。,二 毛坯的加工方法比较,毛坯的加工方法可分为铸造、锻压、焊接、型材毛坯加工等方法，它们各自有其特点和应用场合。,铸造分砂型和特种铸造两大类，,后者又包括金属型、压力、离心、低压等铸造方法。砂型铸造应用最多（占,90,）。铸造主要的特点是可加工复杂形状毛坯，它的适应性最广，一般成本较低，设备简单，但铸造的力学性能较差。,(2),锻压包括自由锻造、模锻、挤压、冲压等毛坯加工方法。,锻压件有较好的力学性能，常用来加工承受较大动载荷、抗疲劳性好、强度高的重要件，但相对于铸件，它的形状较简单，不能太复杂。,毛坯的加工方法比较,(3),焊接按其过程特点分为熔焊、压焊和钎焊。,焊接件为不可拆连接件，易变形，接头性能低,但适应性广,灵活,可以小拼大。,(4),型材是通过轧制、拉拔、挤压等方式生产。,一般沿长度方向横截面有变化，有各种线材、板材、管材、异形断面型材等。型材的材料一般为钢、非铁合金、塑料等。,毛坯的加工方法比较,三 零件的结构分析及毛坯选择,一、零件的结构类型,零件从不同角度考虑可以有不同的分类，但在选择毛坯时往往几种类型需同时或交叉考虑。,（一）按形状分类,（,1,）,轴杆类零件；,（,2,）,盘套类零件；,（,3,）,箱架类零件。,（二）按尺寸及质量分类,（,1,）,小型或轻型零件；,（,2,）,中型或一般零件：,（,3,）,大型或重型零件。,零件的结构分析及毛坯选择,一、零件的结构类型,（三）按复杂程度分类,（,1,）简单,零件；,（,2,）,比较复杂零件；,（,3,）,复杂零件。,（四）按受力状况分类,（,1,）,受力较小或受不重要零件；,（,2,）,受力中等或一般零件；,（,3,）,受力大的或重要的零件。,零件的结构分析及毛坯选择,二、轴杆件的分析与毛坯选择,对,结构类轴杆件,通常要求整体有优良的综合力学性能，交变载荷大时要求有高的,抗疲劳性能,。局部要求,高硬度、高耐磨性,。对,工具类轴杆件,，一般要求,高耐磨、高硬度,和一定的,韧性及足够的强度,。,图 轴杆类零件,表 轴杆件的选材,零件的结构分析及毛坯选择,三、盘套类零件的分析与毛坯选择,盘套件一般为,结构件,，要求具有一定的强韧性，而局部耐磨性要求高，选用,中碳或低碳的碳素或合金结构钢,。要求较低的可用铸铁，特殊的可选用非铁合金材料。,模具等工具类盘套件选用硬度和耐磨性高、强韧性适当的碳钢和合金钢。,图 盘套类零件,零件的结构分析及毛坯选择,三、盘套类零件的分析与毛坯选择,盘套件中应用最多的是齿轮零件，工作时齿部承受交变弯曲应力及冲击力，而齿面承受接触应力和摩擦力。易发生接触疲劳、磨损、折断和局部变形失效。要求芯部足够高的强度和韧性，齿部有高的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度。齿面有高的硬度和耐磨性。齿轮的选材见表，不同加工方法的毛坯齿轮如图所示。,表 齿轮的选材,图 不同加工方法的毛坯齿轮,零件的结构分析及毛坯选择,四、箱架件的分析与毛坯选择,箱架类工件一般作结构零件，整体性能要求强韧性较好，其台面、导轨等有相对滑动部分，要求较好的耐磨性。对箱体件因受力不大，要求有较好的刚度和密封性。,图 箱架类零件,不同类型零件毛坯选择举例,复习思考题,1.,试比较铸造、锻造、冲压、焊接等几种加工方法，在成形特点，对原材料的工艺性能要求，制件结构特征，金属组织特征、力学性能特征及主要应用范围等方面的差别。,2.,选择毛坯类型及其成形方法的六条基本原则是什么，它们之间的关系如何？,3.,试选取普通车床上的,8,10,个零件，分析在单件及批量生产的条件下，各零件毛坯的选择方案（毛坯类型、材料和成形方法）。