材料連接技術1

材料連接技術

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

趙興科課程編號：302706引言一、材料連接的內涵材料連接方法包括機械連接、焊接、釬接和膠接等，其中焊接是金屬連接的最重要方法。材料連接是通過適當的手段，使兩個或兩個以上分離的固態(tài)物體產生形成一個整體，從而實現物理量的傳導。先進的材料連接方法；先進材料的連接方法。先進材料連接表現為：先進連接應具備下述特征：接頭的質量好；連接生產率；節(jié)約材料；節(jié)約能源等。焊接與機械連接（如螺紋連接、鉚接等）比較強度高，密封性好，接頭重量輕，加工簡單，節(jié)約材料。先進的連接設備；先進的連接工藝；先進的連接材料。先進材料連接的三個方面內容：二、焊接行業(yè)現狀

１.在裝備制造業(yè)中的地位與作用

焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結構的制造技術。幾乎所有的產品，從幾十萬噸巨輪到不足１克的微電子元件，在生產制造中都不同程度地應用焊接技術。焊接已經滲透到制造業(yè)的各個領域，直接影響到產品的質量、可靠性和壽命以及生產的成本、效率和市場反應速度。三峽水利樞紐的水電裝備就是一套龐大的焊接系統(tǒng)，包括導水管、蝸殼、轉輪、大軸、發(fā)電機機座等，其中馬氏體不銹鋼轉輪直徑10.7m，高5.4m，重440t，為世界最大的鑄－焊結構轉輪。該轉輪由上冠、下環(huán)和13或15個葉片焊接而成，每個轉輪的焊接需要用12t焊絲，耗時4個多月。

從近年來中國完成的一些標志性工程來看，焊接技術發(fā)揮了重要作用：三峽水利樞紐神舟６號飛船的成功發(fā)射與回收，標志著中國航天事業(yè)的巨大進步，其中兩名航天員活動的返

回艙和軌道艙都是鋁合金的焊接結構，而焊接接頭的氣密性和變形控制是焊接制造的關鍵。

神州飛船中國第一個煤直接液化裝置的加氫反應器，直徑5.5m，長62m，

厚337mm，重2060t，為當今世界最大、最重的鍛－焊結構加氫反應器，采用國內自主知識產權的全自動雙絲窄間隙埋弧焊技術，每條環(huán)焊縫需連續(xù)焊接５天。煤直接液化裝置的加氫反應器中國第一條高強鋼（X70）大直徑長輸管線，長4000km的西氣東輸的管線，所用的螺旋鋼管和直縫鋼管全部是板－焊形式的焊接管。西氣東輸的管線艦船2007年我國造船訂單量晉身全球第一2007年8月，英國權威統(tǒng)計機構發(fā)布了世界造船企業(yè)50強排名，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-焊結構。上海瀘浦大橋是世界最長的全焊鋼拱橋。橋梁國家大劇院的橢球型穹頂是世界最重的鋼結構穹頂。建筑奧林匹克主體育場的鳥巢式鋼結構重4萬多噸，是世界之最。在百萬千瓦級核電機組、超超臨界火力發(fā)電機組成套設備、高水頭超大容量水電機組、大型抽水蓄能機組、３０～６０萬瓦級循環(huán)硫化床（ＣＦＢ）鍋爐的成套技術裝備、百萬噸級大型乙烯成套設備、百萬噸級大型對苯二甲酸成套設備、大型煤制氣成套設備以及大型煤礦綜合采掘成套技術與裝備等“十一五”規(guī)劃的二十項國家重大技術裝備的研制項目連接（焊接）都是關鍵制造工藝之一。這些大型結構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品。由此可見，連接（焊接）在國民經濟發(fā)展和國防建設中具有非常重要的地位和作用。

據工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計,每年僅需要進行焊接加工后使用的鋼材就占鋼總產量的45%左右。

焊接還可以解決鋁、銅、鈦、鋯等有色金屬及其復合材料的連接。2.焊接技術發(fā)展新興工業(yè)的發(fā)展仍然迫使焊接等連接技術不斷前進，以滿足其需要，例如：微電子工業(yè)的發(fā)展促進了微型連接工藝和設備的發(fā)展；陶瓷材料和復合材料的發(fā)展促進了釬焊、真空擴散焊、噴涂以及粘結工藝的發(fā)展等。產生了先進的焊接設備、焊接材料和焊接技術。電子束焊接、激光焊接、激光釬焊、激光與電弧復合熱源焊接、單絲或雙絲窄間隙埋弧焊、４絲高速埋弧焊、雙絲脈沖氣體保護焊、等離子弧焊接、機器人焊接系統(tǒng)、焊接柔性生產線、變極性焊接電源、表面張力過渡焊接電源、全數字化焊接電源以及目前國際上比較熱門的攪拌摩擦焊技術等。隨著現代工業(yè)生產的需要和科學技術的蓬勃發(fā)展，焊接技術不斷進步。僅以新型焊接方法而言，到目前為止，已達數十種之多。

世界各工業(yè)發(fā)達國家都非常重視焊接技術的發(fā)展與創(chuàng)新。美國和德國專家在討論21世紀焊接的作用和發(fā)展方向。一致認為：

焊接是制造業(yè)的重要加工技術，精確、可靠、低成本，目前還沒有其它方法能夠比焊接更為廣泛地應用于金屬的連接，并對所焊產品增加更大的附加值。焊接技術（包括連接、切割、涂敷）現在以及將來，都有最大可能成功地將各種材料加工成可投入市場的產品的首選加工方法。焊接對改善產品全壽命的成本、質量和可靠性是至關重要的手段，而且對提高產品的市場競爭力有重要貢獻。

國外主要工業(yè)發(fā)達國家的政府很重視焊接技術的發(fā)展，他們希望用先進的焊接技術來提高產品的生產質量、提高效率、降低成本，以此來與勞力成本相對低廉的國家進行市場競爭，這是一種戰(zhàn)略手段。中國制造業(yè)中以焊接為主要工藝技術的企業(yè)約有7000家，其中特大型、大型和中型企業(yè)約占1/3。焊接機器人是實現焊接自動化、柔性化的重要途徑。根據2005年的統(tǒng)計，全國焊接機器人約2700臺，其中70%集中在汽車行業(yè)，但基本是進口的?？傊?，焊接工藝已經不是一種輔助工藝，它在最近幾年已經成為制造業(yè)中的關鍵加工手段，完成了許多關系國計民生與國防建設的重大戰(zhàn)略性產品的生產，中國已成為焊接大國，而非焊接強國。

本課程是材料加工工程專業(yè)碩士研究生的選修課。二、本課程的性質使學生對材料連接及其最新發(fā)展有較全面的了解；幫助學生靈活運用連接技術與思想，解決今后各自崗位上遇到的相關問題；希望更多的有生力量加入焊接強國建設者的行列。1.本課程的目的第一部分簡要介紹各種連接技術的基本原理和特點。第二部分分類介紹當前材料連接方法的進展和發(fā)展趨勢。第三部分介紹各典型行業(yè)中先進連接的應用狀況。2.本課程的內容教學內容學時數§1材料連接技術概述§1-1材料連接的原理與分類§1-2現代焊接技術的發(fā)展歷程§1-3常見焊接方法簡介§2先進材料連接技術§2-1先進的材料連接技術§2-2先進材料的連接技術§3典型行業(yè)中的連接技術§3-1航天航空行業(yè)§3-2汽車工業(yè)§3-3造船業(yè)§3-4電子行業(yè)6213844822223.教學內容與學時分配

李志遠等.先進連接方法.北京:機械工業(yè)出版社,2000任家烈等.先進材料的連接.北京:機械工業(yè)出版社,2000參考教材：第一章材料連接技術概述§1-1材料連接的原理與分類§1-2焊接的發(fā)展歷程§1-3常見焊接方法簡介一、材料連接的原理§1.1材料連接的原理與分類材料連接方法包括機械、焊接、釬接和膠接等，其中焊接是金屬連接的最重要方法。除焊接外，其他的連接方法都要借助中間介質，有明顯的結合面。焊接與其他連接方法從本質上不同。1.焊接的原理固體是依靠鍵作用結合在一起的。以金屬材料為例，結合力為金屬鍵。根據雙原子模型，兩個原子之間的結合力取決于二者之間的引力和斥力；原子間距離為r*時的結合力（引力）最大，大于和小于r*時，結合力均顯著減小。雙原子相互作用模型從理論上講，要達到焊接的目的，只須使兩個工件表面緊密接觸，兩個表面的原子間相距接近r*即可。實際上，即使經過精密加工的金屬表面，從微觀上也是存在凸凹不平。同時金屬表面常伴有氧化膜、雜質原子吸附以及水分、有機物吸附層，這些都會妨礙金屬表面的緊密接觸。為了使金屬表面緊密接觸，就需要能量，有兩種形式：壓力和熱量。2.焊接的條件壓力可以破壞接觸表面的氧化膜，使待連接處發(fā)生局部塑性變性，增加有效接觸面積；熱量可以使接觸處金屬達到塑性變形或熔化狀態(tài)，并使該處的氧化膜迅速分解，并增加原子的振動能，促進擴散、化學反應、再結晶和結晶等物理化學反應。每種金屬實現焊接所必須的溫度和壓力之間存在一定的關系，溫度越高需要的壓力越小，熔化焊接可以不需要壓力。金屬材料焊接又可以表述成：通過加熱、或加壓，或二者并用，使分離的兩種或兩種以上的材料（同種或異種）接觸處原子擴散、再結晶、化學反應和結晶等過程，從而形成共同晶粒的過程。Weldingisaprocessofmetaljoiningbyapplyingheatandsometimepressure.通過加熱和加壓提供焊接能量外，還必須注意，金屬表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接過程中再次形成表面膜，特別是氧化物。因此幾乎每一種焊接工藝都要在焊接過程中排除大氣，即對焊接區(qū)域進行保護。焊接保護的方法很多，可以使用焊劑、保護氣氛或者在真空中操作。另一個焊接要求就是控制焊接冶金。焊接冶金包括物理冶金和化學冶金，物理冶金如原子的擴散，晶界遷移，熔化結晶；化學冶金包括焊接區(qū)域的氣氛-焊渣-液態(tài)金屬-高溫固態(tài)金屬間的各種化學反應?？傊?，焊接連接必須滿足四個方面的要求：通過加壓或加熱提供必須的能量；去除表面的氧化物；避免大氣污染；控制焊接冶金。二、焊接技術的分類自百年前電弧焊發(fā)明以來，現代焊接技術已迅速

發(fā)展成為制造工業(yè)中的重要技術?，F在已有90余種工藝。采用了熱、電、光、聲、磁等一切可以利用的熱源。應用電子、計算機等先進的控制技術。焊接方法名類繁多，而且新的方法仍在不斷涌現，因此如何對焊接進行科學的分類是一個十分重要的問題。[1]固相焊；[2]熱化學焊；[3]電阻焊；[4]無保護電弧焊；[5]焊劑保護電弧焊；[6]氣保護電弧焊；[7]輻射能焊1.焊接條件第一層次，按接縫處是否熔化將焊接方法劃分為三大類，即熔化焊、固相焊和釬焊。第二層次，按能源種類細分為電弧焊、電阻焊、氣焊、鋁熱焊、摩擦焊等類。第三層次，按保護方式等分為無保護、真空、氣保護等方法。2.接頭成型過程焊接固相焊釬焊熔化焊電焊化學能焊高能束焊非熔化極熔化極電阻焊冷壓焊摩擦焊擴散焊閃光焊超聲焊爆炸焊氣電焊焊條焊埋弧焊藥芯焊電渣焊鎢極氬弧焊等離子弧焊氧乙炔焊鋁熱劑焊激光焊電子束焊軟釬焊硬釬焊固相焊焊接過程中無液相參與過程。電阻縫焊熔化焊金屬熔化-混合-凝固。Basemetalmelt+fillermelt釬焊Fillermetal:brassorsolderBasemetal低熔點填料熔化-凝固。軟釬焊(soldering)硬釬焊(brazing)尚有一些分類邊界模糊的焊接方法，如閃光電阻對焊、瞬時液相擴散焊等。3.接頭類型對接：絲對接、板對接、棒對接等角接：丁字角接，十字角接等搭接：絲搭接、板搭接等平焊：立焊；仰焊：4.焊接位置對接：開坡口、不開坡口；角接：內角、外角、搭接等。6.接頭型式1,2,3,4:對接焊縫，開坡口5(5a,5b):對接焊縫，不開坡口6,7,8,14:內角焊縫9:重力嵌縫10,11:外角焊縫12,13:搭接焊縫15:塞焊焊縫1,5