固态材料的连接过程.pptx
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1、第五章第五章固态材料的连接过程固态材料的连接过程5.1焊接成形过程焊接成形过程5.1.1焊接成形过程特性和理论基础焊接成形过程特性和理论基础1、金属的连接方法、金属的连接方法2、焊接的定义、焊接的定义焊接是将分离的金属(同种材料或异种材料)用局焊接是将分离的金属(同种材料或异种材料)用局部加热、加压,或两者并用,使它们产生原子(分部加热、加压,或两者并用,使它们产生原子(分子)间的结合,形成永久性连接的过程。子)间的结合,形成永久性连接的过程。3、焊接的分类、焊接的分类(1)熔化焊(液相)熔化焊(液相)(2)压力焊(固相)压力焊(固相)(3)钎焊(固相兼液相)钎焊(固相兼液相)4、焊接的特点、
2、焊接的特点结构重量轻、省工省料、密封性好等特点。结构重量轻、省工省料、密封性好等特点。5.焊接冶金过程焊接冶金过程(1)、焊缝金属氧化:、焊缝金属氧化:在焊接冶金反在焊接冶金反应中,金属与氧的作用对焊接影响应中,金属与氧的作用对焊接影响最大。焊接时,由于电弧高温作用,最大。焊接时,由于电弧高温作用,氧气分解为氧原子,氧原子要和多氧气分解为氧原子,氧原子要和多种金属发生氧化反应,如:种金属发生氧化反应,如:FeOFeOMnOMnOSi2OSiO22Al3OAl2O3在焊接过程中,我们将一定量的脱在焊接过程中,我们将一定量的脱氧剂,如氧剂,如Ti、Si、Mn等加在焊丝等加在焊丝或药皮中,或药皮中,
3、进行脱氧使其生成的进行脱氧使其生成的氧化物不溶于金属液而成渣浮出,氧化物不溶于金属液而成渣浮出,提高焊缝质量。提高焊缝质量。(2)、氢的影响:、氢的影响:在焊接冶金反应过程中,氢易在焊在焊接冶金反应过程中,氢易在焊缝中造成气孔。另外、固态焊缝中缝中造成气孔。另外、固态焊缝中多余的氢也会在焊缝中的微缺陷处多余的氢也会在焊缝中的微缺陷处集中形成氢分子,这种氢的聚集往集中形成氢分子,这种氢的聚集往往在微小空往在微小空间内形成局部的极大间内形成局部的极大压力,使焊缝变脆(氢脆)。压力,使焊缝变脆(氢脆)。(3)、氮的影响:、氮的影响:氮在液态金属中也会形成脆性氮化氮在液态金属中也会形成脆性氮化物,其中
4、一部分以片状夹杂物的形物,其中一部分以片状夹杂物的形式残留于焊缝中,另一部分则使钢式残留于焊缝中,另一部分则使钢的固溶体中含氮量大大增加,使焊的固溶体中含氮量大大增加,使焊缝严重脆化。缝严重脆化。(4)、焊缝的冶金特点:、焊缝的冶金特点:焊缝的形成,实质是一次金属再熔焊缝的形成,实质是一次金属再熔炼的过程,它与炼钢和铸造冶金过炼的过程,它与炼钢和铸造冶金过程比较,有以下特点:程比较,有以下特点:1)金属熔池体积很小,熔池处于)金属熔池体积很小,熔池处于液态的时间很短(液态的时间很短(10s左右),各左右),各种冶金反应进行得不充分(例如冶种冶金反应进行得不充分(例如冶金反应产生的气体来不及析出
5、)。金反应产生的气体来不及析出)。2)熔池温度高,使金属元素产生)熔池温度高,使金属元素产生强烈的烧损和蒸发。同时,熔池周强烈的烧损和蒸发。同时,熔池周围又被冷的金属包围,使焊缝处产围又被冷的金属包围,使焊缝处产生应力和变形,严重时甚至会开裂。生应力和变形,严重时甚至会开裂。(5)、保证焊缝质量采取的工艺措施、保证焊缝质量采取的工艺措施1)减少有害元素进入熔池。其主要措)减少有害元素进入熔池。其主要措施是机械保护,如气体保护焊中的保施是机械保护,如气体保护焊中的保护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及护气体、埋弧焊焊剂所形成的熔渣及焊条药皮产生的气体和熔渣等,使电焊条药皮产生的气体和熔渣等,使电弧空
6、间的熔滴和熔池与空气隔绝,防弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝,防止空气进入。此外,还应清理坡口及止空气进入。此外,还应清理坡口及两侧的锈、水、油污;烘干焊条,去两侧的锈、水、油污;烘干焊条,去除水分等。除水分等。2)清除已进人熔池中的有害元素,)清除已进人熔池中的有害元素,增添合金元素。主要通过焊接材料增添合金元素。主要通过焊接材料中的铁合金等,进行脱氧、脱硫、中的铁合金等,进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金,从而保护和脱磷、去氢和渗合金,从而保护和调整焊缝的化学成分。调整焊缝的化学成分。6.焊接接头可分为焊接接头可分为焊缝、熔合区、热影响区等三个区焊缝、熔合区、热影响区等三个区域域(1).焊缝区
7、:焊缝区:是由熔池内的液态金属凝固而成是由熔池内的液态金属凝固而成的。它属于铸造组织,晶粒呈垂直于的。它属于铸造组织,晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶。硫、磷等低熔点熔池底壁的柱状晶。硫、磷等低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析,使焊杂质容易在焊缝中心形成偏析,使焊缝塑性降低,易产生热裂纹。由于按缝塑性降低,易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条,通过渗合金实等强度原则选用焊条,通过渗合金实现合金强化,因此,焊缝的强度一般现合金强化,因此,焊缝的强度一般不低于母材。不低于母材。(2).熔合区:熔合区:是焊缝与热影响区的过渡区,是焊缝与热影响区的过渡区,组织不均匀、晶粒粗大、强度组织不均匀、晶粒粗大、强
8、度下降。下降。由熔池和母材共同形成的区域。由熔池和母材共同形成的区域。(3).热影响区:热影响区:材料因受热的影响而发生金相组材料因受热的影响而发生金相组织和力学性能变化的区域,称为热织和力学性能变化的区域,称为热影响区。它包括:影响区。它包括:1)过热区:过热区:生成过热组织、晶粒生成过热组织、晶粒粗大,使材料的塑性、韧性下降。粗大,使材料的塑性、韧性下降。2)正火区:正火区:金属组织发生重结晶,金属组织发生重结晶,组织细化,金属的力学性能良好。组织细化,金属的力学性能良好。3)部分相变区:部分相变区:部分组织发生部分组织发生相变,产生晶粒大小不一,力学性相变,产生晶粒大小不一,力学性能不均
9、匀。能不均匀。热影响区的大小和组织性能变热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊化的程度取决于焊接方法、焊接规范和接头形式等因素。接规范和接头形式等因素。在在热源热量集中、焊接速度快热源热量集中、焊接速度快时,热影响区就小。所以电子时,热影响区就小。所以电子束焊的热影响区最小总宽度一束焊的热影响区最小总宽度一般小于般小于1mm。气焊的热影响区。气焊的热影响区总宽度一般达到总宽度一般达到27mm。7.焊接应力与变形焊接应力与变形焊接时,焊缝区被加热到很高的温焊接时,焊缝区被加热到很高的温度,离焊缝越远,温度越低。根据度,离焊缝越远,温度越低。根据金属热胀冷缩的规律,如果各部分金属热胀
10、冷缩的规律,如果各部分的金属能自由膨胀而不受周围金属的金属能自由膨胀而不受周围金属的阻碍,则焊缝区将产生最大的纵的阻碍,则焊缝区将产生最大的纵向伸长量,但平板是一个整体,不向伸长量,但平板是一个整体,不可能自由膨胀,平板端面只能均衡可能自由膨胀,平板端面只能均衡地伸长地伸长L。于是焊缝区的高温金属就会被压缩于是焊缝区的高温金属就会被压缩而产生一定量的压缩塑性变形,同而产生一定量的压缩塑性变形,同时存在一部分压缩弹性变形,即存时存在一部分压缩弹性变形,即存在部分压应力。远离焊缝区的两侧在部分压应力。远离焊缝区的两侧金属则受到拉应力,而使构件应力金属则受到拉应力,而使构件应力处于平衡。处于平衡。冷
11、却时,由于焊缝附近金属在焊接冷却时,由于焊缝附近金属在焊接过程中已发生了不可恢复的压缩塑过程中已发生了不可恢复的压缩塑性变形,它同样受到两侧金属的约性变形,它同样受到两侧金属的约束。为保持整体的一致性,而均衡束。为保持整体的一致性,而均衡地收缩了地收缩了L,且焊缝区要产生一,且焊缝区要产生一定量的弹性拉伸,两侧金属产生一定量的弹性拉伸,两侧金属产生一定量的弹性压缩。定量的弹性压缩。于是在焊缝区及其附近的金属中就于是在焊缝区及其附近的金属中就存在拉应力,在两侧金属中则存在存在拉应力,在两侧金属中则存在压应力。构件中的应力处于平衡状压应力。构件中的应力处于平衡状态。由此可知,平板对接焊后比焊态。由
12、此可知,平板对接焊后比焊前缩短了前缩短了L,同时焊缝区产生了,同时焊缝区产生了拉应力,远离焊缝的两侧金属受压拉应力,远离焊缝的两侧金属受压应力。即室温下保留下来的焊接应应力。即室温下保留下来的焊接应力与变形。力与变形。焊接的变形与矫正焊接的变形与矫正(1)、防止焊接变形的措施:)、防止焊接变形的措施:1)设计结构时,焊缝布置和坡口)设计结构时,焊缝布置和坡口形式尽可能对称,焊缝截面和长度形式尽可能对称,焊缝截面和长度尽可能小,这样加热少,变形小。尽可能小,这样加热少,变形小。2)焊前组装时采用反变形法。经)焊前组装时采用反变形法。经验估算的焊接变形方向和大小,在验估算的焊接变形方向和大小,在组
13、装时使工件反变形,以抵消焊接组装时使工件反变形,以抵消焊接变形。变形。3)采用刚性固定法,限制产生焊)采用刚性固定法,限制产生焊接变形。但刚性固定会产生较大的接变形。但刚性固定会产生较大的应力。应力。4)采用合理的焊接顺序。)采用合理的焊接顺序。(2)、矫正焊接变形的方法:)、矫正焊接变形的方法:矫正变形的基本原理是产生新变形矫正变形的基本原理是产生新变形抵消原来的焊接变形。抵消原来的焊接变形。1)机械矫正法:机械矫正法是用)机械矫正法:机械矫正法是用机械加压或锤击的冷变形方法,产机械加压或锤击的冷变形方法,产生塑性变形来矫正焊接变形。生塑性变形来矫正焊接变形。2)火焰矫正法:火焰加热矫正法)
14、火焰矫正法:火焰加热矫正法相反,它是利用火焰局部加热后的相反,它是利用火焰局部加热后的冷却收缩,来抵消该部分已冷却收缩,来抵消该部分已产生产生的伸长变的伸长变形。加热部位必须正确。形。加热部位必须正确。火焰加热矫正的加热温度一般为火焰加热矫正的加热温度一般为600800。(3)、减少和消除焊接残余应力)、减少和消除焊接残余应力的措施:的措施:1)结构设计要避免焊缝密集交)结构设计要避免焊缝密集交叉,焊缝截面和长度也要尽可能小。叉,焊缝截面和长度也要尽可能小。2)将焊件预热到)将焊件预热到350400后再后再进行焊接,是一种减少焊接应力的进行焊接,是一种减少焊接应力的有效方法。有效方法。3)去应
15、力退火加热温度为)去应力退火加热温度为550-650,该方法可消除残余应力的,该方法可消除残余应力的80左右,是最常用最有效的方法。左右,是最常用最有效的方法。8.焊接结构材料的选择焊接结构材料的选择(1)、在满足使用性能的前提下,应、在满足使用性能的前提下,应优先选用焊接性较好的材料。优先选用焊接性较好的材料。1)选用低合金钢:含碳量小于选用低合金钢:含碳量小于0.25%的低碳钢和碳当量小于的低碳钢和碳当量小于0.4%的低合金钢,都具有良好的焊接性。的低合金钢,都具有良好的焊接性。2)选用镇静钢:因脱氧完全、组)选用镇静钢:因脱氧完全、组织致密,质量较好,重要的焊接结织致密,质量较好,重要的
16、焊接结构应选用这种钢材。构应选用这种钢材。3)不宜选用沸腾钢:因含氧量较)不宜选用沸腾钢:因含氧量较高,组织成分不均匀,有较显著的高,组织成分不均匀,有较显著的区域偏析、疏松和夹杂,焊接时易区域偏析、疏松和夹杂,焊接时易产生裂纹。产生裂纹。(2)、采用异种材料焊接时,要特别注意、采用异种材料焊接时,要特别注意材料的焊接性。材料的焊接性。1)化学成分和物理性能相近的材料,)化学成分和物理性能相近的材料,焊接一般困难不大。焊接一般困难不大。2)成分和性能差别很大的材料,一般)成分和性能差别很大的材料,一般焊接困难较大。通常应以焊接性差的焊接困难较大。通常应以焊接性差的材料确定焊接工艺。材料确定焊接
17、工艺。(3)、尽可能选用轧制的标准型材和异、尽可能选用轧制的标准型材和异型材型材通常轧制型材表面光洁平整、质量通常轧制型材表面光洁平整、质量均匀可靠;不仅节省备料工时,还减均匀可靠;不仅节省备料工时,还减少了焊缝数量。由于焊接量减少,焊少了焊缝数量。由于焊接量减少,焊接变形易控制。对于形状比较复杂的接变形易控制。对于形状比较复杂的结构,则可以考虑采用铸钢件、锻件结构,则可以考虑采用铸钢件、锻件或冲压件来焊接。如下图:或冲压件来焊接。如下图:(4)、不等厚度的材料,易造成接头、不等厚度的材料,易造成接头处的应处的应力集中,且接头两侧受热力集中,且接头两侧受热不匀易产生未焊透等缺陷。不匀易产生未焊
18、透等缺陷。应在较厚的板料上加工出单面应在较厚的板料上加工出单面或双面斜边的过渡型式。如图或双面斜边的过渡型式。如图:9.焊接方法的选择焊接方法的选择(1)、低碳钢和低合金结构钢焊接、低碳钢和低合金结构钢焊接性能好,各种焊接方法均适用。性能好,各种焊接方法均适用。(2)、若焊件板厚为中等厚度(、若焊件板厚为中等厚度(1020mm),可选用手弧焊、埋弧),可选用手弧焊、埋弧焊和气体保护焊。氩弧焊成本较高,焊和气体保护焊。氩弧焊成本较高,一般不宜选用。一般不宜选用。(3)、若焊件为长直焊缝或大直径、若焊件为长直焊缝或大直径环形焊缝、生产批量也较大,可选环形焊缝、生产批量也较大,可选用埋弧焊。用埋弧焊
19、。(4)、焊件为单件生产,或焊缝短、焊件为单件生产,或焊缝短且处于不同空间位置,则选用手弧且处于不同空间位置,则选用手弧焊为好。焊为好。(5)、焊件是薄板轻型结构,且无、焊件是薄板轻型结构,且无密封要求,则采用点焊可提高生产密封要求,则采用点焊可提高生产效率,效率,如果有密封要求,则可选如果有密封要求,则可选用缝焊。用缝焊。(6)、对于低碳钢焊件一般不应选、对于低碳钢焊件一般不应选用氩弧焊等高成本的焊接方法。但用氩弧焊等高成本的焊接方法。但当焊接合金钢、当焊接合金钢、不锈钢等重要工不锈钢等重要工件时,则应采用氩弧焊等保护条件件时,则应采用氩弧焊等保护条件较好的焊接方法。较好的焊接方法。(7)、
20、对于稀有金属或高熔点合金、对于稀有金属或高熔点合金的特殊构件,焊接时可考虑采用等的特殊构件,焊接时可考虑采用等离子弧焊接、真空电子束焊接、脉离子弧焊接、真空电子束焊接、脉冲氩弧焊焊接,以确保焊接件的质冲氩弧焊焊接,以确保焊接件的质量。量。(8)、对于微型箔件,则应选用微、对于微型箔件,则应选用微束等离子弧焊或脉冲激光点焊。束等离子弧焊或脉冲激光点焊。10.焊接接头形式焊接接头形式(1)、焊接接头的形式:、焊接接头的形式:有对接接头、角接接头、有对接接头、角接接头、T形接头形接头和搭接接头等。和搭接接头等。(2)、焊接接头的选择:、焊接接头的选择:主要根据焊接结构形式。焊件主要根据焊接结构形式。
21、焊件厚度、焊缝强度要求及施工条件等厚度、焊缝强度要求及施工条件等情况来选择。情况来选择。(3)、焊接接头的功能:、焊接接头的功能:1)对接接头:受力均匀,在静载)对接接头:受力均匀,在静载和动载作用下都具有很高的强度,和动载作用下都具有很高的强度,且外形平整美观,是应用最多的接且外形平整美观,是应用最多的接头形式。但对焊前准备和装配要求头形式。但对焊前准备和装配要求较高。较高。2)搭接接头:焊前准备简便,但)搭接接头:焊前准备简便,但受力时产生附加弯曲应力,降低了受力时产生附加弯曲应力,降低了接头强度。接头强度。3)角接接头:通常只起连接作用,)角接接头:通常只起连接作用,只能用来传递工作载荷
22、。只能用来传递工作载荷。4)T形接头:广泛采用在空间类焊形接头:广泛采用在空间类焊件上,具有较高的强度,如船体结件上,具有较高的强度,如船体结构中约构中约70的焊缝采用了的焊缝采用了T形接头。形接头。(4)、焊接坡口形式:、焊接坡口形式:坡口的作用:使厚度较大的焊坡口的作用:使厚度较大的焊件能够焊透,常将金属材料边缘加件能够焊透,常将金属材料边缘加工成一定形状的坡口,并且坡口能工成一定形状的坡口,并且坡口能起到调节母材金属和填充金属比例起到调节母材金属和填充金属比例即调整焊缝成分的作用。即调整焊缝成分的作用。11.焊缝的布置焊缝的布置焊接结构中焊缝布置是否合理,焊接结构中焊缝布置是否合理,对焊
23、接接头质量和生产率都有很大对焊接接头质量和生产率都有很大的影响。焊缝布置一般原则如下:的影响。焊缝布置一般原则如下:(1)、焊缝布置应便于焊接操作、焊缝布置应便于焊接操作焊缝布置必须保证焊缝周围有供焊缝布置必须保证焊缝周围有供焊工自由操作和焊接装置正常运行焊工自由操作和焊接装置正常运行的条件。的条件。如图如图4-6a)b)c)所示的内侧焊缝,所示的内侧焊缝,焊条无法伸入。焊条无法伸入。改为图改为图d)、e)、f)所示的设计比所示的设计比较合理。较合理。(2)埋弧焊时,要考虑能存放焊剂。)埋弧焊时,要考虑能存放焊剂。(3)点焊与缝焊时,应考虑电极方便进入。)点焊与缝焊时,应考虑电极方便进入。(4
24、)焊缝应尽量避开最大应力和应力集中)焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置。如大跨度的焊接钢梁,应避免放的位置。如大跨度的焊接钢梁,应避免放在梁的中间在梁的中间,而宁愿增加一条焊缝,而宁愿增加一条焊缝,压力容压力容器的凸形封头应有一直段,使焊缝避开应器的凸形封头应有一直段,使焊缝避开应力集中的转角位置,直段应不小于力集中的转角位置,直段应不小于25mm。在构件截面有急剧变化的位置或尖锐棱角在构件截面有急剧变化的位置或尖锐棱角部位,易产生应力集中,应避免布置焊缝。部位,易产生应力集中,应避免布置焊缝。(5)、避免过分密集焊缝和交叉焊缝,避免过分密集焊缝和交叉焊缝,以免造成金属过热,加大热影响区,
25、以免造成金属过热,加大热影响区,使组织恶化。一般两条焊缝的间距使组织恶化。一般两条焊缝的间距要大于三倍的板厚且不小于要大于三倍的板厚且不小于100mm。(6)焊缝布置应不影响机械切削加工)焊缝布置应不影响机械切削加工表面表面,有些焊接构件的某些部位需先机械有些焊接构件的某些部位需先机械加工再焊接,如焊接轮毂、管配件、传加工再焊接,如焊接轮毂、管配件、传动支架等,则焊缝位置应尽量远离已加动支架等,则焊缝位置应尽量远离已加工表面,以避免或减少焊接应力与变形工表面,以避免或减少焊接应力与变形对已加工表面精度的影响。如果焊接结对已加工表面精度的影响。如果焊接结构要求整体焊后再进行切削加工,则焊构要求整
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