湖大材料工程基础课件第六章 材料的连接工艺.ppt

第6章 材料的连接工艺,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,2,通过连接构成的工业产品包括天上飞的飞机、火箭、各式各样的航天器，地上跑的各种车辆，大到50万60万吨级的油轮，小至几克重的计算机芯片。连接技术与工艺涉及到现代文明社会的每一个角落，广泛应用于机械制造、能源、交通、通讯、航空航天 冶金、造船、医疗及食品机械等国民经济的各个领域。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,3,1、永久性焊接、粘接2、非永久性机械连接（铆接、螺栓连接）,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,4,6.1 金属的焊接一、概述,定义：通过加热或加压或二者并用，加填充金属或不加填充金属使分离的金属工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。实质：通过适当的物理化学过程，使两部分分离金属表面的原子达到原子间结合距离，在金属键的作用下，形成原子结合，从而达到永久性的冶金连接的目的。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,5,优点：简化生产工艺：大型结构（大小）、复杂部件（复杂简单）能生产复合材料零件：碳钢刀杆硬质合金刀片、低碳钢基层不锈钢复层焊接容器可修复部分丧失功能的机件：磨损件受损部位堆焊耐磨材料焊接构件质优、生产周期短：与铆接相比，性能优良、气密性好、重量轻、节约材料、构件厚度不受限制（铆接50mm）；2105t油轮需3个月（铆接1年多）,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,6,发展历史：1、一千多年前，我国古书中就曾记载，“凡钎铁之法小钎用铜末、大钎则竭力挥锤而融合”，说明当时我国已掌握了用铜钎焊和锻焊连接铁类金属的技术。2、近代焊接技术是从1882年出现碳弧焊开始的。3、20世纪40年代初优质电焊条的出现。4、近半个世纪来焊接技术得到了极为迅速的发展。如埋弧焊、电阻焊（20世纪40年代后期），电渣焊、各种气体保护焊、超声波焊（50年代），等离子焊、电子束焊、激光焊等（60年代）。5、20世纪70年代以后，焊接过程自动化、焊接机器人的应用得到了快速地发展。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,7,发展方向 1、焊接过程的自动化，焊接机器人的应用；2、高效、节能的焊接技术，如逆变技术和药芯焊丝的推广；3、环保技术推广：无铅钎料研制、低尘焊条、焊丝自动无损检测技术的使用、焊丝镀铜工艺改进等；4、复杂使用环境中焊接结构件的制造：大型、超大型构件、高压及辐射条件下使用的压力容器等；5、精密焊接及焊接成形技术；6、焊接控制系统的智能化（模糊控制、神经网络控制及焊接专家系统），生产系统柔性化（智能机器人）及综合集成；7、不断向材料加工其它领域拓展，如材料切刻、表面改性：堆焊、喷涂等。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,8,金属材料的焊接性 通常是指金属是否能适应焊接加工而形成具有一定使用性能的焊接接头的特性。金属在经受焊接加工时对产生缺陷的敏感性结合性能，“好焊不好焊”焊成的接头在一定的服役条件下可靠运行的能力使用性能，“好用不好用”金属材料的工艺焊接性/可焊性指金属材料在一定的工艺条件（工艺方法、工艺材料、工艺参数及焊接结构）下形成具有一定使用性能的焊接接头的能力。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,9,影响金属的可焊性的主要因素:1、母材和焊接材料 2、焊接工艺焊接方法（功率密度、加热最高温度和功率大小等、保护方式）和工艺措施（焊前预热和焊后热处理，焊接材料的烘干和清洗，焊接顺序，坡口形状、尺寸和装配间隙等）3、焊接接头的结构拘束度较小、能较自由伸缩；避免存在缺口、截面突变、堆高过大和焊缝交叉，控制母材厚度或焊缝体积不要过大等 4、服役条件冲击载荷或低温（脆性断裂）；交变载荷或腐蚀介质（疲劳破坏或应力腐蚀破坏）。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,10,分类,常 见 的 焊 接 方 法,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,11,二、熔 化 焊,基本原理：将填充材料（如焊丝）和工件的连接区基体材料共同加热至熔化状态，在连接处形成熔池，熔池中的液态金属冷却凝固后形成牢固的焊接接头，使分离工件连接成为一个整体。熔化焊是最基本的焊接方法，属于液相焊接。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,12,焊缝的形成在高温热源的作用下，填充金属（如焊条）和基体金属发生局部熔化。熔池 前部（2-1-2区）熔化 金属被电弧吹力吹到 熔池后部（2-3-2区），迅速冷却结晶。随着 热源不断移动，从而 形成连续的致密层状 组织焊缝。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,13,B：焊缝宽度H：焊缝深度a：焊缝余高B/H：成形系数H/B：深宽比a/H：余高系数,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,14,焊接接头的组织和性能 焊缝区：结晶从熔池壁向 中心推进，形成柱状的 铸态组织。与基体金属 性能接近，但熔池中心 易出现杂质、疏松等。焊接热影响区（HAZ）：焊缝两侧因焊接热的传 导作用而发生的组织性 能变化的区域。分为熔 合区、过热区、正火区 和部分相变区。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,15,由于焊缝附近各点受热程度不同，组织性能变化也不同，热影响区又分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。熔合区：未熔化的过热组织和部分熔化的结晶铸态组织。很大程度上决定焊件接头的性能。过热区：高温影响，晶粒粗大。塑性和韧性下降，显著影响焊件接头性能。正火区：最高加热温度比Ac3稍高，晶粒重结晶细化，获得正火组织。力学性能改善。部分相变区：最高加热温度比Ac1Ac3稍高，珠光体和部分铁素体重结晶细化。晶粒大小不均，力学性能稍差。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,16,一般，低碳钢焊件的热影响区较窄，危害性较小，焊后可直接使用；对于碳素钢和低合金钢焊件，焊后可进行正火处理，细化晶粒，改善机械性能；对于无法进行热处理的焊件，则需正确选择焊接方法和工艺条件，来减小热影响区的范围。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,17,焊接接头及坡口形式 对接,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,18,搭接,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,19,T型接,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,20,角接(a)I形坡口(b)K形坡口(c）V形坡口单边(d)U形坡口单边(e)V形坡口,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,21,卷边/端接,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,22,焊接位置1、平焊 焊接处于水平位置或倾斜度不大的焊缝 平对接焊 平角焊 船形焊,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,23,2、立焊 3、横焊4、仰焊,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,24,焊接应力和变形焊件各部分冷热不均，受热部位产生拉应力，未受热部位则产生压应力。当应力达到一定程度，焊件出现变形。,焊接应力与变形的产生a）加热时 b）冷却时,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,25,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,26,焊接变形的基本形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形、组合变形。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,27,焊接缺陷 第一类 裂纹 第二类 孔穴 第三类 固体夹杂 第四类 未熔合和未焊透 第五类 形状缺陷 第六类 其它缺陷,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,28,焊接裂纹 金属在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，是焊接结构(件)中最危险的缺陷。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,29,按裂纹的外观形貌和产生的部位来分：横向裂纹：裂纹长度方向与焊缝轴线相垂直（5）纵向裂纹：裂纹长度方向与焊缝轴线相平行（2）弧坑裂纹：位于焊缝收弧弧坑处（4）放射状裂纹：从某一点向四周放射的裂纹（7）枝状裂纹：形貌成 树枝状（6）间断裂纹：裂纹成 断续状态（3）微观裂纹：在显微 镜下才能观察到,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,30,按裂纹产生的温度范围分为热裂纹、冷裂纹及再热裂纹。(1)热裂纹：在固相线附近的高温区形成的裂纹 主要发生在晶界处 特征：在与空气接触的开口部位表面有强烈的氧化特征，呈蓝色或天蓝色根据裂纹形成的机理不同，热裂纹可分为 结晶裂纹（凝固裂纹）：焊缝金属在结晶后期形成的 液化裂纹：HAZ的母材金属中的低熔点杂质被熔融形成 薄膜状晶界，在凝固时出现 多边化裂纹：晶格缺陷在一定的温度和应力作用下发生 迁移、聚集，形成“多边化边界”，其强度 和塑性很差，轻微拉伸应力即开裂,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,31,a）沿焊缝中心线分布的结晶裂纹 b）斜向分布的结晶裂纹,a)近缝区液化裂纹 b)多层焊层间的液化裂纹,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,32,(2)冷裂纹：焊接接头冷却到Ms温度以下时形成的裂纹 主要发生在HAZ，对某些合金成分多的高强度钢来说，也可能发生在焊缝金属中。特点：表面光亮，无氧化特征常见的冷裂纹可分为氢致裂纹、淬火裂纹和层状撕裂。氢致（延迟）裂纹：具有延迟特征，即焊后经过数小时、数日或更长时间才出现淬火裂纹：在焊接含碳量高、淬硬倾向大的钢材时出现的冷裂纹层状撕裂：母材本身固有的缺陷因焊接而暴露出来,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,33,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,34,(3)再热裂纹：工件焊接后，若再次被加热(如消除应力热处理、多层焊或使用过程中被加热)到一定的温度而产生的裂纹。断口有被氧化的颜色。多发生在含Cr、Mo、V的低合金结构钢，含Nb的奥氏体不锈钢以及析出硬化显著的Ni基耐热合金材料中。常出现在粗晶区中，并沿粗大奥氏体晶粒边界扩展，且多半发生在咬边等应力集中处。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,35,气孔（Porosity）熔池液体金属在高温溶解了过量气体或焊接冶金反应中产生了不溶于液体金属的气体，在熔池冷却凝固过程中未能及时逸出而形成分类：形状：微、圆形、条虫形 部位：根部、熔合线、中心 线、表面、分散、贯穿 气体来源：溶解度/析出型（H2、N2）、反应（CO、H2O）,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,36,气体种类：H2（断面如螺钉状、焊缝表面呈喇叭口形、四周内壁光滑）、N2（焊缝表面、成堆出现、与蜂窝相似）、CO（沿结晶方向、像条虫状卧在焊缝内部）,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,37,固体夹杂（Inclusion）（1）夹渣（Slag）：焊后残留在焊缝中的熔渣 形状较复杂，一般呈线状、长条状、颗粒状等（2）夹钨（Tungsten）：在进行钨扳氩弧焊时，若钨极不慎与熔池接触，使钨的颗粒进入焊缝金属中而造成,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,38,未熔合和未焊透未熔合（Incomplete Penetration）：焊道与母材或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分未焊透（Incomplete Fusion）：接头根部应 该熔合而未焊上的部分,角焊缝,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,39,形状缺陷（1）咬边（Undercut）：沿焊趾的母材部位产生的 沟槽或凹陷（2）焊瘤（Overlap）：熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上形成的金属瘤,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,40,（3）烧穿（Burn through）：熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔 下塌（Excessive penetration）：焊缝金属过量透过背面，而使焊缝正面塌陷、背面凸起的现象（4）错边,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,41,（5）焊缝尺寸、形状不合要求尺寸缺陷是指焊缝的几何尺寸不符合标准的规定,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,42,形状缺陷是指焊缝外观质量粗糙、鱼鳞波高低、宽窄发生突变，焊缝与母材非圆滑过渡等a）焊缝宽度不一致 b）角焊缝凸度过大 c）焊缝高度突变,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,43,其它缺陷电弧擦伤（Arc scratch）：在焊缝坡口外部引弧时产生于母材金属表面上的局部损伤飞溅（Spatter）：熔焊过程中，熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,44,熔化焊接方法,为了实现熔化焊接，关键是要有一个能量集中、温度足够高的加热热源。按形成焊接热源的不同形式，熔化焊的基本方法有：气焊、铝热焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子弧焊等。此外，太阳能等也有可能作为熔化焊的热源。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,45,电弧焊,应用最广泛、最重要的焊接方法，约占各国焊接生产总量60%以上。焊接电弧是在电极和工 件间的气体介质中的一 种长时间放电现象。电弧引燃时，弧柱中充 满了高温电离气体，发 出大量的光和热。电能热能、机械能 有效利用率65%85%,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,46,手工电弧焊利用焊条与工件之间 产生的电弧热将工件 和焊条熔化的焊接方法。焊接过程,视频,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,47,焊条组成：焊芯和药皮作用 焊芯：导电与充填焊缝 药皮：提高电弧燃烧的稳定性，防止空气对熔化金属的有害作用，保证焊缝金属的脱氧和加入合金元素。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,48,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,49,分类和型(牌)号我国生产的焊条一般按用途分类J结构钢焊条 G或A不锈钢焊条R耐热钢焊条 D堆焊焊条Z铸铁焊条 N镍及镍合金焊条W低温钢焊条 T铜及铜合金焊条L铝及铝合金焊条 T特殊用途焊条按药皮中溶渣氧化物分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条：工艺性能好，焊缝外表成形美观、波纹细密碱性焊条/低氢焊条：降低焊缝含氢量，焊缝力学性能好,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,50,焊条型号：E E：焊条 组合：第1、2位数字表示熔覆金属抗拉强度的最小值，单位kgf/mm2：第3位数字表示焊接位置：0、1全位置；2平焊、横角焊；4向下立焊组合：第3、4位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型焊条牌号：J：字母表示焊条各大类，J表示结构钢焊条组合：第1、2位数字表示各大类焊条中的若干小类，结构钢焊条表 示焊缝金属强度级别，kgf/mm2：第3位数字表示焊条药皮类型和焊接电源种类 E4303（J422）：酸性焊条；E5015（J507）：碱性焊条,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,51,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,52,焊接电源 交流 直流 正接：酸性焊条 反接：碱性焊条、酸性焊条焊薄板直流正接和反接接法,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,53,特点及应用优点：设备简单，易于维护，使用灵活；适于任意空间位置和形状焊缝缺点：焊条短而不连续，电弧不稳，焊缝宽度不均，焊缝质量不稳定，效率低，劳动强度大应用：最广泛，适用于大多数常用金属和合金：碳素钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、铸铁、铸钢、有色金属。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,54,埋弧自动焊(Submerged Arc WeldingSAW)全称是埋弧自动焊，或称焊剂层下自动焊。利用专门的机械设备自动完成手工电弧焊中的引燃电弧、送进焊条以及移动电弧等焊接动作，并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,55,焊接过程 自动送丝；引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。,视频,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,56,埋弧焊时由于引弧处和熄弧处质量不易保证，所以焊前在接缝两端需焊上引弧板和引出板，焊后再去掉。引弧板和引出板,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,57,焊丝与焊剂 焊丝主要用于埋弧焊、气体保护焊、电渣焊等,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,58,分类：焊接方法：埋弧焊、电渣焊、CO2焊、钨极氩弧焊等 形状结构：实心、药芯 焊接材料：低碳钢、低合金钢用、高合金钢用、铝合金、铜合金等,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,59,焊剂：主要用于埋弧焊和电渣焊分类 被焊材料（钢用、有色金属用）、工艺方法（埋弧焊、电渣焊）制造方法 熔炼：炉内熔炼、水冷粒化、烘干、筛选 非熔炼 粘结/陶质：加入粘结剂，经混 合搅拌、粒化、低温烘干 烧结：加入粘结剂，经混合搅拌、高温烧结、粉碎、筛选 化学成分（主要氧化物性质、SiO2、MnO、CaF2含量）：碱性、酸性、中性,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,60,特点及应用优点：1、生产效率高：焊丝导电长度缩短、焊接电流大、焊剂和熔渣隔热、自动化操作、不需更换焊条2、焊接质量高且稳定：熔渣隔离空气；3、劳动条件好：自动化、无弧光辐射、无金属飞溅、烟雾少4、节省金属材料：热量集中、熔深大、无需开坡口、无焊条头,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,61,缺点：1、位置局限于水平或倾斜度不大的焊缝2、灵活性较差、只适于长的连续焊缝3、看不到熔池和焊缝成形，焊接质量难以控制4、不适合焊1mm，电流小于100A，电弧电压较低，电弧不稳应用：焊接碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等堆焊耐磨耐蚀合金焊接复合钢板、镍基合金、铜合金不适合焊铝、钛等活性金属,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,62,气体保护焊（Gas shielded Arc Welding）气体保护焊是利用保护性气体防止外界有害气体对熔池进行侵害的特殊焊接方法。适于一些化学性质活泼的金属或一些要求较高的焊缝的焊接作业。保护气体：Ar、CO2、H2、He、N2等要求：对WM性能无害、改善工艺及WM质量,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,63,氩弧焊（Argon Arc Welding）Ar：不与金属起化学反应，不溶解于金属导热系数小，单原子气体、高温不发生分解吸热，电弧热损失小、稳定非熔化极氩弧焊电极：钨或其合金 导电 焊丝：填充金属钨极惰性气体电弧焊（TIG/GTAW：Tungsten Inert-Gas Arc Welding/Gas Tungsten Arc Welding）氩气从保护气体喷嘴喷出，形成氩气流，钨极端头与焊件之间产生的电弧在氩气的包围中燃烧,视频,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,64,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,65,熔化极氩弧焊电极：焊丝 导电、填充金属熔化极惰性气体保护焊（MIG/GMAW：Metal Inert-Gas Arc Welding/Gas Metal Arc Welding）电弧在焊丝和焊件之间产生,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,66,特点及应用1、焊接质量高：氩气保护可靠，钨极不熔化、电弧稳定，明弧控制方便2、电弧热量集中，HAZ和焊接变形小3、具有阴极雾化作用，能顺利焊接铝、镁、钛、锆等活性金属及合金阴极雾化：氩气在高温电弧作用下被电离成大量正离子，质量较大的正离子在阳极区电场加速作用下高速冲击熔池及其周围表面，所释放出来的能量足以击碎焊接区表面的难熔氧化膜，使其分解、蒸发，从而清除氧化膜,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,67,AC 铝、镁合金DCEPDCEN：铝、镁合金以外材料TIG焊缺点：1、焊接速率较低、生产效率较低：钨极载流能力有限2、夹钨，焊缝变脆应用：可以焊接各种金属材料，特别适合焊接铝、镁、钛等易氧化金属及其合金、不锈钢、高温合金以及钼、铌、锆等难熔活性金属，不适合焊铅、锡、锌等低熔点金属及其合金，TIG焊适于焊接6mm的工件，MIG焊适于较厚工件,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,68,CO2气体保护焊（CarbonDioxide Arc Welding）工作原理同MIG焊 保护气体采用CO2,视频,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,69,特点及应用1、生产率高2、生产成本低：CO2来自酿酒厂和化工厂的副产品3、对铁锈敏感性低、抗冷裂性好：铁锈高温分解出H和O，H被氧化性气体CO2氧化，O被脱氧元素清除4、明弧易监控、全位置焊5、飞溅较大，焊缝成形不够光滑美观6、电弧氧化性较强，合金元素易氧化损失（采用含脱氧剂焊丝）适用于低碳钢、低合金钢和耐热钢等黑色金属,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,70,电渣焊（ESW：Electro-Slag Welding）热源：液态熔渣产生的电阻热1、工作原理电弧过程：焊丝与接头底部之间引燃电弧，随即加入焊剂，熔化形成渣池电渣焊过程：熔渣导电，当电流由焊丝通过液体渣池产生的电阻热足以熔化工件边缘和焊丝时，形成焊接熔池,1焊丝：2引出板；3渣池；4熔滴；5熔池；6焊缝；7冷却滑块；8母材；9引弧板；10导电嘴；11送丝轮,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,71,水冷滑块阻止熔池液体金属和渣池液体熔渣流失，随滑块上升，熔池金属冷却形成焊缝引弧造渣 正常焊接 引出阶段2、特点及应用不开坡口，仅留一定间隙，一次可焊成很厚工件不易形成气孔和夹渣等缺陷接头易过热，组织粗大宜在垂直位置焊接应用：碳钢、合金钢、铸铁等厚大件,动 画,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,72,先进的熔化焊技术等离子弧焊（PAW：Plasma Arc Welding）普通电弧：自由电弧、电弧区内气体未完全电离等离子弧：压缩电弧、电弧区内气体充分电离、整体呈中性水冷喷嘴机械压缩效应外围通入的冷却气体强烈冷却而产生的热收缩效应电弧磁场的电磁收缩效应特点：温度、能量密度高，焊接质量好、生产率高应用：高熔点的合金钢、不锈钢、镍及其合金、钛及其合金、铜、钨、钴等,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,73,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,74,电子束焊（EBW：Electron Beam Welding）1951年，Steigerwald首先将电子束应用到工业生产中（对机械表上的红宝石进行打孔，对尼龙等合成纤维批量产品的图案凹模进行刻蚀以及切割，用电子来代替耗费时间的机械方法对材料进行加工）1954年J.A.Stohr探索采用真空电子束焊方法，并获得了成功。1958年Zeiss公司向美国西屋公司提供了台工业用电子束焊机。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,75,（1）基本原理 阴极高温发射电子 在阴阳极间的高电压下加速 电磁透镜聚焦成电子束流 以极大速度轰击工件表面 电子动能转化为热能 能量密度是普通电弧的1000倍,1阴极；2聚束极；3阳极；4电磁透镜；5电子束流；6工件,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,76,（2）分类真空：活性金属、难熔金属、要求高质量的焊件 真空容积从几十立方米到几百立方米。280m3、110m3（日本的MHI公司和Hitachi公司），400多m3（乌克兰巴顿电焊研究所），800m3（法国的Techmeta公司)非真空：焊件尺寸不受限制，生产率高,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,77,通用电子束焊机,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,78,（3）特点及应用1、功率密度大（106108W/cm2），HAZ和变形小2、焊缝深宽比大2030，一般电弧焊很难超过23、真空焊接质量高4、适用范围广，材料不受限制（100mm）一次焊透300mm厚钢板5、设备复杂，价格昂贵：全球8000多台，我国几十台（进口）应用：所有材料 原子能工业、航空工业 F-14、F-22战斗机、C-5运输机,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,79,a)钛合金发动机压气机转子部件 b)高温合金发动机燃烧室外套采用电子束焊焊接的航空发动机零件,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,80,激光焊激光：利用原子受到激发而辐射的原理，使物质受激发而产生波长单一、方向一致和能量很高的光束。基本原理：利用激光器 受激产生激光束，通过 聚焦系统将其聚集成半 径微小的光斑，当调焦 到被焊工件的接缝时，光能转换为热能，从而 使金属熔化形成焊接接 头。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,81,分类1、激光器工作方式 脉冲激光焊：固体激光器（4kW）连续激光焊：CO2激光器（25kW商品、100kW实验室）2、激光功率不同 传热焊：小于105W/cm2，焊接薄（1mm）、小件 深熔焊：106W/cm2，焊接较厚件,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,82,传热焊：激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，使之熔化，通过热传导方式把热能传向金属内部使熔化区扩大深熔焊：表面金属温度迅速升高到沸点，发生熔化和汽化；金属蒸气以一定的速度离开熔池，对液体金属产生附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，产生一个小凹坑；小孔底部继续汽化，金属蒸气压迫小孔进一步加深，并向坑外飞出将熔化金属挤向熔池四周；连续进行在液态金属中形成一细长孔洞；当金属蒸气附加压力与液态金属表面张力和重力平衡后，小孔不再加深，形成一个深度稳定的小孔进行焊接 激光功率足够大或材料较薄，小孔贯穿板厚，称为小孔效应焊。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,83,特点及应用1、能量密度大（1041015W/cm2），适合于高速焊接2、能量集中，热输入小，HAZ和焊接变形小3、焊接位置与被焊件无机械接触，可焊难以接近部位4、可对物理性能相差很大的异种材料进行焊接5、不需要电子束焊的真空6、设备昂贵应用：表面反射率小的材料显像管电子枪的组装（脉冲激光焊）、汽车制造业（CO2激光焊）、钢铁行业（硅钢板）、制作小型喷雾罐身和食品罐身的镀锡板、组合齿轮的焊接,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,84,特殊焊接工艺 机器人焊接、水下焊接,用激光焊拼接不同厚度的板材，再冲压成形为卡迪拉克某型轿车车身侧门,机器人焊接,水下焊接,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,85,三、压力焊（Pressure Welding）/固相焊（Solid State Welding）,利用加压摩擦和扩散等物理作用，克服两个连接表面的不平度，挤走氧化膜及其它污染物，使两个连接表面上的原子相互接近到原子间的结合距离，从而在固态下实现连接的焊接方法。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,86,按加热方法的不同，分为摩擦焊（Friction Welding）：机械摩擦产生热电阻焊（Resistance）：电流通过工件产生电阻热冷压焊（Cold Pressure）超声波焊（Ultrasonic）：超声波的高频（16kHz）振荡能对焊件接头进行局部加热爆炸焊（Explosion Bonding）：化学反应热扩散焊（Diffusion）：在加热条件下原子相互扩散,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,87,电阻焊电阻焊是利用电流通过被焊工件以及接触部分产生电阻热，使接触部位达到塑性或局部熔化状态，加压焊合而使工件焊接在一起的焊接方法。分类,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,88,点焊与缝焊(1)点焊（Spot Welding）：直径较小的圆柱电极(2)凸焊（Projection Welding）：零件原有凸点作接触面,点焊形成过程,视频,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,89,(3)缝焊（Seam Welding）/滚焊（Roll Welding）（重叠焊点）：旋转圆盘电极 以上均为搭接接头 工艺步骤：,滚焊形成过程,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,90,对焊对焊是利用电阻热将两个工件的整个端面焊接起来的一种焊接方法。电阻对焊（Butt Welding）：接触通电塑性状态加压 温度低于材料熔点闪光对焊（Flash Butt Welding）：通电接触熔化状态加压 电流仅通过少数接触点，电流密度很大，电阻热使接触点加热至熔化，形成液体金属小桥，过热爆炸，熔融金属喷溅产生电弧闪光,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,91,动画,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,92,特点及应用焊接质量与材料的物理性能有关：导电、导热性能越好，焊接性越差 强度越高，变形抗力越大，焊接性越差 线膨胀系数越大，加热膨胀飞溅，冷却收缩裂纹、缩孔应用：碳钢、合金钢、耐热钢、铝、钛及其合金等,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,93,摩擦焊摩擦焊的起源可追溯到公元1891年，当时美国批准了这种焊接方法酌第一个专利。该专利是利用摩擦热来连接钢缆。随后德国、英国、前苏联、日本等国家也先后开展了摩擦焊的生产与应用。我国是世界上研究摩擦焊最早的国家之一，早在1957年就实验成功了铝铜摩擦焊。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,94,摩擦焊是利用被焊金属表面相互摩擦所产生的热量，使接触面及其附近金属达到粘塑性状态，然后借助顶锻压力产生适当的宏观塑性变形，材料间发生相互扩散和动态再结晶，使工件连接到一起的焊接方法。分类（根据焊件相对运动和工艺特点）连续驱动、惯性、线性、搅拌、嵌入、第三体、相位控制、径向、摩擦堆焊等,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,95,连续驱动摩擦焊（Continuous Drive FW）电动机连续驱动主轴，制动停止,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,96,第一阶段：旋转焊件（由旋转 夹具夹持）高速旋转，移动焊 件（由移动夹具夹持）在轴向 力作用下逐步向旋转焊件靠拢；第二阶段：两焊件接触并压紧，对接界面由于摩擦产生大量的 热，焊接端面两侧温度逐渐升 高，在轴向压力作用下，焊合区金属发生塑性流动；第三阶段：当待焊部位的温度、变形达到一定程度后，旋转焊件停止旋转，同时使轴向力迅速升高到预设顶锻力。然后进行顶锻和保压，使焊合区金属通过相互扩散和再结晶牢固地连接在一起。,动画,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,97,惯性摩擦焊（Inertia FW）电动机加速飞轮，储存动能，飞轮带动工件旋转，离合器与主轴脱离，飞轮受摩擦扭矩的作用，转速逐渐降低，自动停止 旋转式摩擦焊 只限于把圆柱 截面或管截面 的焊件焊到相 同类型的截面 或板面上。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,98,线性摩擦焊（Linear FW）可以焊接方形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊件。选用合适的工夹具，还可以焊接不规则的构件，如叶片与轮盘的焊接。摩擦副中的一个焊件被往复机构驱动，相对于另一侧被夹紧的焊件表面做相对运动,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,99,搅拌摩擦焊（Stir FW）纵向焊缝的直线对接和环形焊缝沿圆周的对接铝合金高速船体结构、高速列车结构及火箭箭体结构等,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,100,特点及应用接头焊接质量好：不产生与熔化凝固相关的焊接缺陷适用性广：同种材料、异种材料；普通材料、复合材料、难熔材料焊接变形小：表面加热均匀同步劳动条件好：操作简单，不需焊接材料，易实现自动化，无火花、飞溅、烟雾、弧光、有害气体高效、低成本：设备简单应用：除不易夹持的大型盘状件、薄壁管件、摩擦系数较小的材料外,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,101,用锻造-摩擦焊复合工艺制造的半轴一般为45钢或40Cr一类的中碳调质钢,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,102,采用摩擦焊连接的双全属涡轮增压器转子涡轮采用GH2l32、K18之类的高温合金，涡轮轴采用42CrMo、40Cr之类的调质钢,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,103,扩散连接扩教连接是指相互接触的表面，在高温和压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散，而形成整体的可靠连接的过程。,感应加热扩散焊机示意图1-真空室；2-工件；3-感应圈；4-真空系统；5-高频电源；6-加压系统,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,104,扩散连接过程大致分为三个阶段：第一阶段为物理接触阶段，高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，总有一些点首先达到型件变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，最终达到整个面的可靠接触；第二阶段是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层；第三阶段是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。原子间的相互扩散是实现连接的基础。扩散连接的参数主要有温度、压力、时间和真空度,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,105,感应加热扩散焊机 该焊接电源能够 输出8000Hz的高 频感应电流，真 空室的尺寸为 350 mm400 mm，加热温度 最高为1473K，真空度为133.3 10-6 Pa，该焊机的压力分为0.510kN及2100kN两挡，高频电源的功率为60kW。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,106,铝合金与不锈钢、铝合金与钛、铜合金、钢等的典型接头,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,107,钛合金应用最普遍的连接方法是超塑成形扩散连接(SPF/DB)。超塑性是指在一定的温度下，对于等轴细晶粒组织，当晶粒尺寸小于3m时，材料的变形速率小于10-310-5/s，拉伸变形率可以达到100%1500%，这种行为叫做材料的超塑性行为。材料的超塑成形和扩散连接的温度在同一温度区间，因此成形与连接可以一起进行超塑成形扩散连接工艺。可以制成薄壁结构件，这种技术在航天、航空领域已经成功地得到应用，取得了非常好的结果，如飞机大型壁板、翼梁、舱门、发动机叶片等大型结构(质量小，刚度大，可减轻质量30%，降低成本50%，提高加工效率20倍)。在美国、俄罗斯及日本已经得到广泛应用。如波音747飞机上有70个钛合金结构件就是应用这种方法制造的。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,108,超塑成形扩散连接的典型结构 a)加强板(一层)b)整体加强结构(二层)c)多层夹层结构(三层)1-上模密封压板；2-超塑成形板坯；3-加强板；4-下成形模；5-超塑成形件；6-外层超塑成形板坯；7-不连接涂层区(钇基或氮化硼基涂层)；8-内层板坯；9-超塑成形的两层结构构件；10-中间层板坯；11-超塑成形的三层结构构件,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,109,陶瓷的熔点高，硬度与强度高，不容易变形，大部分陶瓷的导电性很差或基本上不导电，因此不能采用常规工艺方法进行焊接，而陶瓷材料的扩散连接和钎焊方法比较成熟。陶瓷材料连接的主要困难 在扩散连接(或钎焊)过程中，很多熔化的金属在陶瓷表面不能润湿。在陶瓷表面用物理或化学的方法(PVD、CVD)涂上一层金属，这也称为陶瓷表面的金属化，而后再进行陶瓷与其它金属的连接。陶瓷与陶瓷或陶瓷与其它金属金属与金属,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,110,金属与陶瓷材料连接时，由于陶瓷与金属线膨胀系数不同，在扩散连接或使用过程中，加热和冷却必然产生热应力，容易在接头处由于内应力作用而破坏。中间层：a用活性材料或其生成的能与陶瓷进行反应的氧化物，改善润湿和结合情况。b用塑性较好的金属做中间层，以缓解接头内应力。c用在冷却过程中发生相变，使中间层体积膨胀或缩小，来缓和接头的内应力。d用做中间层或连接的材料必须有良好的真空密封性，在很薄的情况下也不能泄漏；必须有较好的加工性能。两层或三层不同金属组合的中间过渡层。,2023/10/26,材料工程基础材料的连接工艺,111,一些金属与陶瓷超高真空连接的试验结果,202