工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,工程材料與熱加工基礎(chǔ)第十一章 焊接,機(jī)械工程系金工教研室,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,引言 第一節(jié) 焊接的基本原理 第二節(jié) 焊條電弧焊 第三節(jié) 其它焊接方法 第四節(jié) 壓焊與釬焊 第五節(jié) 堆焊與熱噴涂 第六節(jié) 常用金屬材料的焊接 第七節(jié) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 參 考 資 料,第十一章 焊 接,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,引言,1、何為焊接？ 焊接是通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。 1）.熔焊 將待焊處母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法稱為熔焊。 2）.壓焊 焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力（加熱或加熱），以完成焊接的方法稱為壓焊。 3）.釬焊 釬焊是硬釬焊和軟釬焊的總稱。采用比母材金屬熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材溶化溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,2、焊接分類,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、 焊接的實(shí)質(zhì) 二、 焊接熱過(guò)程對(duì)焊接接頭組織、性能的影響 三、 焊接應(yīng)力與變形,第一節(jié) 焊接的基本原理,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、 焊接的實(shí)質(zhì),焊接的實(shí)質(zhì)是使兩個(gè)分離的物體通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用，在用或不用填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯(lián)系與質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用形成一個(gè)整體的過(guò)程。 1. 焊接電弧 由焊接電源供給、具有一定電壓的兩極間或電極與母材間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象稱為焊接電弧。電弧燃燒后，弧柱中充滿了高溫電離氣體，放出大量的熱能和強(qiáng)烈的光。焊接電弧由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱三部分組成。如圖3-1所示。陰極區(qū)是電弧緊靠負(fù)電極的區(qū)域，陰極區(qū)很窄，約為0.1um-0.01um，溫度約為2400K。陽(yáng)極區(qū)是指電弧緊靠正電極的區(qū)域，陽(yáng)極區(qū)較陰極區(qū)寬，約為10um-1um，溫度約為2600K。電弧陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)之間的部分稱為弧柱，弧柱區(qū)溫度最高，可達(dá)6000K-8000K。焊接電弧兩端間（指電極端頭和熔池表面間）的最短距離稱為弧長(zhǎng)。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-1 焊接電弧示意圖,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,2. 焊接的冶金特點(diǎn),1）熔池中冶金反應(yīng)不充分，化學(xué)成分有較大的不均勻性，常常發(fā)生偏析、夾雜等缺陷。 2）在高溫電弧作用下，氧、氫、氮等氣體分子吸收電弧熱量而分解成化學(xué)性質(zhì)十分活潑的原子或離子狀態(tài)，它們很容易溶解在液體金屬之中，造成氣孔、氧化、脆化和其它缺陷。 3）在熔劑或藥皮中加入比鐵氧化能力強(qiáng)的硅鐵、錳鐵等物質(zhì)，除起到滲入合金作用、補(bǔ)充燒損元素外，亦可起到脫氧作用。 4）焊縫中硫或磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.04%時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋。因此，應(yīng)選用含硫、磷低的焊接原材料，并通過(guò)在焊劑或藥皮中加石灰石、氟石等脫硫脫磷，以保證焊縫質(zhì)量。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-2 低碳鋼焊接熱影響區(qū)的組織變化,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,二、 焊接熱過(guò)程對(duì)焊接接頭組織、性能的影響,（一） 焊接熱循環(huán)焊接時(shí)，電弧沿焊件逐漸移動(dòng)并對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱。焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分稱為焊縫。焊縫及其鄰近區(qū)域的總稱叫焊縫區(qū)。 在焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)金屬?gòu)某乇患訜岬阶罡邷囟?，然后再逐漸冷卻到常溫。由于焊件上各點(diǎn)所處的位置不同，其被加熱的最高溫度亦不相同；而熱量的傳遞需要一定的時(shí)間，故各點(diǎn)達(dá)到其最高溫度的時(shí)間亦不相同。在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程稱為焊接熱循環(huán)。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(二)焊縫區(qū)的金屬組織與性能 1. 焊縫金屬區(qū) 焊縫金屬區(qū)指在焊接接頭橫截面上測(cè)量的焊縫金屬的區(qū)域。熔焊時(shí)，是指由焊縫表面和熔合線所包圍的區(qū)域；電阻焊時(shí)，是指焊后形成的熔核部分。 焊接加熱時(shí)，焊縫金屬區(qū)的溫度在液相線以上，母材金屬和填充金屬熔化后共同形成液態(tài)熔池。冷卻結(jié)晶是以熔池和母材交界處半熔化狀態(tài)的母材金屬晶粒為結(jié)晶核心，沿著垂直于散熱面的反方向生長(zhǎng)，成為柱狀晶的鑄態(tài)組織。 2. 熔合區(qū) 焊縫與母材交接的過(guò)渡區(qū)，即熔合線處微觀顯示的母材半熔化區(qū)。此區(qū)是焊縫和母材金屬的交界區(qū)，溫度在固相線和液相線之間，焊接過(guò)程中母材金屬部分熔化，故亦稱半熔化區(qū)。熔化的金屬凝固成鑄態(tài)組織，未熔化的金屬因加熱溫度過(guò)高成過(guò)熱粗晶，其塑性和韌性明顯變差，容易產(chǎn)生裂紋和脆性破壞。雖然此區(qū)只有0.1mm-0.4mm，但它對(duì)焊接接頭的性能影響很大，是焊接接頭的危險(xiǎn)區(qū)域之一。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,3. 熱影響區(qū) 是焊接或切割過(guò)程中，材料因受熱的影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。按其組織特征又可分為以下四個(gè)區(qū)域： （1） 過(guò)熱區(qū) 指焊接熱影響區(qū)中，具有過(guò)熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。此區(qū)的溫度范圍為固相線至1100，因加熱溫度過(guò)高，奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，使其塑性明顯下降，尤其是沖擊韌度下降20-30，對(duì)于易淬火鋼，此區(qū)脆性更大，是熱影響區(qū)中性能最差的部位。焊接剛度大的結(jié)構(gòu)件，此區(qū)容易產(chǎn)生裂紋。 （2） 細(xì)晶區(qū) 此區(qū)溫度范圍為Ac3以上，而尚未達(dá)到過(guò)熱溫度。由于焊后為空冷，相當(dāng)于熱處理后的正火組織，亦稱正火區(qū)。此區(qū)的力學(xué)性能優(yōu)于母材金屬。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,（3） 不完全重結(jié)晶區(qū) 此區(qū)溫度范圍為Ac3至Ac1之間。在此區(qū)間珠光體已轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，部分鐵素體深入奧氏體，尚未溶入奧氏體的鐵素體晶粒不斷長(zhǎng)大。空冷時(shí)，奧氏體又折出較細(xì)的鐵素體，到Ar1線時(shí)，殘余奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣参鼋M織珠光體，未深入奧氏體的鐵素體卻將粗大晶粒保持下來(lái)，亦稱部分相變區(qū)。該區(qū)金相組織很不均勻，力學(xué)性能較差。 （4） 再結(jié)晶區(qū) 此區(qū)溫度范圍在Ac1至500-450之間。焊前經(jīng)過(guò)冷變形加工的焊件，由于母材中有晶格畸變及碎晶組織，當(dāng)加熱到該溫度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生回復(fù)及再結(jié)晶而細(xì)化，其力學(xué)性能提高。焊前未經(jīng)冷加工變形的焊件不存在再結(jié)晶區(qū)。s,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖113 平板焊接過(guò)程中的應(yīng)力與變形形成原理示意圖,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(二)焊接裂紋與焊接變形的形式 焊接時(shí)，在任何情況下焊接應(yīng)力總是存在的。當(dāng)焊接應(yīng)力超過(guò)該材料相應(yīng)溫度的屈服應(yīng)力時(shí)，焊件將產(chǎn)生變形；超過(guò)材料的斷裂應(yīng)力時(shí)，焊件將會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。焊接裂紋包括縱向裂紋、橫向裂紋、內(nèi)部裂紋、根部裂紋等；焊接變形的基本形式有角變形、彎曲變形、波浪變形、收縮變形、扭曲變形、錯(cuò)邊變形等，見(jiàn)圖11-4。,圖11-4 焊接變形形式(a),工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-4 焊接變形形式(b),圖11-4 焊接變形形式(c),工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-4 焊接變形形式(d),工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(三)預(yù)防和減小焊接應(yīng)力及焊接變形的措施 1. 合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu) 盡量減少焊縫及焊縫的長(zhǎng)度和截面積，并盡量使結(jié)構(gòu)中的所有焊縫對(duì)稱，避免交叉焊縫等，詳見(jiàn)焊接結(jié)構(gòu)工藝性一節(jié)。 2. 焊前預(yù)熱 焊前對(duì)焊件預(yù)熱，可減少焊件各部分的溫差，對(duì)減小焊接應(yīng)力與變形較為有效。重要焊件可整體預(yù)熱，還有局部預(yù)熱即焊前選擇焊件的合理部位局部加熱使其伸長(zhǎng)，焊后冷卻時(shí)，加熱區(qū)與焊縫同時(shí)收縮。 3. 反變形法 根據(jù)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算，確定工件焊后產(chǎn)生變形的方向和大小，焊前將工件預(yù)先斜置或彎曲成等值反向角度，以期達(dá)到焊后與所要求的工件角度正好吻合。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,4. 剛性固定法 采用工裝夾具或定位焊固定，此法可顯著減小但不能完全消除焊后殘余變形。 5. 選擇合理的焊接順序 應(yīng)盡量使焊縫的縱向和橫向都能自由收縮，避免交叉焊縫處應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂紋；采用對(duì)稱焊接順序以減小變形；長(zhǎng)焊縫可采用分段退焊法或跳焊法。 6. 錘擊焊縫法 用圓頭小錘對(duì)焊后紅熱的焊縫金屬進(jìn)行均勻適度錘擊，以延伸變形，補(bǔ)償其收縮，同時(shí)釋放出部分能量，減小焊接應(yīng)力和變形。 7. 強(qiáng)迫冷卻法 將焊縫區(qū)的熱量迅速散掉，使焊接時(shí)金屬受熱面積減小，此法又稱散熱法。 8. 焊后熱處理 采取去應(yīng)力退火的方法將焊件整體或局部加熱到600-650，保溫一定時(shí)間后（不小于1h）緩慢冷卻，這樣可消除焊接余應(yīng)力80-90。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(四)接變形的矯正 1. 機(jī)械矯正法 即用機(jī)械的方法將變形矯正過(guò)來(lái)，生產(chǎn)中常用的設(shè)備有輥床、壓力機(jī)、矯直機(jī)等；薄板焊接最常見(jiàn)的變形為波浪變形，其矯正較難，一般用錘擊法進(jìn)行矯正 2. 火焰矯正法 采用局部加熱焊件的某些部位，使其受熱時(shí)膨脹，受周圍冷金屬制約引起長(zhǎng)度方向被壓縮，冷卻時(shí)收縮而矯正變形。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,電弧焊是利用電弧作為熱源的熔焊方法，簡(jiǎn)稱弧焊。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。焊條電弧焊具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)，且焊接性好，對(duì)焊接接頭的裝配尺寸無(wú)特殊要求，可在各種條件下進(jìn)行各種位置的焊接，是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的焊接方法。但焊條電弧焊時(shí)有強(qiáng)烈弧光和煙塵污染，勞動(dòng)條件差，生產(chǎn)率低，對(duì)工人技術(shù)水平要求較高，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定。因此，主要應(yīng)用于單件小批量生產(chǎn)中焊接碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼和對(duì)鑄鐵的補(bǔ)焊等。適宜板厚為3mm-20mm。 一、焊條電弧焊電源 二、焊條 三、焊條電弧焊接工藝規(guī)范,第二節(jié) 焊條電弧焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、 焊條電弧焊電源,1. 電源的要求 焊條電弧焊電源應(yīng)具有適當(dāng)?shù)目蛰d電壓和較高的引弧電壓，以利于引弧，保證安全；當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，焊接電流增大，電弧電壓應(yīng)急劇下降；還應(yīng)保證焊條與焊件短路時(shí)，短路電流不應(yīng)太大；同時(shí)焊接電流應(yīng)能靈活調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的焊件及焊條的要求。 2. 電源種類 （1） 交流弧焊機(jī) 它是一種特殊的降壓變壓器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但電弧穩(wěn)定性較差。 （2） 直流弧焊機(jī) 直流弧焊機(jī)有弧焊發(fā)電機(jī)（由一臺(tái)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)直流弧焊發(fā)電機(jī)組成）和焊接整流器（整流式直流弧焊機(jī)）兩種類型。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,二、 焊條,焊條的組成和作用 焊條是涂有藥皮的供焊條電弧焊用的熔化電極，由藥皮和焊芯兩部分組成。 焊芯在焊接過(guò)程中既是導(dǎo)電的電極，同時(shí)本身又溶化作為填充金屬，與熔化的母材共同形成焊縫金屬；藥皮是壓涂在焊芯表面的涂料層，主要作用是在焊接過(guò)程中造氣，起保護(hù)作用，防止空氣進(jìn)入焊縫；同時(shí)具有冶金作用，如脫氧、脫硫、脫磷和滲合金等；并具有穩(wěn)弧、脫渣等作用，以保證焊條具有良好的工藝性能，形成美觀的焊縫。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,2. 焊條的分類 (1)焊條按熔渣的化學(xué)性質(zhì)分為兩大類 1）酸性焊條 溶渣呈酸性，藥皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化 物。 2）堿性焊條 熔渣呈堿性，藥皮的主要成分為CaCo3和CaF2 。 (2)焊條按用途可分為十一大類 碳鋼焊條、低合金鋼焊條、鉬和鉻鉬耐熱鋼焊條、低溫鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條、鎳及鎳合金焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條、特殊用途焊條。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(3) 焊條型號(hào) 由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定各類焊條的型號(hào)編制方法。如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳鋼焊條型號(hào)為E，其中，字母E表示焊條；前二位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值；第三位數(shù)字表示焊接位置，0及1表示焊條適用于全位置（平焊、立焊、橫焊、仰焊）焊接，2為平焊及平角焊，4表示焊條適用于向下立焊；第三位和第四位數(shù)字組合時(shí)表示焊接電流種類及藥皮類型。在第四位數(shù)字后附加R表示耐吸潮焊條；附加M表示耐吸潮和力學(xué)性能有特殊規(guī)定的焊條；附加-1表示沖擊性能有特殊規(guī)定的焊條。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,3.焊條的選用 （1）按強(qiáng)度等級(jí)和化學(xué)成分選用 1）焊接一般結(jié)構(gòu)，如低碳鋼、低合金鋼結(jié)構(gòu)件時(shí)，一般選與焊件強(qiáng)度等級(jí)相同的焊條，而不考慮化學(xué)成分相同或相近。 2）焊接異種結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，按強(qiáng)度等級(jí)低的鋼種選用焊條。 3）焊接特殊性能鋼種，如不銹鋼、耐熱鋼時(shí)，應(yīng)選用與焊件化學(xué)成分相同或相近的特種焊條。 4）焊件碳、硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，應(yīng)選用堿性焊條。 5）焊接鑄造碳鋼或合金鋼時(shí)，因?yàn)樘己秃辖鹪氐馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而且多數(shù)鑄件厚度、剛度較大，形狀復(fù)雜，故一般選用堿性焊條。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,（2）按焊件的工況條件選用焊條 1）焊接承受動(dòng)載、交變載荷及沖擊載荷的結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)選用堿性焊條。 2）焊接承受靜載的結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)選用酸性焊條。 3）焊接表面帶有油、銹、污等難以清理的結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)選用酸性焊條。 4）焊接在特殊條件，如在腐蝕介質(zhì)、高溫等條件下工作的結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)選用特殊用途焊條。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,（3）按焊件形狀、剛度及焊接位置選用焊條 1）厚度、剛度大、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選用堿性焊條。 2）厚度、剛度不大，形狀一般，尤其是均可采用平焊結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)乃嵝院笚l。 3）除平焊外，立焊、橫焊、仰焊等焊接位置的結(jié)構(gòu)件應(yīng)選用全位置焊條。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,三、 焊條電弧焊接工藝規(guī)范,1. 焊條直徑的選擇 焊條直徑主要取決于焊件厚度、接頭形式、焊縫位置、焊層（道）數(shù)等因素。根據(jù)焊件厚度平焊時(shí)焊條的選用原則：一般當(dāng)焊件板厚t4mm時(shí)，焊條直徑d=t；當(dāng)t4mm時(shí)，常采用多層焊，焊條直徑為4mm-6mm。 2. 焊接電流的選擇 焊接電流大小根據(jù)焊條直徑來(lái)選擇。 焊接電流選擇亦可用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，估算公式為：I=Kd，式中I-焊接電流（A）；d-焊條直徑（mm）；K-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，常取30-40（A/mm）。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、 埋弧焊 二、 氣體保護(hù)電弧焊 三、 電渣焊 四、 等離子弧焊 五、 電子束焊 六、 激光焊,第三節(jié) 其它焊接方法,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、 埋弧焊,1. 定義：電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法稱為埋弧焊。 2. 特點(diǎn)： 1）生產(chǎn)率高； 2）焊接質(zhì)量高、穩(wěn)定； 3）節(jié)約金屬材料； 4）改善勞動(dòng)條件。,3. 應(yīng)用：常用來(lái)焊接厚度為6mm-60mm的長(zhǎng)直焊縫和較大直徑（一般不小于250mm）的環(huán)形焊縫。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,二、 氣體保護(hù)電弧焊,用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊，簡(jiǎn)稱氣體保護(hù)焊。 （一） 氬弧焊 1. 定義：氬弧焊是使用氬氣作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊。 2. 特點(diǎn)： 1）焊件不易氧化； 2）便于操作，容易實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)化； 3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 4）焊縫致密，成形美觀； 5）焊接成本高。 3. 應(yīng)用：主要用于焊接易氧化的有色金屬和合金鋼，如鋁、鎂、鈦及其合金、耐熱鋼、不銹鋼等。為了防止保護(hù)氣流破環(huán)，氬弧焊只能在室內(nèi)進(jìn)行。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,（二） 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊 1. 定義：利用CO2作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊，簡(jiǎn)稱CO2焊。 2. 特點(diǎn)： 1）電流密度大，生產(chǎn)效率高； 2）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 3）焊縫氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，接頭抗裂性好； 4）焊接成本低。,3. 應(yīng)用： 適合于各種位置的焊接，目前，CO2焊已在全國(guó)廣泛普及，大有在短時(shí)間內(nèi)取代焊條電弧焊的發(fā)展勢(shì)頭。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,三、 電渣焊,1. 定義：電渣焊是利用電流通過(guò)液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。 2. 特點(diǎn)： 1）厚大截面可一次焊成，生產(chǎn)效率高； 2）焊縫金屬比較純凈； 3）接頭組織粗大，焊后需進(jìn)行正火處理。,3. 應(yīng)用：適用于板厚40mm以上結(jié)構(gòu)的焊接。一般用于直縫焊接，目前，電渣焊已在我國(guó)水輪機(jī)、水壓機(jī)、軋鋼機(jī)、重型機(jī)械等大型設(shè)備制造中得到廣泛使用。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,四、 等離子弧焊,1. 定義：借助水冷噴嘴對(duì)電弧的拘束作用，獲得較高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊接的方法稱為等離子弧焊。 2. 特點(diǎn)： 1）焊件不易氧化； 2）便于操作，容易實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)化； 3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 4）焊縫致密，成形美觀； 5）電弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁結(jié)構(gòu)； 6）弧柱溫度高，焊接速度快，生產(chǎn)率高。,3. 應(yīng)用：等離子弧焊接已日益廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，特別是國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)所用銅合金、合金鋼、鎢、鉬、鈷、鈦等金屬的焊接。如鈦合金的導(dǎo)彈殼體、波紋管及膜盒、微型繼電器、電容器的外殼封接及飛機(jī)上一些薄壁容器等均可用等離子弧焊。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-5 等離子弧焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,五、 電子束焊,定義：利用加速和聚焦電子束轟擊置于真空或非真空中焊件所生的熱能進(jìn)行焊接的方法稱為電子束焊。 2. 特點(diǎn)： 1）焊縫金屬純度高； 2）焊縫表面質(zhì)量好，內(nèi)部熔合性好； 3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 4）控制靈活，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)。 3. 應(yīng)用：電子束焊應(yīng)用廣泛，從微型電子線路組件、真空膜盒、鉬箔蜂窩結(jié)構(gòu)、原子燃料器件到大型的導(dǎo)彈外殼都可以采用電子束焊接。此外，熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、溶解度相差很大的異種金屬，在真空中使用的器件和內(nèi)部要求真空的密封器件等，用真空電子束焊接也能得到良好接頭。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-6 電子束焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,六、 激光焊,1. 原理：利用激光器受激產(chǎn)生的激光束，通過(guò)聚焦系統(tǒng)聚焦到十分微小的焦點(diǎn)，當(dāng)調(diào)焦到焊件接頭處時(shí)，光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而使金屬熔化形成接頭。 2. 特點(diǎn)： 1）焊接熱影響區(qū)極小，焊件難于變形； 2）焊件不易被氧化，可在空氣中焊接； 3）焊接設(shè)備與焊件間無(wú)接觸，可焊接難于接近的接頭。,3. 應(yīng)用：激光焊比較容易實(shí)現(xiàn)異種金屬和異種材料的焊接，目前已廣泛用于電子工業(yè)和儀表工業(yè)中微型件的焊接。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-7 激光焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法稱為壓焊。 一、 電阻焊 二、摩擦焊 三、釬焊,第四節(jié) 壓焊與釬焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法稱為電阻焊。 電阻焊分為對(duì)焊、點(diǎn)焊和縫焊。 (一)對(duì)焊 對(duì)焊是使用兩個(gè)被焊工件沿整個(gè)接觸面焊合的電阻工藝。按工藝不同可分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊。見(jiàn)圖3-8。 1. 電阻對(duì)焊 電阻對(duì)焊是將工件裝配成對(duì)接接頭，使其端面緊密接 觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。電阻對(duì)焊適用于直徑20mm以下的棒料和管材的焊接。 2. 閃光對(duì)焊 工件裝配成對(duì)接接頭，接通電源，并使其端面逐漸移近達(dá)到局部接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)（產(chǎn)生閃光），使端面金屬熔化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，迅速施加頂鍛力完成焊接的方法，稱為閃光對(duì)焊。 閃光對(duì)焊廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械制造、電氣工程等部門，如鋼筋、鋼管、汽車輪緣、自行車輪圈、切削刀具，以及鋁銅電纜過(guò)渡接頭的焊接等。,一、 電阻焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-8 對(duì)焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(二)電阻點(diǎn)焊 電阻點(diǎn)焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法，見(jiàn)圖11-9。 電阻點(diǎn)焊主要適用于各種薄板、板料沖壓結(jié)構(gòu)及鋼筋構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)機(jī)、輕工、電子器件、儀表和日常生活用品的生產(chǎn)中。,圖11-9 點(diǎn)焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(三)膠接點(diǎn)焊 膠接點(diǎn)焊是以膠接加強(qiáng)電阻點(diǎn)焊強(qiáng)度的連接方法。它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新工藝。與電阻點(diǎn)焊相比，膠接點(diǎn)焊接頭的搭接抗剪強(qiáng)度可提高3倍，疲勞強(qiáng)度可提高9倍。 (四)縫焊 工件裝配成搭接接頭、對(duì)接接頭、T形接頭、角接接頭等接頭形式（如圖3-11所示），并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓工件并轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法稱為縫焊，見(jiàn)圖3-10。 縫焊主要應(yīng)用于焊縫較規(guī)則，有密封要求的3mm以下薄壁結(jié)構(gòu)，如消聲器、油箱、小型容器等。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-11 常用焊接接頭形式（a）,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-11 常用焊接接頭形式(b),工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-11 常用焊接接頭形式(c),圖11-11 常用焊接接頭形式(d),工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端面達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。 摩擦焊的特點(diǎn)：焊接表面不易氧化，接頭質(zhì)量穩(wěn)定，不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷，廢品率低，無(wú)需焊條、焊劑及填充金屬，操作簡(jiǎn)單、成本低、生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化。同種金屬及異種金屬均可施焊。摩擦焊適用于圓形截面的棒材或管材，亦可將管材焊在平板上。實(shí)心焊件截面直徑為2mm-100mm，空心焊件最大外徑可達(dá)幾百毫米。,二、摩擦焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,釬焊是硬釬焊和軟釬焊的總稱。采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。常用釬焊設(shè)備見(jiàn)圖11-12、11-112。,三、釬焊,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-12 網(wǎng)帶式釬焊爐,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-13 保護(hù)氣氛銅釬焊爐,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,根據(jù)釬料的熔點(diǎn)不同，釬焊分為以下兩類。 硬釬焊 使用硬釬料（熔點(diǎn)高于450）進(jìn)行的釬焊稱為硬釬焊。常用的釬料有銅基、銀基、鋁基、鎳基等合金。釬劑常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。加熱方法有火焰加熱、鹽浴加熱、爐內(nèi)加熱、電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱等。硬釬焊接頭強(qiáng)度較高，可達(dá)490 MPa，適用于受力較大及工作溫度較高的焊件，如自行車車架，切削刀具等。 軟釬焊 使用軟釬料（熔點(diǎn)低于450）進(jìn)行的釬焊稱為軟釬焊。常用的釬料為錫、鉛釬料。焊劑為松香、松香酒精溶液、氯化鋅溶液等。多用烙鐵加熱，接頭強(qiáng)度較低，在40Mpa-140Mpa之間，用于受力不大或工作溫度較低的工件，如電子器件、儀器、儀表等。,釬焊的特點(diǎn)是：加熱溫度低，焊件本身不熔化，故接頭組織與性能變化小，焊件的應(yīng)力和變形也小，易保證焊件尺寸，接頭光滑平整，外形美觀，同種、異種金屬均可焊接，設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但接頭強(qiáng)度低，耐熱溫度不高，焊前對(duì)焊件清理要求較嚴(yán)，不適于大型構(gòu)件,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、堆焊 為增大或恢復(fù)焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的焊接稱為堆焊。 堆焊的目的是提高零件表面的耐磨、耐熱、耐蝕等性能或修復(fù)已磨損的零件使其恢復(fù)原尺寸。堆焊時(shí)必須根據(jù)其目的不同選用合適的堆焊焊條，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB984-85對(duì)各種不同堆焊焊條的型號(hào)、堆焊層金屬化學(xué)成分、堆焊后硬度等指標(biāo)都作出了詳細(xì)規(guī)定。需要時(shí)可進(jìn)行查閱。 金屬極焊條電弧焊堆焊是最簡(jiǎn)單的堆焊方法，堆焊時(shí)采用小電流、短電弧。為了防止焊件變形和減小焊接應(yīng)力，堆焊時(shí)應(yīng)盡量縮小熱影響區(qū)。為了使熱量分散，焊道間可采用間跳堆焊，縱向?qū)ΨQ堆焊或螺旋形堆焊，見(jiàn)圖11-14，若需多層堆焊時(shí)，層與層之間的堆焊方向可互成90度。,第五節(jié) 堆焊與熱噴涂,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,圖11-14 堆焊焊道形式,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,二、熱噴涂 熱噴涂是將熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過(guò)高速氣流使其霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。噴涂材料可以是線材，也可以是粉末材料。噴槍熱源可以是氣體火焰，也可以是電弧或等離子弧等。 金屬噴涂時(shí)，由于熔融金屬被霧化后高速噴射到金屬表面，所以噴涂層含有金屬氧化物粒子，比軋制材料更硬、更脆、且具有多孔性。除各種金屬線材的噴涂外，還可以噴涂制成粉末材料的陶瓷、玻璃、塑料等非金屬材料，以滿足各種零件表面性質(zhì)的使用要求。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、金屬材料的焊接性 二、碳素鋼的焊接 三、低合金鋼的焊接 四、不銹鋼的焊接 五、鑄鐵的補(bǔ)焊 六、有色金屬的焊接,第六節(jié) 常用金屬材料的焊接,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,金屬材料的焊接性是指材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、構(gòu)件類型及使用要求四個(gè)因素的影響。焊接性的好壞主要從兩個(gè)方面來(lái)衡量。一是焊接工藝性的優(yōu)劣，如焊接接頭產(chǎn)生的缺陷，尤其是出現(xiàn)各種裂紋傾向的大??；二是焊接接頭在使用過(guò)程中的可靠性，如焊接接頭的力學(xué)性能、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等方面性能的持久性。一般情況下，合金的含碳量越高，其焊接性就會(huì)越差。,一、金屬材料的焊接性,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,二、碳素鋼的焊接,低碳鋼的焊接 低碳鋼塑性好，一般沒(méi)有淬硬傾向，對(duì)焊接熱過(guò)程不敏感，具有良好的焊接性。焊接時(shí)一般不需要采取特殊的工藝措施即可獲得優(yōu)質(zhì)接頭。但對(duì)于厚度大于50mm的構(gòu)件，需用多層焊，焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力退火；在低溫條件下焊接剛度大的構(gòu)件時(shí)，由于溫差大而變形又受到限制，會(huì)導(dǎo)致較大的焊接應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，重要構(gòu)件常進(jìn)行焊后去應(yīng)力退火或正火。 低碳鋼可以用各種方法進(jìn)行焊接，常用的是焊條電弧焊、埋弧焊、電阻焊、電渣焊和氣體保護(hù)焊。一般結(jié)構(gòu)常使用酸性焊條，如E4303，E4320，E4301，E4310等；對(duì)于承受重載或低溫下工作的重要構(gòu)件，以及厚度大、剛度大的構(gòu)件可采用低氫型焊條，如E5015，E5016、E4316等。埋弧焊一般采用H08A或H08MnA焊絲，配以HJ431焊劑進(jìn)行焊接。 補(bǔ)焊而很少用于構(gòu)件的焊接。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,中、高碳鋼的焊接 中、高碳鋼屬于淬火鋼，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其淬硬傾向漸趨嚴(yán)重，焊接性明顯變差。通常焊接中碳鋼的鑄件或鍛件，焊接時(shí)一般從兩方面著手：一是選用適當(dāng)?shù)暮笚l，如抗裂性好的低氫型焊條或奧氏體不銹鋼焊條等；二是采用一定的焊接工藝措施，如焊前預(yù)熱工件，采用細(xì)焊條、小電流、開(kāi)坡口、多層焊，防止母材金屬過(guò)多地深入焊縫，以防止產(chǎn)生熱裂紋，并采用焊后緩冷以防止產(chǎn)生冷裂紋等。 高碳鋼工件則只用于補(bǔ)焊而很少用于三、低合金鋼的焊接,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,低合金鋼焊接經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題 （1） 熱裂紋 熱裂紋指焊接過(guò)程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的焊接裂紋。其原因在于低合金鋼的焊接過(guò)程中銅、硼、氮等元素成為形成裂紋的敏感元素。 （2） 冷裂紋 焊接接頭冷卻到較低溫度下（對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)在Ms溫度以下）時(shí)產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋常發(fā)生在高強(qiáng)度鋼的厚板結(jié)構(gòu)中。其原因是接頭的剛度大，造成的局部應(yīng)力大，或在冷卻過(guò)程中氫析出后聚集造成局部應(yīng)力超過(guò)了鋼的強(qiáng)度極限。 （3） 白點(diǎn) 在焊縫金屬拉斷面上，出現(xiàn)的如魚目狀的一種白色圓形斑點(diǎn)稱為白點(diǎn)。其產(chǎn)生原因是焊接過(guò)程中吸收了過(guò)量的氫，故又稱氫白點(diǎn)。低合金鋼焊接主要根據(jù)不同鋼號(hào)的屈服點(diǎn)等級(jí)選擇焊接材料，應(yīng)遵守等強(qiáng)度（某些鋼號(hào)應(yīng)考慮成分相同或相近）原則。對(duì)于厚度大、剛度大的構(gòu)件或在低溫下焊接時(shí)應(yīng)考慮使用低氫型焊條，焊前進(jìn)行預(yù)熱等，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范施焊。,三、低合金鋼的焊接,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,五、鑄鐵的補(bǔ)焊,為修補(bǔ)工作（鑄件、鍛件、機(jī)械加工件或焊接結(jié)構(gòu)件）的缺陷而進(jìn)行的焊接稱為補(bǔ)焊。 1. 避免白口和裂紋的措施 白口組織出現(xiàn)的主要因素是碳含量高。如果能使焊縫金屬緩慢冷卻、調(diào)整熱循環(huán)，使碳元素可以自由地游離出來(lái)，就可以降低白口組織的形成；若能進(jìn)一步調(diào)節(jié)焊縫金屬的化學(xué)成分則會(huì)達(dá)到更好的效果。硅、鋁等是促進(jìn)石墨化元素，其含量的提高可促進(jìn)碳以石墨形態(tài)析出；而硫、鉻等則是反石墨化元素。在焊接材料中應(yīng)增大促進(jìn)石墨化元素的含量，降低反石墨化元素的含量，以防止或降低白口的形成傾向。同時(shí)，在焊接過(guò)程中應(yīng)采取種種措施，減小焊接應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,2. 鑄鐵的補(bǔ)焊方法及補(bǔ)焊材料（1）鑄鐵的補(bǔ)焊方法 補(bǔ)焊方法有熱焊法，即焊前將工件全部或局部預(yù)熱到500-700，焊后在爐中緩慢冷卻；半熱焊法，即焊前將工件預(yù)熱到400以下進(jìn)行補(bǔ)焊的方法。 （2）鑄鐵補(bǔ)焊材料 一般采用鑄鐵焊條。常用的鑄鐵焊條有兩類：一類為焊縫金屬是鑄鐵組織的焊條，如EZC，EZCQ；另一類是焊縫組織為非鑄鐵組織的焊條，如 EZV等。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,(一)銅及銅合金的焊接 1.銅及銅合金的焊接特點(diǎn) 1）導(dǎo)熱性強(qiáng)（純銅的熱導(dǎo)率約為低碳鋼的8倍），因此要求強(qiáng)熱源，否則容易產(chǎn)生焊不透等缺陷。對(duì)于厚而大工件焊前需預(yù)熱。 2）膨脹系數(shù)大，液固轉(zhuǎn)變時(shí)的收縮也大。因此焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，變形和裂紋傾向大。 3）液態(tài)時(shí)易氧化生成Cu2O，結(jié)晶時(shí)和銅形成低熔點(diǎn)的共晶體，也是產(chǎn)生裂紋的原因之一。 4）液態(tài)時(shí)吸氣性強(qiáng)，特別容易吸收氫，若凝固時(shí)析出不充分容易生成氣孔。 5）銅的電阻極小，故不適于采用電阻焊。,六、有色金屬的焊接,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,2.銅及銅合金的焊接工藝 （1）氣焊 氣焊時(shí)一般依工件厚度不同，開(kāi)I形、V形、X形坡口。 （2）焊條電弧焊 焊條電弧焊應(yīng)先開(kāi)坡口并清理污物。一般采用低氫型焊條。 （3）手工氬弧焊 氬弧焊是銅及銅合金焊接的首選方案?？捎行У乇Ｗo(hù)熔池不被氧化和熔入氣體，得到優(yōu)良的焊接接頭，工件變形小，若板厚小于3mm，可開(kāi)I形坡口；板厚在3mm-10mm時(shí)開(kāi)V形坡口；板厚大于10mm時(shí)開(kāi)x形坡口。焊前應(yīng)清理除去焊件坡口邊緣焊絲表面的氧化膜。焊接時(shí)要合理地選擇焊接工藝規(guī)范，焊接速度要高；焊接電流選擇與板厚、工件結(jié)構(gòu)、預(yù)熱溫度等因素有關(guān)。焊后要進(jìn)行熱處理。,工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇,一、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇 二、焊接結(jié)構(gòu)的工藝性 三、焊接接頭的形式與坡口,第七節(jié) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉