熱動(dòng)工藝00 第4章

熱動(dòng)力機(jī)械制造基礎(chǔ)沈陽航空工業(yè)學(xué)院動(dòng)力與能源工程學(xué)院牛玲第四章焊接工藝基礎(chǔ)知識(shí)焊接是將兩個(gè)分離的金屬通過加熱或加熱、加壓，產(chǎn)生原子的結(jié)合與擴(kuò)散作用而形成永久性連接的工藝方法。根據(jù)焊接原理可歸納為三大類：(1)熔焊利用局部加熱，使焊件接頭處熔化并加入填充金屬，待其冷卻凝固后連接成整體的焊接方法，如氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊和激光焊等。(2)壓焊利用加熱或其他方法使金屬接頭處于半熔化或高塑性狀態(tài)，在足夠的壓力下產(chǎn)生塑性變形，通過原子間的結(jié)合連接金屬的焊接方法，如電阻焊、摩擦焊等。(3)釬焊利用低熔點(diǎn)釬料被加熱熔化，在焊件接頭處與母材相互擴(kuò)散而形成焊接接頭的方法。釬焊可分為軟釬焊和硬釬焊。第一節(jié)手弧焊一、焊接電弧焊接電弧是在焊條與工件之間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。電弧引燃后，在電場(chǎng)力的作用下，弧柱中充滿高溫電離物質(zhì)，放出大量的熱能和強(qiáng)烈的弧光?？捎弥绷麟?，也可用交流電進(jìn)行焊接。手弧焊(手工電弧焊)時(shí)，在焊條與工件之間產(chǎn)生高溫電弧，使局部金屬熔化形成小熔池，同時(shí)焊條不斷熔化填充在焊縫內(nèi)，冷卻凝固后形成焊接接頭。焊條藥皮在熔化過程中產(chǎn)生保護(hù)氣體和液態(tài)熔渣。保護(hù)氣體起隔絕空氣的作用，液態(tài)熔渣覆蓋在熔池上，保護(hù)液態(tài)金屬的冶金反應(yīng)盡量充分，從而保證焊縫的性能，如圖4—2所示。當(dāng)電弧向前移動(dòng)時(shí)，熔池冷卻凝固而新的熔池不斷產(chǎn)生，最終形成連續(xù)的焊縫。二、電焊條電焊條由藥皮和焊芯兩部分組成。在焊接時(shí)，焊芯作為電極和熔化后填充焊縫，藥皮的作用是：容易引燃電弧和提高電弧的穩(wěn)定性；造氣、造渣包圍和覆蓋熔池，保護(hù)焊縫；提供合金元素滲入焊縫，以保證焊縫的力學(xué)性能和焊接工藝性能。焊條按牌號(hào)編制共有結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條等十大類。其中，結(jié)構(gòu)鋼焊條為最常用的焊條焊條按熔渣化學(xué)性質(zhì)分為酸性焊條和堿性焊條。酸性焊條應(yīng)用十分廣泛，常用于要求不高的一般結(jié)構(gòu)的焊接。堿性焊條常用于重要結(jié)構(gòu)的焊接。常用直流電焊接。焊條的種類和牌號(hào)很多，各有適用范圍，選用時(shí)應(yīng)考慮：①在焊接低碳鋼和低合金鋼時(shí)，根據(jù)母材的強(qiáng)度選用相等強(qiáng)度的焊條；②對(duì)承受交變載荷和沖擊載荷，要求塑性、韌性較高以及厚度較大、形狀復(fù)雜的焊件，應(yīng)選用堿性焊條；③在焊接耐熱鋼、不銹鋼等材料時(shí)，一般應(yīng)選用與母材化學(xué)成分相同的焊條。三、焊接應(yīng)力和變形焊接過程中對(duì)焊件進(jìn)行不均勻加熱而產(chǎn)生的膨脹、冷卻時(shí)的收縮，均受到周圍金屬的限制，使焊件產(chǎn)生了應(yīng)力和變形。為了防止焊接變形和裂紋、減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，經(jīng)常采取的工藝措施如下：(1)焊前預(yù)熱及焊后熱處理(2)選擇合理的焊接順序，如圖4-6所示。(3)剛性固定法(4)反變形法(5)錘擊焊縫法第二節(jié)其他焊接方法一、埋弧自動(dòng)焊整個(gè)焊接機(jī)構(gòu)都裝在焊接小車上，控制操縱盤上的開關(guān)使小車自動(dòng)均勻地向前移動(dòng)，同時(shí)焊劑由漏斗流出，均勻地堆敷在裝配好的焊件上。自動(dòng)焊機(jī)的焊絲在焊劑層下產(chǎn)生電弧，使工件與焊絲熔化形成熔池。電弧周圍部分顆粒狀焊劑被熔化成熔渣，與熔池金屬產(chǎn)生冶金反應(yīng)。金屬和焊劑的蒸發(fā)氣體使熔渣形成熔渣泡，隔絕空氣、保護(hù)熔池：防止金屬液滴飛濺、阻止弧光射出。隨著小車的移動(dòng)，熔池向前推進(jìn)，后面的金屬液冷卻結(jié)晶成焊縫，而熔渣在焊縫表面冷卻形成渣殼。埋弧自動(dòng)焊的特點(diǎn)如下：(1)生產(chǎn)率高(2)焊接質(zhì)量好(3)成本低(4)勞動(dòng)條件好(5)適應(yīng)性差通常只適合進(jìn)行平焊直線長焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫。不能焊薄的焊件，常用于焊接6～60mm厚的鋼板。(6)焊前準(zhǔn)備工作嚴(yán)格二、氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊是利用外加氣體進(jìn)行保護(hù)電弧和焊縫的電弧焊。目前常用的保護(hù)氣體是氬氣和二氧化碳，稱之為氬弧焊和二氧化碳保護(hù)焊。1．氬弧焊氬弧焊的保護(hù)氣體氬氣是惰性氣體，在高溫下，氬氣不與金屬起化學(xué)反應(yīng)并保護(hù)電弧和熔池不受空氣的有害作用。氬弧焊按所用的電極不同可分為鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。氬弧焊的特點(diǎn)如下：1)用氬氣保護(hù)使焊接過程無冶金反應(yīng)，金屬只進(jìn)行熔化。因此，該方法特別適用于焊接非鐵金屬和各種合金鋼，焊接質(zhì)量好。2)電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中、熔池小、熱影響區(qū)小，所以焊接后變形小。3)焊接電弧穩(wěn)定，金屬飛濺少，焊接過程中無熔渣，焊縫美觀。4)可進(jìn)行全方位焊接，并且明弧操作，便于觀察、控制和調(diào)整。5)氬氣成本高，在一般情況下不宜采用。2．二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是以CO2作為保護(hù)氣體，以連續(xù)送進(jìn)的焊絲為電極的焊接方法。CO2是氧化性氣體，故不適用于焊接非鐵金屬。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的特點(diǎn)如下：1)CO2氣體來源廣、價(jià)格低。2)CO2保護(hù)焊焊縫含氫量低，抗裂性能好。3)生產(chǎn)率高。4)可進(jìn)行全方位焊接，并可焊接1mm左右的薄鋼板，生產(chǎn)中常焊接30mm以下的低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。5)由于是氧化性氣體保護(hù)，焊接時(shí)造成液滴飛濺大、焊縫成形后不平滑。而且焊接時(shí)需要采用直流電源。三、電渣焊電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱為熱源來進(jìn)行焊接的方法。電渣焊的特點(diǎn)如下：1)生產(chǎn)率高。2)焊縫缺陷少。3)成本較低。4)焊件需要熱處理。電渣焊工件必須進(jìn)行焊后正火處理。四、等離子弧焊接和切割等離子弧焊接是利用等離子弧發(fā)生裝置使電弧經(jīng)過噴嘴的細(xì)孔道使電弧收縮(機(jī)械壓縮效應(yīng))，由通入的等離子氣(Ar或N2)冷氣流迫使電弧被進(jìn)一步壓縮(熱壓縮效應(yīng))，電弧中帶電粒子流在電弧自身磁場(chǎng)電磁力的作用下又一次被壓縮(磁壓縮效應(yīng))，產(chǎn)生很細(xì)的能量高度集中的等離子弧進(jìn)行焊接的方法。等離子弧焊的特點(diǎn)如下：1)等離子弧能量密度大，穿透能力強(qiáng)，厚12mm的焊件可不開坡口，不留間隙，單面焊接雙面成形。2)等離子弧可焊接厚度為0.025mm的金屬箔材。3)焊接速度快，生產(chǎn)率高，焊縫質(zhì)量高。4)可焊接難熔、易氧化和熱敏感性強(qiáng)的材料，如鉬、鎢、鈦、鎳等合金和雙金屬焊接，也可焊接一般鋼材。5)焊接設(shè)備復(fù)雜，氣體消耗量大，宜在室內(nèi)焊接。等離子弧切割是利用等離子弧的高溫將被切割材料局部熔化并隨即吹除，形成整齊切口的方法。它不僅可以切割鋼材，比氣割生產(chǎn)率提高1～3倍，還可以切割氣割不能切割的材料，如鋁、銅、鉬、鎳、鎢、鈦、不銹鋼和鑄鐵，也可以切割非金屬材料，如碳化硅、混凝土和花崗石等。五、激光焊激光焊是利用激光通過聚焦后產(chǎn)生的光斑，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬熔化形成焊接接頭的方法。激光焊的特點(diǎn)如下：1)能量密度大，熱量集中，焊接時(shí)間短(幾毫秒)，生產(chǎn)率高，可焊接精密零件和熱敏感材料。2)激光能量釋放極其迅速，被焊材料不易氧化，可不需要保護(hù)直接在大氣中焊接。3)激光可利用偏轉(zhuǎn)棱鏡和光導(dǎo)纖維使焦點(diǎn)到達(dá)一般焊接方法難以接近的部位進(jìn)行焊接，也可透過透明材料和絕緣材料，對(duì)內(nèi)部金屬進(jìn)行焊接。4)激光可焊接異種金屬材料，甚至可將金屬與非金屬焊在一起。六、電阻焊電阻焊屬于壓焊的一種，是利用電流通過焊件接觸面所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件局部加熱高塑性或半熔化狀態(tài)，并在壓力下結(jié)晶凝固形成焊接接頭的方法。電阻焊的生產(chǎn)率高，焊接變形小，不需要填充金屬，勞動(dòng)條件好，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。但焊接設(shè)備復(fù)雜、耗電量大、對(duì)焊件厚度和接頭形式有一定限制，通常適用于大批量生產(chǎn)。電阻焊的基本形式可分為點(diǎn)焊、縫焊和對(duì)焊。1．點(diǎn)焊將裝配成搭接接頭的焊件置于兩個(gè)圓柱形電極間預(yù)壓緊并通電加熱。由于電極是通有冷卻水的銅合金，在電極與焊件間的電阻熱被迅速傳走，而兩焊件接觸處熱量集中將金屬局部熔化形成熔核，然后斷電，保持或增大壓力使熔核金屬在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊點(diǎn)。點(diǎn)焊主要適用于薄板結(jié)構(gòu)(≤4mm)和鋼筋構(gòu)件。目前廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、機(jī)車、電子儀表和日常生活用品等生產(chǎn)部門。2．縫焊縫焊的電極是一對(duì)旋轉(zhuǎn)的圓盤(滾輪)，焊件在滾輪間一邊隨滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)而送進(jìn)，一邊受壓通過脈沖電流，得到連續(xù)的相互重疊的焊點(diǎn)組成的焊縫。縫焊只適用于3mm以下要求密封性好的薄壁結(jié)構(gòu)。3．對(duì)焊對(duì)焊是用對(duì)接方式，在整個(gè)接觸面上通電產(chǎn)生電阻熱使焊件連接在一起的焊接方法。根據(jù)焊接過程的不同，可分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊。電阻對(duì)焊適用于截面簡(jiǎn)單、直徑小于20ram的強(qiáng)度要求不高的焊件。閃光對(duì)焊常用于重要焊接件，如對(duì)焊刀具、渦輪軸、鍋爐管道、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門等?？珊附咏孛鎻?.01mm2的金屬絲到15000mm2的金屬型材，也可焊接異種金屬。七、摩擦焊摩擦焊是利用焊件接觸表面的摩擦熱使金屬加熱到高溫塑性狀態(tài)，然后加壓進(jìn)行焊接的方法，也屬于壓焊。焊接時(shí)將兩焊件在一定的壓力下頂緊，使其中一件高速旋轉(zhuǎn)。焊件的接觸面在壓力下摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接合面達(dá)到高溫塑性狀態(tài)后，旋轉(zhuǎn)焊件立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)并施加更大的壓力進(jìn)行頂鍛，焊件產(chǎn)生塑性變形并接合成接頭。摩擦焊焊接質(zhì)量好，廢品率極低；焊件尺寸精度高，焊接操作容易，生產(chǎn)率高，摩擦焊不僅可以焊接同種材料和普通異種鋼材，而且可以焊接性能差別較大的異種合金，如鋁～銅、鋁～鋼等；摩擦焊設(shè)備簡(jiǎn)單、加工費(fèi)用低、能量消耗少、沒有火花及有害氣體、勞動(dòng)條件好。一般摩擦焊廣泛應(yīng)用于圓形工件、棒料及管子的對(duì)接，也可以焊接非等截面和非圓截面的焊件。八、釬焊釬焊是將熔點(diǎn)比焊件低的釬料加熱熔化后滲入固態(tài)焊件間的間隙內(nèi)，將焊件連接起來的焊接方法。根據(jù)釬料的熔點(diǎn)不同釬焊可分為硬釬焊和軟釬焊。(1)硬釬焊釬料熔點(diǎn)高，主要用于受力較大或工作溫度較高的工件。硬釬焊主要用于受力較大的鋼材、銅合金構(gòu)件的焊接和刀具、工具的焊接。(2)軟釬焊釬料熔點(diǎn)低，主要用于受力較小或工作溫度較低的工件。軟釬焊廣泛用于受力不大的鋼鐵構(gòu)件、銅合金構(gòu)件和儀表、導(dǎo)電元件的焊接。釬焊的特點(diǎn)是焊件應(yīng)力和變形小，可以保證焊件的尺寸；焊接接頭光滑平整，無需再進(jìn)行加工；釬焊可以焊接異種金屬和厚薄不等的焊件；可同時(shí)焊接多條焊縫的復(fù)雜焊件，生產(chǎn)率很高；釬焊設(shè)備簡(jiǎn)單，投資較少。但釬焊強(qiáng)度較低，耐熱能力差，對(duì)焊件清理要求嚴(yán)格，故不適用于較重要鋼結(jié)構(gòu)和重載、動(dòng)載機(jī)件的焊接。釬焊主要用于制造精密儀表、電氣零部件、異種金屬構(gòu)件、復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)等。在機(jī)電制造行業(yè)中應(yīng)用也很廣泛，如焊接硬質(zhì)合金刀具、換熱器、各種容器、導(dǎo)管、汽輪機(jī)葉片等。

第三節(jié)常用金屬材料的焊接一、金屬材料的焊接性金屬材料的焊接性是指在一定的焊接工藝條件下金屬材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩方面的