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(共27张PPT)
模块三　热加工基础
课题一　铸造
课题二　锻压
课题三　焊接
课题四　钢的热处理
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课题三　焊接
一、焊接基础知识
焊接是指通过加热或加压(或两者并用),并且用(或不用)填充材料,使工件结合成一个整体的加工方法.
１.焊接的分类　　
焊接的种类很多,按照焊接过程的特点通常分为以下三大类(如图３-３９所示):
(１)熔焊是利用局部加热的方法,将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法.
(２)压焊是焊接过程中,无论加热或不加热,都对焊件施加压力以完成焊接的方法.
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(３)钎焊采用比母材熔点低的金属材料作钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于母材熔化温度,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法.
２.焊接的特点及应用　　
随着焊接技术的迅速发展及计算机技术在焊接中的应用,焊接质量及生产率的不断提高,焊接在桥梁、建筑、舰船、容器、锅炉、电子等结构制造中得到了广泛的应用.焊接主要有以下特点:
(１)减轻结构质量,节省金属材料,密封性好.用焊接代替铆接,不但金属材料可以节省１５％~２０％,节约了材料,而且金属结构的自重也得以减轻.
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(２)以小拼大,化复杂为简单.在制造大型构件或形状复杂的结构件时,可先把材料分大为小,然后用逐步装配焊接的方法以小拼大.例如大型的舰体等.
(３)便于制造双金属结构.用焊接可以对不同性能的材料进行连接,不仅发挥了各金属的性能,而且降低了成本.
(４)结构强度高,产品质量好.焊接使焊件之间实现原子结合,在多数情况下焊接接头都能达到与母材等强度,甚至接头强度高于母材的强度.因此,焊接结构的产品质量比铆接要好.目前,焊接已基本上取代了铆接.
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(５)生产率较高,易于实现机械化与自动化,是解决恶劣劳动条件的重要方向.但焊接也存在不足之处,焊接是一个不均匀的加热和冷却过程,焊接接头组织不均匀,所以,焊后会产生焊接应力与变形,焊缝的质量检验仍有困难.
二、焊条电弧焊
焊条电弧焊(又称手工电弧焊)是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法,如图３-４０所示.它是利用焊条与焊件之间产生的电弧热,熔化焊条和焊件接头处,再经冷却凝固,达到原子结合的焊接过程.焊条电弧焊因操作方便、灵活,设备简单等优点,是目前生产中应用最为广泛的一种焊接方法.
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１.焊接电弧　　
(１)焊接电弧的产生.焊接电弧的产生过程如图３-４１所示,是在焊件和焊条之间气体介质中发生的一种放电现象.当焊条的一端与焊件瞬时接触时,造成短路,产生很大的短路电流,接触点金属温度迅速升高,使相接触的金属很快熔化并产生金属蒸气,当把电极提起２~４mm 时,电极与焊件之间高热的气体和金属蒸气极易被电离,在两极间电场力作用下,被加热的阴极表面发射出电子并撞击气体介质,使气体介质电离成正离子和电子.正离子奔向阴极,电子奔向阳极.它们在运动过程中及到达电极与工作表面时,不断碰撞和复合,产生大量的光和热,在焊条端部与焊件之间形成电弧.
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(２)焊接电弧的组成.焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成,如图３-４２所示.
阳极区是指电弧紧靠正电极的区域,接收电子,由于高速电子撞击阳极表面,因而产生较多的能量,占到电弧总热量的４３％左右,温度约为２６００K.
阴极区是指电弧紧靠负电极的区域发射电子.因发射电子需消耗一定能量,所以阴极区产生的热量不多,只占电弧总热量的３６％左右,温度约为２４００K.
弧柱区是指阴极区与阳极区之间的气体空间区域.
(３)焊接电弧的极性及应用.采用直流弧焊机焊接有正接与反接之分.
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当把焊件接正极、焊条接负极时,称为正接法,电弧热量大部分集中在焊件上使焊件熔化速度加快,保证了足够的熔深,故多用于焊接较厚的焊件.
如果焊件接负极、焊条接正极时,称反接法,适合于焊接较薄的焊件或不需要较多热量的焊件,如非铁金属、不锈钢、铸铁.
使用交流电源进行焊接时,由于电源极性瞬时交替变化,焊件与焊条得到的总热量是一样的.
电弧电压主要与电弧长度(焊件与焊条间的距离)有关.
２.焊条电弧焊设备　　
焊条电弧焊的主要设备是弧焊机.
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按产生电流的种类不同,弧焊机可以分为交流弧焊机和直流弧焊机两类.
(１)直流弧焊机.直流弧焊机所供给焊接电弧的电流是直流电.直流弧焊机分为两种:一种为焊接发电机,即由交流电动机带动直流发电机;另一种为焊接整流器.其特点是能够得到稳定的直流电,因此电弧燃烧稳定、焊接质量较好.与交流电焊机相比,直流弧焊机构造复杂、维修困难、使用时噪声较大、成本高,使用较少,适合于焊接较重要的焊件.
(２)交流弧焊机.交流弧焊机实际上是一种满足焊接要求的特殊降压变压器.它将２２０V或３８０V 的电源电压降到６０~８０V(即电焊机的空载电压),从而既能满足引弧的需要,又能保证人身安全.
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焊接时,电压会自动下降到电弧正常工作时所需的工作电压２０~３０V,满足了电弧稳定燃烧的要求.焊接时,焊接电弧的电压基本不随焊接电流变化而变化.这种电焊机结构简单,制造方便,使用可靠,成本较低,工作时噪声较小,维护、保养容易,是常用的手工电弧焊设备.但它的电弧稳定性较直流弧焊机差.
３.焊条　　
焊条是在金属焊芯外将涂料(药皮)均匀、向心地压涂在焊芯上.
(１)焊条的组成.焊条由焊芯和药皮两部分组成.焊条是供手工电弧焊用的熔化电极.
１)焊芯.
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焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯,焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝.其主要作用是传导焊接电流,产生电弧,维持电弧燃烧,并且熔化后作为焊缝的填充金属.为了保证焊缝的质量与性能,对焊芯中各金属元素的含量都有严格的规定,特别是对有害杂质(如硫、磷等)的含量,应有严格的限制,要优于母材.焊芯的牌号以“焊”字汉语拼音字首“H”和一组数字及化学元素符号组成.数字与符号的意义与合金结构钢号表示法完全一样,例如H０８、H０８MnA、H１０Mn２等.
２)药皮.药皮是压涂在焊芯表面的涂层,由矿物质、有机物、铁合金和黏结剂组成.
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药皮在焊接过程中分解熔化后形成气体和熔渣,它的主要作用是提高焊接电弧燃烧的稳定性;对焊缝金属脱氧、脱硫、脱磷、去氢等冶金处理,起到机械保护和防止空气影响熔化金属的作用,改善工艺性能.添加合金元素,能提高焊缝力学性能.
１)焊条的分类.焊条的分类方法很多.按照焊条药皮中氧化物的性质分为酸性焊条和碱性焊条两类.
按用途焊条分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜和铜合金焊条、铝和铝合金焊条等.
２)焊条的型号.
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常用的碳钢焊条型号是根据GB/T５１１７—１９９５ 碳钢焊条 的规定,用字母“E”表示焊条类型,此后的前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值(单位为MPa),第三位数字表示焊条的焊接位置,第三位和第四位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型.在第四位数字后附加“R”表示耐吸潮焊条,附加“M”表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条,附加“－１”表示冲击性能有特殊规定的焊条.
(３)焊条选用原则.
①根据焊件的力学性能和化学成分来选用.
②根据焊件的结构复杂程度和刚性来选用.
③根据焊件的工艺条件和经济性来选用.
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④在特殊环境下工作的焊接结构,如耐腐蚀、高温或低温等,为了保证使用性能,应根据熔敷金属与母材性能相同或相近原则选用焊条.
此外还要根据劳动生产率、劳动条件、焊接质量等选用.
４.焊条电弧焊工艺　　
(１)焊接接头基本形式和坡口基本形式.根据工件结构形状、厚度及工作条件的不同,其接头形式和坡口形式也不同.基本的焊接接头形式有对接接头、角接接头、T 形接头、搭接接头等.基本的坡口形式有I形坡口(不开坡口)、单边V 形坡口、V 形坡口、双边V形坡口、U 形坡口和双U 形坡口等.如表３-２手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸所示.
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(２)焊缝的空间位置.焊接时,按焊缝在空间位置的不同可分为平焊、横焊、立焊和仰焊四种如图３-４３所示.其中平焊熔化金属不会外流、飞溅少、操作容易、劳动条件好、生产率高、质量易于保证;横焊、立焊、熔化金属有下流的倾向,不易操作;仰焊时焊接操作困难,应尽量避免.若无法避免时,可选用小直径的焊条,较小的电流,调整好焊条与焊件的夹角与弧长后再进行焊接.
(３)焊接工艺参数的选择.为了保证焊接质量,焊接时选定的各物理量的总称叫焊接工艺参数.焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊条直径、焊接层数、电弧长度和焊接速度等.
焊条直径的大小与焊件厚度、焊接位置及焊接层数有关.
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一般焊件厚度大时应采用大直径焊条;平焊时,焊条直径应大些;多层焊在焊第一层时应选用较小直径的焊条.焊件厚度与焊条直径的关系见表３-３.
主要根据焊条直径来选择焊接电流.电流过大会造成熔融金属向熔池外飞溅;电流过小则熔池温度低,熔渣与熔融金属分离困难,焊缝中容易夹渣.平焊时可选用较大的焊接电流,而其他位置焊接时,焊接电流比平焊要小些,使用酸性焊条时,焊接电流比碱性焊条要大些.
在焊条电弧焊的焊接过程中,靠手工操作来掌握电弧的长度.电弧过长,会使电弧不稳定,熔深减小,飞溅增加,还会使空气中的氧和氮侵入熔池内,降低焊缝质量,所以电弧长度尽量短些.
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一般由焊工根据焊缝尺寸和焊条特点自行掌握焊接速度,不应过快或过慢,应以焊缝的外观与内在质量均达到要求为适宜.
中、厚焊件焊接时必须开坡口,进行多层焊接.由于后焊的焊层对先焊的焊层有热处理作用,多层焊有利于提高焊缝的质量.
总之,焊接工艺参数的选择,应在保证焊接质量的条件下,尽量采用较大直径焊条和较大电流进行焊接,以提高劳动生产率.
５.焊条电弧焊的安全技术　　
焊条电弧焊的安全技术如表３-４.
三、其他焊接方法
１.气焊
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气焊是利用氧气和可燃气体混合燃烧所产生的热量将焊件和焊丝局部熔化而进行焊接的工艺.可燃性气体主要有乙炔、氢气、液化石油气等,其中最常用的是乙炔.
气焊火焰易于控制,灵活性强,不需电源,能焊接多种材料;但气焊火焰温度较低,加热缓慢,热影响区较宽,焊件易变形且难于实现机械化.气焊适合焊接厚度在３mm 以下的薄钢板、低熔点有色金属及其合金和铸铁的补焊等.
(１)气焊设备及工具.主要包括可燃气体瓶、氧气瓶、减压器、胶管、焊炬、焊丝和焊剂等.
(２)气焊火焰.
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气焊质量的好坏与所用气焊火焰的性质有极大的关系.气焊使用的可燃气体通常是乙炔.根据氧气和乙炔的比例不同,得到三种不同性质的气焊火焰,如图３-４４所示.氧气和乙炔混合燃烧的火焰为氧乙炔焰.氧乙炔焰由焰心、内焰和外焰三部分组成.靠近焊咀处为焰芯,呈白亮色;其次为内焰.呈蓝紫色;最外层为外焰,呈橘红色.
①中性焰又称正常焰.氧气和乙炔气体的体积比为１~１.２时,氧气与乙炔充分燃烧,火焰燃烧后既无过量氧又无游离碳.内焰的最高温度可达３１５０ ℃.适合于焊接低中碳钢、低合金钢、紫铜、铝及其合金等.中性焰是焊接时常用的火焰.
②碳化焰.
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氧气和乙炔气体的体积比小于１~１.２时,火焰中有过剩的乙炔,分解为氢气和碳,使火焰中含有游离碳,具有较强的还原作用,也有一定渗碳作用.碳化焰的最高温度为３０００℃,焊接时易使焊缝金属增碳,会改变焊缝金属的力学性能,硬度提高,塑性降低.适合于焊接高碳钢、高速钢、铸铁及硬质合金等.
③氧化焰.氧气和乙炔气体的体积比大于１~１.２时,火焰中有过量的氧,在尖形焰芯外面形成一个有氧化性的富氧区的火焰.由于氧气充足,燃烧剧烈,因此最高温度可达３３００℃,由于整个火焰具有氧化性,影响焊缝质量,这种火焰很少采用.适合于焊接黄铜、镀锌铁皮等.
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(３)接头的运用方法.气焊时主要采用对接接头.角接接头和卷边接头只是在焊薄板时使用,搭接接头和T形接头很少采用.在对接接头中,当焊件厚度小于５mm 时,可以不开坡口,只留０.５~１.５mm 的间隙;厚度大于５mm 时必须开坡口.坡口的形式、角度、间隙及钝边等与焊条电弧焊基本相同.
(４)基本操作方法.气焊操作时,一般右手持焊炬,将拇指位于乙炔开关处,食指位于氧气开关处,以便于随时调节气体流量.用其他三指握住焊炬柄.右手拿焊丝气焊的基本操作:气焊前,先调节好氧气和乙炔气压力;点火时,先打开氧气阀门,再打开乙炔气阀门,点燃火焰后,再调节成所需火焰;灭火时,先关乙炔气阀门,再关氧气阀门,否则容易引起回火.
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气焊时,根据焊炬的运作方向,可分为向左焊法和向右焊法两种,如图３-４５所示.
①向左焊时,焊炬的火焰指向焊件未焊部分,热量散失大,焊缝易氧化,冷却较快,热量利用率较低.适于焊接厚度在５mm 以下的薄板和低熔点金属.
②向右焊时,焊炬火焰指向已焊部分,因此热量集中,焊速快,熔深大,效率高;同时火焰遮盖着整个熔池,防止了焊缝金属的氧化,并使焊缝缓慢地冷却,提高了焊缝质量.右向焊法适用于厚度在５mm 以上焊件的焊接.
２.氩弧焊　
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氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊.按所用的电极不同,氩弧焊分为熔化极氩弧焊和不熔化极(钨极)氩弧焊两种,如图３-４６所示.
由于氩气是惰性气体,既能保护熔池不被氧化,本身也不与熔化金属起化学反应,焊缝质量高、成形好;电弧在氩气流压缩中燃烧,热量集中,热影响区小,焊接变形小.
熔化极氩弧焊用连续送进的焊丝做电极,焊丝熔化后为填充金属,当焊接电流较大时,熔滴常呈很细颗粒的“喷射过渡”,生产率比钨极氩弧焊高几倍.熔化极氩弧焊为了使电弧稳定,通常采用直流反接,这对于易氧化合金的工件正好有“阴极破碎”作用,适用于焊接３~２５mm 的中厚板.
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钨极氩弧焊需加填充金属,填充金属可以是焊丝,也可以在焊接接头中附加填充金属条或采用卷边接头等.填充金属可采用母材的同种金属,有时可根据需要增加一些合金元素,在熔池中进行冶金处理,以防止气孔等.钨极氩弧焊虽焊接质量优良,但因为钨极载流能力有限,焊接电流不能太大,所以焊接速度不高,而且一般只适用于焊接厚度０.５~４mm的薄板.
氩弧焊是一种明弧焊,便于操作,适宜于各种位置的焊接,电弧稳定,飞溅小,焊后无熔渣,易实现焊接机械化和自动化.但氩弧焊所用的设备及控制系统比较复杂,维修困难,氩气价格较贵,焊接成本高.
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氩弧焊应用范围广泛,目前主要用于焊接有色金属(如铝、镁及其合金),低合金钢、耐热钢及不锈钢,稀有金属(如钼、钽、钛及其合金)等.
此外,还有埋弧焊、CO２ 气体保护焊、电阻焊、电渣焊、钎焊等多种焊接方法.
四、焊接新技术、新工艺简介
随着社会的发展,科学的进步,焊接设备不断更新,新型的焊接材料也在不断地开发并得以应用,如铁粉焊条、重力焊条、躺焊焊条等;还研制出了各种送丝方式和焊缝跟踪装置,甚至弧焊机器人等.特别是计算机技术在焊接中也得到了广泛的应用.
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从焊接的设计、焊接的计算机控制系统到焊接的生产制造都广泛地使用着计算机技术及模糊控制技术.焊接机器人在我国也已经进入了实用阶段.
另外焊接技术也正在不断地发展,进一步地完善.当前焊接工作人员正进行太阳能焊接试验的研究,开展了以焊代铸、以焊代锻、以焊代机加工等的研究,并取得了一定的成果.新技术主要有电子束焊、超声波焊、激光焊、搅拌摩擦焊接技术.
电子束焊是利用加速和聚集的电子束,撞击放在真空或非真空中的焊件所产生的热能实现焊接的一种方法,分为真空电子束焊和非真空电子束焊.
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超声波焊是利用超声波频率(超过１６kHz)的机械振动能量,连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法.
激光焊以高能量密度的激光作为热源,对金属进行熔化形成焊接接头.
搅拌摩擦焊接是用一个带有搅拌针和轴肩的特殊的搅拌头来进行焊接,将搅拌针插入焊缝,摩擦加热被焊金属,使金属的温度升高,成为塑性状态,同时搅拌金属形成一个旋转空洞,当旋转空洞随着搅拌针前移时,热塑性的金属不断地流向后方,冷却后形成致密焊缝.
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