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钎焊一种古老且具发展潜力的焊接技术

发布时间:2019-02-18 19:58:22人气:

李晓红,1962年生,北京航空航天大学毕业,材料学博士。北京航空材料研究院院长、研究员;中国机械工程学会焊接学会常务理事,焊接学会钎焊及特种连接专业委员会主任;中国航空学会常务理事/中国航空学会材料工程专业分会主任;中国航空学会材料工程专业分会热加工工艺及表面防护专业委员会主任;中国材料研究学会、中国金属学会常务理事;北京航空航天大学和西北工业大学兼职教授;国防科技工业有突出贡献中青年专家;新世纪百千万人才工程国家级人选;全国劳动模范。主要从事各种材料及结构件钎焊扩散焊方面的研究工作,尤其是在新型结构材料,如金属基复合材料、铝锂合金、金属间化合物、定向凝固高温合金和单晶合金等新材料及其结构的连接方面进行了许多开创性的研究工作,研制的多种钎焊料或扩散焊用中间层合金及焊接工艺已成功用于多种重点型号和预研等项目。获国防和中航总科技进步奖多项,申报国家与国防发明专利14项,其中6项已获授权。在国际及全国性学术会议和刊物上发表论文130余篇,合作出版论著二部。

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    记者:首先祝贺您担任中国机械工程学会钎焊及特种连接专业委员会主任,钎焊及特种连接技术作为焊接专业的一个分支,它的主要特点有哪些。
    钎焊(包括微连接)、扩散焊以及以此为基础派生的过渡液相扩散焊(TLP扩散焊)、液相界面扩散焊(LID焊接)等应该是我们Ⅰ专委会研究的主要连接方法,至于特种连接涵盖的范围并没有一个明确的界定,例如高温自蔓延合成连接,归入Ⅰ专委会或高能束及特种焊接专业委员会(Ⅵ专委会);爆炸焊归入Ⅰ专委会,或压力焊专业委员会(Ⅴ专委会),或Ⅵ专委会,都有其合理性。在此,我主要想谈谈钎焊扩散焊的特点,间或也可能涉及高温自蔓延合成连接、爆炸焊等。
    首先,钎焊与扩散焊加热温度一般远低于母材的熔点,因而对母材的物理化学性能影响较小;焊件整体均匀加热,引起的应力和变形小,容易保证焊件的尺寸精度。
    其次,钎焊及相关的特种连接技术具有很高的生产效率。钎焊可一次完成多缝多零件的连接。例如:原苏联制造的推力为750N的液体火箭发动机,其燃烧室内的钎缝长度达750m,可通过钎焊一次完成;又如,火箭发动机不锈钢面板/波纹板芯推力室壳体,采用钎焊连接,数百条焊缝一次钎焊完成。扩散焊和爆炸焊则可实现大面积结构连接,如大型复合层板制造。
   
    第三,钎焊技术可用于结构复杂、精密、开敞性和接头可达性差的焊件。例如,采用真空钎焊技术可实现多层复杂结构铝合金雷达天线和微波器件的精密钎焊。而具有复杂内部冷却通道的航空发动机高压涡轮工作叶片和导向叶片也只有采用钎焊方法才能实现优质连接。
   
    第四,钎焊及相关的特种连接技术特别适用于多种材料组合连接。不但可以连接常规金属材料,对于其它一些焊接方法难以连接的金属材料以及陶瓷、玻璃、石墨及金刚石等非金属材料也适用,此外,还较易实现异种金属、金属与非金属材料的连接。因此,许多采用其它焊接方法难以进行甚至无法进行连接的结构或材料,采用钎焊方法便可以解决。高温自蔓延合成连接特别适用于新型结构材料的连接,如可用于陶瓷与金属的连接及NiAl、TiAl等金属间化合物材料的连接。而爆炸焊几乎可实现任意金属的连接,如熔点相差很大的金属(如铅和钽),热膨胀系数相差很大的金属(如钛和不锈钢)以及硬度、物理化学性能等差别很大的金属(如铜和钛、铜和铝、铜与钼、铝与不锈钢等)都能进行焊接,还可实现非金属与金属之间(如陶瓷与钢之间)的连接。
   
    以上主要是谈钎焊及相关特种连接技术的优点,但也存在不足。例如钎焊接头的组织与母材差别很大,强度一般较低,耐热能力也较差;固相扩散焊对焊接面表面质量要求和对设备的要求很高,适用的接头结构形式也很有限。而TLP扩散焊则结合了固相扩散焊和高温钎焊两种方法的优点,而避免了两者的缺点。首先与固相扩散焊相比,加工和处理方法较简单,只需采用简单的工装就可实现复杂形状构件的连接;其次,TLP扩散焊形成的接头在组织性能上与固态扩散连接类似,而不像钎焊接头那样与母材存在较大差异。
   
    记者:请您介绍一下钎焊及特种连接技术的发展历程,以及钎焊和特种连接技术在国民经济各领域中的地位和应用概况。
    钎焊是人类最早使用的材料连接方法之一。在人类尚未开始使用铁器时,就已发明用钎焊来连接金属。在埃及出土的古文物中,就有用银铜钎料钎焊的管子,用金钎料连接的护符盒,据考证分别是5000年前和近4000年前的物品。公元79年被火山爆发埋没的庞贝城的废墟中,残存着由钎焊连接的家用铅制水管的遗迹,使用的钎料具有Sn:Pb=1:2的成分比,类似现代使用的钎料成分。我国在公元前5世纪的战国初期也已经使用锡铅合金钎料,在秦始皇兵马俑青铜马车中也大量采用了钎焊技术。我国最早见诸于文献记载的钎焊是汉代班固所撰《汉书》中有云:“胡桐泪盲似眼泪也可以汗金银也今工匠皆用之”。1637年出版的明代宋应星科技巨著《天工开物》中有“中华小钎用白铜末,大钎则竭力挥锤而强合之”的记载。明代方以智所撰《物理小识》云:“焊药以硼砂合铜为之,若以胡桐汁合银,坚如石。今玉石刀柄之类焊药,加银一分其中,则永不脱。试以圆盆口点焊药于其一隅,其药自走,周而环之,亦一奇也”。这一记述明确指出了铜钎焊应以硼砂做钎剂而银钎焊则可以胡桐树脂为钎剂,并且对钎料的填缝行为做了精彩的描述。尽管钎焊技术出现较早,但很长时间没有得到大的发展。进入20世纪后,其发展也远落后于熔焊技术。直到20世纪30年代,在冶金和化工技术发展的基础上,钎焊技术才有了较快发展,并逐渐成为一种独立的工业生产技术。尤其是二次世界大战后,由于航空、航天、核能、电子等新技术的发展,新材料、新结构形式的采用,对连接技术提出了更高的要求,钎焊技术因此受到更大的重视,迅速地发展起来,出现了许多新的钎焊方法,其应用也越来越广泛。例如,制造机械加工用的各种刀具,特别是硬质合金刀具,钻探、采掘用的钻具,各种导管和容器,汽车、拖拉机的水箱,各种用途的不同材料、不同结构形式的换热器,电机部件以及汽轮机的叶片和拉筋等构件的制造广泛采用钎焊技术。在轻工业生产中,从医疗器械、金属植入假体、乐器到家用电器、炊具、自行车,都大量采用钎焊技术。对于电子工业和仪表制造业,在很大范围内钎焊是唯一可行的连接方法,如在元器件生产中大量涉及金属与陶瓷、玻璃等非金属的连接问题,及在布线连接中必须防止加热对元器件的损害,这些都有赖于钎焊技术。在核电站和船舶核动力装置中,燃料元件定位架、换热器、中子探测器等重要部件也常采用钎焊结构。 
 
    扩散焊技术也具有悠久的历史。公元前3000多年,埃及人就通过将两块红热的金属用不断锤击的方法使其连接到一起,这可能是固相扩散焊最古老的形式了。公元前700年的青铜器时代,英国人采用在常温下锤击的方法将金子加工成箱体,这应该算是最早的冷压焊。接下来,扩散焊技术经历了漫长的发展历程。但是,直到第二次世界大战扩散焊技术才得到飞速发展,这是因为战争双方为追求更高的飞机飞行性能,需要实现高强铝合金构件的可靠连接,真空技术的迅速发展也促进了扩散焊技术的进步。此外,航空工业的发展和要求也促使扩散焊形式变得多种多样,如20世纪70年代发展了主要用于连接高温合金的TLP扩散焊工艺,可实现先进铸造高温合金的高强连接,目前该工艺也用于钛合金、陶瓷、金属间化合物等新型结构材料的连接;又如20世纪70年代初期开发了钛合金的LID焊工艺,可获得组织成分均匀的钛合金接头。目前固相扩散焊主要用于制造不同材料组成的零件或多孔材料制件,如流线分析仪元件、多孔过滤元件、电磁线圈骨架及一些双金属构件等。TLP扩散焊和LID焊接则用于航空航天领域高温合金及钛合金构件的高强连接。   
   
    记者:您认为我国的钎焊及特种连接技术水平与世界其他国家相比,那些方面比较先进,那些方面还存在一定差距。
    我认为在先进连接技术的开发及新型材料连接技术的研究方面,国内近年来开展了卓有成效的研究工作,基本上能够追踪世界先进水平。但在有关钎焊及特种连接技术基础理论和相关数值模拟技术的研究、新型材料先进连接技术的工程应用、钎焊材料的生产制备技术、钎焊及特种连接设备与控制技术等方面与国外先进水平相比,还存在较大的差距。  
    记者:请您描述一下钎焊及特种连接的发展趋势和研究热点。
    钎焊及相关的特种连接技术越来越多地用于重要承力构件和复杂构件的制造;在新型特种材料的连接中显示出重要的作用,对某些材料、某些构件甚至是唯一可行的连接方法;另钎焊及相关的特种连接技术与冶金、机械、电子、化学工程、表面工程、热处理、高能束加工等学科相互融合交叉,可派生出许多新的制造技术,这也是钎焊及相关的特种连接技术创新发展的重要方向。
    我想为了促进先进材料及其构件的工程应用,应在以下方面开展深入系统的试验研究工作:1)可用于高温结构件的陶瓷及陶瓷与金属连接技术;2)复合材料(包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料、C/C复合材料)连接技术;3)金属间化合物材料连接技术;4)难熔金属材料连接技术;5)钛合金低脆性钎焊技术;6)可热处理强化铝合金真空钎焊技术;7)纳米技术在钎焊及特种连接技术中的应用。另基础理论和数值模拟研究工作仍比较薄弱,要给予足够重视,加大研究力度与深度。
    记者:作为专委会主任,请您介绍一下钎焊及特种连接专委会近几年的工作计划。
    专委会作为一个学术团体,主要任务是组织学术活动,如每年要召开全国性或专题性学术会议,促进同行技术交流;在适当的时候组团参加国际学术会议,扩大我国钎焊及特种连接在国际上的影响。今年恰逢Ⅰ专委会成立30周年,我们将在焊接年会期间举办庆祝活动。另外专委会还将在加强科研院所及高校与工厂企业的联系方面进一步开展工作,给研究机构和企业的合作搭桥牵线,使科研成果迅速向生产力的转化,在这方面Ⅰ专委会多年来积累了丰富的经验,也得到了广大钎焊及特种连接研究工作者、单位和企业的认可,我们还要进一步发扬光大。

    记者:请您简要介绍一下我国从事钎焊及特种连接技术研究及相关生产机构的情况和从业人员规模,产业分类,相关材料及产品的规模情况。
    我国从事钎焊及特种连接技术的科研人员估计约有数百人,在多数工科院校及各大工业集团所属的材料或工艺研究院所均有专门从事钎焊扩散焊研究的科研队伍。生产研制钎焊材料的单位有近百家,生产近20个系列的各种软钎料和硬钎料及钎剂等相关材料达数百种。
    记者:作为北京航空材料研究院院长,您认为钎焊及特种连接技术与航空材料的发展存在怎样的联系。钎焊及特种连接技术在航空工业的发展中起什么样的作用。
    一代材料、一代制造、一代装备。钎焊(包括扩散焊)作为材料连接的重要方法之一,它同电子束焊、激光焊、摩擦焊一起被认定为先进飞机和发动机的关键连接技术。
 
    飞机机体上各种钛合金、不锈钢导管在组装过程中要采用高频感应钎焊连接,实现减重效果;机载设备上大量的导线、仪表也采用了钎焊连接。飞行马赫数大于2.5的飞机,由于蒙皮要承受与空气摩擦引起的高温,越来越多地采用不锈钢、钛合金或高温合金的钎焊或LID焊蜂窝壁板。
    航空发动机大量重要部件,诸如涡轮叶片、压气机叶片、燃烧室部件、蜂窝封严结构、叶环结构、不锈钢热交换器、铝合金机箱、燃油总管及其它管路等构件的制造都离不开钎焊或TLP扩散焊技术。发动机整流器、导流窗叶片与机匣之间采用钎焊连接,既满足了设计要求又达到了减重效果。据统计,在某型航空发动机的核心机钎焊面积超过14000cm2。可以说,没有先进钎焊及特种连接技术,就无法实现高性能航空发动机许多重要高温结构件的制造。
    随着航空科学技术的发展,在未来航空装备中将越来越多地采用新材料、新结构和新的制造技术,钎焊及其派生的连接技术,如TLP扩散焊和LID焊接,对于新材料的连接及复杂精细结构件的制造,具有独特的优越性和灵活性,甚至对于某些新材料与复杂构件,钎焊是其唯一可行的连接技术,在重要承力构件上的应用也越来越多,毫无疑问钎焊技术在航空工业中所起的作用越来越重要。


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