材料连接新技术1

——先进难焊材料的连接材料学院焊接教研室太原科技大学1主要内容1.先进材料发展概述2.先进材料连接技术的发展概述3.塑料的连接技术4.高温合金连接技术5.陶瓷材料连接技术6.复合材料连接技术7.功能材料连接技术8.电子束、激光以及搅拌摩擦焊接技术发展现状9.水下焊接技术发展现状10.太空焊接技术发展现状太原科技大学1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。太原科技大学1第一章：先进材料发展概述先进材料的分类和特点先进材料的应用及发展太原科技大学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。特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。太原科技大学1按照材料属性划分为四类：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为两类：结构材料和功能材料。结构材料是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；功能材料是利用材料具有的电、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。太原科技大学1工程中经常涉及的先进材料主要包括四类：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。然而，先进材料的发展及应用与高新技术的开发发展密切相关，是高新技术发展必要的物质基础。因此，如何实现工程中先进难焊材料的连接就变得至关重要。太原科技大学1主要特点：与高技术密切相关•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。•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。太原科技大学11.先进陶瓷材料陶瓷材料是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机非金属材料。先进陶瓷材料又称高性能陶瓷、新型陶瓷或高技术陶瓷，是以精制的高纯、超细人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制备工艺获得具有优异性能的新一代陶瓷。先进材料的应用及发展太原科技大学1先进陶瓷材料的特点：现代的陶瓷材料冠以“先进”(也可称作“精细”、“高技术”等),是为了与传统的陶瓷材料相区别。(1)原材料的不同。传统陶瓷以天然矿物,如粘土、石英和长石等不加处理直接使用;而现代陶瓷则使用经人工合成的高质量的粉体作起始材料。(2)结构的不同。传统陶瓷中由于杂质成份和杂质相众多而不易控制,显微结构粗劣而不够均匀,多气孔;先进陶瓷则化学和相组成较简单明晰,纯度高,后者的显微结构均匀而细密。(3)制备工艺的不同。传统陶瓷用的矿物经混合可直接用于湿法成型,如泥料的塑性成型和浆料的注浆成型,材料的烧结温度一般为900℃到1400℃;而先进陶瓷用高纯度粉体一般添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型,材料的烧结温度较高,根据材料不同从1200℃到2200℃,烧成后一般尚需加工。(4)性能不同。传统陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；而先进陶瓷,基于其优异的力学性能特别是高温力学性质和各种光、热、电、声、磁的功能。太原科技大学1先进陶瓷的发展趋势：1）由单相、高纯材料向多相复合陶瓷方向发展；2）从微米级尺度向纳米级方向发展，及向介于原子或分子与常规的微米机构之间的过渡性接过去发展；3）陶瓷材料的加工技术发展。如形状设计和连接等。太原科技大学1氮化硅陶瓷刀具α-Al2O3与κ-Al2O3交替涂层的刀具太原科技大学12.金属间化合物金属间化合物是指金属与金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子排列具有高度有序化的规律。当它以微小颗粒形式存在于合金的组织中时，将会使合金的整体强度得到提高，特别是在一定温度范围内合金的强度随温度升高而增强。金属间化合物分类：承力结构类和功能金属间化合物。前者具有良好的室温和高温力学性能（Ni3Al、FeAl、TiAl等）；后者具有特殊物理和化学性能（YCo5、NiTi、Nb3Sn等）。太原科技大学13.高温合金高温合金是指在600-1200℃高温下能承受一定应力并具有耐氧化或耐腐蚀能力的合金，可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。太原科技大学1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。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-草复合材料太原科技大学1太原科技大学1高性能工程塑料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。5.高性能工程塑料(特种工程塑料)特种工程塑料(美Highperformanceplsatics;日SuperEngineeringplastics)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。太原科技大学16.钛及钛合金用途产品要求喷气发动机高温抗拉强度，蠕变强度，高温温度定性、疲劳强度、断裂韧度航空构架高抗拉强度，疲劳强度，断裂韧度，可加工性能工业应用耐蚀性，适当强度，有竞争力的制造成本钛合金作为一种高强、耐蚀、耐热的新型材料，广泛应用航空领域，已成为与铝合金和高强钢并驾齐驱的四大飞机结构材料之一，其应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志。因此钛合金的焊接技术也被认为第四代战机制造的标志性技术。太原科技大学17.超导材料超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。石墨烯超导材料高温超导材料太原科技大学1B787材料分布太原科技大学1作业：太原科技大学1第二章：先进材料连接技术概述材料连接的分类与特点现代焊接技术的发展历程先进的材料连接技术太原科技大学1材料连接的原理、分类与特点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。主要连接方法胶接钎接连接技术概述太原科技大学1连接技术分为焊接与机械连接（如螺纹连接、铆接等）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太原科技大学1焊接在实际应用：太原科技大学1先进材料连接技术的分类连接需要外加热能，根据热源功率密度的不同，熔化连接热源的功率密度可以分为如下四个区域：1）低功率密度区，功率密度小于3×102W/cm2，热传导散失大量的热。2）中功率密度区，功率密度范围为3×102-105W/cm2，材料熔化，不存在材料蒸发散热不严重，绝大部分常规焊接方法功率密度都在这个范围。3）高功率密度区，功率密度范围为105-109W/cm2，存在材料蒸发，强烈的蒸发会在熔池中产生小孔。4）超高功率密度区，功率密度范围为大于109W/cm2，高功率脉冲激光聚焦成很小的束斑时出现这种情况。太原科技大学1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太原科技大学1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。太原科技大学1锻焊：在古代锻焊曾是金属连接的唯一方式。电阻焊：1856年，JamesJoule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。1886年，ElihuThomson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。太原科技大学1电弧焊：1810年，HumphreyDavy在电路的两极造了一个稳定的电弧——电弧焊的基础。1881年，NikolaiBenardos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，OscarKjellberg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。太原科技大学1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LBW；英国1991搅拌摩擦焊FSW英国…太原科技大学1先进材料连接技术1.电子束焊接电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。电子枪中阴极经电流加热后，在阴阳极间几十至上百千伏的加速电压作用下发射出电子流，该电子流在偏压栅极的控制和聚束作用下形成一束电子从阳极孔中穿过，经过电子枪隔离阀后在聚焦磁透镜的作用下以极高的能量密度和光速70%的速度注入焊接工件、强大的电子动能迅速转化为热能将焊接工件局部熔化而达到焊接的目的。太原科技大学1功率密度大，热量集中；穿透能力强，焊缝深宽比大；焊接速度快，焊缝组织性能好；焊缝纯度高；焊接参数调节范围大，适应性强；可焊材料广。电子束焊接的特点：太原科技大学1电子束焊接的应用目前应用场合：除含锌高的材料（如黄铜）和未脱氧处理的普通低碳钢外绝大多数金属及合金都可用奠基石焊接；焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属；可焊接不开坡口焊接厚度大工件，焊接变形小；可焊真空中使用的高要求器件；散焦电子束可用于焊前预热或焊后缓冷，作为钎焊热源。未来应用前景：复杂零件的大批量生产；应用与航天领域先进材料的焊接；能源、核工业、重型机械制造中厚大件焊接；多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化得到发展；宇航技术中的各类火箭、卫星、飞船、空间站等结构件、发动机焊接。太原科技大学1太原科技大学12.激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。太原科技大学1不同激光功率激光焊接物理过程太原科技大学1光束参数积与激光功率决定加工范围太原科技大学1激光焊的特点：高功率密度；光束衰减小，可进行远距离或难接近