材料连接原理(邹家生主编)
先进陶瓷与金属连接的现状及展望
1前言先进陶瓷材料具有硬度高、强度大、耐高温、耐磨性能好、抗腐蚀、抗氧化等优良的特性和广阔的应用前景，尤其是在电子、能源、交通、发动机制造、航空航天等领域。
然而，陶瓷的韧性值较低，属于脆性材料，采用机械加工的方法难以制备出尺寸较大和复杂结构的构件，为了克服先进陶瓷的脆性及难加工等问题，拓宽其进一步的应用与发展，常将陶瓷与金属连接起来，在性能上形成一种互补关系，使之成为理想的结构和工程材料，以满足现代工程的应用[1-2]。
陶瓷与金属的连接既是连接领域的热点问题又是难点问题，首先金属与陶瓷在化学键型、物理和化学特性、力学性能及微观结构等方面具有较大的差异；其次，陶瓷与金属的热膨胀系数相差较大，连接时在界面处导致残余应力的集中，致使接头强度下降。
生产中常用钎焊或扩散焊的方法将陶瓷与金属（陶瓷）连接起来，随着连接技术的深入研究，相继研发了一些新的方法（中性原子束焊、激光焊、超声波焊、微波焊以及燃烧合成技术等）[3]。
本文针对近年陶瓷与金属连接而开发的连接技术进行阐述，总结最新的研究成果并对其进行展望。
2陶瓷与金属的连接技术15世纪中叶，我国明代景泰蓝的制作开创了陶瓷与金属连接技术的先河，但是，具有产业化的、工业规模的连接技术则始于20世纪30年代。
Wattery 和德律风根公司的Pulfrich于1935~1939年在陶瓷表面喷涂一层高熔焦仁宝1,2，荣守范1，李洪波1，朱永长1，刘文斌1，张圳炫1（1.佳木斯大学材料科学与工程学院，佳木斯154007；2.佳木斯大学机械工程学院，佳木斯154007）陶瓷与金属连接是陶瓷面向工程应用的关键技术。
本文阐述了适用于陶瓷与金属连接的各种方法及其机理、特点和工程上的应用。
指出钎焊和扩散焊具有很好的适应性，并对陶瓷与金属连接的研究前景进行了展望。
金属；连接方法（1980年~），男，黑龙江省佳木斯人，博士研究生。
黑龙江省教育厅项目（2016-KYYWF-0567）. All Rights Reserved.点金属（Ni 、W 、Fe 、Cr 、Mo ）进行活化处理，采用间接钎焊的方法，制造陶瓷电子管，该项技术于1940年获得专利，称之为德律风根法。
材料连接原理(邹家生主编)
材料连接原理课后习题答案及期末复习资料简答：１.焊接热源有哪些共同要求？描述焊接热源主要用什么指标？答：能量密度高度集中、快速实现实现焊接过程、得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
主要指标：最小的加热面积、最大功率密度和正常焊接规范条件下的温度。
５.试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有何解决措施？答：原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。
解决措施：调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。
７.从传热学角度说明临界板厚δcr 的概念？某16Mn 钢焊件，采用手工电弧焊，能量E=15KJ/cm 求δcr ？由传热学理论知道：在线能量一定的情况下，板厚增加冷却速度Wc 增大，冷却时间t8/5变短，当板厚增加到一定程度时，则Wc 和t8/5不再变化，此时板厚即为临界板厚δcr 。
1.95cr cm δ==８.手工电弧焊接厚12mm 的MnMoNbB 钢，焊接线能量E=2kj/cm,预热温度为50度,η取0.9.求t8/5?附λ=0.29J/(cm s ℃) CP=6.7 J/(cm s ℃)９.直流正接为何比直流反接时焊缝金属溶氢量高？答：（１）直流正接：工件接正极。
直流反接：工件接负极。
（２）带电质点Ｈ＋在电场作用下只溶于阴极。
（３）处于阴极的熔滴不仅温度高而且比表面积大，其溶氢量大于熔池处于阴极时的溶氢量。
１０简述氢对焊缝质量的影响？s T T t cmT T c E Ecr cr 88.0)80015001(:,75.0/69.0)80015001(20025/800=-+-=>=-+-=πληδδρηδ故采用厚板公式答：影响：氢脆、白点、气孔、冷裂纹、组织变化。
控制含氢量措施：１）限制氢的来源２）进行冶金处理３）控制焊接材料的氧化还原势４）在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土元素或稀散元素。
Si3N4陶瓷二次部分瞬间液相连接数值模拟
２ 二次部分瞬间液相连接过程的计算模型 ． 采用图 １ 所示的接头形式。表 １ 为母材和中间过渡层材料的基本性能。 表 １ 各 种材 料物 性 参数 ’１ ＿
本试验用的中间过渡层 Ｎ 、Ｃ 和 Ｔ 的厚度分别为：１０ ａ 、 １ ０ｔｎ ｉ ｕ ｉ ４ ｎ ０ 、８ ｔ ａ
一
、
【 ｛ ） ｄ Ｋ】 ＝｛Ｆ）
式中，｛ ８ 为节点位移增量； ｄ ｝
（） １
｛Ｆ） 为因外载或温度引起的载荷增量； ｄ
［ 为刚度矩阵。 】 解方程 （）可得每一个节点的位移增量 ｛ａ 。根据应变—位移关系 （ １ ｄ｝ 相容性条件） ： ｛ｃ ＝［ ｌｄ ） ｄ ） Ｂ ｛６
式中，｛ ｝ 如 为每个单元 内的应变增量；
（ ２）
［】 Ｂ 为几何矩阵，与单元几何形状有关。 再根据应力一应变关系 （ 本构关系） ｛ｏ｝ Ｄ］ｄ ｝一Ｃ ｄ ： ｄ －＝［ ｛ｃ ＿｛ ｝Ｔ 式中，｛ｏ 为单元内的应力增量； ｄ） － ｛ ） 为受温度影响的向量； Ｃ
新型结构陶瓷具有优异 的耐高温 、抗腐蚀及耐磨等性能，但其塑性极差而难 以制成大型或形状复杂 的构件 。Ｉ在 实 际应用 中实现 陶瓷 与金属 、陶瓷 与 陶瓷 的连接 ，对扩 大 陶瓷在工 业 中 的应用 领域 具有 重要 Ｊ 】 的意义 。目 前在陶瓷与金属 的连接中，主要有钎焊和扩散焊 。近几年又发展了部分瞬间液相连接和二次 部分瞬间液相连接新方法 ，ｚ 【 】 为工程结构陶瓷的耐热连接开辟了新途径 。 然而 由于陶瓷与金属热膨胀系数 的巨大差异，接头在冷却过程 中收缩不均匀而导致残余应力，严重降低了陶瓷与金属接头的强度 ，分析 和测量残余应力， 并采取相应措施对残余应力进行缓解是提高陶瓷连接强度的主要途径 。３ 由于接头残 ｌ Ｊ 但 余应力分布的复杂性 ，难以实现准确测量，目前国内外大 多采用解析方法和有限元进行计算 。［ １ ４ 本文采 － ６ 用 Ａ Ｓ Ｓ有限元分析软件进行 ｓ３ ４ ＮＹ ｉ 陶瓷与其 自身连接过程的残余应力分析， Ｎ 研究以 Ｔ Ｃ ／ ｉ ｉ ｕ 作为中间 ／ Ｎ 过渡层连接 ｓ Ｎ 陶瓷的残余应力分布状况 ， ｉ ３ 并根据模拟结果预测陶瓷连接件最可能的断裂位置。 本文通 过 二 维热弹塑 性有 限元 法对 ５ ｍｍ 圆棒 试样 进行 分析 。 有 限元模 型的 建立 １ 弹塑性有 限元方法 ． 热 由于 ｓ３ ｉ 陶瓷二次瞬间液相连接 的温度很高， Ｎ 属于高温热弹塑性 问题 。 弹塑性分析考虑 了温度对材 料 性 能的影 响 ，分 析 时必须加 以考 虑 。焊接 热弹 塑性分 析 ，包括如 下 四个 基本关 系 ： １ ）应变—位移关系 （ 相容性条件） ２ ）应力一应变关系 （ 本构关系） ３ ）平衡 条件 ４ ）相应 边界 条件 对 于 非线形 问题 ，通常 采用 增量 方法 ，根据 虚功 原理其 平衡 方程为 ：
材料连接原理实验指导书详解
《材料连接原理》实验指导书邹家生编写适用专业：焊接技术与工程江苏科技大学材料科学与工程学院2005年 4 月前言目录实验1：焊条配制综合实验 (1)实验2：焊接接头金相分析 (11)实验3：钎料润湿性实验 (15)附录1： (17)附录2： (19)附录3： (22)实验1：焊条配制综合实验实验学时：6实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）一、实验目的及内容焊条药皮配方是焊条各种性能的决定因素，在生产及科研中，经常会遇到焊条正确、合理地选用和配制问题，通过本实验要求初步掌握焊条药皮配方设计及制造的工艺过程，了解焊条药皮成分对焊条工艺性能和冶金性能以及对焊接接头质量的影响。
本实验主要有下面两个方面的内容：1．焊条配制及工艺性能实验：表1中例举了结424（E4302）典型药皮配方(1)，结422（E4303）典型药皮配方（2）、（3）；结507（E5015）典型药皮配方（4）、（5）,由常用药皮的特性，修改配方成分，然后制成焊条，用配制的焊条及成品焊条进行工艺性能实验。
焊条工艺性能是衡量焊条质量好坏的一个重要指标。
焊条工艺性能包括：焊接电弧的稳定性、焊缝成型、脱渣性、飞溅大小、在各种位置上焊接的适应性、生产效率、焊条药皮发红程度、发尘量等，通过本实验要初步掌握焊条的配制及工艺性能的试验方法，了解不同种类焊条的工艺性能。
2．焊条熔敷金属中扩散氢含量实验：焊接接头的含氢量是引起高强钢焊接延迟裂纹的三大因素之一。
焊缝金属中的氢，大部分是以原子或质子状态存在的，能够在焊缝金属的晶格中自由扩散，这部分氢称之为扩散氢，影响扩散氢含量因素较多，对其进行深入的研究是焊接专业工作者的重要课题之一。
通过本次实验，要求初步掌握45℃甘油测氢试验方法，了解焊条种类及烘干温度对熔敷金属扩散氢含量的影响。
二、电焊条制作过程及涂料机使用简介1．焊芯由送丝滚轮带动，以等速向前推进经导丝管进入涂料缸；涂料缸内的药皮涂料在活塞杆的压力下，通过涂料头时和焊芯粘合并一同被挤出，涂料均匀地涂敷于焊芯上，经烘干即成焊条。
江苏科技大学焊接与成型实验室
焊接与成型实验室一、实验室概况：江苏科技大学材料学院拥有国内最早的焊接专业和焊接实验室，原焊接工艺与设备专业及实验室始建于1953年，即学校前身上海船舶工业学校时期。
2003年筹建材料成型实验室，以满足新开材料成型与控制专业（模具方向）的要求。
目前焊接与成型实验室下设焊接和材料成型两个实验分室，实验室依托于我校的江苏省重点学科点——材料加工工程及省级特色专业——焊接技术与工程。
其中，焊接实验室是“江苏省船舶先进设计与制造技术重点实验室”的主要组成部分，也是原中国船舶工业总公司“高效焊接重点实验室”。
2001年国家财政部拨专款200万用于本实验室建设，2003年国家财政部再次拨款480万，部分经费用于本专业建设，2005年成为“先进焊接技术省重点实验室”。
经过50多年的发展，焊接专业实验室条件优越、设备齐全，人才济济，在教学、科研和人才培养中取得了骄人的业绩，并在全国船舶制造和压力容器等行业享有盛誉。
焊接与成型实验室现有固定资产765多万元，设备620多台（套），实验室面积3000多平方米，实验室主要分布于焊接楼。
实验室拥有一支实力雄厚的从事实验教学和科研的专兼职队伍，其中教授6名、副教授/高级工程师3名、讲师和实验师3名，具有博士学位的4人。
本实验室和乌克兰、俄罗斯、日本、美国、加拿大等国相关大学和研究单位建立了长期的国际合作关系，并与国内哈尔滨工业大学焊接实验室等相关专业实验室有着广泛、经常性的交流与合作。
二、实验仪器与设备焊接与成型实验室跨焊接与材料成型两个专业方向，由弧焊机器人、搅拌摩擦焊、无损检测、弧焊电源、埋弧焊、气体保护焊、压力焊、真空焊接、电弧物理、高温金相、真空甩带机和压力加工、模具拆装、CAD中心等10多个专业实验室组成。
实验室具有较为齐备、先进的设备仪器和优良的实验条件，近几年还研发了10余台套实验教学仪器设备、科研仪器和焊接生产专机，包括弧焊电源测试装置、电弧测试仪、电弧图像分析系统、焊缝跟踪装置、金属薄板自动拼焊机等。
第四章C-C复合材料的连接
美国得克萨斯大学、澳大利亚卧龙岗大学、加拿大不列 颠哥伦比亚大学和韩国汉阳大学的研究人员
5年前，美国德州大学的科学家们开始尝试使用碳纳米管 (CNTs)制造“导电性智能纺织物”。碳纳米管是一种碳 原子构成的中空管状物。“他们试图研制一种多功能纺 织物，这种纺织物可以充当电池，充当天线，甚至可以 具备防弹功能。” 小组成员贾瓦德· 弗罗基当时正在用一小段碳纳米纤维进 行实验，突然发现当这种材料浸没于电解质中时，如果 对其施加一个电压，材料会发生旋转。电压反转，材料的 旋转方向也会跟着反转。
第一种制造方法常用的基体材料主要有沥青、酚醛、糠 醛等含碳量高的树脂。由于热分解时树脂中非碳元素的 分解逸出，在基体中易产生空隙。因此，制造时一般应 利用化学蒸气沉积技术在空隙中沉积碳，以提高材料的 致密性。
碳／碳复合材料与其他碳素材料一样，在空气中加热 到400℃以上就会发生氧化。即使很少量的烧蚀也会导 致材料的物理性能和力学性能劣化。改善碳／碳复合材 料抗氧化性能的最常用方法利用化学气相沉积(CVD)、 溶胶一凝胶、等离子喷涂等技术在材料表面施以抗氧化 陶瓷涂层。
三维织物增强的复合材料比其他几种形式的复合材料性 能皆佳，整体性强，层间剪切强度高，但制造成本亦高。
由于碳在常压下不熔化，也不能溶解于任 何溶剂中，因此不能直接用作基体材料。基体 制造工艺有两种。
第一种是先制成碳纤维增强热固性树脂基复合材料， 然后在氧气中缓慢热分解，使树脂基体分解，并在 沥青、酚醛树脂等溶液中反复进行浸渍并热解，最 后只残留碳基体，得到碳／碳复合材料。 第二种是化学蒸气沉积法，即用碳氢化合物气体， 如甲烷、乙炔等，在1000～1100℃下进行分解，在 三维织物、碳毡、纤维缠绕件的结构空隙内进行沉 积。形成致密的碳／碳复合材料。
材料连接原理与工艺-绪论
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焊接是材料连接的最重要的方法
特点突出： 高性能（可达到与母材等强度、等塑性、等韧性，尤
其是动载性能）； 高可靠（永久连接）； 高适应性（在各种环境下能焊接各种复杂构件） 高效率（适应大工业批生产）。
应用面广： 机械制造、石油化工、造船、车辆、 航天航空、冶
材料连接是材料加工方法、产品制造技术。 制造技术是人类制造财富的基本手段，也是生产力的核心 内容。制造技术的三大基本功能： 成形、连接、表面改性。
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成形是将原材料（或坯料）在一定的条件下加工成零件，保证其形状、 尺寸精度和表面质量达到设计要求。 冷加工（机械加工）：车、铣、刨、磨； 热加工：铸造、锻压、焊接（材料连接）
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焊接（材料连接）是一项应用技术，也是一门涉及 多学科融合的科学。 焊接学是在物理、化学、物理化学、力学、冶金学、 机械、电子学、计算机控制等的基础上发展起来的。 焊接学主要三部分构成：焊接方法学、焊接材料学 和焊接结构学。
焊接是将两种或两种以上材质(同种或异种)，通过加热或加压或两 者并用，使其形成可靠连接，实现物理量的传递。
表面改性是改变零件或产品表面化学成分或微观组织，提高其使用性能。 涂饰：喷漆、电镀、热浸镀、钎涂 化学热处理：渗碳、渗氮、渗硼、渗金属 热喷涂：火焰喷涂、等离子喷涂、堆焊、 表面工程是焊接衍生的一个重要的分支。
世界最大的三峡水轮机转轮 （左图13 叶片转轮；右图：15叶片转轮）
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材料成型和连接优秀课件
6.1 焊接
(1) 焊接的定义：
焊接是通过加热或加压，或两者并用， 并且用或不用填充金属，使焊件间达到原子 结合的一种加工方法。
根据上述定义，焊接最本质的特点就是 通过焊接使焊件达到了原子结合，从而将原 来分开的物体构成了一个整体，这是任何其 它连接形式所不具备的。
(2) 焊接方法分类
• 常用的焊接方法分为以下三类：
电弧焊
气焊
手弧焊
埋弧焊
熔焊
气体 保护焊
电渣焊
CO2气体 保护焊
氩弧焊
焊接
压焊 （固相焊）
钎焊
等离子 弧焊
电阻焊
电焊
缝焊
氢原子焊
对焊
焊接方法分类示意图
摩擦焊 超声波焊
(3) 焊接的优缺点 优点
1) 构造合理，应力集中系数小，接头连接效率高，对 接接头可达100％，而铆接很难达到70％。
2) 简化结构，减轻自重 由于焊接的强度较高，在同样 承载条件下，可更轻、更薄，对交通运输工具来说 还可因此而节约能量。
• 喷嘴结构应尽可能使气体 以层流流出。
氩气
➢ 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。
➢ 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 ➢ 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度
可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 ➢ 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会
在焊接过程中，将焊件加热至熔化状态，不加 压力完成的焊接方法通称为熔焊。
熔焊的本质及特点
➢ 熔化焊的本质是小熔 池熔炼与铸造，是金 属熔化与结晶的过程。
➢ 熔池存在时间短，温 度高；冶金过程进行 不充分，氧化严重； 热影响区大。
Ti箔厚度对Si_3N_4TiCuTiSi_3N_4部分瞬间液相连接界面结构及强
Ti 箔厚度对Si 3N 4/Ti/Cu/Ti/Si 3N 4部分瞬间液相连接界面结构及强度的影响邹家生, 翟建广, 初雅杰, 陈 铮(华东船舶工业学院焊接系,江苏,镇江 212003)摘 要:采用Ti/Cu/Ti 中间层在1273K 、180min 的条件下,改变Ti 箔厚度进行Si 3N 4陶瓷的部分瞬间液相(PTL P )连接,讨论Ti 箔厚度对界面结构及连接接头强度的影响,用扫描电镜、电子探针对连接界面区域进行了分析。
结果表明,在试验范围内,Ti 箔厚度为10μm 时Si 3N 4/Ti/Cu/Ti/Si 3N 4接头的室温强度最高,为210MPa 。
PTL P 连接时,当连接温度和时间不变,且连接时间能保证等温凝固过程充分进行的条件下,Si 3N 4/Ti/Cu/Ti/Si 3N 4连接界面结构、反应层厚度、等温凝固层厚度随着Ti 箔厚度改变而改变。
关键词:部分瞬间液相连接;Si 3N 4陶瓷;Ti 箔厚度;界面结构;连接强度中图分类号:TG 406 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2003)06-19-04邹家生0 序 言高温结构陶瓷Si 3N 4的耐热连接技术的开发是当前该领域研究的热点问题[1]。
在钎焊方面主要是开发实用高温钎料,而在扩散连接方面则是部分瞬间液相连接(Partial transient liquid phase bond 2ing ,以下简称PTL P 连接)技术的应用。
在PTL P连接中,借助微观设计的多层中间层,通过低熔点金属层的熔化或多层中间层材料的相互扩散,仅在靠近陶瓷表面处形成局部液相区,起到类似于钎料的作用,在随后连接中,液态合金又发生等温凝固和固相成分均匀化,使接头又具有固相扩散连接接头的耐热特性,故PTL P 连接兼具活性钎焊和固相扩散连接的优点。
目前,国际上许多材料科学家纷纷开始致力于PTL P 连接的研究工作。
中间层材料的选择是陶瓷PTL P 连接的关键问题。
《材料连接原理及工艺》课程教学大纲
课程教学大纲（course syllabus）
*课程目标 (Learning Outcomes)
1．培养学生分析金属材料连接性的基本能力，提高发现、分析和解决问题的能力（支持 毕业要求 2.2）。 2. 掌握科学研究的基本方法（支持毕业要求 1.1）。 3.正确选择连接材料、制定合理的连接工艺、探索高质量的连接途径提供基础，解决材 料科学与工程相关问题的能力，从而具备较强的社会适应能力（支持毕业要求 2.3， 2.4，3.2）。
焊接缺陷的类型、危害及防
止 措施
6
合金结构钢的焊接、不锈钢 10 的焊接、铝及其合金的焊接 工艺特点、铜及其合金的焊 接工艺特点、钛及其合金的 焊接工艺特点
不同金属焊接性试验研究 4
授课 授课
无 作业
掌握焊条的分类、工艺性 课堂提问 能，焊剂的分 类及性能，焊 丝的分类、保护气体种类 及 特点，自学焊条、焊丝的牌 号部分
课程性质 (Course Type)
限选
授课语言 (Language of Instruction)
中文
*开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite）
授课教师 （Teacher）
材料学院
材料科学与工程专业基础课料
芦凤桂、李铸国
课程网址
/G2S/site/previ
1 课程讲授，问题分
3 析，文献调研，案例 剖析
3
课程讲授，不同材料
3焊接难题及工艺优化 Nhomakorabea教学内容
学时
教学方 作业及 式 要求
基本要求
考查
材料连接（焊接过程）的物 2 理本质
焊接热源的种类及性质，焊 4 接热循环、焊接热效率、焊 接温度场分布、金属的熔化 *教学内容、进度 及焊接熔池的形成过程
含锆Cu_P基非晶钎料钎焊紫铜接头的连接强度及微观组织
势学科建设工程资助项目
CuP7． 7Sn5． 4Ni14Si0． 2Zr0． 04 常规钎料的制备 在 WK 型非自耗真空电弧炉中进行． CuP7． 7Sn 5． 4 Ni14Si0． 2Zr0． 04 非晶钎料在 HVDS-II 高真空单辊 甩带机上制得（ 厚度为 0． 08 mm ± 0． 02 mm） ． 钎焊 试验用紫铜板尺寸为 80 mm × 20 mm × 2 mm． 采用 搭接接头的形式，钎焊接头的抗剪强度试验根据国 家标准 GB11363—89《钎焊接头强度试验方法》的 要求在 CMT5205 电子拉伸试验机上进行． 微观组 织和成分分析在 ZEISS 光学显微镜和 JSW-6480 扫 描电镜及能谱仪上进行．
第 3 2 卷 第 10 期
焊接学报
2 0 1 1 年 1 0 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 2 No． 10 October 2 0 1 1
含锆 Cu-P 基非晶钎料钎焊紫铜接头的 连接强度及微观组织
高 飞， 许伟龙， 王 超， 邹家生
焊接头微观组织 CuP7． 7Sn5． 4Ni14Si0． 2Zr0． 04 非晶钎料在 800 ℃ × 5 min 条件下钎焊紫铜接头微观组织 形 貌 见 图 5． 从图 5 中可知，非晶钎料与紫铜基体界面结合 良好，无气孔、裂纹等缺陷． 钎焊接头一般由 3 部分 组成，即钎料组分向母材扩散形成的扩散区； 母材向 钎料溶解，冷却后形成的界面区和钎缝中心区． 图 5 中扩散区为铜基固溶体，界面区为图 5 中深黑色组 织，由于磷、锡向母材扩散后含量降低，其结构也基 本为铜基固溶体． 图 6 为 CuP7． 7Sn5． 4Ni14Si 0． 2 Zr0． 04 非晶钎料钎焊接头及特征区域 A 放大后的 微观组织形貌． 通过对特征区域的成分进行分析， 结果如表 2 所示． a'点即钎缝中的黑色基体主要由 Cu 元素及少量的 Sn，P 元素组成，Ni 元素 几 乎 没 有． 该黑色基体应为锡、磷在铜中的α-Cu固溶体． 根
浅谈橡胶与纤维骨架材料的粘合
浅谈橡胶与纤维骨架材料的粘合一36一中国胶粘剂CHINAADHESIVES2007年8月第16卷第8期V o1.16No.8,Aug.2007浅谈橡胶与纤维骨架材料的粘合李璐,熊联明,覃毅,曹端庆,曾林辉(南昌航空大学环境与化学工程学院,江西南昌330063)摘要:介绍了橡胶和纤维骨架材料粘合的基本原理,讨论了直接粘合体系和浸渍体系的应用及原理,着重介绍了目前人造丝,尼龙,聚酯和芳纶等主要橡胶用纤维骨架材料所用的粘合体系的状况.关键词:橡胶;纤维材科;粘合中图分类号:TG497文献标识码:B文章编号:1004—2849(2007)08—0036—050前言在橡胶工业中,纤维作为橡胶的补强材料,广泛应用于轮胎,胶带(平型带,V型带和同步带),胶管,胶鞋,隔膜,胶布,减震及某些密封等制品中.橡胶与各种纤维材料间的粘合十分重要,它们之间的粘合水平直接影响到橡胶制品的性能和使用寿命.近半个世纪以来,高性能的新型合成纤维材料的陆续出现,使得橡胶制品的质量,性能和使用寿命得到大幅度提高.但是如何进一步提高纤维材料与橡胶的粘合性能,却一直是困扰橡胶制品生产厂家的难题之一.本文系统地介绍了橡胶和纤维骨架材料粘合的原理和现状.1料合的基本原理维与橡胶,由于两者的分子结构,反应活性和表面性质等各不相同,要使它们粘合,必须考虑下面两个基本原则l】]:一是两者容易发生反应或具有亲和性;二是与之粘合的橡胶具有良好的相溶性或通过具有强反应活性的物质,使粘合单独或通过混合进行.由于纤维与粘合剂化学组成的多样化,因此,与纤维的粘合机理比较复杂.目前,关于粘合理论的观点主要有机械粘合理论,吸附理论,扩散理论和化学键理论四种,这些理论各自从不同的角度对粘合本质进行了解释闭.2粘合体系的应用及原理直接粘合与浸渍粘合在工艺过程和粘合剂的作用等方面有很大的区别,因而两者的粘合机理就有所不同.2.1直接粘合体系的应用及原理直接粘合法是将粘合助剂直接加入胶料中,通过硫化使其界面产生键合实现粘合的方法.直接粘合体系要求被粘的骨架材料具有高的表面吸附性;粘合剂对被粘骨架材料的亲合性要好,即两者的溶解度参数尽可能接近;粘合剂的表面张力要小,易于在被粘物表面扩散.常用的直接粘合体系主要有间甲白和三嗪等体系l3].2.1.1间甲白直粘法间甲白直粘体系是由甲醛给予体六亚甲基四胺(HMT)或亚甲基给予体(如六甲氧基甲基蜜胺, HMMM),单体间苯二酚或树脂型间苯二酚给予体和白炭黑组成的三组分粘合体系,又称HRH体系.适合于人造丝,尼龙,维尼龙和聚酯纺织物等纤维骨架材料与橡胶的粘合.典型的间甲白直粘体系的组成为间苯二酚或它的给予体2.5～3.8份,HMT或亚甲基给予体1.5～2.5份,对分子中含有间甲给予体的用量1.5～5.0份,白炭黑15份.其粘合机理在于间苯二酚作为亚甲基(一CH一)接受体,促进剂HMT为亚甲基给予体,在硫化温度下,亚甲基与间苯二酚发生化学反应生成低聚,有继续反应能力的酚醛树脂粘合剂.酚醛树脂中的羟甲基和羟基与纤维表面的羟基,氨基发生缩合反应或形成氢键,使其一面与被粘的纤维表面产生了化学键合.酚醛树脂中的羟基和羟甲基在加热条件下一般认为能生成一种亚甲基醌中间体,与橡胶大分子中活泼的0【一亚甲基反应,使其另一面与橡胶产生了化学键合或使橡胶交联,结果使橡胶和纺织收稿13期:2007—05—17;修回13期:20o7一o6—29.基金项目:江西省科技工业攻关项目.作者简介:李璐(1983一),女,山东临沂人,在读硕士,主要从事高分子材料改性方面的研究.E—mail:**********************第16卷第8期李璐等浅谈橡胶与纤维骨架材料的粘合一37一物形成化学键合的界面而牢固粘合.组分中的白炭黑是一种粘合增进剂,白炭黑表面酸性的硅醇基起着改善胶料对纤维表面湿润吸附性的作用及催化间甲粘合树脂生成的作用,同时由于白炭黑的酸性,迟延了硫化反应,使胶料保持较长时间的流动性,使硫化反应与粘合反应同步,因而可提高橡胶和纤维的粘合问.间甲白直接粘合胶料的配方如下表1所示.表1间甲白直接粘合胶料配方组分名称质量/份NR1ooZnO3.0硬脂酸2.0次磺酰胺类促进剂1.0FEF40防老剂A1.0高芳烃油6.0白炭黑15间苯二酚2.5促进剂H1.6硫磺2.5HRH体系的优点是能够控制粘合反应的历程,使橡胶的硫化反应和粘合反应协调一致,胶料的耐热氧老化性好,过硫性小.缺点是混炼时分散困难,易喷霜,高温时间苯二酚易冒白烟,危害人体健康,污染环境;而促进剂HMT对皮肤有刺激作用,还会降低胶料的焦烧安全性,并且胶料的耐蒸气老化性差,因而应用受到限制.为此,又开发了一些新型的间甲苯直粘体系,如亚甲基接受体型的粘合剂RS(间苯二酚与硬脂酸物质的量比为1:1的共熔物),粘合剂RE(间苯二酚与乙醛物质的量比为2:1的低聚缩合物),RS-11和R一80等;亚甲基给予体型的粘合剂HMMM和RA等;包含接受体和给予体的有RH(间苯二酚与促进剂H物质的量比为1:1的络合物);混合型的粘合剂RL等.这种预缩合型树脂无粉尘,极大地减少了间苯二酚升华造成的对人体健康和环境的损害,是一种比较理想的间苯二酚给予体圄.目前为了提高我国橡胶粘合剂产品的技术水平,各助剂厂投入了大量的人力和物力进行新产品开发, 重点是绿色,环保和高性能产品,改性间苯二酚一甲醛树脂GLR-20便是其中之一.GLR一20由间苯二酚, 甲醛及特征改性剂等经多元缩合和缩聚而成.间苯二酚为双官能团分子结构,具有较高的反应活性,与甲醛和特征改性剂的反应更加充分,完全.所制得的热反应型树脂在贮存条件下结构稳定,不会继续发生树脂化反应,且产品中的游离酚含量较低.在间甲白(HRH)粘合体系中,GLR一20作为间苯二酚给予体,与亚甲基给予体配伍使用.在橡胶高温硫化过程中两者发生分子间的缩合和缩聚反应, 生成粘合树脂,通过分子间的作用力实现橡胶与骨架材料的强力粘合.GLR一20属于绿色,环保和高性能橡胶助剂产品,适应国内外橡胶工业的发展趋势, 达到了国外同类产品先进水平,且价格低于国外产品,具有较高的性价比和广阔的市场前景l6J.2.1.2三嗪体系该体系是20世纪70年代发展起来的新型单组分直粘体系,比钴盐类耐热,比间甲白简单;有较高的耐屈挠龟裂性,消除了使用间苯二酚的弊端;在胶料中易分散,不喷霜,焦烧安全性较好;可用于天然橡胶NR,丁腈橡胶NBR,异戊二烯橡胶IR和三元乙丙橡胶EPDM等橡胶与聚酯或尼龙的直接粘合[71,胶料配方如表2所示.表2三嗪体系胶料配方组分名称质量/份H不溶性硫磺IS—HS一7020ZnOSAHAF促进剂CZ防老剂BLE防老剂4010NA粘合剂SW2-2纤维浸胶法纤维浸渍法是橡胶与各种纤维粘合的基本方法之一,用于橡胶与棉纤维,人造丝纤维,尼龙纤维,聚酯纤维和玻璃纤维纺织物的粘合.纤维不同,采用的浸渍液也可能不同.2.2.1RFL浸渍体系RFL体系是间苯二酚一甲醛一胶乳浸渍粘合体系,是橡胶工业中广为应用的橡胶与纤维粘合的配方体系.它是由间苯二酚(R)与甲醛(F)预先制成缩合物(RF),然后加入橡胶或树脂胶乳(L),经熟化而制成的一种水溶性粘合剂1.RF的缩水状态,胶乳L的种类,RF与L的配合比例等,可根据被粘材料的性质进行调整,适用的是棉纤维,人造丝纤维,尼龙纤维及织物.RFL浸渍液中,酚醛树脂(RF)属于直接粘合剂,胶乳(L)具有柔软性网.RFL中的RF有两种,一种是间苯二酚及甲醛;另一种是水溶性的间苯二酚一甲醛预缩体,如美国Indespec公司开发的预缩合液体型间苯二酚一甲醛树脂产品PvenecoliteR一2170和PvenecoliteR一2200.该产品用作RFL浸渍粘合体系中的间苯二酚给予体后,RFL浸渍粘合体系可不再采用有毒性的单体间苯二酚,并可以减少70%的甲醛用量,对环境保护和人体健康十分有益. Pvenecoh'teR一2170和R一2200的间苯二酚一甲醛树一38一中国胶粘剂第16卷第8期脂质量分数分别为0.75和0.70,游离间苯二酚质量分数均为0.15—0.18.该配制工艺简单,浸渍方便,容易控制[91.若胶料采用NR或以NR为主的配方时,棉帘线单用天然胶乳即可获得良好的粘合效果;人造丝和尼龙帘线,单用天然胶乳粘合效果较差,需并用部分极性强的丁吡胶乳(用量占胶乳总量的1/3以上).丁吡胶乳分子中丁吡基的氮原子可以与RF树脂中的酚羟基之间形成氢键,因而可提高粘合效果. 尼龙帘线若用RFL浸渍液,则丁吡胶乳量要提高. 2.2.2异氰酸酯浸渍液该法主要用于聚酯帘线的浸胶,方法是用含中等活泼氢的化合物,如酚,肟和丙二酸酯等封闭异氰酸酯,再制成水基处理液,加入到RFL浸渍液中制成混合的处理液.只要将聚酯帘线用该混合液进行一次浸渍处理便可改善其与橡胶的粘合效果.高温下,封端打开,异氰酸酯重新释放出来,一面与聚酯帘线材料发生化学反应,另一面与橡胶分子发生化学反应,从而将聚酯帘线与橡胶粘合在一起[91.2.2.3RFL-Pexul浸渍体系这是聚酯帘线专用浸渍体系,其主要添加剂是Pexul树脂,化学名称是2,6一双(2,4一二羟基苯亚甲基)一4一氯苯酚,是对氯苯酚和问苯二酚及甲醛的缩合物.使用时将20份固体Pexul溶于80份浓度为5mol几的氨水溶液中制成20%的溶液,加入到RFL 浸渍液中混合均匀,即可对帘线进行浸渍处理,得到较高的粘合力.但该法浸渍出的织物颜色不够鲜亮, 这是由于树脂缩合反应的氯代酚纯度低,缩合反应不彻底,生成的树脂相对分子质量不高和杂质没能完全分离的缘故,还需要进一步改进12].2.2.4偶联剂浸渍体系这是为改善玻璃纤维和橡胶粘合效果而开发的一类浸渍体系,以硅烷偶联剂为主,一般与RFL浸渍体系配合使用.玻璃纤维表面光滑,表面能较高且是亲水性的,易吸附环境中的水分,橡胶难以润湿,因此与橡胶粘合困难.但玻璃纤维表面有化学反应性较强的硅醇基(Si—OH),易与偶联剂发生化学反应.硅烷偶联剂对玻璃改性很有效,目前应用较多,效果较好的硅烷偶联剂有H151,A172,A174, KH550,KH560,KH580,KH590和Y5620等,常用的Chemlock系列粘合剂大多属于该类型lJ01.此外,提高橡胶与纤维粘合效果的另外一种常用方法是纤维织物涂胶法.该法是将橡胶,树脂等组分与有机溶剂组成的胶液涂覆于织物表面,然后再使之与橡胶粘合,多用于制造胶布,胶管,胶带和其他夹布橡胶制品.所用的胶液主要有异氰酸酯, 酚醛树脂,聚氨酯和环氧树脂涂液等.近年来用氩一氧等离子体处理的聚酯纤维,可以有效地改善聚酯纤维的粘合性能,因为用等离子体处理可增加聚酯纤维表面的极性和机械链结性能…】.3各种纤维骨架材料用粘合体系在轮胎,胶带和胶管等橡胶制品中大量采用的纤维材料主要有四种:人造丝,尼龙,聚酯和芳纶.由于其各自的化学与物理性能不同,因而需要不同的粘合体系与之相匹配.3.1聚酯从聚酯分子结构上说,它没有羟基,也没有胺基,表面活性较差,故不易与RF树脂的甲基基团发生缩合反应.从理论上讲,聚酯的内聚能密度不像RF树脂,尼龙和人造丝那般接近,对各种系统的热力学适应性的研究结果表明,简单的RFL系统与聚酯相之间的分子接触性差,所以用通常的RFL胶液浸渍聚酯织物很难取得令人满意的粘合性能川.因此,需要一种改进型的RFL粘合体系.早期的解决办法是添加异氰酸酯,但由于异氰酸酯存在污染性较大和易燃等缺点,所以人们已开始研制生产替代型水性粘合体系,即不再使用游离的异氰酸酯,而采用含有异氰酸酯功能基团的稳定化合物,即嵌段异氰酸酯.它在高温(约150oC)下开始分解并释放出活泼的功能基团,这就是杜邦公司的D417或称Shoal"胶液,其主要成分是嵌段异氰酸酯,环氧树脂和分散剂, 配方见表3.D417预浸渍剂对聚酯纤维进行第一步浸渍处理并在240oC左右烘干,然后进行第二步RF 浸渍液处理和烘干.Shoaf胶液所形成的薄膜主要是聚氨酯薄膜,其内聚能密度与聚酯非常相近lJ.聚酯织物浸渍这种胶液后要在高温(235℃)下干燥后再浸渍RFL胶液,即对聚酯进行两段浸渍处理.表3用于聚酯的D417预浸渍剂配方另一种方法是用芳香或杂环醛取代RFL中的一部分甲醛所生成的物质,如卜内门公司研制的VulcabondE浸渍剂.它是一种改性树脂,是一种氯酚基水性粘合体系,配方见表4.表4用于聚酯的VulcabondE浸渍液配方第16卷第8期李璐等浅谈橡胶与纤维骨架材料的粘合一39一其中的对氯苯酚可与间苯二酚缩合,将其加人到RFL中,硫化时这种改性树脂就同RFL树脂进行了交联,用其对聚酯进行浸渍处理时,处理温度要求在240qC左右,VulcabondE与RFL浸渍液的典型混合配比为2:3~7J.其粘合性之所以好可能是因为聚酯的氧原子和酚的羟基之间的氢键和内聚能密度匹配得好.另一种理论认为,VulcabondE浸渍涂层有热缩聚作用,可产生两种粘附力很强的交联薄膜,薄膜又与RFL溶液反应形成与橡胶的粘合体系.此外,还有一种用于聚酯纤维的一步法处理方法,这是在聚酯纤维捻线阶段进行预处理后得到的.对橡胶具有亲和性的聚酯帘线在使用时只需进行RFL浸渍液处理即可.3.2尼龙尼龙纤维与棉纤维相比具有强度高和耐磨性好的优点,但它表面光滑,绒毛少,粘合性能较差,不能产生投锚效应起机械粘合的效果.因此,尼龙表面必须进行化学处理才能产生好的粘合效果.目前常用的化学处理方法有异氰酸酯法,RFL处理法和FRS直接粘合法fl3l.用RFL粘合体系处理尼龙能获得满意的效果,特别是当纤维的玻璃化转变温度低于粘合体系的硫化温度时(如尼龙一6和尼龙一66),能促进粘合性能的发挥,因此一步法配制的RFL浸渍液的硫化条件与尼龙的热定型处理是相适合的.但与人造丝相比,它要求丁吡胶乳用量在丁苯一丁吡混合胶乳中占80%以上才能获得最佳粘合性能.实际上常用100%丁吡胶乳,既能获得最佳粘合性能又可避免RFL浸渍液性能的波动Il41.3.3人造丝人造丝使用RFL粘合体系能获得满意的效果.它先用间苯二酚一甲醛胶乳(RFL)浸渍,然后硫化,以获得足够的粘合力,这里的RF组分通过极性或共价的相互作用增强了粘合,干燥后的胶乳与橡胶基体共硫化,保证了它与橡胶的粘合性能f15],典型配方见表5.表5用于人造丝的浸渍液配方RFL浸渍液的配制过程是先将问苯二酚溶于水,再加入甲醛和缩合催化剂烧碱,缩合反应进行约6h,然后将缩合产物RF树脂加入相应的胶乳中,再搁置24h进行熟化后方可使用.这种配制过程适用于天然胶乳,称为二步混合法.由于游离甲醛会优先与胶乳中的游离氨发生反应产生六甲基四胺,破坏胶乳的稳定性而不能形成令人满意的树脂,因此在与胶乳混合之前必须进行RF预缩合.随着合成胶乳的出现,二步混合法改进为一步混合法,即间苯二酚甲醛直接加入到胶乳中,缩合反应能在胶乳存在的情况下发生,生成RF树脂.虽然两种方法的最终化学产物相同,但仍会造成浸渍液组织结构上的差异,进而导致浸渍液性能上的差异.最主要的差异表现在浸渍液的硫化特性上.对于二步法配制的RFL浸渍液,获得最佳粘合性能的硫化条件为:硫化温度60qC,硫化时间110S.对于一步法配制的RFL浸渍液,达到最佳粘合性能的硫化温度大幅度提高,约200cC,而硫化时间却大为缩短,仅为70S.3.4芳纶芳纶纤维具有高强度,高模量,低滞后损失,耐高温,低密度和断裂伸长率小以及低收缩率(小于0.2)和耐疲劳性好等特点,但芳纶纤维用RFL浸渍后,与橡胶粘合性能差,这是芳纶本身的结构所致.其一,它的大分子链上有许多体积大的芳环,使其活性基团酰胺基受到芳基核的空间位阻屏蔽,较难与其它原子或基团发生作用;其二,芳纶是100%结晶的,其表面缺少活性官能团,形成氢键的能力低,与粘合剂亲合性差l】63.在RFL处理前用粘合活化剂环氧树脂或异氰酸酯对芳纶进行活化,可提高与橡胶的粘合性能"7】.目前,对芳纶改性的研究一般集中在利用化学反应改善纤维表面组成及结构,或利用物理方法提高芳纶与基体树脂之间的浸润性.大致有等离子体表面改性技术,氟化处理法,偶联剂改性技术,x一射线辐射l】目和超声波91等方法,后两种较多用于改善芳纶与基体树脂的粘合性.目前对提高芳纶纤维与橡胶界面粘合性能的研究主要是芳纶纤维表面化学改性和物理改性. Ramazantz~等研究了硫化介质和还原试剂处理方法对芳纶的影响.研究表明,经处理的芳纶韧性提高幅度最大,制备的橡胶等复合材料界面剪切强度提高33%.Benrashidt21等采用氯磺酸处理芳纶,通过纤维表面引入氯磺基,并进一步转化为羟基,羧基和氨基等活性基团,提高了界面粘合性能.但氯磺化反应反应速率快且不易控制,易损伤纤维本体,因此有一个最适宜的浓度和处理时间的控制问题.雷渭媛旧等将芳纶Kevlar--49表面接枝环氧化合物,在纤维表面引入烯丙基和环氧基团,其表面较未处理纤维粗糙,表层——40——中国胶粘剂第16卷第8期聚集态结构由结晶结构变为非结晶结构,与橡胶的粘合性能显着提高.rrarantili等将芳纶纤维浸泡于甲基丙烯酰氯溶液中,处理后的纤维表面粗糙度中等,与橡胶的粘合更加紧密.另外RFL体系对芳纶的动态疲劳寿命有不利的影响,改良的RFL浸渍液是在RFL中加入炭黑的分散体,从而增加浸渍薄膜的定伸应力,使其介于纤维与橡胶的定伸应力之问.对于具有高定伸应力的芳纶与低定伸应力的橡胶问的结合来说,纤维,粘合剂和芳纶三者之间的机械配位性很重要.粘合剂在此种情况下会形成应力缓冲区,产生的粘合剂韧性越高越有利于容纳这些应力,使之产生良好的粘合强度4结语综上所述,橡胶与织物的粘合不仅是橡胶工艺技术和纤维性能及加工技术的问题,还和相应的粘合体系密切相关.橡胶及纤维骨架材料要获得广泛应用,就必须灵活熟炼地掌握它们的特性与复合的准则,才能开发出与它们复合相适应的粘合剂配方.相信通过纤维生产者,粘合剂研制者,织物制造者和橡胶工艺人员的共同努力和全面合作,一定能找出提高粘合性能的最佳途径.参考文献【1】鹿沼忠雄.橡胶和纤维织物的粘合[J】.吴绍吟,译.橡胶译丛,1996(1):27.【2】蒲启君.橡胶于骨架材料的粘合机理【J】'橡胶工业, 1999,46(11):685-686.【3】李惠如.翻胎工业中纤维帘线与橡胶的直接粘合方法简介[J].橡胶工业,1993,40(2):122—124.【4】SKELSTI.Handbookofadhesivetechnologyandapplica-tion[M].NewY ork:VanNostrandReinholdCo.,1990:661.【5】王宇翔,罗之祥,徐炳强.国产间苯二酚一甲醛树脂的性能研究[J】.轮胎工业,2004,24(9):545—546.[6]王宇翔,罗之祥.改性间苯二酚一甲醛树脂GLR-20的应用研究【J】.轮胎工业,2006,26(9):547.【7】杨清芝.实用橡胶工艺学【M】.北京:化学工业出版社,20o5.【8】王锦成,陈月辉,王继虎.聚酯帘线与NBR粘合性能的研究『J】.橡胶工业.2005,52(7):418—419.【9】蒲启君.骨架材料及橡胶的粘合技术及其新发展【J】-橡胶工业,2003,50(3):175—176.【10]陶再山.硅烷偶联剂在橡胶工业中的应用【J】-中国橡胶, 20HD2,19(16):25.【11】李龙.橡胶基复合材料用骨架材料的分析[J】.高科技纤维与应用,2003,28(3):34.【12】杨慈文.胶管中聚酯织物的粘合【J】.橡胶工业,2002,49 (9):529.【13】朱敏庄.橡胶工艺原理【M】.广州:华南工学院出版, 1987.【14】张喜亮,贾德民.聚合物帘线和橡胶粘合研究进展[J】.合成橡胶工业,2000,23(6):385.【151尹寿琳,阳文锋,翁建文.橡胶与尼龙纤维粘合性能研究[J1.粘接,1991,12(4):26—30一[16】凌育赵,严志云.提高芳纶纤维与橡胶界面粘合性能的方法『J].橡胶工业,2006,53(8):507—511.【17】JANSENH-芳纶纤维与橡胶的新粘合体系【J】-橡胶工业,1998,45(9):541—544.【18】邱军,张志谦.芳纶APMOC纤维辐照处理研究【J】'合成纤维,2000,30(1):25—27.【19】石健滨.超声技术对芳纶界面性能的影响[J】.黑龙江工程学院,2002,16(4):57—58.【20】RAMAZANB,TESOROCG.Effectofsurface-limitedre- actiononthepropertiesofkevlarfibers[J】.TextileResearchJourna1.1990.10(7):334—344.[21】BENRASHIDR,BABICHMW,NELSONGLFlammability studyofwallboardcontainingthermalstoragematerials—methodstoimproveflameretardancyoftreatedwallboard[J]. 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材料连接原理与工艺-绪论课件
压焊工艺
压焊工艺是通过施加压力使待连接的 金属部分紧密结合在一起的方法。常 见的压焊工艺包括电阻焊、超声波焊、 摩擦焊等。
压焊工艺的特点是连接强度高、变形 小、无污染，适用于大批量生产和自 动化生产。但同时，压焊工艺对被连 接材料的表面质量要求较高，且需要 特定的设备和工具。
钎焊工艺
钎焊工艺是利用熔点低于母材的钎料作为媒介，将母材加热至钎料熔化，通过液态钎料的润湿和毛细作用填满母材间的间隙 ，从而实现连接的方法。常见的钎焊工艺包括火焰钎焊、感应钎焊、真空钎焊等。
信息化管理
通过信息化手段对材料连 接过程进行实时监控和管 理，提高生产效率和产品 质量。
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压焊原理
压焊原理是指通过施加压力，使两个待连接的金属材料紧 密接触并产生塑性变形，从而实现连接的方法。压焊具有 连接强度高、可靠性好等特点，广泛应用于电子、电器、 航空等领域。
压焊过程中，需要使用压力设备，如液压机、气压机等， 同时需要控制压力大小和压力时间等参数，以保证焊接质 量。此外，压焊前需要对金属材料进行表面处理，如清洗 、打磨等，以去除杂质和氧化膜，提高焊接质量。
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超声波连接技术
超声波连接具有快速、高效、低成本等优点，在 连接各种异种材料时具有较大优势。
智能化与自动化的发展趋势
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03
智能连接设备
随着工业4.0的推进，智能 化的连接设备将成为主流， 如智能焊接机器人、智能 钎焊设备等。
自动化生பைடு நூலகம்线
自动化生产线的建设将进 一步提高材料连接的效率 和稳定性，减少人为因素 对连接质量的影响。
注。
功能材料
随着科技的发展，各种功能材料 不断涌现，如半导体材料、光子 晶体等，其连接技术对于发挥材
材料连接原理课后题!
1．焊接热源有哪些共同要求?描述焊接热源主要用什么指标能量密度高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区指标：理想的焊接热源应具有加热面积小、功率密度高和加热温度高等特点.2、试述焊接接头的形成过程及对焊接质量的影响过程：加热熔化冶金反应凝固结晶固态相变3、熔滴比表面积的概念及对焊接化学冶金过程的影响答：熔滴的表面积 Ag 与其质量之比称为熔滴的比表面积 S 。
熔滴的比表面积越大，熔滴与周围介质的平均相互作用时间越长，熔滴温度越高，越有利于加强冶金反应。
4、焊条熔化系数、熔敷系数的物理意义及表达式？真正反映焊接生产率的指标是什么？答：焊条熔化系数gM ：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度；平均熔敷系数 gH （真正反映焊接生产率的指标），由于损失系数不等于零，单位时间内真正进入焊接熔池的金属质量称为平均熔敷速度。
5. 试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有什么解决措施？原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。
解决措施:调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。
6．熔合比的表达式和影响因素？多层焊时，如果各层间的熔合比是固定的，试推导第n 层金属的成分。
在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比θ。
θ= Fp / (Fp +Fd) Fp ——焊缝中母材所占的面积 Fd ——焊缝截面中填充金属所占的面积影响因素：焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目及母材的热物理性质、焊接材料种类、焊条（焊丝）的倾角等。
Ww ——焊缝金属中合金元素的实际质量分数;Wb ——该元素在母材中的质量分数Wd ——熔敷金属中该元素的质量分数。
因为 Ww=θWb +(1-θ) Wd W2=θW1+(1-θ) Wd=θ²Wb+(1-θ²)WdW3=θW2+(1-θ) Wd=θ³Wb+(1-θ³)Wd…… Wn=θn Wb+(1-θn )Wd7. 从传热学角度说明临界板厚δcr 的概念？某16Mn 钢焊件，采用手工电弧焊，能量E=15KJ/cm 求δcr ？ 由传热学理论知道：在线能量一定的情况下，板厚增加冷却速度Wc 增大，冷却时间t8/5变短，当板厚增加到一定程度时，则Wc 和t8/5不再变化，此时板厚即为临界板厚δcr 。
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材料连接原理课后习题答案及期末复习资料简答：１.焊接热源有哪些共同要求？描述焊接热源主要用什么指标？答：能量密度高度集中、快速实现实现焊接过程、得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
主要指标：最小的加热面积、最大功率密度和正常焊接规范条件下的温度。
５.试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有何解决措施？答：原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。
解决措施：调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。
７.从传热学角度说明临界板厚δcr 的概念？某16Mn 钢焊件，采用手工电弧焊，能量E=15KJ/cm 求δcr ？由传热学理论知道：在线能量一定的情况下，板厚增加冷却速度Wc 增大，冷却时间t8/5变短，当板厚增加到一定程度时，则Wc 和t8/5不再变化，此时板厚即为临界板厚δcr 。
1.95cr cm δ==８.手工电弧焊接厚12mm 的MnMoNbB 钢，焊接线能量E=2kj/cm,预热温度为50度,η取0.9.求t8/5?附λ=0.29J/(cm s ℃) CP=6.7 J/(cm s ℃)９.直流正接为何比直流反接时焊缝金属溶氢量高？答：（１）直流正接：工件接正极。
直流反接：工件接负极。
（２）带电质点Ｈ＋在电场作用下只溶于阴极。
（３）处于阴极的熔滴不仅温度高而且比表面积大，其溶氢量大于熔池处于阴极时的溶氢量。
１０简述氢对焊缝质量的影响？s T T t cmT T c E Ecr cr 88.0)80015001(:,75.0/69.0)80015001(20025/800=-+-=>=-+-=πληδδρηδ故采用厚板公式答：影响：氢脆、白点、气孔、冷裂纹、组织变化。
控制含氢量措施：１）限制氢的来源２）进行冶金处理３）控制焊接材料的氧化还原势４）在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土元素或稀散元素。
５）控制焊接工艺参数６）焊后脱氢处理。
总之，对氢的控制首先应限制氢的来源，其次就防止氢溶入金属，最后应对溶入金属中的氢进行脱氢处理。
１０.简述氧对焊接质量的影响？答：（１）随着焊缝含氧量增加，焊缝强度、塑性下降；尤其是焊缝的低温冲击韧性的急剧下降，引起焊缝红脆、冷脆、时效硬化倾向增加。
（２）影响焊缝金属的物理化学性能，如降低导电性、导磁性、耐蚀性等； （３）形成ＣＯ气孔；（４）造成金属飞溅，影响焊接过程的稳定性；（５）焊接过程中导致合金元素的氧化损失将恶化焊缝性能。
１１.试以硅的沉淀脱氧为例，叙述提高脱氧效果的途径？↑[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO 2)↓答：（1）硅的百分含量升高，氧化亚铁的百分含量降低（2）减少渣中的二氧化硅，二氧化硅的百分含量降低，氧化亚铁的百分含量降低 （3）温度降低，反应向右进行，氧化亚铁的百分含量降低１２.为何酸性焊条宜用锰铁脱氧？而碱性焊条宜用硅锰联合脱氧？为什么要控制W[Mn]/W[Si]的比值？答：增加锰在金属中的含量，或减少MnO 的活度，都可以提高脱氧效果。
酸性焊条宜用锰铁脱氧： [Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)，在酸性渣中含SiO 2和TiO 2较多，脱氧产物转化为MnO ·SiO 2和MnO ·TiO 2复合物,减少了MnO 的活度系数，提高了脱氧效果。
碱性焊条宜用硅锰联合脱氧：在碱性渣中MnO 活度系数较大，不利于Mn 的脱氧，而且碱度越大，脱氧效果越差。
故碱性焊条不宜用锰铁脱氧。
[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO 2)生成的SiO 2熔点高，粘度大，易夹杂，不利于冶金反应的进行。
而硅、锰联合脱氧中SiO 2与MnO 生成复合物MnO ·SiO 2，使MnO 活度系数降低。
而MnO ·SiO 2密度小、熔点低，易易于上浮到渣中，故碱性焊条宜用硅锰联合脱氧。
ω[Mn]/ω[Si]比值在3~6之间，过大或过小都会生成固态脱氧产物，导致焊缝夹杂的增加。
１３.酸性焊条熔敷金属为何氧含量较高？答：（１）酸性焊条采用锰脱氧不如碱性焊条锰硅联合脱氧效果好。
（２）酸型焊条碱度Ｂ小，有利于渗硅反应的进行，使焊缝含氧量较高。
（３）酸型焊条为了达到控氢的目的，导致焊缝含氧。
１４.简述低氢焊条熔敷金属含氢量低的原因？ 答：（１）药皮中不含有机物，清除了一个主要氢源； （２）药皮中加入了大量的造气剂3CO C a ，降低了ＰＨ２；（３）2F C a 的去氢作用； （４）焊条的烘干温度高。
１５.为什么碱性焊条对铁锈和氧化皮的敏感性大？而碱性焊条焊缝含氢量比酸性焊条低？ 答：碱性焊条溶渣中含2O S i 、2O T i 等性氧化物较少，O F e 的活度大，易向焊缝金属扩散，使焊缝增氧。
因此在碱性焊条药皮中一般不加入含O F e 的物质，并要求清除焊件表面的铁锈和氧化皮，否则不仅会增加焊缝中的氧，还可能产生气孔等缺陷，所以碱性焊条对铁锈和氧化皮的敏感性大。
1.试简述用冶金方法脱硫的措施（考试） 答：（1）用合金元素锰脱硫 （2）用渣中碱性氧化物脱硫 （3）增加熔渣的碱度 （4）渣中氟化钙也有利于脱硫１８.试分析说明钛化钙型（Ｊ４２２）焊条与碱性低氢型（Ｊ４２７）焊条，在使用工艺性和焊缝力学性能方面有哪些差别？１９.简述药芯焊丝的特点？答：（１）熔敷速度快，因而生产效率高； （２）飞溅小；（３）调整熔敷金属成分方便；（４）综合成本低。
２０.2CO 焊接低合金钢一般选用何种焊丝？试分析其原因？答：就选用i S 、n M 等脱氧元素含量较高的焊丝，常用的如：A S M H i n 208。
原因：（１）2CO 具有较强的氧化性，一方面使焊丝中有益的合金元素烧损，另一方面使熔池中含[FeO]量升高。
（２）如焊丝中不含脱氧元素或含量较低，导致脱氧不足，导致脱氧不足，熔池结晶反极易产生CO 气孔。
（３）按一定比例同时加入n M 、i S 联合脱氧，效果较好。
２２.简述接头偏析的种类和产生原因？答：显微偏析：由于结晶有先后所产生的微观区域化学成分的不均匀性。
区域偏析：由于结晶有先后所产生的宏观区域化学成分的不均匀性，一般在焊接熔池的最后凝固部位由于杂质浓度升高产生区域偏析。
层状偏析：由于结晶过程周期性变化而引起的化学成分分布不均匀所造成。
熔合线偏析：焊接过程中由于焊接热作用使熔合线附近产生碳和合金元素浓度明显变化的现象，形成熔合线偏析。
３１.简述CO 气体的产生原因？钢焊接时，钢中的氧或氧化物与碳反应后能生成大量CO ； [C]+[O]=CO (1) [FeO]+[C]=CO+[Fe] (2)如果这些反应发生在高温液态金属中,则由于CO 完全不能溶于钢液,将以气泡的形式从熔池金属中高速上浮逸出,不易形成气孔,但当熔池冷却凝固时,由于：(1) 由于铁碳合金溶质浓度在固液界面的偏析,造成在结晶前沿和枝晶间氧化铁和碳浓度的局部增高,有利于反应(2)的进行。
(2) 因为液体金属正处于凝固结晶后期,熔池金属的粘度迅速增大,导致e v (气泡上浮速度)↓； (3) 反应(2)为吸热反应,亦加快了凝固过程,使R （熔池金属的凝固速度）↑。
故生成的CO 气泡很难浮出,成为残留在焊缝中的CO 气孔。
３２.有一种碱性焊条（J507），在出厂检验时，焊缝中没有气孔，但在产品施工焊接时，发现焊缝中有大量气孔，分析可能那些原因导致气孔？（1）焊件清理不充分，存在铁锈，氧化铁皮，油污和水分等杂质。
（2）焊条受潮或烘干不足，烘干后放置时间过长等。
（3）焊接规范不当，如电压过高，焊速过快，电弧不稳等。
（4）电流极性不合理，直流正接较反接时气孔倾向大。
为什么采用CST(临界应变增长率)为判据来比较金属材料的热裂纹货币更为合理？（P 98-99）答：从拉伸应力与脆性温度区间内被焊金属塑性变化之间的关系来说明凝固裂纹形成的条件。
如右图所示。
是否产生凝固裂纹，取决于在脆性温度区间T B 中合金所具有的最低塑性min δ与内应变ε或应变增长率T∂∂ε的对比关系。
当合金在脆性温度区间内的应变以直线1的斜率增长时，则其达到的内应变量min δε<，必定要产生裂纹；如按直线2增长，则在T S 时min δε=，这正好是产生凝固裂纹的临界条件。
此时的应变增长率称为临界应变增长率，以CST 表示，即θtan =CST ,θtan 与材料特性有关，它综合地反映了材料凝固裂纹的敏感性。
不同的材料，不仅脆性温度区间T B 的大小不同，最低塑性min δ的变化明显不同，因而产生裂纹的临界应变增长率CST 也各不相同。
一般而言，T B 越大，裂纹敏感性越大；但也并非如此，有时T B 虽然很大，但塑性min δ却不是很低，或焊缝结晶过程中所受的拘束很小。
所以在考察裂纹敏感性时，必须综合考虑脆性温度区间（T B ）、最低塑性（min δ）及应变增长率（T∂∂ε）的影响。
根据以上分析可知，用CST 作为判据更为合适，因为T B 或min δ都不能单独用来反映材料的裂纹敏感性。
这时，是否产生裂纹，可以对比实际应变增长率T ∂∂ε与临界应变增长率（CST ）的大小来作出判断。
为了防止产生裂纹，必须满足如下条件，即CST T<∂∂ε３８.试简述在什么条件下，氢致裂纹也会在焊缝中产生？焊接超高超强合金钢时，由于焊缝合金成分复杂，使热影响区的转变先于焊缝，因而氢就相反地从HAZ 向焊缝扩散，如果焊缝出现淬硬组织，此时，氢致裂纹就会在焊缝中产生。
延迟裂纹为何易在近缝区产生？试分析防止延迟裂纹的措施？一般低合金钢焊缝C 低于母材，热影响区相变滞后于焊缝。
当焊缝由A 转达变F 、P 时，H 的溶解度突然下降，且H 在F 、P 中的扩散速度较快，导致H 很快由焊缝越过熔合线附近富H ，当滞后相变的HAZ 中A —>M 时，H 使以过饱和状态残留在M 中，促使该处进一步脆化，从而导致冷裂纹的产生。
防治措施：冶金方面：（1）选择抗裂性好的钢材从冶炼技术上提高母材的性能，采用多元微合金化的钢材；尽可能降低钢中有害杂质（S、P、O、H、N等）（2）焊接材料的选用选用低氢或超低氢焊条：应强调焊条的烘干和防潮问题选用低强焊条：对低碳合金钢，适当降低焊缝强度可以降低拘束应力而减轻熔合区的负担，对防止冷裂纹有用。
选用奥氏体焊条：既可避免预热又能防止冷裂纹的产生。
特殊微量元素的应用：Te、Se、Re，Te的降氢效果最好。
（3）选用低氢的焊接方法：CO2气体保护焊。
焊接工艺方面：合理选择焊接线能量正确选择预热和后热温度多层焊层间温度和时间间隔的控制合理地选择焊缝匹配合理的焊缝分布和施焊次序４０.焊接接头中出现冷裂纹（延迟裂纹）主要与哪些因素有关？通常将工件预热到一定温度可以防止产生冷裂纹，试分析预热的作用？后热的作用？后热和焊后热处理有何不同？延迟裂纹的影响因素：钢种的淬硬组织、焊接接头的含氢量、接头所受的拘束应力状态。