材料连接技术1

1、材料连接技术材料连接技术 Materials Welding and Joining Techniques 赵兴科赵兴科 课程编号：302706 引引 言言 一、材料连接的内涵一、材料连接的内涵 材料连接方法包括机械连接、焊接、钎接和胶接 等，其中焊接是金属连接的最重要方法。 材料连接是通过适当的手段，使两个或两个以上 分离的固态物体产生形成一个整体，从而实现物 理量的传导。 v 先进的的材料连接方法； v 先进材料的的连接方法。 先进材料连接表现为：先进材料连接表现为： 先进连接应具备下述特征：先进连接应具备下述特征： v 接头的质量好； v 连接生产率 ； v 节约材料； v 节约能源等。

2、 焊接与机械连接焊接与机械连接（如螺纹连接、铆接等）比较比较 强度高， 密封性好， 接头重量轻， 加工简单，节约材料。 v 先进的连接设备；连接设备； v 先进的的连接工艺连接工艺； v 先进的连接材料。连接材料。 先进材料连接的三个方面内容：先进材料连接的三个方面内容： 二、焊接行业现状二、焊接行业现状 .在装备制造业中的地位与作用 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

3、。 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：技术发挥了重要作用： v三峡水利枢纽三峡水利枢纽 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

4、焊接制造的关键。 v神州飞船神州飞船 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。 v煤直接液化装置的加氢反应器煤直接液化装置的加氢反应器 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 。 v西气东输的管线西气东输的管线 v舰船舰船 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

5、19家入围。 被称为被称为“中华第一盾中华第一盾”的的170舰，都是中国造船界的骄傲，舰，都是中国造船界的骄傲， 船体是典型的板船体是典型的板-焊结构。焊结构。 上海泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥。 v桥梁桥梁 国家大剧院的椭球型穹顶 是世界最重的钢结构穹顶。 v建筑建筑 奥林匹克主体育场的鸟巢 式钢结构重4万多吨，是 世界之最。 在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成 套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能 机组、 万瓦级循环硫化床（）锅 炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、 百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成 套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备等 “十一

6、五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项 目 连接（焊接）都是关键制造工艺之一。 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。 据工业发达国家统计,每年仅需要进行焊接加工后 使用的钢材就占钢总产量的45%左右。 焊接还可以解决铝、铜、钛、锆等有色金属及其 复合材料的连接。 2.焊接技术发展 新兴工业的发展仍然迫使焊接等连接技术不断前 进，以满足其需要，例如： 微电子工业的发展促进了微型连接工艺和 设备的发展； 陶瓷材料和复合材料的发展促进了钎焊、 真空扩散焊、喷涂以及粘结

7、工艺的发展等。 产生了先进的焊接设备、焊接材料和焊接技术。 电子束焊接、激光焊接、激光钎焊、激光与电弧 复合热源焊接、单丝或双丝窄间隙埋弧焊、丝 高速埋弧焊、双丝脉冲气体保护焊、等离子弧焊 接、机器人焊接系统、焊接柔性生产线、变极性 焊接电源、表面张力过渡焊接电源、全数字化焊 接电源以及目前国际上比较热门的搅拌摩擦焊技 术等。 随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展， 焊接技术不断进步。仅以新型焊接方法而言，到 目前为止，已达数十种之多。 世界各工业发达国家都非常重视焊接技术的发展与 创新。美国和德国专家在讨论21世纪焊接的作用和 发展方向。一致认为： 焊接是制造业的重要加工技术，精确、可

8、靠、低 成本，目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛 地应用于金属的连接，并对所焊产品增加更大的 附加值。 焊接技术（包括连接、切割、涂敷）现在以及将 来，都有最大可能成功地将各种材料加工成可投 入市场的产品的首选加工方法。 焊接对改善产品全寿命的成本、质量和可靠性是 至关重要的手段，而且对提高产品的市场竞争力 有重要贡献。 国外主要工业发达国家的政府很重视焊接技术的发 展，他们希望用先进的焊接技术来提高产品的生产 质量、提高效率、降低成本，以此来与劳力成本相 对低廉的国家进行市场竞争，这是一种战略手段。 中国制造业中以焊接为主要工艺技术的企业约有 7000家，其中特大型、大型和中型企业约占1/

9、3 。 焊接机器人是实现焊接自动化、柔性化的重要途径。 根据2005年的统计，全国焊接机器人约2700台， 其 中70%集中在汽车行业，但基本是进口的。 总之，焊接工艺已经不是一种辅助工艺，它在最近 几年已经成为制造业中的关键加工手段，完成了许 多关系国计民生与国防建设的重大战略性产品的生 产，中国已成为焊接大国，而非焊接强国。 本课程是材料加工工程专业硕士研究生的选修课。 二、本课程的性质二、本课程的性质 使学生对材料连接及其最新发展有较全面 的了解； 帮助学生灵活运用连接技术与思想，解决 今后各自岗位上遇到的相关问题； 希望更多的有生力量加入焊接强国建设者 的行列。 1.1.本课程的目的本

10、课程的目的 第一部分简要介绍各种连接技术的基本原理 和特点。 第二部分分类介绍当前材料连接方法的进展 和发展趋势。 第三部分介绍各典型行业中先进连接的应用 状况。 2.2.本课程的内容本课程的内容 教学内容教学内容学时数学时数 1 材料连接技术概述材料连接技术概述 1-1 材料连接的原理与分类材料连接的原理与分类 1-2 现代焊接技术的发展历程现代焊接技术的发展历程 1-3 常见焊接方法简介常见焊接方法简介 2 先进材料连接技术先进材料连接技术 2-1 先进的材料连接技术先进的材料连接技术 2-2 先进材料的连接技术先进材料的连接技术 3 典型行业中的连接技术典型行业中的连接技术 3-1 航天

11、航空行业航天航空行业 3-2 汽车工业汽车工业 3-3 造船业造船业 3-4 电子行业电子行业 6 2 1 3 8 4 4 8 2 2 2 2 3.3.教学内容与学时分配教学内容与学时分配 李志远等.先进连接方法. 北京:机械工业出版社,2000 任家烈等.先进材料的连接. 北京:机械工业出版社,2000 参考教材： 第一章第一章 材料连接技术概述材料连接技术概述 1-1 材料连接的原理与分类材料连接的原理与分类 1-2 焊接的发展历程焊接的发展历程 1-3 常见焊接方法简介常见焊接方法简介 一、材料连接的原理一、材料连接的原理 1.1 材料连接的原理与分类材料连接的原理与分类 材料连接方法包

12、括机械、焊接、钎接和胶接等， 其中焊接是金属连接的最重要方法。 除焊接外，其他的连接方法都要借助中间介质， 有明显的结合面。 焊接与其他连接方法从本质上不同。 1. 焊接的原理焊接的原理 固体是依靠键作用结合在一起的。以金属材料为例， 结合力为金属键。 根据双原子模型，两个原子之 间的结合力取决于二者之间的 引力和斥力；原子间距离为r* 时的结合力（引力）最大，大 于和小于r*时，结合力均显著 减小。 双原子相互作用模型双原子相互作用模型 从理论上讲，要达到焊接的目的，只须使两个工件 表面紧密接触，两个表面的原子间相距接近r*即可。 实际上，即使经过精密加工的金属表面，从微观上 也是存在凸凹不

13、平。同时金属表面常伴有氧化膜、 杂质原子吸附以及水分、有机物吸附层，这些都会 妨碍金属表面的紧密接触。 为了使金属表面紧密接触，就需要能量，有两种形式： 压力和热量。 2. 焊接的条件焊接的条件 压力可以破坏接触表面的氧化膜，使待连接处发生局部 塑性变性，增加有效接触面积； 热量可以使接触处金属达到塑性变形或熔化状态，并使 该处的氧化膜迅速分解，并增加原子的振动能，促进扩 散、化学反应、再结晶和结晶等物理化学反应。 每种金属实现焊接所必须的温度 和压力之间存在一定的关系，温 度越高需要的压力越小，熔化焊 接可以不需要压力。 金属材料焊接又可以表述成：通过加热、或加压，金属材料焊接又可以表述成：

14、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）接触处原子扩散、再结晶、化学（同种或异种）接触处原子扩散、再结晶、化学 反应和结晶等过程，从而形成共同晶粒的过程。反应和结晶等过程，从而形成共同晶粒的过程。 Welding is a process of metal joining by applying heat and sometime pressure. 通过加热和加压提供焊接能量外，还必须注意， 金属表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接过 程中再次形成表面膜，特别是氧化物。因此几乎 每一种焊接工艺都要在焊接过程中排除大气

15、，即 对焊接区域进行保护。 焊接保护的方法很多，可以使用焊剂、保护气氛 或者在真空中操作。 另一个焊接要求就是控制焊接冶金。焊接冶金包 括物理冶金和化学冶金，物理冶金如原子的扩散， 晶界迁移，熔化结晶；化学冶金包括焊接区域的 气氛-焊渣-液态金属-高温固态金属间的各种化学 反应。 总之，焊接连接必须满足四个方面的要求：总之，焊接连接必须满足四个方面的要求： v 通过加压或加热提供必须的能量； v 去除表面的氧化物； v 避免大气污染； v 控制焊接冶金。 二、焊接技术的分类二、焊接技术的分类 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。

16、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。 焊接方法名类繁多，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。 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 1. 焊接条件焊接条件 第一层次，按接缝处是否熔化将焊接方法划分为 三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。 第二层次，按能源种类细分为电弧焊、电阻焊、 气焊、铝热焊、摩擦焊等类。 第三层次，按保护方式等分为无保护、真空、气 保护等方法。 2. 接头成型过程接头成型过程 焊接焊接 固相焊固相焊钎焊钎焊熔化焊熔化焊 电焊电焊

17、化学能焊化学能焊 高能束焊高能束焊 非熔化极非熔化极 熔化极熔化极 电阻焊电阻焊 冷压焊冷压焊 摩擦焊摩擦焊 扩散焊扩散焊 闪光焊闪光焊 超声焊超声焊 爆炸焊爆炸焊 气电焊气电焊 焊条焊焊条焊 埋弧焊埋弧焊 药芯焊药芯焊 电渣焊电渣焊 钨极氩弧焊钨极氩弧焊 等离子弧焊等离子弧焊 氧乙炔焊氧乙炔焊 铝热剂焊铝热剂焊 激光焊激光焊 电子束焊电子束焊 软钎焊软钎焊 硬钎焊硬钎焊 固相焊固相焊 焊接过程中无液相参与过程。焊接过程中无液相参与过程。 电阻缝焊 熔化焊熔化焊 金属熔化金属熔化-混合混合-凝固。凝固。 Base metal melt + filler melt 钎焊钎焊 Filler met

18、al: brass or solder Base metal 低熔点填料熔化低熔点填料熔化-凝固。凝固。 软钎焊(soldering) 硬钎焊(brazing) 尚有一些分类边界模糊的焊接方法，如 闪光电阻对焊、瞬时液相扩散焊等。 3. 接头类型接头类型 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 平焊： 立焊； 仰焊： 4. 焊接位置焊接位置 对接：开坡口、不开坡口； 角接：内角、外角、搭接等。 6. 接头型式接头型式 1,2,3,4: 对接焊缝，开坡口对接焊缝，开坡口 5(5a,5b): 对接焊缝，不开坡口对接焊缝，不开坡口 6,7,8,14: 内角焊缝内角焊缝 9: 重力嵌缝重力嵌缝 10,11: 外角焊缝外角焊缝 12,13: 搭接焊缝搭接焊缝 15: 塞焊