焊接结构工艺性分析

第一讲 金属材料主要性能和晶体构造
Main Performances and Structure of Metal Materials
一、 金属材料性能
Performances of metal materials
二、 金属晶体构造
Structure of metal materials
1、晶体结构 2、金属结晶过程
（1）合金性质
1)合金种类： 灰铸铁的流动性比铸钢好， 铝硅合金和硅黄铜其它合金好。 2）化学成分：纯金属和共晶成分合金的流动性最好。 如铸铁中的碳越接近共晶点，其流动性越好。 3）结晶特征：逐层凝固的（共晶点成分合金）流动性好； 糊状凝固的流动性差。 4）其它物理特征：粘度大的流动性差。
（2）铸型：铸型导热力、蓄热能力越强，流动性越差。
埋弧焊接头：
点焊、缝焊接头：
三.焊接接头和坡口型式设计
the Design of Types of Welding Seam and Slope
1.接头型式 Types of Welding Seam （1）常用接头型式：对接、搭接、角接和丁接 （2）对接和搭接相比：
(A)对接接头:受力均匀，外观美， 保证质量，重要受力焊缝常用这种接头 如：压力容和锅炉要求下料精度高 (B)搭接接头:有附加弯矩,且外观差。 用于受力不大地方。优点不用开坡口， 省时、如空间架构联接。
焊接结构工艺性分析 1.使用要求（形状、工作条件、技术要求）。 2.焊接工艺要求（简便、质量好、成本低）。 焊接工艺包括三方面： 选择焊接材料 布置焊缝 设计接头和坡口型式
一.焊接材料选择
Principles of Choices to Mother Materials
1．选择焊接性良好材料。
保证使用要求前提下，选择焊接性良好材料。 如：锅炉和压力容器，选碳含量小于0.25%低碳钢 或普通低合金钢（16锰）。
the Comparison of Various Seam Slope
A）V和U型：单面施行焊接，焊条用量大，
且易产生角变形。
B）双V和双U型：
双面施行焊接，焊条消耗小 且受热均匀，变形小。 焊前开坡口麻烦，影响生产率， 只在重要、受动载厚板时采用。
3.接头两侧板厚要求 为保证接头两侧受热均匀，确保焊接质量， 要求接头两侧板厚或截面相同或相近 (1)单面开坡口，其长度： L≥（3-4)（σ-σ 1）； (2)双面开坡口，其长度： L≥0.5（3-4)(σ-σ1）。

4.合金工具钢：9SiCr、W18Cr4V等。
5.特殊用途合金钢：1Cr18Ni9Ti 不锈钢。

铸造工艺
一.铸造工艺图( Technological Diagram) : 在零件图上表示出以下内容： 1）浇注位置；(Position of Pouring) 2）分型面； (Parting face) 3）工艺参数： (Technological Parameters) 机加工余量、拔模斜度、 铸造圆角和铸造收缩率等； 4）型芯的设计及其他技术要求。 二. 浇注位置确定： 1. 重要面置于下型或侧立； 2. 大平面朝下，以免出现气孔和夹砂缺陷； 3. 大面积薄壁置于下型或侧立，以利充型； 4. 厚大部位置于顶面或侧面，以利补缩 5. 近可能减少砂芯数目，简化造型。
（3）浇注条件( Conditions of Pouring Process)
1）浇注温度： 太低，粘度大、流动性差； 太高，由于吸气多、氧化 严重，会降低流动性。 铸钢浇温：1520~1620℃ 铸铁浇温：1230~1450℃ 有色合金：680~780℃。 总之，薄件取高值，厚件取低值。 2）浇注压力：金属液压力越大，流动性越好。 3）浇注系统：结构越复杂，流动性越低。
第十五讲：
一、焊接结构工艺性分析
Technology about Structure of welding
二、毛坯选择
Principles of Choices to Semi-finished Products
焊接结构工艺性分析
Technology about Structure of welding
（4）铸件结构 (Structure of Casting)
铸件壁越薄、壁厚变化急剧和大面积水平面等均降低流动性。
5.改善流动性措施
（1）选用共晶点成分或窄结晶温度范围合金铸造； （2）尽可能提高金属液纯度； （3）适当提高浇注温度和压力； （4）合理设计浇注系统； （5）改善铸件结构（以后还会讲到）。
第二讲：铁碳合金 Fe-C Alloy
一.铁碳合金基本组织：Basic Structure of Fe-C Alloy
1.铁素体（Ferrite)：碳溶解在α - Fe中形成固溶体。 （0.008—0.02）% 特点：塑性、韧性好：延伸率δ =（45-50）%； 强度和硬度低。 应用：工业用纯铁,100%的铁素体（F) 2.奥氏体（Austenite）：碳溶解在γ- Fe形成固溶体。 （0.77 — 2.08）%。 特点：只在723℃以上存在，塑性好、硬度低。 应用：钢在高温下进行压力加工。
二.合金的收缩( Alloy’s Contraction)
2.盘套、饼块类零件
齿轮：选择中碳钢制造，要正火或调质处理； 一般选择锻件毛坯。 带轮、飞轮和手轮：用灰铸铁铸造。
3.机架、箱体类零件
通常采用灰铸铁、少数重型机械机身用中碳 铸钢或合金铸钢铸造。
词汇：
焊接结构工艺性: Technology about Structure of Welding 毛坯选择原则： Principles of Choices to Semi-Finished Products 焊接材料选择：Choices to Mother Materials 焊缝布置：Arrangement of Welding Seam 焊缝设计：Design of Welding Seam 坡口型式：Types of Slope 接头型式：Types of Joint 选择依据：Basis of Choices
3.渗碳体 Cementite ：Fe与C形成金属化合物。 （Fe3C）特点：硬度高，塑性差；在钢中起骨架作用。 注：条件适当渗碳体可以分解成铁+石墨。 4.珠光体（Pearlite） 莱氏体（Ledeburite）： 机械混合物。 珠光体（P）： F+Fe3C，强度和硬度高；塑性较差 莱氏体（Le）： A+Fe3C 室温下：A 转变成（P+ Fe3C）， 莱氏体转变成变态莱氏体（Le`）。
第三讲：钢热处理 Heat Treatment of Steel
普通热处理 退火Annealing 正火Normalizing 淬火Hardening(Quenching) 回火Tempering 火焰加热Flame 表面淬火 感应加热Induction 渗碳Carburization 化学热处理 渗氮Nitrogenizing 碳氮共渗 真空热处理Vacuum 可控气氛热处理 Controled Atmosphere
2.零件批量
单件、小批量铸件：手工造型， 锻件：自由锻和胎模锻， 焊件：手工或半自动焊接； 批量生产时，则采用机器造型、模锻、埋弧自动焊 或全自动气体保护焊方法。
3.生产条件 三.常用毛坯分类和制造方法 1.轴、杆类零件：属于重要受力和传动零件，均用
锻件做毛坯。采用30 #-50#碳钢、40Cr等。 有些异形截面或弯曲轴线轴，如凸轮轴和曲轴也可用 QT400-10 QT500-5 QT600-2等制造。
图2 分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个成分冷却、结晶过程
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ Ⅴ
Ⅴ
六.碳对铁碳合金组织和性能影响
1. 组织变化： 随碳增加，渗碳体（Fe3C）增多，基体由铁素体 （F）变成珠光体（P）、继而又转变成莱氏体（Le）； 形态也由片状变成网状。 2.性能变化： 小于1.0%，随碳的增加，强度和硬度提高，韧性 和塑性降低；大于1.0%时，网状渗碳体出现，硬度继续 增大，但强度下降。所以高碳钢适合于制造模具和工 具。工业用钢一般碳小于1.4%。
避免密集和交叉：
焊缝应对称：
焊缝应对称：
焊缝应对称：
焊缝远离加工面：
焊缝应避开最大应力和应力集中部位
6．焊缝位置应便于施焊： （1）保证焊到性； （2）尽量使焊缝处于平焊，保证焊接质量 和提高生产率； （3）埋弧自动焊缝位置便于保存焊剂； （4）点焊和缝焊，焊缝位置便于电极伸入。
手弧焊焊缝：
接头两侧板厚或截面相同或相近
单面、双面开坡口长度
不同板厚对接允许厚度差
毛坯选择
the Principles of Choices to Semi-finished Products
一.选择原则 the Principles of Choices 1.适用性：满足零件使用要求。 2.经济性：满足使用要求前提下，尽量选成本低毛坯。 二.选择依据 the Basis of Choices 1.零件类别、用途和工作条件 如:曲轴 要求好的综合性能，选择40、45等中 碳锻钢毛坯；床身件主要受压和弯曲，且需减震，应 选择灰铸铁。
对接和搭接相比:
(3)角接接头和丁接接头： 二者受力均比对接接头复杂 ，由于被焊 结构形状要求，不能改变。 2.坡口型式 Type of Seam Slope (1)常用坡口：I型、V型、U型和双V或双U型。 (2)选择坡口型式依据： A）保证焊透； B）提高生产率和降低成本。
(3)各种坡口型式比较：
3. 铸造圆角(FilletHale Waihona Puke Baidu：壁与壁连接应圆角过渡，以防缩孔和裂纹。 4. 铸造收缩率（线）(Contraction)： 灰铸铁收缩率（0.7~1.0）%； 铸钢收缩率（1.5~2.0）%； 有色金属收缩率（1.0~1.5）%。
五.型芯设计及其它技术要求 1. 设计内容包括：型芯数量、形状、芯头结构、
下芯顺序及型芯稳固、排气和清理等。
2. 芯头(Core Head)
—定位和支撑型芯；排除型芯内气体； 落砂时清理型腔内砂子。 其它技术要求：如铸件某部位不允许有气孔缺陷。
第六讲 合金铸造性能及铸造缺陷的产生与防止 The Properties on Alloy’ Casting Process and Some Defects Related to It
热 处 理
表面热处理 Surface
其它热处理
图4 碳素钢正火、退火加热温度范围
图5 碳素钢淬火加热温度范围
四.钢的编号


Marks of Steels
1.优质碳素结构钢：
碳含量万分数表示：25 、30 、45


2.碳素工具钢：
碳含量千分数表示： T8、T12等，

3.合金结构钢：30CrMnSi、 12CrNi3等。
2．尽量选型材：工字钢、槽钢、角钢等。
（减少焊接工艺）
3．充分利用原材料，以免浪费。
二.焊缝布置
Arrangement of Welding Seam 1．焊缝尽量分散（大于100mm）， 避免密集和交叉； 2．焊缝位置应对称，最好同时施焊， 以免产生焊接变形； 3．焊缝应避开最大应力和应力集中部位， 以免应力叠加，造成破坏。 4．避开已经加工好表面。 5．尽量减少焊缝长度和截面， 以减少变形和残余应力。
材料铸造性能: 金属材料接受铸造、获得优质铸件的难易程度， 包括流动性和收缩
一.流动性(Fluidity)
1.概念：金属液体充满铸型、获得形状正确、轮廓清晰铸件的能力。 2.质量影响： 流动性不好，易产生浇不足和冷隔、气孔、和夹渣、缩孔和热裂。 3.衡量：螺旋形试样长度
4.影响因素 Factors Affecting the Alloy’s Fluidity)
三.确定分型面原则：(Parting Face)
1. 重要加工和基准面位于同一个砂箱，以保尺寸精度； 2. 减少分型面和活块数目，简化造型； 3. 减少砂芯数目； 4. 采用平直分型面。
四.工艺参数的确定：(Technological Parameters)
1. 机加工余量— 根据铸件结构、大小、材质和在铸型中位置及造型 方法的不同而定，或查表或靠经验。 2. 拔模斜度— 根据铸件垂直壁高矮、位置以及造型方法来定。 一般为（0.5~4）°，内壁、短壁取大值。