材料焊接性第7章先進(jìn)材料的焊接ppt課件

1、第第7 7章章 先進(jìn)資料的焊接先進(jìn)資料的焊接先進(jìn)資料先進(jìn)資料 是指采用先進(jìn)技術(shù)新近開是指采用先進(jìn)技術(shù)新近開發(fā)或正在開發(fā)的具有獨特發(fā)或正在開發(fā)的具有獨特性能和特殊用途的資料性能和特殊用途的資料 新型的新型的金屬金屬構(gòu)造構(gòu)造 資料資料 先進(jìn)先進(jìn)陶瓷陶瓷 資料資料 金屬間化金屬間化合物和復(fù)合合物和復(fù)合資料的開發(fā)資料的開發(fā)與運用與運用 7.1 7.1 先進(jìn)資料的分類及性能特點先進(jìn)資料的分類及性能特點7.1.1 7.1.1 先進(jìn)資料的分類先進(jìn)資料的分類先進(jìn)陶先進(jìn)陶瓷資料瓷資料金屬間金屬間化合物化合物 復(fù)合復(fù)合資料資料 先進(jìn)陶瓷資料是指采用精制的高純、超細(xì)的無先進(jìn)陶瓷資料是指采用精制的高純、超細(xì)的無機化合

2、物為原料及先進(jìn)的制備工藝技術(shù)制造出機化合物為原料及先進(jìn)的制備工藝技術(shù)制造出的性能優(yōu)良的產(chǎn)品。先進(jìn)陶瓷資料普通分為結(jié)的性能優(yōu)良的產(chǎn)品。先進(jìn)陶瓷資料普通分為結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合資料和功能陶瓷三類。構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合資料和功能陶瓷三類。是指由兩種或兩種以上的物理和化學(xué)性質(zhì)不同是指由兩種或兩種以上的物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，按一定方式、比例及分的物質(zhì)，按一定方式、比例及分 布方式組合布方式組合而成的一種多相固體資料。而成的一種多相固體資料。金屬鍵結(jié)合，具有長程有序的超點陣構(gòu)造。金屬鍵結(jié)合，具有長程有序的超點陣構(gòu)造。它不遵照傳統(tǒng)的化合價規(guī)律，具有金屬的特它不遵照傳統(tǒng)的化合價規(guī)律，具有金屬的特性，晶體構(gòu)造

3、與組成它的兩個金屬組元的結(jié)性，晶體構(gòu)造與組成它的兩個金屬組元的結(jié)構(gòu)不同，兩個組元的原子各占據(jù)一定的點陣構(gòu)不同，兩個組元的原子各占據(jù)一定的點陣位置，呈有序陳列。位置，呈有序陳列。7.1.2 7.1.2 先進(jìn)資料的性能特點先進(jìn)資料的性能特點與單一資料相比，復(fù)合資料的最大特點是與單一資料相比，復(fù)合資料的最大特點是具有優(yōu)良的綜合性能和可設(shè)計性。具有優(yōu)良的綜合性能和可設(shè)計性。 與金屬資料相比，陶瓷資料的熱膨脹系數(shù)比較低，與金屬資料相比，陶瓷資料的熱膨脹系數(shù)比較低，普通在普通在 /K /K的范圍；熔點高很多，有些陶瓷的范圍；熔點高很多，有些陶瓷 可在可在2000-30002000-3000的高溫下任務(wù)且堅

4、持室溫時的強度，的高溫下任務(wù)且堅持室溫時的強度， 而大多數(shù)金屬在而大多數(shù)金屬在10001000以上就根本上喪失了強度性能。以上就根本上喪失了強度性能。 先進(jìn)資料具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化先進(jìn)資料具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等一系列優(yōu)點。等一系列優(yōu)點。 與無序合金相比，金屬間化合物的長程有序超點陣與無序合金相比，金屬間化合物的長程有序超點陣 構(gòu)造堅持很強的金屬鍵結(jié)合，具有許多特殊的物理、構(gòu)造堅持很強的金屬鍵結(jié)合，具有許多特殊的物理、 化學(xué)性能，如電學(xué)性能、磁學(xué)性能和高溫力學(xué)性能等?；瘜W(xué)性能，如電學(xué)性能、磁學(xué)性能和高溫力學(xué)性能等。 6510107.2 7.2 陶瓷資料與金屬的焊接陶瓷

5、資料與金屬的焊接7.2.1 7.2.1 陶瓷的分類及性能陶瓷的分類及性能陶陶瓷瓷的的分分類類構(gòu)造構(gòu)造 陶瓷陶瓷 功能功能 陶瓷陶瓷 電子陶瓷電子陶瓷 高溫陶瓷高溫陶瓷 光學(xué)陶瓷光學(xué)陶瓷 高硬度陶瓷等高硬度陶瓷等 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 氧化鋁部分穩(wěn)定氧化鋁部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 氮化硅、碳化硅氮化硅、碳化硅 7.1.2 7.1.2 陶瓷與金屬的焊接性分析陶瓷與金屬的焊接性分析陶瓷與陶瓷與金屬的金屬的焊接性焊接性分析分析焊接裂紋焊接裂紋 界面潤濕性差界面潤濕性差 界面反響界面反響焊焊接接裂裂紋紋產(chǎn)生產(chǎn)生緣由緣由防止防止措施措施 陶瓷與金屬的化學(xué)成分和物理性能有大差陶

6、瓷與金屬的化學(xué)成分和物理性能有大差別，特別是線膨脹系數(shù)差別很大，此外，別，特別是線膨脹系數(shù)差別很大，此外，陶瓷的彈性模量也很高。陶瓷與金屬的焊接陶瓷的彈性模量也很高。陶瓷與金屬的焊接普通是在高溫下進(jìn)展。普通是在高溫下進(jìn)展。 添加中間層或合理選用釬料添加中間層或合理選用釬料 合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使用性能的條件下，盡能夠使兩者的線膨脹系用性能的條件下，盡能夠使兩者的線膨脹系數(shù)相差最??；數(shù)相差最?。?應(yīng)盡能夠地減少焊接部位及其附近的溫度梯應(yīng)盡能夠地減少焊接部位及其附近的溫度梯度，控制加熱和冷卻速度，降低冷卻速度，度，控制加熱和冷卻速度，降低冷卻速

7、度，有利于應(yīng)力松弛而使應(yīng)力減小；有利于應(yīng)力松弛而使應(yīng)力減??； 采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設(shè)計采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設(shè)計陶瓷與金屬的接頭構(gòu)造。陶瓷與金屬的接頭構(gòu)造。 界界面面潤潤濕濕性性 差差 產(chǎn)生產(chǎn)生緣由緣由改善改善方法方法陶瓷資料含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常陶瓷資料含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，很難被金屬鍵的金屬釬料穩(wěn)定的電子配位，很難被金屬鍵的金屬釬料潤濕，所以用通常的熔焊方法使金屬與陶瓷潤濕，所以用通常的熔焊方法使金屬與陶瓷產(chǎn)生熔合是很困難的。產(chǎn)生熔合是很困難的。 陶瓷外表陶瓷外表的金屬化的金屬化處置處置 活性金屬活性金屬化法化法 在釬料中參與活性元

8、素，使釬料與陶在釬料中參與活性元素，使釬料與陶瓷之間發(fā)生化學(xué)反響，使陶瓷外表分瓷之間發(fā)生化學(xué)反響，使陶瓷外表分解構(gòu)成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附，構(gòu)成結(jié)解構(gòu)成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附，構(gòu)成結(jié)合結(jié)實的陶瓷與金屬結(jié)合界面，這種合結(jié)實的陶瓷與金屬結(jié)合界面，這種方法稱為活性金屬化法。方法稱為活性金屬化法。Mo-MnMo-Mn法法 蒸發(fā)法蒸發(fā)法 噴濺法噴濺法 離子注入法等離子注入法等 界面反響界面反響陶瓷與金屬接頭在界面間存在著原子構(gòu)造能級的差別，陶瓷與陶瓷與金屬接頭在界面間存在著原子構(gòu)造能級的差別，陶瓷與金屬之間是經(jīng)過過渡層金屬之間是經(jīng)過過渡層( (分散層或反響層分散層或反響層) )而焊接結(jié)合的。兩種而焊接結(jié)合的。兩

9、種資料之間的界面反響對接頭的構(gòu)成和性能有極大的影響。接頭資料之間的界面反響對接頭的構(gòu)成和性能有極大的影響。接頭界面反響的組織構(gòu)造是影響陶瓷與金屬焊接性的關(guān)鍵。界面反響的組織構(gòu)造是影響陶瓷與金屬焊接性的關(guān)鍵。表表7.4 7.4 不同類型陶瓷與金屬接頭中能夠出現(xiàn)的界面反響產(chǎn)物不同類型陶瓷與金屬接頭中能夠出現(xiàn)的界面反響產(chǎn)物7.2.3 7.2.3 陶瓷與金屬的焊接工藝特點陶瓷與金屬的焊接工藝特點 陶瓷與金屬的焊接方法包括釬焊、分散焊、電子束焊、摩擦焊等。其中運用較多的方法是釬焊和分散焊。無論采用哪種焊接工藝，陶瓷與金屬焊接接頭的性能須滿足如下根本要求：所構(gòu)成的所構(gòu)成的陶瓷與金陶瓷與金屬的焊接屬的焊接接

10、頭，必接頭，必須具有較須具有較高的強度高的強度 焊接接頭必需具有真空的氣密性 接頭剩余應(yīng)力應(yīng)最小，焊接接頭在運用過程中應(yīng)具有耐熱、耐蝕和熱穩(wěn)定性能 焊接工藝焊接工藝應(yīng)盡能夠應(yīng)盡能夠簡化，工簡化，工藝過程穩(wěn)藝過程穩(wěn)定，消費定，消費本錢低本錢低 釬焊釬焊 分散分散焊焊電子電子束焊束焊陶瓷金屬化陶瓷金屬化法釬焊工藝法釬焊工藝 活性金屬化法釬焊工藝主要優(yōu)點是接頭強度高，工件變形小；缺乏之處是保溫時間長、本錢高、試件尺寸和外形遭到真空室限制。采用添加活性元素的釬料采用添加活性元素的釬料直接對陶瓷與金屬進(jìn)展釬焊直接對陶瓷與金屬進(jìn)展釬焊在陶瓷外表進(jìn)展合金化在陶瓷外表進(jìn)展合金化 后再用普通釬料進(jìn)展釬焊后再用普

11、通釬料進(jìn)展釬焊電子束焊是利用高能密度的電子束，轟擊電子束焊是利用高能密度的電子束，轟擊 焊件使部分加熱、熔化而將工件焊接起來焊件使部分加熱、熔化而將工件焊接起來 7.3 7.3 金屬間化合物的焊接金屬間化合物的焊接7.3.1 7.3.1 金屬間化合物的分類及性能金屬間化合物的分類及性能 Ni-Al系金屬間化合物 Ti-Al系金屬間化合物 Fe-Al系金屬間化合物Ni3AlNi3Al金屬間化合物具有獨特的高溫性能，金屬間化合物具有獨特的高溫性能， 低于低于800800時屈服強度隨溫度升高而添加。時屈服強度隨溫度升高而添加。 Ti3AlTi3Al為密排六方有序超點陣構(gòu)造，高溫為密排六方有序超點陣構(gòu)

12、造，高溫下下800850800850具有良好的高溫性能，具有良好的高溫性能，密度較小密度較小4.14.7g/cm34.14.7g/cm3，彈性模量，彈性模量較高較高110145GPa110145GPa ，與鎳基高溫合金，與鎳基高溫合金相比可減輕質(zhì)量相比可減輕質(zhì)量40%40%。 Fe3AlFe3Al的彈性模量較大，熔點較高，的彈性模量較大，熔點較高，比重較小，在室溫下具有鐵磁性特征。比重較小，在室溫下具有鐵磁性特征。 7.3.2 7.3.2 金屬間化合物的焊接性分析金屬間化合物的焊接性分析金屬間金屬間化合物化合物的焊接的焊接性分析性分析焊接焊接裂紋裂紋 界面界面 反響反響 接頭 強度低 金屬間化

13、合物由于塑性和韌性較差，金屬間化合物由于塑性和韌性較差，焊接中的主要問題是焊縫及熱影響區(qū)焊接中的主要問題是焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)裂紋。易出現(xiàn)裂紋。 界面反響生成化合物的類型取決于被界面反響生成化合物的類型取決于被 焊母材和釬料或中間合金的物理、焊母材和釬料或中間合金的物理、化學(xué)性質(zhì)以及焊接工藝參數(shù)?；瘜W(xué)性質(zhì)以及焊接工藝參數(shù)。 金屬間化合物采用熔焊方法時，室溫金屬間化合物采用熔焊方法時，室溫 脆性易引起焊接裂紋，降低接頭強度；脆性易引起焊接裂紋，降低接頭強度；采用釬焊和分散焊方法，雖然可以避采用釬焊和分散焊方法，雖然可以避 免焊接裂紋，但接頭的強度依然不高。免焊接裂紋，但接頭的強度依然不高。 7.

14、3.3 7.3.3 金屬間化合物的焊接工藝特點金屬間化合物的焊接工藝特點鎢極鎢極 氬弧焊氬弧焊 電子束電子束 焊焊 分散焊分散焊 及釬焊及釬焊 金屬間化合物氬弧焊時，必需選擇成分與母金屬間化合物氬弧焊時，必需選擇成分與母材相近的焊絲作為填充資料。為防止產(chǎn)生焊材相近的焊絲作為填充資料。為防止產(chǎn)生焊接裂紋，必需采取焊前預(yù)熱的措施。接裂紋，必需采取焊前預(yù)熱的措施。 Ti-AlTi-Al金屬間化合物電子束焊時，接頭容易金屬間化合物電子束焊時，接頭容易產(chǎn)生脆性馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫和熱影響產(chǎn)生脆性馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)的脆化。因此，焊前預(yù)熱、提高焊接速度、區(qū)的脆化。因此，焊前預(yù)熱、提高焊接速度、減

15、小焊接熱輸入、降低冷卻速度是接頭性能減小焊接熱輸入、降低冷卻速度是接頭性能保證保證Ti-AlTi-Al金屬間化合物的關(guān)鍵金屬間化合物的關(guān)鍵 分散焊可以焊接分散焊可以焊接Fe3AlFe3Al，也可以焊接，也可以焊接Fe3AlFe3Al與異種金屬。與異種金屬。釬焊可用于焊接塑、韌性差的釬焊可用于焊接塑、韌性差的NiAlNiAl金屬間化合物。金屬間化合物。 7.4 7.4 金屬基復(fù)合資料的焊接金屬基復(fù)合資料的焊接7.4.1 7.4.1 金屬基復(fù)合資料的分類及性能金屬基復(fù)合資料的分類及性能 根據(jù)加強根據(jù)加強相形狀相形狀 根據(jù)根據(jù)基體資料基體資料 根據(jù)資料根據(jù)資料的用途的用途 延續(xù)纖維加強延續(xù)纖維加強非

16、延續(xù)加強非延續(xù)加強層板金屬基復(fù)合資料 銅基等復(fù)合資料銅基等復(fù)合資料 鎂基、鋅基鎂基、鋅基 鋁基、鈦基鋁基、鈦基 構(gòu)造復(fù)合資料構(gòu)造復(fù)合資料功能復(fù)合資料功能復(fù)合資料智能復(fù)合資料智能復(fù)合資料7.4.2 7.4.2 金屬基復(fù)合資料的焊接性分析金屬基復(fù)合資料的焊接性分析 金屬基復(fù)合資料焊接時，不僅要處理金屬基體的結(jié)合，金屬基復(fù)合資料焊接時，不僅要處理金屬基體的結(jié)合，還要思索到金屬與非金屬之間的結(jié)合。因此，金屬基還要思索到金屬與非金屬之間的結(jié)合。因此，金屬基復(fù)合資料的焊接問題，關(guān)鍵是非金屬加強相與金屬基復(fù)合資料的焊接問題，關(guān)鍵是非金屬加強相與金屬基體以及非金屬加強相之間的結(jié)合。體以及非金屬加強相之間的結(jié)合

17、。 界面反響界面反響熔池流動性和熔池流動性和 界面潤濕性差界面潤濕性差 接頭強度低接頭強度低 焊接焊接性性分析分析界界面面反反應(yīng)應(yīng)定義定義處理處理措施措施冶金冶金措施措施改善改善焊接焊接工藝工藝金屬基復(fù)合資料的金屬基體與加強相之間，在較金屬基復(fù)合資料的金屬基體與加強相之間，在較大的溫度范圍內(nèi)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，焊接加熱到大的溫度范圍內(nèi)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，焊接加熱到一定溫度時，兩者的接觸界面上會發(fā)生化學(xué)反響，一定溫度時，兩者的接觸界面上會發(fā)生化學(xué)反響，生成對資料性能不利的脆性相，這種反響稱為生成對資料性能不利的脆性相，這種反響稱為界面反響。界面反響。 參與一些活性比基體金屬更強的元素或參與一些活性比

18、基體金屬更強的元素或 能阻止界面反響的元素來防止界面反響。能阻止界面反響的元素來防止界面反響。 釬焊釬焊分散焊分散焊中間層中間層由于溫度較低，基體金屬不熔化，由于溫度較低，基體金屬不熔化，加上釬料中的元素阻止作用，不加上釬料中的元素阻止作用，不易引起界面反響。易引起界面反響。 為防止發(fā)生界面反響，必需嚴(yán)厲控為防止發(fā)生界面反響，必需嚴(yán)厲控 制加熱溫度、保溫時間和焊接壓力。制加熱溫度、保溫時間和焊接壓力。 可以防止界面上纖維的直接接觸，可以防止界面上纖維的直接接觸，使界面易于發(fā)生塑性流變使界面易于發(fā)生塑性流變 采用熔焊方法焊接纖維加強金屬基復(fù)合資料時，金屬與金屬之采用熔焊方法焊接纖維加強金屬基復(fù)合

19、資料時，金屬與金屬之 間的結(jié)合為熔焊機制，金屬與纖維之間的結(jié)合屬于釬焊機制。間的結(jié)合為熔焊機制，金屬與纖維之間的結(jié)合屬于釬焊機制。 共晶分散釬焊是將焊接外表鍍上中間分散層或在焊接外表之共晶分散釬焊是將焊接外表鍍上中間分散層或在焊接外表之間參與中間層薄膜，加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，使母材基體與中間間參與中間層薄膜，加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，使母材基體與中間層之間相互分散，構(gòu)成低熔點共晶液相層，經(jīng)過等溫凝固以層之間相互分散，構(gòu)成低熔點共晶液相層，經(jīng)過等溫凝固以及均勻化分散等過程后構(gòu)成一個成分均勻的接頭。及均勻化分散等過程后構(gòu)成一個成分均勻的接頭。 采用軟釬焊焊接金屬基復(fù)合資料，由于釬料熔點低，熔池采用軟釬焊焊接金

20、屬基復(fù)合資料，由于釬料熔點低，熔池 流動性好，可將釬焊溫度降低到纖維開場變差的溫度以下。流動性好，可將釬焊溫度降低到纖維開場變差的溫度以下。 采用電弧焊方法焊接非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料時，采用電弧焊方法焊接非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料時，基體金屬不同時，復(fù)合資料焊接熔池的流動性也明顯不同?；w金屬不同時，復(fù)合資料焊接熔池的流動性也明顯不同。 熔池流動性和熔池流動性和 界面潤濕性差界面潤濕性差接頭接頭強度低強度低 金屬基復(fù)合資料基體與加強相的線膨脹系數(shù)相差金屬基復(fù)合資料基體與加強相的線膨脹系數(shù)相差較大，在焊接加熱和冷卻過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)較大，在焊接加熱和冷卻過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，易使結(jié)合界面脫開

21、。力，易使結(jié)合界面脫開。 焊接過程中假設(shè)施加壓力過大，會引起加強纖維焊接過程中假設(shè)施加壓力過大，會引起加強纖維的擠壓和破壞。此外，電弧焊時，在電弧力的作的擠壓和破壞。此外，電弧焊時，在電弧力的作 用下，纖維不但會發(fā)生偏移，還能夠發(fā)生斷裂。用下，纖維不但會發(fā)生偏移，還能夠發(fā)生斷裂。 此外，非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料焊接時，除界面此外，非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料焊接時，除界面反響、熔池流動性差等問題，還存在較強的氣孔傾反響、熔池流動性差等問題，還存在較強的氣孔傾向、結(jié)晶裂紋敏感性和加強相的偏聚問題。向、結(jié)晶裂紋敏感性和加強相的偏聚問題。 7.4.3 7.4.3 金屬基復(fù)合資料的焊接工藝特點金屬基復(fù)合資

22、料的焊接工藝特點延續(xù)纖維加強金屬基復(fù)合資料的焊接延續(xù)纖維加強金屬基復(fù)合資料的焊接 方法主要有氬弧焊、激光焊、釬焊、分散焊等。方法主要有氬弧焊、激光焊、釬焊、分散焊等。 表表7.19 Wf/Ti7.19 Wf/Ti復(fù)合資料復(fù)合資料TIGTIG焊的工藝參數(shù)及接頭力學(xué)性能焊的工藝參數(shù)及接頭力學(xué)性能非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料可采用非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料可采用 熔焊、固相焊、釬焊三類焊接方法。熔焊、固相焊、釬焊三類焊接方法。 表表7.20 7.20 非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料不同焊接方法的比較非延續(xù)加強金屬基復(fù)合資料不同焊接方法的比較1.1.陶瓷與金屬焊接時主要問題是產(chǎn)陶瓷與金屬焊接時主要問題是產(chǎn)生裂紋，分析裂紋產(chǎn)生的主要緣由？生裂紋，分析裂紋產(chǎn)生的主要緣由？從焊接工藝上應(yīng)采取哪些措施防止裂從焊接工藝上應(yīng)采取哪些措施防止裂紋？紋？ 2.AL2O3 2.AL2O3 陶瓷與陶瓷與CuCu焊接時可采用的焊接時可采用的焊接方法有哪些？在焊接工藝上有何焊接方法有哪些？在焊接工藝上有何特點？特點？3. 3. 分析為什么采用常規(guī)的熔焊方法分析為什么采用常規(guī)的熔焊方法很難實現(xiàn)陶瓷很難實現(xiàn)陶瓷- -金屬的可靠銜接，采金屬的可