第5章 材料的连接工艺,思考题

第5章材料的连接工艺1、简述金属的可焊性及其影响因素。2、简述焊接接头的组织和性能。3、焊接缺陷主要有哪些？其形成的原因？4、压力焊或固相焊的工艺特点。5、简述钎焊的工艺特点及常用的钎焊材料。6、简述塑料焊的工艺特点及主要方法。7、简述粘接剂的基本组成及必须具备的条件。思考题§5.1

金属的焊接

§5.1.1概述定义：通过加热或加压或二者并用，采用加填充金属或不加填充金属使分离的金属工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。实质：物理化学过程形成原子结合冶金连接金属材料的焊接性

通常是指金属是否能适应焊接加工而形成具有一定使用性能的焊接接头的特性。

结合性能；使用性能金属材料的可焊性指金属材料在一定的工艺条件下形成具有一定使用性能的焊接接头的能力。

1、简述金属的可焊性及其影响因素。答：（1）金属材料的可焊性是指金属材料在一定的工艺条件下,通过焊接形成优质接头的性能.分为工艺可焊性和使用可焊性两类:1）工艺可焊性:主要指在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度,即金属材料对形成焊接缺陷的敏感性.2）使用可焊性:主要指金属的焊接接头对使用要求的”适应性”和”安全性”,包括焊接接头的机械性能,耐腐蚀性能等.（2）影响因素：

一是材料因素:它即包括钢材本身的化学成分,又包括所选用的焊接材料的化学成分(包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等)。钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。而其中影响最大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。二是工艺因素:它包括从选择焊接方法和制定合理的工艺措施两方面来影响焊接性。三是构件类型因素:它包括焊接结构和焊接接头的形式,刚度及应力状态等,其将直接影响接头的力学性能及产生缺陷的倾向。四是使用要求因素:就是焊接结构的使用条件对焊接性的限制。它包括结构在高温、低温下,在腐蚀介质中,在动、静载荷交变载荷等条件下工作时,对焊接性的限制§5.1.2熔化焊

§5.1.2.1概论

一、基本原理将填充材料（如焊丝）和工件的连接区基体材料共同加热至熔化状态，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接头，使分离工件连接成为一个整体。1、焊缝的形成过程渣保护：防止金属氧化和吸气向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能减少散热，提高生产率，防止弧光辐射气保护：在高温下不分解的惰性气体，或是低氧化性的不溶于金属液体的气体(如Ar或CO2)。渣-气联合保护：如焊条的药皮及药芯焊丝CO2气体保护焊。真空保护：如真空电子束焊2、焊接冶金的特点

液态金属处于过热状态熔池的体积小，冷却速度大熔池是在运动状态下结晶2、简述焊接接头的组织和性能。1——焊缝区（熔化区）2——熔合区（半熔化区）3——热影响区4——母材我们通常把焊接接头分为三个区域。即焊缝、热影响区和熔合区。这三个区域中只有焊缝经过了加热――高温溶化――完成一系列焊接冶金――冷却一次结晶凝固――二次结晶固态下相变这一焊接热循环。这个过程决定了焊缝金属的化学成分，组织性能，是否有焊接缺陷。热影响区是邻近焊缝的母材在熔化焊所特有的快速加热、快速冷却这一动态热过程中，在极短的时间内进行着除了熔化以外的一些金属学行为的区域，其特点是热场分布极不均匀，温度梯度非常大，与扩散有关的过程极不充分，组织和性能极不均匀，因此，它是一个最薄弱的环节，是焊接结构最容易发生破坏事故的区域，熔合区和过热区是焊接接头中组织和力学性能最差的部分，也是发生破坏的危险区，因此在焊接过程中应尽可能减少其范围。以低碳钢的焊接为例

焊缝区：结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的铸态组织。

焊接热影响区（HAZ）：

焊缝两侧因焊接热的传导作用而发生的组织性能变化区域。熔合区（半熔化区）：未熔化的过热组织和部分熔化的结晶铸态组织。过热区：高温影响，晶粒粗大。正火区：最高加热温度比Ac3稍高，晶粒重结晶细化，获得正火组织。部分相变区：最高加热温度Ac1~Ac3，珠光体和部分铁素体重结晶细化。4、基本术语B：焊缝宽度H：焊缝深度a：焊缝余高＝B/H：成形系数H/B：深宽比a/H：余高系数二、焊接缺陷

第一类裂纹第二类孔穴第三类固体夹杂第四类未熔合和未焊透第五类形状缺陷第六类其它缺陷3、焊接缺陷主要有哪些？其形成的原因？

焊接裂纹

金属在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。按产生裂纹的本质分为热~、冷~、再热~、层状撕裂、应力腐蚀~。(1)热裂纹（HotCracking）：在固相线附近的高温区形成、主要发生在晶界处

特征：在与空气接触的开口部位表面呈强烈的氧化蓝色或天蓝色

分类：

结晶/凝固裂纹（Solidification~）

：焊缝金属

液化裂纹（Liquation~）

：HAZ低熔点共晶或杂质熔融形成晶界液体薄膜

多边化裂纹（Polyganization~）

：晶格缺陷在一定的温度和应力作用下发生迁移、聚集，形成“多边化边界”(2)冷裂纹（ColdCracking）

：冷却到较低温度（Ms点附近）形成、主要发生在HAZ

特点：表面光亮，无氧化特征

分类：氢致/延迟裂纹：具有延迟特征淬硬脆化/淬火裂纹：含碳量高、淬硬倾向大的钢材低塑性脆化裂纹：收缩应变超过材质的塑性储备

(3)再热裂纹（Reheat~）

：再次被加热时产生

断口有被氧化的颜色。

消除应力处理裂纹（StressRelief~）：热处理过程产生

应变时效裂纹（StrainAging~）：一定温度下长期工作(4)层状撕裂（LamellarTear）：母材本身固有的缺陷因焊接而暴露出来(5)应力腐蚀裂纹（SCC：StressCorrosion~）：腐蚀介质、拉伸应力气孔（Porosity）

分类：

形状：微~、圆形~、条虫形~

部位：根部~、熔合线~、中心线~、表面~、分散~、贯穿~

气体来源：溶解度/析出型~（H2、N2）、反应~（CO、H2O）

气体种类：H2、N2、CO固体夹杂（Inclusion）（1）夹渣（Slag~）：焊后残留在焊缝中的熔渣（2）夹钨（Tungsten~）：在进行钨极氩弧焊时，若钨极不慎与熔池接触，使钨的颗粒进入焊缝金属中而造成未熔合和未焊透未熔合（IncompletePenetration）：焊道与母材或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分未焊透（IncompleteFusion）：接头根部应该熔合而未焊上的部分

角焊缝形状缺陷（1）咬边（Undercut）：沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷（2）焊瘤（Overlap）：熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上形成的金属瘤（3）烧穿（Burnthrough）：熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔（4）下塌（Excessivepenetration）：焊缝金属过量透过背面，而使焊缝正面塌陷、背面凸起的现象（5）错边（6）变形收缩变形角变形弯曲变形波浪变形扭曲变形（7）焊缝尺寸、形状不合要求其它缺陷电弧擦伤（Arcscratch）：在焊缝坡口外部引弧时产生于母材金属表面上的局部损伤飞溅（Spatter）：熔焊过程中，熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象§5.1.2.2基本方法

气焊铝热焊电弧焊电渣焊激光焊电子束焊等离子弧焊§5.1.3压力/固相焊（Pressure/SolidStateWelding）利用加压摩擦和扩散等物理作用，克服两个连接表面的不平度，挤走氧化膜及其它污染物，使两个连接表面上的原子相互接近到原子间的结合距离，从而在固态下实现连接的焊接方法。1、扩散连接：压力焊一种变形。相互接触的表面，在高温和压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后保证结合层原子间相互扩散，形成整体水平上的可靠连接。2、扩散焊分类：根据保护气氛分为——气体保护扩散连接、真空扩散连接、溶剂保护扩散连接；根据物质的存在形态分为——固态、液相、超塑成型、烧结-扩散连接；根据是否添加中间层分为——直接、间接扩散连接。3、扩散连接方法特点：优点——1）接合区域无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏观裂纹等熔焊时的缺陷。2）同种材料接合时，可获得与母材性能相同的接头，几乎不存在残余应力。3）可以实现难焊材料的连接。对于塑性差或熔点高的同种材料、互相不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料（包括金属与陶瓷），扩散连接是可靠的连接方法之一。4）精度高，变形小，精密接合。5）可以进行大面积板及圆柱的连接。缺点——1）无法进行连续式批量生产。2）时间长，成本高。3）接合表面要求严格。4）设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的限制。按加热方法的不同，分为电阻焊（ResistanceWelding）：电阻热摩擦焊（FrictionWelding）：摩擦热扩散焊（DiffusionBonding）：原子相互扩散冷压焊（ColdPressureWelding）超声波焊（UltrasonicWelding）：高频振荡能爆炸焊（ExplosionBonding）：化学反应热

电阻焊利用电流通过被焊工件的接触部位及其邻近区域产生电阻热，使界面处的金属达到塑性或局部熔化状态，加压焊合而使工件焊接在一起的焊接方法。分类电阻焊对焊滚焊/缝焊点焊根据焊接接头形式的差异特点及应用焊接质量与材料的物理性能有关：导电、导热性能强度线膨胀系数应用：碳钢、合金钢、耐热钢、铝、钛及其合金等

铜及铜合金可以采用电阻焊吗？

摩擦焊利用被焊金属表面相互摩擦所产生的热量，使接触面及其附近金属达到塑性状态，然后借助顶锻压力产生适当的宏观塑性变形，材料间发生相互扩散和动态再结晶，使工件连接到一起的焊接方法。分类（根据焊件相对运动和工艺特点）连续驱动~、惯性~、线性~、搅拌~、嵌入~、第三体~、相位控制~、径向~、摩擦堆焊等特点及应用接头焊接质量好适用性广焊接变形小劳动条件好高效、低成本应用：除不易夹持的大型盘状件、薄壁管件、摩擦系数较小的材料外

扩散焊是指在高温和压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散，而形成整体的可靠连接的过程。铝合金与不锈钢、铝合金与钛、铜合金、钢等的典型接头特点及应用：

1)适合于耐热材料及活性金属的连接。特别适合于不同种类的金属与非金属异种材料的连接。

2)可以进行内部及多点、大面积构件的连接，以及电弧可达性不好，或用熔焊方法根本不能实现的连接。

3)是一种高精密的连接方法，工件不变形，可以实现机械加工后的精密装配连接。5、简述钎焊的工艺特点及常用的钎焊材料。定义：利用熔点比被焊接金属低的金属作钎料，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态间隙内，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焊接方法。接头形成过程

⑴钎料熔化、充满焊缝；

⑵钎料与金属相互作用。钎料和钎剂钎料的作用钎剂的作用①连接②填充①清除氧化物②增加润湿性③保护作用6、简述塑料焊的工艺特点及主要方法。将分离的塑料用局部加热或加压等手段，利用热熔状态的塑料大分子在焊接压力作用下相互扩散，产生范德华作用力，从而紧密地连接在一起，形成永久接头的过程称为塑料的焊接。对热塑性塑料：

在一定温度下软化直至粘滞流动，冷却后又重新硬化。这个过程可重复多次而且大分子性质不变，所以可对它进行焊接加工。对热固性塑料：在成形过程中已发生不可逆交联反应，因此不能进行焊接加工。1）热气焊用热气体对制品表面及焊条加热，再通过手工或机械方式施加压力将两件制品连在一起的方法。热气摆动焊2）超声焊接塑料的焊接面在超声波能量的作用下做高频机械振动而发热熔化，同时施加压力把制品焊接在一起。适用于大多数热塑性塑料，主要用于焊接模塑件、薄膜、板、线材等，焊接时不用填充材料。塑料超声波焊接示意图1-超声波探头；2-被焊工件；3-焊座；4-焊缝3）摩擦焊被焊接的塑料在焊接面上经摩擦发热而熔化，同时手控或机械操纵焊接压力把制品焊接在一起。4）挤塑焊以焊接填料在塑化装置内充分均匀混合，塑化后挤出的棒状熔料为焊接填料，填进已预热至焊接温度的焊接表面并用专用压具压实的方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接。5）热工具焊利用一个或多个发热工具对两个被焊制件表面加热，直至其表面充分熔化，然后在压力作用下进行焊接的方法。此方法是应用最广泛的塑料焊接方法。7、简述粘接剂的基本组成及必须具备的条件。又称为胶接、粘合，是借助粘接剂在固体表面上产生粘合力，将一个物体与另一个物体牢固地连接在一起的方法。粘接作用仅发生在表面及薄层。一、粘接剂

又称“粘合剂”、“胶粘剂”或“胶”，是能够把两个固体表面粘接在一起，并在结合处具有足够强度的物