《山大焊接物理冶金》PPT课件.ppt

,材料成型基础 焊接部分,山东大学材料科学与工程学院 现代焊接技术研究所 秦国梁 135 0540 0905, 办公室：南校区主楼526,课程的主要内容,1、 焊接的基本概念 13学时 2、 焊接化学冶金 33学时（Ch7、8、9） 3、 焊接热影响区组织与性能 23学时（Ch10） 4、焊接缺陷及控制 33学时（Ch11）,课程的授课计划,材料成型基础 Part I 焊接基本概念,焊接的基本概念,1、 焊接的定义及特点 2、 焊接技术的发展 3、 焊接的分类 4、 焊接应用 5、 焊接专业及其研究领域,连接技术的历史与发展,连接技术是伴随着材料的应用而产生的。在人类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶嵌、缝纫等连接技术。 当人类可以制造材料后，现代意义上的连接技术就开始萌生了。 除机械方法以外，钎焊或许是最古老的连接金属的技术。 焊接技术属于连接技术的范畴,1 焊接的定义及特点,Part I 焊接的基本概念,材料连接的方法 及其基本特征,连接技术已经出现了多种方法： 捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接 连接过程中涉及到的能量类型： 光、电、声、化学、机械 结合性质： 机械结合、化学结合和材质结合 焊接方法处于绝对主导地位 过程最复杂、发展最迅速 应用最广泛,1 焊接的定义及特点,Part I 焊接的基本概念,金属焊接的条件： 只有两块金属的距离d达到（35）10-10m时，金属原子之间便形成了金属键，实现焊接。,1 焊接的定义及特点,焊接的定义： 被焊工件(同材质或者不同材质)通过加热或加压(或两者并用), 采用或不用填充金属, 使被焊工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。,Part I 焊接的基本概念,1 焊接的定义及特点,使d达到(35)10-8cm的条件： a. 两块金属件要接触； b. 要有足够高的能量。,Part I 焊接的基本概念,1 焊接的定义及特点,焊接的特点优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。 焊接的特点缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏； 3）要产生焊接残余应力和焊接变形； 4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。,Part I 焊接的基本概念,焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异： 被焊接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。 焊接技术的主体内容： 涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。,1 焊接的定义及特点,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类熔化焊,熔化焊液相焊 钎焊液固相焊 压力焊固相焊,Part I 焊接的基本概念,固相焊,2 焊接的分类熔化焊,熔化焊：是指焊接过程中，对于紧密贴在一起的被焊工件，将焊接接头加热至熔化状态，在温度场、重力等的作用下，在不加压力条件下，两个工件熔融的液态金属混合，待温度降低后将两被焊工件牢固地凝结在一起，完成焊接的方法。,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类熔化焊,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类钎焊,钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接的焊接方法。,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类钎焊,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类压力焊,压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合，形成焊接接头的方法。,Part I 焊接的基本概念,焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等,2 焊接的分类压力焊,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类,熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较,Part I 焊接的基本概念,2 焊接的分类,Part I 焊接的基本概念,熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较,考古发现： 5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及） 5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及） 5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及） 4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及） 公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等（中国） 公元79年被火山爆发埋没的庞贝城中有用锡铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,钵的锡钎焊 （ 5000年以前美索布达米亚时代，大英博物馆收藏）,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,文献记载： 汉 班固 撰汉书：胡桐泪盲似眼泪也，可以汗金银也，今工匠皆用之。（汗即焊） 宋 宋应星 撰天工开物：中华小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终不可坚。（小钎即钎焊，大钎为锻焊） 明 方以智 撰物理小识：焊药以硼砂合铜为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄之类焊药，加银一分其中，则永不脱。试以圆盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之，亦一奇也。,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,从古代历史上来看，遥远的古代主要是以钎焊为代表的固相焊的发展，而到了近现代则是熔化焊技术的大发展。 在19世纪初，电弧的发现为材料连接技术带来了革命性的发展和进步,电弧作为一种可以使钢铁等高熔点材料熔化的能量高度集中的热源，使得金属材料的熔化焊接成为可能。,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,在十九世纪末，熔化电极的和非熔化电极的、直接作用电弧的和间接作用电弧的、手工的、半自动的和自动的、无保护的电弧和保护气氛中的电弧焊都已被提出和获得实施。 同一时期，气焊以及接触电焊（电阻焊）的基本形式-点焊和滚焊也获得了研究和发展。 随着冶金、化工、电工、电子等技术的不断发展和进步，以电弧焊为代表的熔化焊接技术成为材料连接领域中处于主导地位的连接方法。,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,从近现代历史上看, 焊接的发展主要是焊接热源的发展所推动的。 1801 迪威发现电弧放电现象 1855 俄罗斯人 碳弧焊(应用：铁管及容器的制造、蒸汽机修理；问题：碳使金属接头变得脆硬) 1886 美国人 电阻焊 1891 俄罗斯人 金属极焊接法(空气中铁电极) 1895 德国人 热剂焊 1901 法国人 氧乙炔焊 1907 瑞典人 焊条电弧焊,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,1909 瑞士人 金属喷焊 1912 瑞典人 开发出保护良好的厚涂层焊条 1920 英国人 全焊接船下水 1928 美国人 高频感应焊 1930s： 钨极氩弧焊、埋弧焊、厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊 1940s： 交流GTAW焊、直流金属极焊接GMAW,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,1950s： CO2气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦焊、超声波焊 1960s： 电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊 1970s： 激光焊接与切割 1980s： 离子束、太阳能、微波焊接 1990s： 搅拌摩擦焊FSW、复合热源焊接,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是： (1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。高能量密度和高温可使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速高效焊接生产。 (2) 热源性能稳定，易于调节和控制。热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。 (3) 高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。,Part I 焊接的基本概念,3 焊接技术的历史与发展,焊接工艺 及设备,4 焊接技术的应用,零件修复,材料切割,材料连接,再制造工程,表面改性,焊接技术的应用领域：,Part I 焊接的基本概念,4 焊接的应用,焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。据工业发达国家统计，每年用于制造焊接结构的钢材占钢总产量的70左右。 焊接不仅能解决各种钢材的连接，而且还能解决有色金属和钛、锆等特种金属材料的连接。焊接既能连接异种金属，又能连接厚薄相差悬殊的金属。因而已广泛地应用于机械、汽车、船舶、石油化工、电力、建筑、核能、海洋工程、航空航天、电子等工业领域。 随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术进步很快, 到现在焊接方法已发展到数十种之多。,Part I 焊接的基本概念,4 焊接的应用,目前许多新的焊接工艺正逐步用于焊接生产，极大地提高了焊接生产率和焊接质量。 与工业发达国家相比，我国的焊接机械化和自动化水平还较低，按熔化焊来计算，目前日本为67%，德国为80%，美国为56%，原苏联为40%，而我国还不到20%，其主要原因是我国焊接生产主要还靠手工电弧焊，自动化水平高的气体保护焊和埋弧自动焊应用少。从焊接生产工艺装备水平来看，我国近年来，生产了成套的焊接工艺装备和焊接生产线，也有的厂家从国外引进了自动化水平较高的焊接辅助装置，焊接质量和生产效率有了很大提高。,Part I 焊接的基本概念,4 焊接的应用,计算机控制系统在焊接生产工艺的应用，在国外已经比较普遍，除用于焊接工艺参数的控制之外，还可用于整条生产线、焊机的群控。它还可以根据材料厚度自动选择并预置焊接工艺参数，对焊接过程实现自适应控制、最佳控制以及智能控制等。 从焊接装备上讲，具有智能的焊接机器人，特别是具有自动路径规划，自动校正轨迹，自动控制熔深的机器人以及特殊用途的焊接专用装备是近期重点发展方向。 从焊接工艺上讲，优质、高效、低成本以及绿色、节能的焊接工艺，如复合热源焊接，是未来发展的重要方向。,Part I 焊接的基本概念,1952年，哈尔滨工业大学从50年入学的研究生中挑选了6名研究生进入第一届焊接师资研究班学习，成为第一届焊接师资研究班学员。 1953年9月哈尔滨工业大学又举办了第二届焊接师资研究班; 1958年9月至1959年2月哈工大又聘请了捷克布拉格工业大学教授F 法尔杜斯通讯院士来哈尔滨开办焊接结构讲学班，全国各校30多位教师来哈尔滨进修。 50年代，国外专家培养的研究生和本科生都陆续到高等院校和科研院所，进行焊接教学和科研工作。大多数人都在我国的焊接教育和研究岗位上辛勤耕耘了四、五十年成为我国焊接界著名的学者和教授，为我国焊接事业的发展做出了重大贡献。,5 焊接专业的基本介绍,焊接专业的发展：,Part I 焊接的基本概念,1952年: 哈工大于成立焊接教研室，同年从1950年入学的本科生中抽调两个班入焊接专业学习，开始焊接专业本科生的培养工作, 第一批焊接专业本科生于1956年毕业。 天津大学创建焊接教研室，培养焊接专业大专生, 1955年培养焊接专业本科生。 1955年: 清华大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。 上海交通大学、西安交通大学成立焊接教研室，同年招收焊接专业本科生。 1956年: 西北工业大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。 1958年: 山东工业大学成立焊接教研室，培养焊接专业本科生。 1959年: 大连铁道学院成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。,5 焊接专业的基本介绍,焊接专业的发展：,Part I 焊接的基本概念,1960年: 吉林工业大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。 至七十年代后期恢复高考时，我国设立焊接专业的高等学校有17所。 1988年，我国设有焊接专业的学校有30余所，其中包括2所大专及8所中专学校。到1992年，据不完全统计，全国有43所院校设立焊接专业。在大专院校专业合并前，全国有55所院校设立焊接专业。,5 焊接专业的基本介绍,焊接专业的发展：,Part I 焊接的基本概念,1998年：教育部颁布的新的本科专业目录中将铸造、锻压、焊接专业合并成材料成形及控制专业。