材料连接新技术概要.ppt

热导焊 深熔焊 热传导焊接：激光功率密度较低（105～106W／cm2），焊件表面温度不超过材料的沸点，焊件吸收的光能转变为热能后通过热传导将焊件熔化，无小孔效应发生，熔池较宽较浅。 深熔焊接：激光功率密度高（106～107W／cm2），金属表面在激光束作用下温度迅速上升到沸点，金属迅速蒸发形成的蒸汽，在熔池的内部出现小孔，激光束可直接深入材料内部，能形成深宽比大的焊缝。 4.激光焊接基本模式：热导焊和深熔焊。 深熔焊 热导焊 能量聚集方式 小孔作为黑体，将激光束吸收和传热至材料深部 能量先积聚在材料表面，后通过热传导带到材料内部 深宽比 较高 较低 热输入 较小 较大 致密性 较高 较低 激光深熔焊典型焊缝 5.激光深熔焊接 5.激光深熔焊接 激光深熔焊几何特征 1-激光束 2-焊接熔池 3-小孔 4-焊缝宽度 5-熔池深度 高功率密度激光束照射到被焊工件表面，短时间内能量被充分吸收，导致局部熔化，形成局部焊接区。 能量的传递与转换通过“小孔”来完成。材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出，形成小孔。 镁基复合材料的性能和应用 镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，但由于价格昂贵目前只用于航空航天部门。 含硼纤维40～45％的硼/镁复合材料的拉伸强度为1100～1200MPa，弹性模量220GPa，断裂伸长0.5％，泊松比0.25。 加入少量的SiC或Al2O3颗粒在镁或镁合金中，明显提高其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零部件 。 石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比模量、最好的抗热变形阻力，成为理想的航天结构材料，已被用于制造卫星的10m直径的抛物面天线及其支架 。 具有零膨胀系数的石墨/镁复合材料可用于航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮材料 。 2.金属基复合材料的焊接性 基体：金属(塑性、韧性好) →焊接性较好 增强相：非金属(高强度、高熔点、低线胀系数) →焊接性较差 金属基复合材料焊接的关键：非金属增强相与金属基体以及非金属增强相之间的结合问题 2.1 界面反应 基体与增强相热力学不稳定 ↓ 易发生化学反应 ↓ 脆性相生产 内因：二者的化学相容性 外因：温度 例如：Bf/Al复合材料 430℃左右，B+Al→AlB2 脆性，导致界面强度下降 例如：Cf/Al复合材料 580℃左右，C+Al→Al4C3 脆性，导致界面强度下降 例如：SiCf/Al复合材料 SiC+Al→Al4C3+Si Al4C3+H2O→C2H2+Al(OH)3 导致低应力腐蚀开裂 综上，界面反应降低连接质量，要避免和抑制连接时基体和增强相之间的反应 避免基体与增强相反应的措施 ⑴冶金措施 ①加入活性比基体金属更强的元素(目的：代替基体与增强相发生反应) 例如： SiCf/Al复合材料，加入Ti元素 原来：SiC+Al→Al4C3+Si 加入Ti后：SiC(固)+Ti+Al(液)→TiC(固)+Si+(Ti3Al+TiAl) TiC作为强化相存在；Si增加使反应向逆方向进行 ②瞬时液相扩散焊时，选用能与基体生成低熔点共晶或熔点低于基体金属的合金作为中间层。 ⑵改善焊接工艺 控制加热温度和焊接时间 例如：①降低热输入②固态焊 ⑶复合材料的设计方面 采用非活性的材料作为增强相 例如：用Al2O3、B4C取代SiC增强Al基复合材料 2.2熔池流动性和界面润湿性差 物理相容性：基体与增强相熔点相差大 ↓ 大量未熔增强相 ↓ 熔池流动性变差 气孔、未焊透、未熔合缺陷产生 未熔质点偏聚，性能恶化 金属基体熔化：熔焊机制 金属基体与增强相：钎焊机制→要求良好的润湿性 解决措施： 采用流动性好的填充金属，例如：高Si焊丝 采取相应的工艺措施减少复合材料的熔化，如加大坡口和采用热输入小的TIG焊 2.3接头强度低 基体与增强相线胀系数相差大→较大的内应力 焊缝中增强相体积分数小且不连续→焊缝与母材线胀系数相差大→较大的内应力 电弧焊时，电弧力→纤维偏移、断裂 扩散焊时，压力过大→增强纤维挤压破坏 对接接头，纤维无法对接 对于连续纤维增强金属基复合材料，由于在纤维方向上具有很高的强度和模量，保证纤维的连续性是提高纤维增强金属基复合材料焊接接头性能的重要措施，故必须合理设计接头形式。 2.4气孔倾向 熔池粘度大→气孔难以逸出→存在气孔 措施：焊前母材和填充材料真空去氢处理 2.5结晶裂纹 熔池流动性差→颗粒增强相的偏聚→结晶最后阶段液态金属的增强相含量较大→结晶裂纹 冷却速度快→增强相被液/固界面推移→偏聚 3.