第四章 复合材料的焊接（1）要点课件.ppt

第四章 复合材料的焊接,第一节 金属基复合材料的焊接,无处不在的复合材料,土房-草增强泥基复合材料,钢筋混凝土建筑框架,玻璃钢撑杆,复合材料在航天领域中的应用,主货舱门- 碳纤维/环氧树脂压力容器- 凯芙拉纤维/环氧树脂主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料,“哥伦比亚号”航天飞机,发动机的喷管- 碳/碳复合材料发动机组传力架- 钛基复合材料机身防热瓦- 陶瓷基复合材料,1、复合材料基本概念 1.1 复合材料概念,一、复合材料概况,什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复合后材料的性能，或偏重于考虑复合材料的结构,FL. Matthews和DRawlings认为，复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件： (1) 组元含量大于5； (2) 复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3) 通过各种方法混合而成。,按Matthews和Rawlings给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如Co-Cr-Mo-Si合金不属于复合材料，因为这种合金经过熔化和凝固过程；而仅有像SiC颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料和狭义复合材料。,从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。,上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其他种材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。,满足下列条件的材料称为复合材料： （1）复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料； （2）复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在； （3）复合材料保持各组分材料性能的优点，并增加单一组成材料所不能达到的综合性能。,复合材料的组成,基体Matrix,增强相Reinforcement,界面Interface,复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体 (也称为增强材料、增强相等)。,复合材料的基体,连续相起到将增强体黏结成整体，并赋予复合材料一定的形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。基体主要有聚合物、金属、陶瓷、水泥,复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。,1、外力场2、基体3、基体表面区4、相互渗透区 5、增强剂表面区 6、增强剂,复合材料的界面示意图,界面的特点,性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度连接基体与增强体材料能够传递载荷,复合材料的性能取决于： （1）基体和增强体的性能； （2）增强体的含量、分布、形态及尺寸大小； （3）基体和增强体的界面结合强度。,以下面五点概括了复合材料的基本特点：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；,1.2 复合材料的特点,3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。,1,2,3,4,比强度与比模量高,化学稳定性优良（管道）,减摩、耐磨、自润滑性好（掺入纤维）,耐热性高、高抗冲击性,复合材料的性能特点,（1）轻质高强，比强度和比刚度高 、增强剂或者基体是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的； 、增强剂多是强度很高的纤维。比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类材料中最高的。,例如，普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.52.0 g/cm3，只有普通碳钢的1/41/5，比铝合金还要轻1/左右，而机械强度却能超过普通碳钢的水平。,（2） 耐腐蚀性能好 对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料； 聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。,（3）耐磨性能好 陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性。设计时可选用耐磨性好的陶瓷基体和增强材料。,（4） 长期耐热性、高耐冲击性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300 左右。,复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：,2、复合材料的命名,（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。,（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。,例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳碳复合材料”。,复合材料表示方法,1）增强材料/基体材料。 如WC/Co（读作：由碳化钨增强的钴基复合材料）； SiC（P）/Al（读作：由碳化硅颗粒增强的铝基复合材料）； C（f）/EP（读作：由碳纤维增强的环氧树脂复合材料）。2）英文编号的缩写。 如FRP：纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics）； PMC：聚合物基复合材料； MMC：金属基复合材料； CMC：陶瓷基复合材料； FRC：纤维增强复合材料；,按照基体分类,按照增强体分类,、复合材料的分类,复合材料的整个发展过程可表示为：,古代,近代,先进复合材料,学术界开始使用“复合材料”（composite materials ）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了近代复合材料的新纪元。,天然复合材料,20世纪80年代以后，设计、制造和测试等方面的知识和经验的丰富，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使现代复合材料的发展达到了更高的水平，即进入高性能复合材料的发展阶段。,、复合材料发展概况,人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然界制作各种各样的复合材料。例如 陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今； 漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年； 敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。,古代天然复合材料,近代，复合材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。,近现代复合材料,第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期 1965年英国科学家研制出碳纤维； 1971年美国杜邦公司开发出Kevler-49 （开芙拉-49 ）； 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及Kevler纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如机敏（智能）复合材料和梯度功能材料,纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。,（）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用 （）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位 （）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决,复合材料目前状况,5、增强材料,在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质均称为增强材料。 增强材料在复合材料中起增强作用，是主要的承力组分，还能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度。 复合材料的性能很大程度上取决于增强材料的性能、含量及处理方法。,颗粒增强型,非连续纤维增强型,板状(层片状)增强型,连续纤维增强型,5.1 玻璃纤维,玻璃纤维生产流程图,将熔化的玻璃以极快的速度抽拉成细微的丝，即成为玻璃纤维。 细度在3.821.6m, 脆性与直径的四次方成正比。,玻璃纤维的特点：,质地柔软，可以织成玻璃布，玻璃带。玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性能、电性能及化学性能与玻璃的成分，直径，细度有直接关系。,5.2 碳纤维碳纤维特点 将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在90以上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。制备方法 原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨化烧结等工艺过程。,5.3 硼纤维航空航天领域中，为获得高比强度和高比弹性模量，开发新型增强纤维-硼纤维。硼的熔点在2000以上，硬度仅次于金刚石。,5.4 无机类晶须晶须：截面积小于5.210-42，长径比在101000单晶体。晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整晶体材料的理论值，是目前发现的固体的最强形式。是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶液、熔液、固体中生成并生长，也可以通过气相反应来制取。,1、金属基复合材料,二、金属基复合材料的焊接,金属基复合材料（MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。其增强材料主要为无机非金属，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金属基复合材料制备过程是在高温下进行的，有的还在高温下工作较长时间，因此界面的结合强度起到重要作用。,为什么会产生金属基复合材料？对材料的强韧性，导电、导热性、耐高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 要求材料具有更高的比强度和比模量(刚度) 纤维增强聚合物基复合材料不能在300以上温度下工作 聚合物基复合材料耐磨性差，不导电，不导热，在使用期间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。,（1）铝基复合材料的性能和应用,纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能 ，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。,（2）镁基复合材料的性能和应用,镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，但由于价格昂贵目前只用于航空航天部门。 含硼纤维4045的硼/镁复合材料的拉伸强度为11001200MPa，弹性模量220GPa，断裂伸长0.5，泊松比0.25。 加入少量的SiC或Al2O3颗粒在镁或镁合金中，明显提高其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零部件 。 石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比模量、最好的抗热变形阻力，成为理想的航天结构材料，已被用于制造卫星的10m直径的抛物面天线及其支架 。 具有零膨胀系数的石墨/镁复合材料可用于航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮材料。,2、金属基复合材料的焊接性,基体：金属(塑性、韧性好) 焊接性较好增强相：非金属(高强度、高熔点、低线胀系数) 焊接性较差金属基复合材料焊接的关键：非金属增强相与金属基体以及非金属增强相之间的结合问题,2.1 界面反应,基体与增强相热力学不稳定易发生化学反应脆性相生产,内因：二者的化学相容性外因：温度,例如：Bf/Al复合材料 430左右，B+AlAlB2 脆性，导致界面强度下降例如：Cf/Al复合材料 580左右，C+AlAl4C3 脆性，导致界面强度下降例如：SiCf/Al复合材料 SiC+AlAl4C3+Si Al4C3+H2OC2H2+Al(OH)3 导致低应力腐蚀开裂综上，界面反应降低连接质量，要避免和抑制连接时基体和增强相之间的反应。,避免基体与增强相反应的措施：, 冶金措施加入活性比基体金属更强的元素(目的：代替基体与增强相发生反应) 例如： SiCf/Al复合材料，加入Ti元素 原来：SiC+AlAl4C3+Si 加入Ti后：SiC(固)+Ti+Al(液)TiC(固)+Si+(Ti3Al+TiAl) TiC作为强化相存在；Si增加使反应向逆方向进行瞬时液相扩散焊时，选用能与基体生成低熔点共晶或熔点低于基体金属的合金作为中间层。, 改善焊接工艺 控制加热温度和焊接时间 例如：降低热输入 固态焊 复合材料的设计方面 采用非活性的材料作为增强相 例如：用Al2O3、B4C取代SiC增强Al基复合材料,2.2 熔池流动性和界面润湿性差,物理相容性：基体与增强相熔点相差大大量未熔增强相熔池流动性变差,气孔、未焊透、未熔合缺陷产生未熔质点偏聚，性能恶化,金属基体熔化：熔焊机制金属基体与增强相：钎焊机制要求良好的润湿性,解决措施：采用流动性好的填充金属，例如：高Si焊丝采取相应的工艺措施减少复合材料的熔化，如加大坡口和采用热输入小的TIG焊,2.3 接头强度低,基体与增强相线胀系数相差大较大的内应力焊缝中增强相体积分数小且不连续焊缝与母材线胀系数相差大较大的内应力电弧焊时，电弧力纤维偏移、断裂扩散焊时，压力过大增强纤维挤压破坏对接接头，纤维无法对接,对于连续纤维增强金属基复合材料，由于在纤维方向上具有很高的强度和模量，保证纤维的连续性是提高纤维增强金属基复合材料焊接接头性能的重要措施，故必须合理设计接头形式。,2.4 气孔倾向,熔池粘度大气孔难以逸出存在气孔措施：焊前母材和填充材料真空去氢处理,2.5 结晶裂纹,熔池流动性差颗粒增强相的偏聚结晶最后阶段液态金属的增强相含量较大结晶裂纹冷却速度快增强相被液/固界面推移偏聚,3、各种连接工艺对金属基复合材料的适应性分析,固态焊和钎焊明显优于熔焊。首先，这些方法避免了复合材料的熔化。其次，可将连接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内。这些方法的共同缺点是接头形式的局限性较大；且工艺复杂，生产率低，尤其是扩散焊。,对于固态焊中的摩擦焊来说，界面温度虽很高，但时间短，所以对接头性能不会有显著影响。但它不适用于连接纤维增强的复合材料，因为摩擦焊时需施加很大的压力，而使纤维受损。这一现象在电阻焊时同样存在。采用软钎焊可使温度降得很低，但接头强度也很低。用熔焊连接金属基复合材料时，虽存在很多问题，但由于其高效、简便而具有很大的吸引力。如连接Al2O3颗粒增强铝基复合材料的自行车架。从尽量减小熔化区和热影响区出发，似乎高能束激光焊对连接复合材料有利。但由于其能量密度高，熔池局部温度很高，并由于增强相对激光束的吸收率高而导致增强相过热，甚至熔化，而使反应更为激烈。采用脉冲激光焊和控制激光束位置等措施后可有所改善，但并不能完全抑制反应的产生。,4.1 连续纤维增强MMC焊接中的问题界面反应熔池的流动性差、基体金属对纤维的润湿性接头残余应力大纤维的分布状态被破坏,4、连续纤维增强金属基复合材料的连接,4.2 连续纤维增强MMC材料接头设计,4.3 纤维增强MMC的焊接工艺特点,适用于纤维增强MMC的焊接方法主要有电弧焊、激光焊、扩散连接、钎焊等。由于摩擦焊需要在结合界面处发生较大的塑性变形，因此这种方法不适用于纤维增强MMC的焊接。,5.1 非连续增强MMC焊接中的问题界面反应熔池的粘度大、流动性差气孔、结晶裂纹的敏感性大增强相的偏聚、接头区的不连续性,5、非连续纤维增强金属基复合材料的连接,5.2 非连续增强MMC焊接的工艺特点,