山大焊接物理冶金

材料成型基础——焊接部分山东大学材料科学与工程学院现代焊接技术研究所秦国梁13505400905,[e-mail]办公室：南校区主楼526课程的主要内容1、焊接的基本概念1×3学时2、焊接化学冶金3×3学时（Ch7、8、9）3、焊接热影响区组织与性能2×3学时（Ch10）4、焊接缺陷及控制3×3学时（Ch11）课程的授课计划时间周次课次内容参考书12/11101焊接的基本概念教材、焊接冶金学(机械工业出版社)15/11111气相对液态金属的作用（Ch7）19/11111液态金属与熔渣的相互作用（Ch8）22/11121液态金属的净化（Ch9）26/11122焊接热影响区组织与性能（Ch10）19/11133/12133焊接缺陷及控制（Ch11）6/121410/1214材料成型基础PartI焊接基本概念焊接的基本概念1、焊接的定义及特点2、焊接技术的发展3、焊接的分类4、焊接应用5、焊接专业及其研究领域连接技术的历史与发展连接技术是伴随着材料的应用而产生的。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。当人类可以制造材料后，现代意义上的连接技术就开始萌生了。除机械方法以外，钎焊或许是最古老的连接金属的技术。焊接技术属于连接技术的范畴1焊接的定义及特点PartI焊接的基本概念材料连接的方法及其基本特征连接技术已经出现了多种方法：捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接连接过程中涉及到的能量类型：光、电、声、化学、机械结合性质：机械结合、化学结合和材质结合焊接方法处于绝对主导地位过程最复杂、发展最迅速应用最广泛1焊接的定义及特点PartI焊接的基本概念金属焊接的条件：只有两块金属的距离d达到（3~5）×10-10m时，金属原子之间便形成了金属键，实现焊接。1焊接的定义及特点焊接的定义：被焊工件(同材质或者不同材质)通过加热或加压(或两者并用),采用或不用填充金属,使被焊工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。PartI焊接的基本概念1焊接的定义及特点实现的方法：a.加热熔焊b.加压压焊使d达到(3~5)×10-8cm的条件：a.两块金属件要接触；b.要有足够高的能量。PartI焊接的基本概念1焊接的定义及特点焊接的特点——优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高；2）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短；4）易于实现机械化和自动化。焊接的特点——缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便；2）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形；4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。PartI焊接的基本概念焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：被焊接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。焊接技术的主体内容：涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。1焊接的定义及特点PartI焊接的基本概念2焊接的分类——熔化焊熔化焊——液相焊钎焊——液固相焊压力焊——固相焊PartI焊接的基本概念固相焊2焊接的分类——熔化焊熔化焊：是指焊接过程中，对于紧密贴在一起的被焊工件，将焊接接头加热至熔化状态，在温度场、重力等的作用下，在不加压力条件下，两个工件熔融的液态金属混合，待温度降低后将两被焊工件牢固地凝结在一起，完成焊接的方法。PartI焊接的基本概念2焊接的分类——熔化焊电弧焊埋弧焊Submergedarcwelding,熔化极螺柱焊Studwelding焊条电弧焊Shieldedmetalarcwelding惰性气体保护电弧焊Argonarcwelding(orMIG)CO2电弧焊CO2arcwelding(orMAG)非熔化极钨极氩弧焊Argontungstenarcwelding等离子弧焊Plasmaarcwelding原子氢焊Atomichydrogenwelding气焊氧氢焊Oxy-hydrogenwelding空气乙炔焊Air-acetylenewelding氧乙炔焊Oxy-acetylenewelding电子束焊Electronbeamwelding激光焊Laserbeamwelding电渣焊Electroslagwelding铝热焊Thermitwelding复合热源焊Hybridwelding熔化焊GMAWorMIG/MAGGTAWorTIG高能束焊接PartI焊接的基本概念2焊接的分类——钎焊钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接的焊接方法。PartI焊接的基本概念2焊接的分类——钎焊钎焊火焰钎焊Torchbrazing(soldering)盐浴钎焊Saltbathdipbrazing激光钎焊Laserbrazing炉中钎焊Furnacebrazing感应钎焊Inductionbrazing电子束钎焊Electronbeambrazing电弧钎焊ArcbrazingPartI焊接的基本概念2焊接的分类——压力焊压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合，形成焊接接头的方法。PartI焊接的基本概念焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等2焊接的分类——压力焊压力焊冷压焊Coldpressurewelding,爆炸焊Explosivewelding超声波焊Ultrasonicwelding电阻对焊Upsetbuttwelding电阻点、缝焊Resistancespot,seamwelding锻接Forge-welding,Blacksmithwelding摩擦焊Frictionwelding扩散焊Diffusionwelding搅拌摩擦焊Frictionstirwelding高频电阻焊HighfrequencyresistanceweldingPartI焊接的基本概念2焊接的分类工艺热源压力母材填充材料熔化焊外加无熔化有或无钎焊外加有（压力低使工件紧密接触）不熔化有压力焊外加或内部有不熔化无熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较PartI焊接的基本概念2焊接的分类PartI焊接的基本概念熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较考古发现：5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及）5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及）5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及）4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及）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）PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展钵的锡钎焊（5000年以前美索布达米亚时代，大英博物馆收藏）PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展文献记载：汉班固撰《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。试以圆盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之，亦一奇也。PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展从古代历史上来看，遥远的古代主要是以钎焊为代表的固相焊的发展，而到了近现代则是熔化焊技术的大发展。在19世纪初，电弧的发现为材料连接技术带来了革命性的发展和进步,电弧作为一种可以使钢铁等高熔点材料熔化的能量高度集中的热源，使得金属材料的熔化焊接成为可能。PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展在十九世纪末，熔化电极的和非熔化电极的、直接作用电弧的和间接作用电弧的、手工的、半自动的和自动的、无保护的电弧和保护气氛中的电弧焊都已被提出和获得实施。同一时期，气焊以及接触电焊（电阻焊）的基本形式--点焊和滚焊也获得了研究和发展。随着冶金、化工、电工、电子等技术的不断发展和进步，以电弧焊为代表的熔化焊接技术成为材料连接领域中处于主导地位的连接方法。PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展从近现代历史上看,焊接的发展主要是焊接热源的发展所推动的。1801迪威发现电弧放电现象1855俄罗斯人碳弧焊(应用：铁管及容器的制造、蒸汽机修理；问题：碳使金属接头变得脆硬)1886美国人电阻焊1891俄罗斯人金属极焊接法(空气中铁电极)1895德国人热剂焊1901法国人氧乙炔焊1907瑞典人焊条电弧焊PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展1909瑞士人金属喷焊1912瑞典人开发出保护良好的厚涂层焊条1920英国人全焊接船下水1928美国人高频感应焊1930s：钨极氩弧焊、埋弧焊、厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊1940s：交流GTAW焊、直流金属极焊接GMAWPartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展1950s：CO2气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦焊、超声波焊1960s：电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊1970s：激光焊接与切割1980s：离子束、太阳能、微波焊接1990s：搅拌摩擦焊FSW、复合热源焊接PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展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使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速高效焊接生产。(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。PartI焊接的基本概念3焊接技术的历史与发展焊接工艺及设备4焊接技术的应用零件修复材料切割材料连接再制造工程表面改性焊接技术的应用领域：PartI焊接的基本概念4焊接的应用焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。据工业发达国家统计，每年用于制造焊接结构的钢材占钢总产量的70％左右。焊接不仅能解决各种钢材的连接，而且还能解决有色金属和钛、锆等特种金属材料的连接。焊接既能连接异种金属，又能连接厚薄相差悬殊的金属。因而已广泛地应用于机械、汽车、船舶、石油化工、电力、建筑、核能、海洋工程、航空航天、电子等工业领域。随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术进步很快,到现在焊接方法已发展到数十种之多。PartI焊接的基本概念4焊接的应用目前许多新的焊接工艺正逐步用于焊接生产，极大地提高了焊接生产率和焊接质量。与工业发达国家相比，我国的焊接机械化和自动化水平还较低，按熔化焊来计算，目前日本为67%，德国为80%，美国为56%，原苏联为40%，而我国还不到20%，其主要原因是我国焊接生产主要还靠手工电弧焊，自动化水平高的气体保护焊和埋弧自动焊应用少。从焊接生产工艺装备水平来看，我国近年来，生产了成套的焊接工艺装备和焊接生产线，也有的厂家从国外引进了自动化水平较高的焊接辅助装置，焊接质量和生产效率有了很大提高。PartI焊接的基本概念4焊接的应用计算机控制系统在焊接生产工艺的应用，在国外已经比较普遍，除用于焊接工艺参数的控制之外，还可用于整条生产线、焊机的群控。它还可以根据材料厚度自动选择并预置焊接工艺参数，对焊接过程实现自适应控制、最佳控制以及智能控制等。从焊接装备上讲，具有智能的焊接机器人，特别是具有自动路径规划，自动校正轨迹，自动控制熔深的机器人以及特殊用途的焊接专用装备是近期重点发展方向。从焊接工艺上讲，优质、高效、低成本以及绿色、节能的焊接工艺，如复合热源焊接，是未来发展的重要方