金属工艺学焊接.ppt
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1、第 四 篇 焊 接,、焊接的概述,本质-是通过加热或加压(或者两者并用)使分离金属构件于连接处达到原子间结合,从而获得不可拆卸接头的材料成形方法,满足使用要求。,原理 1)局部加热至熔化,通过凝固结晶而连接。 2)局部加压加热至塑性状态而连接。 3)通过其他物理方式获得连接效果。,焊接方法的分类,1)熔化焊 接头局部加热至熔化状态,通过结晶凝固而连接成不可拆卸的整体。 主要包括电弧焊、气体保护焊等。,2)压力焊 对焊件施加压力(可同时加热)通过塑性连接、金属再结晶和原子扩散获得原子间结合。主要包括压力焊 (点焊、缝焊、对焊等)、摩擦焊等。,3)钎焊 低熔点钎料熔化并渗入被焊工件接头间隙中扩散而
2、实现连接。,焊接成形的特点,1)节省材料,减轻结构件的重量。,2)可化大为小、以小拼大。,3)可实现异种金属的连接。,4)焊接应力变形大,接头易产生 裂纹、 夹渣、气孔等缺陷。,应用 广泛用于制造各种金属结构,如桥梁、船 舶、密封压力容器、化工设备、机车车辆和飞行 器等。,二、熔焊工艺基础,1.焊接电弧 介于电极与焊件间的气体介质中,产生的强烈而持久的放电现象,伴随有强烈的光和热,产生高温。,电弧电源:交流电和直流 电两种。,电弧工作电压:1635V,温度分布: 电弧中心区:60008000K 阳极区:2600K 阴极区:2400K,电弧结构:由阳极区、阴极区和弧柱区构成。,电弧的极性,直流电
3、源正接极:,直流电源反接极:,工件正极(阳极);焊条负极(阴极)。,工件负极(阴极);焊条正极(阳极)。,用于薄板金属的焊接,2、电弧焊质量控制,焊缝区冶金反应激烈,但不平衡。 焊接接头组织不均,性能脆弱。 产生焊接应力与变形,降低承载能力。,1)焊缝区冶金反应激烈,但不平衡,基于电弧强热高温,连接处局部熔化,熔池内冶金反应激烈,金属蒸发,气体离子还原成原子状态,金属烧损,形成氧化夹杂。,熔池小,冷却快,液体停 留时间短,冶金反应不平 衡,有害气体(H2)进入 熔池,焊缝性能下降。,焊缝冶金质量控制途径: 对熔池(液态金属)实行隔离空气保护。,方法: 熔渣保护:焊条电弧焊、埋弧自动焊、 电渣焊
4、等; 气体保护: Ar 气保护、CO2气体保护。 向熔池添加合金元素,调整冶金成分。,2)焊接接头组织不均,性能脆弱,焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区构成。,1,2,3,4,焊接工件上温度的变化与分布,1,2,3,4,焊接接头的组织与性能分析,焊缝区 焊缝组织是由液态金属结晶成的铸态组织,宏观组织是柱状粗晶粒。成分偏析严重,组织不致密。 熔合区 是焊缝向热影响区过渡的区域,是焊缝和母材金属的交界区。其加热温度处于固相线和液相线之间,常是裂纹和局部脆性破坏的发源区。在低碳钢焊接接头中,很大程度上决定着焊接接头的性能。,热影响区(36mm),部分相变区(Ac1Ac3):不完全正火或淬火, 力学性
5、能减弱。力学性能比正火区稍差。,正火区(Ac3Ac3+100200 C ): 受热正火 (奥氏体化,空泠)热处理,力学性能改善。 其力学性能优于母材。 对于中碳、高碳钢、合金钢,有淬火倾向, 出现马氏体,硬度脆化。,过热区(Ac3+100200 C至固相线温度): 晶粒显著粗大, 形成过热组织,塑性、韧性差。,焊缝附近的母材组织和性能发生变化的区域。,结论: 焊缝两旁相当于进行了一次不同温度热处理,热影响区组织变异,对焊接接头性能不利,使之脆弱,且熔焊过程中无法自动消除,常采用焊后热处理(正火)消除或改善。,3)产生焊接应力与变形,原因 焊件局部不均匀加热和冷却,膨胀和收缩 受到牵制,相关部位
6、产生焊接应力并出现变形。,焊接中,冷却后,应力规律 焊缝区拉应力(+) 远离焊缝两侧对应边缘压应力(-),焊接应力的防止及消除措施, 设计时焊缝不要密集交叉,截面和长度要尽可能 的小,以减少焊接局部过热。 选择合适的焊接顺序 先焊收缩量较大的焊缝;先焊工作时受力较大的焊缝;先焊错开的短焊缝,后焊直通长焊缝, 当焊缝处在较高温度时,敲击和碾压焊缝,使之伸长,以减少焊接应力 采用小能量,多层焊 。 焊前将工件预加热(150C350C), 缩小焊缝与周围的温差。焊后均匀缓慢冷却。 焊后进行去应力退火。,变形规律 焊接变形越大,焊接应力减小,通过变形来平衡或释放应力,即变形总朝力图减小焊接应力的方向弯
7、曲或扭曲。,焊接变形形式 整体尺寸收缩、角变形、弯曲、扭曲、波浪变形等。,防止或减小焊接变形措施 (1)结构设计合理; (2)采用正当焊接工艺; 如:刚性固定法 反变形法,用夹具防止焊件变形示意图,(3)焊缝分散,不宜密集和过于交叉; 焊缝设计时应尽可能对称布置。,(4)合理安排焊接次序;对于长焊缝,应分段施焊。,(5)焊后矫正处理(机械矫正;火焰矫正)。,三、电弧焊 1、焊条电弧焊(手工电弧焊),是利用焊条与工件间产生的电弧热,将工件 和焊条熔化而进行的焊接方法。,)焊条电弧焊的焊接过程,电弧向前移动,新的熔池 形成,过后熔池凝固,构成连续焊缝。,熔池保护:熔化了的熔渣浮起并受热分解出 CO
8、2、CO和H2,对熔池实施熔渣和气体双保 护,防止O2、N2侵入。,熔池形成:电弧热同时熔化焊条端部和工件 连接处。,药皮作用 造渣、造气(CO2);稳弧 隔离空气,保护熔池; 渗入合金元素,调整成份。,焊芯作用 导电、填充焊缝金属; 要求低硫、低磷、低碳; 专用冶炼、轧制与拉拔而成;,) 电焊条 电焊条用于焊条电弧焊; 电焊条由外覆药皮和中间焊芯组成;,3) 电焊条的分类,结构钢焊条J; 钼和铬耐热钢焊R; 低温钢焊条W; 奥氏体不锈钢焊条A; 堆焊焊条D; 铸铁焊条Z; 镍及镍合金焊条Ni ; 铜及铜合金焊条T; 铝及铝合金焊条L; 特殊用途焊条TS,按化学成分分:,碱性焊条 药皮熔渣中碱
9、性氧化物比酸性氧化物多。 。如J507表示用于厚板的结构钢焊条,熔敷金属抗拉强度不低500MPa;低氢钠型药皮,采用直流电源。,酸性焊条 药皮熔渣中酸性氧化物比碱性氧化物多。如J422表示结构钢焊条,熔敷金属抗拉强度不低于420MPa;氧化钛钙型药皮,交直流电源两用。,按熔渣性质分:,焊条选用, 焊条直径以焊芯直径表示,标准系列1.6,2.0, 2.5,3.2,4.0,5.0,6.0,8.0。, 对动载或受冲击等重要零件的焊接,用碱性焊条。, 满足焊缝与母材等强度要求,焊缝金属成分与 母材基本一致。,4)焊条工艺参数, 焊接速度:保护焊透,焊缝良好前提下尽 量快速施焊。, 焊机空载电压:607
10、0V。 电弧工作电压:2035V。, 焊接电流 =(3045)d焊条(A), 焊条(焊芯)直径与被焊件厚度相当。 d件=3mm,焊条d=2.5,3mm; d件=47mm,焊条d=3.2,4mm;,2 、埋弧焊,1)技术方案 焊剂层下熔渣覆盖电弧; 焊机带着焊丝匀速沿工件坡口移动或工件相 对焊机机头移动。 熔剂从漏斗中不断输送覆盖被焊部位。大部 分熔剂不熔化,可重新回收使用。,埋弧自动焊的纵横截面图,2)埋弧焊主要特点 焊缝质量好,焊缝均匀美观; 焊接效率高。电流大,熔深大,焊接速度 快,焊丝自动进给。 节省焊接材料,中厚板不开坡口,一次焊 透,多余焊剂回收使用,降低了损耗。 劳动条件较好,暗弧
11、操作,实现了机械化, 减少了烟尘。,3)应用: 平焊,长直焊缝,大直径焊缝。不适合薄板、 环形焊缝。,3、气体保护焊(氩弧焊、CO2气体保护焊),氩弧焊分为: 熔化极氩弧焊; 不熔化极氩弧焊。,氩弧焊是以氩气作为保护(熔池)气体的电 弧焊。高温下,Ar不电离,不熔于金属。氩弧焊 质量很高。,1)氩弧焊,熔化极氩弧焊,以连续送进的焊 丝作为电极,用氩气 (纯度99.7%)保护 熔池,可供焊接厚度 25mm以下的板件。,钨极氩弧焊 以高熔点的钨棒(含铈)为电极,钨极不熔化,只起导电和引弧作用。因通过电流有限,故只适于焊6mm以下的薄板,多用直流焊接电源。,特点 电弧稳定,飞溅小,没有熔渣,焊缝致密
12、,成形美观; 熔池金属受Ar保护,明弧可见,易实现自动化,可用弧焊机器人操作; 热量集中,焊接速度快,热影响区窄,变形小;,应用 适于焊接各类合金钢、不锈钢、耐热钢,非 铁金属及铝、镁、钛等有色金属材料;但氩 气较贵,相对成本较高。 东风公司主要用于水箱进,排水管焊接,铝合金零件的焊接和补焊。,2)二氧化碳气体保护焊 用焊丝作电极,焊丝自动送进并熔化,用CO2 气体保护熔池金属,隔离空气。 CO2属于氧化性气体,电弧分解出O和CO,造成熔池金属氧化烧损、飞溅,需要高Mn、高Si焊丝,如H08MnSiA或 H08Mn2SiA焊丝等。,特点 成本低。主要是CO2廉价易得,为埋弧焊或焊条电弧焊的40
13、%; 生产效率高。比焊条电弧焊高13倍, 基于送丝自动化; 明弧操作,容易及时发现质量事故并处理 质量比焊条电弧焊稳定。热影响区域小,变形和裂纹倾向小;,应用 广泛用于造船和车辆制造。如:东风公司主要用于车身总成,车箱总成,后桥壳、传动轴转向、传动机构零部件,车轮总成等。,3)等离子弧焊与切割 实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊 等离子弧 电弧焊中的一般电弧,称为自由电弧。,等离子弧是基于三 种压缩效应的细小收缩 电弧,使得弧柱内的 气体(Ar或N2)完全 电离,能量高度集中, 温度高达16000K以上。,等离子弧的三种压缩效应: 机械压缩 电弧(气体电离)通过细孔道喷嘴,弧柱受到强力压
14、缩; 强冷压缩(热压缩) 一定压力和流量的冷气,冷气均匀包围着电弧,使弧柱外围受到强烈冷却,弧柱被进一步压缩。 电磁压缩 带电粒子流自身磁场新生电磁力使得弧柱进一步缩小 。,特点与应用, 既可用于焊接,也可用于切割。切割效率高于 氧化切割倍(氧气切割时,切割处金属 在纯氧气中燃烧)。, 焊后焊缝宽度和高度均匀一致,焊缝表面光洁 平滑。, 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,可用于焊接很薄的 箔材。, 等离子弧能量密度大,弧柱温度高,穿透能力 强,焊接速度快,生产率高。焊1012mm的钢 板可依次焊透并双面成形。,应用 主要用于焊接或切割不锈钢,合金钢,钨、钼、
15、钴、钛等难熔金属,非金属材料;也可用于焊接或切割铜、铝及其合金。主要用于国防工业及尖端技术中,如钛合金导弹壳体、飞机乃至飞行器的薄壁容器以及微型电器、电容的外壳等。,复 习 题,焊接电弧是怎样的一种物理现象?电弧各区的温度有多高? 何谓焊接热影响区?各区段对焊接接头性能有何影响? 产生焊接应力与变形的原因是什么?如何减小或消除焊接应力?如何预防和消除焊接变形? 说明电焊条的构成及各部分的作用? 等离子弧和一般电弧有何异同?等离子弧切割和氧气切割的原理和应用有何不同? 试从质量、效率、成本和应用等方面比较焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊和co2气体保护焊的生产特点?,四、压力焊与钎焊,、电阻焊,根据接
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