1,材料成形技术基础,主讲：鲁中良 机械学院先进制造研究所,2012年10月,本课程的主要讲授内容： 一、焊接技术概述 二、焊接热过程 三、典型弧焊方法 四、常用金属材料焊接 五、焊接力学,焊接制造的战略地位 焊接制造的成就、意义 焊接技术的历史与发展 焊接技术的定义 焊接的分类、特点、应用,第一讲 焊接技术概述,机械制造中，焊接是最常用三种金属热加工成型方法之一，应用领域极其广泛。 例如：航空航天、汽车、轮船、桥梁、家用电器、电子元件等 2011年，我国钢产量接近7亿吨。而钢材必须经过加工才能成为功能件，其中，大约50%的钢材需要焊接成型 因此，发展我国制造业，尤其是装备制造业，必须高度重视焊接技术的同步提高,焊接制造的战略地位,焊接制造的主要成就,近几年来，我国焊接开发与应用方面创造多项世界第一。例如：长江三峡水利工程水轮机转轮（直径10.7m，高5.4m，重达440吨，需要消耗12吨焊丝）,为世界最大、最重不锈钢焊接转轮；电机定子座（直径22m，高6m，重832吨） ，是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。,三峡船闸的闸门,闸门宽20.2m, 高38.5m, 厚3m, 重867t,焊接制造的主要成就,芜湖长江大桥是一座公路/铁路两用桥，全长10km，主跨312m，是我国目前跨度最大的公/铁两用桥，采用50mm厚的14MnNb钢整体焊接箱型桁架。 世界第一拱桥上海卢浦大桥，全长3,900m，跨度550 m，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥，用3.4万吨厚度为30-100mm的细晶粒钢焊接而成。,焊接制造的主要成就,北京国家大剧院，其椭球形穹顶长轴212.2m, 高46.28m，焊接钢结构的总重量达6,475吨，为世界最大的穹顶。 2006年11月完成国家体育场工程为全焊接钢结构，总用钢量4.2万吨，焊缝总长度30万米，焊缝折算标准总长度280万米,焊接制造的主要成就,目前，中国成为世界上最大的造船国。2012上半年中国造船企业定单总吨位为502万吨，在全世界所占比例高达41.2%。造船工业中，焊接工作量占80%以上。, 焊接已成为关键的制造技术 焊接作为成形技术之一，通常被安排在制造流程后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用。 焊接已成为现代工业不可分离的组成部分 主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术。 例如：西气东输工程。 在工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。,焊接制造的重要意义,以西气东输工程项目为例，全长约4300公里的输气管道，焊接接头的数量竟达35万个以上，整个管道上焊缝的长度至少1万5千公里,焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，可以减轻自重，节约材料 焊接的密封性好，适于制造各类容器 焊接结构可以在不同部位采用不同材料，充分发挥各种材料的特长 在近代金属加工中，焊接结构的重量约占钢材产量的50% 焊接成为现代工业中不可缺少，而且日益重要的加工方法,焊接制造的重要意义（优点）,焊接制造的战略地位 焊接制造的主要成就 焊接技术的历史与发展 焊接技术的定义 焊接的分类、特点、应用,焊接技术伴随着人类历史而发展。在人类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶嵌、缝纫等连接技术 焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊,17,2019/10/3,5000年以前欧洲美索布达米亚时代器皿,焊接技术的历史与发展,中国商朝（公元前1600年1046年），铁刃铜钺（铁与铜的铸焊件）。春秋战国时期，曾侯乙墓中鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊而成 战国时期（公元前770公元前221年），刀剑：刀刃为钢，刀背为熟铁，经锻焊而成 据明朝宋应星所著天工开物一书记载：中国古代将铜和铁一起加热，经锻打制造刀、斧 中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器,考古发现，古代的焊接技术普遍采用钎焊 5500年前用锡钎焊银摆设 5000年前用锡钎焊铜钵的银把手 5000年前用银钎料钎焊管子 4000年前用金钎料钎焊护符盒 公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等（中国） 公元79年，被火山爆发埋没的庞贝城中，有用锡铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）,19,2019/10/3,（古埃及）,秦始皇陵的铜车马,秦始皇陵的铜车马驾驭手俑双手与袖管之间的连接，采用了插接、钎焊工艺,文献记载 汉（公元前202年-公元9年） 班固 撰汉书：胡桐泪盲似眼泪也，可以汗金银也，今工匠皆用之。（汗即焊） 宋（公元960年-1279年） 宋应星 撰天工开物：中华小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终不可坚。（小钎即钎焊，大钎为锻焊） 明（公元1368年1644年 ） 方以智 撰物理小识：焊药以硼砂合铜为之，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,21,焊接技术的历史与发展现代焊接技术,1801年：英国H.Davy发现电弧 1836年：Edmund Davy 发现乙炔气 1856年：英格兰物理学家James Joule 发现了电阻焊原理 1859年：Deville和Debray发明氢氧气焊 1881年：法国人 De Meritens 发明了最早期的碳弧焊机 1885年：美国人Elihu Thompson 获得电阻焊机的专利权 1885年：俄罗斯人 Benardos Olszewski 发展了碳弧焊接技术 1888年：俄罗斯人H.C 发明金属极电弧焊 1889-1890年：美国人C. L. Coffin首次使用光焊丝作电极进行了电弧焊接 1890年：英国人Brown 第一次使用氧加燃气切割进行了抢劫银行的尝试,1900年：英国人Strohmyer发明了薄皮涂料焊条 1904年：瑞典人奥斯卡.克杰尔贝格建立了世界上第一个电焊条厂 1909年：Schonherr 发明了等离子弧 1916年：安塞尔.先特约发明了焊接区X射线无损探伤法 大约1920年：使用电阻焊焊接钢管的生产方法（The Johnson Process）获得了专利 大约1920年：第一艘使用焊接方法制造的油轮Poughkeepsie Socony号在美国下水 1924年：Magnolia 气体公司使用氧乙炔焊接技术，建成了14英里 长的全焊结构的天然气管线,焊接技术的历史与发展现代焊接技术,1926年：美国Alexandre发明CO2气体保护焊原理 1930年：前苏联罗比诺夫发明埋弧焊 1931年：由焊接工艺制造全钢结构组成的帝国大厦建成 1955年：美国托姆.克拉浮德发明高频感应焊 1960年：美国Maiman发现激光，现激光已被广泛的应用在焊接领域 1962年：电子束焊接首先在超音速飞机和B-70轰炸机上正式使用 1990年左右：逆变技术得到了长足的发展，其结果使得焊接设备的重 量和尺寸大大的下降 1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊 1993年：使用机器人控制CO2激光器成功焊接了美国陆军 Abrams型主 战坦克,焊接技术的历史与发展现代焊接技术,一方面，研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，进一步提高焊接质量和安全可靠性。例如：摩擦焊、电子束焊、激光焊等 另一方面，提高焊接自动化水平，实现数字化控制。例如：焊接机器人,焊接制造技术的发展趋势,激光焊,电子束焊,等离子焊,焊接制造的战略地位 焊接制造的主要成就 焊接技术的历史与发展 焊接技术的定义 焊接的分类、特点、应用,28,焊接（Welding）：通过加热或加压或二者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件（同种或异种金属，也可以是非金属）产生原子的结合而形成永久性连接的工艺过程 物理本质：两个独立的工件实现原子间的结合。宏观上形成了永久性接头，微观上建立了组织上内在联系,（一）焊接定义,从金属学的观点来看，表现在两个被焊金属件连接处与焊缝金属形成了共同晶粒。（金属晶格距离：0.30.5nm）,焊接技术的定义,29,每种金属实现焊接所必须的温度与压力之间存在一定的关系,实现焊接的基本条件:外界提供相应的能量 1、加热（提供金属熔化、原子扩散的能量） 2、加压（减少原子扩散的距离） 3、既加热又加压,焊接的分类、特点、应用,30,（1）熔焊 (Fusion Welding) 将焊接接头局部加热至熔化状态，形成熔池，熔池中发生冶金反应，冷却结晶形成焊缝 （2）压焊 (Pressure Welding) 利用加压、摩擦、扩散等物理作用克服连接表面的不平度，挤除氧化膜等污物，使连接面上的原子相互接近到晶格距离，通过再结晶过程中晶界的迁移、原子的扩散，在固态条件下实现连接 （3）钎焊 (Brazing, Soldering) 采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，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现连接焊件的方法,焊接的分类、特点、应用,三类焊接技术特征对比,33,2019/10/3,焊接的分类、特点、应用,34,电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等） 化学热：可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊） 电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊） 摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊） 电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使动能转换为热能（电子束焊） 激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）,焊接的热源种类,35,焊接热源的特点,36,特点及应用 （1）操作简单，适应能力强，各种钢材，各种零件、模具，各种角度，如平焊、立焊，甚至仰焊，各种介质，如水下焊接 （2）工艺灵活，可以分段焊接，跳焊，对称焊，便于消除焊接应力；可以点焊、缝焊、堆焊 （3）电弧温度高，可达8000，焊接速度快 （4）电流可达几百安培，电压仅几十伏特,焊接热源及焊接方法实例一 Arc Welding (电弧焊),定义：利用电弧作为 热源的焊接方法,37,手工电弧焊（SMAW）,SMAW：Shielded Metal Arc Welding Also know as : Manual Metal Arc Welding, Stick Welding,即利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法,1. 优点 （1）设备简单，应用广泛； （2）操作灵活方便； （3）能进行全位置焊接； （4）焊缝的力学性能好。,2. 缺点 （1）生产效率低、劳动强度大。 适用范围：可应用于钢板0.5150的各类接头和堆焊，铝、铜及其合金板厚1的对接焊，铸铁补焊，模具补焊、硬质合金的堆焊等 。,手工电弧焊特点及应用,截齿硬质合金堆焊,39,Submerged Arc Welding (埋弧焊, SAW),定义：电弧在颗粒状焊剂层下燃烧，焊丝、焊剂和焊件局部熔化，形成熔池，电弧和熔池被熔渣包围和保护，没有电弧辐射，熔池发生冶金反应，冷却形成焊缝,1.优点 （1）生产率高，适合大型结构焊接 （2）自动化程度高，焊接质量高 （3）无金属飞溅、弧光，烟尘很少 （4）劳动条件好,2.缺点 （1）无法进行立焊、横焊或仰焊 （2）灵活性差，只适用于焊接较长或圆周焊缝，无法焊接不规则的焊缝 （3）无法焊接1mm以下的薄板,埋弧焊特点及应用,41,Metal Inert Gas Welding 熔化极惰性气体保护焊，MIG焊,定义：连续送丝与焊件之间的电弧为热源，形成熔池，以惰性气体保护熔池的弧焊方法,42,MIG特点 （1）可以焊接各种金属，尤其铝、铜和不锈钢 （2）可以使用大电流，生产率高，熔深较大，可以焊接厚板 （3）焊接铝合金等有色金属，焊丝熔滴过渡均匀、稳定，阴极雾化作用，熔池表面杂质被去除，焊缝成形均匀、美