材料连接技术6

材料连接技术

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

赵兴科课程编号：302706第二章先进材料连接技术§2-1先进的材料连接技术§2-2先进材料的连接技术§2.2先进材料的连接技术铝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陶瓷材料的连接一、铝及其合金的连接

铝是地球上丰量最大的金属元素。铝合金具有重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点。广泛地用于加工各种产品，铝合金制品与钢制品相比，结构重量可减轻50%以上。航天工业中应用最广泛。

运载火箭及各种航天器的主要结构材料。如阿波罗飞船的指挥舱、登月舱，航天飞机氢氧推进剂贮箱、乘务员舱，各种大型运载火箭等。

与日常生活紧密相关。铝罐、铝箔、铝锅、铝门窗、铝导线等等。汽车行业，把铝当成一种优先材料来使用已取得重大进步。辐射器、引擎块、传送外壳、车轮、车身面板、保险杠、空间框架、引擎支架、驱动轴和悬框普遍都是用铝做成。1.铝及其合金的分类与特性工业纯铝含99%以上，主要杂质是铁和硅。纯铝的熔点为660℃，加热无颜色变化。无同素异构转变，塑性好，强度低。（1）分类工业纯铝铝合金为了提高铝的强度，可以通过固溶强化、第二相（时效）强化和形变强化等。固溶强化铝合金Al-Mn（3000系列）

；Al-Mg

（5000系列）；Al-Mg-Si（6000系列）等。时效强化铝合金Al-Cu

（2000系列）；Al-Zn（7000系列）；

Al-Li（8000系列）等。物化性能熔点低，密度小；导热系数大，约为低碳钢的5倍；线膨胀系数大，约为低碳钢的2倍；表面易生成致密的难熔氧化铝膜；耐酸腐蚀（钝化膜）。（2）特性强度低；良好的塑性和韧性；无低温脆性转变。机械性能早期航天航空主要采用Al-Mg系列合金，特别是退火和半冷作硬化状态的LF3、LF6防锈铝，这两种铝合金都具有优良的焊接性能。随着航天技术的发展，越来越多采用可热处理强化的高强度铝合金。这类铝合金的焊接性能较差，焊接时形成热裂纹的倾向较大，对焊接过程中的各种因素也比较敏感，焊接接头的断裂韧度较低，特别是当焊缝部位存在焊接缺陷时，液压强度试验时经常发生低压爆破。

铝及其合金熔焊时的主要问题有：焊缝气孔；焊缝热裂纹；接头的软化。其他常见的焊接缺陷还包括夹杂、未熔合、焊接变形等。2.铝及其合金的焊接性（1）焊缝气孔焊缝气孔是铝及其合金熔焊时常见的缺陷，氢是产生气孔的主要原因。焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分是氢气孔的重要来源。铝焊缝冷却速度大，比钢快5倍以上，氢在液固中的溶解度相差更大。冷却速度快不利于气泡上浮。铝密度小也不利于气泡上浮。焊缝气孔防止途径从两个方面：限制氢溶入和促使氢逸出。限制焊接材料中的氢（水）含量所使用的焊接材料（包括保护气体、焊丝、焊条和焊剂等）要严格限制含水量，使用前均需干燥处理。彻底清除待焊部位的氧化膜采用化学方法或机械方法清理母材及焊丝表面的氧化膜，并及时焊接。坡口根部刮成倒V形小坡口。调整和控制焊接工艺TIG焊接时一方面尽量采用小线能量以减少熔池的存在时间，同时又要充分保证根部熔合，以利根部氧化膜上的气孔上浮。MIG焊接条件下，焊丝氧化膜的影响更为主要，减少熔池停留时间难以有效防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入，一般希望增大溶池持存在时间已利于气泡逸出。降低焊接速度和提高线能量有利于减少焊缝中的气孔。（2）焊缝热裂纹铝合金属于典型的共晶型合金，最大裂纹倾向理论上对应于相图中凝固温度区间最宽的合金成分。由于焊接加热和冷却过程迅速，在非平衡条件下焊缝热裂纹的敏感成分常小于理论值。铝合金的线膨胀系数大，焊接应力大促使热裂纹。(Al-Mg合金平衡相图中凝固区间最大的成分为Mg15.4%)焊缝热裂纹的防止途径母材的合金系统及其具体成分，对焊接热裂纹有决定性的影响。通过焊丝调整焊缝成分从抗裂角度，控制易熔共晶的数量并缩小结晶温度区间。少量易熔共晶的存在总是增大热裂纹倾向，因此一般都是使主要合金元素的含量超过最敏感量，以便产生“愈合”效果。采用与母材同质的焊丝往往具有较大的热裂纹倾向；标准的Al-5%Si焊丝和Al-5%Mg焊丝有较好的抗裂效果；易熔共晶数量很多的焊丝4145（Al-10%Si-4%Cu）抗裂性好。第三组元对铝合金热裂倾向有重要影响。添加适量的合适变质剂铝合金焊丝中几乎都有Ti、Zr、V、B等微量元素，可以细化晶粒，改善塑性，并可以显著提高抗热裂性。这些元素的共同特点是都能与铝形成一系列包晶反应生成难熔金属化合物，成为液体金属非自发形核的晶核，获得细化晶粒的效果。控制焊接工艺参数焊接工艺参数影响焊缝凝固过程的不平衡性和凝固组织的形态，也影响凝固过程中应变增长速度，从而影响焊接裂纹。热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，提高抗热裂性。小的焊接电流，可以减少熔池过热，改善抗热裂性；焊接速度大，增大焊接接头的应变速度，增大热裂倾向。（3）接头的软化非时效铝合金在退火状态下焊接时，接头的强度与母材基本等强；在冷作硬化状态下焊接时，接头的强度低于母材（软化）。时效铝合金无论在退火状态下还是时效状态下焊接时，焊后接头的强度均低于母材。时效状态下尤甚。（4）接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性一般低于母材，热处理强化合金接头的耐蚀性的降低尤其明显。焊接接头的耐蚀性的下降主要与接头的组织不均匀性有关。焊缝金属的纯度和致密性也是影响接头耐蚀性的重要因素。杂质较多，晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蚀性就会明显下降，不仅产生局部表面腐蚀，而且经常出现晶间腐蚀。焊接应力会促进焊接接头的应力腐蚀开裂。（1）从物理性能分析铝及其合金的导热性强而热容量大，线膨胀系数大熔点低和高温强度小。必须采用能量集中的热源，以保证熔合良好；采用垫板和夹具，以保证装配质量和防止焊接变形；3.铝及其合金的焊接工艺特点（2）从化学性质分析铝及其合金表面极易形成难熔的氧化膜，不仅妨碍焊缝完整形成夹杂物，而且还因吸附大量水分而促使焊缝产生气孔。焊前采用化学的和机械的方法严格清理焊材和母材；有时焊接过程中采用能除去氧化膜的焊剂；从板边准备上使表面氧化膜充分暴露在电弧下。4.铝及其合金的焊接方法简介铝作为结构金属的突破是随着20世纪40年代惰性气体焊接工艺（MIG

/TIG

）。随后新技术的发展，特别是高能束焊接和搅拌摩擦焊的推广应用，使得铝及其合金的向生产效率更高，焊接适应性更强，焊接接头质量更好的方向发展。

电阻点焊惰性气体保护电弧焊等离子弧焊电子束焊激光焊搅拌摩擦焊（1）电阻点焊导电导热性能良好以及存在表面氧化膜等特点，给电阻点焊带来了很大的困难，铝合金点焊电极寿命短。从电极衰退到最终失效主要经历了铝剥离、铝与铜合金化、电极端面蚀斑及电极端面凹坑四个阶段。定期对电极表面清洁。采用端部镶嵌钨的复合电极。

（2）钨极氩弧焊直流反接，利于工件表面氧化膜的去除。添加焊丝，有助于避免焊缝热裂纹。采用较小的焊接热输入量。几十年来，铝及其合金的焊接工艺主要是钨基氩弧焊（TIG），包括手工氩弧焊和自动氩弧焊。减少焊接结构的焊接残余应力和变形，并减小焊接热影响区的软化程度。焊接接头强度系数为0.5～0.7。（3）等离子弧焊接变极性等离子焊接技术用于铝合金焊接，单道焊接铝合金厚度可达25.4mm。采用深熔焊工艺，既有利于焊缝的正面成形，又有利于熔池中氢的逸出，减少气孔。1978年美国NASA宇航局马歇尔宇航中心决定变极性等离子弧焊技术部分取代钨极氩弧焊工艺焊接航天飞机外贮箱。航天飞机外贮箱材料为2219铝合金，共焊接了6400m焊缝，经100%X射线检测，未发现任何内部缺陷，焊缝质量比TIG多层焊明显提高。

真空电子束焊保护效果好，并有利于焊接部位氧化膜的分解，焊接质量好，焊接效率高。受真空室空间限制，难以用于大型铝合金结构的焊接。

（4）电子束焊接通过局部密封技术，如磁流体密封、橡胶圈密封等，实现局部真空电子束焊，用于大型构件焊接。前苏联将局部真空电子束焊接技术应用于不同类型和尺寸火箭燃料贮箱壳体的焊接，在壳体的纵缝、对接环缝及法兰环缝焊接中，有7种类型焊缝（纵缝、对接环缝、法兰环缝）应用局部真空电子束焊接工艺，其中能源号火箭贮箱的壁厚为42mm。在未来的航天器厚壁结构中，特别对于焊接残余应力和变形要求较高的法兰环缝焊接生产中，局部真空电子束焊接技术应用对焊接质量的提高有着极为重要的意义。

（5）激光焊接提高吸收率的措施可以采用表面化学改性（如阳极氧化）、表面镀层、表面涂层。激光焊接铝及其合金存在一定的困难，如反射率、导热性和蒸发温度高，难于诱导小孔的形成以及容易产生气孔。（6）激光-电弧复合焊激光对电弧有引导和聚焦作用，有助于采用直流反接，发挥电弧的去氧化膜能力；在保证大熔深的同时适当增加熔池宽度,降低凝固速度,有利于减小气孔倾向和热裂纹；利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能。可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度。这些优点使得激光-电弧复合焊极可能成为解决铝合金激光焊的最佳方法，应用前景更为广阔。搅拌摩擦焊属于固相焊，特别适合应用于熔化焊接性差的有色金属。相对于熔化焊接方法，不会产生与熔化有关的焊接缺陷，如热裂纹和气孔。（7）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，包括目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料。铝及其合金的搅拌摩擦焊技术已达到实