智能制造工艺基础课件：焊接与连接工艺

智能制造工

艺成形加工工艺基础知识点(参考教材)3.1

成形技术概述3.2

液态成形工艺3.3

塑性成形工艺3.4

焊接与连接工艺3.5

智能成形工艺过程控制成形加工工艺基础2025/1/6

2知识点(参考教材)3.1

成形技术概述3.2

液态成形工艺3.3

塑性成形工艺3.4

焊接与连接工艺3.4.1

焊接方法的分类3.4.2

焊接工艺基础3.4.3

典型熔焊方法3.4.4

压焊与钎焊方法3.4.5

铆接3.5

智能成形工艺过程控制成形加工工艺基础2025/1/6

33.4.1焊接方法的分类

焊接定义：通过加热或加压的工艺将两种或两种

以上的同种或异种材料连接成一体的成形方法

根据加热程度和工艺特点的分类：熔焊、钎焊、

压焊2025/1/6

4(1)熔池

定义：熔焊时，在热源的作用下焊条或焊丝与焊接母材会发生局部融化，母材上所形成的液态金属池叫做熔池

熔池的变化：电流增大，熔池的熔宽减少，熔深增大；电弧电压

增加，熔宽增大，熔深减小；增大电弧能量，熔池长度L增加

熔池中液态金属的运动：存在对流和搅拌等相对运动；易在尾部形成涡流

液态金属的强烈运动有利于提高焊缝质量焊接工艺基础图2埋弧焊接熔池中液态金属流动图1电弧焊熔池示意图3.4.22025/1/65(2)焊缝的形成

形成过程：随着热源的离开，熔池温度逐渐下降，液态金属开始凝固并发生固态相变，成为焊缝

熔合比：焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比

影响熔合比的因素：焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目以及母材热物理性质等焊接工艺基础2025/1/6

焊缝形状与尺寸

63.4.2(3)热影响区的形成

形成：在焊接热源影响下，焊缝两侧未熔化的母材发生组织和性能变化的区域

热循环变化过程•距离焊缝中心不同部位的点所经历的最高温度(峰值温度)不同，距离越远，所经历的最高温度越低，且最高温度的降低速率越小•距离焊缝中心不同部位的点到达最高温度所需时间不同，距焊缝越近，到达最高温度所需时间越短•距离焊缝中心不同部位点加热速率和冷却速率都不同，距离焊缝中心越远，其加热速率和冷却速率越小焊接工艺基础2025/1/6

73.4.2(4)焊接缺陷

工艺缺陷•缺陷类型：咬边、焊瘤和未焊透•解决方式：选择合适的焊接方法与焊接材料，优化焊接参数，严格工艺管理

冶金缺陷•缺陷类型：裂纹、气孔、偏析和夹杂焊接工艺基础2025/1/6

83.4.2(4)焊接缺陷

焊接裂纹•

影响：一方面会直接降低焊接接头的有效承载面积；另一方面会在裂纹尖端造成应力集中，使局部应力大幅超过平均应力，造成突然的脆性破坏•

位置：焊缝或热影响区或表面或内部•分类：焊接热裂纹、焊接冷裂纹(危害极大)、再热裂纹、层状焊接工艺基础图1焊接裂纹缺陷a)不同位置焊接裂纹b)焊接热裂纹实物照片9撕裂、应力腐蚀裂纹3.4.22025/1/6(4)焊接缺陷

焊缝中的气孔•影响：降低焊缝致密性，削弱焊缝有效承载面积，显著降低焊缝强度、塑性和韧性，会引起应力集中，诱导裂纹产生，降低焊缝的动载强度和疲劳强度•原因：产生气孔的原因众多，如焊材选择不当或受潮、烘干不足，坡口表面有铁锈或油污，焊接参数不合适，以及焊接区保护不良•气孔中的气体：氢、氮、一氧化碳和水蒸气焊接工艺基础图1焊接气孔缺陷a)不同位置焊接气孔b)焊接气孔实物图2025/1/6

103.4.2(4)焊接缺陷

焊缝中的偏析和夹杂•偏析形成：焊接的熔化和冷却过程很快，焊缝中的成分来不及扩散均匀化，造成成分不均匀，出现偏析现象•夹杂形成：焊接过程中，材料在冶金过程中产生一些脱氧脱硫化合物，残存在焊缝中，形成非金属夹杂•夹杂物类型：氧化物、硫化物和氮化物焊接工艺基础图1焊接夹杂a)夹杂位置示意图b)焊缝表面夹杂2025/1/6

113.4.2(4)焊接缺陷

焊接变形•形成：焊接过程中被焊工件受到不均匀的温度场作用而产生的形状和尺寸的变化•变形程度的影响因素：焊件材料、结构和焊接工艺•预防与减少焊接变形1)在焊缝设计方面，要合理选择焊接尺寸和形式，合理安排焊接位置，尽量减少不必要的焊缝2)焊前预防措施：预防变形、预拉伸和刚性固定组装法3)焊接过程控制：采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序，以及采用随焊两侧加热、随焊碾压和随焊跟踪激冷等措施4)焊后校正：包括整体或局部加热校正和机械矫正法；机械矫正法包括静力加压矫直法、焊缝滚压法和锤击法等焊接工艺基础2025/1/6

123.4.2(1)手工电弧焊

原理：以焊条作为电极和填充金属，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊接局部加热熔化，焊条焊芯和母材熔化后融合在一起形成熔池，包在焊条外面的药皮熔化后形成熔渣并释放气体，在气、渣的联合保护下，通过高温下熔池的治金反应得到优质缝

特点与应用：设备简单，操作灵活，适应性强；但是对焊工操作技术要求高，且焊接时要经常更换焊条，生产效率低；不适用于薄板和活泼金属，以及低熔点金属及其合金典型熔焊方法手工电弧焊过程1-渣壳2-熔渣3-气体4-焊芯5-药皮6-金属熔滴7-焊件8-熔池9-焊缝2025/1/6

133.4.3(2)埋弧焊

原理：以电弧作为热源加热、熔化焊丝和母材，焊丝端部、电弧和工件被一层可熔化颗粒状焊剂覆盖，无可见电弧和飞溅的焊接方式

焊接过程：①焊剂由软管堆敷到焊接区②焊丝经导电嘴送入焊接区③焊接电源连接导电嘴和工件产生电弧④送丝机构、焊剂堆覆装置和焊接控制盘等通常装在小车上来实现焊接电弧的移动典型熔焊方法图1埋弧焊焊接过程3.4.32025/1/614典型熔焊方法图1埋弧焊焊接过程1-焊剂2-焊丝3-电弧4-熔池5-熔渣6-焊缝7-焊件8-焊壳(2)埋弧焊

焊缝形成过程2025/1/6

153.4.3(2)埋弧焊

特点•焊接电流大，熔深大，焊接速度快•可自动化操作，劳动条件好，同时工艺参数稳定，有熔渣熔剂覆盖保护，焊缝质量高，性能稳定气孔、裂纹等焊接缺陷少•埋弧焊只适用于平焊和角焊，其他位置埋弧焊皆需要特殊装置，埋弧焊不宜焊厚度小于1mm的薄件

应用•埋弧焊适用于中厚板长焊缝和环焊缝的焊接，在船舶、压力容器、重工、交通、核电和机械设备领域有广泛应用典型熔焊方法2025/1/6

163.4.3(3)钨极惰性气体保护焊(TIG)

原理：以钨或钨合金为电极，用惰性气体代替熔渣来保护熔池，利用电极与母材金属(工件)之间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的焊接方法

焊接方式：手工焊、自动焊典型熔焊方法图1TIG焊焊接过程示意图3.4.32025/1/617(3)钨极惰性气体保护焊(TIG)

工艺特点•采用惰性气体保护，不用焊剂也可以焊接几乎所有金属，焊后无须去渣，应用范围广•焊接工艺性能好，电弧稳定，明弧无渣无飞溅，焊缝美观，质量高•全位置焊接，是单面焊双面成形的理想焊接方法，能进行脉冲焊接，适合于薄板或热敏感材料焊接•TIG电弧的阳离子受阴极电场加速，冲击阴极表面，具有破碎清理阴极表面氧化膜的作用，从而获得纯净的焊缝金属典型熔焊方法2025/1/6

183.4.3(3)钨极惰性气体保护焊(TIG)

缺点及其局限性•焊接熔深较浅，速度较慢，生产率较低，惰性气体成本较高•钨极载流能力有限，过大的焊接电流会损耗钨电极并污染焊接接头，降低接头力学性能，特别是塑性和冲击韧度•焊前要进行表面清洗、除油、去锈等准备工作。焊接时气体的保护效果受周围气流的影响较大，需采取防风措施

应用范围•适焊的材料：几乎可焊接所有金属和合金，主要用于焊接不锈钢和耐热钢、铝、镁、钛和铜等有色金属及其合金•适焊的焊接接头和位置：全位置焊接•适焊的板厚与产品结构：薄壁产品如箱盒、箱格等均可采用；焊接的厚度可达0.1mm，以3mm以下的薄板焊接最适宜，5mm以下可开坡口单道焊19典型熔焊方法3.4.32025/1/6(4)熔化极气体保护电弧焊

原理：采用连续等速送进可熔化的焊丝，在气体保护下电弧熔化焊丝与母材，冷却凝固形成金属间的结合典型熔焊方法图1熔化极气体保护电弧焊示意图1-导电管2-电弧3-焊缝金属4-母材5-熔池6-保护气体7-熔化极8-喷嘴2025/1/6

203.4.3典型熔焊方法(4)熔化极气体保护电弧焊

分类2025/1/6

213.4.3(4)熔化极气体保护电弧焊

熔化极氧化性混合气体保护电弧焊(MAG)

CO2气体保护焊

药芯焊丝气体保护焊典型熔焊方法2025/1/6

223.4.3(5)激光焊接技术

原理：激光焊接是采用大功率密度的激光束为热源，照射材料表面，光能转化成热能，使焊接部位熔化，再冷却凝固的连接过程。典型熔焊方法图1激光焊和电弧焊焊缝截面形状比较a)激光焊b)电弧焊(埋弧焊)2025/1/6

233.4.3(5)激光焊接技术

优点•能量密度高度集中，焊接时加热和冷却速度极快，热影响区小，焊接工艺稳定，焊接应力和变形很小，焊缝表面和内在质量好性能高•非接触加工，适合焊接难以接触的部位，能够焊接高熔点、高脆性的难熔金属陶瓷、有机玻璃和异种材料•激光可控性好，易于与机器人配合，自动化程度和生产效率高•绿色环保，没有污染，不受电磁干扰，不需要真空保护

缺点•焊接淬硬性材料时接头容易变硬脆•激光能量较高造成合金元素蒸发，易形成焊缝气孔和咬边•焊件装配、夹持及激光束调整精度要求高•激光的能源转换率低，设备昂贵，成本高典型熔焊方法2025/1/6

243.4.3(5)激光焊接技术

分类•根据激光器类型分类：CO2

、YAG激光焊•根据激光器的工作方式分类：连续焊、脉冲焊•根据激光焊接的机理分类：激光热导焊、激光深熔焊典型熔焊方法2025/1/6

253.4.3典型熔焊方法(5)激光焊接技术

激光焊接的机理•设备：激光器、光束变换系统、计算机控制系统图1激光焊接原理与实际焊接齿轮图2025/1/6

a)激光焊接工作原理b)激光焊接齿轮的同步环实例3.4.326(5)激光焊接技术

激光焊接的机理•激光热导焊的原理：激光辐射能量作用于材料表面，表层10~100nm的薄层熔化后表面温度继续升高，靠热传导熔化下层材料，在两材料连接区的部分形成溶池，随着激光束运动，溶池中的熔融金属随之凝固，形成焊缝典型熔焊方法2025/1/6

27图1激光热导焊基本原理3.4.3典型熔焊方法(5)激光焊接技术

激光焊接的机理•激光熔深焊的原理2025/1/6

28图1激光深熔焊原理3.4.3(1)电阻焊

原理：电阻焊是利用电流通过焊件及接触处产生电阻热，将工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法

分类•点焊：对点电极施加压力，电流通过工件产生电阻热形成点焊缝•缝焊：利用连续电极电流通过工件所产生的电阻热并施加压力形成连续焊缝•凸焊：在焊件接合面上预先加工出凸起点，然后与另一焊件表面相接触加压、加热，凸起点压溃后可形成焊点•对焊：对焊是利用电流通过两对接工件产生的电阻热，使接触面达到塑性状态后顶锻完成的焊接压焊与针焊方法2025/1/6

293.4.4(2)摩擦焊

原理：在压力作用下，使被焊工件接触面的金属相互摩擦，利用摩擦热达到热塑化状态，利用金属间的扩散和再结晶实现连接

优点•焊接接头质量高•适合异种材质连接•生产效率高•焊接尺寸精度高•设备易于机械自动化•生产成本低、环境好、节省能源压焊与针焊方法2025/1/6

303.4.4(2)摩擦焊

缺点与局限性•旋转摩擦焊仅适合焊接高强度回转体构件，焊件必须依靠旋转进行焊接，接头形式和工件断面形式受限，对非圆形截面、盘状和薄壁管零件焊接较困难•受摩擦焊机功率和压力的限制，不能焊接断面尺寸较大的工件•搅拌摩擦焊仅适合轻合金(如铝、镁合金等)材料的对接和搭接焊，对于高强度材料如钢钛合金及粉末冶金材料焊接较困难•摩擦焊压力较大，不适合薄壁的管件或工件•摩擦焊设备复杂，投资较大

工业应用•汽车、拖拉机、自行车、机械制造、家电、纺织、阀门、石油、工具和电缆等工业部门压焊与针焊方法2025/1/6

313.4.4(3)扩散焊接

概念：将工件在高温下加压，但不产生可见变形和相对移动的固态焊方法；以间接热为能源，依靠原子间相互扩散，在界面生成扩散层形成可靠连接接头

原理：过程分为三个阶段。第一阶段是物理接触阶段；第二阶段是随着扩散焊接时间延长，接触界面的某些点形成活化中心进行局部化学反应；第三阶段是在接触部分形成结合层，该层逐渐向体积方向发展，

最终形成可靠的连接接头压焊与针焊方法a)凹凸不平的初始接触b)变形和交界面的形成(第一阶段)c)晶界迁移(第二阶段)d)体积扩散及微孔消除(第三阶段)图1扩散焊接过程示意图3.4.42025/1/632(3)扩散焊接

优点•焊接接头无熔焊缺陷质量及性能好，可靠性高。可实现难焊材料和异种材料的连接•精度高、变形小，可以实现精密接合，一般不需要再进行机械加工•可以进行大端面接头的连接，如异种复合板材制造大端面圆柱体的连接，还可以进行多层或多个相同接头的同时连接•可以采用多种中间层进行固相扩散连接和液相扩散连接，采用合适的中间层可减少接头的残余应力压焊与针焊方法2025/1/6

333.4.4(3)扩散焊接

缺点•需要在真空或保护气氛的环境下同时加热和加压，需要专业的设备•扩散焊接时热循环时间长，成本较高•接合表面要求严格，焊前要清理表面氧化物，对表面粗糙度也有要求•设备一次性投资较大，且连接工件尺寸受到设备的限制•接头的质量检测困难压焊与针焊方法2025/1/6

343.4.4(4)钎焊

概念:指将低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后,利用液态钎料填充固态工件的缝隙，使金属互相连接的焊接方法

钎焊工艺以及设备的发展•电弧钎焊•瞬态液态钎焊•红外钎焊•真空钎焊•直流电阻钎焊•扩散钎焊•高频钎焊•微电子钎焊(激光钎焊、再钎焊和波峰焊)•钎焊自动化压焊与针焊方法2025/1/6