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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)為β-Ti，具有體心立方晶格。牌號TA1~TA3。2特性密度小，熔點(diǎn)高。強(qiáng)度相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼，比強(qiáng)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(jī)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)物；對熔池施以良好的氣體保護(hù)，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(hù)效果；正確選擇焊接工藝參數(shù)，增加深池停留時(shí)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(diǎn)鑒于鈦的高活性，鈦及鈦合金焊前應(yīng)對接頭部位進(jìn)行仔細(xì)清理。通常的清理方法為：機(jī)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(hù)措施，即采用噴尺寸較大的焊矩，以擴(kuò)大氣體保護(hù)區(qū)面積；當(dāng)噴嘴不足以保護(hù)焊縫及近縫區(qū)高溫金屬時(shí)，需附充氬保護(hù)拖罩。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護(hù)效果的標(biāo)志。銀白色表示保護(hù)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(shí)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(diǎn)在-40℃以下，當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時(shí)，應(yīng)停止使用。斷弧及焊縫收尾時(shí)，要繼續(xù)通氬氣保護(hù)，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到350℃以下時(shí)方可移開焊槍。2激光焊接激光焊接是在大氣環(huán)境中進(jìn)行的，保護(hù)不良時(shí)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(kuò)散焊相變超塑性擴(kuò)散焊是一種介于壓焊與擴(kuò)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(kuò)散焊相比，時(shí)間短，溫度低。超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空、航天結(jié)構(gòu)上的日益擴(kuò)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(jìn)行超塑性擴(kuò)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(dāng)?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(diǎn)

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(diǎn)，充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行材料的最佳設(shè)計(jì)，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(shí)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。※按增強(qiáng)材料分類：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；顆粒增強(qiáng)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(qiáng)度、比模量及優(yōu)良的綜合性能，是當(dāng)今新材料科學(xué)研究的重點(diǎn)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(shí)，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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)體的作用，降低了接頭近縫區(qū)的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)體的普通材料，因此無法使得焊縫金屬與母材等強(qiáng)，特別是以熱處理強(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)：在填充金屬材料中填加適量增強(qiáng)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(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制氬弧焊，對焊接過程的熱輸入、焊速、加熱冷卻時(shí)間、速度及熔池深度、大小等工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，抑制基體與增強(qiáng)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(shí)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(dòng)，克服增強(qiáng)相帶來的粘滯問題；焊后再經(jīng)熱處理強(qiáng)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(qiáng)度可達(dá)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(chǔ)能點(diǎn)焊等能量高度集中，焊接時(shí)間極短，加熱冷卻速度極快(電容儲(chǔ)能點(diǎn)焊方法焊接SiC(P)/6061Al復(fù)合材料熔池深度為90μm，焊接時(shí)間0.0004s，加熱冷卻速度106℃/S)，可避免焊接過程中基體與增強(qiáng)體之間的劇烈反應(yīng)，減輕對增強(qiáng)體造成損傷，適合復(fù)合材料焊接。擴(kuò)散焊方法很適合復(fù)合材料焊接，因?yàn)樗附訙囟容^低，對增強(qiáng)體造成的影響小。焊接時(shí)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(kuò)散焊(1)表面處理方法、處理的時(shí)間、程度對焊接質(zhì)量、接頭強(qiáng)度影響很大，有時(shí)甚至相差幾倍。(2)焊接工藝參數(shù)對接頭強(qiáng)度影響也非常大。擴(kuò)散焊溫度壓力值較小時(shí)隨焊接溫度、壓力的增加接頭強(qiáng)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(qiáng)體-增強(qiáng)體(R-R)接觸改為增強(qiáng)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R-R，因此使接頭強(qiáng)度大大提高。在過渡層金屬中添加某些有益合金元