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1、山大焊接物理冶金山大焊接物理冶金课程的主要内容1 1、 焊接的基本概念焊接的基本概念 1313学时学时2 2、 焊接化学冶金焊接化学冶金 3333学时（学时（Ch7Ch7、8 8、9 9）3 3、 焊接热影响区组织与性能焊接热影响区组织与性能 2 23学时学时（Ch10Ch10）4 4、焊接缺陷及控制、焊接缺陷及控制 33 33学时（学时（Ch11Ch11）1 焊接的定义及特点实现的方法：实现的方法：a.加热加热 熔焊熔焊b.加压加压 压焊压焊使使d达到达到(35)10-8cm的条件：的条件： a. 两块金属件要接触；两块金属件要接触； b. 要有足够高的能量。要有足够高的能量。Part I焊
2、接的基本概念焊接的基本概念1 焊接的定义及特点焊接的特点焊接的特点优点优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高）连接性能好，密封性好，承压能力高；2）省料，重量轻，成本低；）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短）加工装配工序简单，生产周期短；4）易于实现机械化和自动化。）易于实现机械化和自动化。焊接的特点焊接的特点缺点：缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便；2）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏；）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形；）要产生焊接残余应力和焊接变形；4）会产生焊接缺陷，
3、如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念l焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异： 被被焊焊接接的的材材料料不不仅仅在在宏宏观观上上建建立立了了永永久久性性的的联联系系，而而且且在在微微观观上上建建立立了了组组织织之之间间的的内内在在联系。联系。l焊接技术的主体内容：焊接技术的主体内容： 涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。1 焊接的定义及特点Part I 焊接的基本概念焊接的基本概念2 焊接的分类熔化焊熔化焊熔化焊液相焊液相焊钎焊钎焊液固相焊液
4、固相焊压力焊压力焊固相焊固相焊Part I焊接的基本概念焊接的基本概念固固相相焊焊2 焊接的分类熔化焊熔熔化化焊焊：是是指指焊焊接接过过程程中中，对对于于紧紧密密贴贴在在一一起起的的被被焊焊工工件件，将将焊焊接接接接头头加加热热至至熔熔化化状状态态，在在温温度度场场、重重力力等等的的作作用用下下，在在不不加加压压力力条条件件下下，两两个个工工件件熔熔融融的的液液态态金金属属混混合合，待待温温度度降降低低后后将将两两被被焊焊工工件件牢牢固固地地凝凝结结在在一一起起，完成焊接的方法。完成焊接的方法。 Part I焊接的基本概念焊接的基本概念2 焊接的分类熔化焊电弧焊电弧焊埋埋弧弧焊焊Submerg
5、ed arc welding, 熔化极熔化极螺螺柱柱焊焊Stud welding焊焊条条电电弧弧焊焊Shielded metal arc welding惰惰性性气气体体保保护护电电弧弧焊焊Argon arc welding (or MIG)CO2电电弧弧焊焊CO2 arc welding( or MAG)非熔化极非熔化极钨钨极极氩氩弧弧焊焊Argon tungsten arc welding等等离离子子弧弧焊焊Plasma arc welding原原子子氢氢焊焊Atomic hydrogen welding气焊气焊氧氧氢氢焊焊Oxy-hydrogen welding空空气气乙乙炔炔焊焊Air-
6、acetylene welding氧氧乙乙炔炔焊焊Oxy-acetylene welding电电子子束束焊焊Electron beam welding激激光光焊焊Laser beam welding电电渣渣焊焊Electroslag welding铝铝热热焊焊Thermit welding复复合合热热源源焊焊Hybrid welding熔化焊熔化焊GMAW or MIG/MAGGTAW or TIG高能束焊接高能束焊接Part I焊接的基本概念焊接的基本概念2 焊接的分类钎焊钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿钎料）
7、，经加热熔化后，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接的焊接方法。现连接的焊接方法。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念2 焊接的分类钎焊钎焊钎焊火火焰焰钎钎焊焊Torch brazing( soldering)盐盐浴浴钎钎焊焊Saltbath dip brazing激激光光钎钎焊焊Laser brazing炉炉中中钎钎焊焊Furnace brazing感感应应钎钎焊焊Induction brazing电电子子束束钎钎焊焊Electron beam brazing电电弧弧钎钎焊焊Arc brazingPart I焊接的基本概念焊接
8、的基本概念2 焊接的分类压力焊压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合，形成焊接接头的方法。结合，形成焊接接头的方法。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压
9、焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等2 焊接的分类压力焊压力焊压力焊冷冷压压焊焊Cold pressure welding, 爆爆炸炸焊焊Explosive welding超超声声波波焊焊Ultrasonic welding电电阻阻对对焊焊Upset butt welding电电阻阻点点、缝缝焊焊Resistance spot, seam welding锻锻接接Forge-welding, Blacksmith welding摩摩擦擦焊焊Fric
10、tion welding扩扩散散焊焊Diffusion welding搅搅拌拌摩摩擦擦焊焊Friction stir welding高高频频电电阻阻焊焊High frequency resistance weldingPart I焊接的基本概念焊接的基本概念2 焊接的分类工艺工艺热源热源压力压力母材母材填充材料填充材料熔化焊熔化焊外加外加无无熔化熔化有或无有或无钎焊钎焊外加外加有（压力低使工有（压力低使工件紧密接触）件紧密接触）不熔化不熔化有有压力焊压力焊外加或内外加或内部部有有不熔化不熔化无无熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较Part I焊接的基本概念焊接的基本概念
11、2 焊接的分类Part I焊接的基本概念焊接的基本概念熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较考古发现：考古发现：u5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及）年前用锡钎焊银摆设（古埃及）u5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及）年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及）u5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及）年前用银钎料钎焊的管子（古埃及）u4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及）年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及）u公元前公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等（中国）饰等（中国）u公元公元79年被火山爆发埋没的庞贝城中有用锡年被火山爆发埋没的庞
12、贝城中有用锡铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展钵的锡钎焊（ 5000年以前美索布达米亚时代，大英博物馆收藏）Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展文献记载：文献记载：u汉汉班固班固撰汉书：撰汉书：胡桐泪盲似眼泪也，胡桐泪盲似眼泪也，可可以汗金银也，以汗金银也，今工匠皆用之。（汗即焊）今工匠皆用之。（汗即焊）u宋宋 宋应星宋应星 撰天工开物：中华撰天工开物：中华小钎用白铜小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终，历岁弥久，终不可坚。（小钎
13、即钎焊，大钎为锻焊）不可坚。（小钎即钎焊，大钎为锻焊）u明明 方以智方以智 撰物理小识：撰物理小识：焊药以硼砂合铜焊药以硼砂合铜为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄之类焊药，加银一分其中，则永不脱。试以圆之类焊药，加银一分其中，则永不脱。试以圆盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之，盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之，亦一奇也。亦一奇也。 Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展u从古代历史上来看，遥远的古代主要是以钎焊从古代历史上来看，遥远的古代主要是以钎焊为代表的固相焊的发展，而到了近现代则是熔为代表的固相焊的发展，而
14、到了近现代则是熔化焊技术的大发展。化焊技术的大发展。u在在19世纪初，电弧的发现为材料连接技术带世纪初，电弧的发现为材料连接技术带来了革命性的发展和进步来了革命性的发展和进步,电弧作为一种可以电弧作为一种可以使钢铁等高熔点材料熔化的能量高度集中的热使钢铁等高熔点材料熔化的能量高度集中的热源，使得金属材料的熔化焊接成为可能。源，使得金属材料的熔化焊接成为可能。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展u在在十十九九世世纪纪末末，熔熔化化电电极极的的和和非非熔熔化化电电极极的的、直直接接作作用用电电弧弧的的和和间间接接作作用用电电弧弧的的、手手工工的的、半半自自动动的的和和自
15、自动动的的、无无保保护护的的电电弧弧和和保保护护气气氛氛中的电弧焊都已被提出和获得实施。中的电弧焊都已被提出和获得实施。u同同一一时时期期，气气焊焊以以及及接接触触电电焊焊（电电阻阻焊焊）的的基基本形式本形式-点焊和滚焊也获得了研究和发展。点焊和滚焊也获得了研究和发展。u随随着着冶冶金金、化化工工、电电工工、电电子子等等技技术术的的不不断断发发展展和和进进步步，以以电电弧弧焊焊为为代代表表的的熔熔化化焊焊接接技技术术成成为材料连接领域中处于主导地位的连接方法。为材料连接领域中处于主导地位的连接方法。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展 从近现代历史上看从近现代历史上
16、看, 焊接的发展主要是焊接焊接的发展主要是焊接热源的发展所推动的。热源的发展所推动的。l1801 迪威发现电弧放电现象迪威发现电弧放电现象l1855 俄罗斯人俄罗斯人 碳弧焊碳弧焊(应用：铁管及容器的制造、应用：铁管及容器的制造、蒸汽机修理；问题：碳使金属接头变得脆硬蒸汽机修理；问题：碳使金属接头变得脆硬)l1886 美国人美国人 电阻焊电阻焊l1891 俄罗斯人俄罗斯人 金属极焊接法金属极焊接法(空气中铁电极空气中铁电极)l1895 德国人德国人 热剂焊热剂焊l1901 法国人法国人 氧乙炔焊氧乙炔焊l1907 瑞典人瑞典人 焊条电弧焊焊条电弧焊Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊
17、接技术的历史与发展l1909 瑞士人瑞士人 金属喷焊金属喷焊l1912 瑞典人瑞典人 开发出保护良好的厚涂层焊条开发出保护良好的厚涂层焊条l1920 英国人英国人 全焊接船下水全焊接船下水l1928 美国人美国人 高频感应焊高频感应焊l1930s： 钨极氩弧焊、埋弧焊、厚皮焊条电弧焊、氢原子钨极氩弧焊、埋弧焊、厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊焊、氦气保护焊l1940s： 交流交流GTAW焊、直流金属极焊接焊、直流金属极焊接GMAWPart I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展l1950s： CO2气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦焊、气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦
18、焊、超声波焊超声波焊l1960s： 电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊l1970s： 激光焊接与切割激光焊接与切割l1980s： 离子束、太阳能、微波焊接离子束、太阳能、微波焊接l1990s： 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊FSW、复合热源焊接、复合热源焊接Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是：现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是： (1) 能能量量密密度度高高，并并能能产产生生足足够够高高的的温温度度。高高能能量量密密度度和和高高温温可可使使焊焊接接加加热热区区域域尽尽可可能能小小，热量集中，并实现高
19、速高效焊接生产。热量集中，并实现高速高效焊接生产。 (2) 热热源源性性能能稳稳定定，易易于于调调节节和和控控制制。热热源源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。性能稳定是保证焊接质量的基本条件。 (3) 高高的的热热效效率率，降降低低能能源源消消耗耗。尽尽可可能能提提高高焊焊接接热热效效率率，节节约约能能源源消消耗耗有有着着重重要要技技术术经经济意义。济意义。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念3 焊接技术的历史与发展焊接工艺焊接工艺及设备及设备4 焊接技术的应用零件修复零件修复材料切割材料切割材料连接材料连接再制造工程再制造工程表面改性表面改性焊接技术的应用领域：焊接技术的应用领域：Par
20、t I焊接的基本概念焊接的基本概念4 焊接的应用 焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。据工焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。据工业发达国家统计，每年用于制造焊接结构的钢材占钢总产业发达国家统计，每年用于制造焊接结构的钢材占钢总产量的量的7070左右。左右。 焊接不仅能解决各种钢材的连接，而且还能解决有色焊接不仅能解决各种钢材的连接，而且还能解决有色金属和钛、锆等特种金属材料的连接。焊接既能连接异种金属和钛、锆等特种金属材料的连接。焊接既能连接异种金属，又能连接厚薄相差悬殊的金属。因而已广泛地应用金属，又能连接厚薄相差悬殊的金属。因而已广泛地应用于机械、汽车、船舶、石油化工、电力、
21、建筑、核能、海于机械、汽车、船舶、石油化工、电力、建筑、核能、海洋工程、航空航天、电子等工业领域。洋工程、航空航天、电子等工业领域。 随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术进步很快接技术进步很快, , 到现在焊接方法已发展到数十种之多。到现在焊接方法已发展到数十种之多。 Part I焊接的基本概念焊接的基本概念4 焊接的应用目前许多新的焊接工艺正逐步用于焊接生产，极大地提目前许多新的焊接工艺正逐步用于焊接生产，极大地提高了焊接生产率和焊接质量。高了焊接生产率和焊接质量。与工业发达国家相比，我国的焊接机械化和自动化水平与工业发达国家相比
22、，我国的焊接机械化和自动化水平还较低，按熔化焊来计算，目前日本为还较低，按熔化焊来计算，目前日本为67%67%，德国为，德国为80%80%，美国为美国为56%56%，原苏联为，原苏联为40%40%，而我国还不到，而我国还不到20%20%，其主要原，其主要原因是我国焊接生产主要还靠手工电弧焊，自动化水平高的因是我国焊接生产主要还靠手工电弧焊，自动化水平高的气体保护焊和埋弧自动焊应用少。从焊接生产工艺装备水气体保护焊和埋弧自动焊应用少。从焊接生产工艺装备水平来看，我国近年来，生产了成套的焊接工艺装备和焊接平来看，我国近年来，生产了成套的焊接工艺装备和焊接生产线，也有的厂家从国外引进了自动化水平较高
23、的焊接生产线，也有的厂家从国外引进了自动化水平较高的焊接辅助装置，焊接质量和生产效率有了很大提高。辅助装置，焊接质量和生产效率有了很大提高。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念4 焊接的应用计算机控制系统在焊接生产工艺的应用，在国外已经比计算机控制系统在焊接生产工艺的应用，在国外已经比较普遍，除用于焊接工艺参数的控制之外，还可用于整条较普遍，除用于焊接工艺参数的控制之外，还可用于整条生产线、焊机的群控。它还可以根据材料厚度自动选择并生产线、焊机的群控。它还可以根据材料厚度自动选择并预置焊接工艺参数，对焊接过程实现自适应控制、最佳控预置焊接工艺参数，对焊接过程实现自适应控制、最佳控制以及智能
24、控制等。制以及智能控制等。从焊接装备上讲，具有智能的焊接机器人，特别是具有从焊接装备上讲，具有智能的焊接机器人，特别是具有自动路径规划，自动校正轨迹，自动控制熔深的机器人以自动路径规划，自动校正轨迹，自动控制熔深的机器人以及特殊用途的焊接专用装备是近期重点发展方向。及特殊用途的焊接专用装备是近期重点发展方向。从焊接工艺上讲，优质、高效、低成本以及绿色、节能从焊接工艺上讲，优质、高效、低成本以及绿色、节能的焊接工艺，如复合热源焊接，是未来发展的重要方向。的焊接工艺，如复合热源焊接，是未来发展的重要方向。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念1952年，哈尔滨工业大学从年，哈尔滨工业大学从50年
25、入学的研究生中挑选了年入学的研究生中挑选了6名研名研究生进入第一届焊接师资研究班学习，成为第一届焊接师资研究生进入第一届焊接师资研究班学习，成为第一届焊接师资研究班学员。究班学员。1953年年9月哈尔滨工业大学又举办了第二届焊接师资研究班月哈尔滨工业大学又举办了第二届焊接师资研究班;1958年年9月至月至1959年年2月哈工大又聘请了捷克布拉格工业大学月哈工大又聘请了捷克布拉格工业大学教授教授F法尔杜斯通讯院士来哈尔滨开办焊接结构讲学班，全国法尔杜斯通讯院士来哈尔滨开办焊接结构讲学班，全国各校各校30多位教师来哈尔滨进修。多位教师来哈尔滨进修。50年代，国外专家培养的研究生和本科生都陆续到高等
26、院校和年代，国外专家培养的研究生和本科生都陆续到高等院校和科研院所，进行焊接教学和科研工作。大多数人都在我国的焊科研院所，进行焊接教学和科研工作。大多数人都在我国的焊接教育和研究岗位上辛勤耕耘了四、五十年成为我国焊接界著接教育和研究岗位上辛勤耕耘了四、五十年成为我国焊接界著名的学者和教授，为我国焊接事业的发展做出了重大贡献。名的学者和教授，为我国焊接事业的发展做出了重大贡献。5 焊接专业的基本介绍焊接专业的发展：焊接专业的发展：Part I焊接的基本概念焊接的基本概念1952年年:哈工大于成立焊接教研室，同年从哈工大于成立焊接教研室，同年从1950年入学的本科年入学的本科生中抽调两个班入焊接专
27、业学习，开始焊接专业本科生的培养工生中抽调两个班入焊接专业学习，开始焊接专业本科生的培养工作作,第一批焊接专业本科生于第一批焊接专业本科生于1956年毕业。年毕业。天津大学创建焊接教研室，培养焊接专业大专生天津大学创建焊接教研室，培养焊接专业大专生,1955年培养焊接专业本科生。年培养焊接专业本科生。1955年年:清华大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。清华大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。上海交通大学、西安交通大学成立焊接教研室，同上海交通大学、西安交通大学成立焊接教研室，同年招收焊接专业本科生。年招收焊接专业本科生。1956年年:西北工业大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。西
28、北工业大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。1958年年:山东工业大学成立焊接教研室，培养焊接专业本科生。山东工业大学成立焊接教研室，培养焊接专业本科生。1959年年:大连铁道学院成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。大连铁道学院成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。5 焊接专业的基本介绍焊接专业的发展：焊接专业的发展：Part I焊接的基本概念焊接的基本概念1960年年: 吉林工业大学成立焊接教研室，招收焊接专吉林工业大学成立焊接教研室，招收焊接专业本科生。业本科生。至七十年代后期恢复高考时，我国设立焊接专业的高等至七十年代后期恢复高考时，我国设立焊接专业的高等学校有学校有17所。所。1988
29、年，我国设有焊接专业的学校有年，我国设有焊接专业的学校有30余所，其中包余所，其中包括括2所大专及所大专及8所中专学校。到所中专学校。到1992年，据不完全统计，年，据不完全统计，全国有全国有43所院校设立焊接专业。在大专院校专业合并所院校设立焊接专业。在大专院校专业合并前，全国有前，全国有55所院校设立焊接专业。所院校设立焊接专业。5 焊接专业的基本介绍焊接专业的发展：焊接专业的发展：Part I焊接的基本概念焊接的基本概念1998年：教育部颁布的新的本科专业目录中将铸造、年：教育部颁布的新的本科专业目录中将铸造、锻压、焊接专业合并成材料成形及控制专业。锻压、焊接专业合并成材料成形及控制专业
30、。2007年：教育部批准建立电子封装技术（微连接）专年：教育部批准建立电子封装技术（微连接）专业，业，08年开始招生。年开始招生。 5 焊接专业的基本介绍焊接专业的发展：焊接专业的发展：Part I焊接的基本概念焊接的基本概念5 焊接专业的基本介绍焊接专业的发展：焊接专业的发展：焊接焊接工艺及设备工艺及设备材料成型及控制材料成型及控制材料加工工程材料加工工程三级学科，含铸三级学科，含铸造、锻压、焊接造、锻压、焊接二级学科，含铸二级学科，含铸造、锻压、焊接造、锻压、焊接目前有不少学校已目前有不少学校已经在逐步恢复焊接经在逐步恢复焊接专业。专业。Part I焊接的基本概念焊接的基本概念焊接工艺焊接工艺及设备及设备5 焊接专业的研究领域焊接结构焊接结构焊接装备焊接装备焊接工艺焊接工艺焊接性分析焊接性分析焊接材料焊接材料焊接冶金焊接冶金焊接工装夹具焊接工装夹具焊接电源焊接电源焊接热过程焊接热过程焊焊接接系系统统集集成成焊接过程自动控制焊接过程自动控制应力应变分析应力应变分析焊接结构设计焊接结构设计焊接专业的研究领域：焊接专业的研究领域：电弧物理电弧物理焊接研究基础焊接研究基础Part I焊接的基本概念焊接的基本概念结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！40
