材料連接技術6

材料連接技術

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

趙興科課程編號：302706第二章先進材料連接技術§2-1先進的材料連接技術§2-2先進材料的連接技術§2.2先進材料的連接技術鋁及其合金的連接鈦及其合金的連接金屬基復合材料的連接陶瓷材料的連接一、鋁及其合金的連接

鋁是地球上豐量最大的金屬元素。鋁合金具有重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點。廣泛地用于加工各種產(chǎn)品，鋁合金制品與鋼制品相比，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。航天工業(yè)中應用最廣泛。

運載火箭及各種航天器的主要結(jié)構(gòu)材料。如阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，航天飛機氫氧推進劑貯箱、乘務員艙，各種大型運載火箭等。

與日常生活緊密相關。鋁罐、鋁箔、鋁鍋、鋁門窗、鋁導線等等。汽車行業(yè)，把鋁當成一種優(yōu)先材料來使用已取得重大進步。輻射器、引擎塊、傳送外殼、車輪、車身面板、保險杠、空間框架、引擎支架、驅(qū)動軸和懸框普遍都是用鋁做成。1.鋁及其合金的分類與特性工業(yè)純鋁含99%以上，主要雜質(zhì)是鐵和硅。純鋁的熔點為660℃，加熱無顏色變化。無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，強度低。（1）分類工業(yè)純鋁鋁合金為了提高鋁的強度，可以通過固溶強化、第二相（時效）強化和形變強化等。固溶強化鋁合金Al-Mn（3000系列）

；Al-Mg

（5000系列）；Al-Mg-Si（6000系列）等。時效強化鋁合金Al-Cu

（2000系列）；Al-Zn（7000系列）；

Al-Li（8000系列）等。物化性能熔點低，密度?。粚嵯禂?shù)大，約為低碳鋼的5倍；線膨脹系數(shù)大，約為低碳鋼的2倍；表面易生成致密的難熔氧化鋁膜；耐酸腐蝕（鈍化膜）。（2）特性強度低；良好的塑性和韌性；無低溫脆性轉(zhuǎn)變。機械性能早期航天航空主要采用Al-Mg系列合金，特別是退火和半冷作硬化狀態(tài)的LF3、LF6防銹鋁，這兩種鋁合金都具有優(yōu)良的焊接性能。隨著航天技術的發(fā)展，越來越多采用可熱處理強化的高強度鋁合金。這類鋁合金的焊接性能較差，焊接時形成熱裂紋的傾向較大，對焊接過程中的各種因素也比較敏感，焊接接頭的斷裂韌度較低，特別是當焊縫部位存在焊接缺陷時，液壓強度試驗時經(jīng)常發(fā)生低壓爆破。

鋁及其合金熔焊時的主要問題有：焊縫氣孔；焊縫熱裂紋；接頭的軟化。其他常見的焊接缺陷還包括夾雜、未熔合、焊接變形等。2.鋁及其合金的焊接性（1）焊縫氣孔焊縫氣孔是鋁及其合金熔焊時常見的缺陷，氫是產(chǎn)生氣孔的主要原因。焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分是氫氣孔的重要來源。鋁焊縫冷卻速度大，比鋼快5倍以上，氫在液固中的溶解度相差更大。冷卻速度快不利于氣泡上浮。鋁密度小也不利于氣泡上浮。焊縫氣孔防止途徑從兩個方面：限制氫溶入和促使氫逸出。限制焊接材料中的氫（水）含量所使用的焊接材料（包括保護氣體、焊絲、焊條和焊劑等）要嚴格限制含水量，使用前均需干燥處理。徹底清除待焊部位的氧化膜采用化學方法或機械方法清理母材及焊絲表面的氧化膜，并及時焊接。坡口根部刮成倒V形小坡口。調(diào)整和控制焊接工藝TIG焊接時一方面盡量采用小線能量以減少熔池的存在時間，同時又要充分保證根部熔合，以利根部氧化膜上的氣孔上浮。MIG焊接條件下，焊絲氧化膜的影響更為主要，減少熔池停留時間難以有效防止焊絲氧化膜分解出來的氫向熔池侵入，一般希望增大溶池持存在時間已利于氣泡逸出。降低焊接速度和提高線能量有利于減少焊縫中的氣孔。（2）焊縫熱裂紋鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向理論上對應于相圖中凝固溫度區(qū)間最寬的合金成分。由于焊接加熱和冷卻過程迅速，在非平衡條件下焊縫熱裂紋的敏感成分常小于理論值。鋁合金的線膨脹系數(shù)大，焊接應力大促使熱裂紋。(Al-Mg合金平衡相圖中凝固區(qū)間最大的成分為Mg15.4%)焊縫熱裂紋的防止途徑母材的合金系統(tǒng)及其具體成分，對焊接熱裂紋有決定性的影響。通過焊絲調(diào)整焊縫成分從抗裂角度，控制易熔共晶的數(shù)量并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。少量易熔共晶的存在總是增大熱裂紋傾向，因此一般都是使主要合金元素的含量超過最敏感量，以便產(chǎn)生“愈合”效果。采用與母材同質(zhì)的焊絲往往具有較大的熱裂紋傾向；標準的Al-5%Si焊絲和Al-5%Mg焊絲有較好的抗裂效果；易熔共晶數(shù)量很多的焊絲4145（Al-10%Si-4%Cu）抗裂性好。第三組元對鋁合金熱裂傾向有重要影響。添加適量的合適變質(zhì)劑鋁合金焊絲中幾乎都有Ti、Zr、V、B等微量元素，可以細化晶粒，改善塑性，并可以顯著提高抗熱裂性。這些元素的共同特點是都能與鋁形成一系列包晶反應生成難熔金屬化合物，成為液體金屬非自發(fā)形核的晶核，獲得細化晶粒的效果?？刂坪附庸に噮?shù)焊接工藝參數(shù)影響焊縫凝固過程的不平衡性和凝固組織的形態(tài)，也影響凝固過程中應變增長速度，從而影響焊接裂紋。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，提高抗熱裂性。小的焊接電流，可以減少熔池過熱，改善抗熱裂性；焊接速度大，增大焊接接頭的應變速度，增大熱裂傾向。（3）接頭的軟化非時效鋁合金在退火狀態(tài)下焊接時，接頭的強度與母材基本等強；在冷作硬化狀態(tài)下焊接時，接頭的強度低于母材（軟化）。時效鋁合金無論在退火狀態(tài)下還是時效狀態(tài)下焊接時，焊后接頭的強度均低于母材。時效狀態(tài)下尤甚。（4）接頭的耐蝕性焊接接頭的耐蝕性一般低于母材，熱處理強化合金接頭的耐蝕性的降低尤其明顯。焊接接頭的耐蝕性的下降主要與接頭的組織不均勻性有關。焊縫金屬的純度和致密性也是影響接頭耐蝕性的重要因素。雜質(zhì)較多，晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蝕性就會明顯下降，不僅產(chǎn)生局部表面腐蝕，而且經(jīng)常出現(xiàn)晶間腐蝕。焊接應力會促進焊接接頭的應力腐蝕開裂。（1）從物理性能分析鋁及其合金的導熱性強而熱容量大，線膨脹系數(shù)大熔點低和高溫強度小。必須采用能量集中的熱源，以保證熔合良好；采用墊板和夾具，以保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形；3.鋁及其合金的焊接工藝特點（2）從化學性質(zhì)分析鋁及其合金表面極易形成難熔的氧化膜，不僅妨礙焊縫完整形成夾雜物，而且還因吸附大量水分而促使焊縫產(chǎn)生氣孔。焊前采用化學的和機械的方法嚴格清理焊材和母材；有時焊接過程中采用能除去氧化膜的焊劑；從板邊準備上使表面氧化膜充分暴露在電弧下。4.鋁及其合金的焊接方法簡介鋁作為結(jié)構(gòu)金屬的突破是隨著20世紀40年代惰性氣體焊接工藝（MIG

/TIG

）。隨后新技術的發(fā)展，特別是高能束焊接和攪拌摩擦焊的推廣應用，使得鋁及其合金的向生產(chǎn)效率更高，焊接適應性更強，焊接接頭質(zhì)量更好的方向發(fā)展。

電阻點焊惰性氣體保護電弧焊等離子弧焊電子束焊激光焊攪拌摩擦焊（1）電阻點焊導電導熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點，給電阻點焊帶來了很大的困難，鋁合金點焊電極壽命短。從電極衰退到最終失效主要經(jīng)歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電極端面蝕斑及電極端面凹坑四個階段。定期對電極表面清潔。采用端部鑲嵌鎢的復合電極。

（2）鎢極氬弧焊直流反接，利于工件表面氧化膜的去除。添加焊絲，有助于避免焊縫熱裂紋。采用較小的焊接熱輸入量。幾十年來，鋁及其合金的焊接工藝主要是鎢基氬弧焊（TIG），包括手工氬弧焊和自動氬弧焊。減少焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應力和變形，并減小焊接熱影響區(qū)的軟化程度。焊接接頭強度系數(shù)為0.5～0.7。（3）等離子弧焊接變極性等離子焊接技術用于鋁合金焊接，單道焊接鋁合金厚度可達25.4mm。采用深熔焊工藝，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少氣孔。1978年美國NASA宇航局馬歇爾宇航中心決定變極性等離子弧焊技術部分取代鎢極氬弧焊工藝焊接航天飛機外貯箱。航天飛機外貯箱材料為2219鋁合金，共焊接了6400m焊縫，經(jīng)100%X射線檢測，未發(fā)現(xiàn)任何內(nèi)部缺陷，焊縫質(zhì)量比TIG多層焊明顯提高。

真空電子束焊保護效果好，并有利于焊接部位氧化膜的分解，焊接質(zhì)量好，焊接效率高。受真空室空間限制，難以用于大型鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接。

（4）電子束焊接通過局部密封技術，如磁流體密封、橡膠圈密封等，實現(xiàn)局部真空電子束焊，用于大型構(gòu)件焊接。前蘇聯(lián)將局部真空電子束焊接技術應用于不同類型和尺寸火箭燃料貯箱殼體的焊接，在殼體的縱縫、對接環(huán)縫及法蘭環(huán)縫焊接中，有7種類型焊縫（縱縫、對接環(huán)縫、法蘭環(huán)縫）應用局部真空電子束焊接工藝，其中能源號火箭貯箱的壁厚為42mm。在未來的航天器厚壁結(jié)構(gòu)中，特別對于焊接殘余應力和變形要求較高的法蘭環(huán)縫焊接生產(chǎn)中，局部真空電子束焊接技術應用對焊接質(zhì)量的提高有著極為重要的意義。

（5）激光焊接提高吸收率的措施可以采用表面化學改性（如陽極氧化）、表面鍍層、表面涂層。激光焊接鋁及其合金存在一定的困難，如反射率、導熱性和蒸發(fā)溫度高，難于誘導小孔的形成以及容易產(chǎn)生氣孔。（6）激光-電弧復合焊激光對電弧有引導和聚焦作用，有助于采用直流反接，發(fā)揮電弧的去氧化膜能力；在保證大熔深的同時適當增加熔池寬度,降低凝固速度,有利于減小氣孔傾向和熱裂紋；利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能。可以實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度。這些優(yōu)點使得激光-電弧復合焊極可能成為解決鋁合金激光焊的最佳方法，應用前景更為廣闊。攪拌摩擦焊屬于固相焊，特別適合應用于熔化焊接性差的有色金屬。相對于熔化焊接方法，不會產(chǎn)生與熔化有關的焊接缺陷，如熱裂紋和氣孔。（7）攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，包括目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料。鋁及其合金的攪拌摩擦焊技術已達到實