上课时间：第二周-第三周 学时数：3个学时 重点：
1. 材料连接技术的分类 2. 材料连接技术的物理本质 3. 焊接技术的分类 难点：
1. 连接的物理本质 2. 焊接的热过程
1. 材料连接技术的定义
材料连接技术是一门用于工程实际的技术，其定义具有较强的描述性。定义如下：材料连接技术是通过机械、物理、化学和冶金方式，将材料由简单型材或零件连接成复杂构件和机器部件的工艺过程。
2. 材料连接技术的种类
目前，常用的材料连接技术主要分为三类，分别为： 机械连接技术（英文名称为：Mechanical joining） 胶接技术（英文名称为：Adhesive bonding）
冶金成形连接技术，也称为焊接（英文名称为：Welding）。 2.1 机械连接技术
机械连接技术指的是采用螺钉、螺栓和铆钉等紧固件将两个分离的型材或零件连接成一个复杂零件或部件的过程。其特点为接头的制造过程相对简单，一般可拆卸或半可拆卸；但是由于连接过程中引入了紧固件，且接头一般采用搭接接头，机械连接具有接头比较笨重，消耗材料较多等缺点。机械连接技术一般用于机架与机器的连接，易损件的连接等场合。
2.2 胶接技术
胶接技术指的是通过胶粘剂的毛细作用、分子间相互作用力或相互扩散及化学反应，将两个分离表面连接成不可拆卸接头的过程。其特点为连接过程中胶粘剂为液体，多为有机物，用于连接固体材料，具有生产成本较低，外观成形好等优点。但是由于胶粘剂多为有机物，强度较低，耐热性能较差，因此胶接接头存在着强度低、使用温度不高、容易被腐蚀等缺点。胶接技术一般用于异种材料的
连接，非金属材料的连接等。
2.3 焊接技术
焊接技术指的是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。其特点为焊接形成的接头牢固可靠，强度高，不可拆卸，在工程实际中应用最为广泛。但是，由于焊接过程大多采用加热的手段进行，加热温度高，加工过程较为复杂；在加热过程中，被连接材料发生了较为复杂的冶金过程，容易导致结构、材料的不均匀性，且容易产生缺陷。焊接方法广泛的应用于大多数金属材料的连接。
3. 材料连接的本质
分离的材料之所以可以形成连接，其根本原因就是在分离的界面处形成了相互“作用力”。
机械连接接头的“作用力”就是紧固件（如螺钉、螺栓、铆钉等）在材料的分离界面处对被连接材料形成的相互拘束：即当被连接材料在连接界面处发生脱离时，紧固件对材料形成了机械作用力，使得被连接材料固定在某一位置上。因此，机械连接的“作用力”就是机械力。
胶接接头的“作用力”是胶粘剂通过毛细作用，进入到被连接材料的表面缝隙中，与被连接材料表面形成分子间相互作用力（范德华力）。因此，胶接接头的“作用力”是分子间作用力。
焊接接头是冶金结合，主要用于金属材料的连接。其在接头处重新形成了金属晶体，因此焊接接头形成的”作用力”为金属晶体原子内部之间的相互作用力，即金属键。焊接接头的形成过程可以视为“金属键的重新形成过程”。
4. 焊接技术的分类
根据连接过程的不同，焊接技术可以分为以下四类： 熔化焊接（英文名称为：Fusion welding） 压力焊接（英文名称为：Pressure welding）
钎焊（英文名称为：Brazing（对应于硬钎焊）或者Soldering（软钎焊）） 扩散连接（英文名称为：Diffusion welding） 4.1 熔化焊接
根据纯铁焊接时所需的温度和压力之间的关系，可将温度-压力构成的平面分成4个部分，如图1所示。其中，区域IV不能形成连接接头，区域I、II和III可以形成连接接头。区域I的压力较大，温度较低，为高压焊接区；区域II的温度和压力都适中，两者之间存在一定的关系，为电阻焊接区；区域III的温度较
高，在纯铁的熔点以上，此时，不需要外界压力，也可以形成连接接头，为熔化焊接区。
由此，根据图1，可将焊接过程中施加压力和温度的不同区间将焊接方法分为两大类，即为熔化焊接和压力焊接。其中，熔化焊接是液相焊接，即将材料加热至熔化，利用液相的相容而实现原子间结合。在连接过程中，值得注意的是，熔化的液相物质由被连接材料（母材）和填充材料共同构成。材料的熔化主要通过加热的手段来实现。
熔化焊接根据加热热源和保护气氛的不同，还可以分为很多种方法，如手工电弧焊、埋弧自动焊、气焊等。在熔化焊接过程中，为了形成良好的接头，一般在连接过程中主要考虑控制以下三个因素：加热热源、熔池保护条件和填充金属。
4.2 压力焊接
与熔化焊接相对应，压力焊接是在加热和加压的共同作用下形成连接的。压力焊接过程中，连接温度一般低于母材的熔点，在连接过程中，母材一般不发生熔化。因此压力焊接是在材料的固相状态下形成连接的，是一种固相连接方式。
外界施加的压力是形成连接接头的主要动力，在连接过程中，母材在温度和压力的共同作用下经历了加压－塑性变形－扩散、再结晶－形成接头的过程。在压力焊接中，为了提高连接的效率，往往采用辅助加热的手段进行，因此，压力焊接过程中，一般施加的压力较大，生产效率较高。如电阻点焊方法形成连接接头的时间一般为0.1-0.2s，广泛的应用于汽车制造的生产线上。
根据辅助加热手段的不同，压力焊接还可以分为许多种实际的连接方法，如电阻焊（采用电阻热辅助加热）、摩擦焊（采用摩擦产热辅助加热）、爆炸焊等。
4.3 钎焊
钎焊是一种固-液连接方法。钎焊的定义为选用比母材熔点低的填充材料（钎料），在高于钎料熔点、低于母材熔点的温度下，借助熔化的钎料填充母材间隙，通过钎料与母材的相互作用，凝固后形成牢固接头。由此，所谓固-液连接方式指的是，在钎焊连接过程中，液相物质为填充材料（称为钎料），而母材保持固相状态。钎料为金属材料，且与母材的成分不同，钎料在熔化状态下与母材发生了冶金反应，形成牢固接头。
由于钎焊是固-液连接，涉及到了液体与固体之间的相互作用，因此在讨论钎焊问题时，液体与固体之间的润湿是非常重要的。润湿和毛细作用的概念详见物理化学课程。
钎料的熔化主要是通过加热的手段来实现，根据加热热源的不同，还可以将钎焊分为许多种具体的工艺方法，如火焰钎焊、炉中钎焊、感应钎焊等。
4.4 扩散连接
扩散连接也是一种固相连接方式，在连接过程中，母材保持固体状态，主要通过母材在高温下的扩散作用在连接界面处形成连接接头。由于材料的扩散过程在连接过程中起到了主导作用，而扩散过程一般为温度和时间的函数，因此，扩散连接具有温度高、压力小、时间长的特点。一般认为，扩散连接是压力焊的一个分支，主要用于连接熔点高、塑形较差的材料，如陶瓷材料、复合材料、金属间化合物等，且由于连接效率较低，一般由于单件或小批量生产。
扩散连接由于连接温度高，时间长，为了避免材料的氧化，一般要求在真空环境或者保护气氛下进行。例如，真空扩散焊是一种比较典型的扩散连接方法。
课堂讨论：
1. 熔化焊接与压力焊接在形成连接方面有什么差别？ 2. 钎焊与熔化焊接相比，有什么优缺点？ 3. 钎焊与胶接相比有什么区别？
4. 扩散连接与压力焊接相比，有什么异同点？
5. 焊接技术的发展历程
焊接是一门古老而又与现代工业发展紧密结合的材料加工方法。早在几千年前，人类就开始使用钎焊和锻焊方法来连接金属材料，在西安出土的秦始皇兵马俑中，就发现了采用钎焊方法连接铜马车的文物。然而，由于获得优质的金属连接接头需要高效热源，而传统化学燃料（如煤炭）燃烧所形成的热量不够集中，温度较低，不能快速的熔化金属材料，因此，焊接技术在古代的发展非常缓慢。
进入第二次工业革命以来，由于电能的出现，人们开始采用电弧作为热源，加热金属熔化，进行连接金属材料，出现了电弧焊。由此，焊接技术进入了一个较为快速的发展期。
1885年，开始出现碳弧焊，电弧开始作为焊接热源使用。 1892年，发现了金属极电弧，电弧焊开始用于工业生产。 20世纪初，相继发明了薄药皮焊条和厚药皮焊条，保护高温下的金
属不被氧化，接头质量开始得到提高。
1935年，发明了埋弧焊，焊接开始向机械化方向发展。
20世纪40年代初，惰性气体保护电弧焊开始在生产中大量应用，
接头质量得到了进一步提高。
1953年出现了CO2气体保护焊，在保证接头质量的前提下，大大提
高生产效率。
1957年出现了等离子弧焊接，可以实现精细焊接。
除了电弧可以作为热源外，人们在生产中还发现了其他加热手段，也可以用于连接金属材料。
1886年，出现了电阻焊。 1901年，出现了氧乙炔气焊。
20世纪30年代开始，电阻焊被大量应用，汽车制造业开始得到了
迅速发展。
1956年，出现了电子束焊接。
1957年，出现了以摩擦热作为热源的摩擦焊。 1965年，开始出现激光焊接方法。 20世纪90年代初，发明了搅拌摩擦焊。
焊接技术是一门常用的材料加工技术，现代焊接技术正朝着以下几个方向发展，包括：
新型材料的连接
传统工艺的改进和新型工艺方法的开发 太空、水下等特殊环境下的连接
复杂产品、构件的精密连接
焊接产品的可靠性、安全性检测与寿命评估 自动化与智能控制 绿色连接技术。
6. 焊接技术的基础知识
6.1 焊接涉及的物理过程
金属材料的焊接过程较为复杂，其主要涉及的物理过程包括热过程、力学过程、冶金过程和其他能量向热能转变的过程。其中，冶金过程是决定金属材料最终显微组织状态及其性能的关键，其地位最为重要。冶金过程包括液态金属的冶金过程和金属在固态下的显微组织的演变过程。
对金属冶金过程影响最大的是材料中的温度变化历程，金属的液态冶金过程和固态相变过程都是和温度变化历程密切相关的，因此，焊接技术的基础是焊接制造中的热过程，它是焊接制造中最为基本的知识，其主要包括热量在材料中的传递过程、材料中的温度变化历程等。
6.2 焊接中的热过程 6.2.1 焊接热源
良好的焊接热源是加热金属材料，使其熔化，并形成优质连接接头的必要条件。在传统的熔化焊接方法中，常见的焊接热源有电弧、电阻热、化学燃料燃烧热等，对应的焊接方法为电弧焊、电渣焊和气焊。而新型熔化焊接方法中，采用的焊接热源包括等离子体、高速运动的电子、激光等，对应的焊接方法分别为等离子弧焊、电子束焊和激光焊。
对于不同的焊接热源，为了考虑其适用范围，比较其适用程度，通常抽取其关键参数进行描述。焊接热源的参数一般包括最大功率密度、最小加热面积和最高温度，常见焊接方法的焊接热源参数如表1所示。
表1 常见焊接热源的特性 热源 乙炔火焰 电弧 TIG电弧 埋弧焊 电渣焊 等离子弧 电子束 最小加热面积(m2) 10-6 10-7 10-7 10-7 10-6 10-9 10-11 最大功率密度（kW/cm2) 2×104 105 1.5×105 2×105 105 1.5×106 108~10 10温度（K） 3473 6000 8000 6400 2300 18000 激光束 10-12 108~1010 6.2.2 焊接热效率
焊接过程中，焊接热源所产生的热量并不能全部用于加热金属形成熔化，因此，将有效用于金属加热，形成接头的功率P有效与总功率P总的比值η称为熔化焊的热效率，如式(1)所示。
η＝P有效/P总
热效率η的值取决于不同的焊接方法和工艺规范，电弧焊接时，η一般为0.7～0.8。
6.2.3 熔化焊接的温度场
熔化焊接时，热量总是由温度高的熔化金属传递到其他未熔化金属，因此，材料内部的温度数值是随着时间发生变化的，而在材料的不同位置上，其温度数值也是不同的。焊接过程中，材料内部的温度在时间和空间坐标上的不一致，称之为焊接温度场，即材料内部的温度数值是空间坐标和时间坐标的函数。
热量的传递方式包括传导、对流和辐射三种，焊接时，热量在材料内部的传递主要通过传导的方式进行。
典型的熔化焊接温度场如图2所示。图3为焊接过程的等温线示意图。
Heat fluxDirection of motionu=3.33mm/s图2 典型的熔化焊接温度场
图3 焊接过程的等温线示意图
6.2.4 焊接热循环
材料上的各个特征点在焊接过程中温度随时间的变化历程，称为焊接热循环。图4为焊接过程中的一个典型的焊接热循环。图4中的温度变化历程通过热电偶进行测量。
图4 低合金钢堆焊焊缝邻近各点的焊接热循环
通过焊接热循环，可以获得金属上各个特征点的温度变化历程，从而结合金属的连续冷却组织转变曲线（CCT曲线），可以获得各个特征点在焊接后形成的显微组织。
由图4可见，焊接热源具有以下特点：
温度高 局部加热 移动
而焊接热循环则具有以下特点：
加热速度快 峰值温度高
冷却速度大（接近于金属的油淬热处理） 温度的停留区间不易控制 这是焊接热过程的主要特点。 6.3 熔池的保护方式
金属的熔化焊接是在高温下完成的，为了防止金属在高温下的氧化反应，通常需要对熔化金属（称为熔池）进行保护。常见的熔池保护方式包括熔渣保护（用于手工电弧焊、埋弧自动焊）、气保护（用于惰性气体保护焊、CO2气体保护焊）、渣气联合保护和真空保护等。
良好的热源和熔池保护方式是形成合格的熔化焊接接头的必要条件。 手工电弧焊 焊接接头的形成过程如图5所示。工件(10)接电焊机(8)的正极，焊条(6)通过焊钳(7)夹持，与电焊机(8)的负极相连，焊接过程中，焊接电弧(4)在保护气氛(3)下，在工件(10)与焊条(6)之间燃烧，焊条(6)与工件(10)同时熔化，焊条上的熔化金属以熔滴(5)的形式过渡到熔池(2)中，熔池(2)冷却后，在工件(10)上形成连接焊缝(1)。
1-焊缝；2-熔池；3-保护性气体；4-电弧；5-熔滴；6-焊条；7-焊钳；8-电焊机；9-焊接电缆；10-工件
图5 手工电弧焊 焊接接头的形成过程
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容