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1、第三章 材料的连接成形,本章学习的根本目的是掌握焊接成形的基本原理、焊接的主要成形方法及金属材料的焊接性。要求掌握常用焊接方法的工艺要求和适用范围；掌握各种金属材料的焊接性能；了解焊条的型号、牌号、焊接缺陷及其检验方法。重点：各种焊接方法及工艺,焊接基本概念与方法,焊接基本概念熔化焊工艺方法压力焊工艺方法钎焊工艺方法,焊接基本概念,一、金属的连接方法,二、焊接的定义 通过物理或化学的手段，使两个相分离的物体（同种材料或异种材料）产生原子（分子）间的结合而连接成一体的连接方法。,三、焊接的分类,以两材料发生结合时的物理状态为焊接过程最主要的特征，分为三大类：1、熔化焊（液相）2、压力焊（固相）3
2、、钎焊（固相兼液相）按热源的类型分类，如电弧热、电阻热、化学反应热、机械能、间接热能、高能束等。,四、焊接的特点 结构重量轻、省工省料、密封性好等特点。在制造业中，材料焊接技术是一种十分重要的加工工艺，已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航空航天、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。,熔化焊工艺方法,利用局部加热,将工件的焊接处加热到熔化状态,形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。由于所用热源的不同，熔化焊分为：（1）气焊（2）电弧焊（3）激光焊（4）激光切割（5）电子束焊（6）电渣焊（7）等离子弧焊,电弧焊一、什么叫焊接电弧 它是在具有一定电压的两电极间或电极与焊
3、件间，气体介质产生强烈而持久的放电现象。,二、电弧的实质,它是一种气体放电。气体在一般情况下是不导电的。要使气体导电，须将两个电极之间的气体电离，并在两电极间加上一定的电压，使这些带电离子在电场作用下作定向运动，两个电极间的气体中能连续不断地通过很大的电流，从而形成电弧。电弧导电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。,1、电弧的构造2、焊条在电弧下的熔化及焊缝的成形过程,电弧的构造,钢焊条的电弧弧柱区的温度高达5000K以上。阴极区和阳极区的温度较低，约为2400K和2600K。其几何长度很小，仅为104105cm。我们所看到的电弧实际上是电弧的弧柱区。阴极区和阳极区所产生的热量占电弧热的近
4、80。弧柱区产生的热量仅约占20。,三、电弧焊的类型 对电弧与焊缝的保护方法的不同，可分以下三种：、手工电弧焊：利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的工艺方法。（1）手工电弧焊焊接过程,（2）手工电弧焊的主要特点,1)操作灵活，可焊接各种空间位 置的焊缝。2)焊接质量受焊工技术水平、施 工条件等影响，变动幅度大。3)焊接辅助时间长，生产效率低。,、埋弧自动焊 焊接电弧将焊剂、焊丝及工件焊接处熔化后形成熔池，熔池冷却后形成焊缝。液态熔渣形成焊渣，焊后履盖在焊缝表面起保护焊缝的作用。（1）埋弧自动焊的焊接过程,埋弧自动焊示意图 1-焊接小车 2-控制盘 3-焊丝盘 4-焊剂漏斗
5、 5-焊接机头 6-焊剂 7-渣壳 8-焊缝 9-焊接电缆 10-焊接电源 11-控制箱,埋弧自动焊焊接过程纵截面图 1-焊丝 2-电弧 3-焊件 4-熔池 5-焊缝 6-渣壳 7-液态熔渣 8-焊剂,埋弧焊的工艺,（1）焊前准备I型坡口板厚14mmY型坡口1422mm双Y型坡口2250mm（或U型坡口）最常采用的为Y型坡口和X型坡口,单面焊时，为防止烧穿、保证焊缝的反面成形，应采用反面衬垫，衬垫的形式有焊剂垫、钢垫板，或手工焊封底（下图）,由于埋弧焊在引弧和熄弧处电弧不稳定，为保证焊缝质量，焊前应在焊缝两端接上引弧板和熄弧板,以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之
6、中。焊后去除引弧板和熄弧板,引弧板和熄弧板 1-引弧板 2-熄弧板,（2）平板对接焊,双面焊（图a）最常用,（3）环焊缝,焊丝起弧点与环中心线偏离一距离e，防止熔池金属流淌。,（4）多丝埋弧焊,两个以上焊丝同时进行焊接，提高效率。,埋弧自动焊的主要优点（与手工焊相比）,1）生产率高：可用的电流比手工电弧焊大。2）焊接质量好：电弧被液态熔渣所包围，可以防止空气的浸害，因而焊缝质量好。3）电弧的热量损失小，能量集中。4）节省金属与电能：焊丝连续送进，节省金属材料，节省辅助时间；埋弧焊熔化深度大，节省了电能。5）改善了劳动条件：没有弧光，送入与运出实现机械化，减少了工人的劳动强度，改善了劳动条件。,
7、埋弧焊的应用,适合中等厚度的板材的直、长缝或大圆圈环形焊缝的焊接。如压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接等。,压力容器环焊缝的焊接,压力容器的封头与筒体组焊,埋弧焊接压力容器纵焊缝,埋弧焊压力容器施工现场图,、气体保护焊 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。外加气体有以下二种：氩气与二氧化碳气体保护焊 氩弧焊：氩气是惰性气体，不与金属起化学反应；不溶解于液体金属。氩弧焊可以获得高质量的焊缝，是焊接不锈钢的主要方法，也广泛用于焊接铝合金、钛合金、锆合金等材料；用于航空航天、核工业等部门。,钨极氩弧焊 熔化极氩弧焊 脉冲氩弧焊氩弧焊的焊接过程及主要优缺点,1）钨极氩弧焊
8、,高熔点的钍钨棒或铈钨棒作电极，由于钨的熔点高达3410，焊接时钨棒基本不熔化，只是作为电极起导电作用，填充金属需另外添加。在焊接过程中，氩气通过喷嘴进入电弧区将电极、焊件、焊丝端部与空气隔绝开。其焊接方式有手工焊和自动焊两种，主要区别在于电弧移动和送丝方式，前者为手工完成，后者由机械自动完成。,钨极氩弧焊示意图（自动焊）1-熔池 2-焊丝 3-送丝滚轮 4-焊丝盘 5-钨极 6-导电嘴 7-焊炬 8-喷嘴 9-保护气体 10-电弧,钨极氩弧焊的优点,（1）采用纯氩气保护，焊缝金属纯净，特别适合于非铁合金、不锈钢、钛及钛合金等材料的焊接。（2）焊接过程稳定，所有焊接参数都能精确控制，明弧操作，
9、易实现机械化、自动化。（3）焊缝成形好，特别适合3mm以下的薄板焊接、全位置焊接和不用衬垫的单面焊双面成形。,工艺参数：钨极直径、焊接电流、电源种类和极性、喷嘴直径和氩气流量、焊丝直径等。应用：易氧化的非铁合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属（钼、铌、锆）等材料的薄壁结构的焊接和钢结构的打底焊。,2）熔化极氩弧焊,采用焊丝作电极并兼作填充金属，焊丝在送丝滚轮的输送下，进入到导电嘴，与焊件之间产生电弧，并不断熔化，形成很细小的熔滴，以喷射形式进入熔池，与熔化的母材一起形成焊缝。焊接方式有半自动焊和自动焊两种,熔化极氩弧焊示意图（自动焊）1-焊接电弧 2-保护气体 3-焊炬 4-导
10、电嘴 5-焊丝 6-送丝滚轮 7-焊丝盘 8-喷嘴 9-熔池,熔化极氩弧焊均采用直流反接，以提高电弧的稳定性，没有电极烧损问题，焊接电流的范围大大增加，因此可以焊接中厚板。例如焊接铝镁合金时，当焊接电流为450A左右时，不开坡口可一次焊透20mm，同样厚度用钨极氩弧焊时则要焊67层。,熔化极氩弧焊的焊接工艺参数：,焊丝直径、焊接电流和电弧电压、送丝速度、保护气体的流量等。熔化极氩弧焊主要用于焊接高合金钢、化学性质活泼的金属及合金。如铝及铝合金、铜及铜合金、钛、锆及其合金等。,脉冲氩弧焊,将电流波形调制成脉冲形式，用高脉冲来焊接，低脉冲用来维弧和凝故，可控制焊缝的尺寸与焊件品质。,二氧化碳气体保
11、护焊,以CO2作为保护介质的气体保护焊方法。（1）二氧化碳气体保护焊的特殊性*氧化性气体，会使焊缝金属氧化，故须采取脱氧措施。如用Si、Mn较高的焊丝或合金钢焊丝H08MnSiA、H10MnSiMo等。*由于CO2气体的特殊的物理性质，在熔滴中反应生成的CO气体，会在电弧高温作用下急剧膨胀，使熔滴爆破引起金属飞溅。故要求使用直流焊机，且大多直流反接。（2）汽车传动轴的焊接,CO2气体保护半自动焊示意图 1-焊接电源及控制箱 2-CO2钢瓶 3-加热器 4-送丝机构 5-焊枪 6-焊件,（3）二氧化碳气体保护焊的特点,生产率高 比手工电弧焊高15倍。工作时连续焊接,不需要换焊条,不需要敲渣。成本
12、低 CO2气体是很多工业部门的副产品，成本较低。,焊接时CO2流量通常为515 L/min，保护气体流量偏大或偏小均会使保护效果变差。二氧化碳气体保护焊是一种重要的焊接方法，主要用于焊接低碳钢和低合金钢。在汽车行业和其他工业部门中广泛应用。,4、电子束焊 当阴极被灯丝加热到2600K时，能发出大量电子，这些电子在阴极与阳极（焊件）间的高电压作用下，经电子透镜聚焦成电子流束，以极大的速度（可达160000kmS）射向焊件表面，电子的动能变为热能。能量密度比普通电弧可大5000倍，它使焊件金属迅速熔化甚至气化。根据焊件的熔化程度，逐渐移动焊件，即能得到要求的焊接接头。,（点击 观看动画）,真空电子
13、束焊接的特点（1）在真空中进行焊接，金属不会氧化氮化。且无金属电极沾污，能保证焊缝金属的高纯度。表面平滑洁净，没有孤坑或其他表面缺陷。焊缝内部熔合得好，无气孔夹渣。（2）热源能量密度大、熔深大、焊速快、焊缝深而窄，焊缝深宽比可达20：1，能单道焊厚件。焊接热影响区很小，基本上不产生焊接变形。可防止难熔金属焊接时易产生的裂纹和泄漏。,（3）焊接时一般不加填充金属。因而接头要加工得平整清洁、装配紧密，不留间隙。任何厚度的工件都不开坡口。（4）电子束参数可在较宽范围内调节、控制灵活、精度高、适应性强。（5）真空电子束焊接的缺点是设备复杂、造价高。使用维护技术要求高、焊件尺寸受真空室限制，对焊件清整装
14、配质量要求严格，因而其应用受到一定限制。,5、电渣焊 两个工件位于垂直位置，工件待焊端面两侧，装有冷却铜滑块，使液态熔渣及金属不会外流，冷水从其内部通过，迫使熔池冷却凝固成为焊缝。固态焊剂熔化后形成的渣池具有较大的电阻，当电流通过时产生大量电阻热，使渣池温度保持在1700一2000。焊丝与工件被渣池加热熔化而形成熔池。焊接过程中，焊丝不断送进并被熔化，熔池及渣池逐渐上升（冷却滑块也同时逐渐上升），下面的金属则逐渐凝固组成焊缝从而使焊缝一次焊成。,（点击 观看动画）,电渣焊特点：（1）很厚的工件可一次焊成。改变了重型机械制造的工艺，可用铸一锻一焊组合结构代替巨大的铸、锻整体结构。（2）生产率高。
15、焊接材料消耗少。任何厚度的工件都不需开坡口，只要使焊接面之间保持25-35mm的间隙就可一次焊成。,（3）焊缝金属比较纯净。渣池覆盖在熔池上保护作用良好，熔池存在的时间较长，熔池中的气体与杂质有较充分的时间逸出。且焊缝自下而上结晶也有利于排出低熔点杂质和气体。（4）热影响区大 由于较厚工件用电渣焊焊接是一次焊成，焊接速度比较慢，焊缝区在高温停留较长的时间。热影响区比其他焊接方法都大，晶粒粒大、易产生过热组织，力学性能有显著下降所以对较重要的构件，焊后须进行正火处理。,6、等离子弧焊和切割,等离子弧实质是一种导电截面被压缩得很小、能量转换非常激烈、电离度很大、热量非常集中的压缩电弧。这种电弧受三
16、种压缩作用：一 是两极间的电弧通过喷嘴细孔道的机械压缩，称为机械压缩效应；二 是水冷喷嘴使弧柱外层冷却，迫使带电粒子流向弧柱中心收缩称为 热压缩效应；三 是无数根平行导体所产生的自身磁场，使弧柱进一步压缩，称磁压缩效应。,电弧压缩成能量高度集中的高温等离子弧，温度可达2400050000K，能量密度可达l05-106W/cm2。弧柱内的气体被充分电离，形成离子化的导电气体，即等离子体。等离子弧焰流速可达数倍音速，表现出强大的冲击力。等离子弧技术可应用于切割。即利用等离子弧的高温将被割件熔化，并借助弧焰的机械冲击力把熔融金属强制排除，从而形成割缝以实现切割。等离子切割特别适用于切割高合金钢、铸铁
17、、铜、铝、镍、钛及其合金、难熔金属。,（点击 观看动画）,压力焊工艺方法,在焊接过程中，对焊件施加一定压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。压力焊的主要方法有：【电阻焊】【摩擦焊】【扩散焊】【爆炸焊】（）爆炸焊原理（）爆炸焊生产过程,电阻焊 利用电流通过焊件时产生的电阻热加热焊件，在压力下进行焊接。电阻焊接头的形状不同分为 点焊、缝焊和对焊等。一、点焊：利用上、下电极对焊件施加压力，通电加热在压力下成形焊接。1、焊点的形成过程 2、点焊是应用最广的焊接工艺之一。点焊汽车驾驶室,二、缝焊,利用滚盘对焊件进行加压，通电进行焊接。缝焊最适合焊接要求密封的薄板件生产。例如:1、汽车油箱的焊接 2、自
18、行车钢圈的生产与缝焊的过程,三、对焊,被焊工件两端面连接的电阻焊。它分为闪光对焊与电阻对焊、闪光对焊 将二件夹在两电极间经通电-爆裂闪光-移动工件-连续产生爆裂、闪光-快速加压-切断电流-形成焊接。*闪光对焊的焊接过程*自行车钢圈的焊接*铁锚链,2、电阻对焊,将二件夹在两电极间经加压、通电、顶锻将焊件焊接起来。*大功率三极管的外壳,钎焊工艺方法,利用熔点比工件材料低的填充金属熔化以后，填充接头间隙并与工件材料相互扩散实现连接的焊接方法。【钎焊的定义】,钎焊的主要方法有：,（1）硬钎焊 钎料的熔点高于450的钎焊，接头强度较高，都在200MPa以上。属于此类钎料有铜基、银基、镍基等。一般焊件多采
19、用黄铜钎料。【车刀的焊接】【铣刀的焊接】【自行车三角架盐液钎焊】,（2）软钎焊,钎料的熔点低于450 的钎焊。接头强度较低，一般不超过70MPa，它具有良好的润湿性和导电性。常用钎料锡铅合金，通称锡焊。广泛用于焊接受力不大的常温工作的仪表、导电元件及钢铁、铜及铜合金等制造的构件。【锡焊】【印刷电路板的波峰焊接】,注意：,母材的接触面应很干净，因此要用钎剂。钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化物和油污杂质，保护钎料和母材接触面不被氧化，增加钎料的润湿性和毛细流动性。钎剂的熔点应低于钎料，钎剂残渣对母材和接头的腐蚀性应较小。软钎焊常用的钎剂是松香或氯化锌溶液，硬钎焊常用的钎剂是硼砂、硼酸和碱性氟化
20、物的混合物。,钎焊的特点,组织和力学性能变化很小，变形也小，光滑平整，尺寸精确；可焊异种金属，厚度差无限制生产率高，复杂构件设备简单，投资费用少。但焊前清理要求严格，钎料价格较贵，主要用于精密仪表、电气零部件，异种金属构件及某些复杂薄板结构。,常用焊接方法的选择,粘接（胶接）,利用胶粘剂把两种性质相同或不同的物质牢固地粘合在一起的连接方法。粘接具有的特点：接头应力分布均匀，应力集中小，疲劳性能好。接头密封性好，耐蚀、绝缘。适应性强，金属之间、金属与非金属及非金属间的连接。工艺简单，易操作。,应用已有几千年历史，埃及金字塔、万里长城都发现胶粘剂的痕迹，30年代合成树脂、合成橡胶等合成高分子材料，为粘接技术开辟了广阔的前景。,胶粘剂,1.分类：（表3-8）2组成：基料、固化剂、增塑剂、稀释剂、填料3常用金属材料胶粘剂（表3-9）,粘接工艺过程,1表面准备接头设计、表面处理（无灰土、氧化膜、液态物质等）2胶粘剂的涂敷3接头装配4固化5检验6拆胶（表3-10）,
