機械制造工藝基礎課件壓焊和可焊性和焊接結構設計

1、壓焊、可焊性、焊接結構設計,李海艷華中科技大學船海學院,3.3.2 壓焊工藝,1 電阻焊,2 摩擦焊,3 超聲波焊,4 擴散焊,5 爆炸焊,壓力焊的物理本質：通過加熱等手段使金屬達到塑性狀態(tài)，加壓使其產生塑性變形、再結晶和擴散等作用，使兩個分離表面的原子接近到晶格距離（0.3-0.5nm)，形成金屬鍵，從而獲得不可拆卸接頭的一類焊接方法。 壓力焊的兩要素：（1）熱源：使金屬達到塑性狀態(tài)，提高原子的擴散能力。電阻熱、高頻熱、摩擦熱

2、。（2）力：使金屬產生塑性變形和再結晶。靜壓力、沖擊力和爆炸力。,緒論,電阻焊是利用電阻熱為熱源，并在壓力下通過塑變和再結晶而實現焊接的。1、熱源：當電流從兩電極流過焊件時，因焊件電阻而產生電阻熱：Q=I2Rt , R=Rc+2Rew+2Rw。,①接觸電阻Rc+2Rew：因接觸面上存在的微觀凸凹不平、氧化物等不良導體膜，使電流線彎曲變長，實際導電面積減小所致。,一、電阻焊的原理及過程,② 影響接觸電阻的因素：工件表面狀態(tài)。表面愈

3、粗糙、氧化愈嚴重、接觸電阻愈大。電極壓力。壓力愈高、接觸電阻愈小。如再將壓力降低，接觸電阻將不能回到加壓前的數值。焊前預熱。焊前預熱將會使接觸電阻大大下降。③ 焊件電阻。,2、力：用來調整電阻大小，改善加熱。產生塑性變形或在壓力下結晶。同時細化晶粒，焊合缺陷等。3、電阻焊過程：預壓、通電加熱、在壓力下冷卻結晶或塑性變形和再結晶。為使焊縫生成在兩板的貼合面附近，接觸面上必須要有一定的接觸電阻。,二、電阻點焊： 點焊過程：

4、電阻點焊是用圓柱電極壓緊工件，通電、保壓獲得焊點的電阻焊方法。通電后，因兩工件間接觸電阻的存在，使貼合面處溫度迅速上升到熔點以上。斷電后，熔核立即開始冷卻結晶，由于有維持壓力或頂鍛壓力的作用，從而消除了縮孔和縮松等缺陷，產生塑變和再結晶，細化晶粒，獲得組織致密的焊點。,1、點焊時的分流： I=I1+I2 I1=K?/L工件愈厚、導電性愈好、點距愈小、分流愈嚴重。,2、點焊時的熔核偏移：在焊接不同

5、厚度或不同材料時，因薄板或導熱性好的材料，吸熱少，而散熱快，導致熔核偏向厚板或導熱差的材料的現象。熔核偏移易使焊點減小，導致接頭性能下降?？刹捎锰厥怆姌O和工藝墊。,3、點焊工藝參數：大電流，短時間稱為強規(guī)范。主要用于薄板和導熱性好的金屬的焊接，也可用于不同厚度或不同材料及多層薄板的點焊。小電流，長時間稱為弱規(guī)范。主要用于厚板和易淬火鋼的點焊。 點焊應用1、2,縫焊是連續(xù)的點焊過程，它是用連續(xù)轉動的盤狀電極代替了柱狀電極，焊后獲得相

6、互重疊的連續(xù)焊縫?？p焊分流嚴重，通常采用強規(guī)范焊接，焊接電流比點焊大1.5-2倍?？p焊主要用于低壓容器，如汽車、摩托車的油箱、氣體靜化器等的焊接。,,,三、電阻縫焊：,對焊是利用電阻熱將工件斷面對接焊接的一種電阻焊方法。（1）電阻對焊：先將工件夾緊并加壓，然后通電使接觸面溫度達到塑性溫度(950-1000℃)在壓力下塑變和再結晶形成固態(tài)焊接接頭。,四、對焊：,（2）閃光對焊： 先通電，后接觸，形成閃光。閃光一方面

7、排除了氧化物和雜質，另一方面使對口處的溫度迅速升高。 閃光對焊主要用于鋼軌、錨鏈、管子、車輪等的焊接，也可用于異種金屬的焊接。因接頭中無過熱區(qū)和鑄態(tài)組織，所以性能高。,摩擦焊是利用焊件接觸面相對旋轉運動中相互摩擦所產生的熱，使端部達到塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法 。,摩擦焊,1）接頭的焊接質量好、穩(wěn)定，其廢品率是閃光對焊的1%左右。適于焊接異種鋼和異種金屬，如碳素結構鋼-高速鋼、銅-不銹鋼、鋁-銅、鋁-鋼等。

8、2）焊件尺寸精度高，可以實現直接裝配焊接。焊接生產率高，是閃光焊的4～5倍。與閃光對焊比較，節(jié)省電能80%～90%左右,摩擦焊優(yōu)點,摩擦焊主要應用于 汽車、拖拉機工業(yè)中的焊接結構、產品以及圓柄刀具 。,摩擦焊應用,將兩工件壓緊在一起并置于真空或保護氣氛中加熱，使兩焊件表面微觀凸凹不平處產生塑性變形達到緊密接觸，經過較長時間的保溫和原子擴散而形成固態(tài)冶金連接的壓焊方法稱為擴散焊。擴散焊分固態(tài)擴散焊和瞬時液相擴散焊兩類。,擴散焊,焊接過程中

9、沒有液相生成，始終保持固態(tài)接觸的擴散焊方法稱為固態(tài)擴散焊。,固態(tài)擴散焊,在壓力和溫度的共作用下，使工件表面的凸起部分產生塑性變形，使接觸面積從1%增大到75%，為原子間的擴散作好準備的過程稱為變形-接觸階段 。因界面產生較大的晶格畸變、位錯和空位，使界面處原子處于高度激活狀態(tài)，而很快擴散形成金屬鍵，并經過回復和再結晶產生晶界的推移，形成固態(tài)冶金結合的過程稱為擴散-界面推移階段 。經過長時間保溫擴散，消除孔洞，界面晶粒長大，原始界面消

10、失的過程稱為界面和孔洞消失階段,擴散焊中的變形接觸,液相生成：在一定溫度下，利用中間夾層材料與兩焊件接觸處形成低熔點共晶液相，填充接頭間隙 。等溫凝固：液相中使熔點降低的元素大量擴散至焊件母材中，而焊件母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔點逐漸升高而凝固形成接頭。均勻化：保溫擴散使接頭成分均勻化。,液相擴散焊,擴散焊特點：焊接溫度低（0.4～0.8倍的焊件熔點），可焊熔化焊難焊接的材料，如高溫合金及復合材料。 可焊結構復雜、精度要

11、求高的焊件。焊縫可與母材成分和性能相同，無熱影響區(qū)。 擴散焊應用：擴散焊主要用于高溫合金蝸輪葉片和超音速飛機中鈦合金構件的焊接；鈦-陶瓷靜電加速管的焊接；異種鋼的焊接；高溫合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金、復合材料、金屬與陶瓷等的焊接。,擴散焊特點及應用,爆炸焊是利用炸藥爆炸時產生的高壓（700MPa）和高溫（3000℃）及高速（500～1000m/s）沖擊波作用在覆板上，使其與基板猛烈撞擊，接觸處產生射流清除表面的氧化物等雜質，

12、并在高壓下形成固態(tài)接頭的焊接方法 。,爆炸焊,釬 焊,釬焊是將熔點比焊件低的釬料加熱熔化后滲入固態(tài)焊件間的間隙內，將焊件連接起來的焊接方法。根據釬料的熔點不同釬焊可分為硬釬焊和軟釬焊。,1 硬釬焊 釬料熔點高于450℃，接頭強度較高(＞200MPa)，主要用于受力較大或工作溫度較高的工件。常用的釬料有銅基、銀基和鎳基合金等。熔劑為硼砂、硼酸、氯化物和氟化物的各種組成物。主要用于受力較大的鋼材、銅合金構件的焊接和刀具、工具的

13、焊接。,2 軟釬焊 釬料低于450℃，接頭強度低(≤100MPA )，主要用于受力較小或工作溫度較低的工件。常用的釬料是錫鉛合金(焊錫)。熔劑是松香、氯化鋅或氯化銨溶液。軟釬焊廣泛用于受力不大的鋼結構、銅合金構件和儀表、導電元件的焊接。,釬焊的加熱方式有烙鐵加熱、火焰加熱、電阻加熱、爐內加熱和鹽浴加熱等，其中烙鐵加熱溫度低，只適合軟釬焊。 常見釬焊的接頭形式如圖4-21。,釬焊的特點是：① 工件加

14、熱溫度較低，組織和性能變化很小， 變形也小。接頭光滑平整，工件尺寸精確。② 可焊接性能差異很大的異種金屬, 對工件厚 度無限制。③ 對工件整體加熱時，可同時釬焊由多條焊 縫組成的復雜形狀構件，生產率高。④ 釬焊設備簡單，生產投資費用少。⑤釬焊接頭一般為搭接，接頭間隙為0.05-0.2mm.⑥ 釬焊焊劑用來消除表面氧化膜和防止釬料的氧化。,3.4 金屬材料的焊接性3.4.1 金屬材料的可焊

15、性,1、可焊性的概念：可焊性是指被焊金屬在采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數及結構形式的條件下，獲得優(yōu)質接頭的難易程度。①工藝可焊性：焊接接頭產生工藝缺陷的傾向。②使用可焊性：焊接接頭在使用中的可靠性。,2、估算鋼材可焊性的方法：①碳當量：C當量=C+Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 C當量0.6%時，可焊性差。,第二節(jié) 碳鋼的焊接,一、低碳鋼的焊接：含碳量不大于0.25%，塑性好，一般沒有

16、淬硬傾向，對焊接熱過程不敏感，可焊性良好。焊這類鋼時，不需要采取特殊的工藝措施，通常在焊后也不需要進行熱處理（電渣焊除外）。低碳鋼工件用手工電弧焊時一般采用J422或J427焊條，埋弧自動焊時一般用H08A或H08MnA+焊劑431。二、中、高碳鋼的焊接：中碳鋼：C：0.25~0.6。（1）熱影響區(qū)易產生淬硬組織和冷裂縫：,第二節(jié) 碳鋼的焊接,中碳鋼屬于易淬火鋼，熱影響區(qū)易出現馬氏體等淬硬組織。如焊件剛性較大或工藝不恰當時

17、，就會在淬火區(qū)產生冷裂縫。(2)焊縫金屬熱裂縫傾向較大： 因母材含碳量與硫、磷雜質遠遠高于焊條鋼芯，母材熔化后進入熔池，使焊縫金屬含碳量增加塑性下降，加上硫、磷低熔點雜質的存在，焊縫及熔合區(qū)在相變前就可能因內應力而產生裂縫。,第二節(jié) 碳鋼的焊接,因此，焊接中碳鋼構件，焊前必須進行預熱，以減小焊接應力，同時減慢熱影響區(qū)的冷卻速度，避免產生淬硬組織。 高碳鋼焊接性能更差，一般只是進行修復。工藝措施更嚴格。,三. 鑄

18、鐵的補焊,1. 鑄鐵的焊接性 鑄鐵碳、硅含量高，塑性很差，屬于焊接性很差的材料?；静豢紤]作為 焊接結構件, 只是對鑄造生產時產生的一些鑄造缺陷或在使用過程中鑄件產生的局部破損進行焊補和修復。鑄鐵件的焊補和修復常用手弧焊和氣焊，焊補方法分為熱補焊和冷補焊。,鑄件在焊接時易產生以下問題：① 熔合區(qū)易產生白口組織和淬火組織;② 鑄鐵因強度低、塑性差，焊接時極易產生裂紋;③ 鑄鐵因碳、硅含量高，焊接時極易產生CO、C

19、O2和熔渣，易產生氣孔和夾渣缺陷;④ 鑄鐵熔化后，流動性好，只適合平焊.,2. 熱補焊 熱補焊是鑄件焊前預熱到600℃～700℃，焊后緩冷的方法。熱焊法成本較高，勞動條件差，生產率低，一般用于焊補需要切削加工的形狀復雜的鑄件和重要鑄件, 如內燃機 缸蓋和氣缸體等。,3. 冷補焊 冷補焊是鑄件不預熱或預熱溫度在400℃以下的焊接方法，主要用于焊補質量要求不高的鑄件。焊接時采用細焊條小電流、短弧分段焊接工藝, 焊后隨即

20、輕輕錘擊焊縫以松弛應力防止裂紋。,第三節(jié) 合金結構鋼的焊接,焊接結構中，用得最多的是低合金結構鋼。普通低合金鋼在我國一般按屈服強度分等級，主要用于制造壓力容器、鍋爐、橋梁、船舶、車輛、起重機等。普通低合金鋼一般采用手工電弧焊和埋弧自動焊，此外，厚板可用電渣焊，也可采用氣體保護焊，強度級別較低的可以用CO2氣體保護焊，屈服強度大于500MPa的高強鋼，宜用富氬混合氣體保護焊(例如Ar 80% + CO2 20%)。,第三節(jié)

21、 合金結構鋼的焊接,第三節(jié) 合金結構鋼的焊接,其焊接特點：（1）熱影響區(qū)的淬硬傾向: 焊接低合金鋼時，熱影響區(qū)可能產生淬硬組織，淬硬程度與鋼材的化學成分和強度級別有關。碳及合金元素的含量越高，鋼材強度級別就越高，焊后熱影響區(qū)的淬硬傾向也越大。（2）焊接接頭的裂縫傾向：延遲裂縫 強度越高，焊接性能降低。,第五節(jié) 有色金屬的焊接,一、銅及銅合金的焊接銅及銅合金的焊接比低碳鋼困難得多，其原因是：① 銅的導

22、熱性很高 ，因此，焊前工件要預熱，焊接時要選用較大電流或火焰 。② 銅在液態(tài)易氧化，容易產生較大的焊接應力。 ③ 銅在液態(tài)時吸氣性強，特別容易吸氫。 ④ 銅的電阻極小，不適于電阻焊接。 ⑤ 銅合金中的合金元素有的比銅更易氧化，使焊接的困難增大。,第五節(jié) 有色金屬的焊接,銅及銅合金可用氬弧焊、氣焊、碳弧焊、釬焊等方法進行焊接。采用氬弧焊是保證紫銅和青銅焊接質量的有效方法。 氣焊紫銅及青銅時應采用嚴格的中性焰。黃銅的焊接

23、，目前最常用的焊接方法仍是氣焊，一般用輕微的氧化焰，采用含硅的焊絲。,第五節(jié) 有色金屬的焊接,二、鋁及鋁合金的焊接鋁及鋁合金的焊接也比較困難，其焊接特點是：① 鋁與氧的親和力很大 ；② 鋁的導熱系數較大，要求使用大功率或能量集中的熱源，鋁的膨脹系數也較大，易產生焊接應力與變形。③ 液態(tài)鋁能吸收大量的氫。④ 鋁在高溫時強度及塑性很低，因此常需采用墊板。,第五節(jié) 有色金屬的焊接,目前焊接鋁及鋁合金的常用方法有氬弧焊、氣

24、焊、點焊、縫焊和釬焊。氬弧焊是焊接鋁及鋁合金較好的方法，由于氬氣的保護作用和氬離子對氧化膜的陰極破碎作用，焊接時可不用焊劑，但氬氣純度要求大于99.9%。,第六節(jié) 異種金屬的焊接性分析,異種金屬焊接通常要比同種金屬的焊接困難，因為除了金屬本身的物理化學性能對焊接有影響外，兩種金屬材料性能的差異會更大程度上影響它們之間的焊接。1．結晶化學性的差異 兩種被焊金屬在冶金上是否相容取決于它們在液態(tài)和固態(tài)時的互溶性以及在焊接過程中是否

25、會產生金屬間化合物（脆性相）。因此，在選擇材料搭配時，首先要滿足互溶性。,第六節(jié) 異種金屬的焊接性分析,2．物理性能的差異 金屬的物理性能主要是熔化溫度，膨脹系數，導熱系數和電阻率等。它們的差異將影響焊接的熱循環(huán)過程和結晶條件，增加焊接應力，降低接頭質量，使焊接困難。異種金屬的焊接方法 1．熔焊 異種金屬焊接中應用較多的是熔焊方法，采用熔焊最大特點是控制稀釋率和金屬間化合物的產生。,第六節(jié) 異種金屬的焊接性分析,為

26、了減少稀釋率，降低熔合比或控制不同金屬母材的熔化量，?？蛇x用熱源能量密度較高的電子束焊、激光焊、等離子弧焊等方法。 2．壓焊 當焊接異種金屬接頭時，壓焊具有一定的優(yōu)越性，只要接頭形式允許，采用壓焊往往是比較合理的選擇。不過，大多數壓焊方法對接頭形式具有一定要求。,§3.4 焊接件的結構工藝性,設計焊接件時, 不僅要考慮到焊件的使用性能，還要考慮低廉。焊件結構工藝性應包括結構材料的選擇、接頭形式、焊縫布置焊件結構的工藝性能，

27、使焊件生產簡便、質量優(yōu)良、成本等方面。,一. 焊接結構材料的選擇 1. 在滿足焊接件使用性能的前提下，應盡量選用焊接性能良好的材料。 低碳鋼和普通低合金鋼的焊接性良好，價廉，焊接工藝簡單，易于保證焊接質量，應優(yōu)先選用。而＞0.5%C的碳鋼和碳當量＞0.6%的合金鋼焊接性能不好，應盡量避免采用。 在選用兩種不同材料進行焊接時，應注意它們焊接性的差異。,2. 在設計焊接結構時，應多采用工字鋼、槽鋼和鋼管等成

28、型材料，對形狀比較復雜的部分可以采用鑄鋼、鍛鋼和沖壓件來焊接。這樣可減少焊縫數量、簡化焊接工藝，還可以增加結構件的強度和鋼度，如圖4-22。,3. 焊接結構件應盡量采用同等厚度的材料焊接，有利于避免應力集中、接頭兩邊受熱不均而產生焊不透等缺陷。如采用厚度不等的材料焊接時應在較厚的板材上加工出過渡形式，如圖4-23。,二. 焊接接頭形式,1. 常見接頭形式 接頭基本形式有對接接頭、搭接接頭、角接接頭和T形接頭。接頭形式的選擇主

29、要根據結構形狀、使用要求和焊接生產工藝而定。,2. 接頭形式的選用 對接接頭應力分布均勻、接頭質量容易保證、節(jié)省材料，是使用最多的接頭形式，重要的受力焊縫應盡量選用。但焊前準備和裝配要求較高。 搭接接頭不需開坡口、裝配要求不高，常應用于受力不大的架結構，但搭接接頭受力時產生附加彎矩，且金屬消耗量較大，一般應避免采用。 當接頭構成直角或一定角度連接時，則必須采用角接接頭和T形接頭。,3.坡口

30、形式、選用及加工要求 當焊件厚度較大時，為保證焊透，接頭處應根據工件厚度加工出各種坡口，如圖4-24(a) 、(b) 、(c) 。,由上圖可知，常用的坡口形式為I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口和K形坡口等。 V形和U形坡口單面焊，焊條容易到位，但焊后變形較大，焊條消耗量也大。 X形和雙U形坡口受熱均勻，變形小,焊條消耗較少, 但必須雙面施焊，有時受焊件結構所限制?！?因此，坡口形式的選擇主要

31、根據板厚和熔透要求，同時應考慮坡口加工經濟性和焊接工藝性。通常，要求焊透的重要受力焊縫應盡量采用雙面焊，以利于保證質量。,三. 焊縫的布置,1. 焊縫的位置應便于操作,2. 焊縫應避開應力最大和應力集中的部位,3. 焊縫布置應盡可能分散 焊縫的交叉和密集使接頭部位嚴重過熱，組織惡化，性能下降，而且會產生變形和裂紋(圖4-27)。,4. 焊縫位置應盡可能對稱，以便減少變形,5. 焊縫位置應遠離加工表面,,結構名稱：

32、中壓容器材料：16MnR（原材料尺寸為1200×5000mm2）件厚：筒身12mm；封頭14mm；入孔圈20mm；管接頭7mm生產數量：小批生產,典型焊件的工藝設計,筒身用鋼板冷卷，分為三節(jié)，為避免焊縫密集，筒身縱焊縫可相互錯開180°，封頭應采用熱壓成型，與筒身連接處應有30mm～50mm的直段，使焊縫躲開轉角應力集中位置。人孔圈如卷板機功率有限，可加熱卷制，其工藝圖如下圖。,工藝設計要點,3.5 焊接結構設

33、計,3.5.1 焊件材料的選擇1、盡量選用可焊性好的材料：（1）C < 0.25%的低碳鋼或CE < 0.4%的低合金鋼。（2）盡量選用鎮(zhèn)靜鋼。2、異種金屬焊接時焊縫應與低強度金屬等強度，而工藝應按高強度金屬設計。3、盡量采用工字鋼、槽鋼、角鋼和鋼管等型材。,3.5.2 焊接方法的選擇,1、單件生產鋼結構件時：（1）板厚在3-10mm,強度較低，且焊縫較短應選用手弧焊。（2）板厚在10mm以上，焊縫為長直焊縫或

34、環(huán)焊縫應選用埋弧焊。（3）板厚小于3mm，焊縫較短應選用CO2焊。2、大批量生產鋼結構時：（1）板厚小于3mm,無密封要求應選用電阻點焊。有密封要求應選用縫焊。,3.5.2 焊接方法的選擇,（2）板厚在3-10mm，焊縫短應用CO2焊，焊縫長應用埋弧焊。（3）板厚大于35mm，應用電渣焊。3、焊接鋁和銅合金時，應用氬弧焊。4、焊接超薄材料、難熔金屬或活潑金屬時，應用等離子弧焊、電子束焊或激光焊，也可采用超聲波焊。5、焊接多

35、層復合板時，應采用擴散焊或爆炸焊。,3.5.3 焊接接頭工藝設計,一、焊縫的布置：（1）焊縫應盡可能分散。（2）焊縫的位置應盡可能對稱分布。（3）焊縫應盡可能避開最大應力和應力集中的位置。（4）焊縫應盡量避開機械加工表面。（5）應便于焊接操作。,3.5.3 焊接接頭工藝設計,2、接頭形式的選擇與設計：（1）焊接碳鋼和低合金鋼的接頭形式：,,典型焊件的工藝設計,結構名稱：中壓容器材料：16MnR（原材料尺寸為1200