材料加工工艺和设备焊接篇
教学内容：
1. 材料加工工艺与设备概述，课程的任务。
2. 焊接技术基础：焊接，焊缝成形，焊接接头，位置、符号表示等。 3. 焊接方法分类及简单介绍。
第一章 材料加工工艺与设备概述
1.1材料加工工艺在材料制造业中的地位 材料加工工艺又称材料成形技术，是金属液态成形、焊接、塑性加工、激光加工及快速成形、热处理及表面改性、粉末冶金、塑料成形等各种成形技术的总称。
工艺
组织性能
使用性能
材料科学与工程四要素
1.2 材料加工工艺和设备的关系 （1）液态成形
金属液态成形的特点：•适用范围广：
•几乎不受材料类型、零件大小和厚薄，以及复杂程度的限制。•尺寸精度高：
•铸件一般比焊接的尺寸精度高。•生产成本低：
金属液态设备的特点：•根据工艺需要砂处理、造型、熔炼浇注及落砂清理设备。•可以是手工和机械化、自动化设备。
•熔炼设备关键是控温精度和加热速度。
•造型设备主要要求是精度高、刚性大、噪声小，机械化程度大，效率高
（2）
金属塑性成形的特点：•材料利用率高。
•成形过程往往伴随组织性能改变。•尺寸精度高。•生产效率高
金属塑性设备的特点：根据工艺可以分为体积成形和板料成形。
•成形设备多，有锻锤、机械压力机、液压机，设备种类繁多。•成形设备的选择主要根据成形工艺、生产率等选择。•成形设备的选择主要包括成形公称压力。
•金属塑性成形设备的主要要求是机身刚性大、压力控制精度和生产效率。
（3）
焊接成形的特点：•局部加热与加压，受冶金条件和力学因素影响大。•使用范围广，可用于连接各种同种金属或异种金属，其焊接质量受到被焊金属物理性能参数影响大。•焊接成形由不同焊接工艺决定。
焊接设备的特点：
•焊接成形设备热源种类繁多，有电弧热、电阻热、电磁感应热、高能束、化学热、摩擦热等
•高效、低耗、清洁是现代连接技术对焊接电源的要求，同时还要求其易于调节和控制。•焊接成形设备的控制精度、以及机械化、自动化程度也是重要指标。
1.3 材料加工工艺与设备展望
材料加工工艺从单一场到多场，主要体现为热-力作用下的成形。 材料加工设备从手工到机械化，并向智能化、信息化发展。
1.4 本课程的任务
（1）原理；选择合适设备和工艺的能力。
案列1：质量流量计制造中的材料加工问题。
案例2：椭圆罐环缝对接焊中的工艺问题。
关键词：全位置焊，不同工艺方法对应合适的焊接位置选择。
思考题（作业）1：简述材料加工的主要特点，材料加工成形中的非线性特点有哪些？
第二章焊接工艺和设备 2.1 焊接基本概念 2.1.1 焊接基本概念
焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且使用或不使用填充材料使工件达到结合的一种方法。其本质就是通过适当的物理—化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离（0.3-0.5nm ）形成金属键，从而使两金属连为一体。
焊接技术归结为三个方面：
焊接方法：包括各种焊接工艺方法及设备， 焊接过程传感及控制、焊接机器人等。
材料焊接：包括焊接热过程、焊接冶金、焊接热影响区组织转变及性能变化、焊接缺陷、金属焊接性及试验方法、各种材料焊接。
焊接结构：包括焊接结构材料、焊接接头设计、焊接接头的力学性能、焊接应力应变、焊接结构疲劳等。
概念1：焊接接头组成
焊缝，热影响区（低碳合金钢的分区）， 母材。
概念2：弧焊焊接工艺参数： 电流， 电压， 速度， 效率；预热；后热 2.1.2 焊接技术发展过程
焊接方法有：电弧焊18种、硬钎焊11种、软钎焊8种、电阻焊9种、固态焊9种、氧乙炔焊4种、其他焊10种。新的焊接工艺不断出现。 2.1.3 焊接方法的分类--总体分类
金属焊接方法主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。
熔焊：是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。
在熔焊过程中，如果大气与高温熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素，大气中的氮、水蒸汽等进入熔池会在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，所以要采取保护气体。
压焊：焊接过程中，必须对焊件施加压力，加热或不加热的焊接方法，称为压焊。压焊两种形式：
加热并加压，被焊金属的接触部位加热至塑性状态，或局部熔化状态，然后加一定的压力，使金属原子间相互结合形成焊接接头，如电阻焊、摩擦焊等。
加压，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力引起的塑性变形，原子相互接近，从而获得牢固的压挤接头，如冷压焊、爆炸焊等。
钎焊：采用熔点比母材低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，连接焊件的方法，称为钎焊。钎焊分为如下两种：
软钎焊：用熔点低于450℃钎料（铅、锡合金为主）进行焊接，接头强度较低。 硬钎焊：用熔点高于450℃钎焊（铜、银、镍合金为主）进行焊接，接头强度较高。
熔焊是目前应用最广泛的焊接方法。最常用的有手工电弧焊，埋弧焊，CO2气体保护焊及手工钨极氩弧焊弧焊等。主要介绍熔化焊。 焊接方法举例： 手工焊
二氧化碳气体保护焊 搅拌摩擦焊
美国焊接学会分类（焊接7大类）
2.1.4 焊缝成形 （1）焊接熔池
在电弧热及电阻热的作用下，焊丝与母材被熔化，在电弧力、重力、表面张力作用下，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着熔热源的移动熔池向前运动，在电弧后形成凝固的焊缝。
在熔池和焊缝的形成过程中：
熔池的体积主要由电弧的热作用决定；
熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力及熔滴对熔池的冲击力决定； 不同焊接位置下重力及表面张力起的作用不同。
（2）焊缝参数
熔池和焊缝描述熔深H、熔宽B、熔池长度Lp、余高a
焊缝形状系数Φ：Φ＝B/H焊缝余高系数ψ：ψ= B/a熔合比γ:焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总面积的比值为熔合比γ＝Am/（Am +AH）
焊缝宽度
焊缝的有效厚度
焊缝余高
（3）影响焊缝成形的因素 焊接电流 焊接电弧电压 焊接速度
电流种类和极性
钨极端部形状、焊丝伸出长度 坡口和间隙
电极倾角
工件倾角和焊缝空间位置
工件材料和厚度 渣、气保护
2.1.5 焊接接头
焊接接头基本形式（5
类）焊缝类型
2.1.6焊接坡口形式
2.1.7 焊接位置
焊接位置: 熔焊时，焊件接缝所处的空间位置，叫焊接位置。
焊接位置有: 平焊、立焊、横焊、仰焊、船形焊、向上立焊、向下立焊、倾斜焊、上坡焊、下坡焊、全位置焊接。 焊接位置的表示： 平板：1G-4G 角焊缝：1F-4F
管子：1G ,2G , 5G, 6G, 6GR
思考题（作业）2：
1） 采用能量形式划分, 金属焊接工艺的分类? 举出3种常用弧焊焊接工艺及特点。 2） 影响焊缝成形的因素? 举例说明。
材料加工工艺和设备焊接篇
教学内容：
1. 材料加工工艺与设备概述，课程的任务。
2. 焊接技术基础：焊接，焊缝成形，焊接接头，位置、符号表示等。 3. 焊接方法分类及简单介绍。
第一章 材料加工工艺与设备概述
1.1材料加工工艺在材料制造业中的地位 材料加工工艺又称材料成形技术，是金属液态成形、焊接、塑性加工、激光加工及快速成形、热处理及表面改性、粉末冶金、塑料成形等各种成形技术的总称。
工艺
组织性能
使用性能
材料科学与工程四要素
1.2 材料加工工艺和设备的关系 （1）液态成形
金属液态成形的特点：•适用范围广：
•几乎不受材料类型、零件大小和厚薄，以及复杂程度的限制。•尺寸精度高：
•铸件一般比焊接的尺寸精度高。•生产成本低：
金属液态设备的特点：•根据工艺需要砂处理、造型、熔炼浇注及落砂清理设备。•可以是手工和机械化、自动化设备。
•熔炼设备关键是控温精度和加热速度。
•造型设备主要要求是精度高、刚性大、噪声小，机械化程度大，效率高
（2）
金属塑性成形的特点：•材料利用率高。
•成形过程往往伴随组织性能改变。•尺寸精度高。•生产效率高
金属塑性设备的特点：根据工艺可以分为体积成形和板料成形。
•成形设备多，有锻锤、机械压力机、液压机，设备种类繁多。•成形设备的选择主要根据成形工艺、生产率等选择。•成形设备的选择主要包括成形公称压力。
•金属塑性成形设备的主要要求是机身刚性大、压力控制精度和生产效率。
（3）
焊接成形的特点：•局部加热与加压，受冶金条件和力学因素影响大。•使用范围广，可用于连接各种同种金属或异种金属，其焊接质量受到被焊金属物理性能参数影响大。•焊接成形由不同焊接工艺决定。
焊接设备的特点：
•焊接成形设备热源种类繁多，有电弧热、电阻热、电磁感应热、高能束、化学热、摩擦热等
•高效、低耗、清洁是现代连接技术对焊接电源的要求，同时还要求其易于调节和控制。•焊接成形设备的控制精度、以及机械化、自动化程度也是重要指标。
1.3 材料加工工艺与设备展望
材料加工工艺从单一场到多场，主要体现为热-力作用下的成形。 材料加工设备从手工到机械化，并向智能化、信息化发展。
1.4 本课程的任务
（1）原理；选择合适设备和工艺的能力。
案列1：质量流量计制造中的材料加工问题。
案例2：椭圆罐环缝对接焊中的工艺问题。
关键词：全位置焊，不同工艺方法对应合适的焊接位置选择。
思考题（作业）1：简述材料加工的主要特点，材料加工成形中的非线性特点有哪些？
第二章焊接工艺和设备 2.1 焊接基本概念 2.1.1 焊接基本概念
焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且使用或不使用填充材料使工件达到结合的一种方法。其本质就是通过适当的物理—化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离（0.3-0.5nm ）形成金属键，从而使两金属连为一体。
焊接技术归结为三个方面：
焊接方法：包括各种焊接工艺方法及设备， 焊接过程传感及控制、焊接机器人等。
材料焊接：包括焊接热过程、焊接冶金、焊接热影响区组织转变及性能变化、焊接缺陷、金属焊接性及试验方法、各种材料焊接。
焊接结构：包括焊接结构材料、焊接接头设计、焊接接头的力学性能、焊接应力应变、焊接结构疲劳等。
概念1：焊接接头组成
焊缝，热影响区（低碳合金钢的分区）， 母材。
概念2：弧焊焊接工艺参数： 电流， 电压， 速度， 效率；预热；后热 2.1.2 焊接技术发展过程
焊接方法有：电弧焊18种、硬钎焊11种、软钎焊8种、电阻焊9种、固态焊9种、氧乙炔焊4种、其他焊10种。新的焊接工艺不断出现。 2.1.3 焊接方法的分类--总体分类
金属焊接方法主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。
熔焊：是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。
在熔焊过程中，如果大气与高温熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素，大气中的氮、水蒸汽等进入熔池会在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，所以要采取保护气体。
压焊：焊接过程中，必须对焊件施加压力，加热或不加热的焊接方法，称为压焊。压焊两种形式：
加热并加压，被焊金属的接触部位加热至塑性状态，或局部熔化状态，然后加一定的压力，使金属原子间相互结合形成焊接接头，如电阻焊、摩擦焊等。
加压，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力引起的塑性变形，原子相互接近，从而获得牢固的压挤接头，如冷压焊、爆炸焊等。
钎焊：采用熔点比母材低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，连接焊件的方法，称为钎焊。钎焊分为如下两种：
软钎焊：用熔点低于450℃钎料（铅、锡合金为主）进行焊接，接头强度较低。 硬钎焊：用熔点高于450℃钎焊（铜、银、镍合金为主）进行焊接，接头强度较高。
熔焊是目前应用最广泛的焊接方法。最常用的有手工电弧焊，埋弧焊，CO2气体保护焊及手工钨极氩弧焊弧焊等。主要介绍熔化焊。 焊接方法举例： 手工焊
二氧化碳气体保护焊 搅拌摩擦焊
美国焊接学会分类（焊接7大类）
2.1.4 焊缝成形 （1）焊接熔池
在电弧热及电阻热的作用下，焊丝与母材被熔化，在电弧力、重力、表面张力作用下，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着熔热源的移动熔池向前运动，在电弧后形成凝固的焊缝。
在熔池和焊缝的形成过程中：
熔池的体积主要由电弧的热作用决定；
熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力及熔滴对熔池的冲击力决定； 不同焊接位置下重力及表面张力起的作用不同。
（2）焊缝参数
熔池和焊缝描述熔深H、熔宽B、熔池长度Lp、余高a
焊缝形状系数Φ：Φ＝B/H焊缝余高系数ψ：ψ= B/a熔合比γ:焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总面积的比值为熔合比γ＝Am/（Am +AH）
焊缝宽度
焊缝的有效厚度
焊缝余高
（3）影响焊缝成形的因素 焊接电流 焊接电弧电压 焊接速度
电流种类和极性
钨极端部形状、焊丝伸出长度 坡口和间隙
电极倾角
工件倾角和焊缝空间位置
工件材料和厚度 渣、气保护
2.1.5 焊接接头
焊接接头基本形式（5
类）焊缝类型
2.1.6焊接坡口形式
2.1.7 焊接位置
焊接位置: 熔焊时，焊件接缝所处的空间位置，叫焊接位置。
焊接位置有: 平焊、立焊、横焊、仰焊、船形焊、向上立焊、向下立焊、倾斜焊、上坡焊、下坡焊、全位置焊接。 焊接位置的表示： 平板：1G-4G 角焊缝：1F-4F
管子：1G ,2G , 5G, 6G, 6GR
思考题（作业）2：
1） 采用能量形式划分, 金属焊接工艺的分类? 举出3种常用弧焊焊接工艺及特点。 2） 影响焊缝成形的因素? 举例说明。