固相焊接

1、固相焊接方法學(xué)習(xí)總結(jié),,內(nèi)容,1.真空擴(kuò)散焊2.摩擦焊3.攪拌摩擦焊4.超聲波焊接,1. 真空擴(kuò)散焊,1.1真空擴(kuò)散焊基本概念,擴(kuò)散焊是在一定溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過(guò)微觀塑性變形或通過(guò)待焊表面上產(chǎn)生的微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，然后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的原子相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)合的一種焊接方法。,1.2真空擴(kuò)散焊基本原理和分類,擴(kuò)散焊是在一定溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過(guò)微觀塑性變形或通過(guò)待焊面產(chǎn)生的微量液相而擴(kuò)大待焊面

2、的物理接觸，然后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的原子相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。在金屬不熔化的情況下，兩工件之間接觸距離達(dá)到（1～5）×10-8 CM以內(nèi)時(shí)，金屬原子間的引力才開(kāi)始起作用。,原子間引力,將因摩擦生熱而軟化的變形阻力降低的2種母材的原子間距離縮近。若將接觸時(shí)的材料表面原子團(tuán)在拉伸力 '引力' 的作用位置 (B) 縮近，直至該引力與反方向發(fā)出的互相作用力 '斥力' 處于平衡狀態(tài)的位置 (I)，

3、則完成接合。因此，需要在該金屬的熔點(diǎn)以下才能形成平衡狀態(tài)。即使在不同種類的金屬間，若能形成引力和斥力的平衡狀態(tài)也可完成接合。,擴(kuò)散焊過(guò)程的三個(gè)階段：,第一階段變形和交界面的形成。在溫度和壓力的作用下，微觀凸起部位首先接觸和變形，在變形中表面吸附層被擠開(kāi)，氧化膜被擠碎，凸點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形，開(kāi)始形成金屬鍵連接。第二階段晶界遷移和微孔的消除。原子擴(kuò)散和再結(jié)晶的作用，開(kāi)始形成焊縫。第三階段體積擴(kuò)散，微孔和界面消失。原子擴(kuò)散向縱深發(fā)展，在界面處

4、達(dá)到冶金連接。,擴(kuò)散焊接的分類,同種材料擴(kuò)散焊接異種材料擴(kuò)散焊接過(guò)渡液相擴(kuò)散焊接加中間層擴(kuò)散焊接超塑性成形擴(kuò)散焊接等靜壓擴(kuò)散焊接。,1.3真空擴(kuò)散焊工藝特點(diǎn)和應(yīng)用范圍,材料的擴(kuò)散焊是以“物理純”表面的主要特性之一為根據(jù)，該種表面由于開(kāi)裂的原子鍵而具有“結(jié)合”能力。采用真空和其他凈化表面的方法之后，就有可能利用上述原子結(jié)合力，來(lái)連接兩個(gè)和兩個(gè)以上的表面，隨后表面上產(chǎn)生的擴(kuò)散過(guò)程提高了這一連接的強(qiáng)度。真空擴(kuò)散焊的焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)

5、度、熱穩(wěn)定性、密封性、耐腐蝕性和彈都能滿足重要構(gòu)件的技術(shù)要求。應(yīng)用范圍：用這種焊接方法，可以連接具有不同硬度、強(qiáng)度、相互潤(rùn)濕的各種材料，其中包括異種金屬、陶瓷、金屬陶瓷，這些材料用熔化焊接方法焊接都不能得到良好效果。,1.4工藝參數(shù),均溫區(qū)尺寸、最高溫度、使用溫度、溫度均勻性、控溫精度、極限真空度、真空度、加熱功率。影響擴(kuò)散過(guò)程和程度的主要工藝因素：溫度：影響擴(kuò)散焊進(jìn)程的主要因素是原子的擴(kuò)散，影響原子擴(kuò)散的主要因素是濃度梯隊(duì)和溫度

6、。擴(kuò)散焊溫度一般高于1/2金屬熔化溫度0.6～0.8Tm（Tm母材熔點(diǎn)）。壓力：主要影響擴(kuò)散焊第二階段。壓力過(guò)低表面層塑性變形不足0.5～50Mpa。時(shí)間：擴(kuò)散焊需要較長(zhǎng)的時(shí)間。時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致焊縫中殘留有許多孔洞，影響接頭性能。,1.5接方法(系統(tǒng))設(shè)備與裝置組成,真空擴(kuò)散焊設(shè)備——由真空室、加熱器、加壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、溫度測(cè)控系統(tǒng)及電源等組成。,1.6擴(kuò)散焊的應(yīng)用,擴(kuò)散焊是適用于航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域和新材料的連接需要而迅速發(fā)展

7、起來(lái)的一種精密連接方法。,2.摩擦焊,,2.1摩擦焊方法基本概念,摩擦焊(friction welding) 是以機(jī)械能為能源的固相焊接。摩擦焊是利用工件間相互摩擦產(chǎn)生的熱量使之達(dá)到塑性狀態(tài),同時(shí)頂鍛加壓而進(jìn)行的焊接方法。車削工件時(shí)切屑往往牢牢地粘在刀頭上，軸與軸瓦之間潤(rùn)滑不良時(shí)也會(huì)產(chǎn)生局部焊合，摩擦焊就是從這些現(xiàn)象出發(fā)而發(fā)明的。,2.2.1摩擦焊接的原理,摩擦壓接法是將2種母材對(duì)合使之相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，施加推力使接觸面因摩擦而產(chǎn)生熱量。

8、利用該熱量使對(duì)合面以及附近軟化，若達(dá)到一定的壓接溫度，則停止相對(duì)運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)一步增大壓接推力，利用原子間引力的作用進(jìn)行2種母材的接合的方法。,2.2.2摩擦焊分類,連續(xù)摩擦焊 慣性摩擦焊徑向摩擦焊攪拌摩擦焊摩擦堆焊線性摩擦焊軌道摩擦焊圓形軌道摩擦焊,2.3.1摩擦焊的特點(diǎn),接頭組織致密(氧化物和雜質(zhì)被去除);可焊接同種或異種金屬;不需焊接材料。摩擦焊時(shí)，熱量集中在接合面處，因此熱影響區(qū)窄。兩表面間須施加壓力，多數(shù)情況是在加熱

9、終止時(shí)增大壓力，使熱鈦金屬受頂鍛而結(jié)合，一般結(jié)合面并不熔化。摩擦焊生產(chǎn)率較高，原理上幾乎所有能進(jìn)行熱鍛的金屬都能用摩擦焊焊接。摩擦焊還可用于異種金屬的焊接。主要適用于橫斷面為圓形的工件，最大直徑為100mm。,摩擦焊技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn),接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定。　效率高。節(jié)能、節(jié)材、低耗焊接性好?！…h(huán)保，無(wú)污染。,2.3.2應(yīng)用范圍,目前我國(guó)摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛，可焊接直徑3.0～120mm的工件以及8000mm2的大截面管件，同時(shí)還開(kāi)

10、發(fā)了相位焊和徑向摩擦焊技術(shù)，以及攪拌摩擦焊技術(shù)。,2.4影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù),摩擦焊的三個(gè)重要工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)速：根據(jù)被焊材料和連接界面處焊縫的直徑來(lái)選擇。工件之間的壓力 ：在焊接過(guò)程中壓力是變化的。焊接剛開(kāi)始時(shí)壓力很低，隨后壓力不斷增大，以產(chǎn)生足夠的摩擦熱，停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓力迅速增大。焊接時(shí)間： 根據(jù)工件類型、形狀及接觸面積進(jìn)行選擇通常是數(shù)秒或數(shù)十秒。,2.5焊接方法(系統(tǒng))設(shè)備與裝置組成,主系統(tǒng)軸：主要由主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)帶、離合器、制動(dòng)

11、器、軸承和主軸等組成，主軸系統(tǒng)傳送焊件所需的功率，并承受摩擦轉(zhuǎn)矩。,2.6應(yīng)用實(shí)例,近年來(lái)隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，也加速了摩擦焊技術(shù)向這些領(lǐng)域的滲透，進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、起落架結(jié)構(gòu)件、緊固件等材料以及金屬與陶瓷、復(fù)合材料、粉末高溫合金的摩擦焊工藝試驗(yàn)研究，某些電工材料的釬焊工藝也開(kāi)始用摩擦焊接所取代。,3、攪拌摩擦焊,,3.1攪拌摩擦焊方法基本概念,攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW）是一種固相焊接

12、新技術(shù)，是英國(guó)焊接研究所（The WeldingInstitute，簡(jiǎn)稱TWI）于1991年發(fā)明的，并于次年在英國(guó)申請(qǐng)了發(fā)明專利，同時(shí)陸續(xù)在世界各國(guó)申請(qǐng)了專利保護(hù)。得到專利保護(hù)并公開(kāi)以來(lái)，攪拌摩擦焊技術(shù)首先并主要在鋁合金、鎂合金等輕金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在高熔點(diǎn)材料領(lǐng)域也獲得了一定發(fā)展。,3.2攪拌摩擦焊工作原理,攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣．?dāng)嚢枘Σ梁敢彩抢媚Σ翢嶙鳛楹附訜嵩?。不同之處在于．?dāng)嚢枘Σ梁负附舆^(guò)程是由一

13、個(gè)圓柱體形狀的焊頭(welding pin)伸入工件的接縫處，通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化．同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接的。,3.3攪拌摩擦焊的特點(diǎn),攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)攪拌摩擦焊與傳統(tǒng)的焊接方法相比有著更多的優(yōu)點(diǎn)。(1)攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，接頭性能優(yōu)異。(2)焊前不需要開(kāi)坡口，可以節(jié)省焊前準(zhǔn)備工時(shí)。(3)焊接過(guò)程中不需要保護(hù)氣，也不需要填充材料。(4)焊接過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自

14、動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)全位置焊接，接頭質(zhì)量一致性好。(5)焊接熱輸入小，從而導(dǎo)致焊接變形小、接頭殘余應(yīng)力水平低，是一種低應(yīng)力、小變形焊接技術(shù)。(6)焊接過(guò)程中無(wú)飛濺、無(wú)弧光、無(wú)輻射，是一種綠色焊接技術(shù)。(7)焊接效率高、能耗低，是一種高效焊接技術(shù)。攪拌摩擦焊技術(shù)的這一系列特點(diǎn)使其對(duì)于以鋁合金為代表的輕金屬結(jié)構(gòu)焊接具有非常重要的意義。,3.4.影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù),攪拌摩擦焊工藝參數(shù)主要有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度R焊接速度V焊接壓力P攪拌

15、頭的傾角攪拌頭插入速度保持時(shí)間等。,3.5 .焊接方法(系統(tǒng))設(shè)備與裝置組成和性能指標(biāo),攪拌摩擦焊機(jī)分為攪拌頭、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工件夾緊機(jī)構(gòu)和剛性機(jī)架等。,3.6攪拌摩擦焊的應(yīng)用,航天中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用船舶中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用交通運(yùn)輸中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用核工業(yè)中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用,4.超聲波焊接Ultrasonic welding,4.1超聲波焊接方法基本概念超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)

16、需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。,4.2.1超聲波塑料焊接原理,超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒幾萬(wàn)次的高頻振動(dòng)，這種達(dá)到一定振幅的高頻振動(dòng)，通過(guò)上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個(gè)焊接的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘

17、，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，達(dá)到焊接的目的，焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度。,4.4影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù),焊接振幅 ：振幅是塑料在超聲波焊接時(shí)首要選擇的工藝參數(shù)。焊接壓力：在其他因素確定的情況下，焊接壓力在一定范圍內(nèi)也會(huì)對(duì)其焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。波焊接時(shí)首要選擇的工藝參數(shù)。焊接時(shí)間：實(shí)驗(yàn)證明，要想得到良好的焊接效果，必須選擇適當(dāng)?shù)暮附訒r(shí)間，過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短的焊接時(shí)間都會(huì)造成焊接強(qiáng)度的下降。焊頭下降速度 ：焊頭下降速度越快，達(dá)到

18、的焊接接頭強(qiáng)度越高。保壓時(shí)間和保壓壓力： 超聲波停止后，為了使焊接試樣相互緊貼固化，從而使兩工件能夠很好地焊接在一起，需要在一定時(shí)間內(nèi)保持一定的壓力，所需的時(shí)間和壓力就是保壓時(shí)間和保壓壓力。,4.5焊接方法(系統(tǒng))設(shè)備與裝置組成和性能指標(biāo),一套超聲波焊接系統(tǒng)的主要組件包括超聲波發(fā)生器，換能器/變幅桿/焊頭三聯(lián)組，模具和機(jī)架 。超聲波焊接機(jī)的組成，主要由以下5部分組成：控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)由時(shí)間繼電器或集成電路時(shí)間定時(shí)器組成。氣動(dòng)傳

19、動(dòng)系統(tǒng)：包括有：過(guò)滹器、減壓閥、油霧器、換向器、節(jié)流閥、氣缸等。超聲波工具頭：工具頭，有帶振幅放大的和不帶振幅放大的兩種超聲波發(fā)生器：功率在500W以上的超聲波焊接機(jī)所用發(fā)生器采用自激式功率振蕩器，具有一定的頻率跟蹤能力。超聲波換能器：超聲波塑料焊接機(jī)用的聲學(xué)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)部分、固定部分和工作部分。,4.6典型零件的應(yīng)用實(shí)例,針對(duì)所有的應(yīng)用市場(chǎng)，超音波焊接其特有的優(yōu)點(diǎn)--快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認(rèn)可。汽車