《先進(jìn)材料與焊接技術(shù)》課件

先進(jìn)材料與焊接技術(shù)先進(jìn)材料與現(xiàn)代焊接技術(shù)交叉領(lǐng)域課程概述課程目標(biāo)掌握先進(jìn)材料特性了解現(xiàn)代焊接原理學(xué)習(xí)內(nèi)容材料分類與應(yīng)用焊接工藝與技術(shù)重要性工業(yè)制造基礎(chǔ)第一部分：先進(jìn)材料概述認(rèn)識(shí)先進(jìn)材料基本概念與特點(diǎn)材料分類體系按組成與結(jié)構(gòu)分類工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域先進(jìn)材料的定義新材料近期研發(fā)的新型材料具有特殊性能優(yōu)勢高性能傳統(tǒng)材料經(jīng)過改性的傳統(tǒng)材料性能顯著提升性能特點(diǎn)高強(qiáng)度、輕量化耐高溫、耐腐蝕先進(jìn)材料的分類先進(jìn)金屬材料鋁、鈦、鎂合金等先進(jìn)陶瓷材料結(jié)構(gòu)與功能陶瓷先進(jìn)高分子材料特種工程塑料復(fù)合材料多相材料組合先進(jìn)金屬材料輕金屬材料鋁合金：航空結(jié)構(gòu)件鎂合金：電子產(chǎn)品外殼鈦合金：生物醫(yī)療植入物高強(qiáng)高韌合金超高強(qiáng)度鋼材特種結(jié)構(gòu)鋼耐熱合金鎳基、鈷基超合金用于渦輪葉片高強(qiáng)高韌鋁合金7000系列鋁合金含鋅為主要合金元素強(qiáng)度最高的鋁合金2000系列鋁合金含銅為主要合金元素抗疲勞性能好應(yīng)用實(shí)例飛機(jī)蒙皮、結(jié)構(gòu)件高端機(jī)械零部件鋁鋰合金3%密度降低每添加1%鋰元素6%剛性提高每添加1%鋰元素10%質(zhì)量減輕相比傳統(tǒng)鋁合金特點(diǎn)：低密度、高比強(qiáng)度、高剛度、好的抗損傷能力應(yīng)用：航天飛機(jī)外推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，降低整體重量耐熱鋁合金制備方法噴射沉積技術(shù)快速凝固粉末冶金機(jī)械合金化技術(shù)噴射沉積工藝示意圖應(yīng)用魚雷外殼導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件發(fā)動(dòng)機(jī)零部件先進(jìn)陶瓷材料金屬陶瓷材料高硬度高耐磨性切削工具材料耐高溫零部件透明陶瓷材料高硬度光學(xué)窗口裝甲防護(hù)材料特種光學(xué)器件應(yīng)用領(lǐng)域半導(dǎo)體基底生物醫(yī)療植入物燃?xì)廨啓C(jī)部件先進(jìn)高分子材料反滲透膜材料海水淡化關(guān)鍵材料2高性能纖維芳綸、聚乙烯纖維工程塑料汽車輕量化部件生物可降解材料醫(yī)用植入物、包裝材料復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料輕量高強(qiáng)應(yīng)用廣泛陶瓷基復(fù)合材料耐高溫、抗氧化金屬-陶瓷復(fù)合材料結(jié)合金屬與陶瓷優(yōu)點(diǎn)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成的材料系統(tǒng)通過復(fù)合設(shè)計(jì)獲得優(yōu)于單一材料的性能先進(jìn)材料在工業(yè)中的應(yīng)用航空航天鈦合金結(jié)構(gòu)件碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼汽車工業(yè)鋁合金車身高強(qiáng)鋼安全籠電子工業(yè)半導(dǎo)體材料特種陶瓷基板第二部分：焊接技術(shù)基礎(chǔ)基本原理焊接的物理本質(zhì)分類體系各類焊接技術(shù)分類典型方法常見焊接工藝介紹工藝參數(shù)關(guān)鍵控制因素焊接的定義金屬鍵共價(jià)鍵離子鍵范德華力焊接是利用熱能、壓力或兩者共同作用使工件接合面的原子或分子相互靠近建立原子間或分子間的結(jié)合和擴(kuò)散焊接方法分類熔化焊使被焊材料熔化形成焊縫壓力焊通過壓力使材料分子結(jié)合釬焊利用低熔點(diǎn)金屬作為過渡不同焊接方法適用于不同材料和應(yīng)用場景焊接方法選擇依據(jù)材料特性、接頭要求和生產(chǎn)條件常見焊接方法概述電弧焊、電阻焊、氣體保護(hù)焊激光焊、電子束焊等方法各具特色適用于不同行業(yè)和應(yīng)用場景電弧焊原理利用電弧產(chǎn)生高溫熔化母材和填充金屬冷卻后形成焊縫設(shè)備電源焊槍/焊鉗電極/焊絲工裝夾具應(yīng)用范圍鋼結(jié)構(gòu)制造管道焊接造船工業(yè)修復(fù)工作電阻焊點(diǎn)焊局部加熱加壓形成焊點(diǎn)汽車車身制造主要工藝縫焊滾輪電極連續(xù)焊接密封性要求高的容器凸焊工件上有預(yù)制凸點(diǎn)適合多點(diǎn)同時(shí)焊接電阻焊原理：利用焊接點(diǎn)的電阻熱效應(yīng)電流通過焊接區(qū)產(chǎn)生熱量，加壓形成焊點(diǎn)氣體保護(hù)焊類型電極保護(hù)氣體適用材料MIG焊熔化極氬氣/CO?碳鋼/不銹鋼/鋁TIG焊非熔化極氬氣/氦氣鋁/鈦/不銹鋼氣體保護(hù)焊優(yōu)點(diǎn)：焊縫質(zhì)量高，飛濺少缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，成本較高焊接工藝參數(shù)電流影響熔深和熔敷率電流過大：焊縫寬大，穿透性強(qiáng)電流過?。汉缚p窄小，熔深不足電壓影響電弧長度和焊縫形狀電壓過高：焊縫寬而平電壓過低：焊縫窄而高焊接速度與保護(hù)氣體速度：影響熱輸入量氣體：影響焊縫成形和保護(hù)效果焊接接頭類型對接兩板在同一平面對接強(qiáng)度高，美觀搭接兩板疊加焊接制作簡單，強(qiáng)度足T型接和角接垂直連接或90°角連接適用于框架結(jié)構(gòu)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生原因不均勻加熱冷卻焊接區(qū)域膨脹收縮熱梯度導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力焊接變形主要類型控制方法預(yù)變形剛性夾具固定對稱焊接順序焊后熱處理焊接質(zhì)量控制焊前準(zhǔn)備材料清潔處理裝配精度檢查工藝參數(shù)設(shè)定焊接過程控制實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)焊縫成形觀察操作規(guī)范執(zhí)行焊后檢驗(yàn)外觀檢查無損檢測力學(xué)性能測試第三部分：先進(jìn)焊接技術(shù)高能束焊接激光焊接、電子束焊接固態(tài)焊接摩擦攪拌焊、超聲波焊接特種焊接等離子弧焊、高頻焊接、爆炸焊接先進(jìn)焊接技術(shù)具有高效率、高質(zhì)量、低變形等顯著優(yōu)勢適用于航空航天、電子、汽車等高端制造領(lǐng)域激光焊接原理高能量密度激光束局部快速熔化材料設(shè)備激光器聚焦系統(tǒng)工作臺(tái)優(yōu)勢焊縫窄小精確熱影響區(qū)小變形小激光焊接的應(yīng)用汽車工業(yè)：車身板材焊接，變速器零件電子產(chǎn)品：精密電子器件，密封包裝航空航天：發(fā)動(dòng)機(jī)部件，燃料系統(tǒng)電子束焊接原理高速電子束轟擊工件動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能真空環(huán)境中進(jìn)行特點(diǎn)能量密度極高深熔比達(dá)20:1變形小，純凈度高精度高，速度快適用范圍航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件核反應(yīng)堆組件高精度傳感器異種材料連接電子束焊接工藝焊前準(zhǔn)備工件精密清潔嚴(yán)格對中定位工藝參數(shù)選擇加速電壓：60-150kV電子束流：5-1000mA焊接速度：5-50mm/s3焊后處理應(yīng)力消除退火機(jī)械精加工無損探傷檢驗(yàn)?zāi)Σ翑嚢韬?0%強(qiáng)度保留率相比母材的接頭效率500℃最高工作溫度低于材料熔點(diǎn)15mm最大焊接厚度鋁合金單道焊工作原理：高速旋轉(zhuǎn)工具摩擦產(chǎn)熱，塑性流動(dòng)形成焊縫設(shè)備結(jié)構(gòu)：由攪拌頭、肩部組成，配合專用夾具應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、鐵路車輛、船舶制造等離子弧焊原理高溫等離子弧柱收縮電弧提高能量密度產(chǎn)生10000-30000℃高溫特點(diǎn)電弧穩(wěn)定性好熔深大，穿透能力強(qiáng)焊接速度快，變形小應(yīng)用實(shí)例航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件精密儀器外殼核電站管道超聲波焊接原理高頻機(jī)械振動(dòng)摩擦生熱軟化材料壓力作用下形成結(jié)合超聲波焊接聲頭和工裝適用材料與應(yīng)用塑料：電子產(chǎn)品外殼薄金屬：電池極片復(fù)合材料：汽車內(nèi)飾件高頻焊接原理利用高頻電流的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)在接觸面產(chǎn)生高溫設(shè)備高頻電源：100-800kHz感應(yīng)線圈或觸點(diǎn)壓力系統(tǒng)應(yīng)用范圍鋼管連續(xù)生產(chǎn)金屬帶材對接薄壁容器制造爆炸焊接準(zhǔn)備工作清潔接合面設(shè)置爆炸角度與間距安裝引爆系統(tǒng)爆炸過程爆炸產(chǎn)生沖擊波和高壓沖擊波前沿形成噴射流清潔接合面并形成波紋界面結(jié)果與檢驗(yàn)形成原子級結(jié)合界面呈波紋狀超聲檢測結(jié)合質(zhì)量爆炸焊接特點(diǎn)：異種金屬可靠連接，結(jié)合強(qiáng)度高應(yīng)用：船舶、化工設(shè)備復(fù)合板材制造第四部分：先進(jìn)材料的焊接技術(shù)特種材料焊接面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)需根據(jù)材料特性選擇合適工藝工藝參數(shù)控制精度要求高鋁合金的焊接焊接性分析導(dǎo)熱性好，熱量散失快易形成氧化膜，熔點(diǎn)高熱裂傾向大常用焊接方法TIG焊（薄板）MIG焊（厚板）摩擦攪拌焊（高要求）注意事項(xiàng)焊前徹底清潔選擇合適焊絲控制熱輸入鎂合金的焊接焊接特點(diǎn)易燃易氧化熱裂敏感性高導(dǎo)熱性好焊接收縮大焊接工藝選擇氣體保護(hù)電弧焊激光焊接摩擦攪拌焊電子束焊接質(zhì)量控制嚴(yán)格控制熱輸入保護(hù)氣體純度高預(yù)熱與后熱處理防火安全措施鈦合金的焊接焊接難點(diǎn)活性高，易吸收氣體高溫下易與O?、N?、H?反應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)低，熱應(yīng)力大推薦焊接方法氬弧焊（TIG）電子束焊接等離子弧焊工藝參數(shù)選擇嚴(yán)格氣體保護(hù)焊后保護(hù)時(shí)間延長預(yù)熱與低熱輸入不銹鋼的焊接不銹鋼類型焊接性主要問題推薦焊接方法奧氏體良好熱裂紋TIG/MIG鐵素體中等晶粒粗大TIG/低熱輸入馬氏體較差硬化開裂預(yù)熱/后熱處理雙相良好相比例失衡控制熱輸入焊縫缺陷預(yù)防：控制熱輸入，選擇合適填充金屬高溫合金的焊接焊接特性熱裂敏感性高易形成有害相應(yīng)力敏感焊接方法選擇電子束焊接（首選）等離子弧焊TIG焊（小型部件）熱處理要求焊前時(shí)效處理焊后應(yīng)力消除固溶處理復(fù)合材料的連接技術(shù)機(jī)械連接螺栓、鉚釘連接應(yīng)力集中問題粘接結(jié)構(gòu)膠粘劑表面處理關(guān)鍵特殊焊接方法超聲波焊接電阻焊接陶瓷材料的焊接焊接難點(diǎn)脆性大低潤濕性熱膨脹系數(shù)小抗熱震性差陶瓷與金屬釬焊界面釬焊技術(shù)活性釬焊金屬化預(yù)處理過渡層設(shè)計(jì)應(yīng)力釋放設(shè)計(jì)異種材料的焊接焊接原理界面相容性是關(guān)鍵常見組合鋼-鋁、銅-鋁、鋼-鈦工藝要點(diǎn)過渡層設(shè)計(jì)3質(zhì)量控制界面金相分析異種材料焊接難點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)差異、冶金相容性差解決方案：采用過渡層、特殊焊接工藝、低熱輸入工藝第五部分：焊接自動(dòng)化與智能化智能焊接系統(tǒng)自主決策與調(diào)整焊接過程監(jiān)控實(shí)時(shí)參數(shù)采集分析焊接機(jī)器人編程軌跡與參數(shù)規(guī)劃焊接機(jī)器人基礎(chǔ)自動(dòng)化裝備焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成機(jī)械本體控制系統(tǒng)焊接電源末端執(zhí)行器工作原理機(jī)器人控制運(yùn)動(dòng)焊接系統(tǒng)提供能量傳感器反饋調(diào)整協(xié)同控制完成焊接應(yīng)用領(lǐng)域汽車制造工程機(jī)械船舶制造金屬家具焊接機(jī)器人編程示教編程操作員手動(dòng)引導(dǎo)點(diǎn)位記錄適合小批量生產(chǎn)簡單直觀離線編程計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境虛擬建模與規(guī)劃適合復(fù)雜工件提高設(shè)備利用率智能編程自動(dòng)路徑規(guī)劃基于CAD模型生成人工智能算法自適應(yīng)調(diào)整焊接過程監(jiān)控時(shí)間(秒)電流(A)電壓(V)送絲速度(m/min)電弧特性監(jiān)控：電流、電壓、功率實(shí)時(shí)采集分析焊縫跟蹤：激光、視覺傳感器輔助定位與跟蹤焊接質(zhì)量在線檢測：聲學(xué)、溫度、紅外等多傳感融合智能焊接系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成多傳感器融合人工智能決策單元自適應(yīng)控制模塊功能特點(diǎn)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化缺陷實(shí)時(shí)識(shí)別工藝自動(dòng)調(diào)整應(yīng)用案例航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造高鐵車體焊接大型船舶建造第六部分：焊接質(zhì)量與檢測缺陷識(shí)別焊接常見問題分類無損檢測不破壞工件的檢驗(yàn)方法力學(xué)測試性能驗(yàn)證與評估微觀分析材料組織結(jié)構(gòu)研究焊接缺陷類型氣孔成因：氣體卷入影響：強(qiáng)度降低裂紋成因：熱應(yīng)力、氫擴(kuò)散影響：嚴(yán)重降低性能夾渣與未熔合成因：工藝參數(shù)不當(dāng)影響：局部強(qiáng)度降低無損檢測方法檢測方法適用缺陷優(yōu)點(diǎn)局限性射線檢測內(nèi)部缺陷直觀顯示輻射危害超聲波檢測裂紋、未熔合深度定位精確操作技術(shù)要求高磁粉檢測表面裂紋簡便快速僅適用于鐵磁性材料滲透檢測表面開口缺陷設(shè)備簡單僅檢測表面缺陷焊接接頭力學(xué)性能測試?yán)煸囼?yàn)測定強(qiáng)度極限延伸率測定斷裂位置分析彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)塑性和韌性焊縫完整性評估彎曲角度要求沖擊與疲勞試驗(yàn)低溫沖擊韌性焊接熱影響區(qū)評估循環(huán)載荷下性能焊接接頭金相分析取樣方法切取代表性橫截面避免熱影響金相制備研磨拋光化學(xué)腐蝕顯微組織分析焊縫區(qū)組織熱影響區(qū)評估性能關(guān)聯(lián)組織與性能對應(yīng)失效原因分析第七部分：焊接安全與環(huán)保人員防護(hù)個(gè)人安全設(shè)備使用環(huán)境控制通風(fēng)排煙系統(tǒng)安裝污染管理廢氣廢料處理方案焊接安全與環(huán)保是保障人員健康和環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)從設(shè)備選擇、工藝設(shè)計(jì)到操作規(guī)范全面考慮焊接安全防護(hù)個(gè)人防護(hù)設(shè)備焊接面罩：防弧光輻射防護(hù)服：阻燃材料制作手套：隔熱耐高溫安全鞋：絕緣防砸通風(fēng)排煙局部排風(fēng)裝置移動(dòng)式煙塵凈化器全室通風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)補(bǔ)充設(shè)備電氣安全電源絕緣保護(hù)漏電保護(hù)裝置焊機(jī)接地系統(tǒng)定期檢查維護(hù)焊接環(huán)境保護(hù)煙塵有害氣體噪聲固體廢物廢氣處理：過濾系統(tǒng)、催化氧化裝置噪聲控制：隔音屏障、減振措施固廢管理：分類收集、專業(yè)處置焊接職業(yè)健康職業(yè)病危害電弧眼：紫外線傷害塵肺：長期吸入金屬煙塵慢性中毒：錳、鎳等重金屬2預(yù)防措施嚴(yán)格佩戴防護(hù)裝備良好通風(fēng)環(huán)境合理安排工作時(shí)間健康監(jiān)護(hù)入職體檢定期職業(yè)健康檢查建立健康檔案第八部分：焊接技術(shù)發(fā)展趨勢智能化人工智能控制系統(tǒng)自動(dòng)化機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人綠色化低能耗低排放工藝新工藝混合能源焊接技術(shù)焊接技術(shù)未來發(fā)展將更加智能、高效、精準(zhǔn)、環(huán)保數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造是主