機械制造工程第七章節(jié)

第七章連接成型教學目的與要求:1.掌握連接成形的分類；2.了解機械連接成形的分類、特點、應用；3.了解焊接的基本原理。4.掌握常用焊接方法的工藝特點及應用條件。5.了解物理化學連接的基本原理和工藝。教學內容：重點、難點：1.連接成形的分類；2.機械連接成形的分類、特點、應用；3.焊接的基本原理。4.常用焊接方法的工藝裝備、特點及應用條件。5.物理化學連接的基本原理和工藝。重點：常用焊接方法的工藝特點及應用。難點：焊接的基本原理。本章主要閱讀文獻資料1、齊桂森主編.機械制造工程概論（修訂版）.北京：航空工業(yè)出版社，1997。2、沈其文主編.材料成形工藝基礎(第三版).武昌：華中科技大學出版社，2003。

3、盧秉恒主編.機械制造技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，1999

。4、袁績乾，李文貴主編.機械制造技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2001。概述

一、何謂連接成形？

材料通過機械、物理化學和冶金方式，由簡單型材或零件連接成復雜零件和機械部件的工藝過程稱為連接成形。二、連接成形的分類

1.機械連接成形（可拆卸連接）機械連接成形是指用螺釘、螺栓和鉚釘?shù)染o固件將分離型材或零件連接成一個復雜零件或部件的過程。2.物理化學連接成形（不可拆卸連接）物理化學連接是用粘膠或釬料通過毛細作用和分子間力作用或者相互擴散及化學反應作用，將兩個分離表面連接成不可拆卸接頭的過程。物理化學連接3.冶金連接成形（不可拆卸連接）冶金連接成形是通過加熱或加壓（或兩者并用）使兩個分離表面的原子達到晶格距離，并形成金屬鍵而獲得不可拆接頭的工藝過程。第一節(jié)

機械連接成形

一、機械連接的分類1、螺紋連接2、鉚釘連接3、銷釘連接4、扣環(huán)連接5、快動連接二、機械連接的特點及應用機械連接主要用于受力不大，沒有密封性要求，但要求可靠性高，可目檢性好和易于修理的機器零部件的連接，如各類輪與軸之間的連接、連桿與活塞的連接、凸輪與挺桿之間的連接等。1、特點優(yōu)點：強度易于保證，可靠性高，可目檢性好，并且易于現(xiàn)場修理。缺點：機械連接的是是接頭易產生松動，密封性差，安裝工藝復雜。2、應用第二節(jié)冶金連接（焊接）成形一、焊接的基本原理、分類、特點定義：用加熱、加壓（或兩者并用）等工藝措施，使兩分離表面產生原子間的結合與擴散作用，從而獲得不可拆卸接頭的材料成形方法。（一）焊接的定義及特點焊接成形的特點：1．接頭牢固、封性好。2．可化大為小、以小拼大。

3．可實現(xiàn)異種金屬的連接。4．重量輕、加工裝配簡單。5、焊接應力變形大，接頭易產生裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。（二）焊接成形的分類1．熔化焊：

2．壓力焊：電弧焊（手工電弧焊、氣體保護焊、埋弧自動焊）、電渣焊、電子束焊、激光焊、等離子弧焊等電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、爆炸焊、高頻焊、擴散焊等對于不同的材料，在一定的焊接條件下，采用一定的焊接方法，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度叫做材料的可焊性。

1、鋼的可焊性二、材料的可焊性焊接性的評價方法：工藝可焊性、使用可焊性C—影響最顯著—基本元素—折合成碳的相當含量對焊接性的影響其它元素C當量對鋼的可焊性的影響：C當量<0.4%C當量=0.4%~0.6%C當量>0.6%具有良好的焊接性焊接性較差焊接性差c、同等含碳量的合金鋼，由該合金鋼中合金元素的種類和含量來決定。結論：a、碳鋼，由含碳量來決定。b、同等含碳量，碳鋼由于合金鋼。2.有色金屬的可焊性（比鋼差）可焊性比鋼差的主要原因：

1）易氧化；

2）易吸氣；3）導熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)往往比較大；

采取措施：

采取氣體保護焊（氬弧焊）3.鑄鐵的可焊性（比鋼差）可焊性比鋼差的主要原因：

1）C當量大；

2）焊縫中容易產生白口組織；3）易產生裂紋；

應用條件：

1）鑄件的補焊；4）易產生氣孔。采取措施：熱焊

2）損壞鑄件的補焊。三、熔化焊

(一)何謂熔化焊？熔焊的基本原理是將填充材料（焊條或焊絲）和工件連接區(qū)的基體材料共同加熱到熔化狀，在連接處形成熔池，熔池中的液態(tài)金屬冷卻后形成牢固的焊接接頭，將兩個工件連接在一起。

局部熔化成液體，然后結晶成一體。熔焊的三個要素：1）合適的熱源；2）良好的熔池保護；3）焊縫填充金屬。(二)熔化焊的種類根據(jù)加熱方法的不同：熔焊又分為電弧焊、氣焊、電渣焊、電子束焊、激光焊和等離子弧焊等。(三)熔化焊的特點（和壓力焊、釬焊相比較）缺點：（3）容易產生焊接缺陷。防治措施：嚴格按焊接工藝；焊后熱處理。優(yōu)點：（1）連接強度高，承載能力大；（2）可焊各種熔點的金屬；應用：應用于受力大，熔點高的零件焊接。1.焊接熱循環(huán)焊接接頭焊縫區(qū)焊接熱影響區(qū)1）焊縫區(qū)熔池金屬冷卻結晶所形成的鑄態(tài)組織。2）焊接熱影響區(qū)2.焊接接頭金屬組織與性能的變化焊縫兩側的母材，由于焊接熱的作用，其組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。（四）焊接接頭的組織與性能焊縫的結晶①熔合區(qū)是焊縫和母材金屬的交界區(qū)。（0.1-1mm）加熱溫度：T液~T固強度、塑性、韌性極差，是裂紋和局部脆斷的發(fā)源地。②過熱區(qū)加熱溫度：T固~1100℃塑性和韌性很低，是裂紋的發(fā)源地。在熱影響區(qū)內具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。（1-3mm）③正火區(qū)加熱溫度：1100℃~AC3在熱影響區(qū)內相當于受到正火處理的區(qū)域。（1.2-4mm）力學性能優(yōu)于母材。④部分相變區(qū)在熱影響區(qū)內發(fā)生部分相變的區(qū)域。加熱溫度：AC3~AC1力學性能較母材稍差。力學性能最差的區(qū)域：熔合區(qū)和過熱區(qū)減小和消除焊接熱影響區(qū)的方法：①小電流、快速焊接；②采用先進的焊接方法；③焊前預熱、焊后熱處理（正火）（五）熔焊工藝方法

手工電弧焊是以有藥皮的焊芯為一個電極，以工件為一個電極，通過短路引燃電弧，在電弧的高溫作用下，藥皮產生大量的氣體和熔渣，以實現(xiàn)渣—氣聯(lián)合保護。（1）何謂手工電弧焊？1、手工電弧焊（2）手工電弧焊焊條焊絲的作用：a、引??；b、作為填充金屬焊藥的作用：穩(wěn)弧；產生保護性氣體使金屬熔滴、熔池與空氣隔絕；造渣保護焊縫；加入合金元素提高焊縫的機械性能。

焊條芯藥皮（1）何謂埋弧電弧焊？埋弧自動焊是由機械自動送進作為填充金屬的光焊絲，使電弧在較厚的焊劑層下燃燒的熔化焊，又稱為焊劑層下自動焊。2、埋弧自動焊焊接熱源：電弧熱溶池保護：焊劑（氣、渣）特點比較：1、投入費用：手工小于埋弧2、焊接質量：埋弧優(yōu)于手工3、焊接效率：埋弧高于手工4、靈活性：手工比埋弧靈活5、適用范圍：手工適用范圍大6、工人勞動條件：埋弧條件好7、焊絲的利用率：埋弧利用率高應用比較：1、生產批量：埋弧批量大；手工單件小批2、焊接（縫）位置：手工無限制；埋弧有限制。3、焊縫形狀尺寸：手工無限制；埋弧只適用于形狀規(guī)則的焊接，如只適用于焊接長的直線焊縫和較大直徑的環(huán)焊縫。手工電弧焊和埋弧自動焊的特點比較：3、氣體保護焊（1）何謂氣體保護焊？氣體保護焊全稱為氣體保護電弧焊，是指在焊接過程中，從特殊的焊炬或電極的噴嘴中噴出保護氣體，使電弧、熔池與周圍空氣隔開，使焊縫區(qū)得到保護，從而獲得優(yōu)質焊縫的焊接方法。根據(jù)電極特點來分：熔化極氣體保護焊非熔化極氣體保護焊（2）種類

根據(jù)所用保護氣體的不同分：1）以Ar作為保護氣體的氬弧焊2）以CO2作為保護氣體的二氧化碳氣體保護焊利用氬氣作為保護性介質的電弧焊方法。焊接熱源：電弧熱保護介質：ArAr①不與金屬發(fā)生化學反應—不產生夾渣缺陷②不溶解于液體金屬中—不產生氣孔缺陷③比重大于空氣（25%）1）氬弧焊C、氬弧焊的特點及應用①機械保護效果好，焊縫金屬純凈，焊縫成形美觀，焊接質量優(yōu)良。②電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小。③焊接熱影響區(qū)和變形小。④可進行全位置焊接。⑤氬氣昂貴，設備造價高。應用：適用于易氧化的有色金屬及合金鋼材料的焊接。如：鋁、鎂、鈦及其合金和耐熱鋼、不銹鋼等。適用所有金屬材料的焊接。以CO2氣體作為保護性介質的電弧焊方法。焊接熱源：電弧熱保護介質：CO2CO2①與金屬發(fā)生化學反應—產生夾渣缺陷②溶解于液體金屬中—產生CO

氣孔缺陷③比重大于空氣（25%）①氧化嚴重；②氣孔傾向大（CO）；③飛濺嚴重。A、存在問題2）CO2氣體保護焊①生產率高（是手弧焊的1~3倍）。②成本低（是手弧焊的40%）。③焊接熱影響區(qū)和變形小。④可進行全位置焊接。⑤飛濺嚴重，焊縫成形差。應用：適用于低碳鋼和強度級別不高的低合金結構鋼的焊接。目前廣泛用于造船、機車車輛、汽車制造、農業(yè)機械等。B、CO2氣體保護焊的特點及應用3）電渣焊4）等離子弧焊5）電子束焊6）激光焊四、壓力焊通過加壓、加熱或同時加熱加壓，使焊件產生塑性變形，并經再結晶和擴散作用，使兩部分金屬達到原子間的結合，實現(xiàn)連接的焊接方法。分類：冷壓焊和熱壓焊（一）定義（二）壓力焊工藝方法1、電阻焊2、摩擦焊3、擴散焊4、爆炸焊5、超聲波焊電阻焊是利用電阻熱為熱源，并在壓力下通過塑性變形和再結晶而實現(xiàn)焊接的壓力焊工藝。1、電阻焊（1）定義（2）原理點焊熔核形成示意圖

應用：4mm以下的沒有密封要求的薄板搭接。①點焊(3)電阻焊有三種工藝方法：點焊、縫焊和對焊。點焊原理示意圖②縫焊應用：3mm以下的薄板搭接。如：密封的容器（油箱、水箱等）、管道等?？p焊原理示意圖③

對焊主要用于直徑較小的管材、棒材、線材的對接。對焊是利用電阻熱將桿狀工件端面對接焊接的一種電阻焊方法。④電阻焊的特點優(yōu)點：A、效率高B、變形小D、勞動條件好缺點：C、節(jié)省材料E、一次投資大F、耗電量大G、用于板料焊接只能用于較薄的板材應用：多用于厚度較薄材料的搭接；各種直徑線材、管材、棒材的對接。2、摩擦焊摩擦焊是利用工件接觸面相對旋轉運動中相互摩擦所產生的熱使端部達到塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓力焊方法。（1）定義（2）原理摩擦焊示意圖

摩擦焊原理示意圖（3）特點優(yōu)點：①

接頭的品質好，廢品率低。②適合于焊接異種金屬，如：碳素結構鋼-高速鋼等。③焊件尺寸精度高。④生產率高，并可節(jié)省電能。⑤焊接變形小，接頭焊前不需特殊清理，接頭上的飛邊有時可以不必去除，焊接不需要填充材料和保護氣體，加工成本顯著降低。⑥操作技術簡單，工作場地衛(wèi)生，沒有火花、弧光，無有害氣體，有利于環(huán)境保護，適合于設置在自動生產線上，易實現(xiàn)機械化、自動化。缺點：①摩擦焊的一次投資較大；②非圓形截面工件焊接很困難，要求至少一端為圓型截面；③大截面工件的焊接不適合，目前摩擦焊工件截面不超過20000mm2；④不容易夾持的大型盤狀工件和薄壁管件，很難焊接，一些摩擦系數(shù)特別小的和易碎的材料，也很難進行摩擦焊。（4）應用適合于大批量集中生產，主要應用于汽車、拖拉機工業(yè)中批量大的桿狀零件、產品以及圓柄刀具。

擴散焊是將兩工件壓緊并置于真空或保護氣氛中加熱，使接觸面微觀凸凹不平處產生塑性變形而緊密接觸，經過較長時間的保溫和原子擴散而形成固態(tài)冶金連接。（1）定義3、擴散焊（2）原理擴散焊裝置示意圖

（3）特點①焊接溫度低；②可焊接結構復雜、精度要求高的焊件；③可焊接各種不同材料；④焊縫可與母材成分、性能相同，無熱影響區(qū)；⑤要求焊件表面十分平整和光潔。（4）應用擴散焊可用于高溫合金渦輪葉片、超聲速飛機中鈦合金構件的焊接，鈦-陶瓷靜電加速管的焊接，異種鋼的焊接，高溫合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金、復合材料、金屬與陶瓷等的焊接。

炸藥爆炸時產生的高壓、高溫及高速沖擊波作用在覆板上，使其與基板發(fā)生高速傾斜碰撞，在接觸處產生射流，從而清除表面的氧化物等雜質，并在高壓下形成固態(tài)接頭。（1）定義4、爆炸焊（2）原理爆炸焊的原理示意圖

爆炸焊的安裝方式示意圖

（3）特點①結合面為平坦界面

撞擊速度較低，結合面無熔化發(fā)生，接頭性能較差，在實際生產中并不多用。②結合面為波浪形界面

撞擊速度較高，結合面有熔化發(fā)生，接頭性能較好，應盡可能得到這種結合形式。③結合面為連續(xù)的熔化層界面

撞擊速度過高，結合面產生連續(xù)的熔化層，接頭性能也較差，應盡量避免得到這種結合形式。（4）應用爆炸焊主要用于鋁-鋼-銅、鈦-鋼、鋯-鈮等復合板和復合管的焊接。

利用超聲波的高頻振蕩能，通過磁致伸縮元件將超聲頻轉化為高頻振動，在上下振動極的作用下，兩焊件局部接觸處產生強烈的摩擦、升溫和變形，從而使氧化皮等污物得以破壞或分散，并使純凈金屬的原子充分靠近，形成冶金結合。（1）定義5、超聲波焊（2）原理超聲波焊原理示意圖（3）特點①接頭的力學性能好，且穩(wěn)定性高。②可焊的材料范圍廣，特別適合于高熔點、高導熱性和難熔金屬的焊接及異種材料的焊接。③可用于厚薄懸殊以及多層箔片的焊接等特殊情形。④工件表面清理簡單，電能消耗少。（4）應用主要用于微小薄件的（如2μm的金箔）焊接，微電子器件中集成電路引線的焊接，焊件變形小，也可用來焊接塑料。第三節(jié)物理化學連接一、物理化學連接的原理及分類

物理化學連接是一種在低于構件熔點的溫度下，采用液態(tài)填縫材料，充填接頭縫隙，通過毛細作用及表面化學反應，待填縫材料結晶或固化后，將兩個分離的表面連接成不可拆卸接頭的連接方法。釬接、封接、粘接按填縫材料的不同，物理化學連接可分為：1、原理：是將釬料熔化，利用液態(tài)釬料濕潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散，冷凝后實現(xiàn)連接的焊接方法。2、分類1)軟釬焊2)硬釬焊釬料的熔點在450℃以下。接頭強度低，一般為60~190MPa，工作溫度低于100℃釬料的熔點在450℃以上。接頭強度高，在200MPa以上，工作溫度較高。二、釬焊釬料的作用①連接②填充釬料的種類①軟釬料：②硬釬料：錫鋁合金（焊錫）鋁基、銅基、銀基、鎳基合金等。2.釬劑