第四章连接成形

1、熔化焊：熔化焊： 焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊、 电子束焊、激光焊电子束焊、激光焊压焊：压焊： 电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊钎焊：钎焊：扩散焊：扩散焊： 一般扩散焊、瞬间液相扩散焊、超塑性成扩散焊一般扩散焊、瞬间液相扩散焊、超塑性成扩散焊其他连接：其他连接： 机械连接、胶接、电场辅助阳极连接机械连接、胶接、电场辅助阳极连接 焊接的实质焊接的实质 焊接的实质是借助加热或加压、或同时加热和焊接的实质是借助加热或加压、或同时加热和加压，以实现原子结合。加压，以实现原子结合。 焊接过程的本质就

2、是通过适当的物理及化学过程，使两个分离表面焊接过程的本质就是通过适当的物理及化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离（的金属原子接近到晶格距离（0.30.5nm），形成金属键，从而使两），形成金属键，从而使两金属连为一体，达到焊接的目的。金属连为一体，达到焊接的目的。 加热源包括：加热源包括： 电弧、电子束、光束（激光）、放热反应（氧电弧、电子束、光束（激光）、放热反应（氧燃料气体、铝热剂等）以及电阻等。燃料气体、铝热剂等）以及电阻等。 主要介绍主要介绍熔焊、压力焊熔焊、压力焊 及钎焊及钎焊 熔焊：熔焊：加热至熔化状态（一般不加压）以实现焊接的方加热至熔化状态（一般不加压）以实现焊接的

3、方 法，通称熔焊。法，通称熔焊。 如：电弧焊、电渣焊、气焊、电子束焊等。如：电弧焊、电渣焊、气焊、电子束焊等。 压焊：压焊：凡必须施加压力（加热或不加热）以实现焊接的凡必须施加压力（加热或不加热）以实现焊接的 方法，通称压焊。方法，通称压焊。 如：电阻焊、摩擦焊、超声波焊等。如：电阻焊、摩擦焊、超声波焊等。 也包括扩散焊。也包括扩散焊。 钎焊：钎焊：母材不熔化，仅靠焊料熔化填入间隙与母材作用母材不熔化，仅靠焊料熔化填入间隙与母材作用 实现连接的方法，称钎焊。实现连接的方法，称钎焊。 如：软钎焊、硬钎焊如：软钎焊、硬钎焊液相焊接：液相焊接： 利用热源加热待焊部位，使之熔化，利用液相的相容而实现原

4、子间利用热源加热待焊部位，使之熔化，利用液相的相容而实现原子间结合。结合。固相焊接：固相焊接： 利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊表面利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊表面的温度升高，（但一般低于母材金属熔点），通过调节温度、压力和的温度升高，（但一般低于母材金属熔点），通过调节温度、压力和时间以充分进行扩散而实现原子间结合。时间以充分进行扩散而实现原子间结合。固液相焊接：固液相焊接： 待焊表面可不直接接触，而是通过两者毛细间隙的中间液相相联系。待焊表面可不直接接触，而是通过两者毛细间隙的中间液相相联系。（1）简述）简述 焊件在焊接过程，未施加压力，仅通

5、过焊件加焊件在焊接过程，未施加压力，仅通过焊件加热而熔化来完成连接的方法，称为熔化焊。热而熔化来完成连接的方法，称为熔化焊。 熔化焊焊接接头的形成，一般都要经历熔化焊焊接接头的形成，一般都要经历加热、加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形，直至形成接头。成接头。 所以熔化焊的本质是小熔池熔炼和铸造。所以熔化焊的本质是小熔池熔炼和铸造。 与小熔池相接的母材发生快速加热随后冷却出与小熔池相接的母材发生快速加热随后冷却出现热影响区。现热影响区。 焊接性是指同质金属或异质金属在制造工艺条件下，焊接性是指同质金属或异质金属在制造工艺条件下，能够焊成设计适当的结

6、构并满足预期使用要求的能力。能够焊成设计适当的结构并满足预期使用要求的能力。 实际上焊接性包括两方面：实际上焊接性包括两方面： 1、是否容易形成优良的焊接接头，即接合性能。、是否容易形成优良的焊接接头，即接合性能。 2、形成的焊接接头使用性能的好坏，即使用性能。、形成的焊接接头使用性能的好坏，即使用性能。 接合性能：接合性能：在指定的焊接工艺条件下对形成焊接在指定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性。缺陷的敏感性。 能否形成一个优良的焊接接头，首先取决于组成这个焊接接头的能否形成一个优良的焊接接头，首先取决于组成这个焊接接头的两种或两种以上金属材料之间的结合性能。两种或两种以上金属材料之间的

7、结合性能。 工艺焊接性工艺焊接性 或接合致密性或接合致密性 使用性能：使用性能：在规定的焊接工艺条件下所形成的焊在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的程度。接接头适应使用要求的程度。 焊接接头的使用性能。是否与母材的性能一致。焊接接头的使用性能。是否与母材的性能一致。 使用焊接性使用焊接性 或使用可靠性或使用可靠性 焊条：焊条： 通用焊条、专用焊条通用焊条、专用焊条 焊剂：焊剂： 熔炼焊剂、非熔炼焊剂熔炼焊剂、非熔炼焊剂 焊丝：焊丝： 实芯焊丝、药芯焊丝实芯焊丝、药芯焊丝 保护气：惰性气体、活性气体保护气：惰性气体、活性气体 焊条是由焊芯和药皮构成，也称药皮焊条。焊条是由焊芯和药

8、皮构成，也称药皮焊条。 除高合金钢焊条其焊芯成分与钢的成分相近外，碳钢和除高合金钢焊条其焊芯成分与钢的成分相近外，碳钢和低合金钢的焊芯均采用标准低碳焊条钢，低合金钢的焊芯均采用标准低碳焊条钢，H08A或或H08E.H08A C0.10、Mn0.300.55、Si0.10、S、P都小于都小于0.03而而H08E的的S、P限制更严，都小于限制更严，都小于0.02焊条钢的三个特点：焊条钢的三个特点： 杂质限量严格、含碳低于杂质限量严格、含碳低于0.10、基本不含、基本不含Si的沸腾钢。的沸腾钢。 由于焊芯不含必要的合金元素，熔敷金属所需合金均需由于焊芯不含必要的合金元素，熔敷金属所需合金均需通过药皮

9、添加。即通过药皮添加。即 不同强度级别或不同性能要求的焊条，不同强度级别或不同性能要求的焊条，其药皮所含合金成分必然不同。其药皮所含合金成分必然不同。 药皮为多种物质混合物，主要有四类：药皮为多种物质混合物，主要有四类： 1、 矿石矿石 钛铁矿、大理石、长石等钛铁矿、大理石、长石等 2、金属或合金、金属或合金 锰铁、硅铁、铝粉等锰铁、硅铁、铝粉等 3、化工制品、化工制品 钛白粉、水玻璃等钛白粉、水玻璃等 4、有机物、有机物 淀粉、木粉等淀粉、木粉等 焊丝中常加焊丝中常加Mn、Si、Mo，含碳小于，含碳小于0.10 用用CO2气体保护焊时气体保护焊时CO2具有强氧化作用，焊具有强氧化作用，焊丝中

10、必须含有足够量的脱氧合金元素。丝中必须含有足够量的脱氧合金元素。 H08Mn2SiA用于焊接低碳钢及用于焊接低碳钢及16Mn钢，钢，H08Mn2SiMoA可用于焊接可用于焊接t600MPa低合金高低合金高强钢。强钢。热裂：严格控制热裂：严格控制S、P 填满弧坑填满弧坑 减慢焊接速度（减小最后结晶区应力）减慢焊接速度（减小最后结晶区应力） 改善焊缝形状（避免熔深过大的梨形焊缝）改善焊缝形状（避免熔深过大的梨形焊缝）冷裂：主要是氢致脆性（延迟裂纹）冷裂：主要是氢致脆性（延迟裂纹）气孔：清除焊件锈、油气孔：清除焊件锈、油 烘干焊条烘干焊条 提高高温熔池保持时间，让气体排除。提高高温熔池保持时间，让气

11、体排除。 降低焊接电流，避免气剂过早分解。降低焊接电流，避免气剂过早分解。 采用短弧焊采用短弧焊 夹渣：夹渣：一、电阻焊一、电阻焊 扩散焊是一种精密连接方法，它是把两个或两扩散焊是一种精密连接方法，它是把两个或两个以上的固相材料（包括中间层材料）压紧在一个以上的固相材料（包括中间层材料）压紧在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处温度，对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原产生微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方子相互扩散

12、而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。法。 扩散焊是异种金属材料、耐热合金、陶瓷、金扩散焊是异种金属材料、耐热合金、陶瓷、金属间化合物、复合材料等连接的主要方法之一。属间化合物、复合材料等连接的主要方法之一。 钎焊是将两焊件加热而不熔化，仅由熔钎焊是将两焊件加热而不熔化，仅由熔化的焊材（钎料）填入其间隙中，并使液化的焊材（钎料）填入其间隙中，并使液态的钎料与固态母材相互作用，再凝固成态的钎料与固态母材相互作用，再凝固成连接接头的过程。连接接头的过程。工程中通常将钎焊分成两类：工程中通常将钎焊分成两类： 即硬钎焊和软钎焊即硬钎焊和软钎焊液相线温度在液相线温度在450450以上的钎料用于钎焊时为硬钎

13、焊，以上的钎料用于钎焊时为硬钎焊，液相线温度在液相线温度在450450以下的钎料用于钎焊时为软钎焊。以下的钎料用于钎焊时为软钎焊。一般液体钎料与母材间若有一定的互溶度，其润湿性较好。一般液体钎料与母材间若有一定的互溶度，其润湿性较好。温度升高液体表面张力减小，有助于提高钎料的润湿性。温度升高液体表面张力减小，有助于提高钎料的润湿性。金属表面有氧化膜时，液态钎料往往凝聚成球状不与金属金属表面有氧化膜时，液态钎料往往凝聚成球状不与金属发生润湿。发生润湿。母材表面粗糙有利于钎料的润湿。母材表面粗糙有利于钎料的润湿。能使液态钎料表面张力减小的物质为表面活性物质，有利能使液态钎料表面张力减小的物质为表面

14、活性物质，有利于钎料的润湿。于钎料的润湿。钎焊时环境的气氛若使金属表面易氧化，阻碍钎料的润湿。钎焊时环境的气氛若使金属表面易氧化，阻碍钎料的润湿。锡基钎料：主要是在锡基钎料：主要是在Sn中加中加Pb，锡钎料有低温脆，锡钎料有低温脆 性，工作温度低于性，工作温度低于100 Sn的熔点的熔点232，Pb的熔点的熔点327， Pb-61.9 Sn为共晶合金（熔点为共晶合金（熔点183）铅基钎料：铅基钎料： Pb中加中加Sn和和Ag，工作温度低于，工作温度低于150， 用于钎焊铜和铜合金。用于钎焊铜和铜合金。锌基钎料：锌基钎料： Zn中加中加Al、Cu及及Ag或或Bi， 用于钎焊铝和铝合金。用于钎焊铝

15、和铝合金。 铜基硬钎料：包括纯铜、铜锌、铜磷系。铜基硬钎料：包括纯铜、铜锌、铜磷系。银基硬钎料：润湿性好，广泛用于钎焊低碳银基硬钎料：润湿性好，广泛用于钎焊低碳 钢、结构钢、不锈钢、高温合钢、结构钢、不锈钢、高温合 金、铜及铜合金。金、铜及铜合金。铝基硬钎料：用来钎焊铝及铝合金，主要包括铝基硬钎料：用来钎焊铝及铝合金，主要包括Al-Si、 Al-Cu-Si、 Al-Cu-Si-Zn系合金。系合金。1991年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI） 发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW） 搅拌摩擦焊接是高速旋转的搅拌头扎入工件后沿着焊

16、接方向运搅拌摩擦焊接是高速旋转的搅拌头扎入工件后沿着焊接方向运动，在搅拌头与工件的接触部位产生摩擦热，使周围金属形成塑性软动，在搅拌头与工件的接触部位产生摩擦热，使周围金属形成塑性软化层，软化层金属在搅拌摩擦头旋转的作用下填充搅拌针后方形成的化层，软化层金属在搅拌摩擦头旋转的作用下填充搅拌针后方形成的空腔，并在搅拌头轴间与搅拌针的搅拌和挤压作用下实现材料连接的空腔，并在搅拌头轴间与搅拌针的搅拌和挤压作用下实现材料连接的固相焊接方法。固相焊接方法。搅拌头搅拌头搅拌摩擦焊的施焊工具；搅拌摩擦焊的施焊工具； 搅拌头轴肩搅拌头轴肩搅拌头与工件表面接搅拌头与工件表面接 触的肩台部分；触的肩台部分； 搅拌

17、针搅拌针搅拌头插入工件的部分；搅拌头插入工件的部分； 前进侧前进侧焊接方向与搅拌头轴肩旋焊接方向与搅拌头轴肩旋 转方向一致的焊缝侧面；转方向一致的焊缝侧面； 回转侧回转侧焊接方向与搅拌头轴肩旋焊接方向与搅拌头轴肩旋 转方向相反的焊缝侧面；转方向相反的焊缝侧面；轴向压力轴向压力-向搅拌头施加的使搅拌针向搅拌头施加的使搅拌针 插入工件和保持搅拌头轴插入工件和保持搅拌头轴 肩与工件表面接触的压力。肩与工件表面接触的压力。搅拌摩擦焊是在材料的塑性状态下实现的，产品焊缝金相一致性高，搅拌摩擦焊是在材料的塑性状态下实现的，产品焊缝金相一致性高，焊缝焊缝无热裂纹、无夹杂、无气孔无热裂纹、无夹杂、无气孔等熔焊

18、缺陷。等熔焊缺陷。 搅拌摩擦焊利用搅拌摩擦焊利用自动化的机械设备进行焊接自动化的机械设备进行焊接，避免了对操作工人技术，避免了对操作工人技术熟练程度的依赖。实现了全位置焊接自动化。熟练程度的依赖。实现了全位置焊接自动化。 搅拌摩擦焊焊前搅拌摩擦焊焊前无需对铝合金氧化层做特殊处理无需对铝合金氧化层做特殊处理，不需开坡口，焊接不需开坡口，焊接过程中不需要填充材料和保护气过程中不需要填充材料和保护气，简化了焊接工序。，简化了焊接工序。 搅拌摩擦焊焊接过程搅拌摩擦焊焊接过程不会产生烟尘、飞溅、紫外线及电磁辐射不会产生烟尘、飞溅、紫外线及电磁辐射，实现，实现了焊接过程的环保化。了焊接过程的环保化。 搅拌

19、摩擦焊的焊缝搅拌摩擦焊的焊缝残余应力低残余应力低，基本，基本无变形无变形，焊缝属性接近母材，机，焊缝属性接近母材，机械性能优异。提高了焊缝可靠性。械性能优异。提高了焊缝可靠性。 在在船舶制造领域船舶制造领域，在，在1996年搅拌摩擦焊就在挪威年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地应公司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在在轨道车辆制造领域轨道车辆制造领域，日本，日本HITACHI公司首先于公司首先于1997年将搅拌摩擦焊技年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造，成功实现了大壁板铝合金型材术应用于列车车体

20、的快速低成本制造，成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。的工业化制造。在在世界宇航制造领域世界宇航制造领域，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的DELTA II型和型和IV型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造，并于型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造，并于1999年首次成年首次成功发射升空。功发射升空。2000年年世界汽车工业世界汽车工业，如美国，如美国TOWER汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。接。2002年年8月，美国月蚀航空公司利用月，美国月蚀航空公司利用FSW技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功。机