简述连接技术在电子封装中的应用(I).doc

先进材料连接技术课程作业简述先进连接技术在航空航天工业中的应用学 号：0601学 院：航空制造工程学院所 在 系：焊接技术与工程学 生 姓 名 ：任 课 教 师 ：邢 丽2009年12月9日先进连接技术在航空航天工业中的应用序言随着航空科学技术的发展，先进连接技术将起着越来越重要的作用。新材料、新结构、新工艺的有机结合，使得焊接技术将成为航空制造领域的主导技术之一，在航空装备中越来越多地采用新材料、新结构，因而对其制造技术也提出了相关要求，与之相适应，各种新型航空材料的焊接研究陆续取得了一系列进展。今后的发展应是新的焊接方法扩大应用，传统焊接技术升级换代，建立和完善焊接数据库，推进焊接数字化。焊接制造工艺由于其工艺的复杂性，以及对劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于机械化、自动化、智能化的要求极为迫切。焊接在航空方面的发展先进连接技术的发展总是不断地从毅科技的成果中获得新的起点。20世纪初电弧应用于焊接产生了电弧焊，在航空航天方面，创造出了许多大型焊接结构，使焊接成为一种重要的连接技术。20世纪中期，电子束、等离子弧、激光束相继问世，高能束连接技术应运而生，其应用如航空发动机的电子束焊接，立即创造出了明显的经济和社会效益。新型材料的出现对连接技术提出了新的课题，成为其发展的重要推动力。8许多新材料，如耐热合金、钛合金、陶瓷、金属基，陶瓷基树脂基，碳碳复合材料等的连接，特别是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法无法完成，扩散焊、摩擦焊、超塑成形扩散连接、液相扩散焊、活性钎焊、高性能粘接与机械连接等方法应运而生，解决了许多过去无法解决的材料连接问题。新产品、新构件和新器件也对连接技术提出了新的要求，促进传统连接技术的不断改与连接技术的创新，以适应发展的要求，如微连接技术、精密钎焊技术、加活性焊剂的氨弧焊及电弧一激光等复合能源高效焊接技术等。焊接制造工艺由于其工艺的复杂性，以及对劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于机械化、自动化、智能化的要求极为迫切。目前电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化与智能化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，近20年来，在自动焊接技术方面已取得许多研究与应用成果。焊接在航空方面的现状在航空飞机、发动机的研制和生产中，焊接技术已经成为主导工艺方法之一。它的进步与发展不仅能减轻飞机、发动机的重量，而且还为航空飞机、发动机结构设计新构思提供技术支持，促进航空飞机、发动机性能的提高。1国外情况航空发动机结构中广泛采用了各种焊接技术。焊接结构件在喷气发动机零部件总数中航空航天焊接国际论坛IFWT2004所占比例已超过50，焊接的工作量已占发动机制造总工时的10左右。1在飞机结构中，Fill的机翼支承梁(钢结构)和狂风、F14的钛合金中央翼翼盒、机翼盒形梁及整体壁板结构等重要的结构上采用了焊接技术。F 22后机身前后梁采用了热等静压钛合金铸件的电子束焊接结构，原苏联20世纪60年代研制的米格25机体结构的80(结构重量)是焊接的，焊缝长达4000多m，焊点达到140万个。苏27飞机，大量采用了钛合金材料和焊接技术(60多项发明创新)，是其保证飞机性能和减重的决定性因素。2用氩弧焊、电子束焊制造了米格29的机身整体油箱和米格33的机头(含座舱)。该油箱与原苏联皿16铝合金铆接油箱相比，减重24。其中，由于1420铝锂合金的密度小，减重12(若重新设计，可减重15-16)；另12是因为焊接结构省掉了金属重叠部分、铆钉、螺栓和密封胶。该油箱可在机场条件下修理，因为该结构补焊后无需热处理工序。3俄罗斯nH13 e n JI H H H院士1990年在我国讲学时曾说过：“用发展的眼光看，其前景将出现全焊接结构的飞机，不仅可省掉重达几吨的密封件，更重要的是焊接过程比铆接过程更易于实现自动化。”表2列出第三代、第四代、第五代飞机和发动机所采用的典型焊接结构及其焊接方法。2国内情况20世纪60年代以来，国内设计的飞机上采用焊接结构越来越少，飞机厂除增添了几台氩弧焊机(含脉冲氩弧焊)、三相低频或二次整流点缝焊机和个别真空充氩弧焊设备外，三四十年一切如故，车间及设备陈旧不堪，技术水平下降。5MD一82飞机的生产除导管感应钎焊和薄板TIG焊、点缝焊外，其余变化不大。引进苏27的生产权使国内航空界受到极大的震动。其机体的焊接组件部件近千件，涉及的零件近万件，几乎遍及整个飞机机体。表3为苏27飞机的主要焊接结构说明。重要的承力构件较多地采用了焊接构件，如高强结构钢起落架的电子束焊，钛合金隔框和梁的潜弧焊，2号油箱钛合金下壁板和进气道防护隔栅采用穿透焊，后机身的钛合金蒙皮壁板采用TIG焊和点、缝焊，铝合金、不锈钢、钛合金导管采用TIG焊、感应钎焊(含现场安装感应钎焊)。通过建线及材料国产化阶段的攻关，对俄罗斯的焊接技术已基本掌握；在承力框上正以先进的EBW取代质量较差的潜弧焊工艺，由于免除反复机加工一焊接一热处理的过程，将明显地提高生产效率和降低成本。在该型机的机载设备建线阶段，除常规焊接方法外，还有电子束钎焊、扩散焊、激光焊、真空钎焊、等离子弧焊及凸焊等工艺。新型航空焊接材料连接技术1新型高温合金的焊接11镍铝金属问化合物材料与单晶合金的钎焊和TLP扩散焊镍铝金属间化合物材料与单晶合金主要用于高性能航空发动机高压涡轮工作叶片与导向叶片。镍铝金属间化合物材料主要有Ni3Al与NiAl，目前以Ni3A1为基的材料已达到较高的性能水平并获得应用。12粉末冶金高温合金的焊接国外已将摩擦焊、钎焊与扩散焊(包括热等静压扩散焊)等焊接技术用于整体转子系统、双性能涡轮及涡轮盘、层板涡轮、涡轮转子叶片和静子叶片等航空发动机粉末冶金结构件的试制或生产。13高温合金钎焊技术在航空发动机零部件修复中的应用如果能将生产和使用过程中产生的缺陷如裂纹、磨损、烧蚀修复使零部件(重新)投入使用，其效益非常可观。钎焊以及以钎焊为基础的一些新的修复技术，是航空发动机零部件修复技术中最重要的组成部分。4如美国GE公司1978年推出了一种活性钎焊方法活化扩散愈合法(ADH)，已成功地用这种工艺修复了50万件以上的高压涡轮部件。加拿大Liburdi公司采用粉末钎焊技术修复的航空发动机叶片已达到与新叶片同等寿命，并每年有数万件修复叶片在现役发动机上服役。2钛合金及钛铝金属间化合物的焊接21钛合金的焊接研究近年来，国内外在钛合金熔焊方法的研究方面取得了较大进展，如形成了钛合金活性焊剂氩弧焊工艺、钛合金窄间隙焊接方法和电磁搅拌熔池焊接方法等。此外，在钛合金焊接填充材料上也有较大发展。IFWT2004 航空航天焊接国际论坛为保证双相钛合金的焊缝具有很好的性能。1022髓弧l基合金的焊接研究国外在Ti3Al金属间化合物合金的焊接性研究涉及到的焊接方法包括GTA钨极氩弧焊、电弧焊、激光焊、电阻焊、电子束焊、摩擦焊及钎焊、扩散焊等。G Cam和MKocak认为，凡是加热温度超过B转变温度的焊接方法都会在焊接接头中引起不利组织的产生，使接头脆化，严重时能引发裂纹。23 nAl基合金的焊接及相关研究进展TiAl基合金具有力学性能对显微组织敏感、热膨胀系数低等特点，在熔焊连接时易产生较大的内应力，热裂倾向严重并且极易生成脆性金属间化合物，恶化接头的性能，所以很难得到满意的接头。相对而言，采用钎焊、扩散焊方法获得的效果较好，接头的室温及高温抗拉强度一般处于较高的水平。TiAl合金间化合物的扩散连接包括直接扩散连接、超塑成形，扩散连接、加中间层合金的扩散连接和自蔓延高温合成反应焊接。直接扩散连接或配合焊后热处理，接头的强度可达到与基体相当。31金属基复合材料的焊接311颗粒或短纤维增强铝基复合材料的焊接通过正确选用填充材料，严格控制工艺措施，脉冲氩弧焊的SiCp2124A1及A1203p6061A1复合材料接头强度分别可达复合材料母材强度的688和80左右。焊缝成形困难、脆性相(碳化铝)形成和焊接气孔问题是熔化焊时的主要问题。采用快速热循环和低热输入的高能量密度焊，包括激光焊和电子束焊，有助于克服熔化焊温度过高所引发的缺陷。电子束焊时无SiC颗粒对能量的优先吸收，无SiC的过热，能更好地抑制SiC的溶解和脆性相A14C3的生成。采用高能束脉冲激光焊接，快速加热和冷却，可抑制界面反应，细化组织，减少缺陷。312纤维增强金属基复合材料的焊接这类金属基复合材料适于制造超高声速运输机和航空航天飞机的蒙皮，以及航空发动机工作温度为6501000。C的部件。当前最受航空界重视的是连续碳化硅增强的钛基或钛铝金属问化合物基复合材料，其次是纤维增强铝基复合材料。据报道，美国己用sic(scs6)Ti一15V-3Cr-3A13Sn钛基复合材料制出了压气机整体叶盘试验件，减重达70。钛基复合材料可用于未来航空发动机压气机叶片整体环、轴、涵、2004。丽鲡法再两丽匠菘菇i、IFWT 7 2004 航空航天焊接国际论坛道、机匣、风扇区部件和尾部结构等。对储能电阻点焊、真空钎焊和扩散焊，国外已进行了一些研究。采用TiZr-CuNi非晶态箔钎焊的接头抗拉强度可达到与基体相当水平；扩散焊也用于SiC纤维增强Ti一6A14V波形板。11对铝基复合材料的电阻点焊、钎焊与扩散焊研究较多，已达到实际应用水平32陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊与扩散焊钎焊和扩散焊是连接陶瓷与金属最有效的方法，但目前国内外研究结果表明，陶瓷连接接头的强度及耐热温度与实用要求相比仍有很大距离。从20世纪90年代开始，高温钎料的研究一直是本领域的发展方向。国外在研究Si3N4陶瓷与金属连接用的新型高温钎料中，较多地设计含有贵重金属或以贵重金属Au、Pd、Pt、AgPd为基的钎料成分，但耐热温度一般不超过700。C。国外也有设计Ni一2035Cr-1004Si(at)钎料进行Si3N4Si3N4的连接报道，形成的接头在700900。C高温下四点弯曲强度可稳定达到200220 MPa，但其室温强度明显偏低(仅为118 MPa)，且未见使用该钎料对陶瓷与金属的连接报道。33 C，C复合材料的钎焊和扩散焊要满足推重比为20、涡轮热端温度达2300K以上新型涡轮发动机的设计要求，CC复合材料无疑是最有希望的预选材料。6据资料报道，在工业发达国家，已经用C，C复合材料制造了涡轮发动机的加力燃烧室、涡轮叶片和涡轮盘整体构件、涡轮排气管等，其中涡轮叶片和转子整体构件已经在1760高温下经过超速旋转试验。7国内外对CC复合材料的钎焊和扩散焊进行了一系列的探索研究，但总的来说，还未获得实际应用。34热塑性树脂复合材料的钎焊热塑性树脂复合材料在性能、工艺成形上具有韧性高、耐腐蚀、可焊接、可反复成形和易修理等优点，对降低批生产制造成本、用于更为恶劣环境具有很大潜力，是目前复合材料的热门发展领域。对热塑性树脂复合材料连接可用超声波焊、电阻焊、微波焊，也可采用感应钎焊方法，钎料为带有镍镀层碳纤维与树脂组成的预形片。碳纤维表面镀镍主要是提高其导电导热性，增强其感应加热效果，在感应加热时使预形片发生熔化，从而实现连接。4铝合金的焊接研究进展41铝合金熔焊铝合金一般采用电阻点焊和氩弧焊。但随着新材料的出现和焊接技术的发展，铝合金焊接构件的应用范围正逐步扩大。其发展方向主要有以下两个方面。411新型可焊铝合金及焊接材料俄罗斯早从20世纪80年代开始就研制了一系列含Sc的铝锂合金和焊丝，从俄罗斯的研究报道可知，加Sc焊丝能有效地解决铝锂合金焊接的接头软化问题和热裂敏感性问题。西欧和美国随后也在A1Sc合金和焊丝方面开展了大量的研究工作，主要集中在对已成熟的铝合金如6000、7000系列合金及相应的焊丝改型。我国近几年也开展了含sc铝合金和焊丝的相关研究工作。412激光焊接技术德国、法国、美国等发达国家都在20世纪80-90年代开展了激光焊接在航空领域的应用研究，形成了多种成熟的工艺，获得了质量稳定、性能优良的焊缝，并已应用到实际生产中。9欧洲空中客车经过8年努力，成功地采用激光焊接技术代替铆接技术实现了A340飞机的全部铝合金内隔板的激光加工，使机身重量减少18，制造成本下降近25。随后又将激光焊接加工技术推广应用于A一318、A一380等飞机。42铝合金的线性摩擦焊文献对先进铝合金FVSl212同种材料及与2024T351不同种材料的焊接接头线性摩擦焊的冶金性能进行了研究，并就相同材料和不同材料焊接接头、界面进行了对比评价。发现同种材料的LFRW热循环较慢，弥散体粗化明显，同种材料的焊接接头处有软化现象，接头系数为81，若优化焊接参数，可降低微观组织的粗化，进一步提高连接效率。异种材料的LFRW的特点是2024T351变形大，靠近界面的2024-T351有明显的冶金变化，但采用高轴向力时，LFRW的接头系数仍有86。8009铝合金是种高温强度和断裂韧度最佳结合的商用A1FeV-Si合金，但这种合金IFWT 7 2004 航空航天焊接国际论坛在宇航应用时通常需焊接。研究表明，线性摩擦焊是很有应用潜力的焊接工艺。焊接在航空方面的前景通过国内外情况对比分析，可看出连接技术的主要发展趋势是：1)新型或特种材料及异种材料构件的连接。2)复杂产品、构件和器件精密连接。3)焊接过程的自动化与智能控制。4)太空等特殊环境工作条件下的焊接。5)复杂焊接产品质量的可靠检测与寿命评估。6)传统连接工艺的改进及新型焊接工艺方法的开发。7)绿色连接技术和再利用修复技术。从国内外飞机、发动机已采用或拟采用的焊接结构及焊接技术发展概况看，今后我国航空焊接技术应注重如下几方面：1)加速新焊接方法的应用研究。尽快掌握激光双光束填丝焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、活性剂一气保护弧焊等新工艺，完善性能数据，掌握最佳焊接工艺及其流程。2)进一步扩大电子束焊接技术的应用，解决塑性较差的高强钛合金、超高强钢以及大厚度材料框和盒形梁等结构的焊接工艺。3)气保护焊、等离子弧焊要向数字化技术靠拢，提高自适应控制能力(弧长调节、焊缝跟踪及轨迹控制、焊枪方位及熔透控制等)，完善各类低应力无变形焊接技术，使之稳定地应用于生产。4)配合材料研究部门，掌握1421、1460、2195铝锂合金，6013、6056铝镁硅合金，Ti55，Ti60高温钛合金，SP一700、Til53、B 21S、Til7高强高韧钛合金，以及BKC210240、Aermetl00310等超高强钢的焊接技术。IFWT2004 航空航天焊接国际论坛5)掌握ODS材料、粉末高温合金及金属间化合物的扩散连接工艺，关注各类蜂窝结构(如全点焊高温合金蜂窝壁板、LIDDB钛合金蜂窝壁板)制造技术及其应用。6)探索热塑性树脂基复合材料、金属基复合材料、工程陶瓷及陶瓷基复合材料以及c，C复合材料的连接技术。7)建立焊接工艺数据库(含资源管理、工艺文件)，实现各种厚度结构件焊接过程中焊缝收缩及应力应变的仿真技术，进一步加强焊接结构完整性及可靠性评定技术研究。8)立并不断改进完善飞机及发动机结构件的焊接数字化生产线。结束语随着对飞机连接技术的不断研究、实践及应用，不仅将会产生显著的经济效益，同时