材料連接技術(shù)7課件

材料連接技術(shù)

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

趙興科課程編號：302706§2.2先進材料的連接技術(shù)鋁及其合金的連接鈦及其合金的連接金屬基復(fù)合材料的連接陶瓷材料的連接（一）鈦及其合金的分類與特性1分類（1）工業(yè)純鈦二、鈦及其合金的連接

密度?。?.5g/cm3）、熔點高（1668℃）。在固態(tài)下有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，882.5℃以下為密排六方晶格的α-Ti；在882.5℃以上直至熔點為β-Ti，具有體心立方晶格。牌號TA1~TA3。2特性密度小，熔點高。強度相當于優(yōu)質(zhì)鋼，比強度高。熱膨脹系數(shù)很小，熱應(yīng)力小。導(dǎo)熱性差，磨擦系數(shù)大，機加工性能較差。與氧的親和力大，表面易形成致密的氧化膜。常溫下非常穩(wěn)定，耐蝕性好。（二）鈦及其合金的焊接性鈦和鈦合金的焊接性取決于它的物理化學(xué)性能。空氣中加熱時，鈦在250℃開始吸氫，500℃開始吸氧，600℃開始吸氮。隨著溫度提高，鈦吸收氣體的能力增大。1污染對焊接接頭力學(xué)性能的影響

氫既可以溶于鈦也可以與鈦形成化合物（TiH）。焊縫含氫量略提高合金的強度、略降低合金的塑性、顯著降低合金的沖擊韌性。（1）氫的影響（2）氧的影響氧在鈦的α相和β相中都有較高的溶解度，并能形成間隙固溶相。氧提高鈦合金的硬度和強度、顯著降低塑性。（3）氮的影響氮即可以固溶于鈦也可以與鈦形成氮化鈦。氮對提高焊縫的強度、硬度，降低焊縫的塑性作用比氧更為顯著。徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機物；對熔池施以良好的氣體保護，控制好氬氣的流量及流速，防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，影響保護效果；正確選擇焊接工藝參數(shù)，增加深池停留時間以便于氣泡逸出。

焊縫氣孔防止途徑（三）鈦及其合金的焊接工藝特點鑒于鈦的高活性，鈦及鈦合金焊前應(yīng)對接頭部位進行仔細清理。通常的清理方法為：機械方法去除表面氧化皮

酸洗（HF-HNO3-H2O）

清水沖洗迅速烘干。臨焊前用丙酮或酒精擦洗。清洗后的焊件必須在72h內(nèi)焊完,否則需重新清理。

1鎢極氬弧焊須采取特殊的保護措施，即采用噴尺寸較大的焊矩，以擴大氣體保護區(qū)面積；當噴嘴不足以保護焊縫及近縫區(qū)高溫金屬時，需附充氬保護拖罩。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護效果的標志。銀白色表示保護效果最好，黃色為輕微氧化，一般是允許的。

選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源，且延遲遞氣時間不少于15秒，避免焊遭受縫到氧化、污染。氬氣純度應(yīng)不低于99.99%，露點在-40℃以下，當氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時，應(yīng)停止使用。斷弧及焊縫收尾時，要繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到350℃以下時方可移開焊槍。2激光焊接激光焊接是在大氣環(huán)境中進行的，保護不良時易出現(xiàn)焊縫氣孔。焊縫氣孔與焊接線能量有密切關(guān)系，焊接線能量適中，則焊縫氣孔數(shù)量少、甚至無氣孔。3

電子束焊焊接質(zhì)量好，焊接速度快，變形小。結(jié)構(gòu)尺寸受限，成本高。4超塑性擴散焊相變超塑性擴散焊是一種介于壓焊與擴散焊之間的固相焊接方法。與壓力焊相比，需要的壓力小，變形也小。與擴散焊相比，時間短，溫度低。超塑成形/擴散連接技術(shù)在航空、航天結(jié)構(gòu)上的日益擴大應(yīng)用，適應(yīng)了鈦合金薄壁整體結(jié)構(gòu)成形與連接一體化加工趨勢。鈦合金何以進行超塑性擴散焊？釬焊接頭均呈現(xiàn)較明顯的脆性。釬焊接頭脆性大的原因之一就是釬縫中生成了大量的金屬間化合物。在釬料中加入適當?shù)暮辖鹪匾愿纳柒F縫的韌性。組織形態(tài)；晶格類型。（一）復(fù)合材料概述1復(fù)合材料的定義和特點

三、金屬基復(fù)合材料的連接

由兩種或多種物理和化學(xué)本質(zhì)不同的物質(zhì)人工制成的一種多相固體材料。(1)可改善或克服組成材料的弱點，充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，如玻璃鋼（玻璃＋樹脂）(2)可按構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，進行材料的最佳設(shè)計，給出預(yù)定的分布合理的配套性能.(3)可創(chuàng)造單一材料不易具備的性能或功能，或同時發(fā)揮不同的功能?！椿w類型分類：非金屬復(fù)合材料；金屬基復(fù)合材料?！丛鰪姴牧戏诸悾豪w維增強復(fù)合材料；顆粒增強復(fù)合材料；疊層復(fù)合材料：夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料?！磸?fù)合效果分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；功能復(fù)合材料。2復(fù)合材料的類型

金屬基復(fù)合材料是在六十年代初開發(fā)、研制的一種新型材料。具有很高的比強度、比模量及優(yōu)良的綜合性能，是當今新材料科學(xué)研究的重點與方向。復(fù)合材料二次加工成型困難，特別是連接（焊接）工藝問題一直是阻礙復(fù)合材料發(fā)展的主要因素。幾乎與金屬基復(fù)合材料的研究開發(fā)同時，從七十年代初許多從事焊接研究工作的學(xué)者就對金屬基復(fù)合材料的焊接問題作了大量的研究嘗試。成功的連接方法包括：熔化焊(鎢極氬弧焊TIG及熔化極氬弧焊MIG)、電阻焊、擴散焊、釬焊等。（二）金屬基復(fù)合材料的連接技術(shù)熔化焊是最早用于金屬基復(fù)合材料焊接的方法。雖然MIG、TIG用于鋁及其合金的焊接可得到令人滿意的焊接質(zhì)量，但它們用于Al基復(fù)合材料的焊接結(jié)果卻不理想。1熔化焊焊縫成形缺陷；焊縫成分偏析；脆性相的析出；強化相的溶解。(3)基體Al、Mg等都是很活潑的化學(xué)元素，在熔化焊的高溫條件下很容易與增強體發(fā)生反應(yīng)，在界面上生成脆性化合物。如：4Al(1)+3SiC(s)=Al4C3（脆性相）+3Si，大大削弱了增強體的作用，降低了接頭近縫區(qū)的強度。(4)B/Al復(fù)合材料在740℃停留幾分鐘就可觀察到B與Al發(fā)生了反應(yīng)，而在1000℃稍作停留就可明顯觀察到B與Al發(fā)生劇烈反應(yīng)甚至使得B完全熔化在Al液中)。(5)復(fù)合材料基體與增強相的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等相差懸殊，經(jīng)焊接熱循環(huán)后在基體與增強體界面上產(chǎn)生大量微區(qū)殘余應(yīng)力，從而惡化接頭性能。(6)焊接填充金屬材料為不含增強體的普通材料，因此無法使得焊縫金屬與母材等強，特別是以熱處理強化鋁合金為基體的復(fù)合材料經(jīng)過焊接熱循環(huán)的作用，近縫區(qū)硬度大大提高，而稍遠的退火區(qū)則發(fā)生軟化現(xiàn)象。上述問題表明常規(guī)的熔焊方法不適宜于連接金屬基復(fù)合材料。為適應(yīng)特殊的要求，焊接工藝技術(shù)也再不斷地改進：在填充金屬材料中填加適量增強相使焊縫與母材具有相同的組織結(jié)構(gòu)，并在其中添加適量合金元素以改善焊縫金屬的冶金性和潤濕性，減輕焊縫缺陷，提高焊接質(zhì)量。發(fā)展電弧跟蹤計算機全自動控制氬弧焊，對焊接過程的熱輸入、焊速、加熱冷卻時間、速度及熔池深度、大小等工藝參數(shù)進行自動控制，抑制基體與增強體的反應(yīng)，利于氫氣逸出，控制熔池金屬結(jié)晶凝固過程，實現(xiàn)焊接工藝過程的最優(yōu)化。接頭采用留間隙開坡口對接焊型式，以利熔融金屬向焊縫根部流動，克服增強相帶來的粘滯問題；焊后再經(jīng)熱處理強化，消除焊接熱循環(huán)對焊縫及母材所造成的不良影響。采用以上措施后熔化焊方法基本可以用于復(fù)合材料的焊接，并獲得較滿意接頭，母材與焊縫金屬熔合良好，幾乎不存在明顯界線，接頭強度可達到100-260MPa，但是焊縫質(zhì)量不夠穩(wěn)定，無法完全避免氣孔和裂紋等缺陷。電子束、激光束、等離子、電容儲能點焊等能量高度集中，焊接時間極短，加熱冷卻速度極快(電容儲能點焊方法焊接SiC(P)/6061Al復(fù)合材料熔池深度為90μm，焊接時間0.0004s，加熱冷卻速度106℃/S)，可避免焊接過程中基體與增強體之間的劇烈反應(yīng)，減輕對增強體造成損傷，適合復(fù)合材料焊接。擴散焊方法很適合復(fù)合材料焊接，因為它焊接溫度較低，對增強體造成的影響小。焊接時間較長，對設(shè)備要求較高，成本高，焊件尺寸形狀也很受限制，而且質(zhì)量受許多因素影響，很不穩(wěn)定。2擴散焊(1)表面處理方法、處理的時間、程度對焊接質(zhì)量、接頭強度影響很大，有時甚至相差幾倍。(2)焊接工藝參數(shù)對接頭強度影響也非常大。擴散焊溫度壓力值較小時隨焊接溫度、壓力的增加接頭強度近線性增加。在兩復(fù)合材料接合面之間增加中間過渡層，可以使原來界面上增強體-增強體(R-R)接觸改為增強體-基體(R-M)接觸，由于R-R之間幾乎無結(jié)合，而R-M結(jié)合強度遠遠大于R-R，因此使接頭強度大大提高。在過渡層金屬中添加某些有益合金元