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材料连接技术MaterialsWeldingandJoiningTechniques 赵兴kzhao 1材料连接概述2电弧焊接新技术3高能束焊接新技术4压焊连接新技术5钎焊连接新技术 提纲 4压焊连接新技术 4 3扩散焊新技术 4 1摩擦焊新技术 4 2电阻焊新技术 4 3 1扩散焊技术特点与分类4 3 2扩散焊 超塑性成形4 3 3瞬时液相扩散焊 4 3扩散焊 扩散焊 DiffusionBonding 是指在一定的温度和压力下 被连接表面相互靠近 相互接触 通过使局部发生微观塑性变形 或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面的物理接触 然后结合层原子之间经过一定时间的相互扩散 形成结合界面可靠连接的过程 优点 可以进行构件内部及多点 大面积的连接 以及电弧可达性不好 或用熔焊方法根本不能实现的连接 可以实现机械加工后的精密装配连接 工件变性很小 适合于活性金属材料 耐热金属材料 陶瓷材料等的连接 特别适合于异种材料的连接 扩散连接的70 涉及到异种材料连接 4 3 1扩散焊技术特点与分类 不足 零件被连接表面的制备和装配质量的要求较高 特别对接合表面要求严格 连接过程中 加热时间长 在某些情况下会产生基体晶粒长大等副作用 生产设备一次性投资较大 且被连接工件的尺寸受到设备的限制 无法进行连续式批量生产 2 扩散焊的分类 1 同种材料扩散连接 通常指不加中间层的两种同种金属直接接触的扩散连接 待焊表面制备质量较高焊接时要求施加较大的压力焊后扩散接头的化学成分 组织与母材基本一致 对于同种材料来说 Ti Cu Zr Ta等最易实现扩散连接 铝及其合金 含Al Cr Ti的铁基及钴基合金则因氧化物不易去除而难于实现扩散连接 两种不同的金属 合金或金属与陶瓷 石墨等非金属材料的扩散连接 异种金属的化学成分 物理性能等有显著差异 两种材料的熔点 线膨胀系数 电磁性 氧化性等差异越大 扩散连接难度越大 2 异种材料扩散连接 由于线膨胀系数不同而在结合面上出现热应力 导致界面附近出现裂纹 在扩散结合面上由于冶金反应产生低熔点共晶或者形成脆性金属间化合物 易使界面处产生裂纹 甚至断裂 扩散系数不同可能导致扩散接头中形成扩散孔洞 异种材料扩散连接时可能出现的问题 对于采用常规扩散连接方法难以焊接或焊接效果较差的材料 可在被焊材料之间加入一层过渡金属或合金 称为中间层 这样就可以焊接很多难焊的或冶金上不相容的异种材料 可以焊接熔点很高的同种或异种材料 3 加中间层的扩散连接 固相扩散连接扩散连接过程中 母材和中间层均不发生熔化或产生液相的扩散连接方法 是常规的扩散连接方法 液相扩散连接扩散连接过程中接缝区短时出现微量液相的扩散连接方法 微量液相的出现有助于改善界面接触状态 允许使用较低的扩散压力 获得微量液相的方法主要有两种 利用共晶反应利用某些异种材料之间可能形成低熔点共晶的特点进行液相扩散连接 称为共晶反应扩散连接 将共晶反应扩散连接原理应用于加中间层扩散连接时 液相总量可通过中间层厚度来控制 这种方法称为瞬间液相扩散连接 或过渡液相扩散连接 添加特殊钎料采用与母材成分接近但含有少量既能降低熔点又能在母材中快速扩散的元素 如B Si Be等 用此钎料作为中间层 以箔片或涂层方式加入 与普通钎焊相比 此钎料层厚度较薄 钎料凝固是在等温状态下完成 而钎焊时钎料是在冷却过程中凝固的 4 超塑性成形扩散连接扩散连接压力较低 与成形压力相匹配 扩散时间较长 可长达数小时 在高温下具有相变超塑性的材料 可以在高温下用较低的压力同时实现成形和扩散连接 用此种组合工艺可以在一个热循环中制造出复杂的空心整体结构件 采用此方法的条件之一是材料的超塑性成形温度与扩散连接温度接近 该方法在低真空度下完成 在超塑性状态下进行扩散连接有助于焊接接头质量的提高 这种方法已在航空航天工业中得到应用 3 扩散连接过程可以大致分为三个阶段 物理接触阶段 高温下微观不平的表面 在外加压力的作用下 总有一些点首先达到塑性变形 在持续压力的作用下 接触面积逐渐扩大 最终达到整个面的可靠接触 原子扩散阶段 接触界面原子间的相互扩散 形成牢固的结合层 可靠接头阶段 在接触部分形成的结合层 逐渐向体积方向发展 形成可靠的连接接头 扩散连接的设备 真空室真空系统加热系统加压系统测量与控制系统 材料在特定组织结构和变形温度 变形速度条件下 可以呈现异常高的塑性和较小的变形抗力 这种现象称为超塑性 利用材料的超塑性进行实际成形生产的技术称为超塑成形技术 简称SPF 超塑成形技术的应用不仅为产品的开发利用提供新的途径 而且也是节约能源 降低成本的有效措施 要具备这种超塑性的特定条件是晶粒细小 等轴 变形温度为 0 5 0 7 Tm Tm 材料熔点温度 以及较低的初始应变速率等 4 3 2超塑性成形 扩散焊 超塑胀形就是在超塑性条件下 将毛坯周边压紧 然后通过流体压力使毛坯变薄而成形的一种成形工艺 它体现了超塑成形全部特点 主要用于板材加工制造复杂形状的空心零件 超塑成形原理 超塑成形作为一种新的材料成形技术优点 成形压力小模具寿命高可一次精密成形等成形件质量好 不存在由于硬化引起的回弹导致的零件成形后的变形问题 零件尺寸稳定 对钛合金等零件更能显示其优点 利用材料的超塑性可以加工普通方法难以加工的零件 在航空航天 医疗器械制造等方面的应用获得越来越广泛的应用 尤其在航空航天领域已成为不可或缺的加工手段 超塑成形加工的零件 a 整流罩 b 弹头 c 冷却剂容器 d 骨骼矫形件 在超塑成形过程中 由于周边材料被模具压紧不参与变形 零件面积增加完全由材料的变薄来实现 同时应力和应变场分布不均匀造成了最终零件壁厚的明显差异 而且在一些局部地方容易出现破裂 它直接关系到零件能否满足设计要求 另外对于一些复杂异形结构 无法由超塑成形直接完成 这在性能及复杂零件的设计自由度上均限制了该工艺的应用和发展 将超塑成形和焊接技术相结合成为焊接 超塑成形组合工艺 焊接 超塑成形组合工艺是指在超塑成形之前或者同时进行焊接工艺 它的应用大大提高了零件制作的灵活性 复杂度 减少工序和成本 同时由于焊接技术的引进避免了复杂零件成形中的局部大变形问题 扩散连接 超塑成形组合工艺 简称DB SPF 是利用材料在一定温度和压力下具有很高延伸率和固态扩散能力 在一个热循环中完成成形和焊接的工艺技术 其技术可用来生产低成本 高减重和近无余量加工的复杂构件 材料的超塑性温度与该材料的扩散连接温度相近时 可以在一次加热过程中完成超塑成形和扩散连接两个工艺步骤 从而制造出局部加强或者整体加强的构件 用扩散连接来代替螺接 铆接 可以大大减轻构件重量 减少装配工作量 钛合金材料的性能非常适合扩散连接 超塑成形组合工艺 DB SPF 现已广泛应用于飞机 航空发动机 导弹 航天器等结构的生产中 c 三层结构 d 四层结构典型DB SPP结构件 DB SPF工艺过程中 通过阻焊剂区分焊接区域和成形区域 预先在需要超塑成形的部位涂上阻焊剂 而将需要扩散连接的部位保持表面清洁 通过DB SPF工艺成形后 即可获得重量轻 结构刚度大的封闭夹层整体构件 而且这种工艺在不改变模具结构形式的情况下 只需改变阻焊剂涂敷的位置 便可获得内部结构不同的零件 工艺流程 a 三层结构 b 四层结构 在采用DB SPF组合工艺进行多层结构的生产中 可以先扩散连接后超塑成形 DB SPF 也可以先超塑成形后扩散连接 SPF DB DB SPF工艺过程中 构件的芯板结构由板面的阻焊剂位置而定 对于钛合金来说 在高温下能同多种气体发生反应 特别是与氧 氢反应强烈 致使材料表面性能恶化 在DB SPF过程中必须对材料进行高温保护 保护方法有三种 真空保护涂料保护氩气保护 尽管真空保护接头质量较好 但生产效率低 成本高 故在工业生产中普遍采用的是氩气保护的方法 保护氩气可同DB SPF的气源结合在一起考虑 目前工业生产中