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1、第三章第三章 焊接焊接一一 焊接生产的实质焊接生产的实质焊接，就是在两块金属之间，用局部加热加热或加压加压等手段，借助于金属内部原子的结合力原子的结合力，使分离的金属连接成牢固整体的一种工艺方法。 概述概述 两个物体只有相互接近到0.30.5nm的距离，才有可能实现原子力的结合。二二 焊接方法的分类焊接方法的分类1 熔化焊：利用热源，将焊件接头熔化，并加入填充金属，凝固后彼此焊合在一起。2 压力焊：加热或不加热，接头受压力作用，产生塑性变形，使原子间产生结合力（组成新的晶格），将两工件连接起来。熔化焊、压力焊和钎焊熔化焊、压力焊和钎焊3 钎焊：接头只加热不加压，焊件不熔化，钎料加热到熔化状态扩
2、散到接头中去。硬钎焊：软钎焊：钎料的熔点450以上。钎料的熔点450以下。二二 焊接生产的特点焊接生产的特点1 省工省料，构件轻便；2 可以化大为小，以小拼大；3 可以制造双金属结构，节省贵金属；4 存在问题：影响质量的因素较多，易产生缺陷。 提高质量，消除缺陷是焊接生产的关键问题。提高质量，消除缺陷是焊接生产的关键问题。 1 焊接的基本原理焊接的基本原理一一 熔化焊的冶金过程熔化焊的冶金过程1 冶金特点：a 温度高温度高 Fe+OFeO FeO+O Fe3O4 C+O CO Mn+O MnO Si+O SiO2空气中的氮气亦可与铁发生反应，生成Fe2N或Fe4N（两极2500K，弧柱区600
3、08000K）, 易在焊缝中产生氧化物、氮化物夹渣，降低焊缝的力学性能，使其变脆。 焊接材料中的元素烧损强烈，氧化氮化严重， b 熔池体积小熔池体积小， 冷却快，反应不平衡，成分不均匀，渣气不易浮出，形成气孔、夹渣，进一步导致焊缝力学性能下降。c 电离出的氢原子大量溶于金属，导致金属脆化。2 保证质量的措施：a 对熔化金属进行保护，防空气侵入；对熔化金属进行保护，防空气侵入；气体保护气体保护：熔渣保护熔渣保护：用化学性质不活波的气体充满焊缝周围，排开空气。手工电弧焊中，焊条药皮燃烧产生CO2保护气体。焊接过程中产生的熔渣覆盖在焊缝表面，以防金属被氧化、氮化。 b 补充易烧损的元素，保证焊缝的化
4、学成分；补充易烧损的元素，保证焊缝的化学成分；c 进行脱氧、硫、磷进行脱氧、硫、磷。(石灰石 氟石等脱硫磷)二二 焊接接头的组织和性能焊接接头的组织和性能（低碳钢）（低碳钢）焊接接头包括焊缝焊缝， 熔合区熔合区 (靠近焊缝的半熔化区)，热影响区热影响区 (临近熔合区)。1 焊缝：(熔化区)组织特点：铸态组织，晶粒粗大，力学性能：不低于基本金属。2 熔合区：(半熔化区)此区的高温组织为A+L，A体晶粒粗大，塑性差，易产生应力集中，出现裂纹，力学性能最差。力学性能最差。3 热影响区：焊缝两侧受焊接热循环作用而发生组织性能变化的区域。接头各点：接头各点： 加热加热 迅速冷却迅速冷却过热区：过热区：
5、最高加热温度1100AE线线。受高温影响，晶粒急剧长大，甚至产生过热组织。塑性、韧性明显下降，易出现裂纹，力学性能最差。力学性能最差。正火区：正火区： 最高加热温度Ac31100，相当受到正火处理。A体晶粒细小，冷却后组织细化，力学性能好力学性能好。部分相变区：部分相变区：高温组织为F+A，相变不充分，晶粒不均，性能稍差性能稍差。再结晶区：温度范围在AC1500。工件焊经过冷塑性变形，在此区再结晶，细化晶粒，提高性能。加热温度AC1AC3，组织发生部分相变。4 影响焊接接头性能的因素焊接材料：焊条中的焊丝和药皮，影响焊缝的化学成份。焊接方法：不同的焊接方法其热影响区的宽度不同。焊接工艺：焊接速
6、度快，电流小，则热影响区窄。5 改善接头性能的方法：采用合适的焊接材料，以保证焊缝的化学成份；焊接方法和工艺：采用热影响区小的焊接方法，工艺上可用细焊条，多层焊。调整焊接规范；减小焊接电流，加快焊接速度 以减少热输入；焊后热处理。 三三 焊接应力和变形焊接应力和变形1 焊接应力和变形产生的原因：对工件进行了不均匀的加热和冷却。3 减少和消除变形、应力的措施： a 合理设计焊接结构合理设计焊接结构:减少焊缝长度、数量和断面积；焊缝对称布置；2 焊接变形的基本形式：避免交叉焊缝；收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形拉 压 压 b 工艺措施：工艺措施： c 矫正变形的方法矫正变形的方法反变
7、形法；加余量法；刚性固定；合理的焊接顺序；机械矫正火焰加热矫正焊前预热，碳钢件可预热到350400；消除应力的方法 焊后热处理。加0.10.2%的补缩量。先条后块原则2 常用熔化焊方法常用熔化焊方法一一 焊条电弧焊焊条电弧焊（一）焊条1 组成： 焊条由焊丝（焊芯）和药皮两部分组成。2 焊丝的作用：导电、填充焊缝金属。3 药皮的作用： 主要是保证焊缝质量。保护作用保护作用：药皮熔化，产生气体、熔渣，隔绝空气，保护熔滴和熔池。稳弧稳弧作用作用：药皮中的K、Na的盐类电离，提高电弧的稳定性。脱氧、脱硫磷、渗合金脱氧、脱硫磷、渗合金，提高焊缝金属的机械性能。4 焊条的分类、型号与牌号：焊条的种类：焊条
8、的种类：按焊条的用途分十一大类：碳钢焊条、低合金焊条、耐热钢焊条、铸铁焊条、不锈钢焊条按药皮的主要成份分八类：Ti型、TiCa型、钛铁矿型、氧化铁型、低氢钾型、低氢钠型按熔渣的酸碱性分两类：酸性焊条酸性焊条：酸性氧化物（FeO、TiO2）多于碱性氧化物（CaO、CaF2）特点：氧化性强，合金烧损大，焊缝机械性能（、ak）低； 焊接工艺性好，对接头的清理要求不高（好焊）； 价格便宜。用途：广泛用于低碳钢、低合金钢和要求不高的结构件。碱性焊条碱性焊条：药皮以碱性氧化物和萤石为主的焊条。特点：药皮成份中CaCO3、CaF2、铁合金含量较多； 有机物含量少（低氢）；焊缝的抗裂性能好（ak）； 机械性能
9、好（有益元素含量多）； 工艺性能差，对接头清理要求较严格； 价格较贵。用途：要求较高的易裂材料和结构以及合金结构钢的焊接。焊条的型号：焊条的型号：国家标准中的焊条代号。(以碳钢焊条为例)E 焊接电流种类和药皮类型表示焊接位置焊缝金属抗拉强度的最小值表示碳钢焊条例：E4316表示为碳钢焊条，焊缝b430MPa，用于全位置焊接，药皮为低氢钾型。焊条的牌号：焊条的牌号： 焊条行业统一的焊条代号。用一个大写字母（或汉字）加三个数字来表示。 如 J 4 2 2（结422）药皮类型（钛钙型）焊缝金属抗拉强度的最小值（ b430MPa ）表示焊条的大类（结构钢焊条）5 焊条的选用原则焊条的选用原则（以结构钢
10、为例）（以结构钢为例）按照使用要求选大类；焊接结构钢，使用结构钢焊条根据工作条件选强度，遵循等强度原则；根据载荷性质、焊件形状、刚度、结构本身的材质、环境等情况选焊条的酸碱性。受动受动载（冲击、交变）载（冲击、交变） ：结构形状复杂、厚度大、刚度大：结构形状复杂、厚度大、刚度大：碳、硫、磷含量高：碳、硫、磷含量高：环境温度低、脆性大、冷却速度快：环境温度低、脆性大、冷却速度快：碱性焊条碱性焊条除此之外：应选酸性焊条（二）特点：设备简单；操作灵活生产率低；质量不稳定 二二 埋弧自动焊埋弧自动焊1 焊接过程：焊机将焊丝自动送入电弧区并保证选定的弧长（运条自动）；焊接电弧在焊剂层下面燃烧（埋弧）。2
11、 埋弧自动焊的特点和应用：生产率高：电流可以很大，常用到1000A， 厚度小于25mm不开坡口。 运条自动，辅助时间少。焊接质量好：保护比较严密，电弧稳定， 热影响区窄，焊缝成型美观。金属消耗少：没有焊条头，熔深大，劳动条件好：看不到弧光，很少有烟雾。不能实现全位置焊接，位置窄时难焊。焊前装配要求高。设备复杂，一次性投资较大。应用：成批焊接厚度为660mm的长直焊缝、 较大直径（D250mm）的环形焊缝水平位置焊接。三三 气体保护焊气体保护焊：利用化学性质不活波的气体保护熔池和熔滴，免受空气有害作用的电弧焊。（一）氩弧焊用氩气（Ar）来保护熔化金属。1 特点：保护效果好，焊接质量高；电弧稳定，
12、温度易控制，单面焊双面成型；可进行全位置焊接；氩气成本高。2 应用：焊接铝合金焊接铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢等、镁合金、钛合金、不锈钢等易氧化的有色金属和易氧化的有色金属和合金钢，只能在室内进行。合金钢，只能在室内进行。（二）二氧化碳气体保护焊（二）二氧化碳气体保护焊：用用CO2作为保护气体方法。作为保护气体方法。1 特点：特点：成本低，仅为焊条电弧焊的成本低，仅为焊条电弧焊的45%；焊接质量较好（指低碳钢和低合金钢）；焊接质量较好（指低碳钢和低合金钢）；生产率高，是焊条电弧焊的生产率高，是焊条电弧焊的14倍：电流大，不用清渣。倍：电流大，不用清渣。可进行全位置焊接；可进行全位置焊接；电流
13、过大时，金属飞溅较大，烟雾较多，焊缝成型差；电流过大时，金属飞溅较大，烟雾较多，焊缝成型差；2 应用：应用：焊接低碳钢和低合金钢，特别适合厚度小于3mm薄板。CO2在高温在高温下具有氧化下具有氧化性，烧损合性，烧损合金元素金元素！不能焊不能焊接有色接有色金属和金属和合金钢合金钢四四 电渣焊电渣焊利用电流通过液态熔渣产生的电阻热熔化母材与电极1 特点：特点： 厚大截面焊缝一次焊成，故生产率高，成本低；焊缝金属纯净；组织粗大，热影响区宽。2 应用：应用： 用于厚板（厚度40mm）的立缝焊接，焊后热处理。3 压焊与钎焊压焊与钎焊一一 电阻焊电阻焊利用强大的电流（几千到几万A）通过焊件，在其接头处产生
14、电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力的作用下形成焊接接头的焊接方法。1 电阻焊的分类：电阻焊的分类：点焊：在两块搭接工件接触面间形成焊点，而将工件焊在一起。点焊应用于不要求密封的薄板（小于4mm）的焊接。缝焊：采用滚盘作电极，边焊边滚，形成连续的焊缝。缝焊应用于厚度小于3mm的要求密封件，如油箱等。对焊：利用电阻热将两个工件在整个断面上焊接起来。两工件的断面形状应尽量相同。2 电阻焊的特点：电阻焊的特点： 节省焊接材料，成本低；热影响区小，时间短（0.01几秒），变形小；生产率高；设备复杂，耗电量大。二二 摩擦焊摩擦焊利用两工件相互磨擦所产生的热，使工件端面达到热塑性状态，然后迅
15、速加压完成焊接的一种压力焊方法。接头质量好；不用焊接材料；同种或异种金属都可以焊生产率高三三 钎焊钎焊：加热工件不熔化，钎料熔化。（三）特点：（三）特点：温度低，应力和变形小，接头非常美观； 生产率高； 同种、异种金属均可焊； 接头强度较低，耐热温度较低。 （四）应用：（四）应用： 要求接头美观，对强度要求不高、形状复杂的电器和工具。 分分类钎料熔点料熔点钎料料举例例钎剂软钎焊450锡、铅松香、松香、氯化化锌硬硬钎焊450银、铜、铝、镍硼砂、硼酸、硼砂、硼酸、氯化物、氟化物化物、氟化物4 常用金属材料的焊接常用金属材料的焊接一一 金属材料的焊接性金属材料的焊接性（一）（一） 概念：概念： 焊接
16、性又被称为材料的可焊性 被焊金属材料在一定焊接工艺条件下， 获得优质接头的难易程度。优质接头： 接头缺陷少接头具有所要求的使用性能（二（二 ）可焊性的影响因素）可焊性的影响因素1 化学成份： 影响焊接性的主要因素。例如：钢中含碳量、合金元素、淬硬倾向，接头脆 化，形成裂纹的倾向 焊接性2 焊接方法： 焊接方法对金属材料的焊接性能有很大的关系。3 焊接工艺：焊件预热，可焊性提高；中、高碳钢焊前预热。板厚增加，可焊性下降。焊接材料(焊条等)（三）三） 估算钢料可焊性的方法估算钢料可焊性的方法碳当量法：此公式由国际焊接学会推荐，用于碳钢和低合金钢。当C当当0.4%时：冷裂倾向不大，焊接性良好，一般不
17、需采取工艺措施。当C当当=0.40.6%时：冷裂倾向明显，焊接性较差，需采用工艺措施来防止裂纹的产生。例如焊前预热，采用低氢型焊条。当C当当0.6%时：冷裂倾向严重，可焊性更差。 提高预热温度，采用碱性焊条，焊后缓冷。二二 常用金属材料的焊接特点常用金属材料的焊接特点 （一）低碳钢C0.25%，焊接性良好，没有淬硬、冷裂倾向。1 常用焊接方法：所有焊接方法都能焊好，常用手工电弧焊、埋弧自动焊。2 工艺措施： 一般情况下不需采取特殊措施，当板厚大于50mm，低温（0以下）焊接时，应预热到100150 。大刚度结构件低温焊接时，应考虑焊前预热或采用低氢型焊条。常用焊条牌号：J422、J427（二）
18、中碳钢（二）中碳钢C=0.25%0.6% C当0.4%焊接时易产生淬硬组织：过热区和正火区产生M体组织。冷裂和热裂倾向明显，焊接性能差。1 常用焊接方法：手工电弧焊、气焊。2 工艺措施：焊前预热，如45钢预热到150250。焊后缓冷，如结构不允许预热，可用不锈钢焊条。采用碱性焊条，如J507、J607。细焊条、小电流、开坡口、多层多道焊。（三）高碳钢（三）高碳钢焊接性能更差，一般不采用这类钢做焊接结构。C当0.6%其焊接只用于工件的修补，焊接工艺措施和中碳钢相似。（四）合金结构钢（四）合金结构钢焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢1 常用焊接方法： 焊条电弧焊、埋弧自动焊。2 焊接特点： 强度
19、级别较低：淬硬倾向小，可焊性好，同低碳钢；强度级别较高：淬硬倾向较大，可焊性较差，形成淬火区，易产生冷裂纹。级别裂纹倾向。3 工艺措施：强度级别低的同低碳钢；强度级别高的： 焊前预热，预热温度T150；用碱性焊条；焊后回火，T回=600650 ；消氢处理：加热200300 ，保温26小时。（五）铸铁（五）铸铁焊接性十分恶劣，主要用于铸铁件的修补。1 特点：熔化区易产生白口，难于加工；易产生裂纹和气孔。2 焊接工艺和方法：热焊热焊法法： 焊件预热到600700，焊后缓冷。焊条电弧焊：采用铸铁芯焊条（Z248）或 钢芯石墨化铸铁焊条（Z208）。气焊：采用含硅高的铸铁焊条，C+Si=7%。热焊法成
20、本高，劳动条件差，但质量能保证，焊后可加工。冷焊冷焊法：法：不预热或只预热到400 以下。如焊后加工，采用镍基焊条，如Z308、Z508，有良好的抗裂性和加工性，但Ni比较贵重。如焊后不加工，则可采用结构钢焊条，如J507，亦可采用铜基铸铁焊条。薄小件可用气焊。设计焊接结构，需注意四方面的问题：结构材料的选择；焊接方法的选择；焊缝的布置；接头及坡口形式设计。一一 结构材料的选择结构材料的选择在满足工作性能要求的前提下，尽可能选用焊接性好的材料。如低碳钢、强度级别低的合金结构钢。 三三 焊缝布置焊缝布置基本原则：5 焊接结构设计焊接结构设计二二 焊接方法的选择焊接方法的选择 1 尽量减少焊接工作
21、量；2 利于方便焊接，留有操作空间；3 焊缝远离或避开加工面，避开应力最大位置；用型材代替板材拼焊，以减少焊缝的数量。5 不同壁厚件的焊接要平滑过渡。4 对称布置焊缝，分散布置焊缝；对接四四 接头形式设计与坡口接头形式设计与坡口1 接头形式： 常用的有对接、搭接、角接和T型接头。根据结构的形状和工艺选用接头形式。2 坡口形式： 开坡口的目的是保证焊透，如手弧焊熔深34mm。3 接头的过渡： 结构最好两板厚度一致，不等厚应逐步过渡。第四章第四章 毛坯的选择毛坯的选择 一一 毛坯的种类：型材、铸件、锻压件、焊接件。毛坯的种类：型材、铸件、锻压件、焊接件。 1 型材：组织致密、力学性能好。形状较简单
22、受力较大的重要件。2 铸件：力学性能不够好，用于受力不大或以受压应力为主的零 件，如支架、箱体类件。 3 锻件：力学性能好，用于受重载、动载及复杂载荷的重要零件。 4 冲压件：适于加工形状复杂、批量较大的板料零件。 5 焊接件：铸焊、锻焊、冲焊结合可以弥补相应毛坯制造 方法的不足。 二二 常用机械零件毛坯的成型方法：常用机械零件毛坯的成型方法：P178P178表表4 41 1 三三 毛坯的选择毛坯的选择: : 原则：适用性、经济性。 具体选择应考虑零件类别、用途、零件工作条件、零件的形状尺寸、生产批量等方面。 1 轴杆类：光轴、阶梯轴、空心轴、曲轴和杆件等 按承载类型 ：转轴：既承受弯矩又传递
23、转矩的轴，如车床主轴，带轮的轴等。 传动轴：主要传递转矩而不承受或承受很小弯矩的轴。 心轴：承受弯矩而不传递转矩的轴，如自行车、汽车的前轴等。 轴杆类零件一般均为重要的受力和传动用零件。毛坯形式：锻件或型材。毛坯形式：锻件或型材。 异形断面或曲轴，亦可采用球墨铸铁铸造成形。 2 2 饼块类饼块类( (盘套类盘套类) )： 齿轮、飞轮、手轮、法兰、套环、垫圈等 齿轮：齿轮：表面具有足够的强度和硬度，本体要有一定的强度和韧性。 中、小齿轮：一般选用锻件 结构复杂的大型齿轮：铸钢或球墨铸铁铸造成型。单件生产：焊接。低速、受力小的齿轮：灰铸铁铸造成型。 要求传动精确、结构小巧的仪表齿轮：板材冲压成形。 高速轻裁的小齿轮：为减小噪声可用尼龙等非金属材料制造。 带轮、手轮、飞轮、垫铁和刀架：带轮、手轮、飞轮、垫铁和刀架：受力不大或受压为主 采用铸铁件，单件生产时，也可采用低碳钢焊接件。 垫圈类零件：垫圈类零件：一般采用低碳钢板冲压件。 法兰、气缸套、导向套、轴承等零件毛坯：法兰、气缸套、导向套、轴承等零件毛坯：一般为钢、铸铁、铜 合金等材料制成，成形方法可用砂型铸造、离心铸造或锻造。 3 3机架、箱体类机架、箱体类 ： 4 机身、机座、工作台、轴承座及齿轮箱、阀体、泵体等。 常采用铸铁毛坯、铸造成形。受力复杂的可采用铸钢。有时可采用焊接件制造毛坯， 但焊接结构减振性不如铸铁。
