第6章材料连接技术.ppt

第六章 材料连接技术 金属、陶瓷和塑料等材质的构件以一定的方式组合成一个整体，需要用到连接技术(Joining Technology)。 本章主要讨论在工业中非常重要的焊接技术，特别是广泛应用的熔化焊技术，此外也简要介绍铆接和胶接等永久性连接技术的原理和工艺。 第一节 焊接理论 焊接的定义可以概括为：同种或异种材质的工件，通过加热或加压或二者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺称为焊接(Welding)。 典型焊条电弧焊的焊接过程如图6-1所示。 一、焊接热过程及焊接热源 1. 焊接热过程的特点 焊接热过程包括焊件的加热、焊件中的热传递及冷却三个阶段。焊接热过程具有如下特点： (1) 加热的局部性。 (2)焊接热源是移动的。 (3)具有极高的加热速度和冷却速度。 2. 焊接热源 现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是： (1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。高能量密度和高温可以使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速焊接，提高生产率。 (2) 热源性能稳定，易于调节和控制。热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。 (3) 高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。 主要焊接热源有电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束和激光束等等，见表6-1。 3. 焊接温度场 温度场指的是一个温度分布的空间焊接温度场可以用等温线或等温面来表示，如图6-2。 4. 焊接热循环 母材上某一点所经受的这种升温和降温过程叫做焊接热循环(Weld Thermal Cycle)。 焊接热循环可以用图6-3所示的温度-时间曲线来表示。 二、焊接化学冶金 熔化焊时，伴随着母材被加热熔化，在液态金属的周围充满了大量的气体，有时表面上还覆盖着熔渣。这些气体及熔渣在焊接的高温条件下与液态金属不断地进行着一系列复杂的物理化学反应，这种焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。该过程对焊缝金属的成分、性能、焊接质量以及焊接工艺性能都有很大的影响。 1. 焊接化学冶金反应区 焊接化学冶金反应从焊接材料(焊条或焊丝)被加热、熔化开始，经熔滴过渡，最后到达熔池，该过程是分区域(或阶段)连续进行的。以焊条电弧焊为例，可划分为三个冶金反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区(见图6-4) 。 （1）药皮反应区 焊条药皮被加热时，固态下其组成物之间也会发生物理化学反应。 （2）熔滴反应区 熔滴反应区包括熔滴形成、长大到过渡至熔池中的整个阶段。 （3）熔池反应区 熔滴金属和熔渣以很高的速度落入熔池，并与熔化后的母材金属相混合或接触，同时各相间的物理化学反应继续进行，直至金属凝固，形成焊缝。 2. 气相对焊缝金属的影响 3. 熔渣及其对金属的作用 熔渣在焊接过程中的作用有保护熔池、改善工艺性能和冶金处理等三个方面。 三、焊接接头的金属组织和性能 1. 焊缝的组织和性能 焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的，由于结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成的晶粒是柱状晶，柱状晶粒的生长方向与最大冷却方向相反，垂直于熔池底壁。焊缝金属的力学性能可高于基体金属 。 2. 热影响区的组织和性能 在电弧热的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。图6-5为低碳钢焊接时热影响区组织变化示意图。按组织变化特征，其热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。 3. 改善焊接接头组织性能的方法 四、焊接过程模拟 （1）焊接热过程的数值模拟 （2）焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟 （3）焊接应力和应变发展过程的数值模拟 （4）非均质焊接接头的数值模拟 （5）焊接熔池形状和尺寸的数值模拟 （6）焊接过程的物理模拟 第二节 常用连接工艺 工业上使用的焊接和连接方法有几十种，如图6-6所示。 一、熔化焊 在液态下进行焊接时，母材接头被加热到熔化温度以上，它们在液态下相互融合，冷却时便凝固在一起，这就是熔化焊接(Fusion Welding)。 1. 埋弧自动焊 埋弧自动焊(Submerged Arc Automatic Welding)是电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。 埋弧自动焊的焊接过程如图6-7和图6-8所示。 埋弧自动焊与焊条电弧焊相比具有生产率高、焊接质量高而且稳定、节省金属材料、劳动条件好等优点，但是埋弧自动焊的灵活性