材料工程基础第八章的连接

1、第八章第八章 材料的连接材料的连接 第一节第一节 材料的焊接材料的焊接 目录目录8.1 概述概述8.2 焊接的分类焊接的分类8.3 焊接工艺焊接工艺8.4 粘接的分类粘接的分类8.5 粘接理论粘接理论8.6 粘接接头设计粘接接头设计8.1 概述概述 材料的连接是将若干个构件连接为一体的材料的连接是将若干个构件连接为一体的成形方法，按其机理不同，可分为焊接、成形方法，按其机理不同，可分为焊接、粘结和机械连接等三大类。粘结和机械连接等三大类。铆接铆接使用铆钉连接两件或两件以上的工件叫铆接。使用铆钉连接两件或两件以上的工件叫铆接。 栓接栓接 由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部由头部和螺杆（带有外

2、螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与分组成的一类紧固件，需与螺母螺母配合，用于配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。紧固连接两个带有通孔的零件。 这种连接这种连接形式就称为形式就称为螺栓连接螺栓连接，即，即栓接栓接。如把螺母从。如把螺母从螺栓上旋下，又可以螺栓上旋下，又可以使这两个零件分开，使这两个零件分开，故螺栓连接是属于故螺栓连接是属于可可拆卸拆卸连接。连接。焊接焊接 焊接是一种焊接是一种永久性连接永久性连接金属材料的工艺方法。焊金属材料的工艺方法。焊接过程的实质是用加热或加压等手段，借助于接过程的实质是用加热或加压等手段，借助于金金属原子的结合属原子的结合与与扩散扩散作用，使分离的

3、金属材料牢作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。固地连接起来。 焊接在现代工业生产中具有十分重要地作用，在焊接在现代工业生产中具有十分重要地作用，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越，制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越，因为它可以用因为它可以用化大为小，化复杂为简单地方法化大为小，化复杂为简单地方法准准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大，备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大，这是其他工艺方法难以做到的。这是其他工艺方法难以做到的。8.2 焊接的分类焊接的分类 根据被焊材料（母材）是否熔化，焊接方根据被焊材料（母材）是否熔化，焊接方法大致可以分为三类：法大致可以分为三类：

4、熔焊熔焊 压焊压焊 钎焊钎焊熔焊熔焊 熔化焊的基本原理是指将填充材料（如焊熔化焊的基本原理是指将填充材料（如焊丝）和工件的连接区母材基体材料丝）和工件的连接区母材基体材料共同加共同加热热至至熔化熔化状态，在连接处形成熔池，熔池状态，在连接处形成熔池，熔池中的液态金属冷却凝固后形成牢固的焊接中的液态金属冷却凝固后形成牢固的焊接接头，使分离工件连接成为一个整体。接头，使分离工件连接成为一个整体。 熔焊是焊接最基本的焊接方法。根据焊接熔焊是焊接最基本的焊接方法。根据焊接能源种类能源种类、能源传递介质和方式的不同，、能源传递介质和方式的不同，熔化焊可分为：熔化焊可分为：气焊、电弧焊、电渣焊、气焊、电弧

5、焊、电渣焊、等离子焊、电子束焊和激光焊等离子焊、电子束焊和激光焊等。等。气焊气焊 利用可燃性气体与氧气燃烧产生的热量利用可燃性气体与氧气燃烧产生的热量（化学能（化学能-热能）作为热源。热能）作为热源。 火焰一方面把工件接头的表层金属熔化，火焰一方面把工件接头的表层金属熔化，同时把金属焊丝熔入接头的空隙中，形成同时把金属焊丝熔入接头的空隙中，形成金属熔池。当焊炬向前移动，熔池金属随金属熔池。当焊炬向前移动，熔池金属随即凝固成为焊缝，使工件的两部分牢固地即凝固成为焊缝，使工件的两部分牢固地连接成为一体。连接成为一体。 1-1-焊丝；焊丝；2-2-焊嘴；焊嘴；3-3-工件工件电弧焊电弧焊 电弧焊是工

6、业生产中应用最广泛的焊接方电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用法，它的原理是利用电弧放电电弧放电（俗称电弧（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。头的焊接过程。 主要电弧焊方法有主要电弧焊方法有手工电弧焊、埋弧焊、手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊气体保护焊等等。等等。 手工电弧焊是利用焊条与工件之间产生的手工电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧热将工件和焊条熔化的一种焊接方法。电弧热将工件和焊条熔化的一种焊接方法。视频手工电弧焊手工电弧焊 手工电弧焊是

7、利用焊条与工件之间产生的手工电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧热将工件和焊条熔化的一种焊接方法。电弧热将工件和焊条熔化的一种焊接方法。焊机焊机焊钳焊钳焊条焊条基本工艺装备基本工艺装备焊条焊条焊条的组成焊条的组成焊条由焊条由焊芯焊芯和和药皮药皮两部分组成。两部分组成。 焊芯是具有一定长度和直径的焊接焊芯是具有一定长度和直径的焊接专用金专用金属丝属丝。它的作用如下：。它的作用如下： 作用电极，起传导焊接电弧的作用作用电极，起传导焊接电弧的作用 起填充金属的作用起填充金属的作用 维持电弧稳定燃烧维持电弧稳定燃烧药皮药皮 药皮的组成比较复杂，其组成物按作用分有稳弧剂、药皮的组成比较复杂，其组成物按作

8、用分有稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂，合金剂及粘结剂等。其造气剂、造渣剂、脱氧剂，合金剂及粘结剂等。其作用如下：作用如下：机械保护机械保护作用：利用药皮熔化后释放出的气体和形作用：利用药皮熔化后释放出的气体和形成的的熔渣隔离空气，防止有害气体侵入融化金属。成的的熔渣隔离空气，防止有害气体侵入融化金属。冶金处理冶金处理作用：去处有害杂质（如氧、氢、硫、磷）作用：去处有害杂质（如氧、氢、硫、磷）和添加有益的合金元素，获得合乎要求的化学成分和添加有益的合金元素，获得合乎要求的化学成分和机械要求。和机械要求。改善焊接工艺改善焊接工艺性能：使电弧燃烧稳定，飞溅少，焊性能：使电弧燃烧稳定，飞溅少，焊缝成型

9、好，易脱渣等。缝成型好，易脱渣等。工件工件接触引弧接触引弧钢焊条焊接钢材时的焊钢焊条焊接钢材时的焊接电弧接电弧焊接电弧是在电极和工件间的气体介质中长时间放电的现象。焊接电弧是在电极和工件间的气体介质中长时间放电的现象。电弧引燃时，弧柱中充满了高温电离气体，发出大量的电弧引燃时，弧柱中充满了高温电离气体，发出大量的光光和和热热焊缝附近焊缝附近基体金属基体金属焊焊 条条药药 皮皮焊焊 芯芯熔熔 渣渣熔熔 化化焊焊 缝缝CO2保护熔池保护熔池电电弧弧电电弧弧手工电弧焊的焊接过程手工电弧焊的焊接过程 手工电弧焊的优缺点手工电弧焊的优缺点 优点优点：设备简单，易于维护，使用灵活；：设备简单，易于维护，使

10、用灵活；适于多种钢材和有色金属等，是应用最广适于多种钢材和有色金属等，是应用最广泛的焊接方法。泛的焊接方法。 缺点缺点：焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，：焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，焊缝质量不稳定。焊缝质量不稳定。 埋弧焊埋弧焊 埋弧焊也是利用电弧作为热源的焊接方法。埋弧焊也是利用电弧作为热源的焊接方法。埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊剂可熔化焊剂覆盖覆盖下燃烧，下燃烧，电弧光不外露电弧光不外露。埋弧焊由此得。埋弧焊由此得名。所用的金属电极是不间断送进的名。所用的金属电极是不间断送进的裸焊丝裸焊丝。 焊接材料焊接材料焊焊 剂剂焊焊 丝丝熔熔 炼炼焊焊 剂剂陶陶

11、瓷瓷焊焊 剂剂相当相当于焊于焊 芯芯相当相当于药于药 皮皮熔炼焊剂：熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适在熔炼炉中制备，成分均匀，适于大量生产；于大量生产；陶瓷焊剂：陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。度低。焊丝与焊剂焊丝与焊剂埋弧自动焊的特点埋弧自动焊的特点 焊接质量高且稳定；焊接质量高且稳定； 熔深大，节省焊接材料；熔深大，节省焊接材料； 无弧光无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少；，无金属飞溅，焊接烟雾少； 自动化自动化操作，生产效率高。操作，生产效率高。 设备昂贵，工艺复杂，适于设备昂贵，工艺复杂，适于长长的直线焊缝的直线焊缝和圆筒形工件的纵、环焊缝的批

12、量生产。和圆筒形工件的纵、环焊缝的批量生产。气体保护焊气体保护焊 气体保护焊是气体保护焊是利用保护性气体利用保护性气体防止外界有防止外界有害气体对熔池进行侵害的特殊焊接方法。害气体对熔池进行侵害的特殊焊接方法。它适于一些它适于一些化学性质活泼化学性质活泼的金属焊缝的焊的金属焊缝的焊接作业。接作业。 主要有主要有氩弧焊、氩弧焊、CO2气体保护焊和混合气体气体保护焊和混合气体保护焊保护焊。压焊压焊 压力焊（俗称压力焊（俗称固态焊固态焊）是在）是在压力压力（加热或（加热或不加热）作用下，在被焊的分离金属结合不加热）作用下，在被焊的分离金属结合面产生面产生塑性变形塑性变形而使金属连接成为整体的而使金属

13、连接成为整体的焊接工艺。焊接工艺。 不加热的压焊过程称为不加热的压焊过程称为冷冷压焊压焊 加热压焊过程称为加热压焊过程称为热热压焊压焊 根据加热热源各类不同，热压焊可以分为：根据加热热源各类不同，热压焊可以分为： 电阻焊（点焊、缝焊、对焊）电阻焊（点焊、缝焊、对焊） 摩擦焊摩擦焊 超声焊超声焊 爆炸焊爆炸焊 真空扩散焊真空扩散焊钎焊钎焊 钎焊是利用熔点比被焊接金属钎焊是利用熔点比被焊接金属熔点低熔点低的金的金属作钎料，将钎料与工件一起加热到钎料属作钎料，将钎料与工件一起加热到钎料熔化状态，借助毛细管作用将其吸入到固熔化状态，借助毛细管作用将其吸入到固态间歇内，使钎料与固态工件表面发生原态间歇内

14、，使钎料与固态工件表面发生原子的相互扩散、溶解和化合而连成整体的子的相互扩散、溶解和化合而连成整体的焊接方法。根据钎料熔点不同，钎焊可以焊接方法。根据钎料熔点不同，钎焊可以分为：分为： 软钎焊和硬钎焊软钎焊和硬钎焊软钎焊软钎焊 软钎焊是指使用的软钎焊是指使用的钎料熔点低于钎料熔点低于480的钎的钎焊，通常用焊，通常用烙铁加热烙铁加热。软钎焊的接头强度。软钎焊的接头强度不高（不高（70MPa）。含少量锑的锡铁合金）。含少量锑的锡铁合金钎料应用最广泛。钎料应用最广泛。 软钎焊所用的软钎焊所用的钎剂钎剂主要有：主要有：松香、松香、ZnCl2溶溶液、液、 ZnCl2钎剂膏等（钎剂主要用来清除氧钎剂膏等

15、（钎剂主要用来清除氧化物，保护钎焊区，增加润湿性）。化物，保护钎焊区，增加润湿性）。 软钎料主要应用于焊接受力不大的常温工软钎料主要应用于焊接受力不大的常温工作的仪表、导电元件等。作的仪表、导电元件等。 硬钎焊硬钎焊 硬钎焊是指使用的钎料熔点硬钎焊是指使用的钎料熔点高于高于480的钎的钎焊。其主要加热方式有：火焰加热、电阻焊。其主要加热方式有：火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热、盐浴加热等。加热、感应加热、炉内加热、盐浴加热等。软钎焊的接头强度不高（软钎焊的接头强度不高（800MPa）。）。 硬钎焊所用的硬钎焊所用的钎剂主要有：硼砂、硼酸和钎剂主要有：硼砂、硼酸和氟化物氟化物等。等。 硬钎

16、料主要用于钎焊受力大，工作温度较硬钎料主要用于钎焊受力大，工作温度较高的工件。高的工件。钎焊接头的形成过程钎焊接头的形成过程 钎焊接头的形成包括两个过程：钎焊接头的形成包括两个过程： 钎料钎料熔化熔化和和流入流入、填充接头间歇形成钎料、填充接头间歇形成钎料充满焊缝的过程；充满焊缝的过程； 液态钎料与钎焊金属液态钎料与钎焊金属相互作用相互作用。 钎料填充焊缝过程示意图钎料填充焊缝过程示意图液态钎料和固态金属之间的相互作用液态钎料和固态金属之间的相互作用8.3 焊接工艺焊接工艺 焊接工艺性是指与制造焊件有关的加工方焊接工艺性是指与制造焊件有关的加工方法和实施要求，包括法和实施要求，包括焊前准备、材

17、料选用、焊前准备、材料选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求焊接方法选定、焊接参数、操作要求等等。等等。材料的焊接性材料的焊接性焊接方法、规范参数的选择焊接方法、规范参数的选择焊接质量控制焊接质量控制焊接安全生产焊接安全生产材料的焊接性材料的焊接性 金属的金属的可焊性可焊性是金属材料对焊接加工的适是金属材料对焊接加工的适应性。即金属在一定焊接方法、焊接材料、应性。即金属在一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质的工艺参数及结构型式条件下，获得优质的焊接接头的难易程度。它主要包括两个方焊接接头的难易程度。它主要包括两个方面：面：a.工艺性能，产生工艺工艺性能，产生工艺缺陷的倾向

18、缺陷的倾向。b.使用性能，即焊接接头在使用性能，即焊接接头在使用中的可靠性使用中的可靠性。 从理论上讲任何材料都有通过焊接加工实从理论上讲任何材料都有通过焊接加工实现的可能性，但就人类现在已掌握的技术现的可能性，但就人类现在已掌握的技术来看，大多数材料很难通过焊接加工实现来看，大多数材料很难通过焊接加工实现连接，只有连接，只有少数金属少数金属材料适应焊接加工，材料适应焊接加工，如铁、镍、铝、铜、钛等金属及其合金。如铁、镍、铝、铜、钛等金属及其合金。其中，其中，低碳钢、低合金结构钢低碳钢、低合金结构钢具有良好的具有良好的焊接性。焊接性。 一般认为普通碳钢：一般认为普通碳钢： 当当w(C) 0.2

19、8%焊接性良好焊接性良好 当当w(C)0.280.6%焊接性稍差焊接性稍差 当当w(C) 0.3%时焊接性较差时焊接性较差低合金钢的焊接性可以以低合金钢的焊接性可以以碳当量碳当量Ce决定，决定， Ce=W(C)+W(Mn)/6+W(Cr+Mo+V)/5 +W(Ni+Cu)/15 （%） 有色金属的可焊性：一般铜、铝等有色金属的可焊性：一般铜、铝等纯度纯度越越高焊接性能越好，含合金越多其焊接性能高焊接性能越好，含合金越多其焊接性能越差。越差。金属焊接性的评定金属焊接性的评定 当当Ce0.28%时，钢材焊接性能时，钢材焊接性能良好良好，无，无裂纹倾向，焊接不需预热。裂纹倾向，焊接不需预热。 当当C

20、e=0.280.4%时，钢材焊接性能时，钢材焊接性能一般一般，裂纹倾向小，一般不需预热。（结构复杂裂纹倾向小，一般不需预热。（结构复杂和厚板需预热。）和厚板需预热。） 当当Ce=0.40.6%时，钢材焊接性能时，钢材焊接性能较差较差，裂纹倾向明显，焊前应预热，焊后去应力。裂纹倾向明显，焊前应预热，焊后去应力。 当当Ce0.6%时，钢材焊接性能时，钢材焊接性能不好不好，容易，容易形成裂纹。形成裂纹。焊接方法、规范参数的选择焊接方法、规范参数的选择 1、焊缝应尽可能、焊缝应尽可能分散分散布置。布置。 2、避免集中和交叉，否则容易产生应力和、避免集中和交叉，否则容易产生应力和变形。变形。 图图b焊缝

21、集中；焊缝集中；b焊缝分布均匀焊缝分布均匀 3、焊缝布置应尽可能、焊缝布置应尽可能对称对称。a图，焊接偏下，易变形；图，焊接偏下，易变形； a图图 ，焊接在对称中心不易变形。，焊接在对称中心不易变形。4、焊缝布置应便于焊接操作。、焊缝布置应便于焊接操作。容易焊接容易焊接 不容易焊接不容易焊接5、尽量减少焊缝长度和数量。、尽量减少焊缝长度和数量。、焊缝应尽量避开机械加工表面、焊缝应尽量避开机械加工表面、因焊缝底面的强度往往较弱，当焊缝受、因焊缝底面的强度往往较弱，当焊缝受弯时，要把底面（未焊的一侧）放在受压弯时，要把底面（未焊的一侧）放在受压力的一面。力的一面。合理合理 不合理不合理、不同厚度或

22、不同宽度的钢板焊接时，接、不同厚度或不同宽度的钢板焊接时，接头处要头处要平缓过渡平缓过渡；受力的焊缝，不要把焊；受力的焊缝，不要把焊缝配置在弯折处。缝配置在弯折处。、在焊接的端部产生锐角的地方，应尽量、在焊接的端部产生锐角的地方，应尽量使用使用角度变缓角度变缓。10、合理地安排焊缝位置。焊缝要对称于构、合理地安排焊缝位置。焊缝要对称于构件截面的中性轴，或在中性轴上。件截面的中性轴，或在中性轴上。不合理不合理 合理合理焊接接头型式焊接接头型式对接角接搭接T型接对接对接搭接搭接角接角接 T字接字接焊接坡口形状焊接坡口形状 I 形坡口形坡口 Y形坡口形坡口 双双Y形坡口形坡口 U形坡口形坡口I 形坡

23、口形坡口Y形坡口形坡口双双Y形坡口形坡口U形坡口形坡口焊接质量控制焊接质量控制 焊接质量包括焊接质量包括焊接接头焊接接头和和焊接结构质量焊接结构质量两两个方面内容。焊接接头常见的焊接缺陷有个方面内容。焊接接头常见的焊接缺陷有： 裂纹裂纹 气孔气孔 夹渣夹渣 未熔合、未焊透未熔合、未焊透 形状缺陷形状缺陷焊接安全生产焊接安全生产 预防弧光照射预防弧光照射 预防触电预防触电 预防烫伤预防烫伤 防火、防爆防火、防爆 预防有害气体、烟尘的中毒预防有害气体、烟尘的中毒8.4 粘接的分类粘接的分类三种粘接方法：三种粘接方法： 胶粘剂粘接法胶粘剂粘接法 热熔粘接法热熔粘接法 溶剂粘接法溶剂粘接法胶粘剂粘接法

24、胶粘剂粘接法 利用利用胶粘剂胶粘剂将各种材质、形状、大小、厚将各种材质、形状、大小、厚薄、软硬相同或不同的胶接件连接成为连薄、软硬相同或不同的胶接件连接成为连续牢固稳定的整体的一种工艺方法。续牢固稳定的整体的一种工艺方法。 胶接剂是一种靠界面的粘附和物质的内聚胶接剂是一种靠界面的粘附和物质的内聚等作用产生的粘合力，将各种材料牢固的等作用产生的粘合力，将各种材料牢固的连接在一起的物质，也称为粘合剂、粘接连接在一起的物质，也称为粘合剂、粘接剂，可简称为剂，可简称为胶胶。胶结剂要求胶结剂要求不论是何种状态，在涂敷时应呈现不论是何种状态，在涂敷时应呈现液态液态对被粘物表面能够充分对被粘物表面能够充分湿

25、润湿润必须能使液态向固态进行状态转变，形成必须能使液态向固态进行状态转变，形成坚韧的胶层坚韧的胶层固化后有一定的强度，可以传递应力，抵固化后有一定的强度，可以传递应力，抵抗破坏抗破坏能够经受一定的时间考验能够经受一定的时间考验热熔粘接法热熔粘接法 利用利用加热加热使粘接面使粘接面熔融熔融，然后叠合加压、，然后叠合加压、冷却凝固达到粘接的目的。冷却凝固达到粘接的目的。 适用于结晶性热塑性塑料（有较明显的熔适用于结晶性热塑性塑料（有较明显的熔点）之间的粘接。点）之间的粘接。溶剂粘接法溶剂粘接法 对于非结晶性的热塑性塑料，可在接头处对于非结晶性的热塑性塑料，可在接头处加单纯加单纯溶剂溶剂或含塑料的或含塑料的溶液溶液，使表面，使表面溶融溶融达到粘接的目的。达到粘接的目的。8.5 粘接理论粘接理论 机械嵌合理论机械嵌合理论 吸