機(jī)械制造基礎(chǔ)課題三-金屬材料與非金屬材料的成型

課題三金屬材料與非金屬材料的成型教學(xué)重點1、金屬材料和非金屬材料的成形。2、掌握材料的各種成形方法教學(xué)難點1、理解焊接工藝2、理解陶瓷的成形方法主要概念1、鑄造2、合金的鑄造性能3、加工硬化4、焊接5、金屬的可鍛性學(xué)習(xí)情境一金屬的凝固成型一、鑄造的特點、分類及性能1、鑄造的特點鑄造成形是由液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)的過程1、成形方便：鑄造成形方法對工件的尺寸形狀幾乎沒有任何限制，鑄件的尺寸可大可小，可獲得形狀復(fù)雜的機(jī)械零件。因此，形狀復(fù)雜或大型機(jī)械零件一般采用鑄造方法初步成形。在各種批量的生產(chǎn)中，鑄造都是重要的成形方法。2、適應(yīng)性強(qiáng)：鑄件的材料可以是各種金屬材料，也可以是高分子材料和陶瓷材料。3、本錢較低：由于鑄造成形方便，鑄件毛坯與零件形狀相近，能節(jié)省金屬材料和切削加工工時；鑄造原材料來源廣泛，可以利用廢料、廢件等，節(jié)約國家資源；鑄造設(shè)備通常比較簡單，價格低廉。因此，鑄件的本錢較低。4、組織性能較差：一般條件下，鑄件晶粒粗大〔鑄態(tài)組織〕，化學(xué)成分不均，因此，受力不大或承受靜載荷的機(jī)械零件，如箱體、床身、支架等常用鑄件毛坯。2、鑄造的分類成型方法砂型鑄造：直接形成鑄型的原材料主要為型砂，且液態(tài)金屬完全靠重力充滿整個鑄型型腔特種鑄造：凡不同于砂型鑄造的所有鑄造方法，統(tǒng)稱為特種鑄造。如金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、熔模鑄造、低壓鑄造等手工砂型鑄造機(jī)器砂型鑄造3、金屬的鑄造性能在鑄造過程中所表現(xiàn)出來的性能流動性：金屬的流動性是指液態(tài)合金的流動能力，流動性的好壞，可用螺旋形試樣進(jìn)行測定。偏析：合金在凝固過程中出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析收縮性：合金在冷卻和凝固過程中，其體積和尺寸減小的性能稱為收縮性。合金的收縮可分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個階段。吸氣性：合金在熔煉和澆注時吸收氣體的性能稱為合金的吸氣性。氣體來源于爐料熔化和燃料燃燒時產(chǎn)生的各種氧化物和水汽，澆注時帶入鑄型的空氣、造型材料中的水分等。在合金液冷凝過程中，氣體來不及從合金液中逸出，將在鑄件中形成氣孔、針孔或非金屬夾雜物〔如FeO、A12O3等〕，從而降低了鑄件的力學(xué)性能和致密性合金成分澆筑壓力澆注溫度鑄型合金成分鑄型及鑄件結(jié)構(gòu)澆注溫度二、砂型鑄造1、砂型鑄造的工藝過程砂型鑄造的生產(chǎn)過程如下圖。根據(jù)零件圖的形狀和尺寸，設(shè)計制造模樣和芯盒；制備型砂和芯砂；用模樣制造砂型；用芯盒制造型芯；把烘干的型芯裝入砂型并合型；熔煉合金并將金屬液澆入鑄型；凝固后落砂、清理；檢驗合格便獲得鑄件。2、造型材料制造砂型的造型材料包括型砂、芯砂及涂料等。型砂和芯砂是按一定比例配合制成的混合料，造型材料質(zhì)量的優(yōu)劣，對鑄件質(zhì)量具有決定性的影響。為此，應(yīng)合理地選用和配制造型材料。型砂的組成：型〔芯〕砂是由原砂、黏結(jié)劑、附加材料、舊砂和水等混合攪拌而成?？伤苄阅突鸲葟?qiáng)度透氣性型砂和芯砂的性能要求：鑄型在澆注凝固過程中要承受液體金屬的沖刷、靜壓力和高溫的作用，要排除大量氣體，型芯還要受到鑄件凝固時的收縮壓力等。退讓性原砂附加材料黏結(jié)劑舊砂3、造型和造芯定義：用造型材料及模樣、芯盒等工藝裝備制造砂型和型芯的過程稱為造型和造芯造型：用模樣形成砂型的型腔，在澆注后形成鑄件的外部輪廓型芯：用芯盒制成，置于鑄型中，澆筑后形成鑄件的內(nèi)孔或局部外形手工造型：手工造型的造型過程全部由手工或手開工具完成。其操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，模樣本錢低，生產(chǎn)準(zhǔn)備時間短，但鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)率低，且勞動強(qiáng)度大，主要用于單件、小批量生產(chǎn)。實際生產(chǎn)中，由于鑄件的大小、形狀、鑄造合金、生產(chǎn)批量和技術(shù)要求不同，手工造型的方法也不同根據(jù)機(jī)械化程度不同機(jī)器造型：機(jī)器造型就是用機(jī)器全部地完成或至少完成緊砂操作的造型方法。機(jī)器造型降低工人的勞動強(qiáng)度，生產(chǎn)率高，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，便于組織流水線生產(chǎn)。但由于設(shè)備投資大，主要用于成批、大量生產(chǎn)。整模造型挖砂造型分模造型活塊造型刮板造型整模造型：整模造型過程如下圖。其特點是模樣為一整體，放在一個砂箱內(nèi)，能防止鑄件出現(xiàn)錯型缺陷，造型操作簡單，鑄件的尺寸精度高。適用于形狀簡單、最大截面在端部且為平面的鑄件。分模造型：分模造型過程如下圖。為了便于造型時將模樣從砂型內(nèi)起出，模樣沿最大截面處分開。造出的鑄型型腔不在同一砂箱中，上下鑄型錯移會造成鑄件錯型。這種方法操作也很簡便，對各種鑄件的適應(yīng)性好，應(yīng)用最為廣泛。挖砂造型：有些鑄件外形輪廓為曲面，但又要求整模造型，那么造型時需挖出阻礙起模的型砂。挖砂造型要求準(zhǔn)確挖砂至模樣的最大截面處，技術(shù)要求較高，生產(chǎn)率低，只適合單件小批量、最大截面不在端部且模樣又不便分開的鑄件的生產(chǎn)。刮板造型：刮板造型時用一個與鑄件截面形狀相應(yīng)的刮板代替模樣，來刮出所需鑄型的型腔。刮板造型節(jié)省了模樣材料和模樣加工，但操作費(fèi)時，生產(chǎn)率較低，多適用于單件、小批量，尤其是尺寸較大的旋轉(zhuǎn)體鑄件的生產(chǎn)。1-工作臺；2-模樣；3-砂箱；4-震實氣路；5-震實活塞；6-壓實活塞；7-壓頭；8-震實進(jìn)氣口；9-震實排氣口；10-壓實汽缸震壓式造型機(jī)最常用的造芯方法是用芯盒造芯。將芯砂填入芯盒，經(jīng)緊砂、脫盒、烘干、修整后即可制成型芯。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，芯盒可分為整體式、對開式、可拆式等結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)填砂與緊砂的方法不同，造芯也可分為手工造芯和機(jī)器造芯。前者主要用于單件小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)批量大時應(yīng)采用機(jī)器造芯。由于型芯是放置于砂型內(nèi)腔的，澆注時受四周金屬的包圍，因此制造型芯時除采用適宜的芯砂外，還需在型芯中放置芯骨，并將型芯烘干以增加強(qiáng)度。在型芯中應(yīng)做出通氣孔，將澆注時產(chǎn)生的氣體由型芯經(jīng)芯頭通至鑄型外，以免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。造芯澆注系統(tǒng)是指為將金屬液體注入型腔而在鑄型中開設(shè)的一系列通道。它是在造型時利用一定的模樣來形成的。澆注系統(tǒng)包括冒口在內(nèi)，統(tǒng)稱為澆冒系統(tǒng)。

典型的澆注系統(tǒng)1-澆口杯；2-直澆道；3-橫澆道；4-內(nèi)澆道；5-出氣口4、澆注系統(tǒng)要求能均勻連續(xù)而平穩(wěn)地將液態(tài)金屬引入并充滿型腔，防止液態(tài)金屬沖壞砂型調(diào)節(jié)鑄件凝固順序，補(bǔ)給鑄件冷卻凝固收縮時所需的金屬防止熔渣進(jìn)入型腔合型是鑄型的裝配工序。合型要保證砂型型腔的幾何形狀、尺寸的準(zhǔn)確性，并檢查型芯的安放是否穩(wěn)固。在型芯放好后，必須詳細(xì)檢查各個局部，才能扣上上型，然后放置澆口杯。扣型時應(yīng)防止偏差或錯型，合型后，為防澆注時上砂箱被金屬液抬起，造成抬型、射箱〔鐵液流出箱外〕或跑火〔著火的氣體竄出箱外〕事故，應(yīng)將上、下兩型緊扣或放上壓箱鐵。5、合型與鑄件檢查1〕澆注金屬熔化后，用澆包將金屬液澆入鑄型的操作稱為澆注。2〕落砂和清理落砂是使鑄件與型砂、砂箱別離的操作。鑄件澆注后要在砂型中冷卻到一定溫度后才能落砂。落砂過早，鑄件易產(chǎn)生白口，難以切削加工，還會產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，引起變形開裂；落砂過晚鑄件固態(tài)收縮受阻，也會產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，而且會影響生產(chǎn)率。一般10kg左右的鑄件需冷卻1~2h才能開型，上百噸的大型鑄件需冷卻十幾天。6、鑄件的澆注、落砂和清理三、鑄造工藝設(shè)計1、澆注位置的選擇澆注位置確定了鑄件在澆注時受重力作用的狀態(tài)，選擇時應(yīng)以保證鑄件質(zhì)量為前提，同時考慮造型和澆注的方便。1〕鑄件的重要外表應(yīng)朝下或位于側(cè)面2〕鑄件上的大平面應(yīng)盡可能朝下鑄件上外表除容易產(chǎn)生砂眼、氣孔和夾渣等缺陷外，鑄件朝上的大平面還極容易產(chǎn)生夾砂缺陷。3〕鑄件的薄壁部位應(yīng)置于下部置于鑄型下部的鑄件因澆注壓力高，可以防止?jié)踩狈?、冷隔等缺陷?〕截面較厚的局部放在上部或側(cè)面易形成縮孔的鑄件應(yīng)將截面較厚的局部放在分型面附近的上部或側(cè)面，以便于在厚壁處直接放置冒口，形成自下而上的順序凝固，有利于補(bǔ)縮。2、分型面的選擇分型面的設(shè)置是為了造型時模樣能從鑄型中取出。分型面選擇是否合理，對于鑄件質(zhì)量以及制模、制芯、合箱和切削加工等工序的復(fù)雜程度有很大影響。選擇鑄件分型面應(yīng)滿足造型工藝的要求，同時考慮有利于鑄件質(zhì)量的提高。選擇原那么如下。1〕便于起模分型面選得適宜，模樣就能順利地從鑄型中取出。為此，通常將鑄件的最大截面作為分型面，以保證模樣的取出。2〕簡化造型盡量使分型面平直、數(shù)量少，以防止不必要的活塊和型芯，便于下芯、合型和檢驗等。3〕盡量使鑄件位于同一砂箱內(nèi)鑄件集中在一個砂箱內(nèi)，可減少錯型引起的缺陷，有利于保證鑄件上各外表間的位置精度，方便切削加工，同時也便于合箱。4〕應(yīng)盡量使鑄件上的加工面與加工基準(zhǔn)面位于同一砂箱內(nèi)5〕應(yīng)盡量使型腔和主要型芯處于下箱為便于造型、下芯、合箱及檢驗型腔尺寸，應(yīng)盡量使型腔和主要型芯處于下箱。3、工藝參數(shù)確實定鑄造工藝參數(shù)是與鑄造工藝過程有關(guān)的某些工藝數(shù)據(jù)，直接影響模樣、芯盒的尺寸和結(jié)構(gòu)，選擇不當(dāng)會影響鑄件的精度和本錢。1〕加工余量和鑄孔加工余量是指為保證鑄件加工面尺寸和零件精度，在鑄件工藝設(shè)計時預(yù)先增加而在切削加工時切去的金屬層厚度。2〕線收縮率線收縮率是指鑄件從線收縮起始溫度冷卻至室溫的收縮率，常以模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分比表示。3〕起模斜度起模斜度是指為使模樣容易從鑄型中取出或型芯自芯盒脫出，平行于起模方向在模樣或芯盒壁上的斜度。4〕芯頭芯頭是指型芯的外伸局部，不形成鑄件輪廓，在鑄型中芯頭可使型芯定位準(zhǔn)確，安放牢固，排氣順利。5〕鑄造圓角為了減少鑄件裂紋，為了造型、制芯的方便，應(yīng)將模樣及型芯盒的交角處做成圓角，稱為鑄造圓角。砂型鑄造鑄件外表粗糙，須留有較大的切削加工余量，廢品率較高，生產(chǎn)效率低，勞動條件差等，為了克服上述缺點，實踐中有一些與砂型鑄造不同的鑄造方法，這些方法統(tǒng)稱為特種鑄造。1.熔模鑄造2.金屬型鑄造3.離心鑄造4.壓力鑄造學(xué)習(xí)情境二金屬的塑性成形一、金屬的塑性變形1、塑性變形的實質(zhì)1〕單晶體的塑性變形〔a〕未變形；〔b〕彈性變形；〔c〕彈一塑性變形；〔d〕塑性變形單晶體滑移變形過程2〕多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形與單晶體比較無本質(zhì)上的區(qū)別，一般可分為晶內(nèi)變形和晶間變形兩種形式。晶粒本身的塑性變形稱晶內(nèi)變形。晶粒與晶粒之間的相對滑動或轉(zhuǎn)動稱為晶間變形。晶內(nèi)變形方式和單晶體的塑性變形方式一樣，也是滑移和孿生。但多晶體由許多形狀、大小、位相不同的晶粒組成，各晶粒在塑性變形時將受到周圍位相不同的晶粒及晶界的影響。因此在外力的作用下，各個晶粒產(chǎn)生滑移變形的難易程度有很大差異。

2、金屬的冷塑性變形冷塑性變形加工不僅改變了金屬材料的外形與尺寸，而且還使金屬的組織及性能發(fā)生很大的變化。1〕冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響工業(yè)純鐵冷變形后的顯微組織2〕冷塑性變形對金屬性能的影響

冷塑變形對金屬力學(xué)性能的影響實線—冷拉的低碳鋼；虛線—冷軋的黃銅冷變形金屬加熱時組織和性能的變化3、回復(fù)與再結(jié)晶1〕熱變形對金屬組織的影響改善鑄態(tài)組織，如氣泡、縮孔、疏松在高溫下焊合，提高了金屬的致密程度。鑄態(tài)的粗大柱狀晶通過變形破碎，經(jīng)再結(jié)晶退火使晶粒細(xì)化。一些合金鋼組織中的大塊初生碳化物在變形中被粉碎，并使其分布狀況得到了改善等等。在熱加工過程中，鋼錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都沿變形方向伸長，形成流線，這種流線即稱為纖維組織。2〕熱變形對金屬性能的影響金屬的熱變形提高了金屬的力學(xué)性能。鋼經(jīng)熱變形加工后，有時會出現(xiàn)帶狀組織，這是由于鑄態(tài)組織中存在較嚴(yán)重的偏析，或終鍛〔軋〕溫度過低造成的，這些帶狀組織應(yīng)認(rèn)為是一種缺陷。纖維組織和帶狀組織的存在，使金屬材料力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，在沿纖維伸展的方向上，具有較高的抗拉強(qiáng)度，而在垂直于纖維伸展的方向上抗剪強(qiáng)度較大。

4、金屬的熱塑性變形金屬的冷、熱變形通常是以再結(jié)晶溫度為界加以區(qū)分。在再結(jié)晶溫度以上，加工后不造成加工硬化的塑性變形叫做熱變形。由于熱變形的溫度高于再結(jié)晶溫度，變形所引起的加工硬化很快又發(fā)生了再結(jié)晶過程，因此，也可以把熱變形過程看做是加工硬化和再結(jié)晶兩個過程疊加的結(jié)果。因此，可以用較小的能量獲得較大的變形量。適合于尺寸較大、形狀比較復(fù)雜的工件變形加工。熱變形產(chǎn)品外表易形成氧化皮，尺寸精度和外表質(zhì)量較低，而且勞動條件較差。自由鍛、熱模鍛、熱軋等工藝都屬于熱變形范疇。冷變形是指坯料低于再結(jié)晶溫度狀態(tài)下進(jìn)行的變形加工。變形后具有明顯的加工硬化現(xiàn)象，所以冷變形的變形量不宜過大，防止工件撕裂或降低模具壽命。但冷變形產(chǎn)品具有尺寸精度高、外表質(zhì)量好、力學(xué)性能好的特點。廣泛應(yīng)用于板料沖壓、冷擠壓、冷墩及冷軋等常溫變形加工。

5、熱變形與冷變形的比照金屬的可鍛性是衡量材料經(jīng)塑性成形加工，獲得優(yōu)質(zhì)鍛件難易程度的一項工藝性能。生產(chǎn)中常用金屬塑性和變形抗力兩個因素來綜合衡量。金屬的塑性高，變形抗力小，金屬的可鍛性好，適宜鍛壓加工成形；相反那么金屬的可鍛性差。金屬的可鍛性取決于金屬的本質(zhì)和外界加工條件。1〕化學(xué)成分2〕組織狀態(tài)3〕變形溫度4〕變形速度5〕鍛造比變形速度對金屬可鍛性的影響6、金屬的可鍛性鍛造工藝過程一般包括加熱、鍛造成形、冷卻、檢驗、熱處理。1、加熱在鍛造前，對金屬進(jìn)行加熱，目的是提高其塑性，降低變形抗力，改善金屬的可鍛性，使之容易流動成形。始鍛溫度不宜過高，否那么可能造成過燒和過熱，但始鍛溫度也不宜太低，否那么將縮短鍛造操作時間，縮小鍛造溫度范圍，增加鍛造的困難。一般將始鍛溫度控制在固相線以下150~250℃。終端溫度過高，停止鍛造后晶粒在高溫下繼續(xù)長大，使鍛件晶粒粗大，降低鍛件的力學(xué)性能；終鍛溫度過低時，鍛件塑性不良，變形困難，內(nèi)應(yīng)力增大，甚至導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生裂紋。2、鍛造成形金屬加熱后，即可鍛造成形，根據(jù)鍛造時所用的設(shè)備、工模具及成形方式的不同，可將鍛造成形分為自由鍛成形、模鍛成形和胎模鍛成形等。3、冷卻、檢驗與熱處理鍛造后的鍛件仍有較高的溫度，冷卻時由于外表冷卻快，內(nèi)部冷卻慢，鍛件內(nèi)外冷卻收縮不一致，可能會使一些塑性較低或大型復(fù)雜鍛件產(chǎn)生變形或開裂等缺陷。

二、鍛造工藝過程三、鍛造技術(shù)1〕自由鍛的根本工序〔1〕墩粗：墩粗是使坯料的橫截面增大和高度降低的工序，分為整體墩粗和局部墩粗，如圖3-29所示。在大多數(shù)情況下，由于上下鐵砧對坯料兩端的摩擦阻力所致，墩粗后坯料呈腰鼓形狀，需要進(jìn)行滾圓等糾正性操作。主要適用于圓盤類零件。

〔a〕全部墩粗〔b〕端部墩粗〔c〕中部墩粗1、自由鍛墩粗〔2〕拔長：鍛造時使坯料的長度增加、截面減小的工序〔3〕沖孔：利用沖頭在坯料上沖出通孔或盲孔的工序稱為沖孔。用于鍛造圓環(huán)套筒等環(huán)套類零件拔長的翻料方案平砧上拔長、V形砧上拔長：軸桿類鍛件帶芯棒的拔長：套筒等管狀空心件2〕自由鍛工藝規(guī)程的制定〔1〕繪制鍛件圖典型鍛件圖〔2〕確定鍛造工序。鍛件形狀不同，鍛造工序也不相同。盤類零件一般需要以墩粗為主的鍛造工序；軸類零件需要以拔長為主的鍛造工序。〔3〕坯料尺寸的計算。根據(jù)鍛件塑性變形前后的體積不變定律，按照鍛件圖中鍛件的形狀和尺寸，可以確定坯料的質(zhì)量大小。計算鍛件質(zhì)量時還要考慮夾持局部的質(zhì)量大小。根據(jù)已計算出的鍛件質(zhì)量大小，可以確定原始坯料的尺寸。由原始坯料的尺寸和鍛件尺寸，可以計算鍛件的鍛造比。采用軋制的碳鋼鍛造時，一般鍛造比控制在1.3~1.5。

工藝余塊鍛件公差加工余量鍛件實際尺寸〔鍛造尺寸〕鍛件公稱尺寸〔零件根本尺寸+加工余量〕模鍛是使材料在鍛模模膛內(nèi)一次或?qū)掖纬惺軟_擊力或壓力的作用，而被迫流動成形。由于模膛對金屬坯料流動的限制，最終獲得的鍛件與模膛形狀相同。1〕模鍛的主要特點①生產(chǎn)效率高，金屬的變形在模膛內(nèi)進(jìn)行，鍛件成形快，一般比自由鍛高數(shù)倍。②鍛件尺寸精度高，加工余量小，從而節(jié)約金屬材料和切削加工的工時。③能鍛造形狀比較復(fù)雜的鍛件。④熱加工流線分布合理，大大提高了零件的力學(xué)性能和使用壽命。⑤操作過程簡單，易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，工人勞動強(qiáng)度低。由于鍛模是用優(yōu)質(zhì)模具鋼制成的，因而本錢高，而且坯料整體變形，變形抗力較大，加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長。因此，模鍛只適用于中、小型鍛件的大批量生產(chǎn)。2、模鍛2〕常用模鍛方法〔1〕錘上模鍛。錘上模鍛是在模鍛錘上進(jìn)行的模鍛，可進(jìn)行墩粗、拔長、滾擠、彎曲、成形、預(yù)鍛和終鍛等各變形工步的操作。

鍛模構(gòu)造

1-錘頭；2-上模；3-飛邊槽；4-下模；5-模座6、7、10-緊固楔鐵；8-分模面；9-模膛〔2〕壓力機(jī)上模鍛。模鍛錘工作時振動噪聲大，勞動條件差，因此近年來逐漸被壓力機(jī)所代替?！瞐〕外形圖〔b〕傳動圖摩擦壓力機(jī)傳動圖〔3〕胎模鍛。在自由鍛設(shè)備上，使用可移動胎模具生產(chǎn)鍛件的鍛造方法稱為胎模鍛。胎模不固定在自由鍛錘的砧塊上，需要時才放上去。鍛造時，將加熱后的坯料放入胎模鍛壓成形。一般是先將坯料經(jīng)過自由鍛預(yù)鍛成近似鍛件的形狀，然后在胎模內(nèi)終鍛成形。按照胎模結(jié)構(gòu)形式，常用胎?？煞譃橐韵聨追N：①摔模；②扣模；③套筒模；④合模。胎模種類沖壓生產(chǎn)的工序有多種，其根本工序分為別離工序和變形工序兩大類。沖裁的變形四、板料沖壓1、沖裁彎曲是將板料、型材或管材在彎矩作用下，彎成具有一定的曲率和角度零件的成形方法，如下圖。彎曲工序在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛，如汽車大梁支架、自行車車把、門搭鏈等都是用彎曲方法成形的。彎曲時的金屬變形2、彎曲拉深過程3、拉深1〕拉深過程學(xué)習(xí)情境三焊接成形焊接與其他連接方法有著本質(zhì)的區(qū)別。焊接使被連接的焊件不僅在宏觀上建立了永久性的聯(lián)系，而且在微觀上建立了組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。焊接過程中必須使兩個別離焊件〔通常是金屬〕的連接外表接近到原子間的結(jié)合力能夠發(fā)生作用的程度，換言之，要接近到金屬內(nèi)部原子間的距離。為此，焊接時往往需要采用加熱或加壓，或兩者并用的措施來促使兩個別離焊件緊密接觸連接。焊接具有以下特點：〔1〕焊接比其他的連接方法具有更高的強(qiáng)度，及更好的密封性且質(zhì)量可靠?！?〕可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約大量金屬材料?！?〕生產(chǎn)率高，便于機(jī)械化、自動化生產(chǎn)?！?〕可以制造雙金屬結(jié)構(gòu)的工件?！?〕產(chǎn)品本錢低。一、焊接概述1、焊接的特點焊接方法種類繁多，而且新的方法仍在不斷涌現(xiàn)，目前一般按其焊接過程的不同〔根據(jù)實現(xiàn)金屬原子間結(jié)合的方式不同〕將焊接分為三大類。1〕熔焊熔焊是將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法。實現(xiàn)熔焊的關(guān)鍵是加熱熱源，并且焊接時必須采取有效的措施隔離空氣，以保護(hù)高溫焊縫。2〕壓焊焊接過程中，必須對焊件施加壓力〔加熱或不加熱〕，以完成焊接的方法稱為壓焊。3〕釬焊采用比母材熔點低的金屬材料做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔點溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實現(xiàn)連接的焊接方法稱為釬焊。2、焊接方法分類焊條電弧焊適用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅及銅合金等金屬材料的焊接，鑄鐵焊補(bǔ)和各種金屬材料的堆焊等。1、焊接電弧電弧是所有電弧焊接方法的能源。從物理本質(zhì)上講，電弧是電極與焊件之間的氣體介質(zhì)強(qiáng)烈持久的一種氣體放〔導(dǎo)〕電現(xiàn)象。常態(tài)下的氣體不含帶電粒子，要使氣體導(dǎo)電，首先有一個使它產(chǎn)生帶電粒子的過程。在氣體兩端通過兩個電極加上電壓一般是不能使它產(chǎn)生電流的，必須先用其他措施使它產(chǎn)生帶電粒子〔例如像焊接中常見的把兩個電極短路并迅速拉開〕，然后才能在外加電壓作用下產(chǎn)生電流；其次氣體導(dǎo)電時，電流與電壓的關(guān)系也很復(fù)雜，即在不同的電流范圍內(nèi)維持氣體導(dǎo)電的電壓數(shù)值變化很大。電弧是電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)的一種氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。為了保持電弧的穩(wěn)定，在電弧中間需不斷發(fā)生電離作用，這種電離作用是由高溫的陰極外表不斷逸出電子和電弧區(qū)的高溫狀態(tài)而得到的。二、焊條電弧焊2、電弧的構(gòu)造及極性電弧是由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)所構(gòu)成的，如下圖。各區(qū)域的溫度隨所用電極材料而不同。不同電極材料的陰極、陽極的溫度可以高達(dá)2000~4200K，一般陽極溫度高于陰極溫度，且多低于電極材料的沸點，但都可以使大多數(shù)的處于電弧陰極或陽極的金屬到達(dá)熔化溫度，并可能產(chǎn)生少量金屬原子蒸氣。弧柱區(qū)的溫度受電極材料、氣體介質(zhì)、電極大小等因素的影響，弧柱區(qū)溫度可在5000~30000K之間。鋼焊條焊接時，陽極區(qū)的溫度可達(dá)2600K，陰極區(qū)的溫度可達(dá)2400K，弧柱區(qū)的中心溫度可達(dá)5000~8000K。

電弧結(jié)構(gòu)示意圖1-焊條；2-電源；3-弧柱區(qū)；4-焊件；5-陽極區(qū)；6-陰極區(qū)陽極區(qū)的溫度高于陰極區(qū)的溫度，當(dāng)采用直流電源焊接時，如下圖，電極有兩種接法：將工件接正極，焊條接負(fù)極，稱為正接法，用于高熔點、尺寸較大的焊件的焊接。將工件接負(fù)極，焊條接正極，稱為反接法。用于薄件、有色金屬、不銹鋼及鑄鐵等的焊接。

〔a〕正接法〔b〕反接法電極的兩種接法焊條電弧焊以外部涂有涂料的焊條作為電極和填充金屬。電弧在焊條的端部與被焊工件外表之間燃燒。涂層在電弧熱作用下一方面可以產(chǎn)生氣體以保護(hù)電弧，另一方面可以產(chǎn)生熔渣覆蓋在熔池外表，防止熔化金屬與周圍氣體的相互作用。同時，熔渣可與熔化金屬產(chǎn)生物理化學(xué)反響以添加合金元素，改善焊縫金屬的性能。焊接時，在液態(tài)金屬、熔渣和氣體間進(jìn)行一系列的冶金反響，其反響過程與一般冶煉反響過程有所不同。首先，從熔化到凝固時間極短，熔池金屬在焊接過程中溫度變化很快，使得冶金反響的速度和方向發(fā)生迅速的變化，有時氣體和熔渣來不及浮出就會在焊縫中產(chǎn)生氣孔和夾渣的缺陷。其次，焊接電弧和熔池的溫度比一般冶煉溫度高，容易造成合金元素的蒸發(fā)和燒損。因此，焊前必須對焊件進(jìn)行清理，焊接過程中必須對熔池金屬進(jìn)行機(jī)械保護(hù)和合金化。機(jī)械保護(hù)是指利用熔渣、保護(hù)氣體等機(jī)械地把熔池與空氣隔開；合金化是指向熔池中添加合金元素，以便改善焊縫金屬的化學(xué)成分和組織。3、焊接冶金的特點4、焊接工藝1〕焊接接頭在焊條電弧焊中，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、材料厚度和焊縫質(zhì)量要求不同，需要采用不同形式的接頭進(jìn)行焊接。接頭形式有對接、搭接、T形接頭和角接，如下圖。〔a〕對接〔b〕搭接〔c〕角接〔d〕T形接頭焊接接頭形2〕接頭的準(zhǔn)備工作接頭的準(zhǔn)備工作包括坡口、間隙和導(dǎo)鈍。這些準(zhǔn)備工作做得好，可使焊接時容易焊透，又可防止燒穿，有利于保證焊縫質(zhì)量和焊縫尺寸。3〕焊條直徑和焊接電流的選擇焊條直徑和焊接電流直接影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。焊條直徑d取決于焊件厚度、接頭形式和焊縫空間位置，通常按焊件厚度選取。焊接電流一般按焊條直徑選取，增大焊接電流能提高生產(chǎn)率，增加熔深，但當(dāng)電流太大時，會造成焊縫咬邊、燒穿、飛濺和焊縫成形不良等缺陷。電流太小，電弧燃燒不穩(wěn)定，并易造成夾渣、未焊透等缺陷，且生產(chǎn)率低。4〕操作方法〔1〕引弧。引弧的方法有敲擊法和劃擦法兩種。

〔a〕敲擊法〔b〕劃擦法引弧方法〔2〕控制弧長。電弧過大容易發(fā)生焊不透現(xiàn)象，還會使焊縫吸收有害氣體；電弧過短，又會使焊條粘著焊件。一般規(guī)定正常的電弧長度L=〔0.3~1.1〕d，d為焊條直徑。焊接時，焊工以與焊條熔化相同的速度，將焊條送入電弧中，以保持電弧的長度不變。〔3〕運(yùn)條。電弧引燃后，焊條需沿著焊接方向移動，移動太快焊不透，太慢那么使焊縫過高，甚至發(fā)生焊穿等缺陷。為了獲得所需寬度的焊縫，焊接時焊條還必須作橫向擺動，而且力求均勻一致，以獲得同樣寬度的整齊焊縫。5、焊接接頭的組織與性能焊接后由焊縫、熔合區(qū)以及因焊接熱而產(chǎn)生的熱影響區(qū)三局部組成焊接接頭。焊接接頭組織與性能對焊接質(zhì)量影響很大。焊縫的柱狀樹枝晶1〕焊縫的組織與性能在焊接過程中，由于熔池體積小，冷卻速度快，再加上嚴(yán)格控制焊芯的S、P含量，并通過焊條材料滲入合金，補(bǔ)償合金元素的燒損，所以正常焊接時，焊縫的力學(xué)性能不低于母材金屬。2〕熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)的組織與性能〔1〕熔合區(qū)。熔合區(qū)是指在焊接接頭中焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。熔合區(qū)的溫度介于固相線和液相線之間，已熔化的金屬結(jié)晶后為鑄態(tài)，未熔化晶粒因受到高溫影響而造成晶粒嚴(yán)重粗大，化學(xué)成分不均勻，其力學(xué)性能最差，嚴(yán)重影響了焊接接頭的力學(xué)性能?！?〕熱影響區(qū)。熱影響區(qū)是指焊縫附近的金屬，在焊接熱源作用下，發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域。熱影響區(qū)各點溫度不同，相當(dāng)于各自經(jīng)受了一次不同溫度的熱處理，其組織、性能不同，低碳鋼的焊接接頭熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)和局部相變區(qū)。低碳鋼的焊接接頭焊接應(yīng)力是指焊接過程中焊件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接變形是指焊接過程中焊件產(chǎn)生的變形。焊接過程中不均勻加熱和冷卻是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。焊接時，焊縫區(qū)被加熱到高于母材的溫度，離焊縫越遠(yuǎn)，溫度越低。根據(jù)金屬熱脹冷縮的特性，焊件各區(qū)域溫度不同將產(chǎn)生大小不等的縱向膨脹，母材受到拉應(yīng)力，焊縫金屬受到壓應(yīng)力，當(dāng)焊縫區(qū)的壓應(yīng)力超過金屬的屈服點時，該區(qū)就產(chǎn)生了一定量的壓縮塑性變形，壓應(yīng)力也消失了一局部。冷卻時，焊縫區(qū)域的收縮趨勢大于母材的收縮趨勢，造成母材受到壓應(yīng)力，而焊縫金屬受到拉應(yīng)力。拉應(yīng)力和壓應(yīng)力處于互相平衡狀態(tài)，并保存到室溫，這種室溫下被保存下來的焊接應(yīng)力與變形，稱為焊接剩余應(yīng)力與變形。6、焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力和變形的存在，會對焊接結(jié)構(gòu)的制造和使用帶來不利影響。如降低結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，影響結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性等。因此，在焊接過程中，必須設(shè)法減小或消除焊接應(yīng)力與變形。預(yù)防和消除焊接應(yīng)力的措施為：①焊前對焊件進(jìn)行整體或局部預(yù)熱，可以減小焊件各局部的溫度差及焊后的冷卻速度，從而減小焊接應(yīng)力。②采用合理的焊接順序，盡量使焊縫縱向、橫向都能自由收縮，有利于減小焊接應(yīng)力，如下圖?！瞐〕焊接應(yīng)力小〔b〕焊接應(yīng)力大焊接順序③采用反變形法。通過計算和實驗，確定焊件焊后產(chǎn)生變形的大小和方向，焊前將工件安放在與焊接變形方向相反的位置上，或在焊前將焊件反向變形。④捶擊焊縫使之產(chǎn)生塑性變形，以減小焊接應(yīng)力。捶擊路線如下圖。⑤焊后退火處理。將工件均勻加熱到600~650℃，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，整體退火消除80%~90％的焊接應(yīng)力。捶擊焊縫的路線三、其他焊接方法1、埋弧焊電弧在焊劑層下燃燒所進(jìn)行焊接的方法稱為埋弧焊，其以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為電極和填充金屬。埋弧焊的焊縫形成過程如下圖，焊接時，在焊接區(qū)的上面覆蓋一層顆粒狀的焊劑，電弧在焊劑層下燃燒，將焊絲端部和局部母材融化，形成焊縫。由于電弧在焊劑層下燃燒，能防止空氣對焊接熔池的不良影響；焊絲連續(xù)送進(jìn)，焊縫的連續(xù)性好，消除了焊條電弧焊焊接中因更換焊條而引起的缺陷；由于焊劑的覆蓋，減少了金屬燒損和飛濺，可節(jié)省焊接材料。

埋弧焊時焊縫的形成過程1-焊絲；2-電弧；3-熔池金屬；4-熔渣；5-焊劑；6-焊縫；7-焊件；8-焊渣埋弧焊在焊接過程中引燃電弧、焊絲送進(jìn)和沿焊接方向的移動等全部用機(jī)械自動進(jìn)行。埋弧焊的焊接過程如下圖。埋弧焊可采用較大的焊接電流，埋弧焊與焊條電弧焊相比，具有生產(chǎn)率高、節(jié)約金屬、提高焊縫質(zhì)量和改善勞動條件等優(yōu)點，在造船、鍋爐、車輛等工業(yè)部門獲得廣泛的應(yīng)用，特別適用于焊接大型工件的直縫和環(huán)縫。埋弧焊的焊接過程1-焊件；2-焊劑；3-焊劑漏斗；4-送絲輪；5-焊絲；6-導(dǎo)電嘴；7焊渣；8-焊縫氣體保護(hù)電弧焊簡稱氣體保護(hù)焊。它是利用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊方法。1〕鎢極氣體保護(hù)電弧焊這是一種不熔化電極氣體保護(hù)電弧焊，利用鎢極和工件之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫，如下圖。焊接過程中，鎢極不熔化，只起電極的作用，焊槍的噴嘴送進(jìn)氬氣或氦氣作保護(hù)，還可根據(jù)需要另外添加填充金屬。鎢極氣體保護(hù)焊由于能很好地控制熱輸入，所以它是連接薄板金屬和打底焊的一種極好的方法。這種方法幾乎可以用于所有金屬的連接，尤其適用于焊接鋁、鎂等能形成難熔氧化物和金屬以及像鈦和鋯等活潑金屬。1-焊絲；2-熔池；3-噴嘴；4-鎢極；5-氣流；6-焊縫；2、氣體保護(hù)電弧焊鎢極氬弧焊示意圖2〕二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊它是以CO2氣體作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊，CO2氣體保護(hù)焊的焊接過程如圖3-58所示。焊接過程中，以連續(xù)送進(jìn)的焊絲與工件之間燃燒的電弧做熱源，CO2氣體經(jīng)供氣系統(tǒng)從焊槍噴出，當(dāng)焊絲與焊件接觸引燃電弧后，連續(xù)送給的焊絲末端和熔池被CO2氣流所保護(hù)，防止空氣對熔化金屬的有害作用，從而保證獲得高質(zhì)量的焊縫。CO2氣體保護(hù)電弧焊示意圖1-CO2氣瓶；2-預(yù)熱器；3-高壓枯燥器；4-減壓表；5-流量計；6-低壓枯燥器；7-電磁氣閥；8-工件；9-焊槍；10-送絲機(jī)構(gòu)；11-電源控制箱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。其焊接過程如下圖。〔a〕電渣焊過程〔b〕熔渣池的形成電渣焊過程示意圖1-焊件；2-冷卻滑塊；3-金屬熔池；4-熔渣池；5-焊絲；6-冷卻水管；7-焊縫；8-熔滴；9-焊件熔化金屬3、電渣焊電阻焊是焊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，將兩工件之間的接觸外表熔化而實現(xiàn)連接的焊接方法。這種焊接不要外加填充金屬和焊劑。根據(jù)焊接接頭形式可分為對焊、點焊、縫焊三種,如下圖。電阻焊原理示意圖4、電阻焊釬焊的能源可以是化學(xué)反響熱，也可以是間接熱能。釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實現(xiàn)連接焊件的方法。因此，釬焊是一種固相兼液相的焊接方法。釬焊特點〔同熔焊比〕：焊件加熱溫度低，其組織和力學(xué)性能變化小；變形較小，焊件尺寸精度高；可以焊接薄壁小件和其他難以焊接的高級材料；可一次焊多件、多接頭；生產(chǎn)率高；可以焊接異種材料。但焊前必須采取一定的措施去除被焊零件外表的油污、灰塵、氧化膜等。5、釬焊根據(jù)釬料熔點的不同，釬焊可分為硬釬焊和軟釬焊兩類。1〕硬釬焊釬料熔點在450℃以上而低于母材金屬的熔點，其接頭強(qiáng)度高，可達(dá)500MPa，適用于焊接受力較大或工作溫度較高的焊件，屬于這類釬料的有銅基、銀基、鋁基等。軟釬焊釬料熔點低于450℃，其接頭強(qiáng)度低，主要適用于釬焊受力不大或工作強(qiáng)度較低的焊件，常用的為錫、鉛釬料。釬焊時一般需要使用釬劑，釬劑的作用是去除焊件外表的氧化膜及其他雜質(zhì)，保護(hù)釬料和焊件不被氧化。常用的釬劑有松香、硼砂等。釬焊加熱方法很多，根據(jù)熱源和加熱方法不同分為電阻釬焊、火焰釬焊、感應(yīng)加熱、爐中釬焊等。學(xué)習(xí)情境四非金屬材料的成型工藝1〕工程塑料的成形性能〔1〕塑料形變與溫度的關(guān)系。

塑料的形變與溫度關(guān)系熱固性塑料受熱后的狀態(tài)〔2〕塑料的流變性能。在成形過程中，多數(shù)工藝都要求塑料處于黏流態(tài)成形，因為在這種狀態(tài)下，塑料聚合物呈熔融的流體，易于流變成形。但塑料流體與金屬液體的流動性能不同，主要表現(xiàn)為其黏度變化趨勢的差異。一、高分子材料成型1、工程塑料的成形2〕工程塑料的成形方法①注射成形。注射成形是將顆?；蚍蹱钏芰现糜谧⑸涑尚螜C(jī)料筒內(nèi)加熱至流動狀態(tài)〔如圖3-63所示〕，經(jīng)噴嘴注入模具中〔如圖3-64所示〕，冷卻后翻開模具即得到所需要的塑料制品。

圖3-63注射成形的加熱I-模具；2-噴嘴；3-加熱裝置；4-分流梳；5-料筒；6-料斗；7-注射柱塞圖3-64注射成形的噴射②擠出成形。塑料螺桿擠出機(jī)原理③壓制成形。壓制成形是將稱量好的原料置于已加熱的模具模腔內(nèi)，通過壓機(jī)壓緊模具加熱加壓，塑料在模腔內(nèi)受熱塑化〔熔化〕流動并在壓力下充滿模腔，同時發(fā)生化學(xué)反響而固化得到塑料制品的過程。常用的有模壓法和層壓法。④吹塑成形。吹塑成形是利用壓縮空氣使加熱到塑性狀態(tài)的片狀或管狀塑料型坯，在模具中吹制成中間脹大、頸口縮小的中空制件，其實際是擠出成形加上壓縮空氣吹脹。吹塑成形過程⑤吸塑成形。吸塑成形也稱真空成形，成形時將熱塑性塑料板材或片材夾持起來