材料成形技术基础第4章 连接成形

2）工艺上：小电流、快速焊，以减小单位长度上的 热量输入 3）焊后正火
4.1.2 焊接应力与变形 1、焊接应力与变形产生的原因 焊接时，多采用集中热源进行局部加热
不均匀加热 不均匀冷却
受阻膨胀 受阻收缩
内应力
焊后残留在焊件内的应力称为焊接残余应力 2、焊接残余应力的调节 (1)焊接残余应力的分布 中间散
CE＜0.4%
焊接性良好 CE＝0.4～0.6 % 焊接性较差 CE＞0.6% 焊接性很差
2）冷裂纹敏感系数公式： Pw ={w(c)+w(Si)/30+[w(Mn)+w(Cu)+w(Cr)]/20+
能量密度和温度高， 穿透能力强，焊接速度 快，生产率高
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焊接速度快，热输入 小，焊缝深宽比大，热影 响区窄，焊件变形小
3、激光焊 特别适合于精密结构件 及热敏感件的焊接
4、扩散焊 可焊各类材料及很厚 和很薄的材料
焊接速度高，热输入小，焊 缝窄，热影响区及焊接变形小， 焊缝平整光滑
不需填充材料和焊剂；无铸 态组织，不影响性能；且可同 时焊接多个接头
热慢 产生拉 应力
焊接残余应力的分布：
先冷处受压 后冷处受拉
（2）调节焊接残余应力的措施
设 计 措 施
减少焊缝的数量和尺寸并避免焊缝密集和交叉
采用刚性较小的接头
合理的焊接顺序：
工 艺 措 施
先内后外、先短后长、交叉处不起头收尾 降低焊接接头的刚性，使之能通过变形减小应力
加热减应区 锤击焊缝 焊前预热、焊 后正火
4.2.2 压焊（常用的压焊方法有电阻焊和摩擦焊等）
1．电阻焊
利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的 电阻热进行焊接的方法
对焊
对焊是使利用电阻热使两个被焊工件的整个接触面焊接起来 的 方法。分为电阻对焊和闪光对焊。
（1）电阻对焊
（2）闪光对焊
操作简单、接头外形匀称。常用 于截面形状简单，强度要求不高 的工件
合理选用焊接方法和焊接规范 选用能量较集中的焊接方法 焊接时采用较小的热输入(小电流、多层焊） 选用合理的焊接顺序 尽量对称焊、厚板多层焊、长缝逆向分段焊
(3) 焊接残余变形的矫正：
1）机械矫正法： 利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使二者 相互抵消
生产效率高、矫正 质量好，适用于塑 性材料
电子束焊
2.23.5 0.81.2 1820 1.52.0 2.13.2
1.52.5 0.51.7 5.07.0 2.03.0 1.52.0
2.23.0 0.71.0 2.03.0 1.53.0 1.52.0
6.08.5 2.34.0 2530 5.08.0 5.06.2 0.050.75
改善焊接热影响区组织和性能的方法 焊接热影响区是必然存在的，针对该区域尤其是其 中的熔合区、过热区可能出现的质量问题，可以： 1）采取热量集中的焊接方法，减小热影响区的宽度， 减小影响，提高性能。先进的焊接方法均如此。
焊接方法 焊条电弧焊 埋弧自动焊 电渣焊 CO2气体保护焊 手工钨极氩弧焊 过热区 相变重结晶区 不完全重结晶区 总宽
2）火焰加热矫正法： 利用火焰局部加热焊件的适当部位使其产生收缩塑性变形， 以抵消焊接残余变形
操作灵便，但需较丰富的实际经验
解决焊接变形问题的措施：
1、减小应力以减小变形； 2、利用变形 3、限制变形； 4、变形矫正
4.2 焊接方法 4.2.1 熔焊 1、电弧焊 （焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊）
焊接基础
4.1.1 熔焊冶金过程及其特点 1.熔焊液相冶金
Lab el1
熔焊过程中，焊接接头金属发生的一系列物理、化学反应， 称为熔焊冶金过程，包括液相冶金、熔池结晶、焊缝 和热影响区的组织变化等。
焊接时，电弧热使工件和焊条芯熔化；药皮熔化和分解。 熔化的药皮在熔池内形成熔渣并浮起，分解的药皮产生大 量保护气体环绕在电弧和熔池周围，起保护作用。
焊 接 热 影 响 区
过热区：具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。加热 温度在固相线与1100℃之间，奥氏体晶粒显著长大，力 学性能明显下降，是力学性能最差的部位，也常是焊接 裂纹的发源地。（过热组织 + 粗大晶粒、最差）
相变重结晶区：具有正火组织的区域。加热温度稍高 于Ac3 线，经重结晶获得细小、均匀的晶粒，相当于正 火处理， 故又称正火区。该区力学性能明显改善，是 焊接接头中性能最好的区域 （正火细晶、最好） 不完全重结晶区：部分组织发生相变重结晶的区域。 加热温度在Ac1线与Ac3 线之间,部分组织成为均匀、细 小的晶粒，其余为较粗大的晶粒。晶粒和组织都不均 匀，力学性能较差 （组织、性能都不均匀、较差）
利用电弧作为热源的熔焊方法 热量集中、温度高、设备较简单、使用方便，是目前应用 最广泛的焊接方法 (1)埋弧焊：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。可采用大 电流，一次的焊接厚度大
适用于中、厚板的长、直焊缝
(2) 气体保护电弧焊：用外加气体作电弧介质并保护 电弧和焊接区的电弧焊方法
（常用的保护气体有CO2、Ar、Ar+O2、Ar+CO2等）
由于焊接过程中 的热扩散，已焊合 的接头按组织和性 能的变化不同，可 分为焊缝金属区、 熔合区和热影响区 等区域
焊接接头 = (焊缝+ 熔合区+热影响区)
(1) 焊缝金属区：由焊缝表面和熔合线所包围的区 域 ，针对其冶金特点采取的各种措施，可使其力学性 能比母材金属只高不低。 （温度在熔点以上的区域、铸态组织） (2) 熔合区：是焊缝与母材交接的过渡区，加热温 度在固、液相线之间，由铸态组织和过热组织构成， 化学成分和组织都极不均匀，力学性能很差，是焊接 接头中最薄弱的部位之一，常是焊接裂纹的发源地。 （温度在熔点和结晶温度之间的区域、 铸态组织+过热组织） (3) 热影响区：材料因受热的影响（但未熔化） 而发生金相组织和力学性能变化的区域。 （温度在结晶温度以下的区域）
接头的强度和塑性均较好，焊前对 焊接端面的清理要求不高。常用于 主要工件及钢筋、车圈、管道等。
2．摩擦焊
利用焊件表面相互摩擦所产生的热量，使 端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一 种压焊方法。
接头质量好，焊件精度高；劳动条件好，生产效率 高并可焊接异种材料
4.2.3
钎焊
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 1．焊接材料
焊缝金属晶粒较粗，组织不致密，且易引起化学 成分偏析，有些焊缝金属在凝固末期还可能产生热 裂纹。
解决办法：
1）焊缝中增添少量Ti、V、Mo等元素，可形成弥 散的结晶核心，使焊缝晶粒细化，力学性能提高。
2）采用机械振动、超声振动、电磁搅拌等工艺 措施均可细化焊缝晶粒。
3．焊接接头的组织转变
影 响 因 素
惰性气体保护，焊接性好
焊件结构类型：结构简单、刚性小,焊接性好 服役要求： 服役要求不高,焊接性好
2．焊接性的评价
(1) 用碳当量评价钢的焊接性：
1）国际焊接学会（IIW）推荐的公式： CE={w(c)+w(Mn)/6+[w(Cr)+w(Mo)+w(V)]/5+
[w(Ni)+w(Cu)]/15}×100%
第4章
连接成形
连接成形是将若干个构件连接为一体的成形方法 分为焊接、胶接和机械连接等三大类。 焊接： 通过加热或加压，或两者并用，并且用或不 用填充材料，使工件达到结合的一种方法
焊接基本特点： 优点：省工省料、效率高、连接牢固，适于焊接材料广泛。 可以制造成双金属构件。 缺点：可能产生气孔、裂纹、焊件上存在焊接应力和焊接变形 胶接：用胶粘剂将被粘物表面连接在一起的方法。胶接工艺简 便、生产效率高、成本低，在工业生产中应用愈来愈广泛 缺点：接头清理要求高、连接处强度较低 机械连接： 通过构件间产生的机械作用力实现连接的方法。 机械连接质量可靠；便于拆、装；易于检修；在 工业中应用广泛
适宜于焊接淬硬倾向大的合金钢、厚大截面的结构，通常， 焊后应立即进行正火处理。
3．堆焊
为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具 有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接
堆焊几乎可采用任何一种熔焊方法进行
堆焊可提高零件的使用寿命，可获得耐磨、耐 蚀、耐热等特殊性能 堆焊是一种重要的表面工程技术，广泛用于 各种机械零件和工具、模具的制造和修复
(1) 钎 料：即钎焊时用作填充金属的材料 (2) 钎焊焊剂：即钎焊时使用的熔剂
2．接头型式： 多采用搭接 3．加热方式： 烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加
热、浸渍加热和炉中加热 接头光滑平整，工件尺寸精确；可焊接性能差异很大的异种金 属；生产率很高；设备简单，投资费用少。但接头强度较低，尤其 是动载强度低，允许的工作温度不高，焊前清整要求严格．
钎焊适用于精密、微型、形状复杂或多钎缝的焊 件及异种材料间的焊接，广泛用于焊接换热器、夹层 结构、电真空器件和硬质合金刀具
4.2.4 其它焊接方法
1、等离子弧焊
借助水冷喷嘴对电弧的拘束 作用，获得较高能量密度的 等离子电弧进行焊接的方法
2、电子束焊
利用加速和聚焦的电子束轰 击焊接件所产生的热能进行 焊接的方法
气体 固态渣壳
焊条芯 药皮
焊缝
熔池
金属熔滴
（1）熔焊液相冶金的特点
反应温度高、比表面积大、反应时间短
氧化反应迅速、激烈（原子活泼） 温度高 元素烧损大 气体侵入熔池，形成夹杂 比表面积大 参与反应面积大 成分不均匀 反应时间短 气体杂质来不及浮起 淬硬倾向大 由熔焊冶金特点知： 对焊缝影响较大的是气体的侵入和成份的变化。 所以焊缝对外表现出的力学性能特点为：
1）熔化极气体保护焊：
熔深大、焊接速度快、生产效 率高；明弧可见，易于操作
2）钨极惰性气体保护焊：
电弧燃烧稳定，焊缝金属含氢 量极低，明弧可见，易于操作
生产率高、易操作、质 量好、工艺适应性强
常用于不锈钢、耐热钢 及非铁合金的焊接
2．电渣焊
利用电流通过液体熔渣产生的电阻热进行 焊接的方法
熔敷速度高；加热和冷却速度慢，不易产生气孔、夹渣等缺 陷，且脱硫、脱磷较充分，焊缝质量较高。 但晶粒较粗大，热影响区较宽
激光焊接
4.3. 常用金属材料的焊接 4.3.1 材料的焊接性
材料的焊接性是材料在限定的施工条件下焊接成按规定设 计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 材料的焊接性取决于材料的化学成分、焊接方法及焊接 材料、焊件结构类型及服役要求
1、材料焊接性的影响因素
材料的化学成分：硬、脆可能小，焊接性好 焊接方法：能量集中、保护好,焊接性好 焊接材料：包括焊条、焊丝、焊剂和气体等 碱性焊条或碱性焊剂，焊接性好；
减应区
从调节应力的措施看：减小温度的不均匀是 很重要的；另外，让可能变形的部位尽可能变 形也是一个有效途径。
3．焊接残余应力的消除方法
去应力退火：整体或局部 加热温度500～650℃ 机械拉伸法 温差拉伸法 振动法
4、焊接残余变形的控制和矫正 （1）焊接残余变形的类型：常见的五种 由于焊接件的结构一般表现出塑性好、细、薄、易变形 的特点，所以由焊接应力引起焊接变形是必然的。
较理想的情况 收缩变形
厚度方向加热不均匀 角变形
高度方向加热不均匀 弯曲变形
横截面上加热不均匀 扭曲变形
常见多为综合型的变形
多见于薄板件 失稳变形
（2） 控制焊接残余变形的措施：
设 计 措 施 尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截 面形状
合理安排焊缝位置
反变形法：
刚性固定法：
工 艺 措 施
常用的焊接方法分类
气焊 电弧焊 手工电弧焊 气体保护焊 埋弧焊 氩弧焊 CO2气体保护焊
熔化焊
电渣焊 电子束焊 激光焊
熔化焊：（液/液）+ 液
点焊 缝焊 对焊
焊 接 方 法
电阻焊 压力焊 摩擦焊 扩散焊 高频焊 烙铁钎焊 火焰钎焊 炉中钎焊
压力焊：（固/固）+ 压力
钎 焊
钎 焊：（固/固）+ 液
4.1
δ
ak
即：焊缝的硬度高、脆性大
(2) 保证焊缝质量的措施
1）防止有害气体侵入熔池： 用气体及熔渣隔离空气或两者联用； 焊前清理焊件及焊丝、烘干焊条或焊剂 2) 冶金处理： 添加有益元素；进行脱氧、脱硫、脱磷；渗入其它合金 元素 2．熔池结晶 熔池金属凝固时，以熔合线上局部熔化的母材晶粒为核心， 形成与母材金属长合在一起的“联生结晶”，并沿着散热的反方 向长大形成柱状晶