材料连接技术7

1、材料连接技术材料连接技术 Materials Welding and Joining Techniques 赵兴科赵兴科 课程编号：302706 2.2 先进材料的连接技术先进材料的连接技术 铝及其合金的连接铝及其合金的连接 钛及其合金的连接钛及其合金的连接 金属基复合材料的连接金属基复合材料的连接 陶瓷材料的连接陶瓷材料的连接 （一）（一） 钛及其合金的分类与特性钛及其合金的分类与特性 1 分类分类 （1）工业纯钛）工业纯钛 二、二、钛及其合金的连接钛及其合金的连接 密度小（4.5g/cm3）、熔点高（1668）。 在固态下有同素异构转变，882.5以下为密排 六方晶格的-Ti；在882.5

2、 以上直至熔点为- Ti，具有体心立方晶格。 牌号TA1TA3。 常用的Ti-6Al-4V(TC4) 为 (+)双相合金。 （2）钛合金）钛合金 根据钛合金退火状态的室温组织，可将钛合金分 为三种类型： 型、型和(+)型，牌号分别为 TA48、TB12和TC110合金系列。 2 特性特性 密度小，熔点高。 强度相当于优质钢，比强度高。 热膨胀系数很小，热应力小。 导热性差，磨擦系数大，机加工性能较差。 与氧的亲和力大，表面易形成致密的氧化膜。 常温下非常稳定，耐蚀性好。 （二）钛及其合金的焊接性（二）钛及其合金的焊接性 钛和钛合金的焊接性取决于它的物理化学性能。 空气中加热时，钛在250开始吸

3、氢，500开始 吸氧，600开始吸氮。 随着温度提高，钛吸收气体的能力增大。 1 污染对焊接接头力学性能的影响污染对焊接接头力学性能的影响 氢既可以溶于钛也可以与钛形成化合物（TiH）。 焊缝含氢量略提高合金的强度、略降低合金的塑性、 显著降低合金的冲击韧性。 （1）氢的影响）氢的影响 （2）氧的影响）氧的影响 氧在钛的相和相中都有较高的溶解度，并能形成间 隙固溶相。 氧提高钛合金的硬度和强度、显著降低塑性。 （3）氮的影响）氮的影响 氮即可以固溶于钛也可以与钛形成氮化钛。 氮对提高焊缝的强度、硬度，降低焊缝的塑性 作用比氧更为显著。 2 焊缝气孔 焊缝中的气孔是焊接钛合金最为普遍的缺陷。 存

4、在于被焊金属电弧区中的氢和氧是产生气孔 的主要原因。 焊接工艺不正确、保护气体的纯度不够以及接头 污染等增加气孔倾向。 彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等 有机物； 对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量 及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果； 正确选择焊接工艺参数，增加深池停留时间以便 于气泡逸出。 焊缝气孔防止途径焊缝气孔防止途径 （3）焊接接头的裂纹 钛合金的焊缝热裂倾向小。 热影响区可能出现延迟冷裂纹。 F防止延迟裂纹主要是减少焊接接头氢的来源， 必要时进行真空退火处理。 热应力小；结晶温度区间窄。 氢致脆性 （三）钛及其合金的焊接工艺特点（三）钛及其合金的焊接工艺特点

5、鉴于钛的高活性，钛及钛合金焊前应对接头部位 进行仔细清理。 通常的清理方法为：机械方法去除表面氧化皮 酸洗（HF-HNO3-H2O ） 清水冲洗迅速烘干。 临焊前用丙酮或酒精擦洗。 清洗后的焊件必须在72h内焊完, 否则需重新清理。 （四）钛及其合金的焊接方法简介（四）钛及其合金的焊接方法简介 钛材总量的60用于航空业，焊接具有特殊性。 航空领域以电子束焊为主，其次是钨极氩弧焊、 扩散焊、电阻焊等。 非航空领域以TIG保护焊为主，其次是钎焊、电 阻焊、高能束焊和扩散焊等多种焊接方法。 1 钨极氩弧焊钨极氩弧焊 须采取特殊的保护措施，即采用喷尺寸较大的焊矩， 以扩大气体保护区面积；当喷嘴不足以保

6、护焊缝及 近缝区高温金属时，需附充氩保护拖罩。 焊缝和近缝区颜色是保护效果的标志。银白色表示 保护效果最好，黄色为轻微氧化，一般是允许的。 选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源， 且延迟递气时间不少于15秒，避免焊遭受缝到氧化、 污染。 氩气纯度应不低于99.99%，露点在-40以下，当 氩气瓶中的压力降至0.981MPa时，应停止使用。 断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝 及热影响区金属冷却到350以下时方可移开焊枪。 2 激光焊接激光焊接 激光焊接是在大气环境中进行的，保护不良时易 出现焊缝气孔。 焊缝气孔与焊接线能量有密切关系，焊接线能量 适中，则焊缝气孔数量少、甚至无

7、气孔。 3 电子束焊电子束焊 焊接质量好，焊接速度快，变形小。 结构尺寸受限，成本高。 4 超塑性扩散焊超塑性扩散焊 相变超塑性扩散焊是一种介于压焊与扩散焊之间 的固相焊接方法。 与压力焊相比，需要的压力小，变形也小。 与扩散焊相比，时间短，温度低。 超塑成形/扩散连接技术在航空、航天结构上的 日益扩大应用，适应了钛合金薄壁整体结构成形 与连接一体化加工趋势。 钛合金何以进行超塑性扩散焊？钛合金何以进行超塑性扩散焊？ 5 钎焊钎焊 真空钎焊可以避免高温情况下氧、 氮和 氢各种 气体元素对钛合金钎缝性能的影响。 目前国内外TC4合金真空钎焊用钎料主要以钛 基和锆基钎料为主。 以纯金属箔的复合叠片

8、、纯金属粉末的混合物以及 快淬合金粉末、 快淬急冷箔带等形式加入。 钎焊接头强度可接近基体本身的强度。 钎焊接头均呈现较明显的脆性。 钎焊接头脆性大的原因之一就是钎缝中生成了大量 的金属间化合物。 在钎料中加入适当的合金元素以改善钎缝的韧性。 F组织形态； F晶格类型。 2.2 先进材料的连接技术先进材料的连接技术 铝及其合金的连接铝及其合金的连接 钛及其合金的连接钛及其合金的连接 金属基复合材料的连接金属基复合材料的连接 陶瓷材料的连接陶瓷材料的连接 （一）（一）复合材料概述复合材料概述 1 复合材料的定义和特点复合材料的定义和特点 三、三、金属基复合材料的连接金属基复合材料的连接 由两种或

9、多种物理和化学本质不同的物质人工制成 的一种多相固体材料。 (1)可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点， 如玻璃钢（玻璃树脂） (2)可按构件的结构和受力要求，进行材料的最佳设计， 给出预定的分布合理的配套性能. (3)可创造单一材料不易具备的性能或功能，或同时发挥 不同的功能。 按基体类型分类：按基体类型分类： 非金属复合材料； 金属基复合材料。 按增强材料分类：按增强材料分类： 纤维增强复合材料； 颗粒增强复合材料； 叠层复合材料： 夹层结构复合材料。 按复合效果分类：按复合效果分类： 结构复合材料； 功能复合材料。 2 复合材料的类型复合材料的类型 增强相大小应适当，一般几微米

10、到几十微米； 增强相的体积含量应在20以上； 增强相应高度均匀弥散分布在基体中； 增强相与基体之间有一定的结合强度。 结构复合材料基本要求：结构复合材料基本要求： 金属基复合材料是在六十年代初开发、研制的一种 新型材料。 具有很高的比强度、比模量及优良的综合性能，是 当今新材料科学研究的重点与方向。 复合材料二次加工成型困难，特别是连接（焊接） 工艺问题一直是阻碍复合材料发展的主要因素。 几乎与金属基复合材料的研究开发同时，从七十年 代初许多从事焊接研究工作的学者就对金属基复合 材料的焊接问题作了大量的研究尝试。 成功的连接方法包括：熔化焊(钨极氩弧焊TIG及熔 化极氩弧焊MIG)、电阻焊、扩

11、散焊、钎焊等。 （二）金属基复合（二）金属基复合材料的连接技术材料的连接技术 熔化焊是最早用于金属基复合材料焊接的方法。 虽然MIG、TIG用于铝及其合金的焊接可得到令人满意 的焊接质量，但它们用于Al基复合材料的焊接结果却 不理想。 1 熔化焊 焊缝成形缺陷； 焊缝成分偏析； 脆性相的析出； 强化相的溶解。 (1)大量固态增强体(如碳化硅颗粒)存在于熔融液态基体中， 降低熔池的流动性，使其发生粘滞，产生夹渣影响正 常成形；粘滞的熔池金属使得扩散氢不易逸出，残留 于焊缝中造成大量气孔，若母材焊前未经去气处理而 吸附较多氢，则气孔现象更严重。 金属复合材料熔焊的特点金属复合材料熔焊的特点 (2)

12、熔池结晶过程中固态增强体(如SiC颗粒)不能成为结晶 核心，被长大的结晶相所排斥，聚集于最后结晶的焊 缝中心处或母材与焊缝金属的熔合线处，极易引起焊 缝中心及焊趾结晶裂纹，并使得焊缝组织发生脆化分 层，大大降低接头强度。 (3)基体Al、Mg等都是很活泼的化学元素，在熔化焊的高温 条件下很容易与增强体发生反应，在界面上生成脆性化 合物。如：4Al(1)+3SiC(s)=Al4C3（脆性相）+3Si，大大 削弱了增强体的作用，降低了接头近缝区的强度。 (4) B/Al复合材料在740停留几分钟就可观察到B与Al发生 了反应，而在1000稍作停留就可明显观察到B与Al发生 剧烈反应甚至使得B完全熔

13、化在Al液中)。 (5)复合材料基体与增强相的导热系数、热膨胀系数等相差 悬殊，经焊接热循环后在基体与增强体界面上产生大量 微区残余应力，从而恶化接头性能。 (6)焊接填充金属材料为不含增强体的普通材料，因此无法 使得焊缝金属与母材等强，特别是以热处理强化铝合金 为基体的复合材料经过焊接热循环的作用，近缝区硬度 大大提高，而稍远的退火区则发生软化现象。 上述问题表明常规的熔焊方法不适宜于连接金属基复 合材料。 为适应特殊的要求，焊接工艺技术也再不断地改进： 在填充金属材料中填加适量增强相使焊缝与母材具 有相同的组织结构，并在其中添加适量合金元素以 改善焊缝金属的冶金性和润湿性，减轻焊缝缺陷，

14、提高焊接质量。 发展电弧跟踪计算机全自动控制氩弧焊，对焊接过 程的热输入、焊速、加热冷却时间、速度及熔池深 度、大小等工艺参数进行自动控制，抑制基体与增 强体的反应，利于氢气逸出，控制熔池金属结晶凝 固过程，实现焊接工艺过程的最优化。 接头采用留间隙开坡口对接焊型式，以利熔融金属 向焊缝根部流动，克服增强相带来的粘滞问题； 焊后再经热处理强化，消除焊接热循环对焊缝及母 材所造成的不良影响。 采用以上措施后熔化焊方法基本可以用于复合材料的焊接， 并获得较满意接头，母材与焊缝金属熔合良好，几乎不存 在明显界线，接头强度可达到100-260MPa，但是焊缝质 量不够稳定，无法完全避免气孔和裂纹等缺陷

15、。 电子束、激光束、等离子、电容储能点焊等能量高度 集中，焊接时间极短，加热冷却速度极快(电容储能 点焊方法焊接SiC(P)/6061Al复合材料熔池深度为 90m，焊接时间0.0004s，加热冷却速度106/S)， 可避免焊接过程中基体与增强体之间的剧烈反应，减 轻对增强体造成损伤，适合复合材料焊接。 扩散焊方法很适合复合材料焊接，因为它焊接温度 较低，对增强体造成的影响小。 焊接时间较长，对设备要求较高，成本高，焊件尺 寸形状也很受限制，而且质量受许多因素影响，很 不稳定。 2 扩散焊 (1)表面处理方法、处理的时间、程度对焊接质量、 接头强度影响很大，有时甚至相差几倍。 (2)焊接工艺参数对接头强度影响也非常大。扩散焊温度 压力值较小时随焊接温度、压力的增加接头强度近线性 增加。 在两复合材料接合面之间增加中间 过渡层，可以使原来界面上增强体- 增强体(R-R)接触改为增强体-基体 (R-M)接触，由于R-R之间几乎无结 合，而