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1、第三章 焊接,一 焊接生产的实质,焊接，就是在两块金属之间，用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合力，使分离的金属连接成牢固整体的一种工艺方法。,概述,两个物体只有相互接近到0.30.5nm的距离，才有可 能实现原子力的结合。,二 焊接方法的分类,1 熔化焊：,利用热源，将焊件接头熔化，并加入填充金属，凝固后彼此焊合在一起。,2 压力焊：,加热或不加热，接头受压力作用，产生塑性变形，使原子间产生结合力（组成新的晶格），将两工件连接起来。,熔化焊、压力焊和钎焊,3 钎焊：,接头只加热不加压，焊件不熔化，钎料加热到熔化状态扩散到接头中去。,硬钎焊：,软钎焊：,钎料的熔点450以上。,钎料
2、的熔点450以下。,二 焊接生产的特点,1 省工省料，构件轻便；,2 可以化大为小，以小拼大；,3 可以制造双金属结构，节省贵金属；,4 存在问题：影响质量的因素较多，易产生缺陷。,提高质量，消除缺陷是焊接生产的关键问题。,1 焊接的基本原理,一 熔化焊的冶金过程,1 冶金特点：,a 温度高,Fe+OFeO FeO+O Fe3O4 C+O CO Mn+O MnO Si+O SiO2 空气中的氮气亦可与铁发生反应，生成Fe2N或Fe4N,（两极2500K，弧柱区60008000K）,易在焊缝中产生氧化物、氮化物夹渣，降低焊缝的力学性能，使其变脆。,焊接材料中的元素烧损强烈，氧化氮化严重，,b 熔
3、池体积小，,冷却快，反应不平衡，成分不均匀，渣气不易浮出，形成气孔、夹渣，进一步导致焊缝力学性能下降。,c 电离出的氢原子大量溶于金属，导致金属脆化。,2 保证质量的措施：,a 对熔化金属进行保护，防空气侵入；,气体保护：,熔渣保护：,用化学性质不活波的气体充满焊缝周围，排开空气。,手工电弧焊中，焊条药皮燃烧产生CO2保护气体。,焊接过程中产生的熔渣覆盖在焊缝表面，以防金属被氧化、氮化。,b 补充易烧损的元素，保证焊缝的化学成分；,c 进行脱氧、硫、磷。(石灰石 氟石等脱硫磷),二 焊接接头的组织和性能（低碳钢）,焊接接头包括焊缝， 熔合区 (靠近焊缝的半熔化区)，热影响区 (临近熔合区)。,
4、1 焊缝：(熔化区),组织特点：,铸态组织，晶粒粗大，,力学性能：,不低于基本金属。,2 熔合区：(半熔化区),此区的高温组织为A+L，A体晶粒粗大，塑性差，易产生应力集中，出现裂纹，力学性能最差。,3 热影响区：,焊缝两侧受焊接热循环作用而发生组织性能变化的区域。,接头各点： 加热 迅速冷却,过热区：,最高加热温度1100AE线。,受高温影响，晶粒急剧长大，甚至产生过热组织。,塑性、韧性明显下降，易出现裂纹，力学性能最差。,正火区：,最高加热温度Ac31100，相当受到正火处理。,A体晶粒细小，冷却后组织细化，力学性能好。,部分相变区：,高温组织为F+A，相变不充分，晶粒不均，性能稍差。,再
5、结晶区：温度范围在AC1500。,工件焊经过冷塑性变形，在此区再结晶，细化晶粒，提高性能。,加热温度AC1AC3，组织发生部分相变。,4 影响焊接接头性能的因素,焊接材料：,焊条中的焊丝和药皮，影响焊缝的化学成份。,焊接方法：,不同的焊接方法其热影响区的宽度不同。,焊接工艺：,焊接速度快，电流小，则热影响区窄。,5 改善接头性能的方法：,采用合适的焊接材料，以保证焊缝的化学成份； 焊接方法和工艺：采用热影响区小的焊接方法，工艺上可用细焊条，多层焊。 调整焊接规范；减小焊接电流，加快焊接速度 以减少热输入； 焊后热处理。,三 焊接应力和变形,1 焊接应力和变形产生的原因：,对工件进行了不均匀的加
6、热和冷却。,3 减少和消除变形、应力的措施：,a 合理设计焊接结构:,减少焊缝长度、数量和断面积；,焊缝对称布置；,2 焊接变形的基本形式：,避免交叉焊缝；,收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形,拉,压,压,b 工艺措施：,c 矫正变形的方法,反变形法；,加余量法；,刚性固定；,合理的焊接顺序；,机械矫正,火焰加热矫正,焊前预热，碳钢件可预热到350400；,消除应力的方法 焊后热处理。,加0.10.2%的补缩量。,先条后块原则,2 常用熔化焊方法,一 焊条电弧焊,（一）焊条,1 组成：,焊条由焊丝（焊芯）和药皮两部分组成。,2 焊丝的作用：,导电、填充焊缝金属。,3 药皮的作用：,
7、主要是保证焊缝质量。,保护作用：药皮熔化，产生气体、熔渣，隔绝空气，保护熔滴和熔池。,稳弧作用：药皮中的K、Na的盐类电离，提高电弧的稳定性。,脱氧、脱硫磷、渗合金，提高焊缝金属的机械性能。,4 焊条的分类、型号与牌号：,焊条的种类：,按焊条的用途分十一大类：,碳钢焊条、低合金焊条、耐热钢焊条、铸铁焊条、不锈钢焊条,按药皮的主要成份分八类：,Ti型、TiCa型、钛铁矿型、氧化铁型、低氢钾型、低氢钠型,按熔渣的酸碱性分两类：,酸性焊条：酸性氧化物（FeO、TiO2）多于碱性氧化物（CaO、CaF2）,特点：氧化性强，合金烧损大，焊缝机械性能（、ak）低； 焊接工艺性好，对接头的清理要求不高（好焊
8、）； 价格便宜。,用途：广泛用于低碳钢、低合金钢和要求不高的结构件。,碱性焊条：药皮以碱性氧化物和萤石为主的焊条。,特点：药皮成份中CaCO3、CaF2、铁合金含量较多； 有机物含量少（低氢）；焊缝的抗裂性能好（ak）； 机械性能好（有益元素含量多）； 工艺性能差，对接头清理要求较严格； 价格较贵。,用途：要求较高的易裂材料和结构以及合金结构钢的焊接。,焊条的型号：,国家标准中的焊条代号。(以碳钢焊条为例),E ,例：E4316,表示为碳钢焊条，焊缝b430MPa，用于全位置焊接，药皮为低氢钾型。,焊条的牌号：,焊条行业统一的焊条代号。,用一个大写字母（或汉字）加三个数字来表示。,如 J 4
9、2 2（结422）,5 焊条的选用原则（以结构钢为例）,按照使用要求选大类；焊接结构钢，使用结构钢焊条,根据工作条件选强度，遵循等强度原则；,根据载荷性质、焊件形状、刚度、结构本身的材质、环境等情 况选焊条的酸碱性。,受动载（冲击、交变） ：,结构形状复杂、厚度大、刚度大：,碳、硫、磷含量高：,环境温度低、脆性大、冷却速度快：,碱性焊条,除此之外：应选酸性焊条,（二）特点：设备简单；操作灵活生产率低；质量不稳定,二 埋弧自动焊,1 焊接过程：,焊机将焊丝自动送入电弧区并保证选定的弧长（运条自动）；,焊接电弧在焊剂层下面燃烧（埋弧）。,2 埋弧自动焊的特点和应用：,生产率高：电流可以很大，常用到
10、1000A， 厚度小于25mm不开坡口。 运条自动，辅助时间少。,焊接质量好：保护比较严密，电弧稳定， 热影响区窄，焊缝成型美观。,金属消耗少：没有焊条头，熔深大，,劳动条件好：看不到弧光，很少有烟雾。,不能实现全位置焊接，位置窄时难焊。,焊前装配要求高。,设备复杂，一次性投资较大。,应用：成批焊接厚度为660mm的长直焊缝、 较大直径（D250mm）的环形焊缝水平位置焊接。,三 气体保护焊：,利用化学性质不活波的气体保护熔池和熔滴， 免受空气有害作用的电弧焊。,（一）氩弧焊,用氩气（Ar）来保护熔化金属。,1 特点：,保护效果好，焊接质量高； 电弧稳定，温度易控制，单面焊双面成型； 可进行全
11、位置焊接；氩气成本高。,2 应用：,焊接铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢等易氧化的有色金属和合金钢，只能在室内进行。,（二）二氧化碳气体保护焊：用CO2作为保护气体方法。,1 特点：,成本低，仅为焊条电弧焊的45%； 焊接质量较好（指低碳钢和低合金钢）； 生产率高，是焊条电弧焊的14倍：电流大，不用清渣。 可进行全位置焊接； 电流过大时，金属飞溅较大，烟雾较多，焊缝成型差；,2 应用：,焊接低碳钢和低合金钢，特别适合厚度小于3mm薄板。,CO2在高温 下具有氧化 性，烧损合 金元素！,不能焊接有色金属和合金钢,四 电渣焊,利用电流通过液态熔渣产生的电阻热熔化母材与电极,1 特点：,厚大截面焊缝一
12、次焊成，故生产率高，成本低； 焊缝金属纯净； 组织粗大，热影响区宽。,2 应用：,用于厚板（厚度40mm）的立缝焊接，焊后热处理。,3 压焊与钎焊,一 电阻焊,利用强大的电流（几千到几万A）通过焊件，在其接头处产生电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力的作用下形成焊接接头的焊接方法。,1 电阻焊的分类：,点焊：,在两块搭接工件接触面间形成焊点，而将工件焊在一起。,点焊应用于不要求密封的薄板（小于4mm）的焊接。,缝焊：,采用滚盘作电极，边焊边滚，形成连续的焊缝。,缝焊应用于厚度小于3mm的要求密封件，如油箱等。,对焊：,利用电阻热将两个工件在整个断面上焊接起来。两工件的断面形状应尽
13、量相同。,2 电阻焊的特点：,节省焊接材料，成本低； 热影响区小，时间短（0.01几秒），变形小； 生产率高； 设备复杂，耗电量大。,二 摩擦焊,利用两工件相互磨擦所产生的热，使工件端面达到热塑性状态，然后迅速加压完成焊接的一种压力焊方法。,接头质量好； 不用焊接材料； 同种或异种金属都可以焊 生产率高,三 钎焊：加热工件不熔化，钎料熔化。,（三）特点：温度低，应力和变形小，接头非常美观； 生产率高； 同种、异种金属均可焊； 接头强度较低，耐热温度较低。,（四）应用： 要求接头美观，对强度要求不高、形状复杂的电器和工具。,4 常用金属材料的焊接,一 金属材料的焊接性,（一） 概念： 焊接性又被
14、称为材料的可焊性 被焊金属材料在一定焊接工艺条件下， 获得优质接头的难易程度。,优质接头：,接头缺陷少,接头具有所要求的使用性能,（二 ）可焊性的影响因素,1 化学成份：,影响焊接性的主要因素。,例如：钢中含碳量、合金元素、淬硬倾向，接头脆 化，形成裂纹的倾向 焊接性,2 焊接方法：,焊接方法对金属材料的焊接性能有很大的关系。,3 焊接工艺：,焊件预热，可焊性提高；中、高碳钢焊前预热。,板厚增加，可焊性下降。 焊接材料(焊条等),（三） 估算钢料可焊性的方法,碳当量法：,此公式由国际焊接学会推荐，用于碳钢和低合金钢。,当C当0.4%时：冷裂倾向不大，焊接性良好，一般不需采取工艺措施。,当C当=
15、0.40.6%时：冷裂倾向明显，焊接性较差，需采用工艺措施来防止裂纹的产生。例如焊前预热，采用低氢型焊条。,当C当0.6%时：冷裂倾向严重，可焊性更差。 提高预热温度，采用碱性焊条，焊后缓冷。,二 常用金属材料的焊接特点,（一）低碳钢,C0.25%，焊接性良好，没有淬硬、冷裂倾向。,1 常用焊接方法：所有焊接方法都能焊好，常用手工电弧焊、埋弧自动焊。,2 工艺措施：,一般情况下不需采取特殊措施，当板厚大于50mm，低温（0以下）焊接时，应预热到100150 。,大刚度结构件低温焊接时，应考虑焊前预热或采用低氢型焊条。,常用焊条牌号：J422、J427,（二）中碳钢,C=0.25%0.6% C当
16、0.4%,焊接时易产生淬硬组织：过热区和正火区产生M体组织。,冷裂和热裂倾向明显，焊接性能差。,1 常用焊接方法：手工电弧焊、气焊。,2 工艺措施：,焊前预热，如45钢预热到150250。,焊后缓冷，如结构不允许预热，可用不锈钢焊条。,采用碱性焊条，如J507、J607。,细焊条、小电流、开坡口、多层多道焊。,（三）高碳钢,焊接性能更差，一般不采用这类钢做焊接结构。,C当0.6%,其焊接只用于工件的修补，焊接工艺措施和中碳钢相似。,（四）合金结构钢,焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢,1 常用焊接方法：,焊条电弧焊、埋弧自动焊。,2 焊接特点：,强度级别较低：淬硬倾向小，可焊性好，同低碳钢；
17、,强度级别较高：淬硬倾向较大，可焊性较差，形成淬火区，易产生冷裂纹。级别裂纹倾向。,3 工艺措施：,强度级别低的同低碳钢；,强度级别高的：,焊前预热，预热温度T150； 用碱性焊条； 焊后回火，T回=600650 ； 消氢处理：加热200300 ，保温26小时。,（五）铸铁,焊接性十分恶劣，主要用于铸铁件的修补。,1 特点：,熔化区易产生白口，难于加工； 易产生裂纹和气孔。,2 焊接工艺和方法：,热焊法：,焊件预热到600700，焊后缓冷。,焊条电弧焊：采用铸铁芯焊条（Z248）或 钢芯石墨化铸铁焊条（Z208）。,气焊：采用含硅高的铸铁焊条，C+Si=7%。,热焊法成本高，劳动条件差，但质量
18、能保证，焊后可加工。,冷焊法：,不预热或只预热到400 以下。,如焊后加工，采用镍基焊条，如Z308、Z508，有良好的抗裂性和加工性，但Ni比较贵重。,如焊后不加工，则可采用结构钢焊条，如J507，亦可采用铜基铸铁焊条。薄小件可用气焊。,设计焊接结构，需注意四方面的问题： 结构材料的选择；焊接方法的选择；焊缝的布置；接头及坡口形式设计。,一 结构材料的选择,在满足工作性能要求的前提下，尽可能选用焊接性好的材料。如低碳钢、强度级别低的合金结构钢。,三 焊缝布置,基本原则：,5 焊接结构设计,二 焊接方法的选择,1 尽量减少焊接工作量；,2 利于方便焊接，留有操作空间；,3 焊缝远离或避开加工面
19、，避开应力最大位置；,用型材代替板材拼焊，以减少焊缝的数量。,5 不同壁厚件的焊接要平滑过渡。,4 对称布置焊缝，分散布置焊缝；,对接,四 接头形式设计与坡口,1 接头形式：,常用的有对接、搭接、角接和T型接头。,根据结构的形状和工艺选用接头形式。,2 坡口形式：,开坡口的目的是保证焊透，如手弧焊熔深34mm。,3 接头的过渡：,结构最好两板厚度一致，不等厚应逐步过渡。,第四章 毛坯的选择,一 毛坯的种类：型材、铸件、锻压件、焊接件。,1 型材：组织致密、力学性能好。形状较简单受力较大的重要件。,2 铸件：力学性能不够好，用于受力不大或以受压应力为主的零 件，如支架、箱体类件。,3 锻件：力学
20、性能好，用于受重载、动载及复杂载荷的重要零件。,4 冲压件：适于加工形状复杂、批量较大的板料零件。,5 焊接件：铸焊、锻焊、冲焊结合可以弥补相应毛坯制造 方法的不足。,二 常用机械零件毛坯的成型方法：P178表41,三 毛坯的选择:,原则：适用性、经济性。,具体选择应考虑零件类别、用途、零件工作条件、零件的形状尺 寸、生产批量等方面。,1 轴杆类：光轴、阶梯轴、空心轴、曲轴和杆件等,按承载类型 ：,转轴：既承受弯矩又传递转矩的轴，如车床主轴，带轮的轴等。,传动轴：主要传递转矩而不承受或承受很小弯矩的轴。,心轴：承受弯矩而不传递转矩的轴，如自行车、汽车的前轴等。,轴杆类零件一般均为重要的受力和传
21、动用零件。,毛坯形式：锻件或型材。,异形断面或曲轴，亦可采用球墨铸铁铸造成形。,2 饼块类(盘套类)：,齿轮、飞轮、手轮、法兰、套环、垫圈等,齿轮：表面具有足够的强度和硬度，本体要有一定的强度和韧性。,中、小齿轮：一般选用锻件,结构复杂的大型齿轮：铸钢或球墨铸铁铸造成型。单件生产：焊接。,低速、受力小的齿轮：灰铸铁铸造成型。,要求传动精确、结构小巧的仪表齿轮：板材冲压成形。,高速轻裁的小齿轮：为减小噪声可用尼龙等非金属材料制造。,带轮、手轮、飞轮、垫铁和刀架：受力不大或受压为主 采用铸铁件，单件生产时，也可采用低碳钢焊接件。,垫圈类零件：一般采用低碳钢板冲压件。,法兰、气缸套、导向套、轴承等零件毛坯：一般为钢、铸铁、铜 合金等材料制成，成形方法可用砂型铸造、离心铸造或锻造。,机架、箱体类 ： 机身、机座、工作台、轴承座及齿轮箱、阀体、泵体等。,常采用铸铁毛坯、铸造成形。,受力复杂的可采用铸钢。,有时可采用焊接件制造毛坯， 但焊接结构减振性不如铸铁。,