材料连接技术15-1

1、材料连接技术 Materials Welding and Joining Techniques,赵兴科 13601020623 ,,clljjs-15,课件公共邮箱,1）李志远等.先进连接方法. 北京:机械工业出版社,2000 ； 2）任家烈等.先进材料的连接. 北京:机械工业出版社,2000 ； 3）近些年国内外专著和刊物上发表的学术成果。,主要参考资料,1 引言,1.1 材料连接的作用和地位,1.2 材料连接技术的发展历程,1.3 材料连接方法原理与分类,1.4 本课程的主要内容,1 材料连接概论,1.1 材料连接的作用和地位,焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。,几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。,三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等，其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m，高5.4m，重440t，为世界最大的铸焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15

2、个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用12t焊丝，耗时4个多月。,从近年来中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用：,水电站,神舟号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步，其中两名航天员活动的返 回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。,航天器,中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5.5m，长62m， 厚337mm，重2060t，为当今世界最大、最重的锻焊结构加氢反应器，采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接天。,化工设备,中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，长4000km的西气东输的管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板焊形式的焊接管 。,管线,舰船,2007年我国造船订单量晋身全球第一 2007年8月，英国权威统计机构发布了世界造船企业50强排名，中国企业共有19家入围。,被称为“中华第一盾”的170舰，都是中国造船界的骄傲，船体是典型的板-焊结构。,上海泸浦大桥全长8722米，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。除合拢接口采用栓接，其余完全采用焊接，现场焊缝总长度达4万多米，接近上

3、海市内环高架路的总长度。,桥梁,建筑,奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨。钢结构合龙分3次进行，共调集了100多名高级焊工和100多台焊机。每条焊缝都进行探伤检测。,这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见，连接（焊接）在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。,1.2 材料连接技术的发展历程,焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从历史上说，它在3000年以前就有记载 ，但真正成为一门重要的制造技术，是最近百年的事。,焊接发展历程大致分成三个阶段：,第一次工业革命前，以炭火加热的锻焊、钎焊等为代表； 第一次工业革命到二次世界大战前，以手工电弧焊和电阻焊等为代表； 二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为代表。,1）焊接技术的发展阶段,在古代锻焊曾是金属连接的唯一方式。,古代锻焊制品,花钢（三国时期）,青铜复合剑（战国时期）,电阻焊,1856年，James Joule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。 1886年，Elihu Thomson制造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对

4、焊机。,1964年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。目前仍广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。,电弧焊,1810年，Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的电弧电弧焊的基础。 1881年， Nikolai Benardos在碳极和工件间产生了电弧，金属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。 1890年， Benardos进一步完善了这一焊接法，用金属棒代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金属。 1907年，Oscar Kjellberg发明了涂层焊条，使焊缝质量显著改善，电焊技术得到突破。,一战期间，舰船等装备的需求刺激了一批廉价、快捷的焊接技术的发展； 二战期间，航空业有色金属（镁、铝）连接的需求刺激了新的焊接技术的产生。,1908 电渣焊ESW；俄罗斯美国乌克兰 1909 等离子焊接 PAW；德国美国 1920 钨极惰性气体保护电弧焊 TIG，GMAW； 美国 1930 螺柱焊；美国 1930 熔化极惰性气体保护电弧焊 MIG；美国 1930 埋弧焊 SAW； 美国 1953 活性气体保护电弧焊 MAG，GMAW

5、；俄罗斯 1970 激光焊接 LBW；英国 1991 搅拌摩擦焊 FSW 英国 ,现代焊接技术发展大事记,1801年, Humphrey Davy在首批电弧实验中使用电池作为电源。 Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。电池的总重量达2400kg。 Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。 Oscar Kjellberg使用110V直流电压电源，采用一个装满盐水的桶调节焊接电流。 1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。由三相异步电动机驱动，其特性适合焊接，重1000kg, 电流250A。,19世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。,2）焊接设备进展,直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。 20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接着很快出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。 焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于197

6、0年。但是逆变器在1977年以前没有普遍用于工业。1984年，伊萨推出140A焊接逆变器，重量只有8kg。,早期焊机,现代焊机,上世纪70年代出现电弧焊机器人。,提高焊接效率,加拿大人John Church使用了快速送丝速度和混合保护气体，在使用同样的焊接设备下，熔化极惰性气体保护电弧焊接速度提高一倍。 在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。 最新高效焊接法是混合焊这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊焊接速度极快，熔深大。,3）焊接工艺进展,节约能源和材料：,窄间隙焊，焊既节省时间，又节省耗材，减少了热影响区焊接的变形。 活性钨极氩弧焊，在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性剂，使得电弧收缩和改变熔池流态，从而大幅增加了钨极氩弧焊的焊接熔深。,1.3 材料连接原理与分类,1）材料连接的原理,两种或两种以上材质(同种或异种)，通过加热或加压或两者并用，来达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。,The chemical bonding that results from the attraction between metal atom

7、s and the surrounding sea of electrons is called metallic bonding.,从理论上来说，两块分离的材料待连接表面面紧密贴合，距离能够接近平衡距离r*，这种情况下，这个材料按照它的物理本性，就能连接在一起。,实际上常温下做不到：表面凹凸不平、氧化膜、有水、油等杂质，氧化膜和附加层极大的阻碍材料的连接。 采用施加外部能量的方法，促使分离材料的原子接近、形成原子键结合，同时去除一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。,焊接接头的机理,熔化、凝固（熔化焊）,塑性变形、再结晶（压力焊）,外部的热源把材料和填充熔剂熔化，在熔池产生物理化学反应， 去除它的一切杂质和氧化膜附加层，然后再结晶，相变，最后 形成一个键结合。,加压使这个材料产生塑性变形，挤出里边的结合面的杂质实现紧密连接，经过扩散和相变形成一个塑性变形为主的连接接头接头接头。,扩散、再结晶（扩散焊）,熔化、界面反应 （钎焊）,加压材料紧密接触，然后加热到高温，加热到多少温度，视不同的材料而定，经过长时间的扩散，原子间相互渗透最后形成键连接，这是扩散连接的

8、机理,加热使较低熔点材料（钎料）熔化后填充到待连接工件之间的间隙中， 随后冷却凝固形成连接。,2）材料连接方法分类,金属焊接的压力与温度条件示意图,金属冶金连接又可以表述成：通过加热、或加压，或二者并用，使分离的两种或两种以上的材料（同种或异种）接触处的原子形成共同晶粒的过程。,金属材料的冶金结合按其连接条件和结合机理主要分为三类，即熔焊、压焊和钎焊。三类方法的技术特点对比见表。,自百年前电弧焊发明以来，现代焊接技术已迅速 发展成为制造工业中的重要技术。,现在已有90余种工艺。 采用了热、电、光、声、磁等一切可以利用的热源。 应用电子、计算机等先进的控制技术。,焊接技术名类繁多，而且新的方法仍在不断涌现，因此如何对焊接进行科学的分类是一个十分重要的问题。,按连接机理分为三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。 按能源种类细分为电弧焊、电阻焊、气焊、铝热焊、摩擦焊等类。 按保护方式等分为无保护、真空、气保护等方法。 按焊接工艺参数范围 按焊接接头形式和施焊空间位置,焊接,固相焊,钎焊,熔化焊,电弧焊,化学能焊,高能束焊,非熔化极,熔化极,电阻焊 冷压焊 摩擦焊 扩散焊 闪光焊 超声焊 爆炸焊,气

9、电焊 焊条焊 埋弧焊 药芯焊 电渣焊,钨极氩弧焊 等离子弧焊,氧乙炔焊 铝热剂焊,激光焊 电子束焊,软钎焊 硬钎焊,1固相焊；2热化学焊；3电阻焊；4无保护电弧焊； 5焊剂保护电弧焊；6气保护电弧焊；7辐射能焊,不同焊接方法的工艺参数范围,焊接工艺参数,焊接接头形式,对接：丝对接、板对接、棒对接等 角接：丁字角接，十字角接等 搭接：丝搭接、板搭接等,对接：开坡口、不开坡口 角接：内角、外角、搭接等,平焊 横焊 立焊 仰焊,5(5a,5b): 不开坡口对接6,7,8,14: 内角焊 9: 重力嵌缝焊 10,11: 外角焊 12,13: 搭接焊 15: 塞焊,1,5a,6,9,11,12: 平焊（或下焊） 2,5b,8,10,13: 仰焊 3: 横焊 4,7: 立向上焊 14: 立向下焊 1,2,3,4: 开坡口对接,1.4 本课程的主要内容,本课程内容涵盖所有三类焊接方法（熔焊、压焊和钎焊），以新方法、新工艺、新技术为主线，旨在帮助学生对材料连接技术及其发展趋势有较全面的了解。,电弧焊接新技术：药芯焊丝自保护焊、活性助剂钨极氩弧焊、窄间隙电弧焊、冷金属过渡电弧焊等技术原理、特点及应用。高能束焊接新技术：激光-电弧复合焊接、激光熔钎焊、激光钎焊、局部真空电子束焊、非真空电子束焊等技术的原理、特点及应用。固相连接新技术：线性摩擦焊、搅拌摩擦焊、扩散焊/超塑性成形、瞬时液相扩散连接等技术的原理、特点及应用。钎焊连接新技术：反应钎焊、扩散钎焊、复合钎焊等技术的原理、特点及应用。,课程主要内容,

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