湖大材料工程基礎課件第六章-材料的連接工藝

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝1

通過連接構成的工業(yè)產品包括天上飛的飛機、火箭、各式各樣的航天器，地上跑的各種車輛，大到50萬~60萬噸級的油輪，小至幾克重的計算機芯片。連接技術與工藝涉及到現(xiàn)代文明社會的每一個角落，廣泛應用于機械制造、能源、交通、通訊、航空航天冶金、造船、醫(yī)療及食品機械等國民經濟的各個領域。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝2

1、永久性——焊接、粘接2、非永久性——機械連接（鉚接、螺栓連接）2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝3§6.1金屬的焊接

一、概述定義：通過加熱或加壓或二者并用，加填充金屬或不加填充金屬使分離的金屬工件達到原子間結合而形成永久性連接的工藝過程。實質：通過適當?shù)奈锢砘瘜W過程，使兩部分分離金屬表面的原子達到原子間結合距離，在金屬鍵的作用下，形成原子結合，從而達到永久性的冶金連接的目的。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝4優(yōu)點：

簡化生產工藝：大型結構（大

小）、復雜部件（復雜

簡單）能生產復合材料零件：碳鋼刀桿＋硬質合金刀片、低碳鋼基層＋不銹鋼復層

焊接容器可修復部分喪失功能的機件：磨損件受損部位堆焊耐磨材料焊接構件質優(yōu)、生產周期短：與鉚接相比，性能優(yōu)良、氣密性好、重量輕、節(jié)約材料、構件厚度不受限制（鉚接＜50mm）；2×105t油輪需3個月（鉚接1年多）2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝5發(fā)展歷史：1、一千多年前，我國古書中就曾記載，“凡釬鐵之法……小釬用銅末、大釬則竭力揮錘而融合”，說明當時我國已掌握了用銅釬焊和鍛焊連接鐵類金屬的技術。2、近代焊接技術是從1882年出現(xiàn)碳弧焊開始的。3、20世紀40年代初優(yōu)質電焊條的出現(xiàn)。4、近半個世紀來焊接技術得到了極為迅速的發(fā)展。如埋弧焊、電阻焊（20世紀40年代后期），電渣焊、各種氣體保護焊、超聲波焊（50年代），等離子焊、電子束焊、激光焊等（60年代）。5、20世紀70年代以后，焊接過程自動化、焊接機器人的應用得到了快速地發(fā)展。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝6發(fā)展方向

1、焊接過程的自動化，焊接機器人的應用；2、高效、節(jié)能的焊接技術，如逆變技術和藥芯焊絲的推廣；3、環(huán)保技術推廣：無鉛釬料研制、低塵焊條、焊絲自動無損檢測技術的使用、焊絲鍍銅工藝改進等；4、復雜使用環(huán)境中焊接結構件的制造：大型、超大型構件、高壓及輻射條件下使用的壓力容器等；5、精密焊接及焊接成形技術；6、焊接控制系統(tǒng)的智能化（模糊控制、神經網絡控制及焊接專家系統(tǒng)），生產系統(tǒng)柔性化（智能機器人）及綜合集成；7、不斷向材料加工其它領域拓展，如材料切刻、表面改性：堆焊、噴涂等。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝7金屬材料的焊接性

通常是指金屬是否能適應焊接加工而形成具有一定使用性能的焊接接頭的特性。金屬在經受焊接加工時對產生缺陷的敏感性—結合性能，“好焊不好焊”

焊成的接頭在一定的服役條件下可靠運行的能力—使用性能，“好用不好用”

金屬材料的工藝焊接性/可焊性指金屬材料在一定的工藝條件（工藝方法、工藝材料、工藝參數(shù)及焊接結構）下形成具有一定使用性能的焊接接頭的能力。

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝8影響金屬的可焊性的主要因素:

1、母材和焊接材料

2、焊接工藝焊接方法（功率密度、加熱最高溫度和功率大小等、保護方式）和工藝措施（焊前預熱和焊后熱處理，焊接材料的烘干和清洗，焊接順序，坡口形狀、尺寸和裝配間隙等）

3、焊接接頭的結構拘束度較小、能較自由伸縮；避免存在缺口、截面突變、堆高過大和焊縫交叉，控制母材厚度或焊縫體積不要過大等

4、服役條件沖擊載荷或低溫（脆性斷裂）；交變載荷或腐蝕介質（疲勞破壞或應力腐蝕破壞）。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝9分類常見的焊接方法2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝10二、熔化焊基本原理：將填充材料（如焊絲）和工件的連接區(qū)基體材料共同加熱至熔化狀態(tài)，在連接處形成熔池，熔池中的液態(tài)金屬冷卻凝固后形成牢固的焊接接頭，使分離工件連接成為一個整體。熔化焊是最基本的焊接方法，屬于液相焊接。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝11焊縫的形成在高溫熱源的作用下，填充金屬（如焊條）和基體金屬發(fā)生局部熔化。熔池前部（2-1-2區(qū)）熔化金屬被電弧吹力吹到熔池后部（2-3-2區(qū)），迅速冷卻結晶。隨著熱源不斷移動，從而形成連續(xù)的致密層狀組織焊縫。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝12B：焊縫寬度H：焊縫深度a：焊縫余高＝B/H：成形系數(shù)H/B：深寬比a/H：余高系數(shù)2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝13焊接接頭的組織和性能

焊縫區(qū)：結晶從熔池壁向中心推進，形成柱狀的鑄態(tài)組織。與基體金屬性能接近，但熔池中心易出現(xiàn)雜質、疏松等。

焊接熱影響區(qū)（HAZ）：

焊縫兩側因焊接熱的傳導作用而發(fā)生的組織性能變化的區(qū)域。分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝14由于焊縫附近各點受熱程度不同，組織性能變化也不同，熱影響區(qū)又分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。熔合區(qū)：未熔化的過熱組織和部分熔化的結晶鑄態(tài)組織。很大程度上決定焊件接頭的性能。過熱區(qū)：高溫影響，晶粒粗大。塑性和韌性下降，顯著影響焊件接頭性能。正火區(qū)：最高加熱溫度比Ac3稍高，晶粒重結晶細化，獲得正火組織。力學性能改善。部分相變區(qū)：最高加熱溫度比Ac1~Ac3稍高，珠光體和部分鐵素體重結晶細化。晶粒大小不均，力學性能稍差。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝15

一般，低碳鋼焊件的熱影響區(qū)較窄，危害性較小，焊后可直接使用；對于碳素鋼和低合金鋼焊件，焊后可進行正火處理，細化晶粒，改善機械性能；對于無法進行熱處理的焊件，則需正確選擇焊接方法和工藝條件，來減小熱影響區(qū)的范圍。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝16焊接接頭及坡口形式①

對接2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝17②

搭接2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝18③

T型接2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝19④角接(a)I形坡口(b)K形坡口(c）V形坡口單邊(d)U形坡口單邊(e)V形坡口2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝20⑤卷邊/端接2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝21焊接位置1、平焊焊接處于水平位置或傾斜度不大的焊縫

平對接焊平角焊船形焊2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝222、立焊

3、橫焊4、仰焊2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝23焊接應力和變形焊件各部分冷熱不均，受熱部位產生拉應力，未受熱部位則產生壓應力。當應力達到一定程度，焊件出現(xiàn)變形。焊接應力與變形的產生a）加熱時b）冷卻時2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝24

對焊焊縫的應力分布

邊緣焊的變形2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝25焊接變形的基本形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形、組合變形。

收縮變形角變形彎曲變形波浪變形扭曲變形2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝26焊接缺陷第一類裂紋第二類孔穴第三類固體夾雜第四類未熔合和未焊透第五類形狀缺陷第六類其它缺陷2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝27焊接裂紋

金屬在焊接應力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)金屬原子結合力遭到破壞而形成的新界面所產生的縫隙。具有尖銳的缺口和長寬比大的特征，是焊接結構(件)中最危險的缺陷。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝28按裂紋的外觀形貌和產生的部位來分：橫向裂紋：裂紋長度方向與焊縫軸線相垂直（5）縱向裂紋：裂紋長度方向與焊縫軸線相平行（2）弧坑裂紋：位于焊縫收弧弧坑處（4）放射狀裂紋：從某一點向四周放射的裂紋（7）枝狀裂紋：形貌成樹枝狀（6）間斷裂紋：裂紋成斷續(xù)狀態(tài)（3）微觀裂紋：在顯微鏡下才能觀察到2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝29按裂紋產生的溫度范圍分為熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋。(1)熱裂紋：在固相線附近的高溫區(qū)形成的裂紋主要發(fā)生在晶界處特征：在與空氣接觸的開口部位表面有強烈的氧化特征，呈藍色或天藍色根據裂紋形成的機理不同，熱裂紋可分為結晶裂紋（凝固裂紋）：焊縫金屬在結晶后期形成的液化裂紋：HAZ的母材金屬中的低熔點雜質被熔融形成薄膜狀晶界，在凝固時出現(xiàn)多邊化裂紋：晶格缺陷在一定的溫度和應力作用下發(fā)生遷移、聚集，形成“多邊化邊界”，其強度和塑性很差，輕微拉伸應力即開裂

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝30a）沿焊縫中心線分布的結晶裂紋b）斜向分布的結晶裂紋a)近縫區(qū)液化裂紋b)多層焊層間的液化裂紋2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝31(2)冷裂紋：焊接接頭冷卻到Ms溫度以下時形成的裂紋主要發(fā)生在HAZ，對某些合金成分多的高強度鋼來說，也可能發(fā)生在焊縫金屬中。特點：表面光亮，無氧化特征常見的冷裂紋可分為氫致裂紋、淬火裂紋和層狀撕裂。氫致（延遲）裂紋：具有延遲特征，即焊后經過數(shù)小時、數(shù)日或更長時間才出現(xiàn)淬火裂紋：在焊接含碳量高、淬硬傾向大的鋼材時出現(xiàn)的冷裂紋層狀撕裂：母材本身固有的缺陷因焊接而暴露出來2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝32a)由焊根裂紋引起b)由夾雜物開裂后引起c)母材厚度中心附近產生層狀撕裂2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝33(3)再熱裂紋：工件焊接后，若再次被加熱(如消除應力熱處理、多層焊或使用過程中被加熱)到一定的溫度而產生的裂紋。斷口有被氧化的顏色。多發(fā)生在含Cr、Mo、V的低合金結構鋼，含Nb的奧氏體不銹鋼以及析出硬化顯著的Ni基耐熱合金材料中。常出現(xiàn)在粗晶區(qū)中，并沿粗大奧氏體晶粒邊界擴展，且多半發(fā)生在咬邊等應力集中處。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝34氣孔（Porosity）

熔池液體金屬在高溫溶解了過量氣體或焊接冶金反應中產生了不溶于液體金屬的氣體，在熔池冷卻凝固過程中未能及時逸出而形成分類：形狀：微~、圓形~、條蟲形~

部位：根部~、熔合線~、中心線~、表面~、分散~、貫穿~

氣體來源：溶解度/析出型~（H2、N2）、反應~（CO、H2O）

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝35氣體種類：H2（斷面如螺釘狀、焊縫表面呈喇叭口形、四周內壁光滑）、N2（焊縫表面、成堆出現(xiàn)、與蜂窩相似）、CO（沿結晶方向、像條蟲狀臥在焊縫內部）2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝36固體夾雜（Inclusion）（1）夾渣（Slag~）：焊后殘留在焊縫中的熔渣形狀較復雜，一般呈線狀、長條狀、顆粒狀等（2）夾鎢（Tungsten~）：在進行鎢扳氬弧焊時，若鎢極不慎與熔池接觸，使鎢的顆粒進入焊縫金屬中而造成2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝37未熔合和未焊透未熔合（IncompletePenetration）：焊道與母材或焊道與焊道之間未能完全熔化結合的部分未焊透（IncompleteFusion）：接頭根部應該熔合而未焊上的部分

角焊縫2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝38形狀缺陷（1）咬邊（Undercut）：沿焊趾的母材部位產生的溝槽或凹陷（2）焊瘤（Overlap）：熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上形成的金屬瘤2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝39（3）燒穿（Burnthrough）：熔化金屬自焊縫背面流出，形成穿孔下塌（Excessivepenetration）：焊縫金屬過量透過背面，而使焊縫正面塌陷、背面凸起的現(xiàn)象（4）錯邊2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝40（5）焊縫尺寸、形狀不合要求尺寸缺陷是指焊縫的幾何尺寸不符合標準的規(guī)定2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝41形狀缺陷是指焊縫外觀質量粗糙、魚鱗波高低、寬窄發(fā)生突變，焊縫與母材非圓滑過渡等a）焊縫寬度不一致b）角焊縫凸度過大c）焊縫高度突變2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝42其它缺陷電弧擦傷（Arcscratch）：在焊縫坡口外部引弧時產生于母材金屬表面上的局部損傷飛濺（Spatter）：熔焊過程中，熔化的金屬顆粒和熔渣向周圍飛散的現(xiàn)象2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝43

熔化焊接方法為了實現(xiàn)熔化焊接，關鍵是要有一個能量集中、溫度足夠高的加熱熱源。按形成焊接熱源的不同形式，熔化焊的基本方法有：氣焊、鋁熱焊、電弧焊、電渣焊、電子束焊、激光焊和等離子弧焊等。此外，太陽能等也有可能作為熔化焊的熱源。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝44

電弧焊

應用最廣泛、最重要的焊接方法，約占各國焊接生產總量60%以上。

焊接電弧是在電極和工件間的氣體介質中的一種長時間放電現(xiàn)象。電弧引燃時，弧柱中充滿了高溫電離氣體，發(fā)出大量的光和熱。電能熱能、機械能有效利用率65%~85%

鋼焊條焊接鋼材時的焊接電弧43%36%21%2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝45手工電弧焊利用焊條與工件之間產生的電弧熱將工件和焊條熔化的焊接方法。焊接過程焊縫附近基體金屬焊條藥皮焊芯熔渣熔化焊縫CO2↑保護熔池電弧電弧視頻2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝46焊條組成：焊芯和藥皮作用焊芯：導電與充填焊縫藥皮：提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，防止空氣對熔化金屬的有害作用，保證焊縫金屬的脫氧和加入合金元素。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝472024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝48分類和型(牌)號我國生產的焊條一般按用途分類J—結構鋼焊條

G或A—不銹鋼焊條R—耐熱鋼焊條

D—堆焊焊條Z—鑄鐵焊條

N—鎳及鎳合金焊條W—低溫鋼焊條

T—銅及銅合金焊條L—鋁及鋁合金焊條

T—特殊用途焊條按藥皮中溶渣氧化物分為酸性焊條和堿性焊條。酸性焊條：工藝性能好，焊縫外表成形美觀、波紋細密堿性焊條/低氫焊條：降低焊縫含氫量，焊縫力學性能好2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝49焊條型號：E

××

×

×①②③④⑤

①E：焊條②③組合：第1、2位數(shù)字表示熔覆金屬抗拉強度的最小值，單位kgf/mm2④：第3位數(shù)字表示焊接位置：0、1全位置；2平焊、橫角焊；4向下立焊④⑤組合：第3、4位數(shù)字組合表示焊接電流種類及藥皮類型焊條牌號：J

××

×①②③④

①：字母表示焊條各大類，J表示結構鋼焊條②③組合：第1、2位數(shù)字表示各大類焊條中的若干小類，結構鋼焊條表示焊縫金屬強度級別，kgf/mm2④：第3位數(shù)字表示焊條藥皮類型和焊接電源種類E4303（J422）：酸性焊條；E5015（J507）：堿性焊條2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝50

例：2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝51焊接電源交流直流正接：酸性焊條反接：堿性焊條、酸性焊條焊薄板直流正接和反接接法2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝52特點及應用優(yōu)點：設備簡單，易于維護，使用靈活；適于任意空間位置和形狀焊縫缺點：焊條短而不連續(xù)，電弧不穩(wěn)，焊縫寬度不均，焊縫質量不穩(wěn)定，效率低，勞動強度大應用：最廣泛，適用于大多數(shù)常用金屬和合金：碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鑄鐵、鑄鋼、有色金屬。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝53埋弧自動焊(SubmergedArcWelding—SAW)全稱是埋弧自動焊，或稱焊劑層下自動焊。利用專門的機械設備自動完成手工電弧焊中的引燃電弧、送進焊條以及移動電弧等焊接動作，并使電弧在較厚焊劑下燃燒的熔化焊。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝54焊接過程自動送絲；引??；焊劑自動下料；焊機勻速運動；電弧在焊劑下燃燒。視頻2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝55埋弧焊時由于引弧處和熄弧處質量不易保證，所以焊前在接縫兩端需焊上引弧板和引出板，焊后再去掉。引弧板和引出板2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝56焊絲與焊劑焊絲主要用于埋弧焊、氣體保護焊、電渣焊等焊接材料焊劑焊絲熔煉焊劑陶瓷焊劑相當于焊芯相當于藥皮2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝57

分類：

焊接方法：埋弧焊~、電渣焊~、CO2焊~、鎢極氬弧焊~等形狀結構：實心~、藥芯~

焊接材料：低碳鋼、低合金鋼用~、高合金鋼用~、鋁合金~、銅合金~等2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝58焊劑：主要用于埋弧焊和電渣焊分類被焊材料（鋼用~、有色金屬用~）、工藝方法（埋弧焊~、電渣焊~）制造方法

熔煉~：爐內熔煉、水冷?；?、烘干、篩選非熔煉~

粘結~/陶質~：加入粘結劑，經混合攪拌、?；?、低溫烘干燒結~：加入粘結劑，經混合攪拌、高溫燒結、粉碎、篩選化學成分（主要氧化物性質、SiO2、MnO、CaF2含量）：堿性、酸性、中性2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝59特點及應用優(yōu)點：1、生產效率高：焊絲導電長度縮短、焊接電流大、焊劑和熔渣隔熱、自動化操作、不需更換焊條2、焊接質量高且穩(wěn)定：熔渣隔離空氣；3、勞動條件好：自動化、無弧光輻射、無金屬飛濺、煙霧少4、節(jié)省金屬材料：熱量集中、熔深大、無需開坡口、無焊條頭2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝60缺點：1、位置局限于水平或傾斜度不大的焊縫2、靈活性較差、只適于長的連續(xù)焊縫3、看不到熔池和焊縫成形，焊接質量難以控制4、不適合焊δ<1mm，電流小于100A，電弧電壓較低，電弧不穩(wěn)應用：

焊接碳素結構鋼、低合金結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼等堆焊耐磨耐蝕合金焊接復合鋼板、鎳基合金、銅合金不適合焊鋁、鈦等活性金屬2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝61氣體保護焊（GasshieldedArcWelding）

氣體保護焊是利用保護性氣體防止外界有害氣體對熔池進行侵害的特殊焊接方法。適于一些化學性質活潑的金屬或一些要求較高的焊縫的焊接作業(yè)。保護氣體：Ar、CO2、H2、He、N2等要求：對WM性能無害、改善工藝及WM質量

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝62氬弧焊（ArgonArcWelding）Ar：不與金屬起化學反應，不溶解于金屬導熱系數(shù)小，單原子氣體、高溫不發(fā)生分解吸熱，電弧熱損失小、穩(wěn)定非熔化極氬弧焊電極：鎢或其合金導電焊絲：填充金屬鎢極惰性氣體電弧焊（TIG/GTAW：TungstenInert-GasArcWelding/GasTungstenArcWelding）氬氣從保護氣體噴嘴噴出，形成氬氣流，鎢極端頭與焊件之間產生的電弧在氬氣的包圍中燃燒視頻2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝632024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝64熔化極氬弧焊電極：焊絲導電、填充金屬熔化極惰性氣體保護焊（MIG/GMAW：MetalInert-GasArcWelding/GasMetalArcWelding）電弧在焊絲和焊件之間產生

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝65特點及應用1、焊接質量高：氬氣保護可靠，鎢極不熔化、電弧穩(wěn)定，明弧控制方便2、電弧熱量集中，HAZ和焊接變形小3、具有陰極霧化作用，能順利焊接鋁、鎂、鈦、鋯等活性金屬及合金陰極霧化：氬氣在高溫電弧作用下被電離成大量正離子，質量較大的正離子在陽極區(qū)電場加速作用下高速沖擊熔池及其周圍表面，所釋放出來的能量足以擊碎焊接區(qū)表面的難熔氧化膜，使其分解、蒸發(fā)，從而清除氧化膜2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝66AC鋁、鎂合金DCEPDCEN：鋁、鎂合金以外材料TIG焊缺點：1、焊接速率較低、生產效率較低：鎢極載流能力有限2、夾鎢，焊縫變脆應用：可以焊接各種金屬材料，特別適合焊接鋁、鎂、鈦等易氧化金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金以及鉬、鈮、鋯等難熔活性金屬，不適合焊鉛、錫、鋅等低熔點金屬及其合金，TIG焊適于焊接δ<6mm的工件，MIG焊適于較厚工件2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝67CO2氣體保護焊（Carbon—DioxideArcWelding）工作原理同MIG焊保護氣體采用CO2

視頻2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝68特點及應用1、生產率高2、生產成本低：CO2來自釀酒廠和化工廠的副產品3、對鐵銹敏感性低、抗冷裂性好：鐵銹高溫分解出H和O，H被氧化性氣體CO2氧化，O被脫氧元素清除4、明弧易監(jiān)控、全位置焊5、飛濺較大，焊縫成形不夠光滑美觀6、電弧氧化性較強，合金元素易氧化損失（采用含脫氧劑焊絲）適用于低碳鋼、低合金鋼和耐熱鋼等黑色金屬2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝69電渣焊（ESW：Electro-SlagWelding）熱源：液態(tài)熔渣產生的電阻熱1、工作原理電弧過程：焊絲與接頭底部之間引燃電弧，隨即加入焊劑，熔化形成渣池電渣焊過程：熔渣導電，當電流由焊絲通過液體渣池產生的電阻熱足以熔化工件邊緣和焊絲時，形成焊接熔池1－焊絲：2－引出板；3－渣池；4－熔滴；5－熔池；6－焊縫；7－冷卻滑塊；8－母材；9－引弧板；10－導電嘴；11－送絲輪2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝70水冷滑塊阻止熔池液體金屬和渣池液體熔渣流失，隨滑塊上升，熔池金屬冷卻形成焊縫引弧造渣→正常焊接→引出階段2、特點及應用不開坡口，僅留一定間隙，一次可焊成很厚工件不易形成氣孔和夾渣等缺陷接頭易過熱，組織粗大宜在垂直位置焊接應用：碳鋼、合金鋼、鑄鐵等厚大件動畫2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝71先進的熔化焊技術等離子弧焊（PAW：PlasmaArcWelding）

普通電?。鹤杂呻娀　㈦娀^(qū)內氣體未完全電離等離子?。簤嚎s電弧、電弧區(qū)內氣體充分電離、整體呈中性水冷噴嘴機械壓縮效應外圍通入的冷卻氣體強烈冷卻而產生的熱收縮效應電弧磁場的電磁收縮效應特點：溫度、能量密度高，焊接質量好、生產率高應用：高熔點的合金鋼、不銹鋼、鎳及其合金、鈦及其合金、銅、鎢、鈷等2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝722024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝73電子束焊（EBW：ElectronBeamWelding）1951年，Steigerwald首先將電子束應用到工業(yè)生產中（對機械表上的紅寶石進行打孔，對尼龍等合成纖維批量產品的圖案凹模進行刻蝕以及切割，用電子來代替耗費時間的機械方法對材料進行加工）1954年J.A.Stohr探索采用真空電子束焊方法，并獲得了成功。1958年Zeiss公司向美國西屋公司提供了—臺工業(yè)用電子束焊機。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝74（1）基本原理陰極高溫發(fā)射電子

→在陰陽極間的高電壓下加速→電磁透鏡聚焦成電子束流→以極大速度轟擊工件表面→電子動能轉化為熱能

能量密度是普通電弧的1000倍1—陰極；2—聚束極；3—陽極；4—電磁透鏡；5—電子束流；6—工件2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝75（2）分類真空~：活性金屬、難熔金屬、要求高質量的焊件真空容積從幾十立方米到幾百立方米。280m3

、110m3

（日本的MHI公司和Hitachi公司），400多m3

（烏克蘭巴頓電焊研究所），800m3

（法國的Techmeta公司)非真空~：焊件尺寸不受限制，生產率高2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝76通用電子束焊機2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝77（3）特點及應用1、功率密度大（106~108W/cm2），HAZ和變形小2、焊縫深寬比大20~30，一般電弧焊很難超過23、真空焊接質量高4、適用范圍廣，材料不受限制（δ<0.1mm、δ>100mm）一次焊透300mm厚鋼板5、設備復雜，價格昂貴：全球8000多臺，我國幾十臺（進口）

應用：所有材料

原子能工業(yè)、航空工業(yè)

F-14、F-22戰(zhàn)斗機、C-5運輸機

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝78a)鈦合金發(fā)動機壓氣機轉子部件b)高溫合金發(fā)動機燃燒室外套采用電子束焊焊接的航空發(fā)動機零件2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝79激光焊激光：利用原子受到激發(fā)而輻射的原理，使物質受激發(fā)而產生波長單一、方向一致和能量很高的光束?；驹恚豪眉す馄魇芗ぎa生激光束，通過聚焦系統(tǒng)將其聚集成半徑微小的光斑，當調焦到被焊工件的接縫時，光能轉換為熱能，從而使金屬熔化形成焊接接頭。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝80分類1、激光器工作方式脈沖激光焊：固體激光器（4kW）連續(xù)激光焊：CO2激光器（25kW商品、100kW實驗室）2、激光功率不同傳熱焊：小于105W/cm2，焊接?。?lt;1mm）、小件深熔焊：≥106W/cm2，焊接較厚件2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝81傳熱焊：激光將金屬表面加熱到熔點與沸點之間，使之熔化，通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部使熔化區(qū)擴大深熔焊：表面金屬溫度迅速升高到沸點，發(fā)生熔化和汽化；金屬蒸氣以一定的速度離開熔池，對液體金屬產生附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，產生一個小凹坑；小孔底部繼續(xù)汽化，金屬蒸氣壓迫小孔進一步加深，并向坑外飛出將熔化金屬擠向熔池四周；連續(xù)進行在液態(tài)金屬中形成一細長孔洞；當金屬蒸氣附加壓力與液態(tài)金屬表面張力和重力平衡后，小孔不再加深，形成一個深度穩(wěn)定的小孔進行焊接激光功率足夠大或材料較薄，小孔貫穿板厚，稱為小孔效應焊。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝82特點及應用1、能量密度大（104~1015W/cm2），適合于高速焊接2、能量集中，熱輸入小，HAZ和焊接變形小3、焊接位置與被焊件無機械接觸，可焊難以接近部位4、可對物理性能相差很大的異種材料進行焊接5、不需要電子束焊的真空6、設備昂貴應用：表面反射率小的材料顯像管電子槍的組裝（脈沖激光焊）、汽車制造業(yè)（CO2激光焊）、鋼鐵行業(yè)（硅鋼板）、制作小型噴霧罐身和食品罐身的鍍錫板、組合齒輪的焊接2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝83特殊焊接工藝

機器人焊接、水下焊接用激光焊拼接不同厚度的板材，再沖壓成形為卡迪拉克某型轎車車身側門機器人焊接水下焊接2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝84三、壓力焊（PressureWelding）/固相焊（SolidStateWelding）利用加壓摩擦和擴散等物理作用，克服兩個連接表面的不平度，擠走氧化膜及其它污染物，使兩個連接表面上的原子相互接近到原子間的結合距離，從而在固態(tài)下實現(xiàn)連接的焊接方法。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝85按加熱方法的不同，分為摩擦焊（FrictionWelding）：機械摩擦產生熱電阻焊（Resistance~）：電流通過工件產生電阻熱冷壓焊（ColdPressure~）超聲波焊（Ultrasonic~）：超聲波的高頻（＞16kHz）振蕩能對焊件接頭進行局部加熱爆炸焊（ExplosionBonding）：化學反應熱擴散焊（Diffusion~）：在加熱條件下原子相互擴散2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝86電阻焊電阻焊是利用電流通過被焊工件以及接觸部分產生電阻熱，使接觸部位達到塑性或局部熔化狀態(tài)，加壓焊合而使工件焊接在一起的焊接方法。分類電阻焊對焊滾焊點焊根據焊接接頭形式的差異2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝87點焊與縫焊(1)點焊（SpotWelding）：直徑較小的圓柱電極(2)凸焊（ProjectionWelding）：零件原有凸點作接觸面

點焊形成過程視頻2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝88(3)縫焊（SeamWelding）/滾焊（RollWelding）（重疊焊點）：旋轉圓盤電極以上均為搭接接頭工藝步驟：加壓斷電保壓通電去壓

滾焊形成過程2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝89對焊對焊是利用電阻熱將兩個工件的整個端面焊接起來的一種焊接方法。電阻對焊（ButtWelding）：接觸→通電→塑性狀態(tài)加壓溫度低于材料熔點閃光對焊（FlashButtWelding）：通電→接觸→熔化狀態(tài)加壓電流僅通過少數(shù)接觸點，電流密度很大，電阻熱使接觸點加熱至熔化，形成液體金屬小橋，過熱爆炸，熔融金屬噴濺產生電弧閃光2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝90

動畫2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝91特點及應用焊接質量與材料的物理性能有關：導電、導熱性能越好，焊接性越差強度越高，變形抗力越大，焊接性越差線膨脹系數(shù)越大，加熱→膨脹→飛濺，冷卻→收縮→裂紋、縮孔應用：碳鋼、合金鋼、耐熱鋼、鋁、鈦及其合金等

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝92摩擦焊摩擦焊的起源可追溯到公元1891年，當時美國批準了這種焊接方法酌第一個專利。該專利是利用摩擦熱來連接鋼纜。隨后德國、英國、前蘇聯(lián)、日本等國家也先后開展了摩擦焊的生產與應用。我國是世界上研究摩擦焊最早的國家之一，早在1957年就實驗成功了鋁—銅摩擦焊。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝93摩擦焊是利用被焊金屬表面相互摩擦所產生的熱量，使接觸面及其附近金屬達到粘塑性狀態(tài)，然后借助頂鍛壓力產生適當?shù)暮暧^塑性變形，材料間發(fā)生相互擴散和動態(tài)再結晶，使工件連接到一起的焊接方法。分類（根據焊件相對運動和工藝特點）連續(xù)驅動~、慣性~、線性~、攪拌~、嵌入~、第三體~、相位控制~、徑向~、摩擦堆焊等2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝94連續(xù)驅動摩擦焊（ContinuousDriveFW）電動機連續(xù)驅動主軸，制動停止2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝95

第一階段：旋轉焊件（由旋轉夾具夾持）高速旋轉，移動焊件（由移動夾具夾持）在軸向力作用下逐步向旋轉焊件靠攏；第二階段：兩焊件接觸并壓緊，對接界面由于摩擦產生大量的熱，焊接端面兩側溫度逐漸升高，在軸向壓力作用下，焊合區(qū)金屬發(fā)生塑性流動；第三階段：當待焊部位的溫度、變形達到一定程度后，旋轉焊件停止旋轉，同時使軸向力迅速升高到預設頂鍛力。然后進行頂鍛和保壓，使焊合區(qū)金屬通過相互擴散和再結晶牢固地連接在一起。

階段1階段2階段3動畫2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝96慣性摩擦焊（InertiaFW）

電動機加速飛輪，儲存動能，飛輪帶動工件旋轉，離合器與主軸脫離，飛輪受摩擦扭矩的作用，轉速逐漸降低，自動停止旋轉式摩擦焊只限于把圓柱截面或管截面的焊件焊到相同類型的截面或板面上。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝97線性摩擦焊（LinearFW）可以焊接方形、圓形、多邊形截面的金屬或塑料焊件。選用合適的工夾具，還可以焊接不規(guī)則的構件，如葉片與輪盤的焊接。摩擦副中的一個焊件被往復機構驅動，相對于另一側被夾緊的焊件表面做相對運動2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝98攪拌摩擦焊（StirFW）縱向焊縫的直線對接和環(huán)形焊縫沿圓周的對接鋁合金高速船體結構、高速列車結構及火箭箭體結構等2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝99特點及應用接頭焊接質量好：不產生與熔化凝固相關的焊接缺陷適用性廣：同種材料、異種材料；普通材料、復合材料、難熔材料焊接變形?。罕砻婕訜峋鶆蛲絼趧訔l件好：操作簡單，不需焊接材料，易實現(xiàn)自動化，無火花、飛濺、煙霧、弧光、有害氣體高效、低成本：設備簡單應用：除不易夾持的大型盤狀件、薄壁管件、摩擦系數(shù)較小的材料外

2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝100用鍛造-摩擦焊復合工藝制造的半軸一般為45鋼或40Cr一類的中碳調質鋼2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝101采用摩擦焊連接的雙全屬渦輪增壓器轉子渦輪采用GH2l32、K18之類的高溫合金，渦輪軸采用42CrMo、40Cr之類的調質鋼2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝102擴散連接擴教連接是指相互接觸的表面，在高溫和壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經一定時間后結合層原子間相互擴散，而形成整體的可靠連接的過程。感應加熱擴散焊機示意圖1-真空室；2-工件；3-感應圈；4-真空系統(tǒng)；5-高頻電源；6-加壓系統(tǒng)2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝103擴散連接過程大致分為三個階段：第一階段為物理接觸階段，高溫下微觀不平的表面，在外加壓力的作用下，總有一些點首先達到型件變形，在持續(xù)壓力的作用下，接觸面積逐漸擴大，最終達到整個面的可靠接觸；第二階段是接觸界面原子間的相互擴散，形成牢固的結合層；第三階段是在接觸部分形成的結合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠的連接接頭。原子間的相互擴散是實現(xiàn)連接的基礎。擴散連接的參數(shù)主要有溫度、壓力、時間和真空度2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝104

感應加熱擴散焊機該焊接電源能夠輸出8000Hz的高頻感應電流，真空室的尺寸為

350mm×400mm，加熱溫度最高為1473K，真空度為133.3×10-6Pa，該焊機的壓力分為0.5~10kN及2~100kN兩擋，高頻電源的功率為60kW。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝105鋁合金與不銹鋼、鋁合金與鈦、銅合金、鋼等的典型接頭2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝106鈦合金應用最普遍的連接方法是超塑成形擴散連接(SPF/DB)。超塑性是指在一定的溫度下，對于等軸細晶粒組織，當晶粒尺寸小于3

m時，材料的變形速率小于10-3~10-5/s，拉伸變形率可以達到100%~1500%，這種行為叫做材料的超塑性行為。材料的超塑成形和擴散連接的溫度在同一溫度區(qū)間，因此成形與連接可以一起進行—超塑成形擴散連接工藝?？梢灾瞥杀”诮Y構件，這種技術在航天、航空領域已經成功地得到應用，取得了非常好的結果，如飛機大型壁板、翼梁、艙門、發(fā)動機葉片等大型結構(質量小，剛度大，可減輕質量30%，降低成本50%，提高加工效率20倍)。在美國、俄羅斯及日本已經得到廣泛應用。如波音747飛機上有70個鈦合金結構件就是應用這種方法制造的。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝107超塑成形擴散連接的典型結構

a)加強板(一層)b)整體加強結構(二層)c)多層夾層結構(三層)1-上模密封壓板；2-超塑成形板坯；3-加強板；4-下成形模；5-超塑成形件；6-外層超塑成形板坯；7-不連接涂層區(qū)(釔基或氮化硼基涂層)；8-內層板坯；9-超塑成形的兩層結構構件；10-中間層板坯；11-超塑成形的三層結構構件2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝108陶瓷的熔點高，硬度與強度高，不容易變形，大部分陶瓷的導電性很差或基本上不導電，因此不能采用常規(guī)工藝方法進行焊接，而陶瓷材料的擴散連接和釬焊方法比較成熟。陶瓷材料連接的主要困難①在擴散連接(或釬焊)過程中，很多熔化的金屬在陶瓷表面不能潤濕。在陶瓷表面用物理或化學的方法(PVD、CVD)涂上一層金屬，這也稱為陶瓷表面的金屬化，而后再進行陶瓷與其它金屬的連接。陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它金屬——金屬與金屬2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝109②金屬與陶瓷材料連接時，由于陶瓷與金屬線膨脹系數(shù)不同，在擴散連接或使用過程中，加熱和冷卻必然產生熱應力，容易在接頭處由于內應力作用而破壞。中間層：

a．用活性材料或其生成的能與陶瓷進行反應的氧化物，改善潤濕和結合情況。

b．用塑性較好的金屬做中間層，以緩解接頭內應力。

c．用在冷卻過程中發(fā)生相變，使中間層體積膨脹或縮小，來緩和接頭的內應力。

d．用做中間層或連接的材料必須有良好的真空密封性，在很薄的情況下也不能泄漏；必須有較好的加工性能。兩層或三層不同金屬組合的中間過渡層。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝110一些金屬與陶瓷超高真空連接的試驗結果2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝111特點及應用：

1)適合于耐熱材料(耐熱合金、鎢、鉬、鈮、鈦等)、陶瓷、磁性材料及活性金屬（鈦）的連接。特別適合于不同種類的金屬與非金屬異種材料的連接（70%涉及到異種材料）。

2)可以進行內部及多點、大面積構件的連接，以及電弧可達性不好，或用熔焊方法根本不能實現(xiàn)的連接。

3)是一種高精密的連接方法，工件不變形，可以實現(xiàn)機械加工后的精密裝配連接。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝112爆炸焊爆炸焊是利用爆炸產生的巨大沖擊波能量，使界面在大的接觸壓力下焊接在一起。爆炸焊示意圖爆炸焊界面示意圖2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝113四、釬焊釬焊是利用熔點比被焊接金屬熔點低的金屬作釬料，將釬料與工件一起加熱到釬料熔化狀態(tài)，借助毛細管作用將其吸入到固態(tài)間歇內，使釬料與固態(tài)工件表面發(fā)生原子的相互擴散、溶解和化合而連成整體的焊接方法。屬于液—固相焊接，常用于異種材料的連接。

接頭形成過程

包括兩個過程：⑴釬料熔化和流入、填充接頭間歇形成釬料充滿焊縫的過程；⑵液態(tài)釬料與釬焊金屬相互作用。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝114

釬料填充焊縫過程示意圖液態(tài)釬料和固態(tài)金屬之間的相互作用2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝115根據釬料熔點的不同，分為軟釬焊（Soldering）硬釬焊（Brazing）軟釬焊軟釬焊是指使用的釬料熔點低于450℃的釬焊，通常用烙鐵加熱。軟釬焊的接頭強度不高（＜70MPa）。

含少量銻的錫鐵合金釬料應用最廣泛。釬劑主要有：松香、ZnCl2溶液、ZnCl2釬劑膏等（釬劑主要用來清除氧化物，保護釬焊區(qū)，增加潤濕性）。主要應用于焊接受力不大的常溫工作的儀表、導電元件等。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝116硬釬焊硬釬焊是指使用的釬料熔點高于450℃的釬焊。主要加熱方式有：火焰加熱、電阻加熱、感應加熱、爐內加熱、鹽浴加熱等。硬釬焊的接頭強度較高（＞500MPa）。釬劑主要有：硼砂、硼酸和氟化物等。主要用于釬焊受力大，工作溫度較高的工件。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝117§6.2塑料的焊接將分離的塑料用局部加熱或加壓等手段，利用熱熔狀態(tài)的塑料大分子在焊接壓力作用下相互擴散，產生范德華作用力，從而緊密地連接在一起，形成永久接頭的過程稱為塑料的焊接。2024/9/19材料工程基礎——材料的連接工藝118常用的焊接方法有：(1)熱氣焊利用熱氣體(熱風)→對塑料加熱(2)超聲波焊超聲波能量→高頻機械振動→熱熔(3)摩擦焊摩擦→熱量

塑料超聲波焊接示意圖1-超聲波探頭；2-被焊工件；3-