材料连接新技术-先进难焊材料的连接

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1、材料连接新技术 先进难焊材料的连接,材料学院 焊接教研室,主编：任家烈 吴爱萍 机械工业出版社,主编：李亚江 机械工业出版社,主要内容,先进材料的概述 先进连接技术的概述 塑料的连接 高温合金的连接 陶瓷的连接 复合材料的连接 功能材料的连接 其它先进连接技术,教学目的,了解新型(先进)材料的研究与发展概况，掌握其成分、组织、性能等特点，重点掌握各类新型材料的冶金连接性能及连接工艺特点。,了解各种材料连接的新兴技术的现状及发展趋势，掌握其基本理论及技术方面的有关知识，分析和解决先进材料在连接过程中出现的各种焊接问题，能够结合具体材料选择合适的连接方法。,第一章 先进材料的概述,先进(新型)材料

2、的分类和特点 先进(新型)材料的应用及发展,1.1 先进材料的特点及分类,1.1.1 基本概念 材 料： 人类可接受、能经济地制造有用器件（或物品）的物质。,先进材料： 具有比传统钢铁材料和有色金属材料更加优异的性能，能够满足高新技术发展需要的一类工程材料，如高技术陶瓷、金属间化合物、复合材料等。 指那些新近开发或正在开发的具有优异性能和特殊用途的材料。,按照材料属性划分,1.1.2 先进材料的分类,先进金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 先进复合材料,按材料的使用性能分,结构材料：利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求的材料。 功能

3、材料：利用材料具有的电、磁、声、光、热等效应，以实现某种功能的材料，如超导材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和核材料等。,工程中经常涉及的先进材料主要包括： 先进陶瓷 金属间化合物 高温合金 复合材料 这些材料的一个共同特点是强度和硬度高，塑性和韧性差，焊接中极易产生裂纹，采用常规的焊接方法很难对这类材料进行焊接。,主要特点：与高技术密切相关,1.1.3 先进材料的特点,从先进材料的合成和制造看，往往是利用了一些通过高技术获得的极端条件作为必要手段。(例如：超高压、超高真空、极低温、超高速冷却以及超高纯度等),先进材料的研究与发展与计算机技术和先进的自动控制技术的发展和应用密切相关。

4、,先进材料的质量要求往往是非常苛刻的(例如超微量的杂质以及原子级的缺陷等),先进材料本身就是高技术的一部分，属于技术密集程度高和保密性强的产业。,各种先进材料的性能特点：,先进陶瓷材料 金属间化合物 高温合金 钛及钛合金 复合材料 超导材料,1.2先进材料的发展,通过控轧、控冷、控制杂质含量以及多元微合金等措施 生产出了高强度、高韧性和抗裂性能好的新型高强度钢,1.2.1 先进金属结构材料,通过定向结晶、单晶化和微晶化等控制凝固过程的技术来获得常规凝固条件下得不到的控制结晶结构的高级合金,通过快速冷却，可以细化晶粒获得微晶和纳米晶，也能使金属中合金元素的偏析大大降低，提高合金化程度不致于产生脆

5、性相，同时还可以生产出新的合金成分高于平衡状态的固溶体材料，显著提高合金的性能。,纯钛的形态,海绵钛,主要是根据航空航天等高新技术领域的需求发展起来的一类综合性能优异的耐热热塑性工程塑料。,1.2.2 高性能工程塑料(特种工程塑料),特种工程塑料 (美High performance plsatics; 日Super Engineering plastics)的特点： 具有优异的耐热性，热变形温度在200以上，长期使用温度在150以上，且具有一定机械强度的聚合物。,电喷发动机油泵叶轮,发动机水泵叶轮,组成：SiO2 Al2O3 MgO Si3N4 SiC ZrO2 粉末制备工艺：机械粉碎 物理

6、化学方法制备超细粉末 烧结方法：大气烧结 在控制气氛中的热压烧结 热等静压烧结 微波烧结,1.2.3 先进陶瓷材料,氮化硅陶瓷刀具,-Al2O3与-Al2O3交替涂层的刀具,复合材料：以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。,1.2.4 先进复合材料,6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已方法应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。,燕子窝：泥土-草复合材料,B787材料分布,材料连接新技术 第二章 先进连接技术概述,主要内容,材料连接的

7、原理与分类 现代焊接技术的发展历程 先进的材料连接技术,一。材料连接的原理及分类,材料连接是通过适当的手段，使两个或两个以上分离的固态物体产生形成一个整体，从而实现物理量的传导。,主要连接方法,机械连接,焊接,胶接,铆接,钎接,微连接技术,焊接与机械连接（如螺纹连接、铆接等）比较,强度高， 密封性好， 接头重量轻， 加工简单，节约材料。,先进连接技术的特征：,接头的质量要好,生产效率高,节约材料与能源,操作便捷,一。材料连接的原理及分类,焊接在实际生活中扮演着重要的角色,一。材料连接的原理及分类,1. 焊接的原理,固体是依靠键作用结合在一起的。以金属材料为例，结合力为金属键。,根据双原子模型，

8、两个原子之间的结合力取决于二者之间的引力和斥力；原子间距离为r*时的结合力（引力）最大，大于和小于r*时，结合力均显著减小。,双原子相互作用模型,2. 焊接的条件,从理论上讲，要达到焊接的目的，只须使两个工件 表面紧密接触，两个表面的原子间相距接近r*即可。,实际上，即使经过精密加工的金属表面，从微观上也是存在凸凹不平。同时金属表面常伴有氧化膜、杂质原子吸附以及水分、有机物吸附层，这些都会妨碍金属表面的紧密接触。,为了使金属表面紧密接触，就需要能量，有两种形式：压力和热量。,压力可以破坏接触表面的氧化膜，使待连接处发生局部塑性变性，增加有效接触面积； 热量可以使接触处金属达到塑性变形或熔化状态

9、，并使该处的氧化膜迅速分解，并增加原子的振动能，促进扩散、化学反应、再结晶和结晶等物理化学反应。,每种金属实现焊接所必须的温度和压力之间存在一定的关系，温度越高需要的压力越小，熔化焊接可以不需要压力。,金属材料焊接又可以表述成：通过加热、或加压，或二者并用，使分离的两种或两种以上的材料（同种或异种）接触处原子扩散、再结晶、化学反应和结晶等过程，从而形成共同晶粒的过程。,Welding is a process of metal joining by applying heat and sometime pressure.,通过加热和加压提供焊接能量外，还必须注意，金属表面的氧化物一旦去除，就要

10、避免在焊接过程中再次形成表面膜，特别是氧化物。因此几乎每一种焊接工艺都要在焊接过程中排除大气，即对焊接区域进行保护。,焊接保护的方法很多，可以使用焊剂、保护气氛或者在真空中操作。,另一个焊接要求就是控制焊接冶金。焊接冶金包括物理冶金和化学冶金，物理冶金如原子的扩散，晶界迁移，熔化结晶；化学冶金包括焊接区域的气氛-焊渣-液态金属-高温固态金属间的各种化学反应。,总之，焊接连接必须满足四个方面的要求：,通过加压或加热提供必须的能量； 去除表面的氧化物； 避免大气污染； 控制焊接冶金。,3、焊接技术的分类,第一层次，按接缝处是否熔化将焊接方法划分为三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。 第二层次，按能源种

11、类细分为电弧焊、电阻焊、气焊、铝热焊、摩擦焊等类。 第三层次，按保护方式等分为无保护、真空、气保护等方法。,主要材料连接方法具体分类,焊接,固相焊,钎焊,熔化焊,电焊,化学能焊,高能束焊,非熔化极,熔化极,电阻焊 冷压焊 摩擦焊 扩散焊 闪光焊 超声焊 爆炸焊,气电焊 焊条焊 埋弧焊 药芯焊 电渣焊,钨极氩弧焊 等离子弧焊,激光焊 电子束焊,焊接技术的命名,按照如下顺序：,1）保护的方式； 2）热源或能量源的种类； 3）接头类型。,氩气保护钨极电弧焊、真空电子束焊、电阻点焊等,如：,焊接方法名称通常可以简略说，如,二氧化碳焊二氧化碳气体保护电弧焊； 手弧焊手工药皮焊条电弧焊等。,这些加工往往伴

12、随焊接与连接； 使用的设备相同或相似。,与焊接相近的加工技术，如堆焊、喷镀、热切割等。,二。焊接的发展历程,焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。 从历史上说，它在3000年以前就有记载，但真正成为一门重要的制造技术，是最近百年的事。,焊接发展历程大致分成三个阶段：,第一次工业革命前，以炭火加热的锻焊、钎焊等为代表； 第一次工业革命到二次世界大战前，以手工电弧焊和电阻焊等为代表； 二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为代表。,锻焊,在古代锻焊曾是金属连接的唯一方式。,电焊,电阻焊,1856年，James Joule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。 1886年，Elihu Thom

13、son制造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机。,1964年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。目前仍广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。,汽车车体焊接装配生产线,电弧焊,1810年，Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的电弧电弧焊的基础。 1881年， Nikolai Benardos在碳极和工件间产生了电弧，金属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。 1890年， Benardos进一步完善了这一焊接法，用金属棒代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金属。 1907年，Oscar Kjellb

14、erg发明了涂层焊条，使焊缝质量显著改善，电焊技术得到突破。,19世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。,一战期间，舰船等装备的需求刺激了一批廉价、快捷的焊接技术的发展； 二战期间，航空业有色金属（镁、铝）连接的需求刺激了新的焊接技术的产生。,焊接技术的发展历史,1908 电渣焊ESW；俄罗斯美国乌克兰 1909 等离子焊接 PAW；德国美国 1920 钨极惰性气体保护电弧焊 TIG，GMAW； 美国 1930 螺柱焊；美国 1930 熔化极惰性气体保护电弧焊 MIG；美国 1930 埋弧焊 SAW； 美国 1953 活性气体保护电弧焊 MAG，GMAW；俄罗斯 1970激光焊接

15、 LBW；英国 1991 搅拌摩擦焊 FSW 英国 ,三。先进的材料连接技术,激光焊接 电子束焊接 扩散连接技术,激光加工技术在汽车中的应用,光束参数积与激光功率决定加工范围,扩散连接,材料连接新技术 第三章 塑料连接,主要内容,塑料概论 塑料焊接的原理及影响因素 塑料焊接方法,1. 塑料的概念 塑料：一种以高分子合成树脂为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅料成分的材料。它在一定的温度和压力下，塑制成不同形状的型材或制品，外力解除后在常温下仍能保持不变的形状。,第一节 塑料概论,增塑剂：可增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性，使塑料易于加工成型。例如生产聚氯乙烯塑料时，若加入

16、较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料，若不加或少加增塑剂(用量10%)，则得硬质聚氯乙烯塑料。 填充剂：可以提高塑料的强度和耐热性能，并降低成本。例如酚醛树脂中加入木粉后可大大降低成本，使酚醛塑料成为最廉价的塑料之一，同时还能显著提高机械强度。 润滑剂：防止塑料在成型时粘在金属模具上，同时可使塑料的表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。 着色剂：可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用有机染料和无机颜料作为着色剂。,在塑料加工术语中，由塑料母料转变为塑料型材或制品的工艺称为一次加工工艺，或成型工艺；对塑料型材或构件等的进一步加工称为二次加工工艺。塑料焊接属于塑料的二次加工工艺。,2.塑料的特点,大多数塑料质轻、化学稳定性好、不会锈蚀。 耐冲击性好 具有较好的透明性和耐磨耗性 绝缘性好、导热性低 一般成型性、着色性好，加工成本低 大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧 尺寸稳定性差，容易变形 多数塑料耐低温性差，低温下变脆 容易老化,3.塑料的分类,通