材料連接技術4.

1、材料連接技術材料連接技術Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號：302706第二章第二章 先進材料連接技術先進材料連接技術2-1 先進的材料連接技術先進的材料連接技術2-2 先進材料的連接技術先進材料的連接技術2.1 先進的材料連接技術先進的材料連接技術高能束焊接；高能束焊接；液相擴散液相擴散焊接；焊接；攪拌摩擦焊接攪拌摩擦焊接一、高能束焊接一、高能束焊接 o普通鎢極氬弧的最高溫度為10000-24000K，能量密度104w/cm2；o等離子弧溫度為24000-50000K，能量密度105-106 w/cm2 ；o焊接用激光的能量

2、密度可以達109 w/cm2 。能量密度高，焊接速度快，熱影響區(qū)小。能量密度高，焊接速度快，熱影響區(qū)小。功率密度105W/cm2以上的粒子流即稱為高能束。焊接過程的特點是可以穿透工件，實現(xiàn)小孔（keyhole）焊接。用于焊接的高能束流可以為單一的電子、光子、離子，也可以是它們的混合物激光束+電弧（TIG、MIG、Plasma）復合熱源。活性焊劑 TIG焊亦具有高能束焊接的特點。深熔焊（穿孔型、小孔焊）是高能束焊接的重要特征，能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”結構來完成的。在足夠高的功率密度粒子束流照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達

3、25000度。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。高能束焊的特征高能束焊的特征深熔焊的冶金過程及工藝理論深熔焊的冶金過程及工藝理論小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。 高的深寬比，節(jié)約工時和焊接材料。熱效率高，熱輸入少，熱影響區(qū)窄，熱變

4、形小。高致密性。充滿高溫蒸汽的小孔利于熔池攪拌和氣體逸出，成分純凈。焊縫組織細密，性能好。可實現(xiàn)單面焊雙面成形，生產(chǎn)效率高。深熔焊的優(yōu)點：深熔焊的優(yōu)點：高能束設備的大型化高能束設備的大型化功率大型化及可加工零件功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化；（乃至零件集成）的大型化；新型設備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波新型設備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波長激光器等；長激光器等；設備的智能化以及加工的柔性化；設備的智能化以及加工的柔性化；束流品質(zhì)的提高及診斷；束流品質(zhì)的提高及診斷；束流、工件、工藝介質(zhì)相互作用機制的研究；束流、工件、工藝介質(zhì)相互作用機制的研究；束流的復合；束流的復合；

5、新材料的焊接；新材料的焊接；應用領域的擴展。應用領域的擴展。 當前高能束焊接被關注的主要領域是：1. 等離子弧焊接等離子弧焊接1954年美國Robert Gage 發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過壓縮的電弧能量更加集中，電弧溫度和射流速度大幅度提高。這種具有高溫、長弧柱特性的拘束態(tài)電弧很快被用于切割有色金屬，不久又用于焊接。1966年美國研制了一套自動化等離子弧設備，用于焊接直徑3m，壁厚9.5mm，材料為D6AC鋼的大力神火箭助推器殼體，標志著等離子弧焊正式應用于實際產(chǎn)品的生產(chǎn)。70年代初期美國采用變極性方波電源設計制造了第一臺變極性等離子弧焊電源，在鋁合金構件焊接中得到廣泛應用。小孔型等離子弧焊接的特點小孔型等

6、離子弧焊接的特點對于中厚度金屬材料，在不填絲、不開坡口、不需要背面強制成型保護條件下，可以實現(xiàn)單面一次焊雙面良好成性，從而大大提高焊接生產(chǎn)率。尤其是適用于密閉容器，小直徑管焊縫等背面難以施焊的結構件。接頭內(nèi)部缺陷率低，焊接變形小。2. 電子束焊接電子束焊接電子束發(fā)生器中的陰極加熱到一定的溫度時逸出電子，電子在高壓電場中被加速，通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密集度極高的電子束；當電子束轟擊焊接表面時，電子的動能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使焊接處的金屬熔融，當焊件移動時，在焊件結合處形成一條連續(xù)的焊縫。電子束焊是以集中的高速電子束轟擊工件表面時所產(chǎn)生的電子束焊是以集中的高速電子束轟擊工件表面時所產(chǎn)生的熱能進

7、行焊接的方法熱能進行焊接的方法。常用的電子束焊工藝：高真空電子束焊；低真空電子束焊；非真空電子束焊；局部真空。電子束焊接工藝電子束焊接工藝真空度對焊縫形狀的影響真空電子束焊接時焊縫熔深大、熔寬小、焊縫金屬純度高。它既可以用在很薄材料的精密焊接，又可以用在很厚的（最厚達300mm）構件焊接。能解決異種金屬、易氧化金屬及難熔金屬的焊接，主要用于要求高質(zhì)量的產(chǎn)品的焊接。焊接周期長（抽真空），不適于大批量產(chǎn)品；工件尺寸受限。 設備為25kW電子束焊機。母材Al Mg0.4 Si1.2，添加材料AlMg4.5Mn ，送絲速度35m / min ，焊接速度高達60m / min。在非真空電子束焊接方面，德

8、國已實現(xiàn)了填絲焊接。日、俄、德開展了雙槍及填絲電子束焊技術的研究，在對大厚度板第一次焊接的基礎上，通過第二次填絲來彌補頂部下凹或咬邊缺陷；日本采用雙槍實現(xiàn)了薄板的超高速焊接，反面無飛濺，成形良好。 法國研制成功雙金屬和三金屬薄帶材電子束焊接技術。 我國電子束焊機研制始于60年代，通過采取關鍵部件（電子槍，高壓電源等）引進、其它部件國內(nèi)配套的方式，至今已研制生產(chǎn)出不同類型和功能的電子束焊機上百臺，并形成了一支研制生產(chǎn)的技術隊伍，能為國內(nèi)市場提供小功率的電子束焊機，性能接近國外同類產(chǎn)品。電子束焊接應用電子束焊接應用60年代初，開始應用于原子能工業(yè)和宇航工業(yè)；60年代末推廣于汽車工業(yè)；70年代應用于

9、機械制造業(yè)、電機電器工業(yè)、儀器儀表工業(yè)和電子工業(yè)；八十年代開始逐步在向民用工業(yè)轉(zhuǎn)化。目前電子束焊接產(chǎn)品包括導彈尾翼、 壓力傳感器、 汽車半軸、 汽車寶塔齒輪、汽車變速箱齒輪、 真空高壓觸頭、汽輪機隔板、壓力容器、 波導管、 熱交換器等。 例如，汽車手動變速器中同步環(huán)與齒輪的電子束焊接件例如，汽車手動變速器中同步環(huán)與齒輪的電子束焊接件超高能密度裝置研制；設備智能化、柔性化；電子束流特性診斷；束流與物質(zhì)作用機制；非真空電子束焊設備及工藝等。國外電子束焊接發(fā)展可歸結為：電子束焊接發(fā)展趨勢電子束焊接發(fā)展趨勢2.1 先進的材料連接技術先進的材料連接技術一、高能束流焊接一、高能束流焊接 3. 激光焊接激光

10、焊接高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領域。獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領域獲得了日益廣泛的應用。 激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結晶形成焊接。激光焊接的原理和機理熱傳導焊接激光深熔焊機理:這兩種焊接機理根據(jù)實際的材料性質(zhì)和焊接需要來選擇，通過調(diào)節(jié)激光的各種焊接工藝參數(shù)得到不同的焊接機理。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導型；隨著高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，深熔型（小孔型）焊接

11、得到更廣泛的應用。激光焊接的主要工藝參數(shù)：激光焊接的主要工藝參數(shù)：激光體能量激光體能量焊接體能量與激光功率呈正比、焊接速度呈反比、與離焦量呈指數(shù)關系。綜合反映激光焊接過程中激光功率、焊接速度、離焦量及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對激光焊接過程的影響，隨著焊接體能量的增大，焊縫熔深近似呈線性增大。 (a) 激光功率激光功率 (b) 焊接速度焊接速度(c) 離焦量離焦量1120W1300W1480W1890W激光功率對NiTi合金焊縫形狀的影響（焊速1.5m/min）焊接速度對NiTi合金焊縫形狀的影響（功率1460W）1.2m/min1.8m/min2.1m/min3m/min離焦量對NiTi合金焊縫

12、形狀的影響+3+2+10-3-2-1深寬比大（深寬比大（10:110:1），熱影響區(qū)窄，焊件變形小。），熱影響區(qū)窄，焊件變形小。速度快，節(jié)約材料，效率高。速度快，節(jié)約材料，效率高?？珊附与y以接近的部位?？珊附与y以接近的部位。易實現(xiàn)多光束同時加工及多工位加工。易實現(xiàn)多光束同時加工及多工位加工。可焊的材料廣，可焊的材料廣， 可進行微型焊接。可進行微型焊接。激光焊接的特點焊件裝配精度要求高；激光器及其相關系統(tǒng)的成本較高，焊件裝配精度要求高；激光器及其相關系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。一次性投資較大。 片與片間的焊接片與片間的焊接 包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心

13、穿孔熔化焊等中心穿孔熔化焊等4種工藝方法種工藝方法 。絲與絲的焊接絲與絲的焊接 包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等型焊等4種工藝方法。種工藝方法。金屬絲與塊狀元件的焊接金屬絲與塊狀元件的焊接 采用激光焊接可以成功的實采用激光焊接可以成功的實現(xiàn)金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任現(xiàn)金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應注意絲狀元件的幾何尺寸。意。在焊接中應注意絲狀元件的幾何尺寸。不同金屬的焊接不同金屬的焊接 焊接不同類型的金屬要解決可焊性與焊接不同類型的金屬要解決可焊性與可焊參數(shù)范圍。不同材料之間的激光焊接只有某些特可焊參

14、數(shù)范圍。不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。定的材料組合才有可能。 激光焊接工藝方法用于鋼鐵材料用于鋼鐵材料碳鋼激光焊接效果良好，焊接質(zhì)量取決于雜質(zhì)含量，硫磷含量高時易出現(xiàn)焊縫熱裂紋；中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進行良好的激光焊接，但需要預熱和焊后處理，以消除應力，避免冷裂紋。用于不銹鋼用于不銹鋼一般的情況下，不銹鋼激光焊接比常規(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質(zhì)接頭。由于高的焊接速度熱影響區(qū)很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不銹鋼低的熱導系數(shù)更易于獲得深熔窄焊縫。激光焊接的應用用于異種金屬用于異種金屬激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區(qū)，異種金屬焊接創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)已證明以下金屬可以順利進行激光深熔焊接：不銹鋼-低碳鋼，不同成分的不銹鋼，不銹鋼-鎳基合金，鎳基合金-鋼等。粉末冶金材料焊接粉末冶金材料焊接取代常規(guī)的釬焊，提高焊接強度以及耐高溫性能。激光釬焊激光釬焊激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其適用于片狀元件組裝技術。生物組織的激光焊接生物組織的激光焊接自70年代，激光已成功用于