机械制造技术第2版 任家隆 任近静第6章

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1、第6章 材料的连接成形,6.1 焊接工艺基础 6.2 常用的焊接方法 6.3 焊接结构设计的工艺性 6.4 焊接技术的发展 6.5 粘接技术,6.1 焊接工艺基础,焊接是通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到结合的一种加工方法。 焊接按工艺特点可分为熔焊、压焊和钎焊（见图6-1）。,6.1 焊接工艺基础,图6-1 常用焊接方法的分类,6.1 焊接工艺基础,6.1.1 焊接冶金过程 6.1.2 焊接接头的组织和性能 6.1.3 焊接应力与变形 6.1.4 金属材料的焊接,6.1.1 焊接冶金过程,1. 焊接电弧 焊接电弧是由焊接电源供给的,具有一定电压的两极间或电 极与母材

2、间,在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。 2. 焊接冶金过程的特点 1）冶金温度高，造成金属元素强烈地烧损和蒸发，同时熔 池周围又被冷的金属所包围，常使焊件产生应力和变形。 2）冶炼过程短，焊接熔池从形成到凝固的时间短，各种冶 金反应不充分，难以达到平衡状态。 3）冶炼条件差，有害气体容易进入熔池，形成脆性的氧化 物、氮化物和气孔，使焊缝金属的塑性、韧性显著下降。,6.1 焊接工艺基础,6.1.2 焊接接头的组织和性能,图6-3 低碳钢焊接接头的温度分布和各区划分 a) 焊缝区各点温度变化情况 b) 低碳钢焊接热影响区的组织变化,1.焊缝区 2.熔合区 熔合区是焊缝和基体金属的交界区。这部

3、分的加热温度处于固相线和液相线之间。,6.1.2 焊接接头的组织和性能,低碳钢焊接接头的组织变化,3. 热影响区 焊缝接头中金属受热发生金相组织和力学 性能变化的区域。 1)过热区: 固相线至1100。 2)正火区: 1100Ac3之间。 3)部分相变区: Ac1 Ac3之间。,6.1.2 焊接接头的组织和性能,6.1.3 焊接应力与变形,1.焊接应力与变形的产生及危害 在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀 加热,使焊接接头产生不均匀的塑性变形,这是焊 接应力和变形产生的根本原因。,钢杆自由伸缩,钢杆膨胀受阻,2.焊接变形的形式,6.1.3 焊接应力与变形,6.1.3 焊接应力与变形,（续）,

4、3.焊接应力与变形的预防,（1）合理选择焊件结构 尽量减少焊接数量、长度及截面积。 （2）焊前预热 可减小焊接应力与变形。 （3）反变形法,钢板对接反变形,丁字接头反变形,6.1.3 焊接应力与变形,（4）刚性固定法 防止焊接变形的产生。,6.1.3 焊接应力与变形,图6-6 钢性固定法,（5）选择合理的焊接顺序,图6-7 按焊缝长短确定焊接顺序,6.1.3 焊接应力与变形,X形坡口焊接顺序,对称面梁的焊接顺序,6.1.3 焊接应力与变形,（6）锤击焊缝法 延伸变形，补偿收缩， 减少焊接应力和变形。 （7）焊后热处理 4. 焊接应力与变形的矫正方法 （1）机械矫正法 （2）火焰矫正法,6.1.

5、3 焊接应力与变形,6.1.4 金属材料的焊接,1. 金属材料焊接性 焊接性 是指被焊金属材料在采用一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。 评价可焊性 一是工艺焊接性:接头裂纹倾向,性能变坏。 二是使用焊接性:力学性能、耐热性、耐蚀性等。,（1）低碳钢的焊接 （2）中碳钢的焊接 （3）低合金高强度结构钢的焊接 （4）铸铁的补焊 （5）铝及铝合金的焊接 （6）铜及铜合金的焊接,2. 常用金属材料的焊接,6.1.4 金属材料的焊接,6.2 常用的焊接方法,6.2.1 焊条电弧焊 6.2.2 埋弧焊 6.2.3 气体保护焊 6.2.4 压焊 6.2.5 电渣焊 6.2.6 钎焊 6.2.

6、7 高能高效焊接技术,利用电弧作为焊接热源的熔焊方法，称为电弧焊。 用手工操纵焊条进 行焊接的电弧焊方法, 称为焊条电弧焊。,6.2.1 焊条电弧焊,图6-10 焊条电弧焊,6.2 常用的焊接方法,6.2.2 埋弧焊,埋弧焊是使电弧在较厚的焊剂层下燃烧,利用机械自动控制引弧、焊丝送进、电弧移动和焊缝收尾的一种电弧焊方法。(如图) 埋弧焊的特点： 1）生产率高。 2）焊接质量高而且稳定。 3）可节约大量的焊接材料。 4）可实现自动焊接。,6.2.2 埋弧焊,6.2.3 气体保护焊,气体保护焊是指利用外加气体作为电弧介质并保护电焊和焊接区的电弧焊。常用的有氩弧焊和CO2气体保护焊。(如图) (1)

7、氩弧焊。氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。按所有电极的不同分为熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊。 (2)CO2气体保护焊。CO2气体保护焊是使用CO2作为保护气体的电弧焊方式。,气体保护焊,6.2.3 气体保护焊,CO2焊示意图,图6-13 氩弧焊示意图 1送丝滚轮 2、8焊丝 3导电嘴 4喷嘴 5氩气流 6电弧 7焊件,6.2.3 气体保护焊,1. 惰性气体保护焊的特点及应用 1）可焊化学性质活泼的非铁金属及其合金或特殊性能钢。 2）电弧燃烧稳定、飞溅小，表面无熔渣，焊缝成形美观，质量好。 3）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊缝周围气流冷却，热影响区小，焊后变形小，适于薄板焊接。 4）电弧

8、为明弧可见，操作方便，易于自动控制焊缝。 惰性气体保护焊适于焊接铝、镁、钛及其合金，稀有金属锆、钼，不锈钢，耐热钢，低合金钢等。,6.2.3 气体保护焊,2. CO2气体保护焊的特点 1）生产率高；电流大，易于自动化，无渣壳。 2）成本低；无需涂料焊条和焊剂， CO2价廉。 3）焊缝质量较好。 4）采用气体保护，能全位置焊接，易于自动控制 。 5）焊缝成形差，飞溅大 。 6）不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢。 7）设备较复杂，使用和维修不便。 CO2气体保护焊焊适于焊接低碳钢和强度级别不高 的普通低合金结构钢。,6.2.3 气体保护焊,6.2.4 压焊,压焊是指在加热或不加热状态下对组合焊件加

9、压，使其产生塑性变形，并通过再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子达到形成金属键而连接的焊接方法。常用的有电阻焊和摩擦焊。,1.电阻焊,电阻焊是利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性或局部熔化状态，再在电极压力作用下形成接头的一种焊接方法。电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊。,（1）点焊 点焊是利用电流通过两圆柱形电极和搭接的两焊件产生电阻热,将焊件加热并局部熔化,形成一个熔核(其周围为塑性状态),然后在压力下熔核结晶,形成一个焊点的焊接方法。,点焊示意图,点焊接头形式,6.2.4 压焊,（2）缝焊 缝焊与点焊同属于搭接电阻焊，焊接过程与点焊相似，采用滚盘作电极，边焊

10、边滚，相邻两个焊点重叠一部分，形成一条有密封性的焊缝。,电阻缝焊,缝焊接头形式,6.2.4 压焊,（3）对焊 对焊是利用电阻热将焊件断面对接焊合的一种电阻焊，可分为电阻对焊和闪光对焊。,图6-16 对焊示意图,Fj夹紧力 Fw挤压力 Fd顶锻力,a) 电阻对焊 b) 闪光对焊,6.2.4 压焊,电阻焊的特点及应用 加热迅速，温度较低，焊接热影响区及变形小，易获得优质接头。 不需外加填充金属和焊剂。 电阻对焊无弧光，噪声小，烟尘、有害气体少，劳动条件好。 焊件结构简单、质量轻、气密性好，易于获得形状复杂的零件。 易实现机械化、自动化，生产率高。 焊接接头质量不稳定。 点焊适于低碳钢、不锈钢、铜合

11、金、铝镁合金,厚度为4mm以下的薄板冲压结构及钢筋的焊接。缝焊适于板厚为3mm以下,焊缝规则的密封结构的焊接。对焊主要用于形状简单、小断面的金属型材,或受力要求高的重要焊件。,6.2.4 压焊,摩擦焊是利用工件金属焊接表面相互摩擦产生的热量，将金属局部加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接的一种热压焊接方法。,2.摩擦焊,(1)摩擦焊的工艺过程 分为连续驱动式和储能式。,摩擦焊工艺过程,1工件1 2工件2 3旋转夹头 4移动夹头 n工件转速 p轴向压力,a) 连续驱动式 b) 储能式,6.2.4 压焊,(2) 摩擦焊接头形式 接头一般是等断面, 也可为不等断面, 但其中必须有一个为圆形。,摩擦焊

12、接头形式,6.2.4 压焊,(3) 摩擦焊的特点及应用,1）接头质量好且稳定。 2）生产率高、成本低。 3）适用范围广。 4）生产条件好。 摩擦焊用于圆形工件、棒料管子的对接。,6.2.4 压焊,6.2.5 电渣焊,电渣焊是利用电流 通过液体熔渣所产生的 电阻热进行焊接的熔化 焊方法。电渣焊可分为 丝级电渣焊、板级电渣 焊、熔嘴电渣焊和熔管 电渣焊。,图6-17 电渣焊过程示意图,电渣焊的特点及应用 1）可一次焊成很厚的焊缝。 2）生产率高，焊接材料消耗少，不需开坡口。 3）焊缝金属较纯净，渣池覆盖住熔池，保护良好，有利于气体和杂质浮出。 4）接头金属在高温下停留时间长，过热区大，接头金属组织

13、粗大，焊后应进行正火处理。,6.2.5 电渣焊,电渣焊主要用于厚壁压力容器和铸焊、锻焊、厚板拼焊等大型构件的制造, 厚度大于40mm的碳素钢、合金钢和不锈钢等。,钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散而实现连接的焊接方法。,6.2.6 钎焊,钎焊的特点及应用 1)采用低熔点的钎料作为填充金属，钎料熔化, 母材不熔化。 2)工件加热温度较低，接头组织、性能变化小, 焊件变形小，接头光滑平整，焊件尺寸精确。 3)可焊接异种金属，焊件厚度不受限制。 4)生产率高，可整体加热，一次焊成整个结构的全部

14、焊缝，易于实现机械化和自动化。 5)钎焊设备简单，生产投资费用少。 钎焊主要用于焊接精密、微型、复杂、多焊缝、 异种材料的焊件。,6.2.6 钎焊,(1)电子束焊 利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空的焊件所产生的热能实现焊接的方法。 (2)超声波焊 利用超声波的高频震荡能对焊件接头进行局部加热和表面清理, 然后施加压力来实现焊接的一种焊接方法。 (3)激光焊 以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方式。,6.2.7 高能高效焊接技术,6.3 焊接结构设计的工艺性,6.3.1 焊接件材料的选择 6.3.2 焊接方法 6.3.3 焊接接头的设计 6.3.4 焊缝的设计,6.3

15、 焊接结构设计的工艺性,6.3.1 焊接件材料的选择 在满足使用性能的前提下，尽量选用焊接性能较好的材料。 6.3.2 焊接方法 焊接方法的选择应根据材料的焊接性、焊件厚度、焊缝长短、生产批量及产品质量要求，在保证产品质量的前提下，优选常用焊接方法。,6.3.3 焊接接头的设计 （1）接头形式的确定,图6-21 焊接接头形式 a) 对接 b) 搭接 c) 角接 d) T形接,（2）坡口形式的确定,6.3.3 焊接接头的设计,图6-22 对接接头的坡口形式 a) I 形坡口 b) V 形坡口 c) X 形坡口 d) U 形坡口 e) 双U 形坡口,(3)焊缝的布置 焊缝布置应尽量分散。两条焊缝的

16、间距一般要求大于3倍板厚。,6.3.3 焊接接头的设计,焊缝的位置应尽可能对称布置。焊后不会发生明显的变形。,6.3.3 焊接接头的设计,6.3.3 焊接接头的设计,6.3.3 焊接接头的设计,6.3.3 焊接接头的设计,6.3.4 焊缝的设计,6.3.4 焊缝的设计,6.3.4 焊缝的设计,6.3.4 焊缝的设计,6.4 焊接技术的发展,6.4.1 计算机在焊接中的应用与发展 1. 计算机辅助焊接的过程控制 2. 焊接结构计算机辅助设计与制造 3. 焊接过程的模拟及定量控制 （1）数值模拟 （2）物理模拟 （3）焊接专家系统,6.4.2 高效焊接技术的应用与发展 1. 焊接设备的新发展 （1）新型焊接电源 （2）焊接设备的配套化 2. 新型焊接材料 （1）新型气体保护焊丝 （2）单面焊衬垫材料 3. 自保护焊接方法 4.