金属零件焊接结构设计

,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,*,第二十一讲 金属的焊接性与焊接结构设计,主讲：曹光明,金属的焊接性与焊接结构设计,一、,常用金属材料的焊接性,1,、焊接性概念,2,、碳当量,4,、低合金结构钢的焊接性,3,、碳钢的焊接性,二、,焊接应力与变形,三、焊接结构工艺设计,1,、焊接结构材料的选择,2,、焊接方法的选择,3,、焊接接头设计,3,、焊接变形及预防措施,2,、焊接应力及减小措施,5,、铸铁的焊补,4,、焊缝的设计,四、,常见的焊接缺陷,（了解）,1,、产生原因与变形形式,一、常用金属材料的焊接性,1,、焊接性概念,金属材料在一定的焊接工艺条件下，,获得优质焊接接头的难易程度。,金属的焊接性与焊接结构设计,焊接方法、材料、焊接规范、结构型式、预热及热处理等。,焊接性内容：,（,1,）工艺焊接性，,指焊接接头产生工艺缺陷的敏感性，,尤其是出现各种,裂缝的可能性；,（,2,）使用焊接性，,指焊接接头在使用中的可靠性，,包括焊接接头的力学,性能及其它特殊性能（如耐热、耐蚀性能等）。,2,、焊接性的评定,评定方法：,各种焊接试验。,C,当量,评定碳钢和普低钢的焊接性。,碳当量经验公式：,式中元素符号为钢中该元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。,金属的焊接性与焊接结构设计,当 ,0.4%,时，,塑性良好，,淬硬和冷裂倾向小，,焊接性好，,当,=0.40.6%,时，,塑性下降，,淬硬及冷裂倾向明显，,焊接性较差。,焊前适当预热，焊后缓慢冷却。,当 ,0.6%,时，,塑性较差。,淬硬和冷裂倾向严重，,焊接性很差，,焊前需要高温预热，,焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施，,焊后需要进行适当热处理等。,一般焊件不会产生裂纹。,3,、碳钢的焊接性,金属的焊接性与焊接结构设计,（,1,）低碳钢的焊接：,C,0.25%,，,塑性好，无淬硬倾向，焊接性好，,无需任何工艺措施，适于各种方法。,（,2,）中碳钢的焊接：,C=0.25-0.6%,，,淬火钢，焊接性由良好差。,焊缝及热影响区易产生气孔、裂纹。,工艺措施：,焊前预热（,150250,），,焊后缓冷并去应力回火。,焊件开坡口，,且采用细焊条、小电流、多层焊。,选用塑、韧性好的低氢型焊条，,提高焊缝塑性，防止裂纹。,（,3,）高碳钢的焊接：,含碳量高，导热性差，淬硬倾向大，,一般不用于制造焊接结构，,仅对损坏的机件进行焊补。,焊补时也要采取与中碳钢类似的工艺措施，以避免产生裂纹。,4,、低合金结构钢的焊接性,金属的焊接性与焊接结构设计,普低钢的焊接性与低碳钢类似，,但,b,焊接性,低强度普低钢：,s,400MPa,，,C,E,0.4%,，,焊接性良好，,无需工艺措施。,如：,16Mn,、,9Mn2,。,高强度普低钢：,s,400MPa,，,C,E,0.4-0.5%,，,焊接性较差，冷裂倾向大。,如：,15MnVN,、,18MnMoNb,、,14MnMoV,。,焊前预热（,150250,），,焊后缓冷；,选用低氢型焊条；,焊件开坡口，,且采用细焊条、小电流、多层焊。,5,、铸铁的焊补,金属的焊接性与焊接结构设计,（,1,）铸铁焊补的特点,接头易产生白口、硬化组织；,接头易产生裂纹；,焊缝区易产生气孔、夹渣。,熔池易流失，一般用于平焊补。,（,2,）铸铁焊补方法,热焊法：,焊前将焊件整体或局部预热至,600700,并施焊，焊后缓冷。,用于形状复杂，焊后需要机械加工的重要件。,如汽缸体、汽缸盖、机床导轨等。,5,、铸铁的焊补,金属的焊接性与焊接结构设计,冷焊法：,焊前不预热或低温预热（,400,）的焊补方法。,用于易变形件焊补。,冷焊法主要依靠焊条来调整焊缝的化学成分，,增强焊缝的石墨化能力，,以防止或减少白口和裂纹的产生：,钢芯铸铁焊条：,适用于非加工表面的焊补。,石墨化铸铁焊条：,适用于较大灰口铸铁件的焊补。,焊缝性能与母材基本相同，具有良好的加工性,铜基铸铁焊条：,主要用于一般铸铁件的焊补。,抗裂性好，可进行机械加工。,镍基铸铁焊条：,主要用于重要件加工表面的焊补。,良好的抗裂性与加工性,高钒铸铁焊条：,主要用于一般铸铁件的焊补。,可进行机械加工、塑性和抗裂较好。,二、焊接应力与变形,金属的焊接性与焊接结构设计,1,、焊接应力与变形产生的原因与形式：,焊件在焊接过程中受到不均匀加热和冷却。,低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成,（,a,）焊接中（,b,）冷却后,（,1,）原因：,金属的焊接性与焊接结构设计,（,2,）焊接变形的基本形式,变形形式,示意图,产生原因,收缩变形,由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向）收缩引起,角 变 形,由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起,弯曲变形,焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大引起,扭曲变形,由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭曲,波浪变形,薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起,金属的焊接性与焊接结构设计,2,、焊接应力变形预防措施,（,1,）焊前预热：,目的是减小焊件上各部分温差，,从而减小焊接应力和变形，,预热温度一般为,400,以下。,（,2,）选择合理的焊接顺序：,尽量使焊缝能自由收缩，,这样产生的残余应力较小。,采用分散对称焊工艺，,长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊法,金属的焊接性与焊接结构设计,2,、焊接应力变形预防措施,（,3,）加热减应区法：,加热减应区法,a,）焊接时,b,）冷却时,（,4,）反变形法：,（,5,）刚性固定法：,（,6,）设计时尽量减少焊缝的数量、长度和截面积，厚件两面坡口；焊缝尽量对称分布，避免密集和交叉。,金属的焊接性与焊接结构设计,3,、焊接应力变形的消除,（,1,）锤击焊缝：,焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击，,可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。,（,2,）焊后热处理：,焊后对焊件进行去应力退火,（,3,）焊接变形的矫正：,机械矫正,火焰矫正,金属的焊接性与焊接结构设计,三、焊接结构工艺设计,1,、焊接结构材料的选择,几条原则：,（,1,）优先选用低碳钢和低强度低合金钢。,（,2,）对于重要件应有先选用镇静钢。,（,3,）尽量选用同一牌号的材料。,（,4,）尽量选用型材。,以降低结构质量，减少焊缝数量，简化焊接工艺，增加结构件的刚性和强度。,（,5,）等厚度材料。,否则考虑过渡结构。,2,、焊接方法的选择,应依据下列原则：,（,1,）焊接接头使用性能及质量要符合结构技术要求。,（,2,）提高生产率，降低成本。,（,3,）焊接现场设备条件及工艺可能性。,金属的焊接性与焊接结构设计,三、焊接结构工艺设计,3,、焊接接头设计,（,1,）对接接头,接头上应力分布比较均匀，焊接质量容易保证，优先选用。,但对焊前准备和装配质量要求相对较高。,（,2,）搭接接头,便于组装，常用于对装配要求简单的结构，,但焊缝处易产生,应力集中和附加弯曲应力，,应力分布不均，,降低了接头强度，,且结构重量大，不经济，一般不用。,（,3,）角接接头、,T,形接头,受力情况比较复杂，,当焊件需要直角连接时采用。,金属的焊接性与焊接结构设计,三、焊接结构工艺设计,4,、焊缝的设计,（,1,）便于施焊,金属的焊接性与焊接结构设计,三、焊接结构工艺设计,4,、焊缝的设计,（,1,）便于施焊,（,2,）焊缝应避免密集交叉,（,3,）焊缝尽量对称,（,4,）应避开应力集中处和最大应力处,金属的焊接性与焊接结构设计,三、焊接结构工艺设计,4,、焊缝的设计,（,1,）便于施焊,（,2,）焊缝应避免密集交叉,（,3,）焊缝尽量对称,（,4,）应避开应力集中处和最大应力处,（,5,）应避开机械加工表面,（,6,）尽量减少焊缝数量及长度，缩小不必要的焊缝截面尺寸。,金属的焊接性与焊接结构设计,四、常见的焊接缺陷,缺陷,名称,示意图,特征,产生原因,气,孔,焊接时，熔池中的过饱和,H,、,N,以及冶金反应产生的,CO,，在熔池凝固时未能逸出，在焊缝中形成的空穴,焊接材料不清洁；弧长太长，保护效果差；焊接规范不恰当，冷速太快；焊前清理不当,裂,纹,热裂纹：沿晶开裂，具有氧化色泽，多在焊缝上，焊后立即开裂；,冷裂纹：穿晶开裂，具有金属光泽，多在热影响区，有延时性，可发生在焊后任何时刻,热裂纹：母材硫、磷含量高；焊缝冷速太快，焊接应力大；焊接材料选择不当；冷裂纹：母材淬硬倾向大；焊缝含氢量高；焊接残余应力较大,夹,渣,焊后残留在焊缝中的非金属夹杂物,焊道间的熔渣未清理干净；焊接电流太小、焊接速度太快；,操作不当,金属的焊接性与焊接结构设计,四、常见的焊接缺陷,缺陷,名称,示意图,特征,产生原因,咬,边,在焊缝和母材的交界处产生的沟槽和凹陷,焊条角度和摆动不正确；焊接电流太大、电弧过长,焊,瘤,焊接时，熔化金属流淌到焊缝区之外的母材上所形成的金属瘤,焊接电流太大、电弧过长、焊接速度太慢；焊接位置和运条不当,未焊透,焊接接头的根部未完全熔透,焊接电流太小、焊接速度太快；坡口角度太小、间隙过窄、钝边太厚,