材料連接技術(shù)5

1、材料連接技術(shù)材料連接技術(shù)Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號(hào)：302706一、高能束焊接一、高能束焊接 4. 高能束流復(fù)合焊接隨著激光技術(shù)以及弧焊設(shè)備的發(fā)展，尤其是激光功率和電流控制技術(shù)的提高，70年代提出了電弧復(fù)合焊接。激光激光- -電弧復(fù)合焊接原理電弧復(fù)合焊接原理GMA (GAS Metal Arc)成本低，使用填絲，適用性強(qiáng)；但是熔深淺、焊速低、工件承受熱載荷大。激光焊可形成深而窄的焊縫，焊速高、熱輸入低；但是工件制備精度要求高，對(duì)鋁等材料的適應(yīng)性差。Laser-GMA的復(fù)合效應(yīng)表現(xiàn)：高效；節(jié)約；增加焊接適應(yīng)性。電弧加熱使

2、金屬溫度升高，降低了金屬對(duì)激光的反射率，增加了對(duì)光能的吸收；高效高效激光等離子體使電弧更穩(wěn)定，電弧進(jìn)入熔池小孔，同時(shí)減小了能量的損失；較高的能量密度和較低的熱損失決定了較高的焊接速度，提高了焊接生產(chǎn)效率。節(jié)約節(jié)約坡口夾角小，焊縫面積與激光焊時(shí)相近，減少了添加的焊接材料量。在較低激光功率下獲得更大的熔深，減少了能量消耗。鎢極壽命顯著增加，節(jié)約了電極材料。提高焊接適應(yīng)性提高焊接適應(yīng)性利用電弧的陰極清潔作用焊接，尤其適用于鋁等活性金屬；方便的填絲可降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好；方便的填絲可調(diào)整焊縫的成分，提高有助于消除焊縫結(jié)晶缺陷，并改善焊接接頭的性能；提高了對(duì)特種材料連接、異種材料連接的適應(yīng)性。

3、2.1 先進(jìn)的材料連接技術(shù)先進(jìn)的材料連接技術(shù)二、瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊接二、瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊接 待焊的表面間加一層有利于擴(kuò)散的中間材料。該材料在加熱保溫中熔化，并形成少量的液相。這些液相金屬可填充縫隙，也使液相中的某些元素向母材擴(kuò)散，最后形成冶金連接。1. 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的由來瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的由來1955年發(fā)現(xiàn)在Ag釬焊過程中，經(jīng)過高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫后，接頭中沒有檢測(cè)到Ag的存在，并且形成的接頭抗剪強(qiáng)度極高。1959年在應(yīng)用合金為中間層連接Ti時(shí)又出現(xiàn)該現(xiàn)象。1961年有意識(shí)地采用了瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的思想連接Zr合金和不銹鋼，即直接對(duì)接在一起，通過擴(kuò)散發(fā)生Fe,Cr,Ni和Zr低熔點(diǎn)液相獲得接頭。1970年提

4、出活性擴(kuò)散連接的概念。1974年匯總了各種現(xiàn)象并用相圖加以理論解釋，名稱也逐漸統(tǒng)一。1990年后代技術(shù)趨于成熟，應(yīng)用迅速。2. 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的原理與過程瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的原理與過程液相形成和填滿間隙。元素?cái)U(kuò)散和等溫凝固。元素?cái)U(kuò)散和接頭均勻化。三個(gè)階段：三個(gè)階段：液相形成和填滿間隙液相形成和填滿間隙熔點(diǎn)低于母材的中間層異種或同種可與母材形成低熔點(diǎn)共晶的中間層異種等溫凝固與成分均勻化等溫凝固與成分均勻化元素?cái)U(kuò)散導(dǎo)致溶液成分改變，固相線溫度提高。表面準(zhǔn)備要求不高。加熱溫度低，避免結(jié)晶缺陷，變形小。需要的焊接壓力小。焊接時(shí)間短。裝備輕，自動(dòng)化程度高。接頭質(zhì)量可靠。3. 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的特點(diǎn)瞬時(shí)液相擴(kuò)散

5、焊的特點(diǎn)瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的特點(diǎn)是焊接溫度低，母材不熔化，可焊接異種材料，變形小，強(qiáng)度接近母材，高溫性能好，設(shè)備投資及焊接成本遠(yuǎn)低于高能束焊(激光焊、電子束焊)。釬焊的操作方法，固相擴(kuò)散焊的接頭性能。(1)熔點(diǎn)低于母材或形成熔點(diǎn)低于母材的共晶；(2)與母材間的潤濕性好；(3)不形成有害的金屬間化合物；(4)完成等溫凝固快；(5)成分均勻化快。技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵中間層的選擇中間層的選擇主組元應(yīng)盡量與母材相同；合金元素在母材有較大的溶解度；在母材中的較大擴(kuò)散系數(shù)；有一定“自釬劑”作用；不形成穩(wěn)定的有害相；滿足特殊性能要求(如抗高溫氧化性能、抗腐蝕性能、抗低溫脆斷性能等) 。粉末、電鍍、噴涂、非晶箔帶等預(yù)

6、置中間層。粉末、電鍍、噴涂、非晶箔帶等預(yù)置中間層。低碳鋼管，低合金高強(qiáng)鋼管或捧料的對(duì)接焊。不銹鋼管或捧料對(duì)接焊。鑄鐵件的對(duì)接焊。異種金屬材料的對(duì)接焊。使用傳統(tǒng)連接方法困難的單晶、陶瓷、復(fù)合材料等。4. 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的應(yīng)用瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的應(yīng)用高效、快速，特別適用于固定位置的對(duì)接焊。在電力、石油、化工、城建等建設(shè)工程中，管道焊接的工作量非常大，如1臺(tái)300 MW火力發(fā)電機(jī)組，中小直徑鋼管(直徑133 mm)焊接接頭總數(shù)超過4萬個(gè)。采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊，工期長(zhǎng)、效率低、焊接質(zhì)量取決于焊工操作水平。應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例用液相擴(kuò)散焊連接替代焊條電弧焊，對(duì)管道進(jìn)行連接，具有生產(chǎn)率高、焊接時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)效

7、率是傳統(tǒng)焊接方法的10倍以上。特別適于條件較差的施工環(huán)境，大大節(jié)省了人力、物力和能源。在大氣條件下惰性氣體保護(hù)的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊不用真空爐，節(jié)約了設(shè)備投資，也適合在野外施工的場(chǎng)合。2.1 先進(jìn)的材料連接技術(shù)先進(jìn)的材料連接技術(shù)三、攪拌摩擦焊三、攪拌摩擦焊1992年，英國焊接研究所獲攪拌摩擦焊專利權(quán)。不使用耗材、能耗少、對(duì)環(huán)境影響小、簡(jiǎn)單有效等特點(diǎn)使之成為20世紀(jì)最重要的焊接創(chuàng)新之一，被認(rèn)為是繼激光焊后又一次革命性的焊接技術(shù)。 攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明十多年來，無論在國外還是在國內(nèi)，已經(jīng)成功跨出試驗(yàn)研究階段，發(fā)展成為在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中可以替代熔焊技術(shù)的工業(yè)化實(shí)用的固相連接技術(shù)。在航空航天飛行器、高速艦船快

8、艇、高速軌道列車、汽車等輕型化結(jié)構(gòu)以及各種鋁合金型材拼焊結(jié)構(gòu)制造中，已經(jīng)展示出顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)在美國波音公司已將該種新工藝用來生產(chǎn)航空航天各種鋁合金容器，并投入大量資金為這種新工藝進(jìn)行深一步開發(fā)和研究，想以此來加強(qiáng)在航空航天工業(yè)生產(chǎn)中的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。1. 攪拌摩擦焊的原理攪拌摩擦焊的原理由攪拌頭的摩擦熱和機(jī)械擠壓的聯(lián)合作用下形成接頭焊接時(shí)，工件放置在墊板上，并加以約束；旋轉(zhuǎn)的攪拌頭在與工件表面接觸時(shí)通過摩擦生熱使得該處金屬軟化；在頂壓力的作用下，攪拌頭緩緩進(jìn)入工件連接處；攪拌頭周圍的一層金屬塑性化；攪拌頭沿焊接方向移動(dòng)形成焊縫。2. 攪拌摩擦焊的特點(diǎn)攪拌摩擦焊的特點(diǎn)連接溫度低，變形?。词?/p>

9、是長(zhǎng)焊縫也是如此）；固相焊接方法，接頭的性能好；焊前及焊后處理簡(jiǎn)單，焊接過程中的摩擦和攪拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附著雜質(zhì)；焊接過程中不需要保護(hù)氣體、焊條及焊料等；能夠進(jìn)行全位置的焊接；操作簡(jiǎn)單； 焊接過程中無煙塵、輻射、飛濺、噪音及弧光等有害物質(zhì)產(chǎn)生，是一種環(huán)保型工藝方法。 o焊縫末尾通常有孔存在。 o焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性。o與弧焊相比，焊速比熔焊慢、焊接時(shí)焊件必須夾緊、還需要墊板等。缺少焊接操作的柔性。o不能實(shí)現(xiàn)添絲焊接。攪拌摩擦焊的局限性攪拌摩擦焊的局限性3. 攪拌摩擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀攪拌摩擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達(dá)到規(guī)?；?、攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸

10、多制造領(lǐng)域達(dá)到規(guī)?；?、工業(yè)化的應(yīng)用水平。工業(yè)化的應(yīng)用水平。1996年挪威MARINE公司應(yīng)用在鋁合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造；1997年日本HITACHI公司應(yīng)用于列車車體的快速低成本制造，實(shí)現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造；1999年美國波音公司應(yīng)用于DELTA II型和IV型火箭的制造，已發(fā)射升空；2000年美國TOWER汽車公司應(yīng)用于汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身。幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，包括目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、209

11、0 和2195鋁合金)等；對(duì)于鎂合金、鋅合金、銅合金、鉛合金以及鋁基復(fù)合材料等材料的板狀對(duì)接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；可以較容易實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁鋼、鋁不銹鋼、銅鋁等；研究成功地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性也很強(qiáng)。攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性也很強(qiáng)。4. 攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢(shì)攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢(shì)攪拌摩擦焊設(shè)備攪拌摩擦焊設(shè)備早期的攪拌摩擦焊設(shè)備是利用傳統(tǒng)銑床改裝而成；隨著攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的日趨擴(kuò)大,以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊縫形式的復(fù)雜多樣化，普通銑床的剛性以及操作控制都難以滿足對(duì)攪拌摩擦焊更高的技術(shù)需求，攪拌摩擦焊設(shè)備逐漸

12、從試驗(yàn)型設(shè)備向商用專機(jī)化方向發(fā)展1996年瑞典伊薩(ESAB)公司，在英國焊接研究所的專利許可基礎(chǔ)上，為挪威Marine Aluminum公司制造了世界上第一臺(tái)工業(yè)用攪拌摩擦焊機(jī)，用于鋁合金型材的攪拌摩擦焊。此后，世界上有諸多的焊接設(shè)備制造公司，在取得英國焊接研究所專利許可的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)和制造了多種形式的專業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備。 2004年英國SMART公司為英國焊接研究所設(shè)計(jì)生產(chǎn)世界上焊接能力最大的攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)單道焊接厚度為100mm鋁合金材料；2005年開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù)。攪拌頭攪拌頭技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵加熱和軟化被焊接材料（工件材料）；破碎和彌散接頭表面的氧化層；驅(qū)使攪拌針前部的材料向后部轉(zhuǎn)移；驅(qū)使接頭上部的材料向下部轉(zhuǎn)移；使轉(zhuǎn)移后的熱塑化的材料形成固相接頭。攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝攪拌頭的傾角；攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度；攪拌頭的插入深度；