焊接成型技术(第一节)

1材料成形技术基础主讲：鲁中良机械学院先进制造研究所2012年10月本课程的主要讲授内容：一、焊接技术概述二、焊接热过程三、典型弧焊方法四、常用金属材料焊接五、焊接力学焊接制造的战略地位焊接制造的成就、意义焊接技术的历史与发展焊接技术的定义焊接的分类、特点、应用第一讲焊接技术概述机械制造中，焊接是最常用三种金属热加工成型方法之一，应用领域极其广泛。例如：航空航天、汽车、轮船、桥梁、家用电器、电子元件等2011年，我国钢产量接近7亿吨。而钢材必须经过加工才能成为功能件，其中，大约50%的钢材需要焊接成型因此，发展我国制造业，尤其是装备制造业，必须高度重视焊接技术的同步提高焊接制造的战略地位焊接制造的主要成就近几年来，我国焊接开发与应用方面创造多项世界第一。例如：长江三峡水利工程－水轮机转轮（直径10.7m，高5.4m，重达440吨，需要消耗12吨焊丝）,为世界最大、最重不锈钢焊接转轮；电机定子座（直径22m，高6m，重832吨），是我国焊接的最大钢结构机座；蜗壳进水口（直径12.4m，总重量750吨），为世界最大、最重的焊接蜗壳。三峡船闸的闸门闸门宽20.2m,高38.5m,厚3m,重867t焊接制造的主要成就芜湖长江大桥－－是一座公路/铁路两用桥，全长10km，主跨312m，是我国目前跨度最大的公/铁两用桥，采用50mm厚的14MnNb钢整体焊接箱型桁架。世界第一拱桥－－上海卢浦大桥，全长3,900m，跨度550m，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥，用3.4万吨厚度为30-100mm的细晶粒钢焊接而成。焊接制造的主要成就北京国家大剧院，其椭球形穹顶长轴212.2m,高46.28m，焊接钢结构的总重量达6,475吨，为世界最大的穹顶。2006年11月完成国家体育场工程为全焊接钢结构，总用钢量4.2万吨，焊缝总长度30万米，焊缝折算标准总长度280万米焊接制造的主要成就目前，中国成为世界上最大的造船国。2012上半年中国造船企业定单总吨位为502万吨，在全世界所占比例高达41.2%。造船工业中，焊接工作量占80%以上。——焊接已成为关键的制造技术焊接作为成形技术之一，通常被安排在制造流程后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用。——焊接已成为现代工业不可分离的组成部分主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术。例如：西气东输工程。在工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。焊接制造的重要意义以西气东输工程项目为例，全长约4300公里的输气管道，焊接接头的数量竟达35万个以上，整个管道上焊缝的长度至少1万5千公里焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，可以减轻自重，节约材料焊接的密封性好，适于制造各类容器焊接结构可以在不同部位采用不同材料，充分发挥各种材料的特长在近代金属加工中，焊接结构的重量约占钢材产量的50%焊接成为现代工业中不可缺少，而且日益重要的加工方法焊接制造的重要意义（优点）焊接制造的战略地位焊接制造的主要成就焊接技术的历史与发展焊接技术的定义焊接的分类、特点、应用焊接技术伴随着人类历史而发展。在人类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶嵌、缝纫等连接技术焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊172020/4/75000年以前欧洲美索布达米亚时代器皿焊接技术的历史与发展中国商朝（公元前1600年—1046年），铁刃铜钺（铁与铜的铸焊件）。春秋战国时期，曾侯乙墓中鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊而成战国时期（公元前770－公元前221年），刀剑：刀刃为钢，刀背为熟铁，经锻焊而成据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜和铁一起加热，经锻打制造刀、斧中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器考古发现，古代的焊接技术普遍采用钎焊5500年前用锡钎焊银摆设5000年前用锡钎焊铜钵的银把手5000年前用银钎料钎焊管子4000年前用金钎料钎焊护符盒公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等（中国）公元79年，被火山爆发埋没的庞贝城中，有用锡铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）192020/4/7（古埃及）秦始皇陵的铜车马秦始皇陵的铜车马驾驭手俑双手与袖管之间的连接，采用了插接、钎焊工艺文献记载汉（公元前202年-公元9年）班固撰《汉书》：胡桐泪盲似眼泪也，可以汗金银也，今工匠皆用之。（汗即焊）宋（公元960年-1279年）宋应星撰《天工开物》：中华小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终不可坚。（小钎即钎焊，大钎为锻焊）明（公元1368年－1644年）方以智撰《物理小识》：焊药以硼砂合铜为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄之类焊药，加银一分其中，则永不脱21焊接技术的历史与发展—现代焊接技术1801年：英国H.Davy发现电弧1836年：EdmundDavy发现乙炔气1856年：英格兰物理学家JamesJoule发现了电阻焊原理1859年：Deville和Debray发明氢氧气焊1881年：法国人DeMeritens发明了最早期的碳弧焊机1885年：美国人ElihuThompson获得电阻焊机的专利权1885年：俄罗斯人BenardosOlszewski发展了碳弧焊接技术1888年：俄罗斯人H.г.Cлавянов发明金属极电弧焊1889-1890年：美国人C.L.Coffin首次使用光焊丝作电极进行了电弧焊接1890年：英国人Brown第一次使用氧加燃气切割进行了抢劫银行的尝试1900年：英国人Strohmyer发明了薄皮涂料焊条1904年：瑞典人奥斯卡.克杰尔贝格建立了世界上第一个电焊条厂1909年：Schonherr发明了等离子弧1916年：安塞尔.先特约发明了焊接区X射线无损探伤法大约1920年：使用电阻焊焊接钢管的生产方法（TheJohnsonProcess）获得了专利大约1920年：第一艘使用焊接方法制造的油轮PoughkeepsieSocony号在美国下水1924年：Magnolia气体公司使用氧乙炔焊接技术，建成了14英里长的全焊结构的天然气管线焊接技术的历史与发展—现代焊接技术1926年：美国Alexandre发明CO2气体保护焊原理1930年：前苏联罗比诺夫发明埋弧焊1931年：由焊接工艺制造全钢结构组成的帝国大厦建成1955年：美国托姆.克拉浮德发明高频感应焊1960年：美国Maiman发现激光，现激光已被广泛的应用在焊接领域1962年：电子束焊接首先在超音速飞机和B-70轰炸机上正式使用1990年左右：逆变技术得到了长足的发展，其结果使得焊接设备的重量和尺寸大大的下降1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊1993年：使用机器人控制CO2激光器成功焊接了美国陆军Abrams型主战坦克焊接技术的历史与发展—现代焊接技术一方面，研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，进一步提高焊接质量和安全可靠性。例如：摩擦焊、电子束焊、激光焊等另一方面，提高焊接自动化水平，实现数字化控制。例如：焊接机器人焊接制造技术的发展趋势激光焊电子束焊等离子焊焊接制造的战略地位焊接制造的主要成就焊接技术的历史与发展焊接技术的定义焊接的分类、特点、应用28焊接（Welding）：通过加热或加压或二者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件（同种或异种金属，也可以是非金属）产生原子的结合而形成永久性连接的工艺过程物理本质：两个独立的工件实现原子间的结合。宏观上形成了永久性接头，微观上建立了组织上内在联系（一）焊接定义从金属学的观点来看，表现在两个被焊金属件连接处与焊缝金属形成了共同晶粒。（金属晶格距离：0.3～0.5nm）焊接技术的定义29每种金属实现焊接所必须的温度与压力之间存在一定的关系实现焊接的基本条件:外界提供相应的能量1、加热（提供金属熔化、原子扩散的能量）2、加压（减少原子扩散的距离）3、既加热又加压焊接的分类、特点、应用30（1）熔焊(FusionWelding)将焊接接头局部加热至熔化状态，形成熔池，熔池中发生冶金反应，冷却结晶形成焊缝（2）压焊(PressureWelding)利用加压、摩擦、扩散等物理作用克服连接表面的不平度，挤除氧化膜等污物，使连接面上的原子相互接近到晶格距离，通过再结晶过程中晶界的迁移、原子的扩散，在固态条件下实现连接（3）钎焊(Brazing,Soldering)采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法焊接的分类、特点、应用三类焊接技术特征对比332020/4/7方法母材受热填充材料热源压力接头拆卸性结合特征熔焊熔化有或无外加无不可拆卸冶金结合固相焊不熔化无内部或外加有不可拆卸冶金结合钎焊不熔化有外加无部分可拆卸冶金结合焊接的分类、特点、应用34电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等）化学热：可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊）电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊）摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊）电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使动能转换为热能（电子束焊）激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）焊接的热源种类35焊接热源的特点热源最小加热面积,Cm2最大功率密度W.cm-2温度K乙炔火焰10-22×1033400-3500金属极电弧10-31046000钨极氩弧焊（TIG）10-31.5×1048000埋弧焊10-32×1046400电渣焊10-21042300熔化极氩弧焊(MIG)10-4104-105CO2气体保护焊10-4104-105等离子焰10-51.5×10518000-24000电子束10-7108-109激光束10-8107-10836特点及应用（1）操作简单，适应能力强，各种钢材，各种零件、模具，各种角度，如平焊、立焊，甚至仰焊，各种介质，如水下焊接（2）工艺灵活，可以分段焊接，跳焊，对称焊，便于消除焊接应力；可以点焊、缝焊、堆焊（3）电弧温度高，可达8000℃，焊接速度快（4）电流可达几百安培，电压仅几十伏特焊接热源及焊接方法实例一ArcWelding(电弧焊)定义：利用电弧作为热源的焊接方法37手工电弧焊（SMAW）SMAW：ShieldedMetalArcWeldingAlsoknowas:ManualMetalArcWelding,StickWelding焊条焊芯保护气氛电弧熔池焊渣电弧基体金属焊缝即利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法1.优点（1）设备简单，应用广泛；（2）操作灵活方便；（3）能进行全位置焊接；（4）焊缝的力学性能好。2.缺点（1）生产效率低、劳动强度大。适用范围：可应用于钢板≥0.5~150㎜的各类接头和堆焊，铝、铜及其合金板厚≥1㎜的对接焊，铸铁补焊，模具补焊、硬质合金的堆焊等。手工电弧焊特点及应用截齿硬质合金堆焊39SubmergedArcWelding(埋弧焊,SAW)定义：电弧在颗粒状焊剂层下燃烧，焊丝、焊剂和焊件局部熔化，形成熔池，电弧和熔池被熔渣包围和保护，没有电弧辐射，熔池发生冶金反应，冷却形成焊缝1.优点（1）生产率高，适合大型结构焊接（2）自动化程度高，焊接质量高（3）无金属飞溅、弧光，烟尘很少（4）劳动条件好2.缺点（1）无法进行立焊、横焊或仰焊（2）灵活性差，只适用于焊接较长或圆周焊缝，无法焊接不规则的焊缝（3）无法焊接1mm以下的薄板埋弧焊特点及应用41MetalInertGasWelding熔化极惰性气体保护焊，MIG焊定义：连续送丝与焊件之间的电弧为热源，形成熔池，以惰性气体保护熔池的弧焊方法42MIG特点（1）可以焊接各种金属，尤其铝、铜和