機(jī)械工程材料及成型基礎(chǔ)

1、 機(jī)機(jī)械工程材料及成型基礎(chǔ)械工程材料及成型基礎(chǔ)機(jī)械工程系天狼隊(duì)天狼隊(duì) 主講人主講人: 李仕賢李仕賢 焊接引言 第一節(jié) 焊接的基本原理 第二節(jié) 焊條電弧焊 第三節(jié) 其它焊接方法 第四節(jié) 壓焊與釬焊 第五節(jié) 堆焊與熱噴涂 第六節(jié) 常用金屬材料的焊接 第七節(jié) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言1、何為焊接？何為焊接？ 焊接是通過加熱或加壓，焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。 2焊接的分類第一節(jié) 焊接的基本原理一、 焊接的實(shí)質(zhì)焊接的實(shí)質(zhì) 焊接的實(shí)質(zhì)是使兩個分離的物體通過加熱加熱或加壓加壓，或兩者并用，在用或不用

2、填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯(lián)系與質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用形成一個整體的過程。 焊接電弧焊接電弧 由焊接電源供給、具有一定電壓的兩極間或電極與母材間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象稱為焊接電弧。焊接電弧示意圖二、焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)焊接時，電弧沿焊件逐漸移動并對焊件進(jìn)行局部加熱。焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分稱為焊縫焊縫。焊縫及其鄰近區(qū)域的總稱叫焊焊縫區(qū)縫區(qū)。 在焊接過程中，焊縫區(qū)金屬從常溫被加熱到最高溫度，然后逐漸冷卻到常溫。由于焊件上各點(diǎn)的位置不同，被加熱的最高溫度亦不相同；而熱量的傳遞需要一定的時間，故各點(diǎn)達(dá)到其最高溫度的時間亦不相同。在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時間變化的

3、過程稱為焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)。焊接應(yīng)力焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀，因此是設(shè)計(jì)和制造中必須考慮的問題。焊接裂紋與焊接變形的形式 焊接時，在任何情況下焊接應(yīng)力總是存在的。當(dāng)焊接應(yīng)力超過該材料相應(yīng)溫度的屈服應(yīng)力時，焊件將產(chǎn)生變形；超過材料的斷裂應(yīng)力時，焊件將會產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。預(yù)防和減小焊接應(yīng)力及焊接變形的措施 1. 合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu) 盡量減少焊縫及焊縫的長度和截面積，并盡量使結(jié)構(gòu)中的所有焊

4、縫對稱，避免交叉焊縫等，2. 焊前預(yù)熱 焊前對焊件預(yù)熱，可減少焊件各部分的溫差，對減小焊接應(yīng)力與變形較為有效。3. 反變形法 根據(jù)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算，確定工件焊后產(chǎn)生變形的方向和大小，焊前將工件預(yù)先斜置或彎曲成等值反向角度，以期達(dá)到焊后與所要求的工件角度正好吻合。4. 剛性固定法 采用工裝夾具或定位焊固定，此法可顯著減小但不能完全消除焊后殘余變形。 5. 錘擊焊縫法 用圓頭小錘對焊后紅熱的焊縫金屬進(jìn)行均勻適度錘擊，以延伸變形，補(bǔ)償其收縮同時釋放出部分能量，減小焊接應(yīng)力和變形。 6. 強(qiáng)迫冷卻法 將焊縫區(qū)的熱量迅速散掉，使焊接時金屬受熱面積減小，此法又稱散熱法。 焊接變形的矯正 1. 機(jī)械矯正法 即用機(jī)

5、械的方法將變形矯正過來，常用的設(shè)備有輥【gn】 床、壓力機(jī)、矯直機(jī)等；2. 火焰矯正法 采用局部加熱焊件的某些部位，使其受熱時膨脹，受周圍冷金屬制約引起長度方向被壓縮，冷卻時收縮而矯正變形。第二節(jié)第二節(jié) 焊條電弧焊焊條電弧焊 電弧焊電弧焊是利用電弧作為熱源的熔焊方法，簡稱弧焊。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。焊條電弧焊具有設(shè)備簡單，操作靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)，且焊接性好，對焊接接頭的裝配尺寸無特殊要求，可在各種條件下進(jìn)行各種位置的焊接，是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的焊接方法。但焊條電弧焊時有強(qiáng)烈弧光強(qiáng)烈弧光和煙塵污染煙塵污染，勞動條件差，生產(chǎn)率低，對工人技術(shù)水平要求較高，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定。因此

6、，主要應(yīng)用于單件小批量生產(chǎn)中焊接碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼和對鑄鐵的補(bǔ)焊等。適宜板厚為3mm-20mm。 一、 焊條電弧焊電源焊條電弧焊電源1. 電源的要求 焊條電弧焊電源應(yīng)具有適當(dāng)?shù)目蛰d電壓和較高的引弧電壓，以利于引弧，保證安全；當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流增大，電弧電壓應(yīng)急劇下降；還應(yīng)保證焊條與焊件短路時，短路電流不應(yīng)太大；2. 電源種類 （1） 交流弧焊機(jī) 具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但電弧穩(wěn)定性較差。 （2） 直流弧焊機(jī) 二、 焊條焊條1、焊條的組成和作用 1.焊條由藥皮和焊芯兩部分組成。 焊芯在焊接過程中既是導(dǎo)電的電極，同時本身又溶化作為填充金屬，與熔化的母材共同形成

7、焊縫金屬；藥皮是壓涂在焊芯表面的涂料層，主要作用是在焊接過程中造氣，防止空氣進(jìn)入焊縫；2. 焊條的分類 (1)焊條按熔渣的化學(xué)性質(zhì)分為兩大類 1）酸性焊條 溶渣呈酸性，藥皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化 物。 2）堿性焊條 熔渣呈堿性，藥皮的主要成分為CaCo3和CaF2 。 (2)焊條按用途可分為十一大類 碳鋼焊條、低合金鋼焊條、低溫鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條等。第三節(jié)第三節(jié) 其它焊接方法其它焊接方法一、 埋弧焊 二、 氣體保護(hù)電弧焊 三、 電渣焊 四、 等離子弧焊 五、 電子束焊 六、 激光焊一、 埋弧焊1. 定義：電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)

8、行焊接的方法稱為埋弧焊。 2. 特點(diǎn)： 1）生產(chǎn)率高； 2）焊接質(zhì)量高、穩(wěn)定； 3）節(jié)約金屬材料； 4）改善勞動條件。 3. 應(yīng)用：常用來焊接厚度為6mm-60mm的長直焊縫和較大直徑 （一般不小于250mm）的環(huán)形焊縫。二、 氣體保護(hù)電弧焊用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊，簡稱氣體保護(hù)焊。 （一） 氬弧焊 特點(diǎn)： 1）焊件不易氧化； 2）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 3）焊縫致密，成形美觀； 4）焊接成本高。 應(yīng)用：主要用于焊接易氧化的有色金屬和合金鋼，如鋁、鎂、鈦及其合金、耐熱鋼、不銹鋼等。（二） 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊 特點(diǎn)： 1）生產(chǎn)效率高； 2）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易

9、變形； 3）接頭抗裂性好； 4）焊接成 本低。 應(yīng)用： 適合于各種位置的焊接，目前，CO2焊已在全國廣泛普及，大有在短時間內(nèi)取代焊條電弧焊的發(fā)展勢頭。 三、 電渣焊1. 定義：電渣焊是利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。 2. 特點(diǎn)： 1）厚大截面可一次焊成，生產(chǎn)效率高； 2）焊縫金屬比較純凈； 3. 應(yīng)用：適用于板厚40mm以上結(jié)構(gòu)的焊接。一般用于直縫焊接，目前，電渣焊已在我國水輪機(jī)、水壓機(jī)、軋鋼機(jī)、重型機(jī)械等大型設(shè)備制造中得到廣泛使用。四、 等離子弧焊1. 定義：借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用，獲得較高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊接的方法2. 特點(diǎn)： 1）焊件不易氧化； 2）便于操

10、作，容易實(shí)現(xiàn)全位置自動化； 3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 4）焊縫致密，成形美觀； 5）弧柱溫度高，焊接速度快，生產(chǎn)率高。3. 應(yīng)用：國防工業(yè)和尖端技術(shù)所用銅合金、合金鋼、鎢、鈷、鈦等金屬的焊接。如鈦合金的導(dǎo)彈殼體、微型繼電器、電容器的外殼封接及飛機(jī)上一些薄壁容器等均可用等離子弧焊。五、 電子束焊定義：利用加速和聚焦電子束轟擊置于真空或非真空中焊件所生的熱能進(jìn)行焊接的方法稱為電子束焊。 2. 特點(diǎn)： 1）焊縫金屬純度高； 2）焊縫表面質(zhì)量好，內(nèi)部熔合性好； 3）焊接熱影響區(qū)小，焊件不易變形； 4）控制靈活，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)。 3. 應(yīng)用：電子束焊應(yīng)用廣泛，從微型電子線路組件、真空膜盒、原

11、子燃料器件到大型的導(dǎo)彈外殼都可以采用電子束焊接。此外，熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、溶解度相差很大的異種金屬，在真空中使用的器件和內(nèi)部要求真空的密封器件等，用真空電子束焊接也能得到良好接頭。 電子束焊六、 激光焊1. 原理：通過聚焦系統(tǒng)使激光束聚焦到十分微小的焦點(diǎn)，光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而使金屬熔化形成接頭。 2. 特點(diǎn)： 1）焊接熱影響區(qū)極小，焊件難于變形； 2）焊件不易被氧化，可在空氣中焊接； 3）可焊接難于接近的接頭。 3. 應(yīng)用：激光焊比較容易實(shí)現(xiàn)異種金屬和異種材料的焊接，目前已廣泛用于電子工業(yè)和儀表工業(yè)中微型件的焊接。激光焊第四節(jié)第四節(jié) 壓焊與釬焊壓焊與釬焊焊接過程中，必須對焊件施加壓力，以完成焊接的方

12、法稱為壓焊。 一、 電阻焊 二、摩擦焊 三、釬焊一、 電阻焊工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法稱為電阻焊。 電阻焊分為對焊、點(diǎn)焊和縫焊。 (一)對焊 按工藝不同可分為電阻對焊和閃光對焊。 1. 電阻對焊，將工件裝配成對接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。2. 閃光對焊，工件裝配成對接接頭，接通電源，并使其端面逐漸移近達(dá)到局部接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)（產(chǎn)生閃光），使端面金屬熔化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時，迅速施加頂鍛力完成焊接的方法，稱為閃光對焊。 閃光對焊廣泛應(yīng)用于建筑、

13、機(jī)械制造、電氣工程等部門，如鋼筋、鋼管、汽車輪緣、自行車輪圈、切削刀具等對焊（二)點(diǎn)焊 1、電阻點(diǎn)焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法， 電阻點(diǎn)焊主要適用于各種薄板、板料沖壓結(jié)構(gòu)及鋼筋構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)機(jī)、輕工、電子器件、儀表和日常生活用品的生產(chǎn)中。2、膠接點(diǎn)焊 膠接點(diǎn)焊是以膠接加強(qiáng)電阻點(diǎn)焊強(qiáng)度的連接方法。它是近年來發(fā)展起來的新工藝。與電阻點(diǎn)焊相比，膠接點(diǎn)焊接頭的搭接抗剪強(qiáng)度可提高3倍，疲勞強(qiáng)度可提高9倍。 點(diǎn)焊(三)縫焊 工件裝配成搭接接頭、對接接頭、T形接頭、角接接頭等接頭形式，并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓工件并轉(zhuǎn)動

14、，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫 縫焊主要應(yīng)用于焊縫較規(guī)則，有密封要求的3mm以下薄壁結(jié)構(gòu)，如消聲器、油箱等。二、摩擦焊 摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端面達(dá)到熱塑性狀然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。 摩擦焊的特點(diǎn)： 焊接表面不易氧化，接頭質(zhì)量穩(wěn)定，不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷，廢品率低，無需焊條、焊劑及填充金屬，操作簡單、成本低、生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動化。同種金屬及異種金屬均可施焊。摩擦焊適用于圓形截面的棒材或管材，亦可將管材焊在平板上。實(shí)心焊件截面直徑為2mm-100mm，空心焊件最大外徑可達(dá)幾百毫米。三、釬焊 釬焊是硬釬焊和軟釬焊的總稱。采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料

15、作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。網(wǎng)帶式釬焊爐保護(hù)氣氛銅釬焊爐根據(jù)釬料的熔點(diǎn)不同，釬焊分為以下兩類。 硬釬焊 使用硬釬料（熔點(diǎn)高于450）進(jìn)行的釬焊稱為硬釬焊。常用的釬料有銅基、銀基、鋁基、鎳基等合金。釬劑常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。加熱方法有火焰加熱、鹽浴加熱、爐內(nèi)加熱、電阻加熱等。硬釬焊接頭強(qiáng)度較高，可達(dá)490 MPa，適用于受力較大及工作溫度較高的焊件，如自行車車架，切削刀具等。 軟釬焊 使用軟釬料（熔點(diǎn)低于450）進(jìn)行的釬焊稱為軟釬焊。常用的釬料為錫、鉛釬料。焊劑為松香、松香酒精溶液、

16、氯化鋅溶液等。多用烙鐵加熱，接頭強(qiáng)度較低，在40Mpa-140Mpa之間，用于受力不大或工作溫度較低的工件，如電子器件、儀器、儀表等。釬焊的特點(diǎn)是： 加熱溫度低，接頭組織與性能變化小，焊件的應(yīng)力和變形也小，易保證焊件尺寸，接頭光滑平整，外形美觀，同種、異種金屬均可焊接。但接頭強(qiáng)度低，耐熱溫度不高，焊前對焊件清理要求較嚴(yán)，不適于大型構(gòu)件第五節(jié)第五節(jié) 堆焊與熱噴涂堆焊與熱噴涂一、堆焊 為增大或恢復(fù)焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的焊接稱為堆焊。 堆焊的目的是提高零件表面的耐磨、耐熱、耐蝕等性能或修復(fù)已磨損的零件使其恢復(fù)原尺寸 二、熱噴涂 熱噴涂是將熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過高速

17、氣流使其霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。噴涂材料可以是線材，也可以是粉末材料。噴槍熱源可以是氣體火焰，也可以是電弧或等離子弧等。 金屬噴涂時，由于熔融金屬被霧化后高速噴射到金屬表面，所以噴涂層含有金屬氧化物粒子，比軋制材料更硬、更脆、且具有多孔性。除各種金屬線材的噴涂外，還可以噴涂制成粉末材料的陶瓷、玻璃、塑料等非金屬材料，以滿足各種零件表面性質(zhì)的使用要求。第六節(jié)第六節(jié) 常用金屬材料的焊接常用金屬材料的焊接1、碳素鋼的焊接 2、低合金鋼的焊接 3、不銹鋼的焊接 4、鑄鐵的補(bǔ)焊 5、有色金屬的焊接一、碳素鋼的焊接低碳鋼的焊接 低碳鋼塑性好，一般沒有淬硬傾向。焊接時一般不需

18、要采取特殊的工藝措施即可獲得優(yōu)質(zhì)接頭。 低碳鋼可以用各種方法進(jìn)行焊接，常用的是焊條電弧焊、埋弧焊、電阻焊、電渣焊和氣體保護(hù)焊。中、高碳鋼的焊接 中、高碳鋼屬于淬火鋼，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其淬硬傾向漸趨嚴(yán)重，焊接性明顯變差。焊接時一般從兩方面著手：一是選用適當(dāng)?shù)暮笚l，如抗裂性好的低氫型焊條或奧氏體不銹鋼焊條等；二是采用一定的焊接工藝措施，如焊前預(yù)熱工件，采用細(xì)焊條、小電流、多層焊，防止母材金屬過多地深入焊縫，以防止產(chǎn)生熱裂紋，并采用焊后緩冷以防止產(chǎn)生冷裂紋等。 二、低合金鋼的焊接低合金鋼焊接經(jīng)常出現(xiàn)的問題 （1） 熱裂紋， 熱裂紋指焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的

19、焊接裂紋。 （2） 冷裂紋， 焊接接頭冷卻到較低溫度下時產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋常發(fā)生在高強(qiáng)度鋼的厚板結(jié)構(gòu)中。（3） 白點(diǎn) ，在焊縫金屬拉斷面上，出現(xiàn)的如魚目狀的一種白色圓形斑點(diǎn)稱為白點(diǎn)。其產(chǎn)生原因是焊接過程中吸收了過量的氫，故又稱氫白點(diǎn)。低合金鋼焊接主要根據(jù)不同鋼號的屈服點(diǎn)等級選擇焊接材料，應(yīng)遵守等強(qiáng)度原則。固相線，低合金鋼開始發(fā)生局部熔融的p T X(壓力 溫度 組分)條件四、不銹鋼的焊接 (1)焊接順序焊接時,按照先焊基層,再焊過渡層,最后焊復(fù)層焊縫的順序進(jìn)行。(2)工藝措施a)焊條焊前須按規(guī)定進(jìn)行烘干處理;b)過渡層、復(fù)層焊接均宜采用反極、直線運(yùn)條和多層多道焊;c)過渡層、復(fù)層焊接均宜采用小電流