材料連接技術(shù)6

材料連接技術(shù)

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

趙興科課程編號(hào)：302706第二章先進(jìn)材料連接技術(shù)§2-1先進(jìn)的材料連接技術(shù)§2-2先進(jìn)材料的連接技術(shù)§2.2先進(jìn)材料的連接技術(shù)鋁及其合金的連接鈦及其合金的連接金屬基復(fù)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(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無(wú)磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)。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(yīng)用最廣泛。

運(yùn)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(jī)氫氧推進(jìn)劑貯箱、乘務(wù)員艙，各種大型運(yùn)載火箭等。

與日常生活緊密相關(guān)。鋁罐、鋁箔、鋁鍋、鋁門窗、鋁導(dǎo)線等等。汽車行業(yè)，把鋁當(dāng)成一種優(yōu)先材料來(lái)使用已取得重大進(jìn)步。輻射器、引擎塊、傳送外殼、車輪、車身面板、保險(xiǎn)杠、空間框架、引擎支架、驅(qū)動(dòng)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(diǎn)為660℃，加熱無(wú)顏色變化。無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，強(qiáng)度低。（1）分類工業(yè)純鋁鋁合金為了提高鋁的強(qiáng)度，可以通過(guò)固溶強(qiáng)化、第二相（時(shí)效）強(qiáng)化和形變強(qiáng)化等。固溶強(qiáng)化鋁合金Al-Mn（3000系列）

；Al-Mg

（5000系列）；Al-Mg-Si（6000系列）等。時(shí)效強(qiáng)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(diǎn)低，密度??；導(dǎo)熱系數(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(qiáng)度低；良好的塑性和韌性；無(wú)低溫脆性轉(zhuǎn)變。機(jī)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(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多采用可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金。這類鋁合金的焊接性能較差，焊接時(shí)形成熱裂紋的傾向較大，對(duì)焊接過(guò)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(dāng)焊縫部位存在焊接缺陷時(shí)，液壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)生低壓爆破。

鋁及其合金熔焊時(shí)的主要問(wèn)題有：焊縫氣孔；焊縫熱裂紋；接頭的軟化。其他常見(jiàn)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(shí)常見(jiàn)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(lái)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(gè)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(hù)氣體、焊絲、焊條和焊劑等）要嚴(yán)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(xué)方法或機(jī)械方法清理母材及焊絲表面的氧化膜，并及時(shí)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(shí)一方面盡量采用小線能量以減少熔池的存在時(shí)間，同時(shí)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(shí)間難以有效防止焊絲氧化膜分解出來(lái)的氫向熔池侵入，一般希望增大溶池持存在時(shí)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(duì)應(yīng)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(guò)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(yīng)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(duì)焊接熱裂紋有決定性的影響。通過(guò)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(xì)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(diǎn)是都能與鋁形成一系列包晶反應(yīng)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(xì)化晶粒的效果。控制焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)影響焊縫凝固過(guò)程的不平衡性和凝固組織的形態(tài)，也影響凝固過(guò)程中應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)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(jìn)行焊接過(guò)程，可防止形成方向性強(qiáng)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(guò)熱，改善抗熱裂性；焊接速度大，增大焊接接頭的應(yīng)變速度，增大熱裂傾向。（3）接頭的軟化非時(shí)效鋁合金在退火狀態(tài)下焊接時(shí)，接頭的強(qiáng)度與母材基本等強(qiáng)；在冷作硬化狀態(tài)下焊接時(shí)，接頭的強(qiáng)度低于母材（軟化）。時(shí)效鋁合金無(wú)論在退火狀態(tài)下還是時(shí)效狀態(tài)下焊接時(shí)，焊后接頭的強(qiáng)度均低于母材。時(shí)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(qiáng)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(guān)。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(huì)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(yīng)力會(huì)促進(jìn)焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。（1）從物理性能分析鋁及其合金的導(dǎo)熱性強(qiáng)而熱容量大，線膨脹系數(shù)大熔點(diǎn)低和高溫強(qiáng)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(diǎn)（2）從化學(xué)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(xué)的和機(jī)械的方法嚴(yán)格清理焊材和母材；有時(shí)焊接過(guò)程中采用能除去氧化膜的焊劑；從板邊準(zhǔn)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(jiǎn)介鋁作為結(jié)構(gòu)金屬的突破是隨著20世紀(jì)40年代惰性氣體焊接工藝（MIG

/TIG

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

電阻點(diǎn)焊惰性氣體保護(hù)電弧焊等離子弧焊電子束焊激光焊攪拌摩擦焊（1）電阻點(diǎn)焊導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點(diǎn)，給電阻點(diǎn)焊帶來(lái)了很大的困難，鋁合金點(diǎn)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(gè)階段。定期對(duì)電極表面清潔。采用端部鑲嵌鎢的復(fù)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(lái)，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(dòng)氬弧焊。減少焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力和變形，并減小焊接熱影響區(qū)的軟化程度。焊接接頭強(qiáng)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(shù)用于鋁合金焊接，單道焊接鋁合金厚度可達(dá)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(guó)NASA宇航局馬歇爾宇航中心決定變極性等離子弧焊技術(shù)部分取代鎢極氬弧焊工藝焊接航天飛機(jī)外貯箱。航天飛機(jī)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(cè)，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(hù)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(guò)局部密封技術(shù)，如磁流體密封、橡膠圈密封等，實(shí)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(shù)應(yīng)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(duì)接環(huán)縫及法蘭環(huán)縫焊接中，有7種類型焊縫（縱縫、對(duì)接環(huán)縫、法蘭環(huán)縫）應(yīng)用局部真空電子束焊接工藝，其中能源號(hào)火箭貯箱的壁厚為42mm。在未來(lái)的航天器厚壁結(jié)構(gòu)中，特別對(duì)于焊接殘余應(yīng)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(shù)應(yīng)用對(duì)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(xué)改性（如陽(yáng)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(dǎo)熱性和蒸發(fā)溫度高，難于誘導(dǎo)小孔的形成以及容易產(chǎn)生氣孔。（6）激光-電弧復(fù)合焊激光對(duì)電弧有引導(dǎo)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(shí)適當(dāng)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?？梢詫?shí)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(diǎn)使得激光-電弧復(fù)合焊極可能成為解決鋁合金激光焊的最佳方法，應(yīng)用前景更為廣闊。攪拌摩擦焊屬于固相焊，特別適合應(yīng)用于熔化焊接性差的有色金屬。相對(duì)于熔化焊接方法，不會(huì)產(chǎn)生與熔化有關(guān)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(shù)已達(dá)到實(shí)