《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課件-02篇 第三單元 焊接成型

第三單元焊接成型02篇

毛坯成型教學(xué)目標(biāo):1.掌握各種焊接方法的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用2.能正確選擇焊接方法焊接各種金屬材料3.能正確處理及防止常用金屬的焊接變形4.能正確處理焊件的結(jié)構(gòu)工藝性教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn):

1.焊接的特點(diǎn)和分類2.手工電弧焊的工作原理、焊接電弧的極性及其選用、焊條類型及焊條的牌號(hào)表示方法3.氣焊的工作原理、火焰類型及應(yīng)用4.埋弧焊工藝原理、工藝特點(diǎn)和應(yīng)用5.氣體保護(hù)電弧焊類型及工藝原理、特點(diǎn)6.電阻焊的工藝原理及類型、特點(diǎn)7.釬焊的工藝原理及類型、特點(diǎn)8.氣割原理、被切割的金屬應(yīng)要具備的條件9.常用金屬的焊接性能及防止焊接變形的方法10.焊件的結(jié)構(gòu)工藝性2.3.1焊接的特點(diǎn)和分類1.焊接的特點(diǎn)①接頭致密性好，質(zhì)量好，比鉚接節(jié)約材料。②能簡(jiǎn)化大型以及復(fù)雜零件的制造過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)“以小拼大”。③容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能改善勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。④適應(yīng)性好，能實(shí)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)的組合，如不同材料間的焊接成形。⑤焊接材料要求嚴(yán)格，有些材料的焊接性能較差。⑥焊接后的零件會(huì)產(chǎn)生較大的變形或應(yīng)力，零件的性能會(huì)因焊接熱影響區(qū)而受到影響。2.焊接的分類

金屬焊接按工藝過(guò)程的特點(diǎn)可分為熔化焊、釬焊和壓力焊三大類。

熔化焊常用的方法有氣焊、電弧焊、電渣焊、電子束焊、激光焊和等離子束焊等。

釬焊有火焰釬焊、烙鐵釬焊、爐中釬焊等。

壓力焊有電阻焊、高頻焊、摩擦焊、超聲波焊、擴(kuò)散焊等。2.3.2常用焊接方法2.3.2.1手工電弧焊

手工電弧焊又稱為焊條電弧焊，是指手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法，如圖2-75所示。1.焊接電弧的產(chǎn)生

焊接電弧產(chǎn)生的方式有非接觸引弧和接觸引弧兩種，手工電弧焊采用接觸引弧。如圖2-76所示為焊接電弧產(chǎn)生的過(guò)程。2.焊接電弧的構(gòu)造及熱量分布

如圖2-77所示，焊接電弧分陽(yáng)極區(qū)、陰極區(qū)和弧柱區(qū)三個(gè)區(qū)域。當(dāng)采用直流電源時(shí)，如焊件接正極，焊條接負(fù)極，則陽(yáng)極區(qū)在焊件上，陰極區(qū)在焊條的末端。3.焊接電弧的極性及其選用

用直流電源焊接時(shí)，有正接、反接兩種接法。正接是指焊條接電源的負(fù)極、焊件接電源的正極；反接是指焊條接正極、焊件接負(fù)極。在采用直流焊接電源時(shí)，正、負(fù)極的接法的要根據(jù)焊件的厚薄來(lái)進(jìn)行選擇。一般情況下，較薄焊件的焊接應(yīng)采用反接法，如圖2-78（a）所示；較厚焊接件的焊接，采用正接法，如圖2-78（b）所示。若用交流電源焊接時(shí)，則不存在正、反接的問(wèn)題。4.焊條

焊條由藥皮和焊芯組成的。焊芯是一根金屬絲，有一定的長(zhǎng)度和直徑。

焊芯有兩個(gè)作用：一是焊芯熔化后作為填充金屬，與熔化的母材一起形成焊縫；二是作為電極，產(chǎn)生電弧。焊芯的直徑用來(lái)表示焊條的直徑，常用的直徑為3.2～6mm，長(zhǎng)度為350～450mm。藥皮的主要作用如下：（1）添加合金元素，以提高金屬焊縫的力學(xué)性能。（2）形成熔渣和產(chǎn)生大量氣體以保護(hù)熔池的金屬不被氧化，起機(jī)械保護(hù)熔池的作用。（3）使電弧容易引燃并穩(wěn)定燃燒，以改善焊接的工藝性能。焊條類型及牌號(hào)類型：

按用途不同焊條可分為結(jié)構(gòu)鋼焊條、鑄鐵焊條、不銹鋼焊條、耐熱鋼焊條、鋁及鋁合金焊條、銅及銅合金焊條等。

焊條按藥皮熔渣化學(xué)性質(zhì)的不同，可分為堿性焊條、酸性焊條兩大類。焊條牌號(hào)：

GB/T5117-1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，手弧焊用碳鋼焊條型號(hào)用字母“E”加四位數(shù)字組成，即Exxxx。“E”表示焊條，前兩位數(shù)字表示熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度的最小值，第三位數(shù)字表示焊接的位置，“0”與“1”表示焊條適用于全位置的焊接（平焊、立焊、橫焊、仰焊），“2”表示焊條適用于平角焊和平焊，第三位和第四位數(shù)字組合時(shí)，表示藥皮類型及焊接電源的種類。

焊接行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼焊條的牌號(hào)表示方法為：漢字拼音字首加三位數(shù)字，第3個(gè)數(shù)字，代表藥皮類型，焊接電流要求，第1、2數(shù)：代表焊縫金屬抗拉強(qiáng)度。以J507為例，其中J代表結(jié)構(gòu)鋼焊條，50代表焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度不低于490MPa，7代表低氫型藥皮，直流。2.3.2.2氣焊

氣焊是利用助燃?xì)怏w氧和可燃?xì)怏w乙炔按照一定的比例混合后，氣體由焊炬的噴嘴噴出，點(diǎn)燃后形成高溫火焰，其溫度可達(dá)到3000℃，將焊件加熱到一定溫度后將焊絲溶化，并充填焊縫，用火焰吹平接頭，冷凝后，最后便形成焊縫，如圖2-79所示。氣焊時(shí)所用的火焰，按助燃?xì)怏w氧（O2）與可燃?xì)怏w乙炔（C2H2）的體積比值分為三種：（1）當(dāng)VO2：VC2H2=1.0～1.2時(shí)稱為中性焰，中性焰中氧與乙炔充分燃燒，沒(méi)有過(guò)剩的氧和乙炔，這種火焰的用途最廣。（2）當(dāng)VO2：VC2H2＜1時(shí)稱為碳化焰，火焰中乙炔過(guò)剩，有游離態(tài)的碳，有較強(qiáng)的還原作用，也有一定的滲碳作用。（3）當(dāng)VO2：VC2H2＞1.2時(shí)稱為氧化焰，氧化焰中氧過(guò)剩，焊接時(shí)對(duì)金屬有氧化作用。

碳化焰主要用于焊接含碳量較高的高速鋼、高碳鋼及硬質(zhì)合金等材料，也用于焊補(bǔ)鑄鐵件。中性焰主要應(yīng)用于低碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、紫銅和高鉻鋼等材料的焊接。氧化焰主要應(yīng)用于黃銅、青銅等材料的焊接。

碳鋼焊接時(shí)直接用焊絲進(jìn)行焊接，不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、耐熱鋼進(jìn)行焊接時(shí)，為防止金屬被氧化及消除已形成的氧化物，必須用氣焊溶劑。

氣焊火焰由于溫度比電弧低，熱量少，主要應(yīng)用于厚度在2mm左右的薄板的焊接。2.3.2.3埋弧焊

埋弧焊是指電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。1.埋弧焊工藝原理

如圖2-80所示為埋弧焊工藝原理圖。

埋弧焊按焊絲沿焊縫移動(dòng)方法的不同，可分為埋弧自動(dòng)焊、埋弧半自動(dòng)焊兩大類。

埋弧自動(dòng)焊的焊接過(guò)程如圖2-81所示。2.埋弧焊的工藝特點(diǎn)和應(yīng)用

埋弧焊與手工電弧焊相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

操作簡(jiǎn)單，焊接質(zhì)量好，節(jié)省焊接材料，勞動(dòng)強(qiáng)度低，勞動(dòng)條件較好，生產(chǎn)率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

埋弧焊的缺點(diǎn)是：

一般情況下，只能焊接平焊縫，不適宜于焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有傾斜焊縫的焊件；設(shè)備的費(fèi)用較高；看不見(jiàn)電弧，在焊接時(shí)焊縫質(zhì)量檢查不方便。

埋弧焊適用于低合金鋼、低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅等金屬材料厚板長(zhǎng)焊縫的焊接。2.3.2.4氣體保護(hù)電弧焊

氣體保護(hù)電弧焊是指用外加的氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊，簡(jiǎn)稱氣體保護(hù)焊。最常用的氣體保護(hù)焊有二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和氫弧焊。1.氫弧焊

氫弧焊是用氫氣作為保護(hù)氣體的電弧焊。氫弧焊按電極在焊接過(guò)程中是否熔化而分為熔化極氫弧焊（如圖2-82（a）所示）和非熔化極氫弧焊（如圖2-82（b）所示）兩種。

氫弧焊與其他電弧焊方法相比，焊接時(shí)不必用焊劑就可獲得高質(zhì)量焊縫。由于是明弧焊接，操作和觀察都比較方便，可進(jìn)行各種空間位置的焊接。

氫弧焊幾乎可用于所有金屬材料的焊接，尤其是焊接化學(xué)性質(zhì)較活潑的金屬材料。目前氫弧焊多用于焊接鋁、不銹鋼、低合金鋼、鎂、銅及其合金、耐熱鋼等材料。2.二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊

如圖2-83所示。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高。二氧化碳?xì)怏w的價(jià)格比氫氣低，電能消耗少，成本低。由于電弧熱量集中，所以熔池小、焊件變形小、焊接質(zhì)量高。缺點(diǎn)是不宜焊接容易氧化的有色金屬等材料，也不宜在有風(fēng)的場(chǎng)地工作，電弧光強(qiáng)，熔滴飛濺較嚴(yán)重，焊縫成型不夠光滑。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊常用碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和耐熱鋼的焊接，也適用于修理機(jī)件，如磨損零件的堆焊。2.3.2.5電阻焊

電阻焊是指通過(guò)電極施加壓力于裝配好的焊件上，利用電流通過(guò)接頭的接觸面以及臨近區(qū)域所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至塑性或者熔化狀態(tài)，在外力作用下形成原子間結(jié)合的焊接方法，又稱接觸焊。電阻焊按接觸方式可分為對(duì)焊、點(diǎn)焊和縫焊，如圖2-84所示。2.3.2.6釬焊

釬焊是指用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將釬料和焊件加熱到低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)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。

釬焊過(guò)程如圖2-85所示。圖（a）是將釬料放置在接頭處，并加熱釬料和焊件；圖（b）是釬料熔化后并開(kāi)始流入釬縫間隙；圖（c）是釬料填滿整個(gè)釬縫間隙，凝固后形成釬焊接頭。

釬焊的特點(diǎn)是焊件接頭不熔化，釬料熔化。釬焊時(shí)，用釬劑清除焊件和釬料表面的氧化物，以便使釬焊部分連接牢固、增強(qiáng)釬料的附著作用。

常用的釬料一般有軟釬料、和硬釬料兩類。

釬焊在機(jī)械、儀表、無(wú)線電、電機(jī)等制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。2.3.2.7氣割

氣割是根據(jù)高溫的金屬能在純氧中燃燒的原理進(jìn)行的，它與氣焊有著本質(zhì)不同的過(guò)程，即氣割是金屬在純氧中燃燒，而氣焊是熔化金屬。

氣割原理如圖2-86所示。切割的過(guò)程實(shí)際為重復(fù)進(jìn)行預(yù)熱→燃燒→去渣的過(guò)程。被切割的金屬應(yīng)要具備以下條件：①金屬燃燒時(shí)應(yīng)能放出足夠的熱量，且金屬本身的熱導(dǎo)性要低，有利于切割過(guò)程能不間斷地進(jìn)行。②燃燒所生成的金屬氧化物的熔點(diǎn)應(yīng)低于金屬本身的熔點(diǎn)，且要有較好的流動(dòng)性，以便熔化并吹掉氧化物。③金屬的燃點(diǎn)應(yīng)低于其熔點(diǎn)，否則金屬在切割前已融化，不能形成整齊切口導(dǎo)致切口凹凸不平。

綜合所述，能滿足氣割條件的金屬材料是低碳鋼、中碳鋼及部分低合碳鋼。

氣割時(shí)，可用割炬代替焊炬，其余設(shè)備與氣焊相同。割炬構(gòu)造如圖2-87所示。

割炬與焊炬相比，割炬增加了輸送切割氧氣的閥門和管道，割嘴結(jié)構(gòu)與焊嘴的也不同。割嘴出口有兩條通道，其中間通道為切割氧的出口，周圍的一圈是氧氣與乙炔混合氣體的出口，兩者互不相通。

氣割與其他切割方法相比較，最大的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、靈活方便，它可在任意方向和任意位置割出任意厚度與形狀的工件。氣割設(shè)備操作簡(jiǎn)單、方便、切口質(zhì)量好、生產(chǎn)率高，但金屬材料的適用范圍有一定的限制。氣割應(yīng)用在低碳鋼、低合金鋼等材料的加工中是非常普遍的。2.3.3常用金屬的焊接性能1.金屬的焊接性

金屬的焊接性是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。金屬的焊接性包括使用性能和工藝性能。使用性能是指在一定的焊接工藝條件下，焊接接頭對(duì)其使用要求的適應(yīng)性。工藝性能是指在一定的焊接工藝條件下，金屬對(duì)形成裂紋等焊接缺陷的敏感性；低碳鋼的焊接性要比鑄鐵好，鑄鐵的焊接性差。2.碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性（1）低碳鋼的焊接性低碳鋼焊接性好，低碳鋼幾乎適用于各種焊接方法的焊接。低碳鋼進(jìn)行焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱，只有在焊接較厚的焊件或在氣候寒冷時(shí)才考慮預(yù)熱。（2）中碳鋼的焊接性

中碳鋼焊接時(shí)，在熱影響區(qū)容易生成淬硬組織。當(dāng)焊接工藝不當(dāng)、焊件的厚度較大時(shí)，這時(shí)很容易出現(xiàn)冷裂紋。與此同時(shí)，焊件接頭處部分碳會(huì)融入焊縫熔池，提高焊縫金屬的含碳量，導(dǎo)致焊縫塑性降低，在冷卻凝固過(guò)程中很容易產(chǎn)生熱裂紋。因此中碳鋼的焊接性能要比低碳鋼差。

中碳鋼在焊接前進(jìn)行預(yù)熱，可以減小焊接接頭的冷卻速度，降低熱影響區(qū)的淬硬傾向，防止冷裂紋的發(fā)生。預(yù)熱溫度一般為100℃～200℃。

中碳鋼焊件的接頭要開(kāi)坡口，這樣可以減小焊件金屬融入到焊縫金屬中的比例，防止熱裂紋發(fā)生。（3）低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性

強(qiáng)度等級(jí)較低的低合金結(jié)構(gòu)鋼因含碳量少，其淬硬傾向也小。但隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，鋼的含碳量也增大，加上其中合金元素的影響，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)的淬硬傾向增大。而低合金結(jié)構(gòu)鋼焊件的熱影響區(qū)的淬硬性會(huì)造成焊接接頭處的塑性下降，隨之冷裂紋產(chǎn)生的傾向也增大。由此可見(jiàn)，低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性隨其強(qiáng)度等級(jí)的提高而變差。

通常低合金結(jié)構(gòu)鋼在焊接時(shí)，應(yīng)選擇較小的焊接速度和較大的焊接電流，來(lái)減慢焊接接頭的冷卻速度。在焊前預(yù)熱或者焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理，均能有效防止冷裂紋的發(fā)生。3.鑄鐵的焊接性

鑄鐵的焊接性很差，在焊接時(shí)，一般容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）產(chǎn)生裂紋

（2）焊后容易產(chǎn)生白口組織

鑄鐵在生產(chǎn)上都不作為材料焊接用。只有當(dāng)鑄鐵件的表面產(chǎn)生了不太嚴(yán)重的裂紋、氣孔、縮孔等缺陷時(shí)，才采用焊補(bǔ)來(lái)彌補(bǔ)鑄件缺陷。2.3.4焊接變形和焊件結(jié)構(gòu)工藝性

焊接時(shí)，由于焊件受熱不均勻，引起焊件內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致金屬材料在焊接后形狀發(fā)生變化，甚至還出現(xiàn)裂紋。1.防止焊接變形的方法（1）產(chǎn)生焊接變形的原因

焊接變形是指因焊接而產(chǎn)生的變形，焊接應(yīng)力是指焊接構(gòu)件內(nèi)部因焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生變形與焊接應(yīng)力的根本原因是焊件在焊接時(shí)局部加熱和冷卻的不均勻。

焊接變形的基本形式有扭曲變形、彎曲變形、波浪變形和角變形等，如圖2-88所示。（2）焊接變形的防止方法①焊前固定法如圖2-89（a）、2-89（b）所示為防止焊件變形圖。焊接前，用重物或夾具壓在焊件上，以抵抗焊接變形。也可以按如圖2-89（c）所示方法進(jìn)行焊接，預(yù)先將焊件通過(guò)點(diǎn)焊固定在平臺(tái)上。一般在焊接時(shí)要用手錘敲擊焊縫，及時(shí)釋放焊接產(chǎn)生應(yīng)力，以防止撤除固定裝置后焊件再次發(fā)生變形，保持焊件的形狀比較穩(wěn)定。②反變形法

反變形法是指預(yù)先根據(jù)焊件容易變形的規(guī)律，在焊前使其形態(tài)按照焊接時(shí)發(fā)生變形的相反方向放置焊件，以抵消焊接后產(chǎn)生的變形。圖3-15所示是根據(jù)板料焊接時(shí)容易產(chǎn)生角變形的規(guī)律，焊前將兩塊板料向下彎折一個(gè)角度放在墊塊上，這個(gè)角度就是V形坡口焊后向上彎折的角度（如圖2-90（a）），焊后兩塊板料就會(huì)按如圖2-90（b）所示變得平直。③錘擊焊縫法

錘擊焊縫法是指焊件在焊接的過(guò)程中，用風(fēng)錘或手錘敲擊焊縫金屬，以促進(jìn)焊縫金屬的塑性變形，減小焊接應(yīng)力。④焊接順序變換法

焊接順序變換法是指通過(guò)變換焊接順序，以盡快發(fā)散掉焊接時(shí)施加給焊件的熱量，從而防止焊接發(fā)生變形的方法。如圖2-91所示，常用的焊接順序變換法有分段倒退法、跳焊法和對(duì)稱法。圖中由小到大的一組數(shù)字為焊接順序，小箭頭為焊接時(shí)焊條的運(yùn)行方向。2.焊件的結(jié)構(gòu)工藝性

焊件的結(jié)構(gòu)工藝性是指所設(shè)計(jì)的焊件的結(jié)構(gòu)能確保焊接工藝過(guò)程的順利進(jìn)行，主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）焊縫位置布局應(yīng)便于焊接的操作

在采用氣焊或電弧焊進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍或焊條、焊絲之間必