机械制造工程第七章节

第七章连接成型教学目的与要求:1.掌握连接成形的分类；2.了解机械连接成形的分类、特点、应用；3.了解焊接的基本原理。4.掌握常用焊接方法的工艺特点及应用条件。5.了解物理化学连接的基本原理和工艺。教学内容：重点、难点：1.连接成形的分类；2.机械连接成形的分类、特点、应用；3.焊接的基本原理。4.常用焊接方法的工艺装备、特点及应用条件。5.物理化学连接的基本原理和工艺。重点：常用焊接方法的工艺特点及应用。难点：焊接的基本原理。本章主要阅读文献资料1、齐桂森主编.机械制造工程概论（修订版）.北京：航空工业出版社，1997。2、沈其文主编.材料成形工艺基础(第三版).武昌：华中科技大学出版社，2003。

3、卢秉恒主编.机械制造技术基础.北京：机械工业出版社，1999

。4、袁绩乾，李文贵主编.机械制造技术基础.北京：机械工业出版社，2001。概述

一、何谓连接成形？

材料通过机械、物理化学和冶金方式，由简单型材或零件连接成复杂零件和机械部件的工艺过程称为连接成形。二、连接成形的分类

1.机械连接成形（可拆卸连接）机械连接成形是指用螺钉、螺栓和铆钉等紧固件将分离型材或零件连接成一个复杂零件或部件的过程。2.物理化学连接成形（不可拆卸连接）物理化学连接是用粘胶或钎料通过毛细作用和分子间力作用或者相互扩散及化学反应作用，将两个分离表面连接成不可拆卸接头的过程。物理化学连接3.冶金连接成形（不可拆卸连接）冶金连接成形是通过加热或加压（或两者并用）使两个分离表面的原子达到晶格距离，并形成金属键而获得不可拆接头的工艺过程。第一节

机械连接成形

一、机械连接的分类1、螺纹连接2、铆钉连接3、销钉连接4、扣环连接5、快动连接二、机械连接的特点及应用机械连接主要用于受力不大，没有密封性要求，但要求可靠性高，可目检性好和易于修理的机器零部件的连接，如各类轮与轴之间的连接、连杆与活塞的连接、凸轮与挺杆之间的连接等。1、特点优点：强度易于保证，可靠性高，可目检性好，并且易于现场修理。缺点：机械连接的是是接头易产生松动，密封性差，安装工艺复杂。2、应用第二节冶金连接（焊接）成形一、焊接的基本原理、分类、特点定义：用加热、加压（或两者并用）等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。（一）焊接的定义及特点焊接成形的特点：1．接头牢固、封性好。2．可化大为小、以小拼大。

3．可实现异种金属的连接。4．重量轻、加工装配简单。5、焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。（二）焊接成形的分类1．熔化焊：

2．压力焊：电弧焊（手工电弧焊、气体保护焊、埋弧自动焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等对于不同的材料，在一定的焊接条件下，采用一定的焊接方法，获得优质焊接接头的难易程度叫做材料的可焊性。

1、钢的可焊性二、材料的可焊性焊接性的评价方法：工艺可焊性、使用可焊性C—影响最显著—基本元素—折合成碳的相当含量对焊接性的影响其它元素C当量对钢的可焊性的影响：C当量<0.4%C当量=0.4%~0.6%C当量>0.6%具有良好的焊接性焊接性较差焊接性差c、同等含碳量的合金钢，由该合金钢中合金元素的种类和含量来决定。结论：a、碳钢，由含碳量来决定。b、同等含碳量，碳钢由于合金钢。2.有色金属的可焊性（比钢差）可焊性比钢差的主要原因：

1）易氧化；

2）易吸气；3）导热系数和线膨胀系数往往比较大；

采取措施：

采取气体保护焊（氩弧焊）3.铸铁的可焊性（比钢差）可焊性比钢差的主要原因：

1）C当量大；

2）焊缝中容易产生白口组织；3）易产生裂纹；

应用条件：

1）铸件的补焊；4）易产生气孔。采取措施：热焊

2）损坏铸件的补焊。三、熔化焊

(一)何谓熔化焊？熔焊的基本原理是将填充材料（焊条或焊丝）和工件连接区的基体材料共同加热到熔化状，在连接处形成熔池，熔池中的液态金属冷却后形成牢固的焊接接头，将两个工件连接在一起。

局部熔化成液体，然后结晶成一体。熔焊的三个要素：1）合适的热源；2）良好的熔池保护；3）焊缝填充金属。(二)熔化焊的种类根据加热方法的不同：熔焊又分为电弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子弧焊等。(三)熔化焊的特点（和压力焊、钎焊相比较）缺点：（3）容易产生焊接缺陷。防治措施：严格按焊接工艺；焊后热处理。优点：（1）连接强度高，承载能力大；（2）可焊各种熔点的金属；应用：应用于受力大，熔点高的零件焊接。1.焊接热循环焊接接头焊缝区焊接热影响区1）焊缝区熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。2）焊接热影响区2.焊接接头金属组织与性能的变化焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。（四）焊接接头的组织与性能焊缝的结晶①熔合区是焊缝和母材金属的交界区。（0.1-1mm）加热温度：T液~T固强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。②过热区加热温度：T固~1100℃塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）③正火区加热温度：1100℃~AC3在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）力学性能优于母材。④部分相变区在热影响区内发生部分相变的区域。加热温度：AC3~AC1力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区减小和消除焊接热影响区的方法：①小电流、快速焊接；②采用先进的焊接方法；③焊前预热、焊后热处理（正火）（五）熔焊工艺方法

手工电弧焊是以有药皮的焊芯为一个电极，以工件为一个电极，通过短路引燃电弧，在电弧的高温作用下，药皮产生大量的气体和熔渣，以实现渣—气联合保护。（1）何谓手工电弧焊？1、手工电弧焊（2）手工电弧焊焊条焊丝的作用：a、引弧；b、作为填充金属焊药的作用：稳弧；产生保护性气体使金属熔滴、熔池与空气隔绝；造渣保护焊缝；加入合金元素提高焊缝的机械性能。

焊条芯药皮（1）何谓埋弧电弧焊？埋弧自动焊是由机械自动送进作为填充金属的光焊丝，使电弧在较厚的焊剂层下燃烧的熔化焊，又称为焊剂层下自动焊。2、埋弧自动焊焊接热源：电弧热溶池保护：焊剂（气、渣）特点比较：1、投入费用：手工小于埋弧2、焊接质量：埋弧优于手工3、焊接效率：埋弧高于手工4、灵活性：手工比埋弧灵活5、适用范围：手工适用范围大6、工人劳动条件：埋弧条件好7、焊丝的利用率：埋弧利用率高应用比较：1、生产批量：埋弧批量大；手工单件小批2、焊接（缝）位置：手工无限制；埋弧有限制。3、焊缝形状尺寸：手工无限制；埋弧只适用于形状规则的焊接，如只适用于焊接长的直线焊缝和较大直径的环焊缝。手工电弧焊和埋弧自动焊的特点比较：3、气体保护焊（1）何谓气体保护焊？气体保护焊全称为气体保护电弧焊，是指在焊接过程中，从特殊的焊炬或电极的喷嘴中喷出保护气体，使电弧、熔池与周围空气隔开，使焊缝区得到保护，从而获得优质焊缝的焊接方法。根据电极特点来分：熔化极气体保护焊非熔化极气体保护焊（2）种类

根据所用保护气体的不同分：1）以Ar作为保护气体的氩弧焊2）以CO2作为保护气体的二氧化碳气体保护焊利用氩气作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：ArAr①不与金属发生化学反应—不产生夹渣缺陷②不溶解于液体金属中—不产生气孔缺陷③比重大于空气（25%）1）氩弧焊C、氩弧焊的特点及应用①机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观，焊接质量优良。②电弧燃烧稳定，飞溅小。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤氩气昂贵，设备造价高。应用：适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。适用所有金属材料的焊接。以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。焊接热源：电弧热保护介质：CO2CO2①与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷②溶解于液体金属中—产生CO

气孔缺陷③比重大于空气（25%）①氧化严重；②气孔倾向大（CO）；③飞溅严重。A、存在问题2）CO2气体保护焊①生产率高（是手弧焊的1~3倍）。②成本低（是手弧焊的40%）。③焊接热影响区和变形小。④可进行全位置焊接。⑤飞溅严重，焊缝成形差。应用：适用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。B、CO2气体保护焊的特点及应用3）电渣焊4）等离子弧焊5）电子束焊6）激光焊四、压力焊通过加压、加热或同时加热加压，使焊件产生塑性变形，并经再结晶和扩散作用，使两部分金属达到原子间的结合，实现连接的焊接方法。分类：冷压焊和热压焊（一）定义（二）压力焊工艺方法1、电阻焊2、摩擦焊3、扩散焊4、爆炸焊5、超声波焊电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的压力焊工艺。1、电阻焊（1）定义（2）原理点焊熔核形成示意图

应用：4mm以下的没有密封要求的薄板搭接。①点焊(3)电阻焊有三种工艺方法：点焊、缝焊和对焊。点焊原理示意图②缝焊应用：3mm以下的薄板搭接。如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等。缝焊原理示意图③

对焊主要用于直径较小的管材、棒材、线材的对接。对焊是利用电阻热将杆状工件端面对接焊接的一种电阻焊方法。④电阻焊的特点优点：A、效率高B、变形小D、劳动条件好缺点：C、节省材料E、一次投资大F、耗电量大G、用于板料焊接只能用于较薄的板材应用：多用于厚度较薄材料的搭接；各种直径线材、管材、棒材的对接。2、摩擦焊摩擦焊是利用工件接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热使端部达到塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压力焊方法。（1）定义（2）原理摩擦焊示意图

摩擦焊原理示意图（3）特点优点：①

接头的品质好，废品率低。②适合于焊接异种金属，如：碳素结构钢-高速钢等。③焊件尺寸精度高。④生产率高，并可节省电能。⑤焊接变形小，接头焊前不需特殊清理，接头上的飞边有时可以不必去除，焊接不需要填充材料和保护气体，加工成本显著降低。⑥操作技术简单，工作场地卫生，没有火花、弧光，无有害气体，有利于环境保护，适合于设置在自动生产线上，易实现机械化、自动化。缺点：①摩擦焊的一次投资较大；②非圆形截面工件焊接很困难，要求至少一端为圆型截面；③大截面工件的焊接不适合，目前摩擦焊工件截面不超过20000mm2；④不容易夹持的大型盘状工件和薄壁管件，很难焊接，一些摩擦系数特别小的和易碎的材料，也很难进行摩擦焊。（4）应用适合于大批量集中生产，主要应用于汽车、拖拉机工业中批量大的杆状零件、产品以及圆柄刀具。

扩散焊是将两工件压紧并置于真空或保护气氛中加热，使接触面微观凸凹不平处产生塑性变形而紧密接触，经过较长时间的保温和原子扩散而形成固态冶金连接。（1）定义3、扩散焊（2）原理扩散焊装置示意图

（3）特点①焊接温度低；②可焊接结构复杂、精度要求高的焊件；③可焊接各种不同材料；④焊缝可与母材成分、性能相同，无热影响区；⑤要求焊件表面十分平整和光洁。（4）应用扩散焊可用于高温合金涡轮叶片、超声速飞机中钛合金构件的焊接，钛-陶瓷静电加速管的焊接，异种钢的焊接，高温合金、铝及铝合金、钛及钛合金、复合材料、金属与陶瓷等的焊接。

炸药爆炸时产生的高压、高温及高速冲击波作用在覆板上，使其与基板发生高速倾斜碰撞，在接触处产生射流，从而清除表面的氧化物等杂质，并在高压下形成固态接头。（1）定义4、爆炸焊（2）原理爆炸焊的原理示意图

爆炸焊的安装方式示意图

（3）特点①结合面为平坦界面

撞击速度较低，结合面无熔化发生，接头性能较差，在实际生产中并不多用。②结合面为波浪形界面

撞击速度较高，结合面有熔化发生，接头性能较好，应尽可能得到这种结合形式。③结合面为连续的熔化层界面

撞击速度过高，结合面产生连续的熔化层，接头性能也较差，应尽量避免得到这种结合形式。（4）应用爆炸焊主要用于铝-钢-铜、钛-钢、锆-铌等复合板和复合管的焊接。

利用超声波的高频振荡能，通过磁致伸缩元件将超声频转化为高频振动，在上下振动极的作用下，两焊件局部接触处产生强烈的摩擦、升温和变形，从而使氧化皮等污物得以破坏或分散，并使纯净金属的原子充分靠近，形成冶金结合。（1）定义5、超声波焊（2）原理超声波焊原理示意图（3）特点①接头的力学性能好，且稳定性高。②可焊的材料范围广，特别适合于高熔点、高导热性和难熔金属的焊接及异种材料的焊接。③可用于厚薄悬殊以及多层箔片的焊接等特殊情形。④工件表面清理简单，电能消耗少。（4）应用主要用于微小薄件的（如2µm的金箔）焊接，微电子器件中集成电路引线的焊接，焊件变形小，也可用来焊接塑料。第三节物理化学连接一、物理化学连接的原理及分类

物理化学连接是一种在低于构件熔点的温度下，采用液态填缝材料，充填接头缝隙，通过毛细作用及表面化学反应，待填缝材料结晶或固化后，将两个分离的表面连接成不可拆卸接头的连接方法。钎接、封接、粘接按填缝材料的不同，物理化学连接可分为：1、原理：是将钎料熔化，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷凝后实现连接的焊接方法。2、分类1)软钎焊2)硬钎焊钎料的熔点在450℃以下。接头强度低，一般为60~190MPa，工作温度低于100℃钎料的熔点在450℃以上。接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。二、钎焊钎料的作用①连接②填充钎料的种类①软钎料：②硬钎料：锡铝合金（焊锡）铝基、铜基、银基、镍基合金等。2.钎剂