半固态连接技术现状及发展趋势

重庆理工大学选修课论文 半固态连接技术现状及发展趋势

选修课程： 现代连接技术 二级学院： 材料学院 学 号： 11009030428 姓 名： 谢远奉 指导老师： 许惠斌 目录 引言---------------------------------------------1 1无外加能量下的半固态连接------------------------1

2外加能量的半固态连接----------------------------2 2.1 加压下的半固态连接-------------------------------2 2.2振动辅助半固态连接--------------------------------2 2.3搅拌辅助半固态连接--------------------------------3 3展望------------------------------------------------4 4结论------------------------------------------------5 参考文献------------------------------------------5 1

摘要：半固态材料技术在材料成型加工领域得到了广泛的应用。介绍了国内外半固态技术在材料连接方面的研究现状，分析了半固态技术在连接中的优缺点并展望了该技术在未来的发展方向与前景。 关键词：半固态技术，材料连接，研究现状，外加能量

引言 半固体技术被认为是21世纪金属制造的新兴技术之一，在20世纪70年代美国麻省理工学院的M.C.Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态成形技术。作为一种新型技术，半固体技术融合了锻造和铸造工艺的优点，极大的改变了传统材料成形加工的概念和手段，尤其对固液两相温度间隔比较大的合金材料更具吸引力，可以获得性能优异的各种金属材料。半固体技术与其他技术相比具有产品质量好、性能好、易于近净成形、模具寿面长的生产效率高等特点，已受到世界各国的高度重视。目前，半固体技术的研究主要是围绕着半固体金属的制备和成形、基础理论、工业应用和开发等方面，在制坯、加热重熔、零件成形、组织与力学性能、成形加工过程数值模拟等许多方面取得了重大进展。 半固态技术加工就是在金属凝固过程中，对凝固金属施以强烈的搅拌，破坏

在凝固过程中长出的枝状晶粒，得到一种业态金属母液中均匀悬浮着一定比例球状晶粒初生固相的固-液混合相，即流变浆料，利用这种流变浆料或再加热凝固后的流变浆料成形零件的工艺方法称为半固态成形技术。半固态连接是在半固态技术的基础上发展而来的，它是将金属或合金在固相线与液相线温度区间进行连接的一种方法。目前国内外已用半固态连接技术来制备一些金属复合材料，如铝合金与不锈钢、铝合金与石头等在内的金属-非金属复合材料。现有的半固态连接技术大体可分为无外加能量下的半固态连接和外加能量辅助半固态连接，其中后者有在压力作用下的半固态连接、振动辅助半固态连接、搅拌辅助半固态连接。

1无外加能量下的半固态连接 Mendez提出用半固态浆料来对金属进行连接的方法。如图1所示，试验中采用Sn95%-Pb5%合金半固态浆料涂在Sn85%-Pb15%板上进行连接。研究发现，与普通焊接相比，采用半固态浆料进行连接具有很多优点：接头的微观组织为非枝晶；一道次可以填加更多的焊缝材料；无烟尘、飞溅物；接头强度可达到或接近基体的强度；焊接应力低及热影响区小、无显微裂纹及气孔；焊缝外观平滑。但连接过程受基体与半固态浆料温度区间的影响较大，同时需要去除表面氧化和污染物；基体与浆料的连接界面比较清晰，是导致裂纹扩展的起因。同时指出该方法在亚铁合金及铝合金上的应用前景[1]。 1 2

图1 半固态浆料焊接示意图及接头显微照片 Fig1 Schematic diagram of semi-solid slurry joining and microstructure of the joint

2外加能量的半固态连接

2.1 加压下的半固态连接 一个具有很大发展潜力的应用领域是利用半固材料的高流动性能,将成形和连接相结合起来的一加工方法。这种方法可以是一种新的功能零件的加方法,从而减少了装配的费用。Reine利用半固态技将不锈钢功能连接零件(螺栓)通过一步加工与钢质件(半固态)流变锻压成形(图2)[2]。从图2中可以看出,由于半固态浆料的流动性好,螺栓齿部的填充良好,栓头部半固态的钢浆料与螺栓表面接触处形成了如焊接的微观连接组织,这说明这种在一个工步中将压和连接相结合的新工艺是切实可行的[4]。

图2 半固态锻压连接及其界面围观结构 2.2振动辅助半固态连接 闫久春、许惠斌等采用如图3所示的半固态振动扩散钎焊方法，以锌铝共晶合金为中间合金连接20%SiCP/ZL101A颗粒增强铝基复合材料，研究了温度、振动时间、振动频率及振幅对基体氧化膜破碎的影响规律[3]。该方法在第一次振动 1 3

时，焊缝中出现一定的气孔，导致焊缝强度不高，这是因为在焊接过程中振动引起的周期性压缩-拉伸效应使焊缝极易产生气孔，极大地限制了焊缝强度的提高。同时作者指出，在第一次振动焊接中，无法实现较高强度，提出了在升温后进行二次振动焊接，其焊接温度在钎料的液态以上，焊缝强度有所提高[5]。

图3 非振动式钎焊工作原理图及接头的微观结构 2.3搅拌辅助半固态连接 (1)用连接母材搅拌辅助半固态连接。Takita等利用陶瓷搅拌工具搅拌液态的Al-25%Si合金，然后再插入A2017铝合金作为搅拌工具搅拌连接半固态Al-25%Si合金，凝固后立即将其水冷处理，如图4。通过显微观察，得出了未连接区、熔化连接区和正常连接区的面积比，并研究了插入时Al-25%Si合金的温度、旋转时间、旋转速度、试样表面粗糙度对连接率的影响规律[6]。

图4 搅拌半固体态连接示意图及温度对连接的影响 (2)用搅拌工具搅拌辅助半固态连接。Amirkhiz和Narimannezhad等分别用图5所示的半固态搅拌焊接方法焊接中厚板Sn-15%Pb和Zamak-3，在焊缝区及近焊缝区均有球状微观组织，其中焊接Sn-15%Pb时发现了半固态加工的共性-固液分离现象，而焊接Zamak-3时并未出现固液分离现象。作者认为这是因为焊接Sn-15%Pb时由于固相与液相之间的密度差较大，同时搅拌器的形状和行为也是产生固液分离的一个重要原因；而焊接Zamak-3时，固相与液相之间的密度差较小而没有发生固液分离现象。同时作者分析了焊接速度、搅拌头的旋转转速、高温气体流量、气体加热率对Zamak-3焊件的力学性能、组织成分结构的影响。 1 4

该方法能够实现Sn-15%Pb、Zamak-3等低熔点合金的连接，但由于高温气体对母材局部加热，然后进行搅拌，导致焊后接头气孔数量及面积较大，直接影响焊接接头的强度[7]。

图5 半固态搅拌连接示意图及焊缝区显微组织 每一种半固态加工技术下不同方法优缺点的对比

3展望 半固体技术作为一种新型的材料连接与复合材料制备技术，具有很多传统工艺所不具备的优点，它有利于提高材料界面的结合性能及复合材料的整体性能，

方法 无外加能量下的半固态连接 加压下的半固态连接 振动辅助半固态连接 搅拌辅助半固态连接 优点 可填加更多焊缝材料；无烟尘、飞溅物；接头强度可达基体的强度；焊接应力低及热影响区小、无显微裂纹及气孔；焊缝外观平滑。 减少了装配的费用，流动性好具有良好的几何形状的适应性及良好的操作性 耗能小，节约能源；生产效率高 加工温度较低，凝固收缩小，材料的变形量小

缺点 受基体与半固态浆料温度区间的影响较大，同时需要去除表面氧化和污染物 工序较复杂，生产效率低 易产生气孔，导致焊缝强度不高 耗能大，浪费能源；生产效率低 1 5

是一种高效且适应性广的新型材料连接与复合材料制备技术。如果能够解决好坯料的重熔、界面的氧化、材料连接与制备工艺以及加工成本等问题，半固体技术在该领域必将具有广阔的应用前景。

4结论 与传统连接相比，半固态连接有以下优点：①加工温度较低，凝固收缩小，材料的变形量小；②耗能小，节约能源；③生产效率高；④非枝晶的显微组织使连接件的力学性能高；⑤半固态金属的流动性好具有良好的几何形状的适应性及良好的操作性；⑥易于实现异种金属的连接。

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