（材料加工工程专业论文）真空扩散焊机plc控制技术及tial40cr扩散钎焊研究.pdf

真空扩散焊机p l c 控制技术 及t i a i 4 0 c r 扩散钎焊研究 摘要 本文根据真空扩散焊机的组成及工作原理，结合真空扩散焊机对 控制系统以及焊接工艺的要求，运用了f x 2 系列可编程控制器对真空 扩散焊机进行逻辑控制。分别对控制软件的作用和软件构成进行了详 ， 细说明。啵备经过运行和检测证明：控制系统的软硬件功能完善，操 作简便，工作可靠争 本论文对应用于汽车工业中涡轮发动机上钛铝合金的扩散钎焊 作了初步研究。试验结果表明：扩散钎焊是一种能获得钛铝合金优 质连接的工艺，采用合适的中间层材料和工艺参数，可以获得高强度 的接头。同时，采用s e m 、e p m a 、x r d 等手段，对断口形貌、接 头组织、原子互扩散行为和界面反应进行了分析研究。探索了 t i a l a g c u t i 4 0 c r 接头结合机理。 关键词：真空扩散焊机；t i a l 合金ip l c 控制；扩散钎焊i 界面反 应 t h ep l cc o n t r o lt e c h n o l o g yo fv a c u u m d i f f u s i o nw e l d i n gd e v i c ea n dt h es t u d yo f d i f f u s l 0 nb r a z l n gj o i n tt i a la l l o yt o4 0c r s t e e l a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n g t ov a c h u i t id i f f u s i o n w e l d i n g d e v i c e ( v d w d ) sc o n t r o l l i n gs y s t e m s a n dw e l d i n gt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s ， t h eu n i t ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fv d w di s a n a l y z e d a u t h o re d i t a c o n t r o lp r o g r a mw i t hf x 2p l c t h es y s t e mc o n t r o ls o f ta n di t sf u n c t i o n a r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h et e s ta n dm e a s u r e m e n to f m a c h i n e s h o wt h a tt h ef i m c t i o ni sp e r f e c t ，i t so p e r a t i o ni se a s ya n dr e l i a b l e t h ed i f f u s i o nb r a z i n go ft i t a n i u m - a l u m i m u ma l l o ya p p l i e di nm o t o r e n g i n e i ss t u d i e di nt h e p a p e r t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a t d i f f u s i o nb r a z i n gi sf i l lg o o dm e t h o d f o r j o i n i n gt i a la l l o y u s i n gs u i t a b l e i n t e r l a y e rm a t e r i a la n dw e l d i n gp a r a m e t e r , t h eh i 曲一i n t e n s i t yj o i n tc a nb e o b t a i n e d i nt h ep a p e rm i c r o s t r u c t u r e so ft h ej o i n t ，a t o m i ci n t e r d i f f u s i o n b e h a v i o ra n di n t e r f a c er e a c t i o na r ea n a l y z e db ym e a n so fs e m ，e p m a a n dx r d ，e t c t h ej o i n i n gm e c h a n i c so ft h e t i a l a g c u t i 4 0 c r i s e x p l o r e d + k e yw o r d s ：v a c u u md i f f u s i o n w e l d i n gd e v i c e ，t i a l a l l o y , p l c c o n t r o l ，d i f f u s i o nb r a z i n g ，i n t e r f a c er e a c t i o n 第一章综述 第一节真空扩散焊机现状 1 9 4 6 年世界上第一台点阵数字计算机e n i c a 的问世，开始了人类智力解放 的新时代。7 0 年代初诞生的微型计算机，标志这计算机的发展和应用进入了新 的阶段。计算机在控制领域中作为一个强有力的控制工具，极大地推动着自动控 制技术的发展。【l j 随着计算机技术的不断发展和完善，它在信息处理及工业控制方面已得到越 来越广泛的应用。微型计算机具有高可靠性、价格便宜、使用方便灵活等特点在 大模生产中微型计算机适合控制系统的优化、可靠性等方面的要求。计算机技术 的发展给控制系统开辟了新的途径。现代控制技术又给自动控制系统增添了理论 支柱。 目前国内大多数自行设计的真空扩散焊炉都不具有自动控制功能，往往控制 功能比较简单、单一，而国外的先进真空扩散焊炉基本上都能进行自动控制。自 动控制对于提高生产效率，改善工作条件，优化人员配制和提高起到了极为重要 的作用。要与国际水平接轨，提高国内真空扩散焊炉的技术含量，采用微机连续 控制真空扩散焊炉是大势所趋。 国外对于真空扩散比较重视，近年来发展迅速，特别是俄罗斯，在真空扩散 焊接研究领域具有雄厚的实力。其应用该技术制造的产品不仅有航天航空工业精 密零件，还有许多制造行业中尺寸，大小，材料各异的不同制件。俄第聂伯所多 年来一直在从事异种金属的双金属管和空心旋转体的等静压扩散焊应用研究。其 焊接双金属管的装置有卧式和立式两种，两种装置都利用有一定压力的惰性气体 氨气作为工作介质，两者主要区别在于一种是直接加热焊件，一种是间接电加热 焊件。该所还研究了氩气对焊接热过程的影响。【2 国内在此领域研究基础较为薄 弱，扩散真空炉多不能进行连续作业，温度均匀性和控制精度较差，效率低下。 针对目前国内部分老式真空扩散焊炉存在的问题，主要设计方向如下： 1 加热系统采用钼丝作发热电阻绕成鼠笼式，用铝片和不锈钢组成反射屏 作保温层。用温控系统来调节输入钼丝的电流，以便精确控制温度。 2 用伺服系统控制加压系统，采用可编程控制器伺服阀无级调节焊接压力。 加载范围0 5 0 0 0 k g ，加载精度l 。 3 编写软件实现焊接顺序、扩散焊工艺参数控制。控制系统采用p l c ( 可 编程控制器) 。 第二节t i a i 合金扩散焊国内外技术研究 现代科学和工业技术的发展，常要求构件在高温、低温、腐蚀介质和磁场等 条件下服役。在大多数情况下，单一材料难以满足使用条件。通常采用焊接方法 将金属材料、非金属材料或金属间化合物制造成各种构件。采用熔焊方法将这些 材料连接是很困难德，而扩散焊接技术在异种金属材料，和金属与非金属的连接 中获得了广泛的应用。 t i a l 基合金密度小、比强度高、刚性好、具有良好的高温力学性能和抗氧化 性能等一系列优点，是具有广泛应用前景的高温结构材料，解决其连接问题是实 现t i a l 合金在高温工程结构中应用所必须攻克的技术难题之一。 一t i a l 基合金发展的历史和现状 1 9 5 2 年，美国加州工学院喷气推进实验室的e d u w e z 等人首次报导了t i a j 二元素中存在t i a l 相，并测定出具有l 10 型有序结构，其固溶范围和晶格常数 与t i a i 比的关系。1 9 5 6 年，美国m c a n d r e w 报导，在9 5 0 时t i a l 具有良好的 抗蠕变和抗氧化能力，但由于这种合金在室温时极脆，当时未能引起人们的重视。 随着航空航天技术的发展，人们不断地寻求新的材料来满足更高的要求。7 0 年 代初，美国w r i g h t p a t t e r s o n 空军基地航空航天材料研究室和p r a t t a n dw h i t n e y 公 司几乎同时立项，对t i a i 有序合金的各种力学性能，微观结构及制各技术进行 了较为系统的研究。与此同时，苏联也开始报导了他们的一些研究结果。1 9 8 1 年，w r i g h t p a r e r s o n 空军基地航空航天研究室的m j b l a c k b a r n 和e s m i t h 通过添 加少量的钒，使t i a l 的室温延伸率提高到1 5 ，这一结果给t i a l 的研究带来了 生机。其他一些主要工业国家也相继加强了t i a l 的研究工作。 我国也于1 9 8 8 年将t i a i 有序合金的研究列入国家“八六三”高技术新材料 发展计划，许多科研单位经几年的努力在合金的结构、变形特性、添加元素的影 响及合金制备技术等方面进行了卓有成效的研究工作，并发表了多篇关于t 1 a l 的论文。日本也于1 9 8 8 年三月报导了应用t i a l 合金试制成实验用飞机发动机。 随着各国对y n a j 有序合金研究的深入，科研人员开发了三代t i a l 合金。 第一代是t i 一4 8 a 1 1 v ( 0 ，1 c ) 变形合金，具有2 的室温延展性。第二代合金是 t i 4 8 a 1 2 c r 2 n b ，它的熔模室温延伸率为2 - 3 ，同时具有良好的断裂韧性、蠕变 抗力。第三代即为正在开发的新一代合金，其特征是以所设计的层片状结构为基 础的显微组织。面对t i a l 合金的开发前景，近几年来，国内外对脆性金属间化 合物的研究出现了两种趋势：一是研究熔点更高，可以在1 0 0 0 - - 1 2 0 0 工作的 新型金属间化合物。二是发展以金属间化合物为基础的复合材料，如用s i c 、 a 1 2 0 3 、t i 0 2 等作为增强体金属间化合物为基体。同时关于t i a l 基合金的高温性 能的研究改进过程才刚刚开始。 过去十年的大量研究表明，t i a l 基合金的综合性能很大程度上决定于其的微 观结构。所以对t i a i 基合金典型组织的研究、控制及获取方式成为这一领域的 关键所在。如图1 1 ，t i a i 基合金的组织控制是以n a l 二元相图的中心部分为基 础的。1 3 1 1 _ 合金在a 相区( 1 3 5 0 1 3 9 0 ) 退火所形成的都是由 2 一组成的层片状结构( f l ) ， 其晶粒尺寸为( 2 0 0 2 0 0 0 p m ) ，并取决于退火温度 和时间。 2 在1 3 3 0 附近处理 时，所形成的组织大部分为层 片状晶粒，这种组织为近层片 状组织( n l ) 。 3 随着退火温度下降到 1 2 8 0 ( 2 附近，层片状晶粒的相 对量及尺寸均减小，形成了层 片状晶粒与单相y 晶粒的体积 分数约相等的双态组织( d p ) ， 其晶粒尺寸为2 0 4 0 p m 。 4 进一步降低温度( d a g ，同时c u 原子与t i a l 形成a i c u 2 t i ，导 致a g c u t i 原子中c u 原子扩散到t i a l 中的量以及扩散距离均比a g 原子大。在 本文所采用的扩散钎焊温度条件下，可能在t i a l 晶格中t i 原子扩散所需激活能 较高，且t i 在a g c u t i 中扩散系数小，所以t i 向a g c u t i 扩散距离很小。 在近缝区的t i a i 合金晶界处有大量a g 扩散渗透，其原因有二点：晶界处 具有较多缺陷，a g 向晶界扩散所需激活能小，所以a g 在t i a l 合金晶界处扩散 比晶内快，这与厄赫特和斯莫留乔符斯基的实验相吻合。近缝区中生成的 a g 被固化。 界面反应 由t i a i 合金a g c u t i 端口x r d 分析结果表明：在t i a i 台金与a g c u t i 的界 面存在互反应层，生成了a i c u 2 t i 这种金属间化合物和a g 。反应式如下： t i m + 2 a g c u a 1 c u 2 t i q - 2 a g 在本试验温度下，a g 0 ，所以反应能进行。 反应层厚度为 x2=at e - 0 7 8 7( 4 ) 式中a 为常数，q 为反应激活能，r 为气体常数，t 为反应时间，t 为反应温度。 【15 】 由( 4 ) 式可见在中间层材料选定情况下，反应层厚度与扩散钎焊时间、温 度成正比，过高扩散钎焊温度和过长时间会使脆性a 1 c u 2 t i 反应层厚度过大，接 头强度会下降。 接头结合机理 综上所述，采用a g c u t i 作中间层进行t i a l 合金与4 0 c r 扩散钎焊时通过熔 融的a g c u t i 填满t i a i 合金与4 0 c r 待焊面缝隙使原子间间距减少，相互吸引产 生范德华尔兹力、a g 扩散渗透到晶界机械咬合及a g 与a g c u t i 冶金结合以及 a g c u t i 与t i a i 合金界面产生的界面反应产物a i c u 2 t i 实现连接，并获得优良的 接头强度。 4 9 第五章结论 本文通过对真空扩散焊机的p l c 控制技术和t i a l 4 0 c r 钢的扩散钎焊研究 得出结论如下： ( i )本文所研究的真空扩散焊机p l c 控制技术经实际运行证明：功能齐 全，操作简便，软硬件安全可靠，提高了焊机的自动化水平。 以a g c u - t i 合金为中间层材料，焊接工艺参数为：扩散钎焊温度9 0 0 ，时间1 0 分钟，压力0 4 m p a ，t i a l a g c u t i 4 0 c r 钢扩散焊接接 头的强度可达4 0 0 m p a 。 ( 3 ) t i a l a g c u t i 界面存在元素的表面扩散、沿晶扩散和体积扩散，其中 c u 原子和a g 原子扩散到t i a l 中的距离分别为1 0u m 左右和8 9 um o ( 4 )在t i a i 合金与a g c u t i 的界面存在界面反应，反应产物为a i c u 2 t i 金属间化合物和a g 。 ( 5 )界面原子间范德华尔兹力、冶金结合、机械咬合及界面反应是实现 t i a l a g c u t i 4 0 c r 接头连接和获得产生优良接头强度的原因。 参考文献 1 谢剑英，微型计算机控制技术，国防工业出版社，1 9 9 1 年，口1 2 许贵芝，俄罗斯真空扩散焊技术应用点滴，焊接研究与生产，1 9 9 6 年3 月， 第5 卷，第1 期，p 3 8 3 9 3 虞觉奇，易文质，陈邦迪等，二元合金状态图集，上海科学技术出版社，1 9 8 7 年，p 1 5 9 4 陈国良，林均品，有序金属间化合物结构材料物理金属学基础，冶金工业出 版社，1 9 9 9 年 5 何德孚，姚舜，王敏等，焊接与连接工程学导论，上海交通大学，1 9 9 7 年 p 1 7 1 6 t o s h i m i t s ut e t s u i ，e f f e c t so f b r a z i n gf i l l e ro np r o p e r t i e so f b r a z e dj o i n t sb e t w e e n t i a ia n dm e t a l l i c m a t e r i a l s ，i n t e r r n e t a l l i c s ，2 0 0 1 ，9 ，p 2 5 3 2 6 0 7 何鹏，张秉刚，冯吉才等，以t i v c u 、v c u 为中间层的t i a l 合金与4 0 c r 钢的扩散连接，宇航材料工艺，2 0 0 0 年，第4 期，p 5 3 8 一n o d a ，一s h i m i z u ，m o k a b e ，e t c ，j o i n i n go ft i a la n ds t e e l sb yi n d u c t i o n b r a z i n g ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ，a 2 3 9 ，p 6 1 3 9 s e t o ，s a c h i om a t s u m o t o ，k o j im a s u y a m a ，e t c ，s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so nt h e d i f f u s i o nb o n d e dj o i n to fi n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d t i a la n ds t r u c t u r a l s t e e l ， q u a r t e r l yj o u r n a lo f t h ej a p a nw e l d i n gs o c i e t y , 1 9 9 8 ，v1 6 ，p 5 9 10 三菱可编程控制器编程手册 1 1 c o l i nj s m i t h e l l s ，m c ，e 1 m ，m e t a l sr e f e r e n c eb o o k ，v o l u m e i ， r e s e a r c h ，b r i t i s ha l u m i n i u mc o l t d ，1 9 5 5 ，p 3 0 3 1 2 冯端，王业宁，丘第荣，金属物理，科学出版社，1 9 6 4 年 1 3 黄继华，金属及合金中的扩散，冶金工业出版社，1 9 9 6 年 14 j - g l u o vl a c o f f , i n e t e r f a c i a lr e a c t i o n so ft i t a n i u ma n dm u m i n u m d u r