1、 / 58 材料成型工艺材料成型工艺- -焊接全册配套焊接全册配套 最完整精品课件最完整精品课件3 3 HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE 15MnVN;18MnMoNb (2) 预热预热 a.与材料的淬硬现象有关；与材料的淬硬现象有关； b.与焊接时的冷速有关；与焊接时的冷速有关； c.与拘束度有关；与拘束度有关； d.与焊后是否热处理有关与焊后是否热处理有关 13第12章 金属连接成形的主要工艺 （3）焊接后热及焊后热处理）焊接后热及焊后热处理 a.焊接后热及消氢处理焊接后热及消氢处理 b.焊后热处理焊后热处理 c.消除应力处理消除应力处理 14第12章 金属连接
2、成形的主要工艺 / 58 l 低碳调质钢焊接性主要问题是冷裂 纹、热影响区组织脆化及软化。 1.3 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接 15第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 1.3.1 低碳调质钢的焊接性分析 1）焊缝中的热裂纹）焊缝中的热裂纹 l 含含C量低，量低，S、P杂质控制很严。杂质控制很严。 2）HAZ液化裂纹液化裂纹 l 关键是控制关键是控制C和和S，保证高的，保证高的Mn/S比，在高比，在高Ni 时，更应如此。时，更应如此。 TFeS=1190 C T( FeS-r)共晶 共晶=913 C TFe3P=1160 C T( Fe3P-r)共晶 共晶=1050 C T( Ni
3、3S2)=644 C T(Ni3S2 -Ni)共晶 共晶=880 C T( Ni3Si)=1150 C l 工艺因素对液化裂纹也有重要作用，如线能量。工艺因素对液化裂纹也有重要作用，如线能量。 16第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 3）冷裂纹 Ms点很高，若冷速较慢，则有自 回火作用，可以避免冷裂(下图为T-1钢)。 17第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 HT80 18第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 4）再热裂纹 u 为加强淬透性和抗回火性加入一些合金元素 中，大多是能引起再热裂纹的元素，如：Cr、 Mo、Cu、V、Nb、Ti、B、V的影响最大，Mo 次之，V和
4、Mo同时加入时就更为严重。 u 一般认为：Cr-Mo-V钢，Cr-Ni-Mo钢，Cr- Ni-Mo-V钢，Ni-Mo-V钢对再热裂纹敏感。 u 如：HT80，14MnMoNbB等。 650 C 的焊后回火要注意。 19第12章 金属连接成形的主要工艺 20第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 5）HAZ的性能变化 A. 过热区脆化 与t 8/5以及获得的组织有关和晶粒尺寸有关。 21第12章 金属连接成形的主要工艺 / 5822第12章 金属连接成形的主要工艺 / 5823第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 B. HAZ的软化 l 是焊接低碳调质钢的普遍问题，强度越高，软化越严
5、重，软化程度和软化区的宽度与焊接工艺有关。 24第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 1.3.2 低碳调质钢的焊接工艺特点 1.焊接工艺方法和焊接材料的选择 焊后不再进行热处理时，必须尽量限制焊接过程中 热量对母材的作用。 s 980N/mm2,必须采用钨极氩弧焊、电子束焊； s 980N/mm2，手工焊，埋弧焊，氩弧焊等都可采用， 焊接材料按等强原则选用，刚性很大时，可采用低强原 则。 25第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 2.焊接工艺参数的选择 26第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 1.4 中碳调质钢的焊接 l在退火状态下进行焊接，焊接接头的性能靠焊后调质处 理来
6、保证。 l焊接过程主要防止裂纹，焊后要及时进行消除应力的退 火处理，焊前也需要预热和保温处理。 l焊接材料的选择要保证调质热处理的强度要求。 27第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 2. 不锈钢的焊接 铁素体不锈钢的焊接问题: l焊缝和HAZ的晶粒长大, 脆性和韧性 l接头脆性 l晶间腐蚀 焊接要点 l予热 l低热输入,以及 l后热 28第12章 金属连接成形的主要工艺 CNTiCuCr 0.0080.010.30.4321 29第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 马氏体不锈钢的焊接问题 : l焊接性差 l冷裂纹 lHAZ的软化 焊接要点 lTIG or MIG 焊 l预热 l
7、后热 30第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 奥氏体不锈钢的焊接问题: l焊接性好 l晶间腐蚀 l应力腐蚀开裂 l焊接要点 l不预热 l避免过热和后热 31第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 3. 铝及铝合金的焊接 焊接问题: l氧化 l氢气孔 l焊缝热裂纹 l低的接头强度 l低的耐蚀性 l烧穿问题 32第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 l焊接要点 l 铝及铝合金的独特性质,焊接工艺参数和设备与焊接合金 钢不同; l 与钢相比,铝及铝合金的导热及导电性能更好; l焊接与钢相同的厚度时,要求更高的电压和电流; 33第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 l铝的热胀和
8、冷缩是是钢的2倍; l 焊接变形比焊接钢要大; l铝比钢软,因此夹具要有差别. lFor GMA (MIG) welding thick structural parts, such as 6 mm ( in.) or thicker, a 208A or 220A machine is recommended 34第12章 金属连接成形的主要工艺 HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE ; l 尽量减小焊缝数量；尽量减小焊缝数量； l 避开高精度加工表面；避开高精度加工表面； l 避开应力集中部位；避开应力集中部位； l 避免截面突变；避免截面突变； l 避免多条焊缝相
9、交和锐角连接；避免多条焊缝相交和锐角连接； l 避免加盖板；避免加盖板； l 承受动载的重要接头，应采用对接接头；承受动载的重要接头，应采用对接接头； 43第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lBead position(operation condition) 44第12章 金属连接成形的主要工艺 45第12章 金属连接成形的主要工艺 46第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 Bead position(avoid stress concentrate) 47第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 Bead position (symmetry) 48第12章 金属连接成形
10、的主要工艺 / 58 Bead position(disperse) 49第12章 金属连接成形的主要工艺 50第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for EBW 51第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for pulsed laser welding 52第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for DP laser welding 53第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for resistance spot weld
11、ing 54第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for resistance butt welding 55第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for brazing 56第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 lWeld bead design for adhesive bonding 57第12章 金属连接成形的主要工艺 / 58 剧终 第12章 金属连接成形的主要工艺58 材料科学与工程学院 华中科技大学 59 授课教师：刘顺洪、刘德健 60 61 内容提要 本节主要讲述如下内容： l焊接电弧的定
12、义 l电弧的导电机理 l焊接电弧的构成及导电特性 l焊接电弧的产热机理 62 Metal joining principle: lBolt binding and riveting are mechanical joining lWelding is the most effective method of materials Joining. The joining principle is : lTwo parts to be joined have their surfaces matched lwithin atomic precision ( 0.30.5 Nanometer ).
13、l Adhesive Bonding: The effected forces among molecules through chemical reaction and physical effect. 63 lWelding is one of the most widely applied joining process in the modern (advanced) manufacturing industry. lBe used in automobile and car making, ship and barge building,aerocraft (aero and spa
14、ce) fabrication (such as space shuttle ), railroad car fabrication, petrochemical industry (such as pipe manufacturing), and bridge ,buildings and other large structures, electric 122) 11.3(24.4;48;65.4) 14.5(29.5;47;73;97) 13.5(25;55;77) 17.4(35;63;87;114) 5.1(47;50;72) 13(22.5;40;47;68) 15.7(28;41
15、) 4.3(32;47) 6.1(12;51;67) 7.6(18) 7.7(20;30) 7.4 3.9(33;35;51;58) 7.8(16;30) W H2 C2 N2 O2 Cl2 CO NO OH H2O CO2 NO2 Al Mg Ti Cu 8.0 15.4 12 15.5 12.2 13 14.1 9.5 13.8 12.6 13.7 11 5.96 7.61 6.81 7.68 括号内数值依次为二次,三次,电离电压 常见气体粒子的电离电压 l当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但 可能使其内部的电子从原来的能级跃
16、迁到较高的能级，这可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这 种现象称为种现象称为激励激励。 l使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫做激励能，单位使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫做激励能，单位 为为V V，则称为激励电压。，则称为激励电压。 常见气体粒子的激励电压 76 元素激励电压/V元素激励电压/V元素激励电压/V H He Ne Ar N O 10.2 19.3 16.6 11.6 2.4 2.0 K Fe Cu H2 N2 O2 1.6 4.43 1.4 7.0 6.3 7.9 CO CO2 H2O Cs Ca 6.2 3.0 7.6 1.4 1.9 77 78 79 Fe
17、电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V (2) 80 1）热电离 l气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为 热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动 形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。 l热电离的热电离的电离度电离度与温度、气体压力及气体的与温度、气体压力及气体的 电离电压有关。电离电压有关。 81 kT eUi TP x x 5 . 27 2 2 1016. 3 1 82 电离度与材料、温度之间的关系 83 电离度带电粒子数 电弧稳定性 2) 场致电离 在两电极间的电场作
18、用下，气体中的带电粒子将加速，电 能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一 定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生 电离，这种电离称为场致电离。 弧柱的温度一般在5000-50000K之间，而电场强度仅为10v cm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途 径，电场作用下的电离则是次要的。 在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达105 107v/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。 84 3) 光电离 l中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电 离过程称为离过程称为光电离光电离。 l 焊接电弧的光辐射只可能对焊接
19、电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、 Al等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电 弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。 因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一 种次要途径种次要途径。 85 。 l从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电 弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这 样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的 “原电子之源原电子之源”。 l因此，阴极电子发射在电弧
20、导电过程中起着因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着 特别重要的作用。特别重要的作用。 86 (二) 阴极电子发射 (1)电子发射与逸出功 l阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时， 从阴极表面逸出的过程称为电子发射。 l电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低 外加能量称为逸出功(Aw)，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通 常用逸出电压(Uw)来表示，UwAwe，单位为V。 l逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。 几种金属材料的逸出功 87 金属种类WFeAlCuKCaMg Aw/eW 纯金属4.544.484.254.362.022.123.73 表面有
21、氧化物-3.923.93.850.461.83.31 (2)阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个 区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域， 即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴 极的类型有关。 l由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化 物处容易发射电子。 88 l氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有 清除氧化物的作用。 l阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集 中发射电子的所在。于是，斑点游动力图寻找在一定 条件下最容易发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气 体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的 氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将
22、该 处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将 氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为 “阴极清理”作用或“阴极破碎”作用。 89 (3)电子发射的类型 根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下 四种类型： 1)1)热发射。热发射。阴极表面因受热的作用而使其内部的自阴极表面因受热的作用而使其内部的自 由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子 动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称 为热发射。为热发射。 热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点 的钨或
23、碳作阴极时的钨或碳作阴极时( (其沸点分别为其沸点分别为5950K5950K和和4200K)4200K)， 电极可被加热到很高的温度电极可被加热到很高的温度( (一般可达一般可达3500K3500K以以 上上) )此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。 90 2)2)场致发射。场致发射。当阴极表面中间存在一定强度的正电场当阴极表面中间存在一定强度的正电场 时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力 达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子 发射现象称为场致发射
24、。发射现象称为场致发射。 当采用钢、钢、铝等低沸点材料作阴极当采用钢、钢、铝等低沸点材料作阴极( () )时时 ( (其沸点分别为其沸点分别为3013K3013K、2868K2868K和和2770K)2770K)，阴极加热，阴极加热 温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱， 此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。 实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只 不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为 辅
25、而已。辅而已。 91 3)3)光发射。光发射。当阴极表向受到光辐射作用时，当阴极表向受到光辐射作用时， 阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的 现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中 居次要地位。居次要地位。 92 4)4)粒子碰撞发射。粒子碰撞发射。电弧中电弧中 高速运动的粒子（主要高速运动的粒子（主要 是正离子）碰撞阴极时是正离子）碰撞阴极时 把能量传递给阴极表面把能量传递给阴极表面 的电子，使电子能量增的电子，使电子能量增 加而逸出阴极表面的现加而逸出阴极表面的现 象称为粒子碰撞发射。象称为粒子碰撞发射。 93
26、l电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时， 伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定 燃烧时，二者是处于动平衡状态的。带电燃烧时，二者是处于动平衡状态的。带电 粒子在电弧空间的消失主要有粒子在电弧空间的消失主要有扩散、复合扩散、复合 两种形式和电子结合成负离子两种形式和电子结合成负离子等过程等过程。 94 95 3. 焊接电弧的构成及其特性 (1) 焊接电弧的构成焊接电弧的构成 96 阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸 皆很小，约为皆很小，约为10-210-6cm，故可近似认，故可近似认 为弧
27、柱长度即为电弧长度。电弧的这种为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种 不均匀的电场强度分布，说明电弧各区不均匀的电场强度分布，说明电弧各区 域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线 性的性的。 (2) (2) 焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性 1) ) 弧柱区的导电特性弧柱区的导电特性 97 l电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于 其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以 具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用 下运动，就形成了弧柱中的电流。下运
28、动，就形成了弧柱中的电流。 l弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向 阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在 同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量 正离子的速正离子的速 度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。 98 99 第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高， E值将减少。值将减少。 l电场强度电场强度 E与电流与电流 I 的
29、乘积的乘积 EI，相当于电源供，相当于电源供 给每单位弧长的电功率，它与弧柱的给每单位弧长的电功率，它与弧柱的热损失相热损失相 平衡平衡。 100 101 l由此可见：电场强度 E 的大小与电弧的气体介 质有关； E 的大小将随弧柱的热损失情况而自 行调整。 l弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小 的特性。 l当电流和电弧周围条件当电流和电弧周围条件( (如气体介质种类、温度、如气体介质种类、温度、 压力等压力等) )一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个 确定的导电截面使电弧的能量消耗最小。当电确定的导电截面使电弧的能量消耗最小。当电 弧长度也为定值时
30、，电场强度的大小即代表了电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电 弧产热量的大小。因此，能量消耗最小时的电场弧产热量的大小。因此，能量消耗最小时的电场 强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就 是是最小电压原理最小电压原理。 102 2) 2) 阴极区的导电特性阴极区的导电特性 l阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电 弧中，它有两方面的作用：弧中，它有两方面的作用： l由于电极材料种类及工作条件由于电极材料种类及工作条件( (电流大小、电流大小、 气体介质等因素气体介质等因素) )不同，阴极区的导电形式不同
31、，阴极区的导电形式 和特性也不同。和特性也不同。 103 1 1热发射型热发射型 l热阴极热阴极, ,大电流时大电流时 , ,阴极区可加热到很高的温阴极区可加热到很高的温 度。度。 阴极主要靠热发射提供电子流来满足阴极主要靠热发射提供电子流来满足 弧柱导电的需要。弧柱导电的需要。 阴极斑点在电极表面十阴极斑点在电极表面十 分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴 极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流 密度与弧柱区也相近。密度与弧柱区也相近。 l阴极区电压降很小。阴极区电压降很小。 104 n大电流钨极电弧焊时，这种热发
32、射型导电大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电 占主导地位占主导地位。 105 2 2电场发射型电场发射型 106 107 3) 3) 阳极区的导电特性阳极区的导电特性 l阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电 弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时 间弧柱区提供所需要的正离子流。间弧柱区提供所需要的正离子流。 108 1阳极斑点 在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点；弧 柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，再经电源返回阴 极。 阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与电极材料 及电流大小有关。由于金属
33、蒸气的电离电压比周围气体介质 的低，因而电离易在金属族气处发生。成为阳极导电区。 在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳极有氧化物 存在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金属氧化物的熔点和 沸点，所以纯金属处比金属氧化物处更容易产生蒸发。阳极 斑点使会自动寻找纯金属而避开氧化物，因而在阳极表面跳 跃移动. 109 2阳极区导电形式 l阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的 电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种： (a)阳极区的场致电离 l 当电弧电流较小时，阳极前面的电子数必将大于正离子 数形成负的空间电场，并使阳极与弧柱之间形成一个负电 性区阳极区。只要弧柱的正离子
34、得不到补充这个负电 场就继续增大。阳极区内的带电粒子被这个电场加速，使其 在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生 成的正离子能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继 续增大。电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。 这种导电方式中阳极区压降较大。 110 第10章: 金属连接成形的主要工艺 (b)阳极区的热电离 l 当电弧电流较大时，阳极的过热程度加剧，金属 产生蒸发，阳极区温度也大大提高。阳极区内的 电离方式将由金属蒸气的热电离取代高能量电子 的碰撞产生的场致电离，完成阳极区向弧柱提供 正离子流的作用。这种情况下阳极区的压降较低。 大电流钨极氩弧焊时属于这种阳极区导电机
35、构。 111 112 HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE 防止缺陷 用于黑色金属焊接 2) Ar+He 用于活性金属, 如: Al, Ti,Mg及其合金 3) Ar+CO2(15%)+O2(5%) 提高生产率且改善焊缝外型 第10章 金属连接成形的主要工艺120 GMAW设备 1)电源 2)送丝系统 3)焊枪 4)程序控制系统 5)程序周期 (Fig.4-7) 第10章 金属连接成形的主要工艺121/44 / 58 (2) MIG焊 熔化极惰性气体保护电弧焊 性能: 电弧很稳定; 金属过渡方向性强; 基本无飞溅; (a)射流过渡 (streaming)MIG 焊 Co
36、ndition: Ar or Argon-rich; l IIC1; higher Ua with DCRP. 第10章 金属连接成形的主要工艺122 123 过程过程: Current VS drop transfer 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 I 第10章 金属连接成形的主要工艺 / 58第10章 金属连接成形的主要工艺124 (b)亚射流过渡亚射流过渡 (Meso-spray)MIG 焊焊 形成条件形成条件: Al, Mg及其合金及其合金 等速送丝等速送丝MIG 焊焊 有固有自调节特性，焊接有固有自调节特性，焊接 过程稳定，熔深一致。过程稳定，熔深一致。 电弧型式：电弧型
37、式： 蝶形蝶形 / 58第10章 金属连接成形的主要工艺125 / 58 (3) CO2 气体保护焊 特点和应用 : 1) 基本特点 i) 电弧型式: E ,lc ,弧根面积 (Fm/Fs)飞溅较 大；（吸热反应，对电弧有热压缩作用 ） ii) 保护效果好； 气体体积 iii)电流密度高(j) , m 熔深 ,生产率 ； iv) 焊缝质量好 (低 H2 焊缝)，成本低，明弧； v) 全位置焊接. 第10章 金属连接成形的主要工艺126 / 58 2) 应用 i) 材料: 低碳钢 ,低合金高强钢等黑色金属, 不锈钢有 增碳现象； ii)方法: 自动与半自动 堆焊 点焊 窄间隙焊接 第10章 金属
38、连接成形的主要工艺127 / 58128 l iii) 冶金过程 1)合金元素的氧化 CO2 CO+O2 O2 2O CO2+Fe FeO+CO 2CO2+Si SiO2+2CO CO2+Mn MnO+CO Fe+O FeO Si+2O SiO2 Mn+O MnO C+O CO 第10章 金属连接成形的主要工艺 / 58129 l2)脱氧和合金化 l2FeO+Si 2Fe+SiO2 lFeO+Mn Fe+MnO lH2+CO2 CO+H2O lH+CO2 CO+OH lH+O OH 第10章 金属连接成形的主要工艺 / 58 (1) 短路过渡(Short-circuiting transfer
39、 process) 过渡过程: dw ( 1.6mm:0.8,1.0,1. 2mm) Ia(80160A) Ua(short arc,18 24V) 第10章 金属连接成形的主要工艺130 131 i) 频率特征频率特征(f)(f) Ld=Vf/f, If VfC, fLd Vd arc stable Voltage Vs. f Voltage Vs. f 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 影响短路过渡频率的因素：影响短路过渡频率的因素： 第10章 金属连接成形的主要工艺 / 58 )动态特征 第10章 金属连接成形的主要工艺132 / 58 焊接参数选择 1) dw Ia UaL 2
40、) DCRPspatterpenetration and arc stable 3) di/dt=(U0-iR)/L(matches dw ) 4) 12.5+0.04IU0,I=0) 克服刚性，稳定接触电阻克服刚性，稳定接触电阻 2).焊接焊接 (F=Fw,I=Iw) 形成熔核，塑性环，压力形成熔核，塑性环，压力 3).保压保压 (F0,I=0) 克服应力，防止缩孔，裂纹克服应力，防止缩孔，裂纹 4).停止停止(返回返回) (F=0,I=0) 第10章 金属连接成形的主要工艺 162 / 58 电阻点焊工艺参数: 第10章 金属连接成形的主要工艺 163 1) 电流 Iw BC: stabl
41、e area (Fig . 10-35) 2) 焊接时间 tw 3) 电极压力 (p.229) 4) 电极端面尺寸 / 58 第10章 金属连接成形的主要工艺 164 l硬规范大电流和短时间大电流和短时间 l软规范小电流和长时间。小电流和长时间。 l选用硬规范还是软规范，取决选用硬规范还是软规范，取决 于金属的性能、厚度和所用焊于金属的性能、厚度和所用焊 机的功率。对于不同性能和厚机的功率。对于不同性能和厚 度的金属所需的电流和时间，度的金属所需的电流和时间， 都有一个上下限，使用时以此都有一个上下限，使用时以此 为准。为准。 165 第10章 金属连接成形的主要工艺 / 58 5 闪光焊 l
42、由电阻对焊发展而来,两者使用的设备相似. 第10章 金属连接成形的主要工艺 166 / 58 6 闪光焊工艺过程分析 u在闪光期间以飞溅的形式祛除表面的污染 物. u用顶锻挤出受污染的熔化金属使连接的两 金属界面形成共同的晶粒. 预热 断面温度均匀地加热到1073-1173C 闪光 T,过梁爆破，夹杂随液态金属抛出，闪光末 期断面形成一层液态金属保护层 顶锻 将断面间隙封闭，防止氧化，把液态金属挤 出后，对高温金属挤压，界面消失，形成共同晶粒。 第10章 金属连接成形的主要工艺 167 / 58 l闪光焊工艺过程: 第10章 金属连接成形的主要工艺 168 1.Flushing 2. Forg
43、ing 3. Hold up 1. Pre-heating 2. Flushing 3. Forging 169 工艺参数工艺参数 (parameters) 1.伸出长度伸出长度 调节加热温度的分布调节加热温度的分布 2.预热参数预热参数 电流电流,时间时间,次数次数,短接时间短接时间 3.闪光参数闪光参数 留量留量, 速度速度, 模式模式, U20 4.顶锻参数顶锻参数 留量留量, 力力, 速度速度, 第10章 金属连接成形的主要工艺 / 58 第10章 金属连接成形的主要工艺 170 工艺参数工艺参数 (parameters) 1.伸出长度伸出长度 调节加热温度的分布调节加热温度的分布 2
44、.预热参数预热参数 电流电流,时间时间,次数次数,短接时间短接时间 3.闪光参数闪光参数 留量留量, 速度速度, 模式模式, U20 4.顶锻参数顶锻参数 留量留量, 力力, 速度速度, 171第10章 金属连接成形的主要工艺 172 第10章 金属连接成形的主要工艺 第10章 金属连接成形的主要工艺 173第10章 金属连接成形的主要工艺 HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE 低碳调质钢; 中碳调质钢; 优良的综合力学性能. 焊接过程对高强钢性能的影响. 178第12章 金属构件焊接的工艺设计2021-9-27 / 58 l断裂韧性降低,焊接接头局部脆化. l粗晶脆化
45、,再热脆化 179第12章 金属构件焊接的工艺设计2021-9-27 / 58 1.1 低合金高强钢的焊接性 l金属焊接性是指金属材料是否具有适应焊金属焊接性是指金属材料是否具有适应焊 接加工，以及在焊接加工后是否能在使用接加工，以及在焊接加工后是否能在使用 条件下安全运行的能力。条件下安全运行的能力。 l两方面的内容： l 结合性能结合性能； 例：低碳钢与铸铁 l 使用性能；使用性能； 例：不锈钢 180第12章 金属构件焊接的工艺设计2021-9-27 / 58 1.1.1 影响材料焊接性的因素影响材料焊接性的因素 （一）材料因素 l材料本身的化学成分、组织状态和力学性能材料本身的化学成分
46、、组织状态和力学性能 （二）工艺因素 l焊接方法和焊接工艺规程焊接方法和焊接工艺规程 （三） 结构因素 l刚度、拘束应力刚度、拘束应力 （四） 使用条件 l承受载荷的性质和工作温度的高低、工作介质的承受载荷的性质和工作温度的高低、工作介质的 腐蚀性腐蚀性 181第12章 金属构件焊接的工艺设计2021-9-27 / 58 1.1.2 焊接性的评定焊接性的评定 1) 根据被评定材料的有关数据或图表根据被评定材料的有关数据或图表(如化学成如化学成 分、化学性能、物理性能、分、化学性能、物理性能、CCT图或图或SHCCT图图 等等)对其焊接性进行初步分析。对于生产单位，对其焊接性进行初步分析。对于生
47、产单位， 分析要结合产品的结构形式与具体的生产条件。分析要结合产品的结构形式与具体的生产条件。 2) 在上述分析的基础上，还必须进行焊接性试在上述分析的基础上，还必须进行焊接性试 验。按照试验性质的不同，焊接性实验又可分验。按照试验性质的不同，焊接性实验又可分 为实焊性试验与模拟性试验两类。为实焊性试验与模拟性试验两类。 182 第12章 金属构件焊接的工艺设计 2021-9-27 1.1.3 分析金属焊接性的方法分析金属焊接性的方法 一、利用化学成分分析 v1.碳当量法碳当量法 v2.焊接冷裂纹敏感指数焊接冷裂纹敏感指数(Pc) 二、利用CCT图分析 v临界冷却时间、冷却速度与组织临界冷却时
48、间、冷却速度与组织 三、利用材料的物理性能分析 v金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热 容量等因素、都对热循环、熔化、结晶、相变容量等因素、都对热循环、熔化、结晶、相变 等过程产生影响等过程产生影响 183 第12章 金属构件焊接的工艺设计 2021-9-27 / 58 四、利用材料的化学性能分析 l铝、钛合金与氧的亲和力较强，在焊接高温下极易氧化因铝、钛合金与氧的亲和力较强，在焊接高温下极易氧化因 而需要采取较可靠的保护方法，如：惰性气体保护焊，真而需要采取较可靠的保护方法，如：惰性气体保护焊，真 空中焊接等空中焊接等 五、利用合金相图分析 l主要
49、是分析热裂纹倾向。依照成分范围，查找相图，可知主要是分析热裂纹倾向。依照成分范围，查找相图，可知 道结晶范围，脆性温度区间的大小，是否形成低熔点共晶道结晶范围，脆性温度区间的大小，是否形成低熔点共晶 物，形成何组织等物，形成何组织等 184 第12章 金属构件焊接的工艺设计 2021-9-27 / 58 六、从焊接工艺条件分析焊接性 l热源特点 l各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热 温度等方面有很大的差别，使金属在不同工艺条件下焊接温度等方面有很大的差别，使金属在不同工艺条件下焊接 时显示出不同的焊接性时显示出不同的焊接性 l电
50、渣焊：功率很大，能量密度很低，最高加热温度也不高，电渣焊：功率很大，能量密度很低，最高加热温度也不高， 加热缓慢，高温停留时间长，焊接热影响区晶粒粗大，冲加热缓慢，高温停留时间长，焊接热影响区晶粒粗大，冲 击韧度下降。击韧度下降。 l电子束焊、激光焊：功率小、能量密度高、加热迅速、高电子束焊、激光焊：功率小、能量密度高、加热迅速、高 温停留时间短、热影响区窄、没有晶粒长大危险，但冷速温停留时间短、热影响区窄、没有晶粒长大危险，但冷速 快。快。 l保护方法 l保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果。保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果。 185 第12章 金属构件焊接的工艺设计 2021-
