智能制造工艺原理与应用 课件 4-连接加工工艺之焊接

1连接成形工艺概述2连接成形工艺概述机械工程学院/高端装备研究院三、连接与附着成形工艺苗慧慧miaohuihui@4连接成形工艺连接成形工艺概述焊接成形理论基础熔焊压焊钎焊5在现代化工业生产中，通过连接实现成形的工艺方法多种多样，常见的连接成形工艺主要有焊接、胶接和机械连接等。连接成型工艺连接成形工艺概述现代飞机的胶接区域示意图

空客A318激光焊接整体壁板

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“民用飞机胶接技术应用分析”

/case3/920afaae-e371-5b03-3e87-528721118173.html大型海上风机轮毂大螺栓

6连接成形工艺概述接头类型

永久接头7连接成形工艺概述

永久接头1.机械方法，如铆接、U型钉、过盈配合等/articles/technology/shrink-fitting-an-underestimated-method/过盈配合U型钉铆接8连接成形工艺概述液态连接，如熔焊(母材熔化)。通过附加材料，如粘接剂、钎焊、填充材料焊接等冷压焊

永久接头9连接成形工艺

非永久接头如紧固件、销钉、开口销、咬合螺钉、螺栓和螺母紧固件销钉开口销平头螺丝螺栓螺母10连接成形工艺概述连接成型工艺胶接缺点：胶接不受材料类型的限制，能够实现各种材料之间的连接，而且具有工艺简单、应力分布均匀、密封性好、耐蚀、节能、应力和变形小等。接头抗剥离性能较差，固化时间长，胶粘剂易老化，耐热性差等。优点：汽车前挡风玻璃胶装使用胶粘剂来连接各种材料的连接成形方法。11连接成形工艺连接成型工艺机械连接宏观的结构关联性的连接，包括螺纹连接、销钉连接、键连接和铆钉连接，其中铆钉连接为不可拆连接，其余均为可拆连接。飞机蒙皮铆钉连接件一般为标准件，具有良好的互换性，选用方便，工作可靠，易于检修;优点：增加了机械加工工序，结构质量大，密封性差，影响外观，而且成本较高。缺点：键连接螺纹连接/boltsandnuts/boltsandnuts_pinconnection.html12连接成形工艺概述铆接13连接成形工艺概述铆接14连接成形工艺概述铆接对于振动大或容易产生裂缝的部位采用铆接。15连接成形工艺概述铆接16连接成形工艺概述铆接物理方式固定；质量一致性高，可靠性高；气动阻力低。飞机为什么宁愿用百万颗铆钉，也不选择焊接？/p/39873361117连接成形工艺概述铆接18铆接19/Index/News/news/id/9242.html泰坦尼克号沉没的工程学原因连接成形工艺概述铆接一颗小小的铆钉引发的灾难2000多块1英寸厚的钢板钢板与钢板之间通过3百多万个铆钉铆接20泰坦尼克号沉没的工程学原因连接成形工艺概述铆接相对于锻铁铆钉，钢铆钉铆接具有更高的强度和质量。启示：材料选择的重要性制造和装配工艺选择的重要性21连接成形工艺焊接焊接是什么样子的？22连接成形工艺焊接是什么样子的？23焊接的应用广泛应用于机器制造、造船工业、建筑工业、电力设备生产、航空航天工业等。根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同，焊接可以分为三大类。24连接成形工艺焊接熔焊压焊钎焊熔焊是将工件焊接处局部加热到熔化状态(通常还加入填充金属)形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，使被焊工件结合为不可分离的整体的焊接方法。压焊是在焊接过程中无论加热与否，均需要对工件施加压力，使工件在固态或半固态状态下实现连接的焊接方法。钎焊是将熔点低于被焊金属的钎料

(填充金属)熔化后，填充接头间隙并与被焊金属相互扩散以实现连接的焊接方法。25连接成形工艺焊接成形特点节省金属材料，结构质量小。能以小拼大，化大为小，制造重型、复杂的机器零部件，简化铸造、锻造及切削加工工艺，可获得最佳技术经济效果。焊接接头不仅具有良好的力学性能，还具有良好的密封性。能够制造双金属结构，使材料性能得到充分利用。26连接成形工艺连接成形工艺概述焊接成形理论基础熔焊压焊钎焊27通常指金属的焊接。通过加热或加压或两者并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成形方法。常见焊接方法分类焊接是重要的材料永久连接方法。连接成形工艺概述焊接28连接成形工艺概述焊接电弧既是一种气体导电现象，又是一种自持续放电现象。电弧中的带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。29

焊接成形理论基础焊接电弧电离在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。电子发射产生电弧的两个电极表面，在一定外加能量的作用下，其内部电子能冲破电极表面的约束而飞出的现象。主要四种包括：热发射，电场发射，光发射以及粒子碰撞发射。电弧的产生：需要在电极与焊件之间提供一个导电通道，这样才能引燃电弧。引燃电弧通常有两种方式，即接触式引弧和非接触式引弧。30接触式引弧常用于焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊等。操作方式：将焊条和焊件分别接通于弧焊电源两极，将焊条与焊件轻轻地接触，然后迅速提拉焊条(或焊丝自动爆断)，这样就能在焊条端部与焊件之间产生一个电弧。包含了短路、分离和燃烧三个阶段。

焊接成形理论基础焊接电弧电弧的产生：需要在电极与焊件之间提供一个导电通道，这样才能引燃电弧。引燃电弧通常有两种方式，即接触式引弧和非接触式引弧。31非接触式引弧常用于钨极氩弧焊、等离子弧焊等。操作方式：在电极与焊件之间存在一定间隙，施以高压击穿间隙将电弧引燃，目前有高频高压引弧和高压脉冲引弧两种方式。为了避免钨极被污染或造成焊缝夹钨，一般不允许钨极与焊件接触，此时只能采用非接触式引弧。

焊接成形理论基础焊接电弧焊接电弧32阴极区：很狭窄，但电压降比较大，因此该区内的电场强度很大。阳极区：比阴极区稍宽，但电压较阴极区低，因此，该区域的电场强度比阴极区小得多。弧柱区：它的长度很大，可以看成整个电弧的长度，但其电压降最小，因此其电场强度也比较小。

焊接成形理论基础电弧的构造：焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成。33焊接时，随着焊接热源向前移动，后面的熔池金属迅速冷却结晶而形成焊缝。在焊接过程中，靠近焊缝的金属相当于受到一次不同规范的热处理，其组织性能发生了变化，形成了所谓的熔合区和热影响区。

焊接成形理论基础在焊件需要连接的部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头。焊接接头34低碳钢焊接接头温度分布与组织变化1-熔合区，2~5的热影响区；热影响区包括：2-过热区、3-正火区、4-不完全重结晶区、5-再结晶区。焊缝金属是由母材和焊条(丝)熔化形成的熔池冷却结晶而成的，焊缝金属的力学性能一般不低于母材。

焊接成形理论基础焊接接头影响焊接接头性能的因素：35力学方面材质方面接头形状的不连续性、焊接缺陷、残余应力和焊接变形等。焊接热循环所引起的组织变化，焊接材料引起的焊缝化学成分的变化，焊接过程中的热塑性变形所产生的材质变化，焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。

焊接成形理论基础焊接接头焊接过程中产生的应力与变形称为暂态或瞬态应力与变形；焊接完毕和构件完全冷却后残余的应力与变形，则称为残余或剩余应力与变形。引起焊接应力与变形的因素：36

焊接成形理论基础焊接应力与变形预防和减小焊接应力与变形的工艺措施：焊前预热减小工件上各部分的温差选择合理的焊接顺序加热减应区法铸铁补焊时，在补焊前可对铸件上的适当部位进行加热，以减小对焊接部位伸长的约束；焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而可减小焊接应力。反变形法焊接前预测焊接变形量和变形方向，在焊前组装时将被焊工件向与焊接变形相反的方向进行人为变形。刚性固定法利用夹具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形37

焊接成形理论基础焊接应力与变形焊接常见缺陷在焊接生产过程中，由于设计、工艺、操作中各种因素的影响，往往会产生各种各样的焊接缺陷。38

焊接成形理论基础焊接缺陷及检验焊接性指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够通过焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。焊接性是材料对焊接加工的适应性，即材料在一定的焊接工艺条件下(包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等)，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。结合性能，就是一定的材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性，称为工艺焊接性。使用性能，是指一定的材料在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的能力，使用焊接性。39

焊接成形理论基础材料的焊接性40材料钢的化学成分、冶炼轧制状态、热处理、组织状态和力学性能等设计焊接结构设计的安全性，受材料和结构形式的影响工艺采用的焊接方法，焊接工艺规程（热输入、焊接材料、预热、焊接顺序等），焊后热处理等服役环境焊接结构的工作温度、负荷条件（动载、静载、冲击等）和工作环境（化工区、沿海及腐蚀介质等）

焊接成形理论基础焊接性影响因素对整个焊接过程中的材料(母材、焊材)和焊接接头区(焊缝、熔合区和热影响区)的成分、组织和性能，包括焊接参数的影响和焊后接头区的使用性能等，进行系统的研究来确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。41连接成形工艺连接成形工艺概述焊接成形理论基础熔焊压焊钎焊42熔焊熔焊压焊钎焊熔焊是将工件焊接处局部加热到熔化状态(通常还加入填充金属)形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，使被焊工件结合为不可分离的整体的焊接方法。压焊是在焊接过程中无论加热与否，均需要对工件施加压力，使工件在固态或半固态状态下实现连接的焊接方法。钎焊是将熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化后，填充接头间隙并与被焊金属相互扩散以实现连接的焊接方法。常用的熔焊方法有气焊、电弧焊(焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊)、等离子弧焊、激光焊等。43熔焊熔焊电弧及焊接区受到焊条药皮（药剂）分解产生的气体及熔渣的保护，使其与大气相隔离。焊条芯受到电弧的加热而熔化，形成熔滴过渡到熔池，与母材的熔化金属共同形成焊缝金属。焊条焊条电弧焊的焊接过程焊条电弧焊44熔焊焊条电弧焊45熔焊埋弧焊埋弧焊的焊接过程焊接开始前在焊丝线上堆积颗粒状焊剂，以自动方式向焊剂中送进裸焊丝，在焊剂覆盖状态下引燃电弧进行熔化焊接。焊剂受到电弧的加热而熔化、分解，对焊接区域起到保护作用。埋弧焊46熔焊优点缺点生产率高，节省金属材料和电能，焊接质量好，劳动条件好焊接适用的位置受到限制，焊接厚度受到限制，不适于焊接厚度过小的薄板，对焊件坡口的加工与装配要求较高47熔焊

非熔化极气体保护焊（TIG）48熔焊

非熔化极气体保护焊（TIG）TIG的焊接过程以纯钨或活化钨(如钍钨、铈钨等)作为非熔化电极，采用惰性气体(如氩气、氦气等)作为保护气体的电弧焊方法。49熔焊

非熔化极气体保护焊（TIG）50熔焊优点缺点能够实现高品质的焊接，得到优良的焊缝；焊接过程中钨电极不融化，易于保持稳定的焊接过程；可焊接薄板；可靠性高。效率较低；对焊前准备工作要求高；成本较高。

非熔化极气体保护焊（TIG）51熔焊熔化极气体保护焊(MIG)52熔焊熔化极气体保护焊的焊接过程熔化极气体保护焊是以连续送进的焊丝为电弧的一极，被焊母材为电弧的另一极，同时加热、熔化焊丝和母材而形成焊缝的一类焊接方法。熔化极气体保护焊(MIG)53熔焊等离子弧焊（PAW）54熔焊等离子弧焊（PAW）穿透型等离子弧焊的焊接过程等离子弧焊是使用惰性气体作为工作气和保护气，利用等离子弧作为热源来加热并熔化母材金属，使其形成焊接接头的熔焊方法。穿透型等离子弧焊弧柱压缩程度较强，等离子射流喷出速度较大。焊接时，等离子弧把焊件的整个厚度完全穿透，在熔池中形成上下贯穿的小孔，并从焊件背面喷出部分电弧（也称尾焰)。按照焊透母材的方式，等离子弧焊分为穿透型等离子弧焊和熔透型等离子弧焊。熔透型等离子弧焊分为普通熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊。55熔焊等离子弧焊（PAW）普通熔透型等离子弧焊特点：弧柱压缩程度较弱；等离子气流喷出速度较小。熔透型等离子弧焊工作原理图1-母材2-焊缝3-液态熔池4-保护器5-进水6-喷嘴7-钨极8-等离子气9-焊接电源10-高频发生器11-出水12-等离子弧13-接头断面熔透型等离子弧焊分为普通熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊。56熔焊微束等离子弧焊焊接电流在30A以下的熔透型等离子弧焊。1-等离子电源2-维弧电源3-钨极4-喷嘴5-保护罩6-等离子气7-保护气8-等离子弧9-维弧10-焊件微束等离子弧焊工作原理图等离子弧焊（PAW）57熔焊激光焊利用聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接。58熔焊激光焊激光焊的焊接过程59连接成形工艺连接成形工艺概述焊接成形理论基础熔焊压焊钎焊60压焊熔焊压焊钎焊熔焊是将工件焊接处局部加热到熔化状态(通常还加人填充金属)形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，使被焊工件结合为不可分离的整体的焊接方法。压焊是在焊接过程中无论加热与否，均需要对工件施加压力，使工件在固态或半固态状态下实现连接的焊接方法。钎焊是将熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化后，填充接头间隙并与被焊金属相互扩散以实现连接的焊接方法。常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊、扩散焊及超声波焊。61压焊电阻焊的焊接过程电阻焊电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间并通以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，使其形成金属结合的一种方法。62压焊电阻焊电阻焊根据工艺特点可以分为点焊、缝焊、凸焊以及对焊。点焊：主要用于薄板焊接。工艺过程①预压，保证工件接触良好。②通电，使焊接处形成熔核及塑性环。③断电锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成焊点。缝焊：缝焊过程与点焊类似，可以看成连续的点焊。工艺过程缝焊时用转动的圆盘状电极代替点焊时的固定电极，工件在两个旋转的滚轮电极通电后，形成一条焊点前后搭接的连续焊缝。63压焊电阻焊电阻焊根据工艺特点可以分为点焊、缝焊、凸焊以及对焊。凸焊是点焊的一种变型形式。在一个工件上有预制的凸点。凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核。对焊使被焊工件的两个接触面连接。对焊分为电阻对焊和闪光对焊。64压焊电阻焊65压焊线性摩擦焊（LFW）利用被焊工件接触面在压力作用下相对往复运动摩擦产生热量，从而实现焊接的固态连接方法。该方法适用范围广，可靠性高。66压焊线性摩擦焊（LFW）两紧密接触工件开始相对往复运动，在摩擦凸起部分首先产生摩擦、剪切与粘结，摩擦产热，实际接触面积不断增加。在此阶段中无轴向缩短产生。初始摩擦阶段初始摩擦阶段线性摩擦焊分为四个阶段：过渡阶段67压焊随着摩擦的进行，摩擦界面温度不断升高，摩擦区域材料开始软化，摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖，产热机制由初期的干摩擦产热逐渐转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。在此阶段中工件开始轴向缩短。过渡阶段线性摩擦焊（LFW）准稳定摩擦阶段68压焊线性摩擦焊（LFW）此时摩擦热量由界面间的粘着摩擦和塑性金属剪切变形共同提供，产热量趋于稳定。热量由摩擦界面向工件内部传导，焊接面两侧的金属温度不断升高，开始塑性流动。在压力的作用下，摩擦界面高温塑性金属不断被挤出形成飞边，轴向缩短开始增加。准稳定摩擦阶段顶锻阶段69压焊线性摩擦焊（LinearFrictionWelding,LFW）当接头温度和变形达到合适值后开始制动，急停相对运动并使两工件迅速对中。此时轴向缩短量急剧增加，焊合区金属通过相互扩散和再结晶使两侧工件实现可靠连接。顶锻阶段70搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）压焊利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头“行进压力”作用下从前端向后部塑性流动，使工件焊接为一个整体。71压焊搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）搅拌摩擦焊原理图72压焊搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）73压焊扩散焊（或称扩散连接）在一定的温度和压力下，通过微观塑性变形或通过在待焊表面上产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经较长时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法。74压焊扩散焊（或称扩散连接）接触变形阶段界面推移阶段接头形成阶段塑性变形界面贴合原子扩散界面结合体积扩散界面消失扩散焊原理图冷压焊是一种只借助压力使待焊金属产生塑性变形而实现固态金属键合的焊接方法。通过塑性变形挤出连接界面上的氧化膜等物质，使纯洁的金属紧密接触，形成原子键合力，达到晶间结合。75压焊冷压焊夹紧加压顶锻局部塑性变形结束顶锻再夹紧进行第二次顶锻76连接成形工艺连接成形工艺概述焊接成形理论基础熔焊压焊钎焊77钎焊熔焊压焊钎焊熔焊是将工件焊接处局部加热到熔化状态(通常还加人填充金属)形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，使被焊工件结合为不可分离的整体的焊接方法。压焊是在焊接过程中无论加热与否，均需要对工件施加压力，使工件在固态或半固态状态下实现连接的焊接方法。钎焊是将熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化后，填充接头间隙并与被焊金属相互扩散以实现连接的焊接方法。78钎焊钎焊的分类79钎焊80钎焊钎焊的特点钎焊加热温度一般远低于母材的熔点，因而对母材的物理化学性能影响较小。钎焊技术具有很高的生产率，可以一次完成多缝多零件的连接。钎焊技术可用于结构复杂、精密、开敞性和接头可达性差的焊件。轩焊技术特别适用于多种材料的组合连接，对于其他焊接方法难以连接的金属材料以及陶瓷、玻璃、石墨及金刚石等非金属材料也适用。在焊接结构的生产制造中，除考虑使用性能之外，还应考虑制造时焊接工艺的特点及要求，这样才能保证在较高的生产率和较低的成本下，获得符合设计要求的产品质量。81焊接件的结构工艺性焊接件的结构工艺性焊缝位置对焊接接头的质量、焊接应力和变形以及焊接生产率等均有较大影响。因此在布置焊缝时，应考虑以下几个方面：焊缝位置应便于施焊，有利于保证焊缝质量①焊缝分为平焊缝、横焊缝、立焊缝和仰焊缝四种形式。其中施焊操作最方便、焊接质量最容易保证的是平焊缝。82焊接件的结构工艺性焊缝的空间位置a)平焊b)横焊c)立焊d)仰焊焊缝布置②应考虑各种焊接方法所需要的施焊操作空间。83焊接件的结构工艺性手工电弧焊时的焊缝布置焊缝布置a)合理b)不合理③还应注意焊接过程中