材料连接技术5

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：302706一、一、高能束焊接高能束焊接 4. 高能束流复合焊接随着激光技术以及弧焊设备的发展，尤其是激光功率和电流控制技术的提高，70年代提出了电弧复合焊接。激光激光- -电弧复合焊接原理电弧复合焊接原理GMA (GAS Metal Arc)成本低，使用填丝，适用性强；但是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低；但是工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。Laser-GMA的复合效应表现：高效；节约；增加焊接适应性。电弧加热使

2、金属温度升高，降低了金属对激光的反射率，增加了对光能的吸收；高效高效激光等离子体使电弧更稳定，电弧进入熔池小孔，同时减小了能量的损失；较高的能量密度和较低的热损失决定了较高的焊接速度，提高了焊接生产效率。节约节约坡口夹角小，焊缝面积与激光焊时相近，减少了添加的焊接材料量。在较低激光功率下获得更大的熔深，减少了能量消耗。钨极寿命显著增加，节约了电极材料。提高焊接适应性提高焊接适应性利用电弧的阴极清洁作用焊接，尤其适用于铝等活性金属；方便的填丝可降低工件装配要求，间隙适应性好；方便的填丝可调整焊缝的成分，提高有助于消除焊缝结晶缺陷，并改善焊接接头的性能；提高了对特种材料连接、异种材料连接的适应性。

3、2.1 先进的材料连接技术先进的材料连接技术二、二、瞬时液相扩散焊接瞬时液相扩散焊接 待焊的表面间加一层有利于扩散的中间材料。该材料在加热保温中熔化，并形成少量的液相。这些液相金属可填充缝隙，也使液相中的某些元素向母材扩散，最后形成冶金连接。1. 瞬时液相扩散焊的由来瞬时液相扩散焊的由来1955年发现在Ag钎焊过程中，经过高温长时间保温后，接头中没有检测到Ag的存在，并且形成的接头抗剪强度极高。1959年在应用合金为中间层连接Ti时又出现该现象。1961年有意识地采用了瞬时液相扩散焊的思想连接Zr合金和不锈钢，即直接对接在一起，通过扩散发生Fe,Cr,Ni和Zr低熔点液相获得接头。1970年提

4、出活性扩散连接的概念。1974年汇总了各种现象并用相图加以理论解释，名称也逐渐统一。1990年后代技术趋于成熟，应用迅速。2. 瞬时液相扩散焊的原理与过程瞬时液相扩散焊的原理与过程液相形成和填满间隙。元素扩散和等温凝固。元素扩散和接头均匀化。三个阶段：三个阶段：液相形成和填满间隙液相形成和填满间隙熔点低于母材的中间层异种或同种可与母材形成低熔点共晶的中间层异种等温凝固与成分均匀化等温凝固与成分均匀化元素扩散导致溶液成分改变，固相线温度提高。表面准备要求不高。加热温度低，避免结晶缺陷，变形小。需要的焊接压力小。焊接时间短。装备轻，自动化程度高。接头质量可靠。3. 瞬时液相扩散焊的特点瞬时液相扩散

5、焊的特点瞬时液相扩散焊的特点是焊接温度低，母材不熔化，可焊接异种材料，变形小，强度接近母材，高温性能好，设备投资及焊接成本远低于高能束焊(激光焊、电子束焊)。钎焊的操作方法，固相扩散焊的接头性能。(1)熔点低于母材或形成熔点低于母材的共晶；(2)与母材间的润湿性好；(3)不形成有害的金属间化合物；(4)完成等温凝固快；(5)成分均匀化快。技术关键技术关键中间层的选择中间层的选择主组元应尽量与母材相同；合金元素在母材有较大的溶解度；在母材中的较大扩散系数；有一定“自钎剂”作用；不形成稳定的有害相；满足特殊性能要求(如抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、抗低温脆断性能等) 。粉末、电镀、喷涂、非晶箔带等预

6、置中间层。粉末、电镀、喷涂、非晶箔带等预置中间层。低碳钢管，低合金高强钢管或捧料的对接焊。不锈钢管或捧料对接焊。铸铁件的对接焊。异种金属材料的对接焊。使用传统连接方法困难的单晶、陶瓷、复合材料等。4. 瞬时液相扩散焊的应用瞬时液相扩散焊的应用高效、快速，特别适用于固定位置的对接焊。在电力、石油、化工、城建等建设工程中，管道焊接的工作量非常大，如1台300 MW火力发电机组，中小直径钢管(直径133 mm)焊接接头总数超过4万个。采用传统的焊条电弧焊，工期长、效率低、焊接质量取决于焊工操作水平。应用举例应用举例用液相扩散焊连接替代焊条电弧焊，对管道进行连接，具有生产率高、焊接时间短等优点，生产效

7、率是传统焊接方法的10倍以上。特别适于条件较差的施工环境，大大节省了人力、物力和能源。在大气条件下惰性气体保护的瞬时液相扩散焊不用真空炉，节约了设备投资，也适合在野外施工的场合。2.1 先进的材料连接技术先进的材料连接技术三、搅拌摩擦焊三、搅拌摩擦焊1992年，英国焊接研究所获搅拌摩擦焊专利权。不使用耗材、能耗少、对环境影响小、简单有效等特点使之成为20世纪最重要的焊接创新之一，被认为是继激光焊后又一次革命性的焊接技术。 搅拌摩擦焊技术发明十多年来，无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术。在航空航天飞行器、高速舰船快

8、艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术和经济效益。现在美国波音公司已将该种新工艺用来生产航空航天各种铝合金容器，并投入大量资金为这种新工艺进行深一步开发和研究，想以此来加强在航空航天工业生产中的竞争实力。1. 搅拌摩擦焊的原理搅拌摩擦焊的原理由搅拌头的摩擦热和机械挤压的联合作用下形成接头1)焊接时，工件放置在垫板上，并加以约束；2)旋转的搅拌头在与工件表面接触时通过摩擦生热使得该处金属软化；3)在顶压力的作用下，搅拌头缓缓进入工件连接处；4)搅拌头周围的一层金属塑性化；5)搅拌头沿焊接方向移动形成焊缝。2. 搅拌摩擦焊的特点搅拌摩擦焊的特点连接

9、温度低，变形小（即使是长焊缝也是如此）；固相焊接方法，接头的性能好；焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质；焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料等；能够进行全位置的焊接；操作简单； 焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种环保型工艺方法。 o焊缝末尾通常有孔存在。 o焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性。o与弧焊相比，焊速比熔焊慢、焊接时焊件必须夹紧、还需要垫板等。缺少焊接操作的柔性。o不能实现添丝焊接。搅拌摩擦焊的局限性搅拌摩擦焊的局限性3. 搅拌摩擦焊的应用现状搅拌摩擦焊的应用现状搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化

10、、搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。工业化的应用水平。1996年挪威MARINE公司应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造；1997年日本HITACHI公司应用于列车车体的快速低成本制造，实现了大壁板铝合金型材的工业化制造；1999年美国波音公司应用于DELTA II型和IV型火箭的制造，已发射升空；2000年美国TOWER汽车公司应用于汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身。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”的金属材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li

11、(如8090、2090 和2195铝合金)等；对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；可以较容易实现异种材料的连接，例如铝钢、铝不锈钢、铜铝等；研究成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。搅拌摩擦焊对材料的适应性也很强。搅拌摩擦焊对材料的适应性也很强。4. 搅拌摩擦焊的发展趋势搅拌摩擦焊的发展趋势搅拌摩擦焊设备搅拌摩擦焊设备早期的搅拌摩擦焊设备是利用传统铣床改装而成；随着搅拌摩擦焊技术应用领域的日趋扩大,以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊缝形式的复杂多样化，普通铣床的刚性以及操作控制都难以满足对搅拌摩擦焊更高的技术需求

12、，搅拌摩擦焊设备逐渐从试验型设备向商用专机化方向发展1996年瑞典伊萨(ESAB)公司，在英国焊接研究所的专利许可基础上，为挪威Marine Aluminum公司制造了世界上第一台工业用搅拌摩擦焊机，用于铝合金型材的搅拌摩擦焊。此后，世界上有诸多的焊接设备制造公司，在取得英国焊接研究所专利许可的基础上，生产和制造了多种形式的专业化的搅拌摩擦焊设备。 2004年英国SMART公司为英国焊接研究所设计生产世界上焊接能力最大的搅拌摩擦焊设备，该设备可以实现单道焊接厚度为100mm铝合金材料；2005年开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术。搅拌头搅拌头技术关键技术关键加热和软化被焊接材料（工件材料）；破碎和弥散接头表面的氧化层；驱使搅拌针前部的材料向后部转移；驱使接头上部的材料向下部转移；使转移后的热塑化的材料形成固相接头。搅拌摩擦焊工艺搅拌摩擦焊工艺搅拌头的倾角；搅拌头的旋转速度；搅拌头的插入深度