焊接成型技術(shù)(第一節(jié))

1材料成形技術(shù)基礎(chǔ)主講：魯中良機(jī)械學(xué)院先進(jìn)制造研究所2012年10月本課程的主要講授內(nèi)容：一、焊接技術(shù)概述二、焊接熱過程三、典型弧焊方法四、常用金屬材料焊接五、焊接力學(xué)焊接制造的戰(zhàn)略地位焊接制造的成就、意義焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展焊接技術(shù)的定義焊接的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用第一講焊接技術(shù)概述 機(jī)械制造中，焊接是最常用三種金屬熱加工成型方法之一，應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。例如：航空航天、汽車、輪船、橋梁、家用電器、電子元件等 2011年，我國鋼產(chǎn)量接近7億噸。而鋼材必須經(jīng)過加工才能成為功能件，其中，大約50%的鋼材需要焊接成型 因此，發(fā)展我國制造業(yè)，尤其是裝備制造業(yè)，必須高度重視焊接技術(shù)的同步提高焊接制造的戰(zhàn)略地位焊接制造的主要成就近幾年來，我國焊接開發(fā)與應(yīng)用方面創(chuàng)造多項(xiàng)世界第一。例如：長江三峽水利工程－水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（直徑10.7m，高5.4m，重達(dá)440噸，需要消耗12噸焊絲）,為世界最大、最重不銹鋼焊接轉(zhuǎn)輪；電機(jī)定子座（直徑22m，高6m，重832噸），是我國焊接的最大鋼結(jié)構(gòu)機(jī)座；蝸殼進(jìn)水口（直徑12.4m，總重量750噸），為世界最大、最重的焊接蝸殼。三峽船閘的閘門閘門寬20.2m,高38.5m,厚3m,重867t焊接制造的主要成就蕪湖長江大橋－－是一座公路/鐵路兩用橋，全長10km，主跨312m，是我國目前跨度最大的公/鐵兩用橋，采用50mm厚的14MnNb鋼整體焊接箱型桁架。

世界第一拱橋－－上海盧浦大橋，全長3,900m，跨度550m，為世界跨度最大的全焊鋼結(jié)構(gòu)拱橋，用3.4萬噸厚度為30-100mm的細(xì)晶粒鋼焊接而成。焊接制造的主要成就北京國家大劇院，其橢球形穹頂長軸212.2m,高46.28m，焊接鋼結(jié)構(gòu)的總重量達(dá)6,475噸，為世界最大的穹頂。2006年11月完成國家體育場工程為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，總用鋼量4.2萬噸，焊縫總長度30萬米，焊縫折算標(biāo)準(zhǔn)總長度280萬米焊接制造的主要成就

目前，中國成為世界上最大的造船國。2012上半年中國造船企業(yè)定單總噸位為502萬噸，在全世界所占比例高達(dá)41.2%。造船工業(yè)中，焊接工作量占80%以上?！附右殉蔀殛P(guān)鍵的制造技術(shù)

焊接作為成形技術(shù)之一，通常被安排在制造流程后期或最終階段，因而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性作用。

——焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)不可分離的組成部分

主要根源就是基于這樣一個(gè)事實(shí)：許多工業(yè)產(chǎn)品的制造已經(jīng)無法離開焊接技術(shù)。例如：西氣東輸工程。在工業(yè)化最發(fā)達(dá)的美國，焊接被視為“美國制造業(yè)的命脈，而且是美國未來競爭力的關(guān)鍵所在”。焊接制造的重要意義以西氣東輸工程項(xiàng)目為例，全長約4300公里的輸氣管道，焊接接頭的數(shù)量竟達(dá)35萬個(gè)以上，整個(gè)管道上焊縫的長度至少1萬5千公里焊接產(chǎn)品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，可以減輕自重，節(jié)約材料焊接的密封性好，適于制造各類容器焊接結(jié)構(gòu)可以在不同部位采用不同材料，充分發(fā)揮各種材料的特長在近代金屬加工中，焊接結(jié)構(gòu)的重量約占鋼材產(chǎn)量的50%焊接成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少，而且日益重要的加工方法焊接制造的重要意義（優(yōu)點(diǎn)）

焊接制造的戰(zhàn)略地位焊接制造的主要成就焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展焊接技術(shù)的定義焊接的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用焊接技術(shù)伴隨著人類歷史而發(fā)展。在人類還只能使用天然材料時(shí)，就產(chǎn)生了捆綁、鑲嵌、縫紉等連接技術(shù)焊接技術(shù)是隨著金屬的應(yīng)用而出現(xiàn)的，古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊和鍛焊172024/8/75000年以前歐洲美索布達(dá)米亞時(shí)代器皿焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展

中國商朝（公元前1600年—1046年），鐵刃銅鉞（鐵與銅的鑄焊件）。春秋戰(zhàn)國時(shí)期，曾侯乙墓中鼓銅座上有許多盤龍，是分段釬焊而成

戰(zhàn)國時(shí)期（公元前770－公元前221年），刀劍：刀刃為鋼，刀背為熟鐵，經(jīng)鍛焊而成據(jù)明朝宋應(yīng)星所著《天工開物》一書記載：中國古代將銅和鐵一起加熱，經(jīng)鍛打制造刀、斧中世紀(jì)，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊制造兵器考古發(fā)現(xiàn)，古代的焊接技術(shù)普遍采用釬焊5500年前用錫釬焊銀擺設(shè)5000年前用錫釬焊銅缽的銀把手5000年前用銀釬料釬焊管子4000年前用金釬料釬焊護(hù)符盒公元前5世紀(jì)用錫鉛釬料鑲嵌皇冠上的珠寶首飾等（中國）公元79年，被火山爆發(fā)埋沒的龐貝城中，有用錫鉛釬料釬焊的家用鉛制水管（古羅馬）192024/8/7（古埃及）秦始皇陵的銅車馬秦始皇陵的銅車馬駕馭手俑雙手與袖管之間的連接，采用了插接、釬焊工藝文獻(xiàn)記載漢（公元前202年-公元9年）班固撰《漢書》：胡桐淚盲似眼淚也，可以汗金銀也，今工匠皆用之。（汗即焊）宋（公元960年-1279年）宋應(yīng)星撰《天工開物》：中華小釬用白銅末，大釬則竭力揮錘而強(qiáng)合之，歷歲彌久，終不可堅(jiān)。（小釬即釬焊，大釬為鍛焊）明（公元1368年－1644年

）方以智撰《物理小識(shí)》：焊藥以硼砂合銅為之，若以胡桐汁合銀，堅(jiān)如石。今玉石刀柄之類焊藥，加銀一分其中，則永不脫21焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展—現(xiàn)代焊接技術(shù)1801年：英國H.Davy發(fā)現(xiàn)電弧1836年：EdmundDavy發(fā)現(xiàn)乙炔氣1856年：英格蘭物理學(xué)家JamesJoule發(fā)現(xiàn)了電阻焊原理1859年：Deville和Debray發(fā)明氫氧氣焊1881年：法國人DeMeritens

發(fā)明了最早期的碳弧焊機(jī)1885年：美國人ElihuThompson獲得電阻焊機(jī)的專利權(quán)1885年：俄羅斯人Benardos

Olszewski

發(fā)展了碳弧焊接技術(shù)1888年：俄羅斯人H.г.Cлавянов

發(fā)明金屬極電弧焊1889-1890年：美國人C.L.Coffin首次使用光焊絲作電極進(jìn)行了電弧焊接1890年：英國人Brown第一次使用氧加燃?xì)馇懈钸M(jìn)行了搶劫銀行的嘗試

1900年：英國人Strohmyer發(fā)明了薄皮涂料焊條1904年：瑞典人奧斯卡.克杰爾貝格建立了世界上第一個(gè)電焊條廠1909年：Schonherr

發(fā)明了等離子弧1916年：安塞爾.先特約發(fā)明了焊接區(qū)X射線無損探傷法大約1920年：使用電阻焊焊接鋼管的生產(chǎn)方法（TheJohnsonProcess）獲得了專利大約1920年：第一艘使用焊接方法制造的油輪Poughkeepsie

Socony號(hào)在美國下水1924年：Magnolia氣體公司使用氧乙炔焊接技術(shù)，建成了14英里長的全焊結(jié)構(gòu)的天然氣管線焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展—現(xiàn)代焊接技術(shù)1926年：美國Alexandre發(fā)明CO2氣體保護(hù)焊原理1930年：前蘇聯(lián)羅比諾夫發(fā)明埋弧焊1931年：由焊接工藝制造全鋼結(jié)構(gòu)組成的帝國大廈建成1955年：美國托姆.克拉浮德發(fā)明高頻感應(yīng)焊1960年：美國Maiman發(fā)現(xiàn)激光，現(xiàn)激光已被廣泛的應(yīng)用在焊接領(lǐng)域1962年：電子束焊接首先在超音速飛機(jī)和B-70轟炸機(jī)上正式使用1990年左右：逆變技術(shù)得到了長足的發(fā)展，其結(jié)果使得焊接設(shè)備的重量和尺寸大大的下降1991年：英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊1993年：使用機(jī)器人控制CO2激光器成功焊接了美國陸軍Abrams型主戰(zhàn)坦克焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展—現(xiàn)代焊接技術(shù)一方面，研制新的焊接方法、焊接設(shè)備和焊接材料，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和安全可靠性。例如：摩擦焊、電子束焊、激光焊等另一方面，提高焊接自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。例如：焊接機(jī)器人焊接制造技術(shù)的發(fā)展趨勢激光焊電子束焊

等離子焊

焊接制造的戰(zhàn)略地位焊接制造的主要成就焊接技術(shù)的歷史與發(fā)展焊接技術(shù)的定義焊接的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用28焊接（Welding）：通過加熱或加壓或二者并用，用或不用填充材料，使兩個(gè)分離的工件（同種或異種金屬，也可以是非金屬）產(chǎn)生原子的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程物理本質(zhì)：兩個(gè)獨(dú)立的工件實(shí)現(xiàn)原子間的結(jié)合。宏觀上形成了永久性接頭，微觀上建立了組織上內(nèi)在聯(lián)系

（一）焊接定義從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來看，表現(xiàn)在兩個(gè)被焊金屬件連接處與焊縫金屬形成了共同晶粒。（金屬晶格距離：0.3～0.5nm）焊接技術(shù)的定義29每種金屬實(shí)現(xiàn)焊接所必須的溫度與壓力之間存在一定的關(guān)系實(shí)現(xiàn)焊接的基本條件:外界提供相應(yīng)的能量1、加熱（提供金屬熔化、原子擴(kuò)散的能量）2、加壓（減少原子擴(kuò)散的距離）3、既加熱又加壓焊接的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用30（1）熔焊(FusionWelding)

將焊接接頭局部加熱至熔化狀態(tài)，形成熔池，熔池中發(fā)生冶金反應(yīng)，冷卻結(jié)晶形成焊縫（2）壓焊(PressureWelding)

利用加壓、摩擦、擴(kuò)散等物理作用克服連接表面的不平度，擠除氧化膜等污物，使連接面上的原子相互接近到晶格距離，通過再結(jié)晶過程中晶界的遷移、原子的擴(kuò)散，在固態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)連接（3）釬焊(Brazing,Soldering)

采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法焊接的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用三類焊接技術(shù)特征對(duì)比332024/8/7方法母材受熱填充材料熱源壓力接頭拆卸性結(jié)合特征熔焊熔化有或無外加無不可拆卸冶金結(jié)合固相焊不熔化無內(nèi)部或外加有不可拆卸冶金結(jié)合釬焊不熔化有外加無部分可拆卸冶金結(jié)合焊接的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用34電弧熱：利用氣體介質(zhì)中的電弧放電過程所產(chǎn)生的熱能作為熱源（手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊等）化學(xué)熱：可燃?xì)怏w（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑與氧或氧化物發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能作為熱源（氣焊、熱劑焊）電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體及其界面時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源（電阻焊和電渣焊）摩擦熱：由機(jī)械高速摩擦所產(chǎn)生的熱能作為熱源（摩擦焊、攪拌摩擦焊）電子束：在真空中利用高壓下高速運(yùn)動(dòng)的電子猛烈轟擊金屬局部表面，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能（電子束焊）激光束：利用受激輻射而增強(qiáng)的光，經(jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源（激光焊接與切割）焊接的熱源種類35焊接熱源的特點(diǎn)熱源最小加熱面積,Cm2最大功率密度W.cm-2溫度K乙炔火焰10-22×1033400-3500金屬極電弧10-31046000鎢極氬弧焊（TIG）10-31.5×1048000埋弧焊10-32×1046400電渣焊10-21042300熔化極氬弧焊(MIG)10-4104-105CO2氣體保護(hù)焊10-4104-105等離子焰10-51.5×10518000-24000電子束10-7108-109激光束10-8107-10836特點(diǎn)及應(yīng)用（1）操作簡單，適應(yīng)能力強(qiáng)，各種鋼材，各種零件、模具，各種角度，如平焊、立焊，甚至仰焊，各種介質(zhì)，如水下焊接（2）工藝靈活，可以分段焊接，跳焊，對(duì)稱焊，便于消除焊接應(yīng)力；可以點(diǎn)焊、縫焊、堆焊（3）電弧溫度高，可達(dá)8000℃，焊接速度快（4）電流可達(dá)幾百安培，電壓僅幾十伏特焊接熱源及焊接方法實(shí)例一ArcWelding(電弧焊)定義：利用電弧作為熱源的焊接方法37手工電弧焊（SMAW）SMAW：ShieldedMetalArcWeldingAlsoknowas:ManualMetalArcWelding,StickWelding焊條焊芯保護(hù)氣氛電弧熔池焊渣電弧基體金屬焊縫即利用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法

1.優(yōu)點(diǎn)（1）設(shè)備簡單，應(yīng)用廣泛；（2）操作靈活方便；（3）能進(jìn)行全位置焊接；（4）焊縫的力學(xué)性能好。

2.缺點(diǎn)（1）生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。適用范圍：可應(yīng)用于鋼板≥0.5~150㎜的各類接頭和堆焊，鋁、銅及其合金板厚≥1㎜的對(duì)接焊，鑄鐵補(bǔ)焊，模具補(bǔ)焊、硬質(zhì)合金的堆焊等。手工電弧焊特點(diǎn)及應(yīng)用截齒硬質(zhì)合金堆焊39SubmergedArcWelding(埋弧焊,SAW)定義：電弧在顆粒狀焊劑層下燃燒，焊絲、焊劑和焊件局部熔化，形成熔池，電弧和熔池被熔渣包圍和保護(hù)，沒有電弧輻射，熔池發(fā)生冶金反應(yīng)，冷卻形成焊縫1.優(yōu)點(diǎn)（1）生產(chǎn)率高，適合大型結(jié)構(gòu)焊接（2）自動(dòng)化程度高，焊接質(zhì)量高（3）無金屬飛濺、弧光，煙塵很少（4）勞動(dòng)條件好2.缺點(diǎn)（1）無法進(jìn)行立焊、橫焊或仰焊（2）靈活性差，只適用于焊接較長或圓周焊縫，無法焊接不規(guī)則的焊縫（3）無法焊接1mm以下的薄板埋弧焊特點(diǎn)及應(yīng)用41MetalInertGasWelding熔化極惰性氣體保護(hù)焊，MIG焊

定義：連續(xù)送絲與焊件之間的電弧為熱源，形成熔池，以惰性氣體保護(hù)熔池的弧焊方法

42MIG特點(diǎn)（1）可以焊接各種金屬，尤其鋁、銅和不銹鋼（2）可以使用大電流，生產(chǎn)率高，熔深較大，可以焊接厚板（3）焊接鋁合金等有色金屬，焊絲熔滴過渡均勻、穩(wěn)定，陰極霧化作用，熔池表面雜質(zhì)被去除，焊縫成形均勻、美觀（4）電流調(diào)節(jié)范圍較寬，焊接工藝性好，焊接效率高（5）電弧氣氛的氧化性很弱，甚至無氧化性，因此適合于焊接活潑金屬及其合金，如：鋁及鋁合金、鎂及鎂合金等43MetalAativeGasArcWelding－MAG

熔化極活性氣體保護(hù)焊，在氬氣中加入氧化性氣體（氧氣，二氧化碳），焊縫雜質(zhì)少，電弧穩(wěn)定性好，焊縫質(zhì)量高。44MAG特點(diǎn)（與MIG焊對(duì)比）（1）提高了熔滴過渡的穩(wěn)定性，焊縫質(zhì)量好（2）穩(wěn)定了陰極斑點(diǎn)，提高電弧燃燒的穩(wěn)定性（3）增大了電弧的熱功率，熔覆率高（4）降低了焊接成本等（5）主要適用于碳鋼、合金鋼和不銹鋼等黑色金屬的焊接45與手工電弧焊對(duì)比（1）焊接熔池純凈，焊縫平整，適用于大型、規(guī)則構(gòu)件（2）焊接設(shè)備更復(fù)雜、價(jià)格高，使用時(shí)不輕便、靈活（3）焊槍較大，焊接纜線比較僵硬、不靈活，因此不適合焊接密封艙體結(jié)構(gòu)（4）焊絲伸出長度通常為12～25mm，不易觀察焊接電弧，工藝調(diào)整要求高（5）進(jìn)行室外焊接時(shí)，常受到天氣或防護(hù)措施的限制例如：為了避免焊接時(shí)保護(hù)氣體發(fā)生爆炸，應(yīng)對(duì)保護(hù)氣體氣瓶采取防護(hù)措施。當(dāng)室外風(fēng)速較大時(shí)，不易采用熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接46TungstenInertGasWelding（鎢極氬弧焊，TIG焊）特點(diǎn)（1）電弧穩(wěn)定，能量集中，操作靈活，可進(jìn)行微區(qū)焊接，薄壁件焊接（2）氬氣具有極好的保護(hù)作用，焊接質(zhì)量好（3）交流氬弧焊可去除焊件表面氧化物，可以焊接化學(xué)活性強(qiáng)的金屬（4）不產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀（5）生產(chǎn)效率低，不易室外焊接47氧乙炔焊（OxyacetyleneWelding）

定義：利用乙炔燃燒加熱被焊件，熔化焊絲或加釬料。特點(diǎn)：（1）焊接設(shè)備簡單、方便，適應(yīng)能力強(qiáng)，可以焊接，可以切割，可以熱處理（2）焊接溫度不夠高，一般可用于釬焊（3）焊接熱影響區(qū)較大（4）焊接成本高，效率低48鋁熱劑焊Thermit特點(diǎn)：

（1）主要可焊接純銅、黃銅、青銅、紫銅、不銹鋼、鍛鐵、鑄鐵等（2）工藝操作簡單，不需要外部電源和熱源，且焊接成本低，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，非常適用于野外金屬構(gòu)件的焊接。定義：利用金屬氧化物和金屬鋁之間的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的過熱熔融金屬來加熱金屬而實(shí)現(xiàn)結(jié)合的方法。金屬氧化物+鋁（粉）→氧化鋁+金屬+熱能49電阻焊

利用電流通過工件及焊接接觸面間所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至塑性或局部熔化狀態(tài)，再施加壓力形成焊接接頭的焊接方法。50電阻焊特點(diǎn)（1）焊接速度快，焊接質(zhì)量好，熱影響區(qū)?。?）生產(chǎn)環(huán)境好、且無噪聲和有害氣體（3）操作比較簡便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（4）能量利用率高，低成本、節(jié)省材料（5）一般只用于焊接直徑小于20mm、截面簡單和受力不大的工件，以及薄壁件51軟釬焊soldering<450℃軟釬料SnPb，可用烙鐵等工具，操作容易，溫度低，釬焊生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，用于電器元件、導(dǎo)線連接。硬釬焊brazing>450℃硬釬料銀基、銅基、鎳基等合金，可采用高頻加熱、氧乙炔加熱，用于硬質(zhì)合金與碳鋼刀柄的連接，銅管焊接，異質(zhì)金屬的連接等。52激光焊（LaserBeamWelding）定義：以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法。主要特點(diǎn)：（1）能量密度大，