焊接冶金PPT課件VIP

.,1,焊接冶金與焊接性,焊接教研室,.,2,緒論,1、焊接的本質(zhì)和途徑2、焊接接頭及其形成過(guò)程3、焊接方法的種類和特點(diǎn)4、焊接溫度場(chǎng)和焊接熱循環(huán)5、本課程的教學(xué)目的和內(nèi)容,.,3,1、焊接的本質(zhì)和途徑,焊接是通過(guò)加熱或加壓或者兩者并用，并且用或不用填充材料，使被焊材料形成永久連接的一種工藝。焊接的本質(zhì)是使焊件達(dá)到原子間的結(jié)合。焊件可以是金屬材料，也可以是非金屬材料，如塑料、陶瓷等。,.,4,原子間的作用力與距離的關(guān)系,.,5,2、焊接接頭及其形成過(guò)程,焊接接頭指被焊材料經(jīng)焊接之后發(fā)生組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。由焊縫、融合區(qū)和熱影響區(qū)構(gòu)成。,.,6,焊縫:一般由熔化的被焊材料和添加材料經(jīng)凝固后形成的，組織和性能均不同于母材。融合區(qū)：是焊縫與熱影響區(qū)的分界線。熱影響區(qū)：母材組織和性能發(fā)生變化，但未熔化。,.,7,焊接接頭的形成過(guò)程,1、焊接熱過(guò)程2、固液狀態(tài)演變過(guò)程3、焊接化學(xué)冶金過(guò)程4、固態(tài)相變過(guò)程,.,8,3、焊接方法的種類和特點(diǎn),焊接分類：熔焊：氣焊、電弧焊、高能束流焊、電渣焊壓焊：電阻焊、摩擦焊、爆炸焊、超聲波焊、擴(kuò)散焊釬焊,.,9,氣焊,利用氣體燃燒的火焰作為熱源的焊接方法。乙炔(C2H2)是最常用的可燃?xì)怏w。氧和乙炔燃燒的化學(xué)過(guò)程是：2C2H2+5O24CO+2H2+3O2+熱量4CO2+2H2O+熱量。,.,10,氧乙炔火焰生成的氫和二氧化碳對(duì)熔化金屬有一定的保護(hù)作用。氣焊設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活方便，火焰易于控制，不需要電源。所以氣焊主要用于焊接厚度小于3mm以下的低碳鋼薄板，銅、鋁等有色金屬及其合金，以及鑄鐵的焊補(bǔ)等。此外，也適用于沒(méi)有電源的野外作業(yè)。氣焊火焰的溫度低，熱量分散，加熱速度緩慢，故生產(chǎn)率低，工件變形嚴(yán)重，焊接的熱影響區(qū)大，焊接接頭質(zhì)量不高。,.,11,氣焊火焰,中性焰氧化焰碳化焰中性焰：如圖所示，氧氣和乙炔的體積混合比為1.11.2時(shí)燃燒所形成的火焰稱為中性焰，又稱為正常焰。它由焰心、內(nèi)焰和外焰三部分構(gòu)成。中性焰在距離焰心前面14mm處溫度最高，可達(dá)3150。中性焰適用于焊接低碳鋼、中碳鋼、普通低合金鋼、不銹鋼、紫銅、鋁及鋁合金等金屬材料。,.,12,碳化焰：如圖所示，碳化焰是指氧和乙炔的體積混合比小于1.1時(shí)燃燒形成的火焰。由于氧氣較少，燃燒不完全，過(guò)量的乙炔分解為碳和氫，其中碳會(huì)滲到熔池中造成焊縫增碳。碳化焰比中性焰的火焰長(zhǎng)，也由焰心、內(nèi)焰和外焰構(gòu)成，其明顯特征是內(nèi)焰呈乳白色。碳化焰最高溫度為27003000。碳化焰適于焊接高碳鋼、鑄鐵和硬質(zhì)合金等材料。,.,13,氧化焰：如圖所示氧和乙炔的體積混合比大于1.2時(shí)燃燒所形成的火焰稱為氧化焰。氧化焰比中性焰短，分為焰心和外焰兩部分。由于火焰中有過(guò)量的氧，故對(duì)熔池金屬有強(qiáng)烈的氧化作用，一般氣焊時(shí)不宜采用。只有在氣焊黃銅、鍍鋅鐵板時(shí)才采用輕微氧化焰，以利用其氧化性，在熔池表面形成一層氧化物薄膜，減少低沸點(diǎn)的鋅的蒸發(fā)。氧化焰的最高溫度為31003300。,.,14,電弧焊電弧的實(shí)質(zhì)是電極與工件之間的氣體介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈持久的放電現(xiàn)象，是氣體放電的一種特殊形式。電弧放電過(guò)程是將電能轉(zhuǎn)換成熱能，伴有強(qiáng)烈的弧光。,.,15,（1）焊條電弧焊,1基本原理用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊法。,.,16,手工電弧焊有以下特點(diǎn)：（1）操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)。適用于各種鋼種、各種厚度、各種位置和各種結(jié)構(gòu)的焊接。特別是對(duì)不規(guī)則的焊縫、短焊縫、仰焊縫、高空和位置狹窄的焊縫，均能操作自如。（2）焊接質(zhì)量好。因電弧溫度高，焊接速度較快，熱影響區(qū)小，焊接接頭的機(jī)械性能較為理想。（3）易于分散應(yīng)力和控制變形。采用手工電弧焊，可以通過(guò)工藝調(diào)整，來(lái)減少變形和改善應(yīng)力分布。（4）設(shè)備簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。（5）由于手工操作，生產(chǎn)效率低，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大。（6）焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。手工電弧焊的焊接質(zhì)量，與焊工的技能有關(guān)，這是手工電弧焊的最大缺點(diǎn)。,.,17,當(dāng)今生產(chǎn)效率較高的機(jī)械化焊接方法之一，又稱焊劑層下自動(dòng)電弧焊。電弧在焊劑下燃燒進(jìn)行焊接的方法，它是利用電氣及機(jī)械裝置控制送絲和移動(dòng)電弧的一種焊接方法。,（2）埋弧自動(dòng)焊,.,18,埋弧自動(dòng)焊的特點(diǎn)和應(yīng)用1）生產(chǎn)率高2）焊縫質(zhì)量好3）成本低4）勞動(dòng)條件好5）適應(yīng)性差6）對(duì)焊前準(zhǔn)備要求嚴(yán)7）焊接設(shè)備較復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)一次投資較大,.,19,（3）熔化極氣體保護(hù)焊,利用連續(xù)送進(jìn)的焊絲與焊件之間燃燒的電孤作熱源，由焊炬噴嘴噴出的氣體保護(hù)電弧來(lái)進(jìn)行焊接。常用的保護(hù)氣體有氬氣、氦氣、二氧化碳?xì)饣蜻@些氣體的混合氣。以氬氣或氦氣為保護(hù)氣時(shí)稱為熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊，在國(guó)際上簡(jiǎn)稱為，MIG焊；以惰性氣體與氧化性氣體(O2、CO2)混合氣為保護(hù)氣時(shí)、或以CO2氣體或CO2O2混合氣為保護(hù)氣時(shí)，統(tǒng)稱為熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊，在國(guó)際上簡(jiǎn)稱為MAG焊。,.,20,基本原理,用連續(xù)送進(jìn)的焊絲與被焊工件之間燃燒的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲與母材金屬，通過(guò)焊槍噴嘴輸送保護(hù)氣體。,.,21,熔化極氣體保護(hù)電弧焊的主要優(yōu)點(diǎn)：方便地進(jìn)行各種位置的焊接速度較快熔敷率較高可適用于大部分主要金屬，包括碳鋼、合金鋼。熔化極惰性氣體保護(hù)焊適用于焊接不銹鋼、鋁、鎂、銅、鈦、鋯及鎳合金。MIG：MetalInert-GasarcweldingMAG：MetalActive-Gasarcwelding,.,22,（4）鎢極氬弧焊(TIG),TungstenInertGasarcwelding,基本原理也稱非熔化極氬弧焊，利用惰性氣體作保護(hù)氣體，電極用難熔金屬（鎢或鎢合金）棒，焊件作為另一個(gè)電極。通過(guò)鎢極與焊件之間產(chǎn)生的電弧加熱和熔化焊件及填充金屬，形成焊接接頭。,.,23,.,24,工藝特點(diǎn)保護(hù)效果好，焊接質(zhì)量高；焊接應(yīng)力變形小；操作方便，適用于空間各種位置焊接電弧穩(wěn)定,.,25,焊接成本高設(shè)備復(fù)雜對(duì)表面清理要求高適用于不銹鋼、耐熱鋼及銅、鈦、鋁、鎂等有色金屬的（3mm）薄板焊接或重要構(gòu)件的打底焊,.,26,用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過(guò)水冷噴嘴時(shí)受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。它的穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護(hù)氣體一般用氬。根據(jù)各種工件的材料性質(zhì)，也有使用氦或氬氦、氬氫等混合氣體的。等離子弧焊接屬于高質(zhì)量焊接方法。焊縫的深/寬比大，熱影響區(qū)窄，工件變形小，可焊材料種類多。,（5）等離子弧焊,.,27,等離子弧焊接的特點(diǎn)：（1）微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。（2）具有小孔效應(yīng)，較好實(shí)現(xiàn)單面焊雙面自由成形。（3）等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強(qiáng)，1012mm厚度鋼材可不開坡口，能一次焊透，雙面成形，焊接速度快，生產(chǎn)率高，應(yīng)力變形小。（4）設(shè)備比較復(fù)雜，氣體耗量大，只宜于室內(nèi)焊接。,.,28,電子束焊接,電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場(chǎng)的加速下再通過(guò)電磁場(chǎng)的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。電子束焊接具有不用焊條、不易氧化、工藝重復(fù)性好及熱變形量小的優(yōu)點(diǎn)。,.,29,電子束焊接特點(diǎn)為:加熱功率密度大。焊縫熔深熔寬比(即深寬比)大。熔池周圍氣氛純度高。由于電子束焊是在真空內(nèi)用聚焦高能電子束(10kV)把接頭加熱到熔化溫度的焊接,加熱區(qū)域非常集中,因此只能焊接真空室內(nèi)放得下的小零件。,.,30,激光束屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊可以與電弧焊組成激光電弧復(fù)合焊，實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比電弧焊大為減小。,激光束焊,.,31,激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）可將輸入熱量降到最低，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。（2）可降低厚板焊接所需時(shí)間可省掉填料金屬。（3）不需使用電極，沒(méi)有電極污染或受損的顧慮。（4）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。（5）可焊材質(zhì)種類范圍大，可焊異質(zhì)材料。（6）不需真空，亦不需做X射線防護(hù)。（7）若以穿孔式焊接，焊道深寬比可達(dá)10:1。,.,32,激光焊接的主要缺點(diǎn)：（1）焊件位置需非常精確，在激光束的聚焦范圍內(nèi)。（2）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變。（3）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。（4）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。（5）焊道快速凝固，有氣孔及脆化現(xiàn)象。（6）設(shè)備昂貴。,.,33,電渣焊,利用電流通過(guò)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，凝固后形成金屬原子間牢固連接。在開始焊接時(shí)，使焊絲與起焊槽短路起弧，不斷加入少量固體焊劑，利用電弧的熱量使之熔化，形成液態(tài)熔渣，待熔渣達(dá)到一定深度時(shí)，增加焊絲的送進(jìn)速度，并降低電壓，使焊絲插入渣池，電弧熄滅，從而轉(zhuǎn)入電渣焊焊接過(guò)程。它的缺點(diǎn)是輸入的熱量大，接頭在高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)、焊縫附近容易過(guò)熱，焊縫金屬呈粗大結(jié)晶的鑄態(tài)組織，沖擊韌性低，焊件在焊后一般需要進(jìn)行正火和回火熱處理。,.,34,4、焊接溫度場(chǎng)和焊接熱循環(huán),材料成形技術(shù)基礎(chǔ),.,35,第一節(jié)焊接成形熱過(guò)程,一焊接熱過(guò)程特點(diǎn)1.焊接熱過(guò)程的局部集中性2.焊接熱過(guò)程的瞬時(shí)性3.焊接熱源的移動(dòng)性,.,36,二焊接過(guò)程熱效率熱效率=Q/QQ:焊接熱源提供的熱量;Q:用于加熱焊件的有效熱量;,.,37,真正用于焊接的有效功率P為P=UIP:電弧功率;U:焊接電壓;I:焊接電流；,.,38,.,39,焊接溫度場(chǎng)所謂焊接溫度場(chǎng)是指在焊接集中熱源的作用下，被焊工件上（包括內(nèi)部）各點(diǎn)在某一瞬時(shí)的溫度分布。,.,40,一、焊接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程,1.焊接傳熱的基本形式,焊接過(guò)程主要研究的是焊件溫度變化（相當(dāng)于冷卻為主）因此主要以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考慮輻射和對(duì)流的作用。,.,41,2.焊接熱傳導(dǎo)的基本方程熱總是從物體的高溫部位向低溫部位流動(dòng)，它的流動(dòng)規(guī)律服從傅立葉定律。根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律，可以導(dǎo)出任一無(wú)限大物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程。,傅立葉定律：q=dT/dnq電流密度，即沿法線方向單位面積、單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的熱量；熱導(dǎo)率（J/cmsc),表示導(dǎo)熱能力,.,42,焊接熱傳導(dǎo)方程T/t=aTa：熱擴(kuò)散率(cm/s):拉普拉斯符號(hào)(/x+/y+/z)表示某時(shí)刻，物體上給定點(diǎn)附近溫度分布越不均勻，則該點(diǎn)溫度變化越快。二、焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為T=f(x,y,z,t）,.,43,式中，T工件上某一瞬時(shí)某點(diǎn)的溫度x,y,z工件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo)t時(shí)間數(shù)學(xué)解析的基本假定：物理系數(shù)=常數(shù)初始溫度均勻?yàn)榱悴豢紤]相變、散熱和結(jié)晶潛熱焊件幾何尺寸是無(wú)限的熱源作用于焊件形式為點(diǎn)、線和面狀。,.,44,根據(jù)焊件的厚度和尺寸形狀，傳熱的方式可以簡(jiǎn)化為：1厚大焊件點(diǎn)狀熱源三維溫度場(chǎng)2薄板焊件線狀熱源二維溫度場(chǎng)3細(xì)棒對(duì)接面狀熱源一維溫度場(chǎng),.,45,三、瞬時(shí)熱源的傳導(dǎo)過(guò)程,假定焊件的初始溫度t=0，利用瞬時(shí)熱源法比較容易求得熱傳導(dǎo)基本方程的特解。其特解為：T(r,t)=r給定點(diǎn)到熱源點(diǎn)的坐標(biāo)n與熱源有關(guān)的常數(shù)Q焊件瞬時(shí)獲得的熱能,點(diǎn)n=3線n=2面n=1,.,46,.,47,四、影響焊接溫度場(chǎng)的因素,1熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性）2焊接規(guī)范（焊速與能量，即焊接熱輸入）,.,48,.,49,3被焊金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率，體積熱容，熱擴(kuò)散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）,.,50,4.焊件的板厚及形狀,薄板焊接的溫度場(chǎng)分布,.,51,表面堆焊和丁字接頭形式溫度場(chǎng)分布,.,52,第三節(jié)焊接熱循環(huán),焊接時(shí)焊件在加熱和冷卻過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化。即焊件上某點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間由低到高達(dá)到最大值后又由高到低的變化。稱為焊接熱循環(huán)。,.,53,一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù),.,54,.,55,1加熱速度H,.,56,2峰值溫度Tmax3高溫停留時(shí)間tH4冷卻速度（或冷卻時(shí)間t8/5;t8/3;t100）,.,57,.,58,.,59,二、多層焊接熱循環(huán),1.長(zhǎng)段多層焊接熱循環(huán)長(zhǎng)段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層焊縫基本上冷卻到100-200以下,.,60,.,61,2.短段多層焊接熱循環(huán),.,62,.,63,三、影響焊接熱循環(huán)的因素,1.焊件尺寸形狀的影響,.,64,2.接頭形式的影響,.,65,3.焊道長(zhǎng)度的影響,.,66,4.預(yù)熱溫度的影響,.,67,.,68,5.焊接線能量的影響6.焊接時(shí)冷卻條件的影響,.,69,第四節(jié)凝固成形熱過(guò)程,一、凝固成形熱過(guò)程特點(diǎn)及效率1.凝固成形熱過(guò)程特點(diǎn)凝固成形的基本熱過(guò)程包括加熱熔化和冷卻凝固兩個(gè)部分。以沖天爐為例，其熱交換區(qū)可分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)和爐缸區(qū)4個(gè)部分。（1）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點(diǎn)1）爐氣給熱以對(duì)流方式為主。2）傳遞熱量大3）溫度變化大,.,70,（2）熔化區(qū)的熱交換特點(diǎn)1）爐氣給熱以對(duì)流傳熱為主。2）呈凹形分布。3）高度波動(dòng)大。（3）過(guò)熱區(qū)熱交換的特點(diǎn)1）鐵水的受熱以與焦炭接觸傳導(dǎo)導(dǎo)熱為主。2）傳熱強(qiáng)度大。3）爐氣最高溫度與區(qū)域高度起決定作用。（4）爐缸區(qū)的熱交換特點(diǎn)與過(guò)熱區(qū)相仿,.,71,2.凝固成形加熱過(guò)程熱效率凝固成形加熱過(guò)程的熱效率與冶煉方式、熱源種類及冶煉材料的性能等因素有關(guān)。二、凝固成形熱溫度場(chǎng)根據(jù)鑄件溫度場(chǎng)隨