材料连接原理与工艺绪论

材料连接原理与工艺赵兴科Email:Tell:62334859当前第1页\共有33页\编于星期三\3点先修课程：

《热学基础》《物理化学》《金属材料及热处理》

《电工学》当前第2页\共有33页\编于星期三\3点绪论0.1材料连接及其发展0.2材料连接的基本原理0.3本课程的性质与任务当前第3页\共有33页\编于星期三\3点0.1材料连接及其发展制造技术是人类制造财富的基本手段，也是生产力的核心内容。制造技术的三大基本功能：成形、连接、表面改性。材料连接是材料加工方法、产品制造技术。0.1.1材料连接的内涵当前第4页\共有33页\编于星期三\3点成形是将原材料（或坯料）在一定的条件下加工成零件，保证其形状、尺寸精度和表面质量达到设计要求。冷加工（机械加工）：车、铣、刨、磨；热加工：铸造、锻压、焊接（材料连接）焊接是将两种或两种以上材质(同种或异种)，通过加热或加压或两者并用，使其形成可靠连接，实现物理量的传递。表面改性是改变零件或产品表面化学成分或微观组织，提高其使用性能。涂饰：喷漆、电镀、热浸镀、钎涂化学热处理：渗碳、渗氮、渗硼、渗金属热喷涂：火焰喷涂、等离子喷涂、堆焊、表面工程是焊接衍生的一个重要的分支。当前第5页\共有33页\编于星期三\3点焊接（材料连接）是一项应用技术，也是一门涉及多学科融合的科学。焊接学是在物理、化学、物理化学、力学、冶金学、机械、电子学、计算机控制等的基础上发展起来的。焊接学主要三部分构成：焊接方法学、焊接材料学和焊接结构学。当前第6页\共有33页\编于星期三\3点西方工业国家，钢产量的50~60%需要焊接。焊接是材料连接的最重要的方法

特点突出：应用面广：工业化程度：高性能（可达到与母材等强度、等塑性、等韧性，尤其是动载性能）；高可靠（永久连接）；高适应性（在各种环境下能焊接各种复杂构件）高效率（适应大工业批生产）。机械制造、石油化工、造船、车辆、航天航空、冶金、家用电器、仪器仪表、军工武器设备，以及IT工业、医学等。当前第7页\共有33页\编于星期三\3点水轮机转轮直径10.7m，高5.4m，重达440吨，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮，每个转轮消耗12吨焊丝。世界最大的三峡水轮机转轮（左图13叶片转轮；右图：15叶片转轮）0.1.2材料连接的应用当前第8页\共有33页\编于星期三\3点电机定子座直径22m，高6m，重832吨，是在我国焊接的最大钢结构机座；蜗壳进水口直径12.4m，总重量750吨，为世界最大、最重的焊接蜗壳；三峡水电站电机定子吊装入机坑三峡水电站焊接中的蜗壳当前第9页\共有33页\编于星期三\3点芜湖长江大桥：全长10km，主跨312m，是我国目前跨度最大的公/铁两用桥；国家大剧院：穹顶长轴212.2m,短轴143.64m,高46.28m，焊接钢结构重6475吨；上海卢浦大桥：全长3900m，跨度550m，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥；芜湖长江大桥（公/铁两用桥）“世界第一穹顶”北京国家大剧院（设计效果图）当前第10页\共有33页\编于星期三\3点造船总吨位：1985年的每年50万吨，提高到2002年的463万吨。大型30万吨原油船半冷半压式液化气船长333m，宽58m，我国最大载重量的原油船长194.98m，宽23.10m，载重17900吨当前第11页\共有33页\编于星期三\3点千吨级热壁加氢反应器600MW电站锅炉汽包总重量达千吨级、壁厚280mm汽包长30m，壁厚203mm，重250吨当前第12页\共有33页\编于星期三\3点大型空间环境模拟舱KM6

“神舟”4号飞船返回地面当前第13页\共有33页\编于星期三\3点中国制造的大型飞机要在2014年首飞大飞机项目在今后三到五年要投入600亿元总体上将达到2000亿元。当前第14页\共有33页\编于星期三\3点新方法：新能源、精密控制、智能化等。新结构：飞船返回舱、超临界压力容器等。新材料：新型钢、金属间化合物、复合材料、陶瓷等。0.1.3材料连接的发展当前第15页\共有33页\编于星期三\3点高效高能精密低温复合自动化智能化特种环境当前第16页\共有33页\编于星期三\3点焊接机器人的行业分布焊接机器人85％分布在交通行业（汽车、铁路、摩托车），其他行业少。90％以上的焊接机器人来自外国。当前第17页\共有33页\编于星期三\3点焊接机器人生产线当前第18页\共有33页\编于星期三\3点各种类型的焊接机器人当前第19页\共有33页\编于星期三\3点塑性状态下焊接、温度低、输入量少；变形小；组织细密，缺陷少

1990年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，适合轻金属的焊接。如：铝合金、镁合金、钛合金。1991年开始在航空、航天、造船中应用。搅拌摩擦焊原理图当前第20页\共有33页\编于星期三\3点搅拌摩擦焊地铁车体当前第21页\共有33页\编于星期三\3点ESAB公司生产的搅拌摩擦焊接机当前第22页\共有33页\编于星期三\3点高能束焊是利用高能密度的束流，如电子束、激光束作为焊接热源的焊接方法。它的功率密度比通常的电弧功率密度高一个数量级以上，即高于5X105W/cm2。当前第23页\共有33页\编于星期三\3点水下焊接太空焊接当前第24页\共有33页\编于星期三\3点遥控焊接机器人遥控切割机器人当前第25页\共有33页\编于星期三\3点电子封装与微连接当前第26页\共有33页\编于星期三\3点从理论上来说，两块分离的材料，如果我们把它需要连接的面，把它靠在一起，如果把这个靠在一起的面，足够紧密，就是把这两个分离的表面，它的距离能够接近到一个原子的距离，个纳米，这种情况下，这个材料按照它的物理本性，就能连接在一起。0.2材料连接的基本原理0.2.1材料连接的机理当前第27页\共有33页\编于星期三\3点焊接的物理化学过程实际上常温下做不到：表面凹凸不平、氧化膜、有水、油等杂质，氧化膜和附加层极大的阻碍材料的连接。采用施加外部能量的方法，促使分离材料的原子接近、形成原子键结合，同时去除一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。当前第28页\共有33页\编于星期三\3点焊接接头的机理熔化、凝固塑性变形、再结晶外部的热源把材料和填充熔剂熔化，在熔池产生物理化学反应，去除它的一切杂质和氧化膜附加层，然后再结晶，相变，最后形成一个键结合。加压使这个材料产生塑性变形，挤出里边的结合面的杂质实现紧密连接，经过扩散和相变形成一个塑性变形为主的连接接头接头接头。当前第29页\共有33页\编于星期三\3点扩散、再结晶熔化、界面反应加压材料紧密接触，然后加热到高温，加热到多少温度，视不同的材料而定，经过长时间的扩散，原子间相互渗透最后形成键连接，这是扩散连接的机理加热使较低熔点材料（钎料）熔化后填充到待连接工件之间的间隙中，随后冷却凝固形成连接。当前第30页\共有33页\编于星期三\3点电弧焊焊条电弧焊埋弧自动焊（单丝、双丝、多丝）芯心焊丝电弧焊钨极氩气保护焊钨极氦气保护焊熔化极惰性气体保护焊熔化极活性气体保护焊高速双丝气体保护焊等离子弧焊等离子弧切割等离子喷涂等离子堆焊水下电弧焊接水下电弧切割水下等离子焊接水下等离子切割螺柱焊炭弧气刨炭弧水气刨全位置焊高能束焊点焊缝焊对焊凸焊闪光焊钎焊火焰钎焊浸渍钎焊电阻钎焊感应钎焊炉中钎焊气相钎焊反应钎焊扩散钎焊热脉冲劈刀钎焊高能束焊点焊缝焊对焊凸焊闪光焊电弧焊焊条电弧焊埋弧自动焊（单丝、双丝、多丝）药芯焊丝电弧焊钨极氩气保护焊钨极氦气保护焊熔化极惰性气体保护焊熔化极活性气体保护焊高速双丝气体保护焊等离子弧焊等离子弧切割等离子弧喷涂等离子弧堆焊水下电弧焊接水下电弧切割水下等离子焊接水下等离子切割螺柱焊碳弧气刨碳弧水气刨电阻焊点焊缝焊对焊凸焊闪光焊钎焊火焰钎焊浸渍钎焊电阻钎焊感应钎焊炉中钎焊气相钎焊反应钎焊扩散钎焊热脉冲劈刀钎焊高能束焊电子束焊激光束焊激光束切割激光钎焊激光电弧复合焊上个世纪以来，人类创造了许多焊接新方法，广泛应用的有5大类，近100种焊接（切割）方法。0.2.2材料连接的分类当前第31页\共有33页\编于星期三\3点摩擦焊摩擦方位焊搅拌摩擦焊超声波焊点焊环焊缝焊线焊真空扩散焊超塑成形真空扩散焊热等静压真空扩散焊热喷涂焊火焰喷涂焊电弧喷涂焊等离子喷涂焊特种热源喷涂焊超音速喷涂焊堆焊火焰堆焊焊条堆焊埋弧堆焊气体保护电弧堆焊钨极氩弧堆焊等离子弧堆焊电渣堆焊激光堆焊摩擦堆焊//堆焊微电子焊波峰焊再流焊金丝球焊此外电渣焊电渣压力焊高频焊气焊气割高压水切焊气压焊热剂焊变形焊冷压焊热压焊真空变形焊摩擦焊摩擦方位焊搅拌摩擦焊超声波焊点焊环焊缝焊线焊扩散焊超塑成形扩散焊热等静压扩散焊相变超塑性扩散焊瞬间液相扩散焊热喷涂焊火焰喷涂焊电弧喷涂焊等离子喷涂焊特种热源喷涂焊超音速喷涂焊堆焊火焰堆焊焊条堆焊埋弧堆