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SchoolofMaterialsScience&Engineering材料连接原理与工艺赵兴科Email:xkzhao@ustb.edu.cnTell:62334859SchoolofMaterialsScience&Engineering1焊接方法概述2材料熔焊原理3材料焊接性与焊接工艺4弧焊原理与工艺目录SchoolofMaterialsScience&Engineering1焊接技术概述1.1焊接基本原理1.2焊接技术分类1.3焊接技术发展历程1.4常见焊接方法SchoolofMaterialsScience&Engineering焊接是通过适当的物理化学过程使两个或两个以上分离的固态物体产生原子或分子间结合而形成永久性连接。不仅在宏观上建立了永久性的连接，在微观上也建立了组织上的联系。1.1焊接基本原理SchoolofMaterialsScience&Engineering固体是依靠键作用结合在一起的。以金属材料为例，结合力为金属键。以双原子模型为例，两个原子之间的存在短程的引力和斥力；原子间距离为r*时合力为零，原子将处于稳定状态。当两者的距离偏离r*时两原子之间将存在引力或斥力，处于不稳定的状态。双原子相互作用模型SchoolofMaterialsScience&Engineering从理论上讲，要达到焊接的目的，只须使两个工件表面紧密接触，两个表面的原子间相距接近r*即可。实际上，即使经过精密加工的金属表面，从微观上也是存在凸凹不平。同时金属表面常伴有氧化膜、杂质原子吸附以及水分、有机物吸附层，这些都会妨碍金属表面的紧密接触。为了使金属表面紧密接触，就需要能量，有两种形式：压力热量SchoolofMaterialsScience&Engineering压力可以破坏接触表面的氧化膜，使待连接处发生局部塑性变性，增加有效接触面积；热量可以使接触处金属达到塑性变形或熔化状态，并使该处的氧化膜迅速分解，并增加原子的振动能，促进扩散、化学反应、再结晶和结晶等物理化学反应。每种金属实现焊接所必须的温度和压力之间存在一定的关系，温度越高需要的压力越小，熔化焊接可以不需要压力。SchoolofMaterialsScience&Engineering通过加热、或加压，或二者并用，使分离的两种或两种以上的材料（同种或异种）接触处原子扩散、再结晶、化学反应和结晶等过程，从而形成共同晶粒的过程。金属材料焊接又可以表述成：焊接与钎焊（或胶接）的区别SchoolofMaterialsScience&Engineeringa)钎焊；b)熔钎焊；c)熔焊SchoolofMaterialsScience&Engineering通过加热和加压提供焊接能量外，还必须注意，金属表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接过程中再次形成表面膜，特别是氧化物。因此几乎每一种焊接工艺都要在焊接过程中排除大气，即对焊接区域进行保护。焊接保护的方法很多，可以使用焊剂、保护气氛或者在真空中操作。SchoolofMaterialsScience&Engineering总之，焊接连接必须满足四个方面的要求：通过加压或加热提供必须的能量；去除表面的氧化物；避免大气污染；控制焊接冶金。SchoolofMaterialsScience&Engineering1.2焊接技术分类自百年前电弧焊发明以来，现代焊接技术已迅速发展成为制造工业中的重要技术。现在已有90余种工艺。采用了热、电、光、声、磁等一切可以利用的热源。应用电子、计算机等先进的控制技术。SchoolofMaterialsScience&Engineering焊接方法名类繁多，而且新的方法仍在不断涌现，因此如何对焊接进行科学的分类是一个十分重要的问题。第一层次，按接缝处是否熔化将焊接方法划分为三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。第二层次，按能源种类细分为电弧焊、电阻焊、气焊、铝热焊、摩擦焊等类。第三层次，按保护方式等分为无保护、真空、气保护等方法。SchoolofMaterialsScience&Engineering熔化焊金属熔化-混合-凝固。SchoolofMaterialsScience&Engineering固相焊焊接过程中无液相参与过程。尚有一些分类边界模糊的焊接方法，如闪光电阻对焊、瞬时液相扩散焊等。SchoolofMaterialsScience&Engineering钎焊Fillermetal:brassorsolderBasemetal低熔点填料熔化-凝固。软钎焊(soldering)低于450°C所进行的钎焊为软钎焊，而我国常将350°C作为分界线。硬钎焊(brazing)硬钎焊的钎料熔点高于450°C，接头强度较高（大于200MPa）。SchoolofMaterialsScience&Engineering电弧焊（氩弧焊、手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、气体保护焊）以电阻热为能源：电阻焊、电渣焊、高频焊高能束焊（电子束焊、激光焊）钎焊：软钎焊、硬钎焊；以化学能为焊接能源：气焊、气压焊、爆炸焊；以机械能为焊接能源：摩擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散焊1）焊接热源SchoolofMaterialsScience&Engineering焊接固相焊钎焊熔化焊电弧焊化学能焊高能束焊非熔化极熔化极电阻焊冷压焊摩擦焊扩散焊闪光焊超声焊爆炸焊气电焊焊条焊埋弧焊药芯焊电渣焊钨极氩弧焊等离子弧焊氧乙炔焊铝热剂焊激光焊电子束焊软钎焊硬钎焊SchoolofMaterialsScience&Engineering根据能量的形式与保护方式，焊接方法分为：[1]固相焊；[2]热化学焊；[3]电阻焊；[4]无保护电弧焊；[5]焊剂保护电弧焊；[6]气保护电弧焊；[7]辐射能焊熔焊2）焊接条件SchoolofMaterialsScience&Engineering3）接头类型对接：丝对接、板对接、棒对接等角接：丁字角接，十字角接等搭接：丝搭接、板搭接等SchoolofMaterialsScience&Engineering平焊：立焊；仰焊：4）焊接位置对接：开坡口、不开坡口；角接：内角、外角、搭接等。5）接头型式SchoolofMaterialsScience&Engineering1,2,3,4:对接焊缝，开坡口5(5a,5b):对接焊缝，不开坡口6,7,8,14:内角焊缝9:重力嵌缝10,11:外角焊缝12,13:搭接焊缝15:塞焊焊缝1,5a,6,9,11,12:平焊（或下焊）2,5b,8,10,13:仰焊3:平/立焊4,7:立向上焊14:立向下焊SchoolofMaterialsScience&EngineeringSchoolofMaterialsScience&EngineeringSchoolofMaterialsScience&Engineering焊接技术的命名顺序：1）保护的方式；2）热源或能量源的种类；3）接头类型。氩气保护钨极电弧焊、真空电子束焊、电阻点焊等如：焊接方法名称通常可以简略说，如二氧化碳焊——二氧化碳气体保护电弧焊；手弧焊——手工药皮焊条电弧焊等。SchoolofMaterialsScience&Engineering这些加工往往伴随焊接与连接；使用的设备相同或相似。与焊接相近的加工技术，如堆焊、喷镀、热切割等。SchoolofMaterialsScience&Engineering焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从历史上说，它在3000年以前就有记载，但真正成为一门重要的制造技术，是最近百年的事。1.3焊接技术发展历程SchoolofMaterialsScience&Engineering焊接技术的发展历程大致分成三个阶段：第一次工业革命前，以炭火加热的锻焊、钎焊等为代表；第一次工业革命到二次世界大战前，以手工电弧焊和电阻焊等为代表；二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为代表。SchoolofMaterialsScience&Engineering古代锻焊制品——花钢SchoolofMaterialsScience&Engineering汽车车体电阻点焊装配生产线SchoolofMaterialsScience&Engineering1881碳弧熔化焊（英国）1886电阻焊（英国）1890金属弧（英国）1908电渣焊ESW；（俄罗斯美国乌克兰）1909等离子焊接PAW；（德国美国）1920钨极惰性气体保护电弧焊TIG，GMAW；（美国）1930螺柱焊；（美国）1930熔化极惰性气体保护电弧焊MIG；（美国）1930埋弧焊SAW；（美国）1953活性气体保护电弧焊MAG，GMAW；（俄罗斯）1970激光焊接LBW；（英国）1991搅拌摩擦焊FSW（英国）…焊接技术方法的发明年代SchoolofMaterialsScience&Engineering电阻焊1856年，JamesJoule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。1886年，ElihuThomson制造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机。1964年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。目前仍广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。SchoolofMaterialsScience&Engineering电弧焊1810年，HumphreyDavy在电路的两极造了一个稳定的电弧——电弧焊的基础。1881年，NikolaiBenardos在碳极和工件间产生了电弧，金属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。1890年，Benardos进一步完善了这一焊接法，用金属棒代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金属。1907年，OscarKjellberg发明了涂层焊条，使焊缝质量显著改善，电焊技术得到突破。SchoolofMaterialsScience&Engineering一战期间，舰船等装备的需求刺激了一批廉价、快捷的焊接技术的发展；二战期间，航空业有色金属（镁、铝）连接的需求刺激了新的焊接技术的产生。SchoolofMaterialsScience&Engineering1801年,HumphreyDavy在首批电弧实验中使用电池作为电源。Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。单是电池的总重量就达到2400kg。Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。OscarKjellberg使用110V直流电压电源，他让电流通过一个装满盐水的桶，从而把电流减小到适当的水平。1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。由三相异步电动机驱动，其特性适合焊接，重1000kg,电流250A。焊接设备的发展19世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。SchoolofMaterialsScience&Engineering直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接着很快出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于1970年。但是逆变器在1977年以前没有普遍用于工业。1984年，伊萨推出140A“Caddy”牌逆变器，重量只有8kg。SchoolofMaterialsScience&Engineering早期焊机现代焊机SchoolofMaterialsScience&Engineering上世纪70年代出现电弧焊机器人。SchoolofMaterialsScience&Engineering焊接工艺的发展提高焊接效率：加拿大人JohnChurch使用了快速送丝速度和混合保护气体，在使用同样的焊接设备下，熔化极惰性气体保护电弧焊接速度提高一倍