第5章 材料的連接工藝,思考題

第5章材料的連接工藝1、簡述金屬的可焊性及其影響因素。2、簡述焊接接頭的組織和性能。3、焊接缺陷主要有哪些？其形成的原因？4、壓力焊或固相焊的工藝特點。5、簡述釬焊的工藝特點及常用的釬焊材料。6、簡述塑料焊的工藝特點及主要方法。7、簡述粘接劑的基本組成及必須具備的條件。思考題§5.1

金屬的焊接

§5.1.1概述定義：通過加熱或加壓或二者并用，采用加填充金屬或不加填充金屬使分離的金屬工件達到原子間結合而形成永久性連接的工藝過程。實質：物理化學過程形成原子結合冶金連接金屬材料的焊接性

通常是指金屬是否能適應焊接加工而形成具有一定使用性能的焊接接頭的特性。

結合性能；使用性能金屬材料的可焊性指金屬材料在一定的工藝條件下形成具有一定使用性能的焊接接頭的能力。

1、簡述金屬的可焊性及其影響因素。答：（1）金屬材料的可焊性是指金屬材料在一定的工藝條件下,通過焊接形成優(yōu)質接頭的性能.分為工藝可焊性和使用可焊性兩類:1）工藝可焊性:主要指在一定的焊接工藝條件下,獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度,即金屬材料對形成焊接缺陷的敏感性.2）使用可焊性:主要指金屬的焊接接頭對使用要求的”適應性”和”安全性”,包括焊接接頭的機械性能,耐腐蝕性能等.（2）影響因素：

一是材料因素:它即包括鋼材本身的化學成分,又包括所選用的焊接材料的化學成分(包括焊條、焊絲、焊劑、保護氣體等)。鋼材焊接性能的好壞主要取決于它的化學組成。而其中影響最大的是碳元素，也就是說金屬含碳量的多少決定了它的可焊性。二是工藝因素:它包括從選擇焊接方法和制定合理的工藝措施兩方面來影響焊接性。三是構件類型因素:它包括焊接結構和焊接接頭的形式,剛度及應力狀態(tài)等,其將直接影響接頭的力學性能及產生缺陷的傾向。四是使用要求因素:就是焊接結構的使用條件對焊接性的限制。它包括結構在高溫、低溫下,在腐蝕介質中,在動、靜載荷交變載荷等條件下工作時,對焊接性的限制§5.1.2熔化焊

§5.1.2.1概論

一、基本原理將填充材料（如焊絲）和工件的連接區(qū)基體材料共同加熱至熔化狀態(tài)，在連接處形成熔池，熔池中的液態(tài)金屬冷卻凝固后形成牢固的焊接接頭，使分離工件連接成為一個整體。1、焊縫的形成過程渣保護：防止金屬氧化和吸氣向熔池過渡合金元素，提高焊縫性能減少散熱，提高生產率，防止弧光輻射氣保護：在高溫下不分解的惰性氣體，或是低氧化性的不溶于金屬液體的氣體(如Ar或CO2)。渣-氣聯(lián)合保護：如焊條的藥皮及藥芯焊絲CO2氣體保護焊。真空保護：如真空電子束焊2、焊接冶金的特點

液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)熔池的體積小，冷卻速度大熔池是在運動狀態(tài)下結晶2、簡述焊接接頭的組織和性能。1——焊縫區(qū)（熔化區(qū)）2——熔合區(qū)（半熔化區(qū)）3——熱影響區(qū)4——母材我們通常把焊接接頭分為三個區(qū)域。即焊縫、熱影響區(qū)和熔合區(qū)。這三個區(qū)域中只有焊縫經過了加熱――高溫溶化――完成一系列焊接冶金――冷卻一次結晶凝固――二次結晶固態(tài)下相變這一焊接熱循環(huán)。這個過程決定了焊縫金屬的化學成分，組織性能，是否有焊接缺陷。熱影響區(qū)是鄰近焊縫的母材在熔化焊所特有的快速加熱、快速冷卻這一動態(tài)熱過程中，在極短的時間內進行著除了熔化以外的一些金屬學行為的區(qū)域，其特點是熱場分布極不均勻，溫度梯度非常大，與擴散有關的過程極不充分，組織和性能極不均勻，因此，它是一個最薄弱的環(huán)節(jié)，是焊接結構最容易發(fā)生破壞事故的區(qū)域，熔合區(qū)和過熱區(qū)是焊接接頭中組織和力學性能最差的部分，也是發(fā)生破壞的危險區(qū)，因此在焊接過程中應盡可能減少其范圍。以低碳鋼的焊接為例

焊縫區(qū)：結晶從熔池壁向中心推進，形成柱狀的鑄態(tài)組織。

焊接熱影響區(qū)（HAZ）：

焊縫兩側因焊接熱的傳導作用而發(fā)生的組織性能變化區(qū)域。熔合區(qū)（半熔化區(qū)）：未熔化的過熱組織和部分熔化的結晶鑄態(tài)組織。過熱區(qū)：高溫影響，晶粒粗大。正火區(qū)：最高加熱溫度比Ac3稍高，晶粒重結晶細化，獲得正火組織。部分相變區(qū)：最高加熱溫度Ac1~Ac3，珠光體和部分鐵素體重結晶細化。4、基本術語B：焊縫寬度H：焊縫深度a：焊縫余高＝B/H：成形系數H/B：深寬比a/H：余高系數二、焊接缺陷

第一類裂紋第二類孔穴第三類固體夾雜第四類未熔合和未焊透第五類形狀缺陷第六類其它缺陷3、焊接缺陷主要有哪些？其形成的原因？

焊接裂紋

金屬在焊接應力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域金屬原子結合力遭到破壞而形成的新界面所產生的縫隙。按產生裂紋的本質分為熱~、冷~、再熱~、層狀撕裂、應力腐蝕~。(1)熱裂紋（HotCracking）：在固相線附近的高溫區(qū)形成、主要發(fā)生在晶界處

特征：在與空氣接觸的開口部位表面呈強烈的氧化藍色或天藍色

分類：

結晶/凝固裂紋（Solidification~）

：焊縫金屬

液化裂紋（Liquation~）

：HAZ低熔點共晶或雜質熔融形成晶界液體薄膜

多邊化裂紋（Polyganization~）

：晶格缺陷在一定的溫度和應力作用下發(fā)生遷移、聚集，形成“多邊化邊界”(2)冷裂紋（ColdCracking）

：冷卻到較低溫度（Ms點附近）形成、主要發(fā)生在HAZ

特點：表面光亮，無氧化特征

分類：氫致/延遲裂紋：具有延遲特征淬硬脆化/淬火裂紋：含碳量高、淬硬傾向大的鋼材低塑性脆化裂紋：收縮應變超過材質的塑性儲備

(3)再熱裂紋（Reheat~）

：再次被加熱時產生

斷口有被氧化的顏色。

消除應力處理裂紋（StressRelief~）：熱處理過程產生

應變時效裂紋（StrainAging~）：一定溫度下長期工作(4)層狀撕裂（LamellarTear）：母材本身固有的缺陷因焊接而暴露出來(5)應力腐蝕裂紋（SCC：StressCorrosion~）：腐蝕介質、拉伸應力氣孔（Porosity）

分類：

形狀：微~、圓形~、條蟲形~

部位：根部~、熔合線~、中心線~、表面~、分散~、貫穿~

氣體來源：溶解度/析出型~（H2、N2）、反應~（CO、H2O）

氣體種類：H2、N2、CO固體夾雜（Inclusion）（1）夾渣（Slag~）：焊后殘留在焊縫中的熔渣（2）夾鎢（Tungsten~）：在進行鎢極氬弧焊時，若鎢極不慎與熔池接觸，使鎢的顆粒進入焊縫金屬中而造成未熔合和未焊透未熔合（IncompletePenetration）：焊道與母材或焊道與焊道之間未能完全熔化結合的部分未焊透（IncompleteFusion）：接頭根部應該熔合而未焊上的部分

角焊縫形狀缺陷（1）咬邊（Undercut）：沿焊趾的母材部位產生的溝槽或凹陷（2）焊瘤（Overlap）：熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上形成的金屬瘤（3）燒穿（Burnthrough）：熔化金屬自焊縫背面流出，形成穿孔（4）下塌（Excessivepenetration）：焊縫金屬過量透過背面，而使焊縫正面塌陷、背面凸起的現(xiàn)象（5）錯邊（6）變形收縮變形角變形彎曲變形波浪變形扭曲變形（7）焊縫尺寸、形狀不合要求其它缺陷電弧擦傷（Arcscratch）：在焊縫坡口外部引弧時產生于母材金屬表面上的局部損傷飛濺（Spatter）：熔焊過程中，熔化的金屬顆粒和熔渣向周圍飛散的現(xiàn)象§5.1.2.2基本方法

氣焊鋁熱焊電弧焊電渣焊激光焊電子束焊等離子弧焊§5.1.3壓力/固相焊（Pressure/SolidStateWelding）利用加壓摩擦和擴散等物理作用，克服兩個連接表面的不平度，擠走氧化膜及其它污染物，使兩個連接表面上的原子相互接近到原子間的結合距離，從而在固態(tài)下實現(xiàn)連接的焊接方法。1、擴散連接：壓力焊一種變形。相互接觸的表面，在高溫和壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經一定時間后保證結合層原子間相互擴散，形成整體水平上的可靠連接。2、擴散焊分類：根據保護氣氛分為——氣體保護擴散連接、真空擴散連接、溶劑保護擴散連接；根據物質的存在形態(tài)分為——固態(tài)、液相、超塑成型、燒結-擴散連接；根據是否添加中間層分為——直接、間接擴散連接。3、擴散連接方法特點：優(yōu)點——1）接合區(qū)域無凝固(鑄造)組織，不生成氣孔、宏觀裂紋等熔焊時的缺陷。2）同種材料接合時，可獲得與母材性能相同的接頭，幾乎不存在殘余應力。3）可以實現(xiàn)難焊材料的連接。對于塑性差或熔點高的同種材料、互相不溶解或在熔焊時會產生脆性金屬間化合物的異種材料（包括金屬與陶瓷），擴散連接是可靠的連接方法之一。4）精度高，變形小，精密接合。5）可以進行大面積板及圓柱的連接。缺點——1）無法進行連續(xù)式批量生產。2）時間長，成本高。3）接合表面要求嚴格。4）設備一次性投資較大，且連接工件的尺寸受到設備的限制。按加熱方法的不同，分為電阻焊（ResistanceWelding）：電阻熱摩擦焊（FrictionWelding）：摩擦熱擴散焊（DiffusionBonding）：原子相互擴散冷壓焊（ColdPressureWelding）超聲波焊（UltrasonicWelding）：高頻振蕩能爆炸焊（ExplosionBonding）：化學反應熱

電阻焊利用電流通過被焊工件的接觸部位及其鄰近區(qū)域產生電阻熱，使界面處的金屬達到塑性或局部熔化狀態(tài)，加壓焊合而使工件焊接在一起的焊接方法。分類電阻焊對焊滾焊/縫焊點焊根據焊接接頭形式的差異特點及應用焊接質量與材料的物理性能有關：導電、導熱性能強度線膨脹系數應用：碳鋼、合金鋼、耐熱鋼、鋁、鈦及其合金等

銅及銅合金可以采用電阻焊嗎？

摩擦焊利用被焊金屬表面相互摩擦所產生的熱量，使接觸面及其附近金屬達到塑性狀態(tài)，然后借助頂鍛壓力產生適當的宏觀塑性變形，材料間發(fā)生相互擴散和動態(tài)再結晶，使工件連接到一起的焊接方法。分類（根據焊件相對運動和工藝特點）連續(xù)驅動~、慣性~、線性~、攪拌~、嵌入~、第三體~、相位控制~、徑向~、摩擦堆焊等特點及應用接頭焊接質量好適用性廣焊接變形小勞動條件好高效、低成本應用：除不易夾持的大型盤狀件、薄壁管件、摩擦系數較小的材料外

擴散焊是指在高溫和壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經一定時間后結合層原子間相互擴散，而形成整體的可靠連接的過程。鋁合金與不銹鋼、鋁合金與鈦、銅合金、鋼等的典型接頭特點及應用：

1)適合于耐熱材料及活性金屬的連接。特別適合于不同種類的金屬與非金屬異種材料的連接。

2)可以進行內部及多點、大面積構件的連接，以及電弧可達性不好，或用熔焊方法根本不能實現(xiàn)的連接。

3)是一種高精密的連接方法，工件不變形，可以實現(xiàn)機械加工后的精密裝配連接。5、簡述釬焊的工藝特點及常用的釬焊材料。定義：利用熔點比被焊接金屬低的金屬作釬料，將釬料與工件一起加熱到釬料熔化狀態(tài)，借助毛細管作用將其吸入到固態(tài)間隙內，使釬料與固態(tài)工件表面發(fā)生原子的相互擴散、溶解和化合而連成整體的焊接方法。接頭形成過程

⑴釬料熔化、充滿焊縫；

⑵釬料與金屬相互作用。釬料和釬劑釬料的作用釬劑的作用①連接②填充①清除氧化物②增加潤濕性③保護作用6、簡述塑料焊的工藝特點及主要方法。將分離的塑料用局部加熱或加壓等手段，利用熱熔狀態(tài)的塑料大分子在焊接壓力作用下相互擴散，產生范德華作用力，從而緊密地連接在一起，形成永久接頭的過程稱為塑料的焊接。對熱塑性塑料：

在一定溫度下軟化直至粘滯流動，冷卻后又重新硬化。這個過程可重復多次而且大分子性質不變，所以可對它進行焊接加工。對熱固性塑料：在成形過程中已發(fā)生不可逆交聯(lián)反應，因此不能進行焊接加工。1）熱氣焊用熱氣體對制品表面及焊條加熱，再通過手工或機械方式施加壓力將兩件制品連在一起的方法。熱氣擺動焊2）超聲焊接塑料的焊接面在超聲波能量的作用下做高頻機械振動而發(fā)熱熔化，同時施加壓力把制品焊接在一起。適用于大多數熱塑性塑料，主要用于焊接模塑件、薄膜、板、線材等，焊接時不用填充材料。塑料超聲波焊接示意圖1-超聲波探頭；2-被焊工件；3-焊座；4-焊縫3）摩擦焊被焊接的塑料在焊接面上經摩擦發(fā)熱而熔化，同時手控或機械操縱焊接壓力把制品焊接在一起。4）擠塑焊以焊接填料在塑化裝置內充分均勻混合，塑化后擠出的棒狀熔料為焊接填料，填進已預熱至焊接溫度的焊接表面并用專用壓具壓實的方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接。5）熱工具焊利用一個或多個發(fā)熱工具對兩個被焊制件表面加熱，直至其表面充分熔化，然后在壓力作用下進行焊接的方法。此方法是應用最廣泛的塑料焊接方法。7、簡述粘接劑的基本組成及必須具備的條件。又稱為膠接、粘合，是借助粘接劑在固體表面上產生粘合力，將一個物體與另一個物體牢固地連接在一起的方法。粘接作用僅發(fā)生在表面及薄層。一、粘接劑

又稱“粘合劑”、“膠粘劑”或“膠”，是能夠把兩個固體表面粘接在一起，并在結合處具有足夠強度的物