现代焊接与连接工程学(章1)

现代焊接与连接工程学(章1)第一页，共40页。第二页，共40页。现代焊接与连接工程学2015年高考作文题目：谁更具风采？—辽宁吉林黑龙江宁夏新疆青海贵州西藏内蒙古云南甘肃海南广西

当代风采人物评选活动已产生最后三名候选人。小李，笃学敏思，矢志创新，为破解生命科学之谜作出重大贡献，率领团队一举跻身为国际学术最前沿。老王，爱岗敬业，练就一手绝活，变普通技术为完美艺术，走出一条从职高生到焊接大师的“大国工匠”之路，小刘，酷爱摄影，跋山涉水捕捉时间美景，他的博客赢得网友一片赞叹：“你带我们品位大千世界”，“你帮我们留住美丽乡愁”。这三个人中，你认为谁更具风采？第三页，共40页。现代焊接与连接工程学千吨级230mm厚热壁加氢反应器第四页，共40页。现代焊接与连接工程学30万吨超大型原油船（长333m，宽58m）世界最大的三峡水轮机转轮（直径10.7m，高5.4m，重440吨）第五页，共40页。现代焊接与连接工程学第六页，共40页。现代焊接与连接工程学第七页，共40页。现代焊接与连接工程学发展阶段年代机体结构材料发动机结构材料第一阶段1903-1919木材、布纤维钢第二阶段1920-1949铝、钢钢、铝第三阶段1950-1969铝合金、钛合金、钢高温合金、钛合金、钢、铝合金第四阶段1970-20世纪末铝合金、钛合金、钢、复合材料（以铝合金、钛合金为主）高温合金、钛合金、钢第五阶段21世纪复合材料、铝合金、钛合金、钢结构（以复合材料为主）高温合金、钛合金、钢、复合材料飞机机体和发动机的结构材料变化新材料的使用使飞机制造有了飞跃发展，显著提高生产效率，减轻结构重量，同时也给焊接技术带来挑战！第八页，共40页。现代焊接与连接工程学先进飞机的研制与生产对焊接技术的发展具有强大的推动作用，在解决航空制造技术关键问题时，焊接的优势越来越明显，如减轻结构重量、提高结构性能等，焊接技术已由原来的辅助制造工艺演变成为飞机制造中的关键技术；另一方面，焊接技术自身的发展和完善，也为新型先进飞机的结构设计和制造提供了技术保证。几种典型航空零件的焊接应用：大型宽弦风扇叶片、整体叶盘结构、鼓筒式整体转子、飞机起落架第九页，共40页。现代焊接与连接工程学第一章现代焊接和连接工程学的基本内涵及相关学科间的关系（6）

基本内涵；焊接与连接技术的分类和发展简史。第二章现代材料发展涉及的先进焊接与连接方法（10）经典焊接技术；压力焊－爆炸焊、钎焊/扩散焊和点焊；高能束焊－等离子焊、电子束焊和激光焊接；发展中的新方法。第三章先进材料的焊接性和质量控制（10）先进材料概述；钛合金；铝/镁合金；镍基合金；异质材料连接。第四章焊接力学的基本理论和结构失效分析（10）焊接接头及其特性；焊接应力和变形；焊接结构脆性和延性破坏；焊接接头和结构的疲劳强度；焊接结构环境失效。第四章计算机在焊接工程中的应用（自学为主）本课程共40学时（课内），尚需要20个课外学时进行阅读。本课程共分五章，各节学时（课内）大致分配如下：第十页，共40页。现代焊接与连接工程学主要参考书：1．何德孚，《焊接与连接工程学导论》，上海交通大学出版社，上海，1998。2．中国机械工程学会焊接学会，《焊接手册》（2、3卷），机械工业出版社，北京，2008。3．王嘉麟等，《球形储罐焊接工程技术》，机械工业出版社，北京，2000。4．顾钰喜，《特种工程材料焊接》，辽宁科学技术出版社，沈阳，1998。5.先进焊接技术制造丛书，机械工业出版社，2000第十一页，共40页。现代焊接与连接工程学严格意义上讲，焊接是一种将二个固态物体通过熔化进行原子（或分子）上的冶金结合的方法，英文称作“welding”；连接泛指将二个固态物体结合到一起的方法，它可以包括熔化和非熔化的冶金或物理的方法，有焊接，钎焊，胶（粘）结，铆接，锻接。考虑到专业的传统叫法，人们有时还是把焊接从连接中剥离出来，把不包括常规熔化焊接方法的其它结合工艺统称作连接，英文称为Joining。第一章现代焊接与连接工程学的基本内涵及与相关学科间的关系Chapter1Thebasicconnotationofmodernwelding&joiningengineeringanditsconnectionwithrelatedsubjects第十二页，共40页。现代焊接与连接工程学获得一个优质的焊接结构，必须：

选用正确的焊接工艺方法，实现可靠连接；

了解材料连接中的物理化学冶金过程，解决可能出现的各种冶金缺

陷，获得理想的组织结构性能；认识焊接结构的力学行为特征，便于了解或解决焊接接头在诸如疲

劳、腐蚀或低温环境下可能发生提前失效或对有缺陷结构进行安全

评定或焊后处理。这样一个焊接结构生产的全过程涵盖了焊接学科三大领域：焊接工艺方法、焊接冶金学、焊接力学1.1现代焊接与连接工程学的基本内涵第十三页，共40页。现代焊接与连接工程学以高铁车体生产为例说明现代焊接与连接工程学的基本内涵选材、结构设计（涉及焊接力学）焊接方法/工艺选择（方法、冶金问题）接头性能/应力变形（焊接力学问题）第十四页，共40页。现代焊接与连接工程学结构设计数值分析定量冶金专家系统实时控制CAD设计第十五页，共40页。现代焊接与连接工程学焊接性（可焊性）概念及其试验方法：制造焊接可行性设计焊接可靠性构件焊接性材料焊接适应性德国DIN8258材料：母材与焊材的组织、成分设计：结构形状、尺寸，工作载荷，焊缝类型和配置制造：焊接方法、规范，坡口形状，拘束，焊前及焊后加热第十六页，共40页。现代焊接与连接工程学GB/T3375-94的焊接性定义：金属材料在限定的施工条件下，焊接成按设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。即材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性。

因此，可将焊接性分为工艺焊接性和使用焊接性两类。

工艺焊接性（包括加热过程的热焊接性和冷却过程的冶金焊接性）：在一定焊接工艺条件下获得无缺陷优质焊接接头的能力。缺陷包括气孔、夹杂、裂纹等；冶金反应包括合金元素的氧化、还原、蒸发、气体元素的溶解等；热过程主要针对热影响区的组织相变和性能变化。

使用焊接性：焊接接头满足使用性能的程度—常规力学性能、抗脆断能力、高温性能、抗腐蚀性能、抗磨损性能、抗疲劳性能等。第十七页，共40页。第十八页，共40页。现代焊接与连接工程学1.1.1焊接与连接工艺方法和设备

Welding&JoiningProcessesandEquipment一种材料能否制作成焊接结构，首先取决于它的工艺可焊性，即能否找到可以有效实现所选材料焊接的现存工艺方法。焊接工程师应当了解各种现有焊接方法的工艺特点，掌握这些焊接过程的主要影响和控制参数，懂得从技术和经济角度确定合理的焊接或连接方法。绝大多数的焊接方法都是利用电过程实现，电焊机是一种重要的机电一体化产品，现代半导体电力电子技术、微电子技术及机电控制技术决定了当代电焊机及焊接过程自动化的发展，电工及自动化技术、微电子技术、机械自动化技术等都是与焊接或连接方法有关的重要基础学科。第十九页，共40页。现代焊接与连接工程学1.1.2焊接冶金学（WeldingMetallurgy）

一般焊接过程均伴随着受焊材料的快速加热－熔化－凝固－相变的过程，因而焊接接头性能受焊接冶金过程控制。这种冶金过程与一般的铸造冶金有很大差异：快速加热和冷却的工艺特点决定了焊件接头成为由焊缝、热影响区和母材三者构成的组合体，同时也在焊接区产生了不可避免的焊接冶金缺陷（如气孔、夹渣、咬边、未熔合）。考虑焊接冶金过程的特点及控制方法，掌握通过冶金途径改善或设计接头性能，对于正确选用现有各类相关的焊接材料或为实现新材料的接头性能设计或研制专用的新型焊接材料具有重要影响。物理冶金、物理化学、金属及非金属材料学、固体相变理论等是焊接与连接工程学的又一重要基础或相关学科。第二十页，共40页。现代焊接与连接工程学1.1.3焊接力学（WeldingMechanics）

绝大多数焊接和连接过程均是在构件局部进行的，这种局部加热－(熔化)－冷却的过程，决定了焊接接头特有的应力变形特征。它不仅使焊件的尺寸和形位公差难以控制，而且增加了接头区的工作负担，使得焊接接头在冶金缺欠的基础上又增加了几何缺欠和力学缺欠。这些缺欠对于工作在动载、低温、腐蚀等环境下的焊接结构影响尤甚。作为焊接工程师，应该掌握焊接应力变形的产生特点和基本影响，了解焊接接头抗疲劳、抗应力腐蚀、抗低温脆断和高温蠕变等性能评定方法，特别是现代裂纹体的断裂力学评定理论（由此派生出一门新的边缘学科－焊接接头断裂力学）。弹塑性力学、断裂力学、传热学、有限元理论等，都是研究和深入了解该领域的重要基础学科。第二十一页，共40页。现代焊接与连接工程学研究和解决焊接工程实际问题时，以上三大领域常常是交织在一起而又相互影响的。一个有造诣的焊接科学家或焊接工程师常常能分清三者之间的关系，抓住其中的主流，从而有效地解决问题。近20年来，计算机辅助焊接技术越来越彰显出它的巨大作用。在很多电焊机和焊接机器人中越来越多地采用各种微电子技术，甚至发展到离开该技术就无法实现相关功能的地步。现代焊接工程师不了解计算机及其在焊接中的应用，显然也是不完整的。此外，焊接和连接工程还必然涉及零部件的剪裁下料、成型加工以及焊后为保证接头性能所需的热处理等，加上焊缝的探伤技术（包括超声、射线、渗透等），这些就使得作为一名合格的焊接工程师，需要了解的知识要比一般学科领域复杂而广泛得多。第二十二页，共40页。现代焊接与连接工程学1.2焊接与连接方法的分类要将两个分离的部件（金属或非金属）实现物理结合（连接），理论上要使两个被连接的部件表面彼此接近至原子或分子间结合力的距离，即达到金属晶格的间距0.5-0.3nm。但在一般情况下，由于固体表面的粗糙度以及表面存在着的氧化膜或其它污染物，使得这种结合在常温、常压下变得不可能。寻找合适的物理或化学的途径，在一定条件下实现这一结合，就是一切焊接和连接技术的工艺特点所在。将目前找到的基本途径总结如下。第二十三页，共40页。现代焊接与连接工程学第二十四页，共40页。现代焊接与连接工程学第二十五页，共40页。现代焊接与连接工程学1.2.1熔化焊

实现熔化焊接过程并形成良好接头需具备的几个条件：1）一个合理的加热热源：气体火焰－氧乙炔、丙烷等燃气火焰为热源；电弧－气体导电时产生的电弧热为热源；电渣－熔渣导电时产生的电阻热为热源；电子束－高速运动的电子束流为热源；激光－辐射激发光放大原理产生的单色强光束为热源；电阻－焊件结合面通过强大电流时的电阻热为热源；固体化学反应－铝的氧化物和其它金属氧化物的置换反应热量为热源。

能量密度越高，热源温度也高，所需焊接时间也短。对于熔化焊来说，高能密度的热源使得焊接区的加热宽度变小，熔透能力变大，产生各种缺欠的可能性也变小，对于形成质量优良的焊接接头、提高焊接生产率，实现高效连接有着重大意义。第二十六页，共40页。现代焊接与连接工程学2）一种适当的熔池保护措施。为防止（局部熔化的）高温金属与空气中的氧气等接触而造成熔池金属成分和性能的变化，同时保证焊接时的工艺性能和可操作性，熔化焊接过程一般都需要采取有效的保护措施来隔离空气和焊接高温区，常采用真空、气体和熔渣保护三种。

不同的保护方法也是区别不同熔化焊接工艺的一个重要特征：手工电弧焊是依靠焊条熔化时外敷药皮中的造气剂和熔渣联合保护的，埋弧焊是靠埋弧焊剂熔化后覆盖在焊缝金属表面的的渣相实现，气保护焊则是靠氩气（氩弧焊）或以CO2为主的混合气体实现的，而药芯焊丝的保护作用与焊条相似。至于电子束焊，一般在真空中实现，激光焊接只宜采用气体保护的方式。第二十七页，共40页。现代焊接与连接工程学3）两个待连接构件的物理化学特性。如果两个待连接构件可以很好地熔化并相互扩散混合，冷却结晶后形成性能恰当的固溶体（化学冶金反应和冷却过程中的物理冶金相变特性符合共同规律），理论上就可以实现焊接结合，形成良好的焊接接头。一般来说，同类型、同成分的金属材料容易实现熔化焊接，而异质金属材料之间的熔化连接要困难得多，有时甚至不可能。对于热处理强化材料，由于焊接区会出现晶粒长大、晶间脆化、强度弱化等恶化性能的现象，可能使得形成的焊接接头达不到使用要求，这也可能成为熔化焊接过程中要考虑的另一重大问题。第二十八页，共40页。现代焊接与连接工程学1.2.2压力焊压力焊的特点是利用压力作用，克服待连接两个表面的不平度，挤出材料表面的氧化膜及其它污染物，使两个表面的原子接近到晶格距离，从而实现非熔化（固态）条件下的冶金结合。除了极少数金属材料外，一般压力焊都伴随着加热的过程。对于铜、铝等室温下塑性很好、强度较低的材料，在室温下就可实现固相压力焊接（冷压焊）；对于其它很多金属来说，若在加压时适当提高待焊材料的温度，将使压力焊过程和质量变得容易和可靠。按照加热方法的不同，固相压力焊又可以分为不同的类型。压力焊加热温度都低于焊件的熔点，正常的接头区域内一般不包含熔化结晶过程。除了扩散焊少数工艺外，压力焊通常都不需要采取保护措施。第二十九页，共40页。现代焊接与连接工程学1.2.3钎焊

在待连接构件之间加入钎料（中间层），用远低于构件熔点的温度加热使钎料熔化，使其在连接界面上润湿－流动－填充间隙，然后冷却结晶形成结合面的方法。钎焊过程要提供保护（炉内真空或气体，炉外钎剂），使熔化钎料不受空气污染。按照加热热源和保护方式的不同，钎焊方法有十余种。可以说凡是熔化焊和压力焊采用的热源和保护方式基本上都可以用于钎焊，只是钎焊温度远低于熔化焊，也低于母材的熔点，故接头区的冶金问题比较简单。第三十页，共40页。现代焊接与连接工程学根据钎料的熔点，把钎焊分成软钎焊（英文称为Soldering）和硬钎焊（英文称为Brazing）。中文里也常常把前者称为锡焊，是指采用熔点低于450C的锡基钎料，用电烙铁作加热热源；而常把后者简称为钎焊，常用熔点更高的银基、铜基或镍基钎料。由于母材的非熔化特性，钎焊不仅可广泛应用于金属和异种金属的连接，还可广泛应用于金属与非金属、陶瓷与非金属的连接，解决常规熔化焊接无法解决的问题。钎焊接头强度常常比母材稍低是其一大弱点，另外它更适用于连接尺寸小的零部件。第三十一页，共40页。现代焊接与连接工程学1.3焊接与连接方法的发展简史发明年代方法名称发明人1885188518861892189519011907190919281930193019391948碳极电弧焊（CarbonArcWelding）电阻焊（ResistanceWelding－RW）闪光对焊（FlashButtWelding－FBW）金属极电弧焊（MetalArcWelding）铝热剂焊（AluminumThermitWelding－ATW）氧乙炔气焊（Oxy-AcetyleneWelding）药皮焊条手弧焊（ShieldMetalArcWelding－SMAW）金属喷镀（MetalSpraying）高频感应加热焊（High-FrequencyInductionWelding）钨极氩弧焊（TungstenInert-GasArcWelding－TIG焊）埋弧焊（SubmergedArcWelding－SAW）爆炸焊（ExplosiveWelding-EW）冷压焊（ColdPressWelding－CPW）俄BenardosO.美E.Thompson美C.L.Coffine俄Slevianoff德HansGoldschmidt德Leschaterii瑞典O.Kjellberg瑞士Shouve美Osborh美Hobert美Kenedy英Carl英Soder第三十二页，共40页。现代焊接与连接工程学1.3焊接与连接方法的发展简史发明年代方法名称发明人19501951195319531956195619561963196519701990s熔化极气保护焊（MetalInert-GasArcWelding－MIG焊）高频电阻焊（High-FrequencyResistanceWelding）电渣焊（Electro-SlagWelding）CO2气保护焊（Carbon-DioxideArcWelding）超声波焊（UltrasonicWelding）电子束焊（ElectronBeamWelding－EBW）摩擦焊（FrictionWelding）等离子焊（PlasmaArcWelding－PAW）脉冲激光焊（PulseLaserBeamWelding）大功率连续焊（High-PowerContinuesWelding）搅拌摩擦焊（FrictionStirringWelding－FSW）双热源复合焊（HybridWelding）美Hobart美Crofordrad俄Volochkevich英Smith美Biron德Stoul俄Ichejikoff美Jinanif美Mayman美英TWI德、日第三十三页，共40页。现代焊接与连接工程学20世纪40年代至20世纪80年代，是现代焊接和连接工程技术发展和成熟主要阶段，其主要标志是：1）通过对焊接电弧、接触点电阻的性态和控制途径的研究，不断改进电焊机的结构和性能，使接头质量不断提高：40年代采用电机放大机和反馈控制技术制成埋弧自动焊机50年代采用晶闸管等真空电子技术制成相控电阻焊机60年代应用脉冲技术发展的脉冲电弧焊

70年代采用硅、可控硅半导体技术制成电子控制电弧、电阻焊机80年代采用逆变技术和微处理器控制的数控焊机90年代奥地利人推出全数字焊机

Fronius第三十四页，共40页。现代焊接与连接工程学2）新型焊接方法的出现使焊接过程实现了机械化和自动化，可焊材料的范围也大大增加。70年代发展起来的药芯焊丝气保护焊，80年代以后发展起来的机器人焊接技术，使得电弧焊、电阻焊从早期的完全手工操作向机械化、自动化方向迈出了重要步伐，也使得电弧焊的焊接范围从钢铁向铝合金、钛合金等有色金属领域扩展。3）对焊缝及热影响区金属组织性能，进行广泛的试验研究，确立了评判方法及标准，找到了质量保证和改进途径。通过材料焊接性的试验，促使人们相信并逐步认识到材料的设计和生产要充分考虑其焊接适应性，甚至为了适应焊接的需求，不得不对材料的设计性能做出一定的调整。第三十五页，共40页。现代焊接与连接工程学4）通过对船舶、桥梁等焊接结构中残余应力、变形等的研究，特别是对二次大战期间匆忙制造的各种海轮在使用过程中发生断裂、数十座钢桥产生低温疲劳或脆断的惨痛事故的研究，认识到焊缝除了存在各种冶金缺陷，如未焊透、裂缝、气孔、夹渣等，焊接接头必然存在着与母材不同的组织性能和力学特性，如残余应力、应力集中等，所有这些都会使焊接接头承受比母