Wuhan

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Technology金屬工藝學METAL

TECHNOLOGY機電工程學院金工學部張崧2021/6/91武漢理工大學金工學部變形工序2021/6/92武漢理工大學金工學部拉深正確選擇拉伸系數(shù)合理設計拉深模

彎曲彎曲時還應盡可能使彎曲線與坯料纖維方向垂直脹形翻邊旋壓沖模的分類和結構簡單沖模連續(xù)沖模復合模沖壓工藝的制定過程對沖裁件的要求形狀應力求簡單盡量避免尖角，應以圓弧連接沖孔件尺寸與厚度關系合理

對彎曲件的要求彎曲件形狀應盡量對稱彎曲邊過短不易彎成型孔的邊緣距彎曲中心應有一定的距離對拉伸件的要求拉深件外形應簡單拉深件的圓角半徑拉深件的壁厚變薄量10%～18%左右沖壓工藝方案選擇沖壓基本工序;確定沖壓工序的順序確定模具類型與結構形式;選擇沖壓設備編寫沖壓工藝文件螺紋連接（機械）鉚接（機械）粘接（物化連接）焊接（冶金連接）4材料的連接成形材料連接的方法有螺紋連接、銷釘連接、鉚接及焊接等多種。2021/6/93武漢理工大學金工學部4材料的連接成形-焊接2021/6/94武漢理工大學金工學部概

述熔焊工藝壓力焊工藝釬焊與封焊金屬材料的焊接性焊接缺陷與檢驗焊接件結構設計本章重點：焊條電弧焊的原理與特點，焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)和焊接結構形式的選用原則。焊接：是通過加熱或加壓，或者兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件達到原子結合的一種方法。焊接方法：熔化焊、壓力焊、釬焊等。焊接的主要特點是：節(jié)省材料，減輕質量；簡化復雜零件和大型零件的制造；（3）適應性好；可實現(xiàn)特殊結構的生產(chǎn)；（4）滿足特殊連接要求；可實現(xiàn)不同材料間的連接成型；（5）降低勞動強度，改善勞動條件。焊接方法的應用：（1）制造金屬結構件；（2）制造機器零件和工具；（3）修復。2021/6/95武漢理工大學金工學部焊接方法壓力焊摩擦焊超聲波焊爆炸焊擴散焊高頻焊釬焊及封粘軟釬焊硬釬焊封接粘接熔焊電弧焊電渣焊等離子弧焊電子束焊激光焊手弧焊氣體保護焊埋弧焊電阻焊2021/6/96武漢理工大學金工學部氣門芯2021/6/97武漢理工大學金工學部4.1

熔焊工藝2021/6/98武漢理工大學金工學部熔焊原理及過程焊接接頭的組織與性能焊接變形和焊接應力熔焊方法及工藝本節(jié)重點：熔化焊焊接接頭的組織性能本節(jié)難點：焊接應力與變形4.1.1

熔焊原理及過程熔焊的本質及特點熔化焊的本質是小熔池熔煉與鑄造，是金屬熔化與結晶的過程。熔池存在時間短，溫度高；冶金過程進行不充分，氧

化嚴重；熱影響區(qū)大。冷卻速度快，結晶后易生成粗大的柱狀晶。2021/6/99武漢理工大學金工學部熔化焊的三要素2021/6/910武漢理工大學金工學部熱源能量要集中，溫度要高。以保證金屬快速熔化，減小熱影響區(qū)。滿足要求的熱源有電弧、等離子弧、電渣熱、電子束和激光。熔池的保護可用渣保護、氣保護和渣-氣聯(lián)合保護。以防止氧化，并進行脫氧、脫硫和脫磷，給熔池過渡合金元素。填充金屬保證焊縫填滿及給焊縫帶入有益的合金元素，并達到力學性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊絲。焊接電弧電弧是指兩電極之間強烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強。將電弧放電用作焊接熱源，既安全，加熱效率也高。電弧的三個區(qū)陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)焊接電弧的溫度oC和熱量分布溫度oC陽極區(qū)：

2600弧柱區(qū)：

6000～8000陰極區(qū)

：

2400熱量分布43％21％36％2021/6/911武漢理工大學金工學部由于電弧產(chǎn)生的熱量在陽極和陰極上有一定的差異，在使用直流電焊機焊接時，有兩種接線方法：直流正接：焊件接正極，焊條接負極（厚板、酸性焊條）直流負接：焊件接負極，焊條接正極（薄板、堿性低氫焊 條、低合金鋼和鋁合金）2021/6/912武漢理工大學金工學部電弧焊的焊接過程：手工電弧焊是利用焊條與工件間產(chǎn)生的電弧熱，將工件熔化而進行焊接的。電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件（基本金屬）和焊條同時熔化成為熔池，焊條金屬熔滴借重力和電弧氣體吹力的作用逐漸過渡到熔池當中。電弧熱還使焊條的藥皮熔化或燃燒。藥皮燃燒后與液體金屬起物理化學作用，所形成的熔渣和氣體可防止空氣中氧、氮的侵入，其保護熔化金屬的作用。2021/6/913武漢理工大學金工學部電弧焊的冶金過程特點：2021/6/914武漢理工大學金工學部電弧和熔池金屬溫度高于一般的冶煉溫度。使金屬元素強烈蒸發(fā)，導致金屬燒損或形成有害雜質。金屬熔池體積小，熔池處于液態(tài)的時間很短，一般在１0秒左右。導致化學成分不夠均勻，氣體和雜質來不及浮出，易產(chǎn)生氣孔和夾雜等缺陷。熔池不斷更新，有害氣體容易進入熔池，形成氧化物、氣孔、雜質等缺陷。焊劑是由SiO2，MnO、MgO及CaF等組成的硅酸鹽。焊劑保護的效果形成熔融的液態(tài)焊劑薄膜，使熔池與空氣隔絕，大大減少焊縫中的含氣量，提高焊縫韌性。延長熔池存在時間，加強了冶金反應，有利于氣孔、夾渣的析出。4.1.1.1

熔池的保護2021/6/915武漢理工大學金工學部渣保護為了使熔池與空氣隔離，可在熔池上覆蓋一層熔渣一方面防止金屬氧化和吸氣另一方面向熔池過渡合金元素，提高焊縫性能同時，還可以減少散熱，提高生產(chǎn)率，防止強光輻射2021/6/916武漢理工大學金工學部氣保護

用于保護熔池和溶滴的氣體應是惰性氣體，并在高溫下不分解，或是低氧化性的不溶于金屬液體的雙原子氣體(如Ar或CO2)。

噴嘴結構應盡可能使氣體以層流流出。氬氣氬氣為惰性氣體，高溫下不溶入液態(tài)金屬，也不與金屬發(fā)生化學反應，因此，氬氣是一種理想的保護氣體。由于氬弧溫度高，因此一旦引燃，電弧就很穩(wěn)定。氬弧焊一般要求氬氣純度達99.9%，我國生產(chǎn)的工業(yè)純氬，其純度可達99.9%，完全合乎氬弧焊的要求。氬弧焊對焊前的除油、去銹、去水等準備工作要求嚴格，否則就會影響焊縫質量。2021/6/917武漢理工大學金工學部CO2氣體2021/6/918武漢理工大學金工學部CO2為無色無味氣體，密度是空氣的1.5倍，在常溫下很穩(wěn)定，但在高溫下易分解。CO2氣體密度大，受熱后體積膨脹大，所以在隔離空氣保護焊接熔池和電弧方面，效果良好。但CO2氣體為氧化性氣體，在高溫下將分解為CO和O2：CO2

＝

CO

+

O2所以二氧化碳在高溫時有強烈的氧化性。渣-氣聯(lián)合保護利用渣的良好的冶金反應和焊縫成型特點以及氣體的優(yōu)良電弧熱效率和穩(wěn)弧作用，可獲得良好的熔池保護效果。如焊條的藥皮及二氧化碳加藥芯。，。填充金屬填滿焊縫，提高焊縫性能使焊縫與母材等強度，用焊絲和焊芯（填充金屬）過渡合金元素。常用的焊條鋼芯為碳素鋼絲、合金鋼絲和不銹鋼絲H代表焊接用鋼絲，其后的兩位數(shù)字代表含碳量的萬分之幾；A為高級優(yōu)質鋼；

E代表特級優(yōu)質鋼。2021/6/919武漢理工大學金工學部4.1.1.2

電焊條2021/6/920武漢理工大學金工學部電焊條的組成及作用組成：焊芯和藥皮作用：焊芯—填充金屬藥皮—穩(wěn)弧、造氣、造渣、脫氧、合金、粘結等。藥皮必須含有造氣劑和造渣劑。藥皮中還應含有穩(wěn)弧劑和合金化劑，以及脫氧劑、脫硫劑和去氫劑等。焊條的種類和編號種類：結構鋼焊條、鉬及鉻鉬耐熱鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、鈦及鈦合金焊條、鋁及鋁合金焊條、銅及銅合金焊條、特殊用途焊條。編號：以結構鋼焊條為例：Ｊ422 其中：Ｊ——結構鋼焊條42——焊縫金屬抗拉強度大于等于420MPa2——藥皮類型（鈦鈣型）和電源種類（交直流）Ｊ5077——低氫，直流酸性藥皮與堿性藥皮兩者的性質酸性藥皮工藝性好，而堿性藥皮工藝性差。堿性藥皮中有益元素多，能使焊接接頭力學性能提高。堿性藥皮中因不含有機物，也稱低氫型藥皮?？梢蕴岣吆缚p金屬的抗裂性。堿性藥皮氧化性強，對銹、油、水的敏感性大，易產(chǎn)生飛濺和CO氣孔。堿性藥皮在高溫下，易生成較多的有毒物質（HF等），因而應注意通風。2021/6/921武漢理工大學金工學部電焊條的選用原則等強度原則：低碳鋼和普通低合金鋼構件，一般都要求焊縫金屬與母材等強度，因此可根據(jù)鋼材強度等級來選用相應的焊條。同一強度等級的酸性焊條和堿性焊條的選用。主要應考慮：焊接件的結構形狀、鋼板厚度、載荷性質和抗裂性能而定。低碳鋼與低合金結構鋼焊接，可按某一種鋼接頭中強度較低的鋼材來選用相應的焊條。焊接不銹鋼或耐熱鋼等有特殊性能要求的鋼材，應選用相應的專用焊條。2021/6/922武漢理工大學金工學部上次課內容的回顧熔焊的本質及特點：小熔池熔煉與鑄造、熔池存在時間短，溫度高；冷卻速度快熔化焊的三要素：熱源、熔池的保護、填充金屬直流正接與直流反接熔池的保護：渣保護、氣保護、渣-氣聯(lián)合保護電焊條：組成與作用酸性藥皮與堿性藥皮兩者的性質電焊條的選用原則：等強度原則2021/6/923武漢理工大學金工學部4.1.2

焊接接頭的組織與性能焊縫區(qū)的高溫向工件金屬傳導熱量，必然引起焊縫及附近區(qū)域金屬的組織和性能發(fā)生變化。焊縫區(qū)——在焊接接頭橫截面上 測量的焊縫金屬的區(qū)域。熔合區(qū)——熔合線兩側有一個很 窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)。熱影響區(qū)---受焊接熱循環(huán)的影響， 焊縫附近的母材因焊接熱作用發(fā)生 組織或性能變化的區(qū)域（過熱區(qū)、 正火區(qū)、部分相變區(qū)）。熱影響區(qū)中的過熱區(qū)，對焊接接頭有不利影響，應使之盡可能減小。熔合區(qū)成分不均，組織為粗大的過熱組織或淬硬組織，是焊接接頭中的最差的部位。2021/6/924武漢理工大學金工學部焊縫熱影響區(qū)在低碳鋼焊接接頭中，熔合區(qū)很窄，但因強度、塑性和韌性都下降，而且此處接頭斷面變化，引起應力集中，在很大程度上決定焊接接頭的性能。2021/6/925武漢理工大學金工學部焊縫的組織和性能熱源移走后，熔池焊縫中的液體金屬立刻開始冷卻

結晶，以垂直熔合線的方式向熔池中心生長為柱狀樹枝晶。低熔點物質將會被推向焊縫最后結晶部位，形成成分偏析。2021/6/926武漢理工大學金工學部焊接接頭熱循環(huán)的特點是：加熱和冷卻速度很快，對易淬火鋼，易導致馬氏體相變；對其它材料，易產(chǎn)生焊接變形、應力及裂紋。2021/6/927武漢理工大學金工學部4.1.3

焊接變形和焊接應力焊接應力與變形產(chǎn)生的原因：焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。2021/6/928武漢理工大學金工學部自由膨脹與收縮受阻膨脹與收縮2021/6/929武漢理工大學金工學部焊接應力與變形產(chǎn)生應力大

應力小當拘束很大時（如大平板對接），則會產(chǎn)生殘余應力，無 殘余變形。當拘束較?。ㄈ缧“鍖雍福r，既產(chǎn)生殘余應力，又產(chǎn) 生殘余變形。2021/6/930武漢理工大學金工學部平板對接焊時變形與應力的形成焊接接頭應力分布2021/6/931武漢理工大學金工學部平板焊接應力形成動畫演示2021/6/932武漢理工大學金工學部剛性約束下焊件焊后殘余拉應力演示焊件焊后的變形形式主要有：尺寸收縮、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等。2021/6/933武漢理工大學金工學部焊接應力的防止及消除采取合理的焊接順序，使焊縫能夠自由地收縮，以減少

應力a）。而圖b）因先焊焊縫1導致板Ⅲ對焊縫2的拘束度增加，而增大殘余應力。焊接順序原則：先自由后約束2021/6/934武漢理工大學金工學部焊縫不要有密集交叉截面，長度也要盡可能小，以減小焊接局部加熱，從而減少焊接應力,多桿節(jié)點需要過渡.焊前預熱可以減少工件溫差，常用于減少殘余應力。2021/6/935武漢理工大學金工學部不合理的焊接方法會增加應力和變形2021/6/936武漢理工大學金工學部雙面交替多層焊可適當減小角變形2021/6/937武漢理工大學金工學部當焊縫還處在較高溫度時，錘擊焊縫使金屬伸長，也能減少焊接殘余應力。錘擊焊縫法，即用圓頭小錘對焊縫敲擊，可減少焊接變形和應力。因此對焊縫適當鍛延，使其伸長來補償這個縮短，就能減小變形和應力。錘擊時用力要均勻，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手錘，其端部為圓角（R=3—5mm）。底層和表面焊道一般不錘擊，以免金屬表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻錘擊，直至將焊縫表面打出均勻致密的點為止。焊后進行消除應力的退火可消除殘余應力。2021/6/938武漢理工大學金工學部焊接變形的防止和消除焊縫對稱布置采用反變形方法2021/6/939武漢理工大學金工學部采用對稱結構和對稱焊縫布置對稱結構可以抵消部分變形采用多層多道焊，能減少焊接變形2021/6/940武漢理工大學金工學部多層焊時，第一層引起的收縮量最大，

以后各層逐漸減小。許多結構截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發(fā)生彎曲或扭曲的變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形，未能相互抵消，于是發(fā)生變形。依據(jù)不同焊接順序的特點，以焊接程序控制焊接變形量。常見的焊接順序有五種：分段退焊法這種方法適用于各種空間的位置的焊接，除立焊外，鋼材較厚、焊縫較長時都可以設擋弧

板，多人同時焊接。其優(yōu)點是可以減小熱影響區(qū)，避免變形。每段長應為0.5—1m。分中分段退焊法這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優(yōu)點是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區(qū)的溫度不至于急劇增高，減少或避免熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。2021/6/941武漢理工大學金工學部c.跳焊法這種方法除立焊外，平焊、橫焊、仰焊三種方法都適用，多用在6—12mm厚鋼板的長焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接上，可以分散焊縫熱量，避免或減小變形。鋼材每段焊縫長度在200—400mm之間；鑄鐵焊件按鑄鐵焊接規(guī)范處理；不銹鋼和銅由于導熱快，每段長不宜超過200mm(薄板應短些)。交替焊法這種焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距離拉長，特別適用于薄板和