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1、金属材料成形基础,中国石油管道焊接培训中心 刘光云,焊接：是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或 不用填充材料，使焊接件达到原子结合的一种方法。 焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。 焊接的主要特点是： （1）节省材料，减轻质量； （2）简化复杂零件和大型零件的制造； （3）适应性好；可实现特殊结构的生产； （4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连 接成型； （5）降低劳动强度，改善劳动条件。 焊接方法的应用： （1）制造金属结构件； （2）制造机器零件和工具； （3）修复。,焊接方法,压 焊,摩擦焊,超声波焊,爆炸焊,扩散焊,高频焊,钎 焊,软钎焊,硬钎焊,封接,粘接,熔 焊,电弧焊,电
2、渣焊,等离子弧焊,电子束焊,激光焊,焊条电弧焊,气体保护焊,埋弧焊,电阻焊,电弧焊基本历史,1801 迪威 电弧放电现象 1855 俄罗斯人 碳弧焊 应用：铁管及容器的制造 蒸汽机修理 问题：碳元素使金属接头变得脆硬 1891 俄罗斯人 金属极焊接法 空气中 铁电极,电弧焊基本历史,1907 瑞典人 焊条电弧焊 1912 瑞典人 开发出保护良好的厚涂层焊条 1920 英国人 全焊接船下水 焊条电弧焊问题： 有限长度焊条,电弧焊基本历史,焊条电弧焊动画,电弧焊基本历史,1930 埋弧焊,埋弧焊动画,电弧焊基本历史,1930 美国 GTAW 1940 美国 成功应用该方法于焊接镁及不锈钢薄板,钨极
3、氩弧焊动画,电弧焊基本历史,1945 交流GTAW焊接方法 1945 直流金属极焊接方法GMA,二氧化碳气体保护电弧焊动画,1 手工电弧焊的焊接过程,第一章 金属焊接成形工艺基础,一、手工电弧焊的特点,1 . 设备简单、应用灵活方便。,2 . 劳动条件差、生产率低、质量不稳定。,二、手工电弧焊焊接过程,引弧,三、焊接电弧,1 . 焊接电弧的概念,具备两个条件,使气体电离,阴极发射电子,电阻热：Q=I2Rt,E=V/d,d,在焊条末端和工件两极之间的气体介 质中，产生强烈而持久的放电现象。,焊接电弧的稳定燃烧 就是带点粒子产生、运动、复合、产生的动态平衡过程。,热电离,碰撞电离,2 . 电弧的构
4、造及热量分布,2400k 36%,2600k 42%,50008000k 21%,3 . 电弧的极性,直流电源正接：,直流电源反接：,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 焊接接头金属的组织与性能,一、熔焊过程冶金特点,1 . 熔池金属温度高于一般冶金温度,2 . 熔池金属冷却快，处于液态的时间短,2000k,使金属元素强烈蒸发、烧损。,10s,化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。,3 .空气对焊缝的影响严重,1） O2 ：,氧化的结果,合金元素被烧损；,焊缝产生夹渣的缺陷；,形成CO气孔。,2）N2 ：,使接头的塑性、韧
5、性下降。,3）H2 ：,氢气孔,二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施,1. 减少有害气体进入熔池；,2. 渗入合金元素；,3. 清除已进入熔池的有害元素。,三、焊条,1. 焊条的组成及作用,焊条,焊条芯,药皮,焊缝的填充材料 填充焊缝,电极传导电流 导电,机械保护的作用,冶金的作用,稳定电弧的作用,药皮的种类：, 氧化钛型；氧化钛钙型； 钛铁矿型；氧化钛型；纤维素型；,低氢钾型；低氢钠型； 石墨型；盐基型。,2. 焊条的分类,结构钢焊条J； 钼和铬耐热钢焊条R； 低温钢焊条W； 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
6、焊条TS,在熔渣中以酸性氧化物为主 （TiO2、SiO2、Fe2O3）,在熔渣中以碱性氧化物为主 （K2O、Na2O、CaO、MnO）,三、焊条的选用,1. 根据被焊工件的强度选用,2. 根据被焊工件的化学成分选用,3. 根据被焊工件工作条件和结构选用,4. 根据实际生产状况选用,用焊接方法连接的接头称为焊接接头。焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。 在焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生组织与力学性能变化的区域叫做热影响区（HAZ）。随着钢材强度与厚度的增加，热影响区脆化倾向增大，产生焊接缺陷的可能性增加，对焊接质量产生很大影响。 熔化区和非熔化区之间的过渡部分。 熔合区和热
7、影响区中的过热区(或淬火区)是焊接接头中机械性能最差的薄弱部位，会严重影响焊接接头的质量。,四、焊接接头,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）,五、焊接应力与变形,（一）焊接应力与变形产生的原因,焊接应力与变形产生的根本原因是： 焊件(工件）在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。,焊接应力状态：,焊缝区域拉应力,两侧冷金属压应力,焊接变形：,（二）焊接变形的基本形式,1 . 收缩变形,2 . 角变形,3 . 弯曲变形,4 . 扭曲变形,5 . 波浪形变形,（三）焊接应力与变形的防止,1 . 焊接应力的防止及消除措施,1）设计
8、时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。,2）合理选择焊接顺序。,（）,（）,（）,3）锤击或碾压焊缝,4）采用小能量、多层焊,5）焊前预热（150 350 ）,6）焊后热处理（去应力退火）,可消除应力80%左右,2 . 焊接变形的防止及矫正措施,1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。,2）合理选择焊接顺序。,1 4 3 2,3）加裕量法。,4）反变形法。,1,2,3,4,5,6,1 4 5 2 3 6,1 2 3 4,5）采用焊前刚性固定法。,6）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。,7）焊接变形的矫正, 机械矫正, 火焰矫正,第二章 金属的焊接成形方法,1 熔化焊
9、,一、埋弧自动焊,焊接电源,控制箱,焊接小车,焊接热源：电弧热,溶池保护：焊剂（气、渣）,1. 埋弧自动焊设备及焊接过程,2. 埋弧自动焊工艺,1）焊前准备,2)采取防漏措施,双面焊；手工电弧焊封底；焊剂垫；采用锁底坡口；水冷铜垫板。,板厚在2025mm以下的工件可不开坡口；但在实际生产中， 板厚在1422mm应开Y型坡口，半厚在2250mm，可开 双Y型坡口或U型坡口。,3)要有引弧板和引出板,环焊缝：焊丝起弧点应与环的中心偏离一定距离a；（a=2040mm）。直径小于250mm一般不采用埋弧焊。,3. 埋弧自动焊工艺特点,1）生产率高（手弧焊的510倍）,2）焊接质量高且稳定。,3）节约金
10、属材料、生产成本低。,4）劳动条件好。,5）只能在水平位置焊接。,应用：主要用于较厚钢板的长直焊缝和较大直径的环形焊缝焊接。,如压力容器的环焊缝和直焊缝、锅炉冷却壁的长直焊缝、船舶和潜艇壳体、其重机械、冶金机械（高炉炉身）等的焊接。,二、气体保护焊,1 . 氩弧焊,利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。,焊接热源：电弧热,保护介质：Ar,Ar,不与金属发生化学反应不产生夹渣缺陷,不溶解于液体金属中不产生气孔缺陷,比重大于空气（25%）,“阴极破碎”作用,1）熔化极氩弧焊,25mm以下的工件,2）非熔化极氩弧焊,适于6mm以下工件的焊接,3）氩弧焊的特点及应用, 机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝
11、成形美观， 焊接质量优良。, 电弧燃烧稳定，飞溅小。, 焊接热影响区和变形小。, 可进行全位置焊接。, 氩气昂贵，设备造价高。,应用：,适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。,适用所有金属材料的焊接。,以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。,焊接热源：电弧热,保护介质：CO2,CO2, 与金属发生化学反应产生夹渣缺陷, 溶解于液体金属中产生 CO 气孔缺陷, 比重大于空气（25%）, 氧化严重；, 气孔倾向大（CO）；, 飞溅严重。,1) 存在问题,2 . CO2气体保护焊, 生产率高（是手弧焊的13倍）。, 成本低（是手弧焊的40%） 。, 焊
12、接热影响区和变形小。, 可进行全位置焊接。, 飞溅严重，焊缝成形差。,应用：,适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。,目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。,2）CO2气体保护焊的特点及应用,三、电渣焊,利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热，同时加热熔 化焊丝和金属母材的焊接方法。,焊接热源：电阻热,保护介质：液态熔渣,1. 焊接过程,2. 焊接特点及应用,1）大厚度工件可一次焊成。,单丝4060mm；单丝摆动60150； 三丝摆动450mm；板极电渣焊,2）生产率高，成本低。,3）焊接质量好。 不易产生夹渣、气孔等缺陷。,4）热影响区大。焊后热处理。,应用：, 适用于碳钢
13、、合金钢、不锈钢等材料；, 适用于厚大工件。厚度大于40mm的大型结构件。,2 压力焊,一、电阻焊,通过加压、或同时加热加压，使焊件产生塑性变形， 并经再结晶和扩散作用，使两部分金属达到原子间的 结合，实现连接的焊接方法。,1. 点焊,工艺参数,电极压力,焊接电流,通电时间,适中,对组合焊件经电极加压，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，实现焊接。,焊点距离,太近分流现象严重,太远强度不够,应用：4mm以下的薄板搭接。,2 . 缝焊,应用：3mm以下的薄板搭接。,如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。,3 . 对焊,主要用于棒料的对接。,1）电阻对焊,应用：用于断面简单，直径
14、（或边长）小于20mm或强度要求不太高的工件。,2）闪光对焊,应用：用于重要工件的焊接。可焊相同金属， 也可焊异种金属（铝钢、铝铜等）。 工件直径0.01mm200mm。,二、摩擦焊,1 . 摩擦焊焊接过程,2 . 摩擦焊接头型式,3. 特点及应用, 质量稳定；, 不需填充金属及焊剂；, 生产率高，易实现自动化。,应用：适用于黑色金属、有色金属； 也适用于特种材料、异种材料焊接。,3 钎焊,是将钎料熔化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。,一、钎焊的种类,1. 软钎焊,2. 硬钎焊,钎料的熔点在450 以下。,接头强度低，一般为60190MPa，工作
15、温度低于100 ,钎料的熔点在450 以上。,接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。,钎料的作用, 连接, 填充,钎料的种类, 软钎料：, 硬钎料：,锡铝合金（焊锡）,铝基、铜基、银基、镍基合金等。,2. 溶剂,溶剂的作用, 清理作用, 降低表面张力, 保护作用,去除表面氧化皮,改善液态钎料对焊件的湿润性，增强毛细管作用。,二、钎料和溶剂,1. 钎料,2. 可焊同种、异种金属和厚薄悬殊的工件。,3. 生产率高。易于实现自动化。,4. 设备简单，生产投资费用少。,应用：主要焊接精密、微型、复杂、多焊缝异种金属 的焊接。,目前：软钎焊广泛用于电子、电器、仪表等行业；硬钎焊 用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。,三、钎焊的特点及应用,加热温度低，接头组织、性能变化小；焊接变形小， 工件尺寸精确。,第三章 焊接成形金属件的工艺设计,1 焊接结构材料的选择,1. 优先选用低碳钢和低强度低合金钢；,2. 对于重要件应有先选用镇静钢；,3. 尽量选用同一牌号的材料；,4. 材料的厚度最好相等；,5. 尽量选用型材。,2 焊接方法的选择,焊接方法的选择应充分考虑材料的焊接性、焊 件厚度、焊缝长短、生产批量及焊接质量等因素。,3 接头工艺设计,一、接头形式的设计,
