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1、材料连接原理与工艺,赵兴科,Email:xkzhao Tell: 62334859,先修课程： 热学基础 物理化学 金属材料及热处理 电工学,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,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,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）
2、,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。,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。,西方工业国家，钢产量的5060%需要焊接。,焊接是材料连接的最
3、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。,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,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；
4、 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,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3900 m，跨度550 m，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）,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
5、最大载重量的原油船,长194.98m，宽23.10m，载重17900吨,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,大型空间环境模拟舱KM6,“神舟”4 号飞船返回地面,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。,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,高效 高能 精密 低温 复合 自动化 智能化 特种环境,焊接机器人的行业分布,焊接机器人8
6、5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。,焊接机器人生产线,各种类型的焊接机器人,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,搅拌摩擦焊地铁车体,ESAB公司生产的搅拌摩擦焊接机,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5X105 W/cm2。,水下焊接,太空焊接,遥控焊接机器人,遥控切割机器人,
7、电子封装与微连接,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，0.4-0.5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,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。,焊接接头的机理,熔化、凝固,塑
8、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。,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。,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,0.3 本课程的内容,1 焊接方法概述 2 材料熔焊原理 3 材料焊接性与焊接工艺 4 弧焊原理与工艺,
