1、北京理工大学远程教育,热加工工艺基础材料学院 张朝晖 副教授 TEL：01068913304 E-MAIL：,热加工工艺基础复习大纲,英文名称：High Temperature Process 学分：2 学时：40 适用专业： 机电工程、车辆工程,教材及参考书：,教材：王俊昌、王荣声 工程材料及机械制造基础 机械工业出版社,第一章 铸 造,1、何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。,一、流动性和充型能力 （一）合金的流动性 1. 流动性 流动性是指熔融金属的流动能力。,第一节 合金的铸造性能,2. 流动性的影响因素 1）合金的种类
2、 不同种类的合金，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。 2）化学成分和结晶特征 纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好。,在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差。 对于铁碳合金，纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加，其流动性变差。,（二）合金的充型能力 1. 充型能力 考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动
3、性叫合金的充型能力。合金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响。,2. 充型能力的影响因素 （1）铸型填充条件 a）铸型的蓄热能力、b）铸型温度 c）铸型中的气体 （2）浇注条件 a）浇注温度、b）充型压力 c）铸件结构,二 合金的凝固与收缩,（一）铸件的凝固方式及影响因素 1. 铸件的凝固方式 （1）逐层凝固方式 （2）糊状凝固方式 （3）中间凝固方式,（二） 铸造合金的收缩 1.液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2.凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的
4、基本原因。 3.固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。,（三） 影响合金收缩的因素 1. 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。 2. 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 3. 铸件结构与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致。,（四）收缩对铸件质量的影响 1. 缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，其液态收缩和凝固收缩所减少的体积如果得不到及时的补充，则会在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞，其中大而集中的孔洞叫缩孔，小而
5、分散的孔洞叫缩松。缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位 宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞。,（3）缩孔、缩松的防止措施 a）采用定向凝固的原则 所谓定向凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除铸件上的缩孔和缩松。 b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺,2. 铸造应力、变形和裂纹 （1） 铸造应力的产生 铸造应力主要是由于固态收缩而引起的，按其产生的原因可分为以下三种形式：a）热应力 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。b）固态相变应力 铸件由
6、于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。c）收缩应力 铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力。,（2）铸造应力的防止和消除措施 a）采用同时凝固的原则 同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。 b）提高铸型温度 c）改善铸型和型芯的退让性 d）进行去应力退火,（3）铸件的变形和防止 防止铸件变形有以下几种方法： a）采用反变形法 b) 进行去应力退火 c) 设置工艺肋,（4）铸件的裂纹及防止 a) 铸件裂纹的分类铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。 b）铸件裂纹的防止 为有效地防止铸件裂纹的发生
7、，应尽可能采取措施减小铸造应力；同时金属在熔炼过程中，应严格控制有可能扩大金属凝固温度范围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量。,三、铸造合金的偏析和吸气性,1. 偏析 铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为体积质量偏析。,2. 铸件中的气孔和合金的吸气 （1）侵入性气孔 侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。 （2）析出性气孔 析出性气孔是溶解在金属液中的气体，在凝固时
8、由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。 （3）反应性气孔 浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。,第二节 常用铸造合金,一、铸铁铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。 （一） 铸铁的分类 1. 根据碳在铸铁中的存在形式分类 （1）白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁。 （2）灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。 （3）麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现。,2. 根据铸铁中石墨形态分类 （1）普通灰铸铁 石墨呈片状 （2）蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 （3）可锻铸铁 石墨呈团絮状 （4）球
9、墨铸铁 石墨呈球状 3. 根据铸铁的化学成分分类 （1）普通铸铁 （2） 合金铸铁,（二） 灰铸铁 （1）灰铸铁的显微组织 灰铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与片状石墨组成。 （2）灰铸铁的性能 a) 力学性能 断裂强度通常为120250Mpa；塑性和冲击韧性近于0，属于脆性材料。,b) 工艺性能 灰铸铁属于脆性材料，不能进行冲压 ；同时，其焊接性能也很差。但灰铸铁的切削加工性能较好。 c) 减振性好 d) 耐磨性好 e) 缺口敏感性低,（三） 可锻铸铁可锻铸铁是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。可锻铸铁实际上并非可以锻造，这个名子
10、只表示它具有一定的塑性和韧性。可锻铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与团絮状石墨组成。可锻铸铁的强度一般为300400Mpa，最高可达700 Mpa，同时，可锻铸铁具有一定的塑性和较高的冲击韧度。,（四）球墨铸铁球墨铸铁是铁液经过球化处理后使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。球墨铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与球状石墨组成。球墨铸铁不仅强度远远高于灰铸铁，优于可锻铸铁，甚至可与钢媲美，疲劳强度与中碳钢接近，而且其耐磨性远高于45钢表面淬火。球墨铸铁还具有优良的热处理性能，球墨铸铁的铸造性能、减振性、切削加工性及缺口敏感性较灰铸铁差，但仍优于铸钢。其塑性和韧性虽
11、低于钢，但仍能满足一般零件的要求。,（五） 蠕墨铸铁 指大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁。蠕墨铸铁的力学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间。,二、铸钢 三、有色金属铸造,第三节 砂型铸造,用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。 一、造型方法的选择用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。,（一）手工造型根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。,（二）机器造型机器造型是指用机器
12、全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小，但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。,二、铸造工艺设计,1 浇注位置的选择浇注位置的选择应考虑以下原则： a）体积收缩大的合金以及壁厚差较大的铸件，应按定向凝固的原则，将壁厚较大的部位和铸件的热节部位置于上部或侧部，以便设置冒口进行补缩。 b）重要加工面、耐磨表面等质量要求较高的部位应置于下面或者侧面。,c）具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置。 d
13、）具有大平面的铸件，应将铸件的大平面朝下。 e）尽量减少型芯的数目，最好使型芯位于下型以便下芯和检查，同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。,2 分型面的选择 a）分型面应尽量采用平面分型，避免曲面分型，并应尽量选在最大截面上。b）尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱。c）应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。,d）若铸件的加工面很多，又不可能全部与基准面放在分型面的同一侧时，则应使加工基准面与大部分加工面处于分型面的同一侧。 e）尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面。 f）铸件的非加工表面上，尽量避免有披缝。,第四节 特种铸造,一、熔模铸造熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后在模样上
14、涂挂若干层耐火涂料制成型壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。 （一）熔模铸造的工艺过程熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和浇注等。,（二）熔模铸造的主要特点及适用范围 1）铸件的精度和表面质量较高。 2）适用于各种合金铸件。 3）可制造形状较复杂的铸件。 4）工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费用较高。,二、金属型铸造金属型铸造又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型，在重力作用下充填铸型，从而获得铸件的铸造方法。 （一）金属型为保证使用寿命，制造金属型的材料具备如下的性能：高的耐热性和导热性，反复受热不变形，不
15、破坏；一定的强度、韧性及耐磨性；好的切削加工性能。金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。,（二）金属型铸造的特点和应用范围 1）金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高。 2）铸件的精度和表面质量较高 3）浇冒口尺寸较小，液体金属耗量较少。 4）不用砂或少用砂。金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性，铸件冷却速度大，容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。,三、压力铸造压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。,（二）压铸的特点和应用 1. 压铸优点： 1）铸件的尺寸精度最高，表面粗糙度值最小。 2）铸件强度和
16、表面硬度都较高。 3）生产效率很高，生产过程易实现机械化和自动化。 2. 压铸缺点： 1）铸件表面层存在气孔。 2）压铸黑色金属时，压铸型寿命很低，困难较大。 3）设备投资大，生产准备周期长。,第五节 零件结构的铸造工艺性,铸件结构的铸造工艺性包括：铸件结构的合理性；铸件结构的工艺性；铸件结构对铸造方法的适应性。,一、铸件结构的合理性 1、铸件应有合理的壁厚 2、铸件壁厚应力求均匀 3、铸件壁的联接形式要合理 4、尽量避免过大的水平面 5、铸件结构应避免冷却收缩受阻和有利于减小变形,二、铸件结构的工艺性 （一）铸件的外形设计 1. 应使铸件具有最少的分型面 2. 应尽量使分型面平直 3. 避免
17、外部侧凹 4. 改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋条的结构 5. 铸件要有结构斜度,（二）铸件内腔的设计 1. 应使铸件尽可能不用或少用型芯 2. 铸件结构设计中应避免封闭空腔 3. 铸件的内腔设计应使型芯安放稳固、排气容易、清砂方便,第二章 锻 压,锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。,第一节 金属的锻造性能,一、金属的塑性变形概述金属塑性变形的实质，对于单晶体是由于金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对滑移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理论和孪生理论。,二
18、、热锻、冷锻、温锻、等温锻从金属学的观点划分锻压加工的界限为再结晶温度。 1热锻 在金属再结晶温度以上进行的锻造工艺称为热锻。在变形过程中冷变形强化和再结晶同时存在，属于动态再结晶。 2冷锻 在室温下进行的锻造工艺称为冷锻。 3温锻 在高于室温和低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺称为温锻。 4等温锻 在锻造全过程中，温度保持恒定不变的锻造方法称为等温锻。,三、锻造流线和锻造比锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线，又叫纤维组织。锻造比是锻造时变形程度的一种表示方
19、法。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大影响。,第二节 自由锻只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件，这种方法称为自由锻。 一、自由锻设备根据对坯料作用力的性质不同，自由锻设备可分为产生冲击力的锻锤和产生静压力的压力机两大类。,二、自由锻零件结构工艺性 1、零件结构应尽可能简单、对称、平直； 2、应避免零件上的锥形、楔形结构。 3、应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交。 4、零件上不允许有加强筋。 5、对横截面尺寸相差很大或形状复杂的零件，应尽可能分别对其进行锻造，然后用螺纹连接。,三
20、、高合金钢锻造特点 （一）高合金钢的组织和再结晶特点 1金属组织结构复杂、塑性低； 2再结晶温度高，再结晶速度低，变形抗力大。 （二）高合金钢的加热特点 1导热性差； 2锻造温度范围窄。,（三）高合金钢锻造操作特点 1备料； 2控制变形量，增大锻造比； 3变形要均匀； 4避免出现拉应力。,第三节 模 锻,利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。与自由锻相比，模锻具有锻件精度高、流线组织合理、力学性能高等优点，而且生产率高，金属消耗少，并能锻出自由锻难以成形的复杂锻件。受设备吨位的限，模锻件不能太大。按模具类型模锻可分为开式模锻（有飞边模锻）、闭式模锻（无飞边模锻）和多向模锻等；按设备类
21、型模锻可分为锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。,一锤上模锻 （一）模锻锤锤上模锻所用设备主要是蒸汽-空气模锻锤，选择模锻锤的锻造能力有经验类比法和查表法。 1经验类比法 模锻锤吨位可用公式：G=（3.5-6.3）KA 2查表法 模锻锤吨位亦可查阅相关资料。,（二）模锻及锻模模膛锤上模锻使用的锻模是由带燕尾的上、下模组成。上、下模接触时，其接触面上所形成的空间为模膛。具有一个模膛的锻模称为单模膛模锻，具有两个以上模膛的锻模称为多模膛模锻。多模膛模锻时，按其模膛的结构和功用可分为制坯模膛和模锻模膛两类。,1. 制坯模膛 用以初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻件横截面积和形状的要求。 2. 模
22、锻模膛 模锻模膛又可分为预锻膛和终锻模膛。 （1）预锻模膛 为了改善终锻时金属的流动条件，避免产生充填不满和折迭，使锻坯最终成形前获得接近终锻形状的模膛，它可提高终锻模膛的寿命。其结构比终锻模膛高度大、宽度小、无飞边槽，模锻斜度和圆角大。 （2）终锻模膛 模锻时最后成形用的模膛，和热锻件图上相应部分的形状、尺寸一致。模膛周围设飞边槽，通孔锻件需留冲孔连皮。,（三）模锻零件的结构工艺性 1） 模锻件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径； 2） 非配合表面一律设计成非加工表面； 3） 零件的外形应力求简单、平直和对称； 4） 应避免窄沟、深槽、深孔及多孔结构； 5） 形状复杂的锻件应采用锻-焊或
23、锻-机械加工联接的方法，以简化模锻工艺。,二、胎模锻胎模是在自由锻设备上锻造模锻件时使用的模具。常用的胎模有摔模、扣模、垫模、套模、合模、弯曲模、跳模等。,第四节 冲 压,使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为冲压。冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床为冲床备料，将板料切成条料；而冲压加工主要在各类冲床上进行。,一、冲压的基本工序 （一）分离工序 1切断 将材料沿不封闭的曲线分离的冲压方法称为切断。 2冲裁 利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的冲压方法称为冲裁。 3精密冲裁 用压边圈使板料冲裁区处于静液压作用下，抑制剪裂纹的发生，实现塑性变形分离的冲裁方法称为精密冲裁。 4切口 将材料沿不封
24、闭的曲线部分地分离开，其分离部分的材料发生弯曲，此种冲压方法称为切口。,（二）成形工序1拉深（拉延） 变形区在一拉一压的应力状态作用下，使板料成形为空心件而厚度基本不变的加工方法称为拉深，也叫拉延。拉深变形后制件的直径与其毛坯直径之比称为拉深系数，保证危险断面不被拉裂的拉深系数的最小值又称为极限拉深系数。受极限拉深系数的限制，所需要的拉深不能一次完成而需要分几次逐步成形，这次数就称为拉深次数。2弯曲 将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成形方法称为弯曲。,三、冲压零件结构工艺性 1对冲裁件的要求 1）冲裁件的外形应力求简单、对称； 2）应避免长槽与细长悬臂结构； 3）孔
25、的有关尺寸应满足要求；冲压件上应采用圆角代替尖角联接，孔与沟槽尽量在变形工序前的平板坯料上冲出；最小圆角半径值可查有关手册。,2对弯曲件的要求 1）弯曲件的形状应力求对称； 2）弯曲边尺寸不易过短；孔不能距弯曲线太近。 3对拉深件的要求 1）拉深件外形应简单、对称、且不宜太高； 2）拉深件的最小许可圆角半径可查有关手册。,第五节 少无切削工艺简介,一、特种锻造包括精密模锻、高速锤模锻、径向锻造、摆动辗压 、多向模锻、粉末锻造,二、轧制金属材料（或非金属材料）在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，并获得要求的截面形状并改变其性能的方法称为轧制。 三、拉拔坯料在牵引力作用下引过模孔拉出，使之产
26、生塑性变形而得到截面缩小、长度增加的制品的工艺称为拉拔。,四、搓丝和滚丝当两搓板作相对运动时，使其间的坯料轧成螺旋状的沟槽的加工方法，称为搓丝，具有刃口的辊轮藉其旋转使棒坯滚轧成螺旋形的沟槽的加工方法称为滚丝。,五、挤压坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出，使之横断面积减小、长度增加，成为所需制品的加工方法称为挤压。按挤压温度可分冷挤、温挤、热挤；按坯料从模孔中流出部分的运动方向与凸模运动方向的关系可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。通过挤压可以得到各种截面形状的型材或零件。,第三章 焊 接,1、焊接定义 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到
27、结合的一种方法。 2、焊接分类焊接可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类，其中熔化焊又可分为电弧焊、气体保护焊、气焊、等离子焊、电渣焊、激光焊；压力焊可分为电阻焊、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、锻焊；钎焊可分为烙铁钎焊、火焰钎焊、高频钎焊、炉中钎焊、盐浴钎焊、真空钎焊。,1） 熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。 2） 压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力，以完成焊接的方法称为压焊。 3） 钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属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、低于母材溶化温度，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。,第
28、一节 焊接的基本原理,一、焊接的实质焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。,焊接电弧 由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。阴极区的温度约为2400K。阳极区的温度约为2600K。电弧阳极区和阴极区之间的部分称为弧柱，弧柱区温度最高，可达6000K-8000K。,二、焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响 （一） 焊接热循环焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。焊件经焊接后所
29、形成的结合部分称为焊缝。焊缝及其邻近区域的总称叫焊缝区。在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度，然后再逐渐冷却到常温。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。,（二） 焊缝区的金属组织与性能1. 焊缝金属区 焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。2. 熔合区 焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。,3. 热影响区 是焊接或切割过程中，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。按其组织特征又可分为以下四个区域：（1） 过热区（2） 细晶区（3） 不完全重结晶区（4） 再结晶区,三、焊接应力与变形焊接时，焊件
30、的不均匀局部加热和冷却是导致焊接应力和变形产生的根本原因。（一） 焊接应力与变形的产生在焊接构件中由于焊接而产生的内应力称为焊接应力；焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。焊件由于焊接而产生的变形称为焊接变形；焊后焊件残留的变形称为焊接残余变形。,（二）焊接裂纹与焊接变形的形式焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。焊接裂纹包括纵向裂纹、横向裂纹、内部裂纹、根部裂纹等；焊接变形的基本形式有角变形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等。,（三）预防和减小焊接应力及焊接变形的措施 1. 合理设计焊接结构 2. 焊前预热 3. 反变形法 4. 刚性固定法 5. 选择合理的焊接顺序
31、 6. 锤击焊缝法 7. 强迫冷却法 8. 焊后热处理,（四） 接变形的矫正 1. 机械矫正法 即用机械的方法将变形矫正过来。 2. 火焰矫正法 采用局部加热焊件的某些部位，使其受热时膨胀，受周围冷金属制约引起长度方向被压缩，冷却时收缩而矫正变形。,第二节 焊条电弧焊,电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。,一、 焊条 1. 焊条的组成和作用 焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。 2. 焊条的分类(1) 焊条按熔渣的化学性质分为两大类1） 酸性焊条 2） 碱性焊条 （2）焊条按用途可分为十一大类 碳钢焊条、低
32、合金钢焊条等。,3. 焊条的选用 （1） 按强度等级和化学成分选用 1） 焊接一般结构，一般选与焊件强度等级相同的焊条。 2） 焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条。 3） 焊接特殊性能钢种，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条。 4） 焊件碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条。 5） 焊接铸造碳钢或合金钢时，一般选用碱性焊条。,（2） 按焊件的工况条件选用焊条 1） 焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条。 2） 焊接承受静载的结构件时，应选用酸性焊条。 3） 焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用酸性焊条。 4） 焊接在特殊条件，如在腐蚀介质
33、、高温等条件下工作的结构件时，应选用特殊用途焊条。,（3） 按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊条 1） 厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条。 2） 厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊结构件，应选用适当的酸性焊条。 3） 除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位置焊条。,第三节 其它焊接方法,一、 埋弧焊 定义 电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊。 2. 特点 1）生产率高； 2）焊接质量高、稳定； 3）节约金属材料； 4）改善劳动条件。 3. 应用 常用来焊接厚度为6mm-60mm的长直焊缝和较大直径（一般不小于250mm）的环形焊缝。,二、 气体保护
34、电弧焊用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。,（一） 氩弧焊 1. 定义：使用氩气作为保护气体的气体保护焊。 2. 特点： 1）焊件不易氧化； 2）便于操作，容易实现全位置自动化； 3）焊接热影响区小，焊件不易变形； 4）焊缝致密，成形美观； 5）焊接成本高。 3. 应用：主要用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。,（二） 二氧化碳气体保护焊 1. 定义：利用CO2作为保护气体的气体保护焊，简称CO2焊。 2. 特点： 1）电流密度大，生产效率高； 2）焊接热影响区小，焊件不易变形； 3）焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好； 4）焊
35、接成本低。 3. 应用： 适合于各种位置的焊接。,三、 电渣焊 1. 定义：电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。 2. 特点： 1）厚大截面可一次焊成，生产效率高； 2）焊缝金属比较纯净； 3）接头组织粗大，焊后需进行正火处理。 3. 应用： 适用于板厚40mm以上结构的焊接。,四、 等离子弧焊 1. 定义：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弧进行焊接的方法称为等离子弧焊。 2. 特点： 1）焊件不易氧化； 2）便于操作，容易实现全位置自动化； 3）焊接热影响区小，焊件不易变形； 4）焊缝致密，成形美观； 5）电弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁结构； 6
36、）弧柱温度高，焊接速度快，生产率高。,3. 应用：等离子弧焊接已日益广泛应用于生产中，特别是国防工业和尖端技术所用铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封接及飞机上一些薄壁容器等均可用等离子弧焊。,五、 电子束焊 1. 定义：利用加速和聚焦电子束轰击置于真空或非真空中焊件所生的热能进行焊接的方法称为电子束焊。 2. 特点： 1）焊缝金属纯度高； 2）焊缝表面质量好，内部熔合性好； 3）焊接热影响区小，焊件不易变形； 4）控制灵活，精度高，适应性强。,3. 应用：电子束焊应用广泛，从微型电子线路组件、真空膜盒、钼箔蜂窝结构、原子燃料
37、器件到大型的导弹外壳都可以采用电子束焊接。此外，熔点、导热性、溶解度相差很大的异种金属，在真空中使用的器件和内部要求真空的密封器件等，用真空电子束焊接也能得到良好接头。,第四节 压焊与钎焊,一、 电阻焊工件组合后通过电极施加压力，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称为电阻焊。 电阻焊分为对焊、点焊和缝焊。 （一） 对焊对焊是使用两个被焊工件沿整个接触面焊合的电阻工艺。按工艺不同可分为电阻对焊和闪光对焊。,（二） 电阻点焊电阻点焊是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。 电阻点焊主要适用于各种薄板、板料冲压结构及钢筋构件。
38、 （三） 胶接点焊胶接点焊是以胶接加强电阻点焊强度的连接方法。它是近年来发展起来的新工艺。与电阻点焊相比，胶接点焊接头的搭接抗剪强度可提高3倍，疲劳强度可提高9倍。,（四） 缝焊工件装配成搭接接头、对接接头、T形接头、角接接头等接头形式，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压工件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法称为缝焊。 缝焊主要应用于焊缝较规则，有密封要求的3mm以下薄壁结构。,二、摩擦焊摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热，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。摩擦焊的特点：焊接表面不易氧化，接头质量稳定，不易产生夹渣、气孔等缺陷，废品率低，无需焊条、焊
39、剂及填充金属，操作简单、成本低、生产率高，易于实现机械化，自动化。同种金属及异种金属均可施焊。,三、钎焊钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。 根据钎料的熔点不同，钎焊分为以下两类。1. 硬钎焊 使用硬钎料（熔点高于450）进行的钎焊称为硬钎焊。适用于受力较大及工作温度较高的焊件，如自行车车架，切削刀具等。,2. 软钎焊 使用软钎料（熔点低于450）进行的钎焊称为软钎焊。用于受力不大或工作温度较低的工件，如电子器件、仪器、仪表等。,第五节 堆焊与热喷涂,一、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称为堆焊。堆焊的目的是提高零件表面的耐磨、耐热、耐蚀等性能或修复已磨损的
40、零件使其恢复原尺寸。,二、热喷涂热喷涂是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件表面上，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。除各种金属线材的喷涂外，还可以喷涂陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料，以满足各种零件表面性质的使用要求。,第六节 常用金属材料的焊接,一、金属材料的焊接性金属材料的焊接性是指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。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。焊接性的好坏主要从两个方面来衡量。一是焊接工艺性的优劣，如焊接接头产生的缺陷，尤其是出现各种裂纹倾向的大小；二是焊接接头在使用过程中的可靠性，如焊接接头的力学性能
41、、耐蚀、耐热、导电、导磁等方面性能的持久性。一般情况下，合金的含碳量越高，其焊接性就会越差。,二、碳素钢的焊接1. 低碳钢的焊接 低碳钢塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，具有良好的焊接性。焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施即可获得优质接头。但对于厚度大于50mm的构件，需用多层焊，焊后应进行消除应力退火；在低温条件下焊接刚度大的构件时，由于温差大而变形又受到限制，会导致较大的焊接应力，应进行焊前预热，重要构件常进行焊后去应力退火或正火。,低碳钢可以用各种方法进行焊接，常用的是焊条电弧焊、埋弧焊、电阻焊、电渣焊和气体保护焊。一般结构常使用酸性焊条，如E4303，E4320，E4301
42、，E4310等；对于承受重载或低温下工作的重要构件，以及厚度大、刚度大的构件可采用低氢型焊条，如E5015，E5016、E4316等。埋弧焊一般采用H08A或H08MnA焊丝，配以HJ431焊剂进行焊接。,2. 中、高碳钢的焊接 中、高碳钢属于淬火钢，随着碳的质量分数的增加，其淬硬倾向渐趋严重，焊接性明显变差。通常焊接中碳钢的铸件或锻件，焊接时一般从两方面着手：一是选用适当的焊条，如抗裂性好的低氢型焊条或奥氏体不锈钢焊条等；二是采用一定的焊接工艺措施，如焊前预热工件，采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，防止母材金属过多地深入焊缝，以防止产生热裂纹，并采用焊后缓冷以防止产生冷裂纹等。高碳钢工件则
43、只用于补焊而很少用于构件的焊接。,三、低合金钢的焊接 1. 低合金钢焊接经常出现的问题 （1） 热裂纹 热裂纹指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。其原因在于低合金钢的焊接过程中铜、硼、氮等元素成为形成裂纹的敏感元素。 （2） 冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹常发生在高强度钢的厚板结构中。其原因是接头的刚度大，造成的局部应力大，或在冷却过程中氢析出后聚集造成局部应力超过了钢的强度极限。,（3） 白点 在焊缝金属拉断面上，出现的如鱼目状的一种白色圆形斑点称为白点。其产生原因是焊接过程中吸收了过量的氢，
44、故又称氢白点。 低合金钢焊接主要根据不同钢号的屈服点等级选择焊接材料，应遵守等强度（某些钢号应考虑成分相同或相近）原则。对于厚度大、刚度大的构件或在低温下焊接时应考虑使用低氢型焊条，焊前进行预热等，严格按照焊接工艺规范施焊。,四、不锈钢的焊接不锈钢中应用最广泛的是奥氏体不锈钢，常采用焊条电弧焊和钨极氩弧焊，也可用埋弧焊。焊条电弧焊时，应选用与母材化学成分相同的焊条；氩弧焊和埋弧焊时，选用的焊丝应保证焊缝化学成分与母材相同。焊接奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀和热裂纹。由于不锈钢在500-800范围内长时间停留，晶界处将析出碳化铬，引起晶界贫铬区，使接头丧失耐蚀性能。因此，应选择适当的焊接材料及
45、采用小电流、快速焊、强制冷却等措施以防止晶界腐蚀。热裂纹是由于晶界处易形成低熔点硫、磷等共晶，且此类钢本身热导率较小，仅为低碳钢的1/3左右，而线膨胀系数大，约比低碳钢大50，故在焊接时易形成较大拉应力。应严格控制硫、磷等杂质的含量。,五、铸铁的补焊为修补工作（铸件、锻件、机械加工件或焊接结构件）的缺陷而进行的焊接称为补焊。1. 避免白口和裂纹的措施 白口组织出现的主要因素是碳含量高。如果能使焊缝金属缓慢冷却、调整热循环，使碳元素可以自由地游离出来，就可以降低白口组织的形成；若能进一步调节焊缝金属的化学成分则会达到更好的效果。硅、铝等是促进石墨化元素，其含量的提高可促进碳以石墨形态析出；而硫、
46、铬等则是反石墨化元素。在焊接材料中应增大促进石墨化元素的含量，降低反石墨化元素的含量，以防止或降低白口的形成倾向。同时，在焊接过程中应采取种种措施，减小焊接应力，防止裂纹的产生。,2. 铸铁的补焊方法及补焊材料 （1）铸铁的补焊方法 补焊方法有热焊法，即焊前将工件全部或局部预热到500-700，焊后在炉中缓慢冷却；半热焊法，即焊前将工件预热到400以下进行补焊的方法。 （2）铸铁补焊材料 一般采用铸铁焊条。常用的铸铁焊条有两类：一类为焊缝金属是铸铁组织的焊条，如EZC，EZCQ；另一类是焊缝组织为非铸铁组织的焊条，如 EZV等。,六、有色金属的焊接 （一） 铜及铜合金的焊接 1.铜及铜合金的焊
47、接特点 1） 导热性强（纯铜的热导率约为低碳钢的8倍），因此要求强热源，否则容易产生焊不透等缺陷。对于厚而大工件焊前需预热。 2） 膨胀系数大，液固转变时的收缩也大。因此焊接时易产生较大的焊接应力，变形和裂纹倾向大。 3） 液态时易氧化生成Cu2O，结晶时和铜形成低熔点的共晶体，也是产生裂纹的原因之一。 4） 液态时吸气性强，特别容易吸收氢，若凝固时析出不充分容易生成气孔。 5） 铜的电阻极小，故不适于采用电阻焊。,2. 铜及铜合金的焊接工艺 （1） 气焊 气焊时一般依工件厚度不同，开I形、V形、X形坡口。 （2） 焊条电弧焊 焊条电弧焊应先开坡口并清理污物。一般采用低氢型焊条。 （3） 手工
48、氩弧焊 氩弧焊是铜及铜合金焊接的首选方案。可有效地保护熔池不被氧化和熔入气体，得到优良的焊接接头，工件变形小，若板厚小于3mm，可开I形坡口；板厚在3mm-10mm时开V形坡口；板厚大于10mm时开x形坡口。焊前应清理除去焊件坡口边缘焊丝表面的氧化膜。焊接时要合理地选择焊接工艺规范，焊接速度要高；焊接电流选择与板厚、工件结构、预热温度等因素有关。焊后要进行热处理。,（二） 铝及铝合金的焊接 1. 铝及铝合金的焊接特点 1） 铝的热导率大，比热容大，膨胀系数也大，焊接时易产生焊接应力与变形并导致裂纹的产生。因而需要强而集中的热源。 2） 铝的氧化性强，且形成的Al2O3不易浮出熔池表面。同时铝液
49、能吸收大量的氢，而固态时又几乎不溶解氢气。因此在焊接条件下很容易形成夹渣和气孔。 3） 铝的熔点低，由固态至液态无颜色变化，故难于掌握加热温度，易烧穿。且在高温下强度和塑性很低，焊接时常由于不能支持溶池金属而引起塌陷，故常需用垫板。,2. 铝及铝合金的焊接工艺 目前铝及铝合金常用的焊接方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。熔化焊所用的焊丝有：对于纯铝用SAl系列焊丝；对于铝镁合金用SAlMg系列焊丝；对于铝铜合金用SAlCu焊丝；对于铝硅合金用SAlSi系列焊丝。,第七节 焊接结构设计,一、焊接结构材料的选择在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接性能较好的材料。一般碳的质量分数小于0.25的碳素钢和碳的质量分数小于0.20的低合金都具有良好的焊接性，应尽量采用；碳的质量分数大于0.50的碳素钢和碳的质量分数大于0.40的合金钢焊接性不好，应尽量避免采用。同一构件焊接时应尽量选用同种金属材料。,
