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1、 School of Materials Science & Engineering材料连接原理与工艺赵兴科Email:Tell:62334859 School of Materials Science & Engineering1 焊接方法概述焊接方法概述2 材料熔焊原理材料熔焊原理3 材料焊接性与焊接工艺材料焊接性与焊接工艺4 弧焊原理与工艺弧焊原理与工艺目录目录 School of Materials Science & Engineering1 1 焊接技术概述焊接技术概述1.1焊接基本原理1.2焊接技术分类1.3焊接技术发展历程1.4常见焊接方法 School of Material
2、s Science & Engineering焊接焊接是通过适当的物理化学过程使两个或两个以是通过适当的物理化学过程使两个或两个以上分离的固态物体产生上分离的固态物体产生原子或分子间结合原子或分子间结合原子或分子间结合原子或分子间结合而形成而形成永久性连接。永久性连接。不仅在宏观上建立了永久性的连接，在微观上不仅在宏观上建立了永久性的连接，在微观上也建立了组织上的联系。也建立了组织上的联系。1.1 1.1 焊接基本原理焊接基本原理 School of Materials Science & Engineering固体是依靠键作用结合在一起的。以金属材料为例，固体是依靠键作用结合在一起的。以金属
3、材料为例，结合力为金属键。结合力为金属键。以双原子模型为例，两个原子以双原子模型为例，两个原子之间的存在短程的引力和斥力；之间的存在短程的引力和斥力；原子间距离为原子间距离为r*r*时合力为零，时合力为零，原子将处于稳定状态。当两者原子将处于稳定状态。当两者的距离偏离的距离偏离r*r*时两原子之间将时两原子之间将存在引力或斥力，处于不稳定存在引力或斥力，处于不稳定的状态。的状态。双原子相互作用模型双原子相互作用模型 School of Materials Science & Engineering从理论上讲，要达到焊接的目的，只须使两个工件从理论上讲，要达到焊接的目的，只须使两个工件 表面紧密
4、接触，两个表面的原子间相距接近表面紧密接触，两个表面的原子间相距接近r*r*即可。即可。实际上，即使经过精密加工的金属表面，从微观上实际上，即使经过精密加工的金属表面，从微观上也是存在凸凹不平。同时金属表面常伴有氧化膜、也是存在凸凹不平。同时金属表面常伴有氧化膜、杂质原子吸附以及水分、有机物吸附层，这些都会杂质原子吸附以及水分、有机物吸附层，这些都会妨碍金属表面的紧密接触。妨碍金属表面的紧密接触。为了使金属表面紧密接触，就需要能量，有两种形式：为了使金属表面紧密接触，就需要能量，有两种形式：v压力压力v热量热量 School of Materials Science & Engineering
5、压力可以破坏接触表面的氧化膜，使待连接处发生局压力可以破坏接触表面的氧化膜，使待连接处发生局部塑性变性，增加有效接触面积；部塑性变性，增加有效接触面积；热量可以使接触处金属达到塑性变形或熔化状态，并热量可以使接触处金属达到塑性变形或熔化状态，并使该处的氧化膜迅速分解，并增加原子的振动能，促使该处的氧化膜迅速分解，并增加原子的振动能，促进扩散、化学反应、再结晶和结晶等物理化学反应。进扩散、化学反应、再结晶和结晶等物理化学反应。每种金属实现焊接所必每种金属实现焊接所必须的温度和压力之间存须的温度和压力之间存在一定的关系，温度越在一定的关系，温度越高需要的压力越小，熔高需要的压力越小，熔化焊接可以不
6、需要压力。化焊接可以不需要压力。 School of Materials Science & Engineering通过加热、或加压，或二者并用，使分离的两种通过加热、或加压，或二者并用，使分离的两种或两种以上的材料（同种或异种）接触处原子扩或两种以上的材料（同种或异种）接触处原子扩散、再结晶、化学反应和结晶等过程，从而形成散、再结晶、化学反应和结晶等过程，从而形成共同晶粒的过程。共同晶粒的过程。金属材料焊接又可以表述成：金属材料焊接又可以表述成：焊接与钎焊（或胶接）的区别焊接与钎焊（或胶接）的区别 School of Materials Science & Engineeringa)钎焊；钎
7、焊； b)熔钎焊；熔钎焊； c)熔焊熔焊 School of Materials Science & Engineering通过加热和加压提供焊接能量外，还必须注意，通过加热和加压提供焊接能量外，还必须注意，金属表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接过金属表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接过程中再次形成表面膜，特别是氧化物。因此几乎程中再次形成表面膜，特别是氧化物。因此几乎每一种焊接工艺都要在焊接过程中排除大气，即每一种焊接工艺都要在焊接过程中排除大气，即对焊接区域进行保护。对焊接区域进行保护。焊接保护的方法很多，可以使用焊剂、保护气氛焊接保护的方法很多，可以使用焊剂、保护气氛或者在真空中操作
8、。或者在真空中操作。 School of Materials Science & Engineering总之，焊接连接必须满足四个方面的要求：总之，焊接连接必须满足四个方面的要求：v 通过加压或加热提供必须的能量；通过加压或加热提供必须的能量；v 去除表面的氧化物；去除表面的氧化物；v 避免大气污染；避免大气污染；v 控制焊接冶金。控制焊接冶金。 School of Materials Science & Engineering1.2 1.2 焊接技术分类焊接技术分类自百年前电弧焊发明以来，现代焊接技术已迅速自百年前电弧焊发明以来，现代焊接技术已迅速 发发展成为制造工业中的重要技术。展成为制造
9、工业中的重要技术。现在已有现在已有9090余种工艺。余种工艺。采用了热、电、光、声、磁等一切可以利采用了热、电、光、声、磁等一切可以利用的热源。用的热源。应用电子、计算机等先进的控制技术。应用电子、计算机等先进的控制技术。 School of Materials Science & Engineering焊接方法名类繁多，而且新的方法仍在不断涌现，焊接方法名类繁多，而且新的方法仍在不断涌现，因此如何对焊接进行科学的分类是一个十分重要因此如何对焊接进行科学的分类是一个十分重要的问题。的问题。第一层次，按接缝处是否熔化将焊接方法划分为第一层次，按接缝处是否熔化将焊接方法划分为三大类，即熔化焊、固相
10、焊和钎焊。三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。第二层次，按能源种类细分为电弧焊、电阻焊、第二层次，按能源种类细分为电弧焊、电阻焊、气焊、铝热焊、摩擦焊等类。气焊、铝热焊、摩擦焊等类。第三层次，按保护方式等分为无保护、真空、气第三层次，按保护方式等分为无保护、真空、气保护等方法。保护等方法。 School of Materials Science & Engineering熔化焊熔化焊金属熔化金属熔化-混合混合-凝固。凝固。 School of Materials Science & Engineering固相焊固相焊焊接过程中无液相参与过程。焊接过程中无液相参与过程。尚有一些分类边界模糊的焊接方法
11、，如尚有一些分类边界模糊的焊接方法，如闪光电阻对焊、瞬时液相扩散焊等。闪光电阻对焊、瞬时液相扩散焊等。 School of Materials Science & Engineering钎焊钎焊Filler metal: brass or solderBase metal低熔点填料熔化低熔点填料熔化-凝固。凝固。软钎焊软钎焊(soldering)低于低于450 C所进行的钎焊为软钎焊所进行的钎焊为软钎焊 ，而我国常将，而我国常将350 C作为分界线。作为分界线。硬钎焊硬钎焊(brazing) 硬钎焊的钎料熔点高于硬钎焊的钎料熔点高于450C，接头强度较高（大于，接头强度较高（大于200 MPa
12、）。）。 School of Materials Science & Engineering电弧弧焊（氩弧弧焊、手弧、手弧焊、埋弧、埋弧焊、钨极气体保极气体保护电弧弧焊、等离子弧等离子弧焊、气体保、气体保护焊）以以电阻阻热为能源：能源：电阻阻焊、电渣渣焊、高、高频焊高能束高能束焊（电子束子束焊、激光、激光焊）钎焊：软钎焊、硬钎焊：软钎焊、硬钎焊；以化学能以化学能为焊接能源：气接能源：气焊、气、气压焊、爆炸、爆炸焊；以机械能以机械能为焊接能源：摩擦接能源：摩擦焊、冷、冷压焊、超声波、超声波焊、扩散散焊1）焊接热源）焊接热源 School of Materials Science & Engine
13、ering焊接焊接固相焊固相焊钎焊钎焊熔化焊熔化焊电弧焊电弧焊 化学能焊化学能焊高能束焊高能束焊 非熔化极非熔化极 熔化极熔化极 电阻焊电阻焊 冷压焊冷压焊摩擦焊摩擦焊 扩散焊扩散焊闪光焊闪光焊超声焊超声焊爆炸焊爆炸焊气电焊气电焊 焊条焊焊条焊埋弧焊埋弧焊药芯焊药芯焊 电渣焊电渣焊钨极氩弧焊钨极氩弧焊等离子弧焊等离子弧焊氧乙炔焊氧乙炔焊铝热剂焊铝热剂焊激光焊激光焊电子束焊电子束焊软钎焊软钎焊硬钎焊硬钎焊 School of Materials Science & Engineering根据能量的形式与保护方式，焊接方法分为：根据能量的形式与保护方式，焊接方法分为：1固相焊；固相焊；2热化学焊；
14、热化学焊；3电阻焊；电阻焊；4无保护电弧无保护电弧焊；焊；5焊剂保护电弧焊；焊剂保护电弧焊；6气保护电弧焊；气保护电弧焊；7辐射能辐射能焊焊熔焊熔焊2）焊接条件）焊接条件 School of Materials Science & Engineering3）接头类型）接头类型对接：丝对接、板对接、棒对接等对接：丝对接、板对接、棒对接等角接：丁字角接，十字角接等角接：丁字角接，十字角接等搭接：丝搭接、板搭接等搭接：丝搭接、板搭接等 School of Materials Science & Engineering平焊：平焊：立焊；立焊；仰焊：仰焊：4） 焊接位置焊接位置 对接：开坡口、不开坡口；
15、对接：开坡口、不开坡口；角接：内角、外角、搭接等。角接：内角、外角、搭接等。5） 接头型式接头型式 School of Materials Science & Engineering1,2,3,4: 对接焊缝，开坡口对接焊缝，开坡口5(5a,5b): 对接焊缝，不开坡对接焊缝，不开坡口口6,7,8,14: 内角焊缝内角焊缝9: 重力嵌缝重力嵌缝10,11: 外角焊缝外角焊缝12,13: 搭接焊缝搭接焊缝15: 塞焊焊缝塞焊焊缝1,5a,6,9,11,12: 平焊（或平焊（或下焊）下焊）2,5b,8,10,13: 仰焊仰焊3: 平平/立焊立焊4,7: 立向上焊立向上焊14: 立向下焊立向下焊 S
16、chool of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering焊接技术的命名顺序：焊接技术的命名顺序：1）保护的方式；）保护的方式；2）热源或能量源的种类；）热源或能量源的种类；3）接头类型。）接头类型。氩气保护钨极电弧焊、真空电子束焊、氩气保护钨极电弧焊、真空电子束焊、电阻点焊等电阻点焊等如：如：焊接方法名称通常可以简略说，如焊接方法名称通常可以简略说，如二氧化碳焊二氧化碳焊二氧化碳气体保护电弧焊；二氧化碳气
17、体保护电弧焊；手弧焊手弧焊手工药皮焊条电弧焊等。手工药皮焊条电弧焊等。 School of Materials Science & Engineering这些加工往往伴随焊接与连接；这些加工往往伴随焊接与连接；使用的设备相同或相似。使用的设备相同或相似。与焊接相近的加工技术，如堆焊、喷镀、热切割等。与焊接相近的加工技术，如堆焊、喷镀、热切割等。 School of Materials Science & Engineering焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从历史上说，它在历史上说，它在3000年以前就有记载年以前就有记载 ，但真正，但真正成为
18、一门重要的制造技术，是成为一门重要的制造技术，是最近百年的事。最近百年的事。1.3 1.3 焊接技术发展历程焊接技术发展历程 School of Materials Science & Engineering焊接技术的发展历程大致分成三个阶段：焊接技术的发展历程大致分成三个阶段：第一次工业革命第一次工业革命前，以炭火加热的锻焊、前，以炭火加热的锻焊、钎焊等为代表；钎焊等为代表；第一次工业革命到二次世界大战前，以手第一次工业革命到二次世界大战前，以手工电弧焊和电阻焊等为代表；工电弧焊和电阻焊等为代表；二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为代表。代表。 Schoo
19、l of Materials Science & Engineering古代锻焊制品古代锻焊制品花钢花钢 School of Materials Science & Engineering汽车车体电阻点焊装配生产线汽车车体电阻点焊装配生产线 School of Materials Science & Engineering1881 碳弧熔化焊（英国）1886 电阻焊（英国）1890 金属弧（英国）1908 电渣焊ESW；（俄罗斯美国乌克兰） 1909 等离子焊接PAW；（德国美国） 1920 钨极惰性气体保护电弧焊TIG，GMAW；（美国） 1930螺柱焊；（美国） 1930 熔化极惰性气体保
20、护电弧焊MIG；（美国） 1930埋弧焊SAW；（美国） 1953 活性气体保护电弧焊MAG，GMAW；（俄罗斯）1970激光焊接LBW；（英国） 1991 搅拌摩擦焊FSW （英国） 焊接技术方法的发明年代焊接技术方法的发明年代 School of Materials Science & Engineering电阻焊1856年，年，JamesJoule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。进行了熔化焊接。1886年，年，ElihuThomson制制造了首台焊接变压器，随后造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机。又发明了点焊机
21、、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机。1964年，年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。用汽车公司使用。目前仍广泛应用于汽车工业和对其它许多目前仍广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。金属片的焊接上。 School of Materials Science & Engineering电弧焊 1810年，年，HumphreyDavy在电路的两极造了一个稳定的电在电路的两极造了一个稳定的电弧弧电弧焊的基础。电弧焊的基础。1881年，年， NikolaiBenardos在碳极和工件间产生了电弧，金在碳极和工件间产生了电弧，金属棒或
22、金属丝可以送进这个电弧并熔化。属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。1890年，年， Benardos进一步完善了这一焊接法，用金属棒代进一步完善了这一焊接法，用金属棒代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金属。属。1907年，年，OscarKjellberg发明了涂层焊条，使焊缝质量显著发明了涂层焊条，使焊缝质量显著改善，电焊技术得到突破。改善，电焊技术得到突破。 School of Materials Science & Engineering一战期间，舰船等装备的需求刺激了一批廉价、快捷的焊接技术的发展；二战期间，航空业有色
23、金属（镁、铝）连接的需求刺激了新的焊接技术的产生。 School of Materials Science & Engineering1801年,HumphreyDavy在首批电弧实验中使用电池作为电源。Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。单是电池的总重量就达到2400kg。Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。OscarKjellberg使用110V直流电压电源，他让电流通过一个装满盐水的桶，从而把电流减小到适当的水平。1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。由三相异步电动机驱动，其特性适合焊接，重1000kg,电流250A。焊
24、接设备的发展焊接设备的发展 19世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。 School of Materials Science & Engineering直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接着很快出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于1970年。但是逆变器
25、在1977年以前没有普遍用于工业。1984年，伊萨推出140A“Caddy”牌逆变器，重量只有8kg。 School of Materials Science & Engineering早期焊机早期焊机现代焊机现代焊机 School of Materials Science & Engineering上世纪上世纪7070年代出现电弧焊机器人。年代出现电弧焊机器人。 School of Materials Science & Engineering焊接工艺的发展焊接工艺的发展F提高焊接效率：提高焊接效率：加拿大人加拿大人JohnChurch使用了快速送丝速度和混合使用了快速送丝速度和混合保护气体
26、，在使用同样的焊接设备下，熔化极惰性保护气体，在使用同样的焊接设备下，熔化极惰性气体保护电弧焊接速度提高一倍。气体保护电弧焊接速度提高一倍。在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法双丝焊或双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。双芯焊，实验证明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊最新高效焊接法是混合焊这种方法结合了两种这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊焊接不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊焊接速度极快，熔深大。速度极快，熔深大。 School of Materials Science & EngineeringF节约能源和材料：节约能源和材料：窄间隙焊接，焊既节省时间，又节省耗材，减少了窄间隙焊接，焊既节省时间，又节省耗材，减少了热影响区焊接的变形。热影响区焊接的变形。“太空焊接太空焊接”技术技术 ，电极端部开小孔，解决放电扩，电极端部开小孔，解决放电扩散的问题：比传统焊接方法省电散的问题：比传统焊接方法省电；减少；减少金属飞溅；金属飞溅； School of Materials Science & Engineering钢板的平焊对接钢板的平焊对接
