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1、材料连接技术Materials Welding and Joining Techniques,赵兴科,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
2、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
3、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
4、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
5、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，JamesJoule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。1886年，ElihuThomson制造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机。,1964年，Unimation生产的首
6、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，HumphreyDavy在电路的两极造了一个稳定的电弧电弧焊的基础。1881年， NikolaiBenardos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，OscarKjellberg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
7、、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；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,HumphreyDavy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240
8、0kg。Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。 OscarKjellberg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
9、，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1970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JohnChurch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
10、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 atoms and the surrounding sea of electrons is called metall
11、ic 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
12、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
13、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
14、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
15、,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,
