材料連接技術(shù)

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

趙興kzhao@clljjs@yeah.netclljjs-15課件公共郵箱1）李志遠(yuǎn)等.先進(jìn)連接方法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000；2）任家烈等.先進(jìn)材料的連接.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000；3）近些年國內(nèi)外專著和刊物上發(fā)表的學(xué)術(shù)成果。主要參考資料§1引言§1.1材料連接的作用和地位§1.2材料連接技術(shù)的發(fā)展歷程§1.3材料連接方法原理與分類§1.4本課程的主要內(nèi)容§1材料連接概論§1.1材料連接的作用和地位焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸巨輪到不足１克的微電子元件，在生產(chǎn)制造中都不同程度地應(yīng)用焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命以及生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。三峽水利樞紐的水電裝備就是一套龐大的焊接系統(tǒng)，包括導(dǎo)水管、蝸殼、轉(zhuǎn)輪、大軸、發(fā)電機(jī)機(jī)座等，其中馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪直徑10.7m，高5.4m，重440t，為世界最大的鑄－焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)和13或15個(gè)葉片焊接而成，每個(gè)轉(zhuǎn)輪的焊接需要用12t焊絲，耗時(shí)4個(gè)多月。

從近年來中國完成的一些標(biāo)志性工程來看，焊接技術(shù)發(fā)揮了重要作用：水電站神舟６號(hào)飛船的成功發(fā)射與回收，標(biāo)志著中國航天事業(yè)的巨大進(jìn)步，其中兩名航天員活動(dòng)的返

回艙和軌道艙都是鋁合金的焊接結(jié)構(gòu)，而焊接接頭的氣密性和變形控制是焊接制造的關(guān)鍵。

航天器中國第一個(gè)煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器，直徑5.5m，長62m，厚337mm，重2060t，為當(dāng)今世界最大、最重的鍛－焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器，采用國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)雙絲窄間隙埋弧焊技術(shù)，每條環(huán)焊縫需連續(xù)焊接５天?；ぴO(shè)備中國第一條高強(qiáng)鋼（X70）大直徑長輸管線，長4000km的西氣東輸?shù)墓芫€，所用的螺旋鋼管和直縫鋼管全部是板－焊形式的焊接管。管線艦船2007年我國造船訂單量晉身全球第一2007年8月，英國權(quán)威統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)發(fā)布了世界造船企業(yè)50強(qiáng)排名，中國企業(yè)共有19家入圍。被稱為“中華第一盾”的170艦，都是中國造船界的驕傲，船體是典型的板-焊結(jié)構(gòu)。上海瀘浦大橋全長8722米，是世界上跨度最大的鋼結(jié)構(gòu)拱橋。除合攏接口采用栓接，其余完全采用焊接，現(xiàn)場焊縫總長度達(dá)4萬多米，接近上海市內(nèi)環(huán)高架路的總長度。橋梁建筑奧林匹克主體育場的鳥巢式鋼結(jié)構(gòu)重4萬多噸。鋼結(jié)構(gòu)合龍分3次進(jìn)行，共調(diào)集了100多名高級(jí)焊工和100多臺(tái)焊機(jī)。每條焊縫都進(jìn)行探傷檢測。這些大型結(jié)構(gòu)都是中國焊接制造的最大、最重、最長、最高、最厚、最新的具有代表性的重要產(chǎn)品。由此可見，連接（焊接）在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)中具有非常重要的地位和作用。

§1.2材料連接技術(shù)的發(fā)展歷程焊接是一門新興的同時(shí)又是一門古老的技術(shù)。從歷史上說，它在3000年以前就有記載

，但真正成為一門重要的制造技術(shù)，是最近百年的事。焊接發(fā)展歷程大致分成三個(gè)階段：第一次工業(yè)革命前，以炭火加熱的鍛焊、釬焊等為代表；第一次工業(yè)革命到二次世界大戰(zhàn)前，以手工電弧焊和電阻焊等為代表；二次世界大戰(zhàn)后，以氣電焊、激光焊等為代表。1）焊接技術(shù)的發(fā)展階段在古代鍛焊曾是金屬連接的唯一方式。古代鍛焊制品花鋼（三國時(shí)期）青銅復(fù)合劍（戰(zhàn)國時(shí)期）電阻焊

1856年，James

Joule首次成功用電阻加熱法對一捆銅絲進(jìn)行了熔化焊接。1886年，Elihu

Thomson制造了首臺(tái)焊接變壓器，隨后又發(fā)明了點(diǎn)焊機(jī)、縫焊機(jī)、凸焊機(jī)以及閃光對焊機(jī)。

1964年，Unimation生產(chǎn)的首批用于電阻點(diǎn)焊的機(jī)器人在通用汽車公司使用。目前仍廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)和對其它許多金屬片的焊接上。電弧焊

1810年，Humphrey

Davy在電路的兩極造了一個(gè)穩(wěn)定的電弧——電弧焊的基礎(chǔ)。1881年，Nikolai

Benardos在碳極和工件間產(chǎn)生了電弧，金屬棒或金屬絲可以送進(jìn)這個(gè)電弧并熔化。1890年，Benardos進(jìn)一步完善了這一焊接法，用金屬棒代替碳棒作為電極，焊接過程中電極熔化，充當(dāng)熱源和填充金屬。1907年，Oscar

Kjellberg發(fā)明了涂層焊條，使焊縫質(zhì)量顯著改善，電焊技術(shù)得到突破。一戰(zhàn)期間，艦船等裝備的需求刺激了一批廉價(jià)、快捷的焊接技術(shù)的發(fā)展；二戰(zhàn)期間，航空業(yè)有色金屬（鎂、鋁）連接的需求刺激了新的焊接技術(shù)的產(chǎn)生。1908電渣焊ESW；俄羅斯美國烏克蘭

1909等離子焊接

PAW；德國美國

1920鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊

TIG，GMAW；

美國

1930

螺柱焊；美國

1930熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊

MIG；美國

1930

埋弧焊

SAW；

美國

1953活性氣體保護(hù)電弧焊

MAG，GMAW；俄羅斯1970激光焊接

LBW；英國

1991攪拌摩擦焊

FSW英國…

現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展大事記1801年,

Humphrey

Davy在首批電弧實(shí)驗(yàn)中使用電池作為電源。Benardos在碳弧焊實(shí)驗(yàn)中使用一臺(tái)22馬力的蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用150個(gè)電池來發(fā)電。電池的總重量達(dá)2400kg。Thomson在發(fā)明電阻焊機(jī)時(shí)使用了變壓器。

Oscar

Kjellberg使用110V直流電壓電源，采用一個(gè)裝滿鹽水的桶調(diào)節(jié)焊接電流。1905年，德國AEG公司生產(chǎn)了焊接發(fā)電機(jī)。由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其特性適合焊接，重1000kg,

電流250A。

19世紀(jì)末以前沒有出現(xiàn)電焊的原因之一就是缺乏合適的電源。2）焊接設(shè)備進(jìn)展直流電直到20世紀(jì)20年代才適合用于電弧焊。焊接變壓器很快變得受歡迎，因?yàn)樗膬r(jià)格較便宜，消耗能源相對較少。

20世紀(jì)50年代末，固體焊接整流器問世。最初使用的是硒整流器，接著很快出現(xiàn)了硅整流器。此后，硅可控整流器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了電子控制焊接電流。這些整流器現(xiàn)在都普遍使用，尤其是用于大型焊接電源。焊接逆變器的出現(xiàn)是在電源上最引人注目的發(fā)展。伊薩首個(gè)逆變器模型造于1970年。但是逆變器在1977年以前沒有普遍用于工業(yè)。1984年，伊薩推出140A焊接逆變器，重量只有8kg。

早期焊機(jī)現(xiàn)代焊機(jī)上世紀(jì)70年代出現(xiàn)電弧焊機(jī)器人。

提高焊接效率加拿大人John

Church使用了快速送絲速度和混合保護(hù)氣體，在使用同樣的焊接設(shè)備下，熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊接速度提高一倍。在同一熔池內(nèi)使用兩根焊絲的焊接法——雙絲焊或雙芯焊，實(shí)驗(yàn)證明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊——這種方法結(jié)合了兩種不同的工藝。激光熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊焊接速度極快，熔深大。

3）焊接工藝進(jìn)展節(jié)約能源和材料：窄間隙焊，焊既節(jié)省時(shí)間，又節(jié)省耗材，減少了熱影響區(qū)焊接的變形?；钚枣u極氬弧焊，在施焊板材的表面涂上一層很薄的活性劑，使得電弧收縮和改變?nèi)鄢亓鲬B(tài)，從而大幅增加了鎢極氬弧焊的焊接熔深?！?.3材料連接原理與分類1）材料連接的原理兩種或兩種以上材質(zhì)(同種或異種)，通過加熱或加壓或兩者并用，來達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。Thechemicalbondingthatresultsfromtheattractionbetweenmetalatomsandthesurroundingseaofelectronsiscalledmetallicbonding.從理論上來說，兩塊分離的材料待連接表面面緊密貼合，距離能夠接近平衡距離r*，這種情況下，這個(gè)材料按照它的物理本性，就能連接在一起。實(shí)際上常溫下做不到：表面凹凸不平、氧化膜、有水、油等雜質(zhì)，氧化膜和附加層極大的阻礙材料的連接。采用施加外部能量的方法，促使分離材料的原子接近、形成原子鍵結(jié)合，同時(shí)去除一切阻礙原子鍵結(jié)合的一切表面膜和吸附層，以形成一個(gè)優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。焊接接頭的機(jī)理熔化、凝固（熔化焊）塑性變形、再結(jié)晶（壓力焊）外部的熱源把材料和填充熔劑熔化，在熔池產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，去除它的一切雜質(zhì)和氧化膜附加層，然后再結(jié)晶，相變，最后形成一個(gè)鍵結(jié)合。加壓使這個(gè)材料產(chǎn)生塑性變形，擠出里邊的結(jié)合面的雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)緊密連接，經(jīng)過擴(kuò)散和相變形成一個(gè)塑性變形為主的連接接頭接頭接頭。擴(kuò)散、再結(jié)晶（擴(kuò)散焊）熔化、界面反應(yīng)（釬焊）加壓材料緊密接