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1、材料的连接方法 第三篇材料的焊接成形工艺 焊接是利用加热或加压 或者加热和加压 使分离的两部分金属靠得足够近 原子互相扩散 形成原子间的结合的连接方法 所用能源可以是电能 机械能 化学能 声能或光能等 主要用于金属材料及金属结构的连接 亦用于塑料及其它非金属材料的连接 在机械制造 建筑 车辆 石油化工 原子能 航空航天等部门广泛运用 1 焊接结构重量轻 节省金属材料 例如 与金属铆接相比 可节省金属10 20 以上 2 焊接接头具有良好的力学性能 能耐高温 高压 具有良好的密封性 导电性 耐腐蚀性 耐磨性 可焊接锅炉 高压容器 储油罐 船体等重量轻 密封性好 工作时不渗漏的空心构件 3 可以将
2、大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊 简化大型或形状复杂结构零件的制造工艺 例如 大型压力机机身的制造 4 可实现不同材料间的连接成形 铜 铝连接 高速钢 碳钢连接 碳钢 合金钢连接 优化设计 节省贵重金属 优点 缺点 1 焊接接头不可拆卸 更换零部件不方便 2 焊接接头的组织和性能往往要变坏 3 焊接时容易产生残余应力和焊接变形 4 焊缝易出现裂纹 夹渣 气孔等缺陷 从而导致焊接件承载能力降低甚至脆断 另外对某些材料的焊接存在一定的困难 常用焊接方法 6 熔焊 压焊 钎焊 气焊电弧焊电渣焊电子束焊激光焊 焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊 氩弧焊CO2气体保护焊 电阻焊摩擦焊扩散焊高频焊 点焊缝焊
3、对焊 烙铁钎焊火焰钎焊炉中钎焊 第十章熔焊工艺 第一节熔焊原理及过程第二节焊接接头的组织与性能第三节焊接变形与焊接应力第四节焊接缺陷第六节熔焊工艺方法 熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态 形成熔池 然后随着热源向前移去 熔池液体金属冷却结晶 形成焊缝 其焊接过程包括冶金过程和结晶过程 根据热源的不同可分为气焊 电弧焊 电渣焊 激光焊 电子束焊 等离子弧焊等焊接方法 第一节熔焊原理及过程 第一节熔焊原理及过程 熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造 是金属熔化与结晶的过程 一 熔焊的本质及特点 熔池的形成 温度达到材料熔点 母材 焊丝熔化形成溶池热影响区形成 母材受到热影响 组织和性能发
4、生变化 形成热影响区 熔池结晶 热源移走后 熔池结晶成柱状晶 熔池存在时间短 10s 温度高 2000K 冶金过程进行不充分 气体来不及排出 氧化严重 热影响区大 冷却速度快 结晶后易生成粗大的柱状晶 熔焊的特点 二 熔化焊的三要素 合适的热源 能量要集中 温度要高 快速熔化良好的熔池保护 渣保护 气保护 渣 气联合保护焊缝填充金属 焊芯 焊丝 1 热源 热源的能量要集中 温度要高 以保证金属快速熔化 减小热影响区 满足要求的热源有 电弧热 等离子弧 电阻热 化学热等 二 熔化焊的三要素 1 电弧热利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源 是目前应用最为广泛的一种焊接热源 如焊条电弧焊
5、埋弧自动焊等 电弧是两电极之间持久而强烈的气体放电现象 宏观表现是发出强光 释放大量的热量 电极可以是金属丝 碳棒 焊条等 电弧的组成 阴极区 阳极区 弧柱区 阴极区为电子发射区 阳极区为接收电子形成正离子区 弧柱区是气体电离区 当两电极接触时 因短路产生高温 使接触的金属很快熔化并产生金属蒸气 当两电极间距离迅速达到2 4mm时 阴极表面金属在电场 高温等作用下发射大量电子 阳极表面的金属在电场 高温作用下发生电离 在弧柱区 高速运动的电子与原子 分子之间相互碰撞并产生大量的热量并导致原子 分子的电离 同时部分离子与电子之间还会复合成原子或分子 并放出光 电弧产生的过程是 电弧放电 电压最低
6、 电流最大 温度最高 发光最强 例 钢芯焊条作电极时 弧柱区6000 8000K 阳极区2600K左右 阴极区2400K左右 2 等离子弧 与自由电弧相比 等离子弧是被压缩的电弧 其弧区的能量密度集中 105 106W cm2 温度高 24000 50000K 挺直度好 见图10 15 利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源 如电阻焊和电渣焊 当特制的电渣由一些金属盐和氧化物组成时 熔融过程中会形成大量的离子 如果接通电源 正负离子将产生定向移动而导电并释放热量 见图10 6 使渣池的温度达到2000 2200K 采用这种热源所实现的焊接方法 便于实现机械化和自动化 可获得较高的生产率 3
7、 电阻热 4 化学热 利用可燃气体 氧 乙炔等 或铝 镁热剂燃烧时所产生的热量作为焊接热源 如气焊等 5 高频热源 对于有磁性的被焊金属 利用高频感应所产生的二次电流作为热源 在局部集中加热 实质上也属电阻热 由于这种加热方式热量高度集中 故可以实现很高的焊接速度 如高频焊管等 由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源 如摩擦焊 6 摩擦热 在真空中 利用高压高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面 使这种动能转化为热能作为焊接热源 如电子束焊 7 电子束 电子束的穿透能力强 可一次焊接厚度200mm钢板 8 激光束 通过受激辐射而使放射增强的单色光子流 即激光 它经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接
8、热源 激光单波长和单色性 方向性强 能量密度高 105 1013W cm2 金属瞬间可熔化或气化 但穿透能力差 熔池浅 只能用来焊接微小件和薄壁件 每种热源都有其本身的特点 目前在生产上均有不同程度的应用 与此同时 还在大力开发新的焊接热源 2 熔池的保护 熔池的保护是采用熔渣 惰性气体 真空等保护措施 将熔池与大气隔离 防止熔池氧化 并可脱氧 脱硫 脱磷 以改善其性能 1 熔渣保护 为了使熔渣与空气隔绝 可在熔池上覆盖一层熔渣 以防止金属氧化 吸气和向熔池过渡合金元素 改善焊缝性能 稳定电弧 减少散热 提高生产率 熔池金属在高温下与空气作用会产生诸多不良反应 形成了气孔 夹杂等缺陷 影响焊缝
9、质量 熔炼焊剂 主要起保护作用 非熔炼焊剂 烧结焊剂和粘结焊剂 除了保护作用外 还起到渗合金 脱氧 去硫等作用 焊剂组成 由SiO2 MnO MgO及CaF组成的硅酸盐 熔渣保护的材料 焊剂 焊剂应保证热源的稳定 硫 磷的含量低 熔点和粘度合适 脱渣性好 不析出有害气体 不吸湿 电渣 除应有焊剂的基本性能外 还应有合适的电导率 高的蒸发温度 SiO2含量越高 电导率越低 钙和其它元素的氟化物和钛的氧化物使渣的电导率增大 粘度减小 用于保护熔池的气体应是在高温下不分解的惰性气体 如氩气 或低氧化性的 不溶于液态金属的气体 如CO2 也可以用混合气体 保护气体还应能稳定热源 密度比空气大 以便排开
10、空气 在熔池上方形成气罩 2 气体保护 CO2气体CO2为无色无味气体 密度是空气的1 5倍 在常温下很稳定 但在高温下易分解 CO2气体密度大 受热后体积膨胀大 所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面 效果良好 但CO2气体为氧化性气体 在高温下将分解为CO和O2 CO2 CO O2所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性 氩气氩气为惰性气体 密度是空气的1 25倍 高温下不溶入液态金属 也不与金属发生化学反应 因此 氩气是一种理想的保护气体 由于氩弧温度高 因此一旦引燃 电弧就很稳定 氩弧焊一般要求氩气纯度达99 9 我国生产的工业纯氩 其纯度可达99 9 完全合乎氩弧焊的要求 氩弧焊对焊前的除油
11、 去锈 去水等准备工作要求严格 否则就会影响焊缝质量 图10 10渣 气联合保护 利用渣 气联合保护可获得良好的熔池保护效果 其具体起保护作用的有焊条的药皮和二氧化碳加药芯 3 渣 气联合保护 图10 10渣 气联合保护 酸性药皮与碱性药皮两者的性质 酸性药皮工艺性好 而碱性药皮工艺性差 碱性药皮中有益元素多 能使焊接接头力学性能提高 碱性药皮中因不含有机物 也称低氢型药皮 可以提高焊缝金属的抗裂性 药皮中含有造气剂和造渣剂 涂敷在焊条外 还含有稳弧剂 合金剂 脱氧剂 脱硫剂和去氢剂 也含有粘结剂和增塑剂 药皮的原料有矿石 铁合金 有机物和化工产品四类 按比例配成 3 焊缝填充金属 常用的填充
12、金属焊条钢芯及焊丝为碳素钢丝 合金钢丝 和不锈钢丝 其牌号 材料及焊接结构材料如表10 5 10 6所示 其中 H代表焊接用钢丝 其后的两位数字代表碳的质量分数的万分之几 A为高级优质钢 E代表特级优质钢 焊缝填充金属指的是焊芯与焊丝 保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素 并达到力学性能和其它性能的要求 当焊缝较宽时 靠母材的熔化不能填满焊缝 这时 必须外加焊丝补充 填充金属一方面保证填满焊缝 另一方面可向焊缝过渡有益的合金元素 如锰 硅 钼等 以弥补金属的烧损 并且调整焊缝金属的化学成分 满足性能要求 对于低合金焊件 为了提高焊缝的性能 使焊缝与母材强度相等 仅靠焊剂 药皮过渡合金元素是不
13、够的 必须用合金焊丝和焊芯 填充金属 过渡合金元素 第二节焊接接头的组织与性能 焊接过程结束以后 熔池凝固形成焊缝 同时焊缝附近的一部分金属由于受到较高温度的作用 组织和性能与原材料相比会发生变化 焊缝附近组织 性能发生变化的区域称为焊接热影响区 焊缝与热影响区之间的过渡区域称为熔合区 焊接接头由焊缝区 熔合区和热影响区组成 一 焊接的热循环 在焊接加热和冷却的过程中 焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化的过程叫做焊接热循环 焊接时 电弧对焊件局部加热 并且逐渐移动 所以在焊接过程中 焊缝区金属经历了熔化 结晶过程 焊缝附近的金属则在固态下经历了由常温加热到较高温度 然后冷却到室温 由于焊
14、缝周围的各点金属与焊缝中心的距离不同 因此焊接过程中各点被加热的最高温度不同 而且由于热传导需要一定的时间 所以各点达到最高温度的时间也不同 各点冷却速度也不同 在一般情况下 焊缝成分不均匀 而且焊缝中心区容易偏析硫 磷等元素 形成低熔点的杂质和氧化铁 从而导致焊缝力学性能下降 如果焊接过程中严格控制化学成分 减少碳 硫 磷等杂质的含量和通过渗入有益气体的合金元素可使焊缝金属的强度与母材相当 二 焊缝的组织和性能 焊缝的组织 焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始向中心长大 由于冷却速度较快 形成铁素体和少量珠光体所组成的粗大柱状柱态组织 低熔点的杂质和氧化铁被推向焊缝最后结晶部位 形成成分偏析区 宏
15、观偏析的分布与焊缝成形系数B H有关 B H很小时 形成中心线偏析 易产生裂纹 三 热影响区的组织和性能 热影响区是焊接过程中 被焊材料受热后 但未熔化 金相组织和力学性能发生变化的区域 热影响区可分为熔合区 过热区 正火区 部分相变区 热影响区中各区的组织变化和分布与被焊金属的化学成分及焊前的热处理状态有关 一些容易淬火的钢种 如中碳钢 高碳钢等 在相当于低碳钢的过热区和正火区部位将出现马氏体的组织 将该区域称为淬火区 部分相变区形成部分淬火区 还会形成回火区 熔合区 是焊缝和母材金属的交界区 0 1 1mm 加热温度 T液 T固 强度 塑性 韧性极差 是裂纹和局部脆断的发源地 熔合区中熔合
16、有填充金属与母材金属的多种成分 故成分不均匀 组织为粗大的过热组织或淬硬组织 过热区 加热温度 T固 1100 在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域 1 3mm 塑性和韧性很低 是裂纹的发源地 正火区在热影响区内相当于受到正火处理的区域 加热温度 1100 AC3 因冷却时奥氏体发生重结晶而转变为珠光体和铁素体 所以晶粒细小 性能好 力学性能优于母材 在热影响区内发生部分相变的区域 部分相变区 加热温度 AC3 AC1 力学性能较母材稍差 存在铁素体和奥氏体两相 铁素体在高温下长大 冷却时不变 最终晶粒粗大 奥氏体发生重结晶而转变为珠光体和铁素体 使晶粒细化 所以此区晶粒大小不均 性能较差 焊接热影响区是影响焊接接头性能的关键部位 焊接接头的断裂往往不是出现在焊缝区中 而是出现在接头的热影响区中 尤其是多发生在熔合区及过热区中 减小和消除焊接热影响区的方法 小电流 快速焊接 采用先进的焊接方法 焊前预热 焊后热处理 正火 1 焊接材料 四 影响焊接接头组织性能的因素 焊接方法不同 热源温度和热量集中程度不同 热影响区的大小和组织不同 杂质含量不同 焊缝性能就不同 热量集中的焊接
