金屬連接成形new

1、第4章 金屬連接成形1本課程“金屬連接成形”部分(限于課時要求) 在概要闡述焊接技術(shù)特點和范疇的基礎(chǔ)上，主要介紹工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬連接方法電弧焊接。2材料加工技術(shù)1.緒論 2. 液態(tài)金屬成形3. 金屬塑性成形 4. 金屬連接成形5. 表面工程 6. 粉末冶金成形7. 塑料成形 8. 快速成形3 金屬連接方法分類1. 借助于螺栓或鉚釘?shù)臋C械連接法Mechanical joining2. 粘接法Adhesive bonding3. 焊接法Welding , brazing and soldering 金屬粘接是在常溫或中溫下經(jīng)液態(tài)膠粘劑對兩個固體界面的浸潤與結(jié)合而形成一個牢固整體的過程何謂“

2、焊接”？焊接指通過適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)過程使兩個分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合而連接成一體的加工方法金屬的焊接在現(xiàn)代工業(yè)中具有重要的意義。4橋梁建造大型橋梁建設(shè)的發(fā)展方向是大跨度、高強度和輕量型。而鋼材性能的不斷改善和焊接加工工藝水平的提高成為橋梁事業(yè)發(fā)展的基本技術(shù)保證。鋼橋結(jié)構(gòu)從全部鉚接，到以栓為主的栓焊結(jié)構(gòu)，再到以焊為主的栓焊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而向全焊結(jié)構(gòu)發(fā)展。鐵路橋梁由于動荷載大，應(yīng)用高強度鋼材和復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的主要制約因素是疲勞和脆斷。5我國現(xiàn)代橋梁發(fā)展歷程武漢長江大橋，主跨為3聯(lián)3128m 平行弦鉚接菱形連續(xù)鋼桁梁，采用A3q鋼，1957年通車。南京長江大橋，主跨為3聯(lián)3160m 平行弦鉚接菱形

3、連續(xù)鋼桁梁，采用16Mnq鋼，1968年通車。九江長江大橋，主跨為180216180m 剛性梁柔性拱橋，采用16MnVNq鋼，栓焊連接，1993年通車。蕪湖長江大橋，主跨為180312180m 低塔斜拉橋，采用14MnNbq鋼，栓焊連接，2000年通車。6以主跨長排序的世界大跨度懸索橋7以主跨長排序的世界大跨度鋼斜拉橋8910111213141516171819204.1.1 金屬焊接過程的本質(zhì) 固態(tài)金屬之所以能夠保持固定的形狀，是因為其內(nèi)部原子之間距離（晶格）非常小，原子之間形成了牢固的結(jié)合力。除非施加足夠的外力破壞這些原子間結(jié)合，否則一塊金屬固體是不會變形或分離成兩塊的。 要把兩個分離的金

4、屬構(gòu)件連接在一起，從物理本質(zhì)上來看，就是要使這兩個構(gòu)件連接表面的原子彼此接近到金屬晶格距離（即 0.3 0.5nm）。金屬焊接的障礙21 一般情況下，當(dāng)我們把兩個金屬構(gòu)件放在一起時，由于其表面粗糙度（即使經(jīng)精密磨削加工的金屬表面粗糙度仍達(dá)幾到幾十微米）和表面存在的氧化膜及其它污染物，實際阻礙著不同構(gòu)件表面金屬原子之間接近到晶格距離并形成結(jié)合力。如何實現(xiàn)金屬焊接？224.1.2 金屬焊接方法的分類1. 熔化焊接 使被連接的構(gòu)件表面局部加熱熔化成液體，然后冷卻結(jié)晶成一體的方法。2. 固相焊接 利用摩擦、擴散和加壓等物理作用，克服表面不平度，除去氧化膜及其它污染物，使兩個連接表面的原子相互接近到晶格

5、距離，從而在固態(tài)條件從而在固態(tài)條件下實現(xiàn)連接。23 3. 釬焊連接 利用某些熔點低于被連接構(gòu)件材料熔點的釬料金屬在連接界面上的熔化流散浸潤，然后結(jié)晶形成結(jié)合。主要的焊接方法手工焊條電弧焊Flux-shielded Metal Arc Welding以外部包覆涂料的焊條作為電極和填充金屬，電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒。涂料在電弧熱作用下一方面可以產(chǎn)生氣體以保護電弧，另一方面可以產(chǎn)生熔渣覆蓋在熔池表面，防止熔化金屬與周圍氣體的相互作用。熔渣的更重要作用是與熔化金屬產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)或向熔池添加合金元素，改善焊縫金屬性能。24埋弧焊Submerged Arc Welding以連續(xù)送進(jìn)的焊絲

6、作為電極和填充金屬，在工件焊接區(qū)的上面覆蓋一層顆粒狀焊劑，電弧在焊劑層下燃燒，將焊絲端部和工件局部母材熔化，形成焊縫。在電弧熱的作用下，部分焊劑熔化成熔渣并與液態(tài)金屬發(fā)生冶金反應(yīng)。熔渣浮在金屬熔池的表面，一方面可以保護焊縫金屬，防止空氣的污染，并與熔化金屬產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，改善焊縫金屬的成分及性能；另一方面還可以使焊縫金屬緩慢冷卻。25鎢極惰性氣體保護電弧焊Tungsten Inert-gas Arc Welding簡稱為TIG 焊。利用鎢極和工件之間產(chǎn)生的電弧使工件金屬熔化而形成焊縫。焊接過程中，鎢極不熔化而只起電極的作用，同時由焊炬的噴嘴送進(jìn)氬氣或氦氣作保護。也可根據(jù)需要另外添加填充金屬。

7、26等離子弧焊Plasma Arc Welding利用電極和工件之間的壓縮電弧（稱為轉(zhuǎn)移電?。崿F(xiàn)焊接的。所用的電極通常是鎢極。產(chǎn)生等離子弧的等離子氣可用氬氣、氮氣、氦氣或其中二者之混合氣。同時還通過噴嘴用惰性氣體保護。焊接時，可以外加填充金屬，也可以不加填充金屬。27熔化極氣體保護電弧焊Metal Gas Arc Welding利用連續(xù)送進(jìn)的焊絲與工件之間燃燒的電弧作熱源，焊炬噴嘴噴出氣體保護電弧進(jìn)行焊接。熔化極氣體保護電弧焊通常用的保護氣體有：氬氣、氦氣、CO2氣或這些氣體的混合氣。以氬氣或氦氣為保護氣時稱為熔化極惰性氣體保護電弧焊，簡稱MIG 焊。以惰性氣體與氧化性氣體（O2，CO2）混

8、合氣為保護氣時，或以CO2氣體或CO2O2混合氣為保護氣時，統(tǒng)稱為熔化極活性氣體保護電弧焊，簡稱MAG 焊。28激光焊Laser Beam Welding利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進(jìn)行的焊接。其功率密度高，對工件加熱集中，焊接速度快，焊件變形小，可以實現(xiàn)精密微型器件的焊接，還能解決一些難焊金屬及異種金屬的連接問題。激光焊接可分為熱導(dǎo)焊（光斑功率密度小于105W/cm2）和深熔焊（光斑功率密度大于106W/cm2）兩種。激光焊不需要在真空中進(jìn)行。2930電子束焊Electron Beam Welding利用匯聚的高速電子流轟擊金屬工件結(jié)合部位所產(chǎn)生的熱能而進(jìn)行焊接。電子束加速

9、電壓0150kV，電流201000mA，焦點直徑0.11mm，功率密度可達(dá)107W/cm2以上。可得到大深寬比（50:1）之焊縫，不開坡口能夠?qū)崿F(xiàn)厚度300mm構(gòu)件的單道焊接。一般在真空室內(nèi)進(jìn)行，不僅可防止熔化金屬受到有害氣體的污染，而且還有利于焊縫金屬的除氣和凈化，適用于異種金屬、活潑金屬及難熔金屬的高質(zhì)量焊接。31氣焊Gas Welding利用氣體火焰為熱源的一種焊接方法。以往最為普遍的是以乙炔氣作燃料的氧乙炔火焰，另外以氫氧氣、液化石油氣（丙烷）作為燃料的氣割和氣焊也有應(yīng)用。乙炔在純氧中燃燒，火焰溫度達(dá)3150C。由于不需要電源，氣焊設(shè)備簡單，操作方便。但與電弧相比，氣體火焰溫度較低，熱

10、量分散，對工件加熱速度慢，生產(chǎn)率較低，熱影響區(qū)較大，且容易引起大的變形。32釬焊Brazing，Soldering利用比被焊材料熔點低的金屬作釬料，經(jīng)過熱源加熱使釬料熔化，靠毛細(xì)管作用將釬料吸入到接頭接觸面的間隙內(nèi)，潤濕被焊金屬表面，使液相與固相之間相互擴散而形成釬焊接頭。釬焊加熱溫度較低，母材不熔化，而且也不需施加壓力。釬料的液相線溫度高于450而低于母材金屬的熔點時，稱為硬釬焊，低于450時，稱為軟釬焊。33電阻焊Resistance Welding使工件處在一定電極壓力作用下并利用電流通過工件時所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化而實現(xiàn)連接的工藝方法。通常使用較大的電流。為了防止在接

11、觸面上發(fā)生電弧并且為了鍛壓焊縫金屬，焊接過程中始終要施加壓力。包括電阻點焊、縫焊、凸焊及對焊。34電渣焊Electroslag Welding利用電流通過液體熔渣產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將工件和填充金屬熔合成焊縫的立焊（焊縫與地面垂直線夾角小于30）工藝方法。焊接過程中，渣池保護金屬熔池不被空氣污染，由兩被焊工件端面與兩側(cè)水冷銅滑塊構(gòu)成空腔擋住熔池和渣池，保證熔池金屬凝固成形。根據(jù)焊接時所用的電極形狀，電渣焊分為絲極電渣焊、板極電渣焊和熔嘴電渣焊。35高頻焊High Frequency Resistance Welding利用高頻電流在金屬工件內(nèi)產(chǎn)生的電阻熱使工件焊接區(qū)表層加熱到熔化或接近熔化的

12、塑性狀態(tài)，隨即施加（或不施加）頂鍛力而實現(xiàn)金屬的結(jié)合。高頻焊通常采用的電流頻率范圍300450kHz，藉助高頻電流的“趨膚效應(yīng)”可將能量集中于工件表層，而利用“鄰近效應(yīng)”又可控制高頻電流流動路線和范圍，使工件待連接部位表層金屬得以快速加熱從而實現(xiàn)相互連接。根據(jù)電流導(dǎo)入工件的方式，可分為接觸高頻焊和感應(yīng)高頻焊。36爆炸焊Explosive Welding以化學(xué)反應(yīng)熱為能源的一種固相焊接方法。它是利用炸藥爆炸使被焊金屬面發(fā)生高速碰撞，在接觸面上造成一薄層金屬的塑性變形，在十分短暫的時間內(nèi)形成冶金結(jié)合。37摩擦焊Friction Welding以機械能為能源的固相焊接。它是利用被焊工件兩表面間的相互

13、運動摩擦所產(chǎn)生的熱，使結(jié)合端面金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛完成連接。38超聲波焊Ultrasonic Welding焊接工件在一定的靜壓力下，由聲極發(fā)出的超聲高頻（大于16kHz）振動能量轉(zhuǎn)換為工件結(jié)合面的摩擦功、形變能以及隨后有限的溫升，接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化情況下實現(xiàn)的。39擴散焊Diffusion Welding通常是在真空或保護氣氛下進(jìn)行，焊接時使兩被焊工件的表面在高溫和較大壓力下相互接觸，通過待焊面微觀塑性變形或微量液相擴大物理接觸，然后經(jīng)過較長時間（一般幾十分鐘）原子相互擴散而實現(xiàn)冶金結(jié)合。40如何選用焊接方法？焊接方法的選用考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型考慮被焊工件厚度考慮接頭

14、形式和焊接位置考慮母材性能考慮所具備的工藝技術(shù)水平考慮焊接設(shè)備考慮焊接材料41焊接技術(shù)的范疇？焊接技術(shù)涵蓋范圍 焊接過程控制和焊接設(shè)備自動化 材料焊接和焊接材料焊接結(jié)構(gòu)和焊接力學(xué) 焊接工藝是上述三方面的源頭和歸宿42焊接技術(shù)范疇（一）焊接電弧理論基礎(chǔ)和弧焊電源、電弧焊接和切割工藝方法及設(shè)備、電阻焊工藝方法及設(shè)備、釬焊工藝方法及設(shè)備、水下電弧焊接與切割、氣焊氣割及高壓水流切割、激光焊接與切割、電子束焊、電渣焊、高頻焊、氣壓焊、熱劑焊、爆炸焊、摩擦焊、變形焊、超聲波焊、擴散焊、堆焊、熱噴涂、SMT焊接、焊接電弧控制技術(shù)、焊接傳感器、焊接機器人、專用焊接裝備、計算機技術(shù)在焊接中的應(yīng)用等。43焊接技術(shù)

15、范疇（二）焊接熱過程、焊接冶金、焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變及性能變化、焊接缺欠、金屬焊接性及其試驗方法、鋼鐵材料焊接、稀貴及有色金屬的焊接、異種金屬的焊接、金屬材料堆焊、塑料的焊接、陶瓷的焊接、陶瓷與金屬的焊接、復(fù)合材料的焊接等。44焊接技術(shù)范疇（三）常用焊接結(jié)構(gòu)材料、焊接接頭及設(shè)計、焊接接頭的力學(xué)性能、焊接應(yīng)力與變形、焊接結(jié)構(gòu)疲勞、焊接結(jié)構(gòu)斷裂及安全評定、焊接結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與方法、基本構(gòu)件的設(shè)計計算、焊接結(jié)構(gòu)制造工藝和設(shè)備、典型焊接結(jié)構(gòu)（機械零部件、壓力容器與管道、建筑鋼結(jié)構(gòu)、機車車輛、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)、起重機和工程機械、動力機械、焊接鋼橋等）的設(shè)計制造、焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的機械化和

16、自動化、質(zhì)量管理與無損檢測、焊接生產(chǎn)組織與經(jīng)濟、焊接車間設(shè)計、焊接安全與衛(wèi)生防護。45焊接史上的里程碑1856年：英格蘭物理學(xué)家Joule發(fā)現(xiàn)電阻焊原理。1876年：美國人John A.Tobin獲得了被稱為Tobin 的高強釬料。1881年：法國人De Meritens發(fā)明了最早的碳弧焊機。1885年：美國人Thompson獲得了電阻焊機的專利權(quán)。1885年：俄羅斯人Olszewski極大發(fā)展了碳弧焊技術(shù)。1889年：美國人Coffin首次使用光焊絲作電極進(jìn)行了電弧焊接。46焊接史上的里程碑 1890年：美國人Coffin提出了焊接加工中將發(fā)生“氧化”的概念。 1890年：英國人Brown第

17、一次使用氧加燃?xì)馇懈钸M(jìn)行了搶劫銀行的嘗試。 1900年：法國人Fouch和Picard造出第一個氧乙炔割炬。 1900年：美國人Goldschmidt發(fā)明了鋁熱焊。 1901年：德國人Menne發(fā)明了氧矛切割。 1904年：美國人Avery發(fā)明了便攜式鋼瓶。 1907年：瑞典人Kjellberg完善了焊條。47焊接史上的里程碑1907年：在美國紐約拆除舊的中心火車站時，因使用氧乙炔切割節(jié)省工程成本20%以上。1912年：第一根氧乙炔氣焊鋼管投入市場。1912年：位于美國費城的公司生產(chǎn)出第一個使用電阻點焊方法焊接的全鋼汽車車身。1912年：美國福特公司為了生產(chǎn)著名的T 型汽車，在自己工廠的實驗室

18、里完成了現(xiàn)代焊接工藝。1917年：第一次世界大戰(zhàn)期間，用電弧焊修理了109艘繳獲德制船用發(fā)動機，用這些船把50萬美國士兵運抵法國。48焊接史上的里程碑 1917年：美國W&S公司使用電弧焊設(shè)備焊接了長11英里、直徑3英寸的管線。1919年：Comfort A.Adams組建了美國焊接學(xué)會AWS 。1920年：第一艘焊接船體的汽船F(xiàn)ulagar號在英國下水。1920年：第一艘使用焊接方法建造的油輪Poughkeep-Socony號在美國下水。1920年：使用電阻焊制造鋼管的方法獲得專利。1920年：藥芯焊絲被用于耐磨堆焊。49焊接史上的里程碑1922年：Prairie 管道公司使用氧乙炔焊接技術(shù)

19、成功完成了從墨西哥到德克撒斯的直徑8英寸長達(dá)140英里的原油輸送管線的鋪設(shè)工作。1923年：世界上第一個浮頂式儲罐建成。1924年：使用氧乙炔焊接建成14哩全焊結(jié)構(gòu)天然氣管線。1926年：美國公司率先介紹了在電弧焊接用金屬電極外使用擠壓方式涂上起保護作用的固體藥皮的制作方法。1926年：美國人獲得了使用氦氣作為電弧保護氣的專利。50焊接史上的里程碑1927年：Lindberg 單獨駕駛單翼飛機成功飛過大西洋，該飛機機身由全焊合金鋼管結(jié)構(gòu)組成。1928年：第一部結(jié)構(gòu)鋼焊接法規(guī)建筑結(jié)構(gòu)中熔化焊和氣割規(guī)則由美國焊接學(xué)會出版發(fā)行。1930年：Georgia鐵路中心在隧道中鋪設(shè)鐵路采用了連續(xù)焊接方法。焊接軌道在兩年后鐵路貫通時投入使用。1930年：原子氫焊接方法在除了碳鋼及低合金鋼之外的金屬焊接中得到很大發(fā)展。51焊接史上的里程碑1931年：焊接工藝制造全鋼結(jié)構(gòu)的帝國大廈落成。1933年：當(dāng)時世界上最高的懸索橋舊金