1、材料連接技術(shù)材料連接技術(shù)Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號(hào)：302706引引 言言一、材料連接的內(nèi)涵一、材料連接的內(nèi)涵材料連接方法包括機(jī)械連接、焊接、釬接和膠接等，其中焊接是金屬連接的最重要方法。材料連接是通過適當(dāng)?shù)氖侄危箖蓚€(gè)或兩個(gè)以上分離的固態(tài)物體產(chǎn)生形成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)物理量的傳導(dǎo)。v 先進(jìn)的的材料連接方法；v 先進(jìn)材料的的連接方法。先進(jìn)材料連接表現(xiàn)為：先進(jìn)材料連接表現(xiàn)為：先進(jìn)連接應(yīng)具備下述特征：先進(jìn)連接應(yīng)具備下述特征：v 接頭的質(zhì)量好；v 連接生產(chǎn)率 ；v 節(jié)約材料；v 節(jié)約能源等。焊接與機(jī)械連接焊接與機(jī)械連接（如螺

2、紋連接、鉚接等）比較比較強(qiáng)度高， 密封性好， 接頭重量輕， 加工簡(jiǎn)單，節(jié)約材料。v 先進(jìn)的連接設(shè)備；連接設(shè)備；v 先進(jìn)的的連接工藝連接工藝；v 先進(jìn)的連接材料。連接材料。先進(jìn)材料連接的三個(gè)方面內(nèi)容：先進(jìn)材料連接的三個(gè)方面內(nèi)容：二、二、焊接行業(yè)現(xiàn)狀焊接行業(yè)現(xiàn)狀 .在裝備制造業(yè)中的地位與作用 焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸巨輪到不足克的微電子元件，在生產(chǎn)制造中都不同程度地應(yīng)用焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命以及生產(chǎn)的成本、效率和市場(chǎng)反應(yīng)速度。三峽水利樞紐的水電裝備就是一套龐大的焊接系統(tǒng)，包括導(dǎo)水管、

3、蝸殼、轉(zhuǎn)輪、大軸、發(fā)電機(jī)機(jī)座等，其中馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪直徑10.7m，高5.4m，重440t，為世界最大的鑄焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)和13或15個(gè)葉片焊接而成，每個(gè)轉(zhuǎn)輪的焊接需要用12t焊絲，耗時(shí)4個(gè)多月。 從從近年來中國完成的一些標(biāo)志性工程來看，焊接近年來中國完成的一些標(biāo)志性工程來看，焊接技術(shù)發(fā)揮了重要作用：技術(shù)發(fā)揮了重要作用：v三峽水利樞紐三峽水利樞紐神舟號(hào)飛船的成功發(fā)射與回收，標(biāo)志著中國航天事業(yè)的巨大進(jìn)步，其中兩名航天員活動(dòng)的返 回艙和軌道艙都是鋁合金的焊接結(jié)構(gòu)，而焊接接頭的氣密性和變形控制是焊接制造的關(guān)鍵。 v神州飛船神州飛船中國第一個(gè)煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器，直徑5.5m，長(zhǎng)6

4、2m， 厚337mm，重2060t，為當(dāng)今世界最大、最重的鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器，采用國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)雙絲窄間隙埋弧焊技術(shù)，每條環(huán)焊縫需連續(xù)焊接天。v煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器中國第一條高強(qiáng)鋼（X70）大直徑長(zhǎng)輸管線，長(zhǎng)4000km的西氣東輸?shù)墓芫€，所用的螺旋鋼管和直縫鋼管全部是板焊形式的焊接管 。v西氣東輸?shù)墓芫€西氣東輸?shù)墓芫€v艦船艦船2007年我國造船訂單量晉身全球第一2007年8月，英國權(quán)威統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)發(fā)布了世界造船企業(yè)50強(qiáng)排名，中國企業(yè)共有19家入圍。被稱為被稱為“中華第一盾中華第一盾”的的170艦，都是中國造船界的驕傲，艦，都是中國造船界的驕傲，船體是典型

5、的板船體是典型的板-焊結(jié)構(gòu)。焊結(jié)構(gòu)。上海瀘浦大橋是世界最長(zhǎng)的全焊鋼拱橋。v橋梁橋梁國家大劇院的橢球型穹頂是世界最重的鋼結(jié)構(gòu)穹頂。v建筑建筑奧林匹克主體育場(chǎng)的鳥巢式鋼結(jié)構(gòu)重4萬多噸，是世界之最。在百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組、超超臨界火力發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備、高水頭超大容量水電機(jī)組、大型抽水蓄能機(jī)組、 萬瓦級(jí)循環(huán)硫化床（）鍋爐的成套技術(shù)裝備、百萬噸級(jí)大型乙烯成套設(shè)備、百萬噸級(jí)大型對(duì)苯二甲酸成套設(shè)備、大型煤制氣成套設(shè)備以及大型煤礦綜合采掘成套技術(shù)與裝備等“十一五”規(guī)劃的二十項(xiàng)國家重大技術(shù)裝備的研制項(xiàng)目連接（焊接）都是關(guān)鍵制造工藝之一。這些大型結(jié)構(gòu)都是中國焊接制造的最大、最重、最長(zhǎng)、最高、最厚、最新的具有代表性的

6、重要產(chǎn)品。由此可見，連接（焊接）在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)中具有非常重要的地位和作用。 據(jù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家統(tǒng)計(jì),每年僅需要進(jìn)行焊接加工后使用的鋼材就占鋼總產(chǎn)量的45%左右。 焊接還可以解決鋁、銅、鈦、鋯等有色金屬及其復(fù)合材料的連接。2.焊接技術(shù)發(fā)展新興工業(yè)的發(fā)展仍然迫使焊接等連接技術(shù)不斷前進(jìn)，以滿足其需要，例如：微電子工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了微型連接工藝和設(shè)備的發(fā)展；陶瓷材料和復(fù)合材料的發(fā)展促進(jìn)了釬焊、真空擴(kuò)散焊、噴涂以及粘結(jié)工藝的發(fā)展等。產(chǎn)生了先進(jìn)的焊接設(shè)備、焊接材料和焊接技術(shù)。電子束焊接、激光焊接、激光釬焊、激光與電弧復(fù)合熱源焊接、單絲或雙絲窄間隙埋弧焊、絲高速埋弧焊、雙絲脈沖氣體保護(hù)焊、等離子弧焊接、

7、機(jī)器人焊接系統(tǒng)、焊接柔性生產(chǎn)線、變極性焊接電源、表面張力過渡焊接電源、全數(shù)字化焊接電源以及目前國際上比較熱門的攪拌摩擦焊技術(shù)等。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，焊接技術(shù)不斷進(jìn)步。僅以新型焊接方法而言，到目前為止，已達(dá)數(shù)十種之多。世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視焊接技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。美國和德國專家在討論21世紀(jì)焊接的作用和發(fā)展方向。一致認(rèn)為： 焊接是制造業(yè)的重要加工技術(shù)，精確、可靠、低成本，目前還沒有其它方法能夠比焊接更為廣泛地應(yīng)用于金屬的連接，并對(duì)所焊產(chǎn)品增加更大的附加值。焊接技術(shù)（包括連接、切割、涂敷）現(xiàn)在以及將來，都有最大可能成功地將各種材料加工成可投入市場(chǎng)的產(chǎn)品的首選加工方法。焊

8、接對(duì)改善產(chǎn)品全壽命的成本、質(zhì)量和可靠性是至關(guān)重要的手段，而且對(duì)提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要貢獻(xiàn)。 國外主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的政府很重視焊接技術(shù)的發(fā)展，他們希望用先進(jìn)的焊接技術(shù)來提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、提高效率、降低成本，以此來與勞力成本相對(duì)低廉的國家進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，這是一種戰(zhàn)略手段。中國制造業(yè)中以焊接為主要工藝技術(shù)的企業(yè)約有 7000家，其中特大型、大型和中型企業(yè)約占1/3 。焊接機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化、柔性化的重要途徑。根據(jù)2005年的統(tǒng)計(jì)，全國焊接機(jī)器人約2700臺(tái)， 其中70%集中在汽車行業(yè)，但基本是進(jìn)口的。總之，焊接工藝已經(jīng)不是一種輔助工藝，它在最近幾年已經(jīng)成為制造業(yè)中的關(guān)鍵加工手段，完成了許多關(guān)

9、系國計(jì)民生與國防建設(shè)的重大戰(zhàn)略性產(chǎn)品的生產(chǎn)，中國已成為焊接大國，而非焊接強(qiáng)國。 本課程是材料加工工程專業(yè)碩士研究生的選修課。二、本課程的性質(zhì)二、本課程的性質(zhì) 使學(xué)生對(duì)材料連接及其最新發(fā)展有較全面的了解； 幫助學(xué)生靈活運(yùn)用連接技術(shù)與思想，解決今后各自崗位上遇到的相關(guān)問題； 希望更多的有生力量加入焊接強(qiáng)國建設(shè)者的行列。1.1.本課程的目的本課程的目的 第一部分簡(jiǎn)要介紹各種連接技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)。 第二部分分類介紹當(dāng)前材料連接方法的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。 第三部分介紹各典型行業(yè)中先進(jìn)連接的應(yīng)用狀況。2.2.本課程的內(nèi)容本課程的內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)學(xué)時(shí)數(shù)1 材料連接技術(shù)概述材料連接技術(shù)概述 1-1

10、材料連接的原理與分類材料連接的原理與分類 1-2 現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展歷程現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展歷程 1-3 常見焊接方法簡(jiǎn)介常見焊接方法簡(jiǎn)介2 先進(jìn)材料連接技術(shù)先進(jìn)材料連接技術(shù) 2-1 先進(jìn)的材料連接技術(shù)先進(jìn)的材料連接技術(shù) 2-2 先進(jìn)材料的連接技術(shù)先進(jìn)材料的連接技術(shù)3 典型行業(yè)中的連接技術(shù)典型行業(yè)中的連接技術(shù) 3-1 航天航空行業(yè)航天航空行業(yè) 3-2 汽車工業(yè)汽車工業(yè) 3-3 造船業(yè)造船業(yè) 3-4 電子行業(yè)電子行業(yè)6213844822223.3.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配 李志遠(yuǎn)等.先進(jìn)連接方法. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000任家烈等.先進(jìn)材料的連接. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000

11、參考教材：第一章第一章 材料連接技術(shù)概述材料連接技術(shù)概述1-1 材料連接的原理與分類材料連接的原理與分類1-2 焊接的發(fā)展歷程焊接的發(fā)展歷程1-3 常見焊接方法簡(jiǎn)介常見焊接方法簡(jiǎn)介一、材料連接的原理一、材料連接的原理1.1 材料連接的原理與分類材料連接的原理與分類材料連接方法包括機(jī)械、焊接、釬接和膠接等，其中焊接是金屬連接的最重要方法。除焊接外，其他的連接方法都要借助中間介質(zhì)，有明顯的結(jié)合面。焊接與其他連接方法從本質(zhì)上不同。1. 焊接的原理焊接的原理固體是依靠鍵作用結(jié)合在一起的。以金屬材料為例，結(jié)合力為金屬鍵。根據(jù)雙原子模型，兩個(gè)原子之間的結(jié)合力取決于二者之間的引力和斥力；原子間距離為r*時(shí)的

12、結(jié)合力（引力）最大，大于和小于r*時(shí)，結(jié)合力均顯著減小。雙原子相互作用模型雙原子相互作用模型從理論上講，要達(dá)到焊接的目的，只須使兩個(gè)工件 表面緊密接觸，兩個(gè)表面的原子間相距接近r*即可。實(shí)際上，即使經(jīng)過精密加工的金屬表面，從微觀上也是存在凸凹不平。同時(shí)金屬表面常伴有氧化膜、雜質(zhì)原子吸附以及水分、有機(jī)物吸附層，這些都會(huì)妨礙金屬表面的緊密接觸。為了使金屬表面緊密接觸，就需要能量，有兩種形式：壓力和熱量。2. 焊接的條件焊接的條件壓力可以破壞接觸表面的氧化膜，使待連接處發(fā)生局部塑性變性，增加有效接觸面積；熱量可以使接觸處金屬達(dá)到塑性變形或熔化狀態(tài)，并使該處的氧化膜迅速分解，并增加原子的振動(dòng)能，促進(jìn)擴(kuò)

13、散、化學(xué)反應(yīng)、再結(jié)晶和結(jié)晶等物理化學(xué)反應(yīng)。每種金屬實(shí)現(xiàn)焊接所必須的溫度和壓力之間存在一定的關(guān)系，溫度越高需要的壓力越小，熔化焊接可以不需要壓力。金屬材料焊接又可以表述成：通過加熱、或加壓，金屬材料焊接又可以表述成：通過加熱、或加壓，或二者并用，使分離的兩種或兩種以上的材料或二者并用，使分離的兩種或兩種以上的材料（同種或異種）接觸處原子擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)（同種或異種）接觸處原子擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)和結(jié)晶等過程，從而形成共同晶粒的過程。反應(yīng)和結(jié)晶等過程，從而形成共同晶粒的過程。Welding is a process of metal joining by applying heat and s

14、ometime pressure.通過加熱和加壓提供焊接能量外，還必須注意，金屬表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接過程中再次形成表面膜，特別是氧化物。因此幾乎每一種焊接工藝都要在焊接過程中排除大氣，即對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。焊接保護(hù)的方法很多，可以使用焊劑、保護(hù)氣氛或者在真空中操作。另一個(gè)焊接要求就是控制焊接冶金。焊接冶金包括物理冶金和化學(xué)冶金，物理冶金如原子的擴(kuò)散，晶界遷移，熔化結(jié)晶；化學(xué)冶金包括焊接區(qū)域的氣氛-焊渣-液態(tài)金屬-高溫固態(tài)金屬間的各種化學(xué)反應(yīng)。總之，焊接連接必須滿足四個(gè)方面的要求：總之，焊接連接必須滿足四個(gè)方面的要求：v 通過加壓或加熱提供必須的能量；v 去除表面的氧化物；v 避

15、免大氣污染；v 控制焊接冶金。二、焊接技術(shù)的分類二、焊接技術(shù)的分類自百年前電弧焊發(fā)明以來，現(xiàn)代焊接技術(shù)已迅速 發(fā)展成為制造工業(yè)中的重要技術(shù)。現(xiàn)在已有90余種工藝。采用了熱、電、光、聲、磁等一切可以利用的熱源。應(yīng)用電子、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的控制技術(shù)。焊接方法名類繁多，而且新的方法仍在不斷涌現(xiàn)，因此如何對(duì)焊接進(jìn)行科學(xué)的分類是一個(gè)十分重要的問題。1固相焊；2熱化學(xué)焊；3電阻焊；4無保護(hù)電弧焊；5焊劑保護(hù)電弧焊；6氣保護(hù)電弧焊；7輻射能焊1. 焊接條件焊接條件 第一層次，按接縫處是否熔化將焊接方法劃分為三大類，即熔化焊、固相焊和釬焊。 第二層次，按能源種類細(xì)分為電弧焊、電阻焊、氣焊、鋁熱焊、摩擦焊等類。 第

16、三層次，按保護(hù)方式等分為無保護(hù)、真空、氣保護(hù)等方法。2. 接頭成型過程接頭成型過程焊接焊接固相焊固相焊釬焊釬焊熔化焊熔化焊電焊電焊 化學(xué)能焊化學(xué)能焊高能束焊高能束焊 非熔化極非熔化極 熔化極熔化極 電阻焊電阻焊 冷壓焊冷壓焊摩擦焊摩擦焊 擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊閃光焊閃光焊超聲焊超聲焊爆炸焊爆炸焊氣電焊氣電焊 焊條焊焊條焊埋弧焊埋弧焊藥芯焊藥芯焊 電渣焊電渣焊鎢極氬弧焊鎢極氬弧焊等離子弧焊等離子弧焊氧乙炔焊氧乙炔焊鋁熱劑焊鋁熱劑焊激光焊激光焊電子束焊電子束焊軟釬焊軟釬焊硬釬焊硬釬焊固相焊固相焊焊接過程中無液相參與過程。焊接過程中無液相參與過程。電阻縫焊熔化焊熔化焊金屬熔化金屬熔化-混合混合-凝固。凝固。B

17、ase metal melt + filler melt釬焊釬焊Filler metal: brass or solderBase metal低熔點(diǎn)填料熔化低熔點(diǎn)填料熔化-凝固。凝固。軟釬焊(soldering)硬釬焊(brazing)尚有一些分類邊界模糊的焊接方法，如閃光電阻對(duì)焊、瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊等。3. 接頭類型接頭類型對(duì)接：絲對(duì)接、板對(duì)接、棒對(duì)接等角接：丁字角接，十字角接等搭接：絲搭接、板搭接等平焊：立焊；仰焊：4. 焊接位置焊接位置 對(duì)接：開坡口、不開坡口；角接：內(nèi)角、外角、搭接等。6. 接頭型式接頭型式1,2,3,4: 對(duì)接焊縫，開坡口對(duì)接焊縫，開坡口5(5a,5b): 對(duì)接焊縫，不開坡口對(duì)接焊縫，不開坡口6,7,8,14: 內(nèi)角焊縫內(nèi)角焊縫9: 重力嵌縫重力嵌縫10,11: 外角焊縫外角焊縫12,13: 搭接焊縫搭接焊縫