材料连接原理与工艺-绪论

1、 School of Materials Science & Engineering材料连接原理与工艺赵兴科Email:Tell: 62334859 School of Materials Science & Engineering先修课程：先修课程： 热学基础热学基础 物理化学物理化学 金属材料及热处理金属材料及热处理 电工学电工学 School of Materials Science & Engineering绪论绪论0.1 材料连接及其发展材料连接及其发展0.2 材料连接的基本原理材料连接的基本原理0.3 本课程的性质与任务本课程的性质与任务 School of

2、 Materials Science & Engineering0.1 材料连接及其发展材料连接及其发展制造技术是人类制造财富的基本手段，也是生产力的核心内容。制造技术的三大基本功能：成形、连接、表面改性。材料连接是材料加工方法、产品制造技术。材料连接是材料加工方法、产品制造技术。0.1.1 材料连接的内涵材料连接的内涵 School of Materials Science & Engineering成形是将原材料（或坯料）在一定的条件下加工成零件，保证其形状、尺寸精度和表面质量达到设计要求。冷加工（机械加工）冷加工（机械加工）：车、铣、刨、磨；热加工：热加工：铸造、锻压、焊

3、接（材料连接）焊接是将两种或两种以上材质(同种或异种)，通过加热或加压或两者并用，使其形成可靠连接，实现物理量的传递。表面改性是改变零件或产品表面化学成分或微观组织，提高其使用性能。涂饰：喷漆、电镀、热浸镀、钎涂化学热处理：渗碳、渗氮、渗硼、渗金属热喷涂：火焰喷涂、等离子喷涂、堆焊、表面工程是焊接衍生的一个重要的分支。 School of Materials Science & Engineering焊接（材料连接）是一项应用技术，也是一门涉及多学科融合的科学。焊接学是在物理、化学、物理化学、力学、冶金学、机械、电子学、计算机控制等的基础上发展起来的。焊接学主要三部分构成：焊接方法学、

4、焊接方法学、焊接材料学和焊接结构学。 School of Materials Science & Engineering西方工业国家，钢产量的西方工业国家，钢产量的5060%需要焊接。需要焊接。焊接是材料连接的最重要的方法焊接是材料连接的最重要的方法 特点突出：特点突出：应用面广：应用面广：工业化程度：工业化程度：高性能（可达到与母材等强度、等塑性、等韧性，尤高性能（可达到与母材等强度、等塑性、等韧性，尤其是动载性能）；其是动载性能）；高可靠（永久连接）；高可靠（永久连接）；高适应性（在各种环境下能焊接各种复杂构件）高适应性（在各种环境下能焊接各种复杂构件）高效率（适应大工业批生产）。

5、高效率（适应大工业批生产）。机械制造、石油化工、造船、车辆、机械制造、石油化工、造船、车辆、 航天航空、冶航天航空、冶金、家用电器、仪器仪表、军工武器设备，以及金、家用电器、仪器仪表、军工武器设备，以及IT工工业、业、医学医学等。等。 School of Materials Science & Engineering水轮机转轮直径10.7m，高5.4m，重达440吨，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮，每个转轮消耗12吨焊丝。世界最大的三峡水轮机转轮 （左图13 叶片转轮；右图：15叶片转轮） 0.1.2 材料连接的应用材料连接的应用 School of Materials Scienc

6、e & Engineering电机定子座直径22m，高6m，重832吨，是在我国焊接的最大钢结构机座；蜗壳进水口直径12.4m，总重量750吨，为世界最大、最重的焊接蜗壳；三峡水电站电机定子吊装入机坑 三峡水电站焊接中的蜗壳 School of Materials Science & Engineering芜湖长江大桥：全长10km，主跨312m，是我国目前跨度最大的公/铁两用桥；国家大剧院：穹顶长轴212.2m, 短轴143.64m,高46.28m，焊接钢结构重6475吨；上海卢浦大桥：全长3900 m，跨度550 m，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥；芜湖长江大桥（公/铁两用

7、桥） “世界第一穹顶”北京国家大剧院 （设计效果图） School of Materials Science & Engineering造船总吨位：1985年的每年50万吨，提高到2002年的463万吨。大型30万吨原油船 半冷半压式液化气船 长333m，宽58m，我国最大载重量的原油船 长194.98m，宽23.10m，载重17900吨 School of Materials Science & Engineering千吨级热壁加氢反应器 600MW电站锅炉汽包总重量达千吨级、壁厚280mm 汽包长30m，壁厚203mm，重250吨 School of Materials S

8、cience & Engineering大型空间环境模拟舱KM6 “神舟”4 号飞船返回地面 School of Materials Science & Engineering中国制造的大型飞机要在中国制造的大型飞机要在2014年首飞年首飞大飞机项目在今后三到五年要投入大飞机项目在今后三到五年要投入600亿元亿元总体上将达到总体上将达到2000亿元。亿元。 School of Materials Science & Engineering新方法：新能源、精密控制、智能化等。新结构：飞船返回舱、超临界压力容器等。新材料：新型钢、金属间化合物、复合材料、陶瓷等。0.1.3

9、材料连接的发展材料连接的发展 School of Materials Science & Engineering 高效 高能 精密 低温 复合 自动化 智能化 特种环境 School of Materials Science & Engineering汽车零件汽车零件汽车制造汽车制造工程机械工程机械摩摩托托车车铁铁路路 其其 它它锅炉锅炉焊接机器人的行业分布焊接机器人85分布在交通行业（汽车、铁路、摩托车），其他行业少。90以上的焊接机器人来自外国。 School of Materials Science & Engineering焊接机器人生产线 School of

10、Materials Science & Engineering各种类型的焊接机器人 School of Materials Science & Engineering 塑性状态下焊接、温度低、输入量少； 变形小 ； 组织细密，缺陷少 1990年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，适合轻金属的焊接。如：铝合金、镁合金、钛合金 。1991年开始在航空、航天、造船中应用。搅拌摩擦焊原理图 School of Materials Science & Engineering搅拌摩擦焊地铁车体搅拌摩擦焊地铁车体 School of Materials Science & Eng

11、ineeringESAB公司生产的搅拌摩擦焊接机 School of Materials Science & Engineering高能束焊是利用高能密度的束流，如电子束、激光束作为焊接热源的焊接方法。它的功率密度比通常的电弧功率密度高一个数量级以上，即高于5X105 W/cm2。 School of Materials Science & Engineering水下焊接水下焊接太空焊接太空焊接 School of Materials Science & Engineering遥控焊接机器人遥控切割机器人 School of Materials Science &

12、; Engineering电子封装与微连接电子封装与微连接 School of Materials Science & Engineering从理论上来说，两块分离的材料，如果我们把它需要连接的面，把它靠在一起，如果把这个靠在一起的面，足够紧密，就是把这两个分离的表面，它的距离能够接近到一个原子的距离，0.4-0.5个纳米，这种情况下，这个材料按照它的物理本性，就能连接在一起。0.2 材料连接的基本原理材料连接的基本原理0.2.1 材料连接的机理材料连接的机理 School of Materials Science & Engineering焊接的物理化学过程焊接的物理化学过程

13、实际上常温下做不到：表面凹凸不平、氧化膜、有水、油等杂质，氧化膜和附加层极大的阻碍材料的连接。采用施加外部能量的方法，促使分离材料的原子接近、形成原子键结合，同时去除一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。 School of Materials Science & Engineering焊接接头的机理焊接接头的机理u 熔化、凝固u 塑性变形、再结晶 外部的热源把材料和填充熔剂熔化，在熔池产生物理化学反应，去除它的一切杂质和氧化膜附加层，然后再结晶，相变，最后形成一个键结合。加压使这个材料产生塑性变形，挤出里边的结合面的杂质实现紧密连接，经过扩散和相变形成一个

14、塑性变形为主的连接接头接头接头。 School of Materials Science & Engineeringu 扩散、再结晶 u 熔化、界面反应 加压材料紧密接触，然后加热到高温，加热到多少温度，视不同的材料而定，经过长时间的扩散，原子间相互渗透最后形成键连接，这是扩散连接的机理加热使较低熔点材料（钎料）熔化后填充到待连接工件之间的间隙中， 随后冷却凝固形成连接。 School of Materials Science & Engineering电弧焊焊条电弧焊埋弧自动焊（单丝、双丝、多丝）芯心焊丝电弧焊钨极氩气保护焊钨极氦气保护焊熔化极惰性气体保护焊熔化极活性气体保护

15、焊高速双丝气体保护焊等离子弧焊等离子弧切割等离子喷涂等离子堆焊水下电弧焊接水下电弧切割水下等离子焊接水下等离子切割螺柱焊炭弧气刨炭弧水气刨全位置焊高能束焊点焊缝焊对焊凸焊闪光焊钎焊火焰钎焊浸渍钎焊电阻钎焊感应钎焊炉中钎焊气相钎焊反应钎焊扩散钎焊热脉冲劈刀钎焊高能束焊点焊缝焊对焊凸焊闪光焊电弧焊焊条电弧焊埋弧自动焊（单丝、双丝、多丝）药芯焊丝电弧焊钨极氩气保护焊钨极氦气保护焊熔化极惰性气体保护焊熔化极活性气体保护焊高速双丝气体保护焊等离子弧焊等离子弧切割等离子弧喷涂等离子弧堆焊水下电弧焊接水下电弧切割水下等离子焊接水下等离子切割螺柱焊碳弧气刨碳弧水气刨电阻焊点焊缝焊对焊凸焊闪光焊钎焊火焰钎焊浸渍

16、钎焊电阻钎焊感应钎焊炉中钎焊气相钎焊反应钎焊扩散钎焊热脉冲劈刀钎焊高能束焊电子束焊激光束焊激光束切割激光钎焊激光电弧复合焊上个世纪以来，人类创造了许多焊接新方法，广泛应用的有5大类，近100种焊接（切割）方法。0.2.2 材料连接的分类材料连接的分类 School of Materials Science & Engineering摩擦焊摩擦方位焊搅拌摩擦焊超声波焊点焊环焊缝焊线焊真空扩散焊超塑成形真空扩散焊热等静压真空扩散焊热喷涂焊火焰喷涂焊电弧喷涂焊等离子喷涂焊特种热源喷涂焊超音速喷涂焊堆焊火焰堆焊焊条堆焊埋弧堆焊气体保护电弧堆焊钨极氩弧堆焊等离子弧堆焊电渣堆焊激光堆焊摩擦堆焊/堆焊微电子焊波峰焊再流焊金丝球焊此外电渣焊电渣压力焊高频焊气焊气割高压水切焊气压焊热剂焊变形焊冷压焊热压焊真空变形焊摩擦焊摩擦方位焊搅拌摩擦焊超声波焊点焊环焊缝焊线焊扩散焊超塑成形扩散焊热等静压扩散焊相变超塑性扩散焊瞬间液相扩散焊热喷涂焊火焰喷涂