材料连接新技术

材料连接新技术——先进难焊材料的连接材料学院焊接教研室太原科技大学材料科学与工程学院主编：任家烈吴爱萍机械工业出版社主编：李亚江机械工业出版社太原科技大学材料科学与工程学院主要内容先进材料的概述先进连接技术的概述塑料的连接高温合金的连接陶瓷的连接复合材料的连接功能材料的连接其它先进连接技术太原科技大学材料科学与工程学院教学目的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。太原科技大学材料科学与工程学院第一章先进材料的概述先进(新型)材料的分类和特点先进(新型)材料的应用及发展太原科技大学材料科学与工程学院1.1先进材料的特点及分类1.1.1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。●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。太原科技大学材料科学与工程学院按照材料属性划分1.1.2先进材料的分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太原科技大学材料科学与工程学院按材料的使用性能分结构材料：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：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。太原科技大学材料科学与工程学院工程中经常涉及的先进材料主要包括：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。太原科技大学材料科学与工程学院主要特点：与高技术密切相关1.1.3先进材料的特点•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。太原科技大学材料科学与工程学院各种先进材料的性能特点：先进陶瓷材料金属间化合物高温合金钛及钛合金复合材料超导材料太原科技大学材料科学与工程学院1.2先进材料的发展•通过控轧、控冷、控制杂质含量以及多元微合金等措施生产出了高强度、高韧性和抗裂性能好的新型高强度钢1.2.1先进金属结构材料•通过定向结晶、单晶化和微晶化等控制凝固过程的技术来获得常规凝固条件下得不到的控制结晶结构的高级合金•通过快速冷却，可以细化晶粒获得微晶和纳米晶，也能使金属中合金元素的偏析大大降低，提高合金化程度不致于产生脆性相，同时还可以生产出新的合金成分高于平衡状态的固溶体材料，显著提高合金的性能。太原科技大学材料科学与工程学院纯钛的形态海绵钛太原科技大学材料科学与工程学院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。1.2.2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。太原科技大学材料科学与工程学院电喷发动机油泵叶轮发动机水泵叶轮太原科技大学材料科学与工程学院组成：SiO2Al2O3MgOSi3N4SiCZrO2粉末制备工艺：机械粉碎物理化学方法制备超细粉末烧结方法：大气烧结在控制气氛中的热压烧结热等静压烧结微波烧结1.2.3先进陶瓷材料太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院氮化硅陶瓷刀具α-Al2O3与κ-Al2O3交替涂层的刀具太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院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。1.2.4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材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院B787材料分布材料连接新技术第二章先进连接技术概述太原科技大学材料科学与工程学院主要内容材料连接的原理与分类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材料科学与工程学院一。材料连接的原理及分类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太原科技大学材料科学与工程学院焊接与机械连接（如螺纹连接、铆接等）比较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一。材料连接的原理及分类太原科技大学材料科学与工程学院焊接在实际生活中扮演着重要的角色一。材料连接的原理及分类太原科技大学材料科学与工程学院1.焊接的原理固体是依靠键作用结合在一起的。以金属材料为例，结合力为金属键。根据双原子模型，两个原子之间的结合力取决于二者之间的引力和斥力；原子间距离为r*时的结合力（引力）最大，大于和小于r*时，结合力均显著减小。双原子相互作用模型太原科技大学材料科学与工程学院2.焊接的条件从理论上讲，要达到焊接的目的，只须使两个工件表面紧密接触，两个表面的原子间相距接近r*即可。实际上，即使经过精密加工的金属表面，从微观上也是存在凸凹不平。同时金属表面常伴有氧化膜、杂质原子吸附以及水分、有机物吸附层，这些都会妨碍金属表面的紧密接触。为了使金属表面紧密接触，就需要能量，有两种形式：压力和热量。太原科技大学材料科学与工程学院压力可以破坏接触表面的氧化膜，使待连接处发生局部塑性变性，增加有效接触面积；热量可以使接触处金属达到塑性变形或熔化状态，并使该处的氧化膜迅速分解，并增加原子的振动能，促进扩散、化学反应、再结晶和结晶等物理化学反应。每种金属实现焊接所必须的温度和压力之间存在一定的关系，温度越高需要的压力越小，熔化焊接可以不需要压力。太原科技大学材料科学与工程学院金属材料焊接又可以表述成：通过加热、或加压，或二者并用，使分离的两种或两种以上的材料（同种或异种）接触处原子扩散、再结晶、化学反应和结晶等过程，从而形成共同晶粒的过程。Weldingisaprocessofmetaljoiningbyapplyingheatandsometimepressure.太原科技大学材料科学与工程学院通过加热和加压提供焊接能量外，还必须注意，金属表面的氧化物一旦去除，就要避免在焊接过程中再次形成表面膜，特别是氧化物。因此几乎每一种焊接工艺都要在焊接过程中排除大气，即对焊接区域进行保护。焊接保护的方法很多，可以使用焊剂、保护气氛或者在真空中操作。另一个焊接要求就是控制焊接冶金。焊接冶金包括物理冶金和化学冶金，物理冶金如原子的扩散，晶界迁移，熔化结晶；化学冶金包括焊接区域的气氛-焊渣-液态金属-高温固态金属间的各种化学反应。太原科技大学材料科学与工程学院总之，焊接连接必须满足四个方面的要求：通过加压或加热提供必须的能量；去除表面的氧化物；避免大气污染；控制焊接冶金。太原科技大学材料科学与工程学院3、焊接技术的分类第一层次，按接缝处是否熔化将焊接方法划分为三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。第二层次，按能源种类细分为电弧焊、电阻焊、气焊、铝热焊、摩擦焊等类。第三层次，按保护方式等分为无保护、真空、气保护等方法。太原科技大学材料科学与工程学院主要材料连接方法具体分类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材料科学与工程学院焊接技术的命名按照如下顺序：1）保护的方式；2）热源或能量源的种类；3）接头类型。氩气保护钨极电弧焊、真空电子束焊、电阻点焊等如：太原科技大学材料科学与工程学院焊接方法名称通常可以简略说，如二氧化碳焊——二氧化碳气体保护电弧焊；手弧焊——手工药皮焊条电弧焊等。这些加工往往伴随焊接与连接；使用的设备相同或相似。与焊接相近的加工技术，如堆焊、喷镀、热切割等。太原科技大学材料科学与工程学院二。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。太原科技大学材料科学与工程学院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。太原科技大学材料科学与工程学院锻焊在古代锻焊曾是金属连接的唯一方式。太原科技大学材料科学与工程学院电焊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。太原科技大学材料科学与工程学院汽车车体焊接装配生产线太原科技大学材料科学与工程学院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。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院一战期间，舰船等装备的需求刺激了一批廉价、快捷的焊接技术的发展；二战期间，航空业有色金属（镁、铝）连接的需求刺激了新的焊接技术的产生。太原科技大学材料科学与工程学院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…太原科技大学材料科学与工程学院三。先进的材料连接技术激光焊接电子束焊接扩散连接技术太原科技大学材料科学与工程学院激光加工技术在汽车中的应用太原科技大学材料科学与工程学院光束参数积与激光功率决定加工范围太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院固态扩散连接扩散连接加中间层的扩散连接不加中间层的扩散连接真空扩散连接气体保护扩散连接溶剂保护扩散连接烧结－扩散连接瞬时液相扩散连接超塑性成形－扩散连接扩散连接材料连接新技术第三章塑料连接太原科技大学材料科学与工程学院主要内容塑料概论塑料焊接的原理及影响因素塑料焊接方法太原科技大学材料科学与工程学院1.塑料的概念塑