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第4章---连接成形工艺.pdf
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1、第4章连接成形工艺制造工艺基础本章提纲4.1 焊接成形理论基础4.2 熔化焊4.3 压力焊4.4 钎焊4.5 焊接结构工艺性4.6 胶接工艺4.7 先进连接技术3常见的连接成形方法在现代化工业生产中,通过连接实现成形的工艺方法多在现代化工业生产中,通过连接实现成形的工艺方法多种多样,常见的连接成形工艺主要种多样,常见的连接成形工艺主要有有熔焊、压焊以及钎焊熔焊、压焊以及钎焊。4.1.1 焊接电弧4.1 焊接成形理论基础(一)焊接电弧的物理基础(一)焊接电弧的物理基础电弧既是一种气体导电现象,又是一种自持续放电现象。电弧中的带电粒子主要是依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程而产
2、生的。1.电离和激发电离和激发2.电子发射电子发射在一定条件下,中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。电子发射有以下四种形式:(1)热发射(2)电场发射(3)光发射(4)粒子碰撞发射4.1 焊接成形理论基础(二)焊接电弧的产生过程(二)焊接电弧的产生过程电弧焊时,首先需要在电极与焊件之间提供一个导电通道,才能引燃电弧。引燃电弧通常有两种方式,即接触式引弧和非接触式引弧。两种引弧方式具有不同的引弧过程。1.接触式引弧接触式引弧2.非接触式引弧非接触式引弧高频和脉冲引弧a)引弧器接入方式 b)高频高压引弧电压波形 c)高压脉冲引弧电压波形Uyh-引弧电压 t-时间1)短路阶段2)分离
3、阶段3)燃烧阶段焊丝与焊件短路时的接触状态4.1 焊接成形理论基础阴极区阴极区(CathodeCathode):阴极前面存:阴极前面存在由阳离子构成的正空间电荷区域在由阳离子构成的正空间电荷区域,产生的压降称作阴极压降产生的压降称作阴极压降(CathodeCathode VoltageVoltage DropDrop)阳极区阳极区(AnodeAnode):阳极前面存在:阳极前面存在由电子构成的负空间电荷区域由电子构成的负空间电荷区域,产产生的压降称作阳极压降生的压降称作阳极压降(AnodeAnodeVoltageVoltage DropDrop)弧柱区弧柱区(ArcArc column/arc
4、column/arc plasmaplasma),以很平缓的形式呈现线形电压以很平缓的形式呈现线形电压降降,称作弧柱区压降称作弧柱区压降(PositivePositiveColumnColumn VoltageVoltage DropDrop)acpaUUUU电弧构造与电弧电压分布4.1.2 焊接接头组织与性能4.1 焊接成形理论基础(一)焊缝金属的组织和性能(一)焊缝金属的组织和性能(二)熔合区和热影响区的组织和性能(二)熔合区和热影响区的组织和性能焊缝焊缝金属是由母材和金属是由母材和焊条熔化焊条熔化形形成的熔池冷却结晶而成的成的熔池冷却结晶而成的。结晶。结晶时时,以以熔池和母材金属的交界处
5、的半熔化熔池和母材金属的交界处的半熔化金属晶粒为晶核,沿着垂直于散热面金属晶粒为晶核,沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶,最后这些柱方向反向生长为柱状晶,最后这些柱状晶在焊缝中心相接触而停止生长。状晶在焊缝中心相接触而停止生长。1)熔合区)熔合区2)过热区)过热区 3)正火区)正火区4)不完全重结晶区不完全重结晶区 5)再结晶区再结晶区低碳钢焊接接头温度分布与组织变化1-熔合区 2-过热区 3-正火区 4-不完全重结晶区 5-再结晶区4.1.2 焊接接头组织与性能4.1 焊接成形理论基础(一(一)影响接头性能的因素及改善措施影响接头性能的因素及改善措施影响焊接接头性能的主要因素示意图影响焊接
6、接头性能的主要因素示意图1)合理选择焊接方法、接)合理选择焊接方法、接头形式与焊接规范,控制合头形式与焊接规范,控制合适的焊后冷却适的焊后冷却速度速度2)进行焊后)进行焊后热处理热处理,改善改善热热影响区组织和影响区组织和性能性能3)采用多层焊)采用多层焊,使,使前层的前层的组织和性能得到改善组织和性能得到改善。4)尽量选择低碳且硫、磷)尽量选择低碳且硫、磷含量低的钢材作为焊接结构含量低的钢材作为焊接结构材料材料4.1.3 焊接应力与变形4.1 焊接成形理论基础(一)焊接应力与变形的形成机理及影响因素(一)焊接应力与变形的形成机理及影响因素焊接变形 焊接过程瞬态热变形 焊后残余变形面内变形面外
7、变形面内位移(热膨胀,冷却收缩)面外位移(热应力导致失稳位移)相变组织变形焊缝纵向收缩焊缝横向收缩回转变形角变形弯曲变形扭曲变形失稳波浪变形1.1.高温下金属性能显著改变高温下金属性能显著改变2.2.焊接的温度场的空间分布不均匀焊接的温度场的空间分布不均匀4.1.3 焊接应力与变形4.1 焊接成形理论基础(二二)预防和减小焊接应力和变形的工艺措施)预防和减小焊接应力和变形的工艺措施1.焊前预热焊前预热2.选择合理的焊接顺序选择合理的焊接顺序3.加热减应区加热减应区4.反变形法反变形法5.刚性固定法刚性固定法刚性固定法大型容器底板的拼焊顺序分散对称的焊接顺序长焊缝的分段焊a)自由反变形b)预制反
8、变形反变形法4.1.4 焊接缺陷及检测4.1 焊接成形理论基础检验方法与内容检验方法与内容1.破坏性检测方法:破坏性检测方法:(1)金相分析(2)化学成分分析(3)力学性能试验2.非非破坏性检验方法:破坏性检验方法:(1)目视检验(2)致密性检验(3)磁粉检验(4)渗透探伤(5)超声波探伤(6)射线探伤4.1.5 4.1.5 材料的焊接性材料的焊接性4.1 焊接成形理论基础(一)焊接性的概念(一)焊接性的概念焊接焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子(分子)间结合力而连接成一的固态物体产生原子(分子)间结合力而连接成一体的连接成形方法体的
9、连接成形方法。微观微观上讲可以这样定义焊接:两种或两种以上上讲可以这样定义焊接:两种或两种以上的材料的材料(同种或异种同种或异种),通过加热或加压,通过加热或加压(或并用或并用),使接头处产生原子或分子间的结合和扩散,从而造使接头处产生原子或分子间的结合和扩散,从而造成永久性联接的工艺过程。成永久性联接的工艺过程。(二)影响焊接性的因素(二)影响焊接性的因素1.1.材料因素材料因素2.2.设计因素设计因素3.3.工艺因素工艺因素4.4.服役环境服役环境4.2.1 焊条电弧焊4.2 熔化焊熔化焊是利用热源将工件及填充金属局部加热熔化,形成熔池,然后随着热源的向前移动,熔池金属冷却结晶,形成焊缝。
10、常用的熔化焊方法有气焊、电弧焊(焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊)、等离子弧焊、激光焊等。(一)焊条电弧焊特点(一)焊条电弧焊特点焊条电弧焊示意图焊条电弧焊所用焊接设备简单,应用灵活方便,可以进行各种位置及各种不规则焊缝的焊接;焊条产品系列完整,可以焊接大多数常用金属材料。但焊条载流能力有限(20500A),焊接厚度一般为320mm,生产率较低。4.2 熔化焊(二)焊条(二)焊条1.1.焊条的组成与作用焊条的组成与作用(1)焊芯 其作用一是作为电极,导电产生电弧,形成焊接热源;二是熔化后作为填充金属成为焊缝的一部分,导电产生电弧,形成焊接热源。(2)药皮)药皮 其在焊接过程中的主要作用是保证电弧
11、稳定其在焊接过程中的主要作用是保证电弧稳定燃烧;造气、造渣以隔绝空气,保护熔化金属;对熔化金燃烧;造气、造渣以隔绝空气,保护熔化金属;对熔化金属进行脱氧、去硫、渗入合金元素等。属进行脱氧、去硫、渗入合金元素等。2.焊条的种类焊条的种类焊条按熔渣性质的不同分为酸性焊条和碱性焊条两大类。焊条按熔渣性质的不同分为酸性焊条和碱性焊条两大类。1)酸性酸性焊条形成的熔渣以酸性氧化物居多,氧化性强,合焊条形成的熔渣以酸性氧化物居多,氧化性强,合金元素烧损大金元素烧损大,塑性,塑性和韧性不高,抗裂性差。和韧性不高,抗裂性差。2)碱性碱性焊条又称低氢焊条,形成的熔渣以碱性氧化物焊条又称低氢焊条,形成的熔渣以碱性
12、氧化物居居多渗多渗合金作用强,使焊缝力学性能得到合金作用强,使焊缝力学性能得到提高提高。4.2.2埋弧自动焊4.2 熔化焊(一)埋弧焊的工作原理(一)埋弧焊的工作原理埋弧自动焊的工作原理埋埋弧焊的工作原理如弧焊的工作原理如图所图所示,焊接电源的两极分别接至示,焊接电源的两极分别接至导电嘴和焊导电嘴和焊件件。焊剂焊剂由焊剂漏斗经软管均匀由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊件的待焊地堆敷到焊件的待焊处电弧处电弧在焊在焊剂下面的焊丝与母材之间燃烧。剂下面的焊丝与母材之间燃烧。电弧电弧力将液态金属推向后方力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝,熔渣则并逐渐冷却凝固成焊缝,熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。凝
13、固成渣壳覆盖在焊缝表面。母母材局部熔化形成材局部熔化形成熔池熔池,焊丝焊丝熔化形成熔滴,并以渣壁过渡的熔化形成熔滴,并以渣壁过渡的形式向熔池中形式向熔池中过渡过渡。4.2.2埋弧自动焊4.2 熔化焊(二)埋弧自动焊的特点(二)埋弧自动焊的特点埋弧焊机1-导轨 2-焊接小车 3-立柱 4-操纵盘 5-焊丝盘 6-横梁 7-焊剂漏斗8-焊接机头 9-焊剂10-渣壳 11-焊缝 12-焊接电缆13-焊接电源14-控制箱1.埋弧自动焊的主要优点埋弧自动焊的主要优点(1)生产率高)生产率高(2)节省金属材料和电能)节省金属材料和电能(3)焊接质量好)焊接质量好(4)劳动条件好)劳动条件好2.埋弧自动焊有
14、以下缺点:埋弧自动焊有以下缺点:(1)焊接适用的位置受到限制)焊接适用的位置受到限制(2)焊接厚度受到限制)焊接厚度受到限制(3)对焊件坡口加工与装配要求较严)对焊件坡口加工与装配要求较严(三)埋弧自动焊的应用(三)埋弧自动焊的应用埋埋弧焊具有生产效率高、焊缝质量好、熔深大、机械化程度高等特点弧焊具有生产效率高、焊缝质量好、熔深大、机械化程度高等特点,广泛应用于锅炉、压力容器、船舶、桥梁、起重机械、工程机械、冶金,广泛应用于锅炉、压力容器、船舶、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造的主要焊接机械以及海洋结构、核电设备等制造的主要焊接手段手段。4.2.3非熔化极气体保护
15、电弧焊4.2 熔化焊(一)(一)TIG(GTAW)TIG(GTAW)的工作原理的工作原理TIG焊原理焊原理钨钨极被夹持在电机夹上,从极被夹持在电机夹上,从TIG焊焊焊枪的喷嘴中伸出一定长度焊枪的喷嘴中伸出一定长度。在在伸出的钨极端部与焊件之间产生伸出的钨极端部与焊件之间产生电弧,对焊件进行加热电弧,对焊件进行加热。惰性气体惰性气体进入枪体,从钨极的周围进入枪体,从钨极的周围通过喷嘴喷向焊接区,以保护钨级、电通过喷嘴喷向焊接区,以保护钨级、电弧及熔池,使其免受大气的侵害弧及熔池,使其免受大气的侵害。4.2.3非熔化极气体保护电弧焊4.2 熔化焊(二)(二)TIGTIG焊的特点焊的特点1.TIG焊
16、的优点焊的优点(1)能够实现高品质焊接,得到优良的焊缝。)能够实现高品质焊接,得到优良的焊缝。(2)钨)钨电极是不熔化电极是不熔化的,焊缝的,焊缝很美观、平滑、均匀。很美观、平滑、均匀。(3)特别)特别适合于薄板焊接适合于薄板焊接。(4)在薄板焊接时无需填充焊丝。)在薄板焊接时无需填充焊丝。(5)钨极氩弧焊时的电弧是各种电弧焊方法中稳定性最好的电弧之一。)钨极氩弧焊时的电弧是各种电弧焊方法中稳定性最好的电弧之一。(6)可以焊接各种金属材料,如:钢、铝、钛、镁等。)可以焊接各种金属材料,如:钢、铝、钛、镁等。(7)TIG焊可靠性高焊可靠性高,可以,可以焊接重要焊接重要构件构件2.TIG焊的缺点焊
17、的缺点(1)焊接效率低于其他)焊接效率低于其他方法方法(2)易易产生气孔,影响焊缝的产生气孔,影响焊缝的质量质量(3)钨微粒进入钨微粒进入熔池会造成夹熔池会造成夹钨钨(4)生产成本生产成本较高较高4.2.4熔化极气体保护电弧焊4.2 熔化焊熔化极气体保护电弧焊分类熔化极气体保护电弧焊分类熔化熔化及气体保护电弧焊(及气体保护电弧焊(GMAW)是采用连续等速送进)是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属,形成熔池和焊缝的焊接金属,形成熔池和焊缝的焊接方方法法。为了得到良好的焊缝应利为了得到良好的焊缝应利用
18、外加气体作为电弧介质并保护用外加气体作为电弧介质并保护熔滴、熔池金属及焊接区高温金熔滴、熔池金属及焊接区高温金属免受空气的有害作用。属免受空气的有害作用。4.2.4熔化极气体保护电弧焊4.2 熔化焊(一)熔化极氩弧焊(一)熔化极氩弧焊(MIG、MAG)1.工作原理工作原理1-焊件 2-电弧 3-焊丝 4-焊丝盘5-送丝滚轮 6-导电嘴 7-保护罩焊接时,氩气或富氩混合气体从焊枪喷嘴中喷出,保护焊接电弧和焊接区;焊丝由送丝机构向待焊区送进;焊接电弧在焊丝与焊件之间燃烧,焊丝被电弧加热熔化形成熔滴过渡到熔池中。冷却时,由焊丝和母材金属共同组成熔池凝固结晶,形成焊缝。2.熔化极氩弧焊特点熔化极氩弧焊
19、特点1)MIG焊的保护气体是没有氧化性的纯惰性气体,能避免氧化,焊接中不产生熔渣。2)MAG焊的保护气体虽然具有氧化性,但相对较弱。4.2.4熔化极气体保护电弧焊4.2 熔化焊(二)(二)CO2气体保护电弧焊气体保护电弧焊1-焊接电源 2-送丝滚轮 3-焊丝 4-导电嘴5-喷嘴 6-CO2气体 7-电弧 8-熔池 9-焊缝10-焊件 11-预热干燥器 12-CO2气瓶CO2气体气体保护电弧焊的工作原理保护电弧焊的工作原理焊接焊接时,在焊丝与焊件之间时,在焊丝与焊件之间产生电弧;焊丝自动送进,被电产生电弧;焊丝自动送进,被电弧熔化形成熔滴并进入熔池;弧熔化形成熔滴并进入熔池;CO2气体经喷嘴喷出
20、,包围电弧气体经喷嘴喷出,包围电弧和熔池,起着隔离空气和保护焊和熔池,起着隔离空气和保护焊接金属的作用。同时,接金属的作用。同时,CO2气还气还参与冶金反应,在高温下的氧化参与冶金反应,在高温下的氧化性有助于减少焊缝中的氢。当然性有助于减少焊缝中的氢。当然,其高温下的氧化性也有不利之,其高温下的氧化性也有不利之处。处。4.2.5等离子弧焊4.2 熔化焊(一)等离子弧焊类型及原理(一)等离子弧焊类型及原理穿透型等离子弧焊接示意图微束等离子弧焊接工作原理图1.穿透型等离子弧焊接穿透型等离子弧焊接穿透穿透型等离子弧型等离子弧焊接时焊接时,等离子弧把焊件,等离子弧把焊件的整个厚度完全穿透,在熔池中形成
21、上下贯穿的整个厚度完全穿透,在熔池中形成上下贯穿的小孔,并从焊件背面喷出部分电弧(亦称尾的小孔,并从焊件背面喷出部分电弧(亦称尾焰)。随着等离子弧沿焊接方向的移动,熔化焰)。随着等离子弧沿焊接方向的移动,熔化金属依靠其表面张力的承托,沿着小孔两侧的金属依靠其表面张力的承托,沿着小孔两侧的固体壁面向后方流动,熔池后方的金属不断封固体壁面向后方流动,熔池后方的金属不断封填小孔,并冷却凝固形成焊缝。填小孔,并冷却凝固形成焊缝。2.熔透型等离子弧焊接熔透型等离子弧焊接(1)熔透型等离子弧焊接。)熔透型等离子弧焊接。(2)微束等离子弧焊接。)微束等离子弧焊接。普通熔透型等离子弧焊接工作原理图4.2.5等
22、离子弧焊4.2 熔化焊(二)等离子弧焊接的特点(二)等离子弧焊接的特点1.与钨级氩弧焊相比,等离子弧焊接有以下优点与钨级氩弧焊相比,等离子弧焊接有以下优点(1)电弧能量集中,因此焊缝深宽比大,截面积小;焊接速度快;焊板焊接变形小,焊厚板时热影响区窄。(2)电弧挺度好,以焊接电流10A为例,等离子弧喷嘴高度达6.4mm,弧柱仍较挺直。(3)电弧的稳定性好,微束等离子弧焊接的电流小至0.1A时仍能稳定燃烧。(4)由于钨级内缩在喷嘴之内,没有焊缝夹钨问题。2.等离子弧焊的等离子弧焊的缺点缺点(1)由于需要两股气流,因而使全过程的控制和焊枪的构造复杂化。(2)由于电弧的直径小,要求焊枪喷嘴轴线更准确地
23、对准焊缝。4.2.6 激光焊4.2 熔化焊(一)激光焊接的原理(一)激光焊接的原理壁聚焦效应激光焊接激光焊接实质上是激光与非透明物质相互作用的过程,实质上是激光与非透明物质相互作用的过程,这个过程极其复杂,微观上是一个量子过程,宏观上则是表这个过程极其复杂,微观上是一个量子过程,宏观上则是表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象。现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象。1.光的反射及吸收光的反射及吸收2.材料的加热材料的加热3.材料的熔化及气化材料的熔化及气化4.激光作用终止,熔化金属凝固激光作用终止,熔化金属凝固4.2.6 激光焊4.2 熔化焊(二)激光焊接的分类及特点(二)激光焊接的分类及
24、特点1.激光焊接的类型激光焊接的类型小孔内液体金属的流动1-焊接方向 2-激光束激光深熔焊示意图根据根据激光对材料的加热机制和实际作用激光对材料的加热机制和实际作用在焊件上的功率密度,激光焊接可分为在焊件上的功率密度,激光焊接可分为热传热传导激光焊导激光焊(功率密度小于(功率密度小于105/cm2)和)和深熔深熔激光焊激光焊(功率密度大于等于(功率密度大于等于105W/cm2)热传导热传导激光焊接时激光焊接时,焊,焊件吸收的光能转件吸收的光能转变为热能后通过热传导将焊件变为热能后通过热传导将焊件熔化,熔化,熔池形熔池形状近似为半球形。状近似为半球形。深深熔激光焊接时,金属表面在激光束作熔激光焊
25、接时,金属表面在激光束作用下温度迅速上升到沸点,金属迅速蒸发形用下温度迅速上升到沸点,金属迅速蒸发形成的蒸气压力、反冲力等能克服熔融金属的成的蒸气压力、反冲力等能克服熔融金属的表面张力以及液体的静压力等而形成小孔,表面张力以及液体的静压力等而形成小孔,激光束可直接深入材料内部,能形成深宽比激光束可直接深入材料内部,能形成深宽比大的大的焊缝焊缝。4.2.6 激光焊4.2 熔化焊(二)激光焊接的分类及特点(二)激光焊接的分类及特点2.激光焊接的主要特点:激光焊接的主要特点:(1)热量输入很小,焊缝深宽比大)热量输入很小,焊缝深宽比大,故,故可进行精密零件、可进行精密零件、热敏感性材料的加工。热敏感
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