第六章-材料连接技术

第六章材料连接技术金属、陶瓷和塑料等材质的构件以一定的方式组合成一个整体，需要用到连接技术(JoiningTechnology)。本章主要讨论在工业中非常重要的焊接技术，特别是广泛应用的熔化焊技术，此外也简要介绍铆接和胶接等永久性连接技术的原理和工艺。第六章材料连接技术第一节焊接理论焊接的定义可以概括为：同种或异种材质的工件，通过加热或加压或二者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺称为焊接(Welding)。典型焊条电弧焊的焊接过程如图6-1所示。第一节焊接理论一、焊接热过程及焊接热源1.焊接热过程的特点焊接热过程包括焊件的加热、焊件中的热传递及冷却三个阶段。焊接热过程具有如下特点：(1)加热的局部性。(2)焊接热源是移动的。(3)具有极高的加热速度和冷却速度。第一节焊接理论2.焊接热源现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是：(1)能量密度高，并能产生足够高的温度。高能量密度和高温可以使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速焊接，提高生产率。(2)热源性能稳定，易于调节和控制。热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。(3)高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。主要焊接热源有电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束和激光束等等，见表6-1。第一节焊接理论3.焊接温度场温度场指的是一个温度分布的空间焊接温度场可以用等温线或等温面来表示，如图6-2。4.焊接热循环母材上某一点所经受的这种升温和降温过程叫做焊接热循环(WeldThermalCycle)。焊接热循环可以用图6-3所示的温度-时间曲线来表示。第一节焊接理论二、焊接化学冶金熔化焊时，伴随着母材被加热熔化，在液态金属的周围充满了大量的气体，有时表面上还覆盖着熔渣。这些气体及熔渣在焊接的高温条件下与液态金属不断地进行着一系列复杂的物理化学反应，这种焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。该过程对焊缝金属的成分、性能、焊接质量以及焊接工艺性能都有很大的影响。第一节焊接理论1.焊接化学冶金反应区焊接化学冶金反应从焊接材料(焊条或焊丝)被加热、熔化开始，经熔滴过渡，最后到达熔池，该过程是分区域(或阶段)连续进行的。以焊条电弧焊为例，可划分为三个冶金反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区(见图6-4)。（1）药皮反应区焊条药皮被加热时，固态下其组成物之间也会发生物理化学反应。（2）熔滴反应区熔滴反应区包括熔滴形成、长大到过渡至熔池中的整个阶段。（3）熔池反应区熔滴金属和熔渣以很高的速度落入熔池，并与熔化后的母材金属相混合或接触，同时各相间的物理化学反应继续进行，直至金属凝固，形成焊缝。第一节焊接理论2.气相对焊缝金属的影响3.熔渣及其对金属的作用熔渣在焊接过程中的作用有保护熔池、改善工艺性能和冶金处理等三个方面。第一节焊接理论三、焊接接头的金属组织和性能1.焊缝的组织和性能焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的，由于结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成的晶粒是柱状晶，柱状晶粒的生长方向与最大冷却方向相反，垂直于熔池底壁。焊缝金属的力学性能可高于基体金属。第一节焊接理论2.热影响区的组织和性能在电弧热的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。图6-5为低碳钢焊接时热影响区组织变化示意图。按组织变化特征，其热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。3.改善焊接接头组织性能的方法第一节焊接理论四、焊接过程模拟（1）焊接热过程的数值模拟（2）焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟（3）焊接应力和应变发展过程的数值模拟（4）非均质焊接接头的数值模拟（5）焊接熔池形状和尺寸的数值模拟（6）焊接过程的物理模拟第一节焊接理论第二节常用连接工艺工业上使用的焊接和连接方法有几十种，如图6-6所示。一、熔化焊在液态下进行焊接时，母材接头被加热到熔化温度以上，它们在液态下相互融合，冷却时便凝固在一起，这就是熔化焊接(FusionWelding)。第二节常用连接工艺1.埋弧自动焊埋弧自动焊(SubmergedArcAutomaticWelding)是电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。埋弧自动焊的焊接过程如图6-7和图6-8所示。埋弧自动焊与焊条电弧焊相比具有生产率高、焊接质量高而且稳定、节省金属材料、劳动条件好等优点，但是埋弧自动焊的灵活性差。埋弧自动焊可焊接碳钢、低合金钢、不锈钢和纯铜等，适用于较厚的板料(6～60mm)的长、直焊缝和直径大于250mm环形焊缝的焊接。生产批量越大，使用埋弧自动焊的经济效益越佳。第二节常用连接工艺2.气体保护电弧焊气体保护电弧焊(GasShieldedArcWelding)是利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。用作保护介质的气体有氩气、氦气、二氧化碳，以及这些气体的混合气。（1）熔化极气体保护电弧焊熔化极气体保护电弧焊(GasMetalArcWelding,GMAW)以连续送进的焊丝作为电极，并利用电弧热将焊件熔化，并由焊炬喷嘴喷出的气体保护下形成焊缝，如图6-9。（2）钨极气体保护电弧焊钨极气体保护电弧焊(GasTungstenArcWelding，GTAW)是一种不熔化极气体保护电弧焊，是利用高熔点的钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。钨极惰性气体保护焊(TIG)是用氩气或氦气等惰性气体进行保护的GTAW焊接方法，如图6-10所示。第二节常用连接工艺3.电渣焊电渣焊(Electro-slagWelding)是利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热作为热源的一种熔化焊接方法。电渣焊总是在垂直立焊位置进行焊接，丝极电渣焊的焊接过程如图6-11所示。第二节常用连接工艺二压力焊在固态下进行焊接时，可以利用压力将母材接头焊接，加热只起着辅助作用，有时不加热，有时加热到接头的高塑性状态，甚至使接头的表面薄层熔化，这便是压力焊接(PressureWelding)。1.电阻焊电阻焊(ResistanceWelding)又称接触焊，它是利用电流通过焊接接头的接触面时产生的电阻热将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在压力下，形成焊接接头的压焊方法。电阻焊按接头形式的不同，可分为点焊、缝焊、凸焊和对焊等类型，如图6-12(1)所示。第二节常用连接工艺（1）点焊焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，形成焊点。如图6-12(2)a所示。（2）凸焊凸焊是由点焊演化而来，通常是在两板件之一上冲出凸点，然后进行焊接。（3）缝焊缝焊与点焊原理相似，只是其电极为一对转动的铜滚轮。焊件在转动滚轮作用下，边焊接边前进，使焊缝相互连接形成连续的焊缝。（4）对焊对焊是利用电阻热使两被焊工件沿整个接触面焊合的电阻焊接工艺方法，可分为电阻对焊和闪光对焊。第二节常用连接工艺2.摩擦焊摩擦焊(FrictionWelding)是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，将工件端面加热到塑性状态，然后在压力下使金属连接在—起的焊接方法。摩擦焊焊接过程如图6-13所示。第二节常用连接工艺三、钎焊在接头之间加入熔点远较母材低的合金，局部加热使这些合金熔化，借助于液态合金与固态接头的物理化学作用而达到焊接的目的，这便是钎焊(Soldering&Brazing)。钎焊用的合金称为钎料。根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊和软钎焊两大类。(1)硬钎焊(Brazing)钎料熔点高于450℃时的钎焊。(2)软钎焊(Soldering)钎料的熔点在450℃以下的钎焊。为提高接头强度，钎焊构件的接头形式都采用板料搭接和套件镶接，图6-14所示为几种常见钎焊的接头形式。第二节常用连接工艺四、焊接新工艺的发展随着焊接结构较多地采用钽、钛、钼、铌等活泼金属，以及焊接往往成为机械加工后的最后一道连接工序而要求工件热变形很小，在微电子等领域采用精密焊接越来越多。在相当多的高新技术领域，普通电弧焊己不能满足要求。真空电子束焊接、等离子焊接、激光焊接等高能量密度焊接新工艺获得了较大发展。五、各种焊接方法的比较表6-2对常用焊接方法的特点和应用进行了对比，可供选择焊接方法时参考。第二节常用连接工艺六、铆接将铆钉穿过被连接件(通常为板材或型材)的预制孔中经铆合而成的连接方式称为铆钉连接，简称铆接(RivetJoint)，如图6-15所示。图6-16为开口型扁圆头抽芯铆钉(GB/T12615-90)的铆接过程。第二节常用连接工艺七、胶接1.概述胶接(AdhesionBonding)是利用胶粘剂直接把被连接件连接在一起。2.常用胶粘剂(1)环氧胶粘剂环氧胶粘剂是目前使用量最大，使用面最广泛的一种结构胶粘剂，它是通过环氧树脂的环氧基与固化剂的活性基团发生反应，形成胶联体系，从而达到胶接目的。(2)聚氨酯胶粘剂聚氨酯胶粘剂是以异氰酸化学反应为基础，用多异氰酸酯及含羟、胺等活性基团的化合物作为主要原料来制造的。第二节常用连接工艺(3)橡胶胶粘剂橡胶胶粘剂的主体材料是天然橡胶和合成橡胶。(4)丙烯酸酯胶粘剂丙烯酸酯胶粘剂是以丙烯酸酯及其衍生物为主要单体，通过自由基聚合反应或者离子型聚合反应来制备。(5)杂环高分子胶粘剂杂环高分子胶粘剂又称高温胶粘剂，属航空航天用高温结构胶粘剂。第二节常用连接工艺3.胶接工艺胶接工艺过程主要包括：设计和加工胶接接头、被粘材料表面处理、胶粘剂的准备、涂胶、晾置以及装配、固化、检验、修整等。（1）胶接接头的基本类型及应用所有胶接接头可以概括为如图6-17所示的四种基本类型：角接、T形接、对接与表面接。第二节常用连接工艺（2）胶接件的表面处理1)溶剂清洗法主要是除油，其次是表面的其他污物。2)机械处理法对被粘表面进行机械处理，既可除掉金属表面锈蚀层、油污，也是为了使表面粗糙以利胶接。3)化学处理法化学处理法是用配好的酸、碱液或某些无机盐溶液将被粘材料表面的一切油污杂质清除掉。4)电化学酸洗除锈处理电化学酸洗除锈处理是将被处理工件浸在酸或金属盐处理液中作电极，通以直流电而使工件上的覆盖物通过侵蚀而去掉的方法。（3）涂胶（4）固化第二节常用连接工艺第三节各种材料的连接一、金属材料的焊接1.金属材料的焊接性(可焊性)（1）焊接性的概念一定焊接技术条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料对焊接加工的适应性称为金属材料的焊接性(Weldability)。第三节各种材料的连接（2）焊接性的评价1）碳当量法碳当量是把钢中的合金元素(包括碳)的含量，按其作用换算成碳的相对含量。国际焊接学会推荐的碳当量(CE)公式为：式中(C)、(Mn)等－碳、锰等相应成分的质量分数(%)。一般来说，碳当量越大，钢材的焊接性越差。当CE0.4％时，钢材的塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。当CE在0.4～0.6％时，钢材的塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，焊接性较差。当CE0.6％时，钢材的塑性变差。淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性更差。％）＋＋＋＋＋＋＝10015)Cu()Ni(5)V()Mo()Cr(6)Mn()C([CE第三节各种材料的连接2)冷裂纹敏感系数法冷裂纹敏感系数的式为：式中PW－冷裂纹敏感系数；h－板厚；[H]－100g焊缝金属扩散氢的含量(mL)。冷裂纹敏感系数越大，则产生冷裂纹的可能性越大，焊接性越差。％＋＋＋＋＋＋＝100]60060]H[)B(510)V(15)Mo(60)Ni(20)Cu()Mn()Cr(30)Si()C([hPW第三节各种材料的连接2.常用的金属焊接（1）低碳钢的焊接低碳钢的CE小于0.4％，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，焊接性良好。第三节各种材料的连接（2）中、高碳钢的焊接中碳钢的CE一般为0.4％～0.6％，随着CE的增加，焊接性能逐渐变差。高碳钢的CE一般大于0.6％，焊接性能更差。通常采取以下技术措施：1)焊前预热、焊后缓冷2)尽量选用抗裂性好的碱性低氢焊条，也可选用比母材强度等级低一些的焊条，以提高焊缝的塑性。3)选择合适的焊接方法和规范，降低