材料連接原理與工藝-緒論

1、 School of Materials Science & Engineering材料連接原理與工藝趙興科Email:Tell: 62334859 School of Materials Science & Engineering先修課程：先修課程： 熱學(xué)基礎(chǔ)熱學(xué)基礎(chǔ) 物理化學(xué)物理化學(xué) 金屬材料及熱處理金屬材料及熱處理 電工學(xué)電工學(xué) School of Materials Science & Engineering緒論緒論0.1 材料連接及其發(fā)展材料連接及其發(fā)展0.2 材料連接的基本原理材料連接的基本原理0.3 本課程的性質(zhì)與任務(wù)本課程的性質(zhì)與任務(wù) School of

2、 Materials Science & Engineering0.1 材料連接及其發(fā)展材料連接及其發(fā)展制造技術(shù)是人類制造財富的基本手段，也是生產(chǎn)力的核心內(nèi)容。制造技術(shù)的三大基本功能：成形、連接、表面改性。材料連接是材料加工方法、產(chǎn)品制造技術(shù)。材料連接是材料加工方法、產(chǎn)品制造技術(shù)。0.1.1 材料連接的內(nèi)涵材料連接的內(nèi)涵 School of Materials Science & Engineering成形是將原材料（或坯料）在一定的條件下加工成零件，保證其形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量達到設(shè)計要求。冷加工（機械加工）冷加工（機械加工）：車、銑、刨、磨；熱加工：熱加工：鑄造、鍛壓、焊

3、接（材料連接）焊接是將兩種或兩種以上材質(zhì)(同種或異種)，通過加熱或加壓或兩者并用，使其形成可靠連接，實現(xiàn)物理量的傳遞。表面改性是改變零件或產(chǎn)品表面化學(xué)成分或微觀組織，提高其使用性能。涂飾：噴漆、電鍍、熱浸鍍、釬涂化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、滲硼、滲金屬熱噴涂：火焰噴涂、等離子噴涂、堆焊、表面工程是焊接衍生的一個重要的分支。 School of Materials Science & Engineering焊接（材料連接）是一項應(yīng)用技術(shù)，也是一門涉及多學(xué)科融合的科學(xué)。焊接學(xué)是在物理、化學(xué)、物理化學(xué)、力學(xué)、冶金學(xué)、機械、電子學(xué)、計算機控制等的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。焊接學(xué)主要三部分構(gòu)成：焊接方法學(xué)、

4、焊接方法學(xué)、焊接材料學(xué)和焊接結(jié)構(gòu)學(xué)。 School of Materials Science & Engineering西方工業(yè)國家，鋼產(chǎn)量的西方工業(yè)國家，鋼產(chǎn)量的5060%需要焊接。需要焊接。焊接是材料連接的最重要的方法焊接是材料連接的最重要的方法 特點突出：特點突出：應(yīng)用面廣：應(yīng)用面廣：工業(yè)化程度：工業(yè)化程度：高性能（可達到與母材等強度、等塑性、等韌性，尤高性能（可達到與母材等強度、等塑性、等韌性，尤其是動載性能）；其是動載性能）；高可靠（永久連接）；高可靠（永久連接）；高適應(yīng)性（在各種環(huán)境下能焊接各種復(fù)雜構(gòu)件）高適應(yīng)性（在各種環(huán)境下能焊接各種復(fù)雜構(gòu)件）高效率（適應(yīng)大工業(yè)批生產(chǎn)）。

5、高效率（適應(yīng)大工業(yè)批生產(chǎn)）。機械制造、石油化工、造船、車輛、機械制造、石油化工、造船、車輛、 航天航空、冶航天航空、冶金、家用電器、儀器儀表、軍工武器設(shè)備，以及金、家用電器、儀器儀表、軍工武器設(shè)備，以及IT工工業(yè)、業(yè)、醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)等。等。 School of Materials Science & Engineering水輪機轉(zhuǎn)輪直徑10.7m，高5.4m，重達440噸，為世界最大、最重的不銹鋼焊接轉(zhuǎn)輪，每個轉(zhuǎn)輪消耗12噸焊絲。世界最大的三峽水輪機轉(zhuǎn)輪 （左圖13 葉片轉(zhuǎn)輪；右圖：15葉片轉(zhuǎn)輪） 0.1.2 材料連接的應(yīng)用材料連接的應(yīng)用 School of Materials Scienc

6、e & Engineering電機定子座直徑22m，高6m，重832噸，是在我國焊接的最大鋼結(jié)構(gòu)機座；蝸殼進水口直徑12.4m，總重量750噸，為世界最大、最重的焊接蝸殼；三峽水電站電機定子吊裝入機坑 三峽水電站焊接中的蝸殼 School of Materials Science & Engineering蕪湖長江大橋：全長10km，主跨312m，是我國目前跨度最大的公/鐵兩用橋；國家大劇院：穹頂長軸212.2m, 短軸143.64m,高46.28m，焊接鋼結(jié)構(gòu)重6475噸；上海盧浦大橋：全長3900 m，跨度550 m，為世界跨度最大的全焊鋼結(jié)構(gòu)拱橋；蕪湖長江大橋（公/鐵兩用

7、橋） “世界第一穹頂”北京國家大劇院 （設(shè)計效果圖） School of Materials Science & Engineering造船總噸位：1985年的每年50萬噸，提高到2002年的463萬噸。大型30萬噸原油船 半冷半壓式液化氣船 長333m，寬58m，我國最大載重量的原油船 長194.98m，寬23.10m，載重17900噸 School of Materials Science & Engineering千噸級熱壁加氫反應(yīng)器 600MW電站鍋爐汽包總重量達千噸級、壁厚280mm 汽包長30m，壁厚203mm，重250噸 School of Materials S

8、cience & Engineering大型空間環(huán)境模擬艙KM6 “神舟”4 號飛船返回地面 School of Materials Science & Engineering中國制造的大型飛機要在中國制造的大型飛機要在2014年首飛年首飛大飛機項目在今后三到五年要投入大飛機項目在今后三到五年要投入600億元億元總體上將達到總體上將達到2000億元。億元。 School of Materials Science & Engineering新方法：新能源、精密控制、智能化等。新結(jié)構(gòu)：飛船返回艙、超臨界壓力容器等。新材料：新型鋼、金屬間化合物、復(fù)合材料、陶瓷等。0.1.3

9、材料連接的發(fā)展材料連接的發(fā)展 School of Materials Science & Engineering 高效 高能 精密 低溫 復(fù)合 自動化 智能化 特種環(huán)境 School of Materials Science & Engineering汽車零件汽車零件汽車制造汽車制造工程機械工程機械摩摩托托車車鐵鐵路路 其其 它它鍋爐鍋爐焊接機器人的行業(yè)分布焊接機器人85分布在交通行業(yè)（汽車、鐵路、摩托車），其他行業(yè)少。90以上的焊接機器人來自外國。 School of Materials Science & Engineering焊接機器人生產(chǎn)線 School of

10、Materials Science & Engineering各種類型的焊接機器人 School of Materials Science & Engineering 塑性狀態(tài)下焊接、溫度低、輸入量少； 變形小 ； 組織細密，缺陷少 1990年英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊，適合輕金屬的焊接。如：鋁合金、鎂合金、鈦合金 。1991年開始在航空、航天、造船中應(yīng)用。攪拌摩擦焊原理圖 School of Materials Science & Engineering攪拌摩擦焊地鐵車體攪拌摩擦焊地鐵車體 School of Materials Science & Eng

11、ineeringESAB公司生產(chǎn)的攪拌摩擦焊接機 School of Materials Science & Engineering高能束焊是利用高能密度的束流，如電子束、激光束作為焊接熱源的焊接方法。它的功率密度比通常的電弧功率密度高一個數(shù)量級以上，即高于5X105 W/cm2。 School of Materials Science & Engineering水下焊接水下焊接太空焊接太空焊接 School of Materials Science & Engineering遙控焊接機器人遙控切割機器人 School of Materials Science &

12、; Engineering電子封裝與微連接電子封裝與微連接 School of Materials Science & Engineering從理論上來說，兩塊分離的材料，如果我們把它需要連接的面，把它靠在一起，如果把這個靠在一起的面，足夠緊密，就是把這兩個分離的表面，它的距離能夠接近到一個原子的距離，0.4-0.5個納米，這種情況下，這個材料按照它的物理本性，就能連接在一起。0.2 材料連接的基本原理材料連接的基本原理0.2.1 材料連接的機理材料連接的機理 School of Materials Science & Engineering焊接的物理化學(xué)過程焊接的物理化學(xué)過程

13、實際上常溫下做不到：表面凹凸不平、氧化膜、有水、油等雜質(zhì)，氧化膜和附加層極大的阻礙材料的連接。采用施加外部能量的方法，促使分離材料的原子接近、形成原子鍵結(jié)合，同時去除一切阻礙原子鍵結(jié)合的一切表面膜和吸附層，以形成一個優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。 School of Materials Science & Engineering焊接接頭的機理焊接接頭的機理u 熔化、凝固u 塑性變形、再結(jié)晶 外部的熱源把材料和填充熔劑熔化，在熔池產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，去除它的一切雜質(zhì)和氧化膜附加層，然后再結(jié)晶，相變，最后形成一個鍵結(jié)合。加壓使這個材料產(chǎn)生塑性變形，擠出里邊的結(jié)合面的雜質(zhì)實現(xiàn)緊密連接，經(jīng)過擴散和相變形成一個

14、塑性變形為主的連接接頭接頭接頭。 School of Materials Science & Engineeringu 擴散、再結(jié)晶 u 熔化、界面反應(yīng) 加壓材料緊密接觸，然后加熱到高溫，加熱到多少溫度，視不同的材料而定，經(jīng)過長時間的擴散，原子間相互滲透最后形成鍵連接，這是擴散連接的機理加熱使較低熔點材料（釬料）熔化后填充到待連接工件之間的間隙中， 隨后冷卻凝固形成連接。 School of Materials Science & Engineering電弧焊焊條電弧焊埋弧自動焊（單絲、雙絲、多絲）芯心焊絲電弧焊鎢極氬氣保護焊鎢極氦氣保護焊熔化極惰性氣體保護焊熔化極活性氣體保護

15、焊高速雙絲氣體保護焊等離子弧焊等離子弧切割等離子噴涂等離子堆焊水下電弧焊接水下電弧切割水下等離子焊接水下等離子切割螺柱焊炭弧氣刨炭弧水氣刨全位置焊高能束焊點焊縫焊對焊凸焊閃光焊釬焊火焰釬焊浸漬釬焊電阻釬焊感應(yīng)釬焊爐中釬焊氣相釬焊反應(yīng)釬焊擴散釬焊熱脈沖劈刀釬焊高能束焊點焊縫焊對焊凸焊閃光焊電弧焊焊條電弧焊埋弧自動焊（單絲、雙絲、多絲）藥芯焊絲電弧焊鎢極氬氣保護焊鎢極氦氣保護焊熔化極惰性氣體保護焊熔化極活性氣體保護焊高速雙絲氣體保護焊等離子弧焊等離子弧切割等離子弧噴涂等離子弧堆焊水下電弧焊接水下電弧切割水下等離子焊接水下等離子切割螺柱焊碳弧氣刨碳弧水氣刨電阻焊點焊縫焊對焊凸焊閃光焊釬焊火焰釬焊浸漬

16、釬焊電阻釬焊感應(yīng)釬焊爐中釬焊氣相釬焊反應(yīng)釬焊擴散釬焊熱脈沖劈刀釬焊高能束焊電子束焊激光束焊激光束切割激光釬焊激光電弧復(fù)合焊上個世紀(jì)以來，人類創(chuàng)造了許多焊接新方法，廣泛應(yīng)用的有5大類，近100種焊接（切割）方法。0.2.2 材料連接的分類材料連接的分類 School of Materials Science & Engineering摩擦焊摩擦方位焊攪拌摩擦焊超聲波焊點焊環(huán)焊縫焊線焊真空擴散焊超塑成形真空擴散焊熱等靜壓真空擴散焊熱噴涂焊火焰噴涂焊電弧噴涂焊等離子噴涂焊特種熱源噴涂焊超音速噴涂焊堆焊火焰堆焊焊條堆焊埋弧堆焊氣體保護電弧堆焊鎢極氬弧堆焊等離子弧堆焊電渣堆焊激光堆焊摩擦堆焊/堆焊微電子焊波峰焊再流焊金絲球焊此外電渣焊電渣壓力焊高頻焊氣焊氣割高壓水切焊氣壓焊熱劑焊變形焊冷壓焊熱壓焊真空變形焊摩擦焊摩擦方位焊攪拌摩擦焊超聲波焊點焊環(huán)焊縫焊線焊擴散焊超塑成形擴散焊熱等靜壓擴散焊相變超塑性擴散焊瞬間液相擴散焊熱噴涂焊火焰噴涂