| 单词 | 新型材料的开发与焊接技术的发展 |
| 释义 | 【新型材料的开发与焊接技术的发展】 从应用的角度出发，新型材料大致分为结构材料和功能材料两大类。新型结构材料应具有高强度、高韧性、耐蚀、耐磨、使用寿命长、安全可靠等一种或多种性能，对于航天航空部门，还有轻量化的要求。新型功能材料，应具有某种特殊性能(如电、光、磁、热、化学、生物、吸收等特性)。近代的发展趋势是功能材料发展较快，材料研究开发的重点已转向非金属材料(陶瓷、塑料、高分子、碳纤维、超导……)和复合材料(双金属、塑料金属、陶瓷金属、喷涂……)。 金属材料 在结构材料中金属材料占主导地位，其中钢铁材料仍是工程上的重要结构材料，并且还在不断地发展成为新型材料的一个分支。马氏体时效钢。这种钢具有超高强度(σb=1960～2940MPa)及良好的韧性(σs=1372～2450MPa)。在化学成分上分为18Ni、20Ni和25Ni3种，其中C≤0．03%，并添加少量Co、Mo、A1、Ti、Nb、Zr、B等合金元素，要求杂质(S、P、N、O)含量低。配合严格的热处理制度，将进一步提高性能。这种钢主要用于火箭的外壳、飞机起落架、深水潜艇壳体、航天器件的轴类、连接器、空间发射台架体等。低成本的少Ni、Co的马氏体时效钢也正在研制中。贝氏体钢。贝氏体自1930年由Bain在实验室里被发现后，一直不断得到新的进展，特别是60年代以后，采用低碳微合金元素强化、等温处理、控轧技术，大幅度提高强度和低温韧性。在此基础上，经过精炼得到超低碳的控轧贝氏体钢，用于开发北极矿藏，代替昂贵的HY100、HY130。近年来又发展了通过新合金元途径改变钢的奥氏体冷却转变动力学曲线，使钢奥氏体化后空冷，得到贝氏体或贝氏体－马氏体的复相组织，使钢的综合性能大为提高。新型空冷贝氏体钢，有低碳、中碳及各类铸造贝氏体钢、贝氏体耐磨堆焊焊条等。精炼钢。为改善焊接性并大幅度提高钢的强度和韧性，近年来采用降碳、微合金化、炉内提纯和炉外精炼，使钢的含杂质(S、P、O、N)及夹杂物量极低。例如，CF钢：σ=700MPa，h=50mm时，焊前不预热，焊后不热处理而不产生裂纹。Z向钢：抗层状撕裂，含S、P及各种夹杂物极低，Ψ≥30%。细晶粒钢：可采用大焊接线能量(≥80kJ／cm)，而不过多降低热影响区的冲击韧性。此外，还有控轧钢、管线钢以及某些专业用钢等在性能上均有较大的改善。轻合金。轻合金主要是铝、镁、钛的结构应用日益增多，在航天、航空、舰艇、桥梁、石油化工、核能等方面得到广泛应用。这是因为这些轻金属具有重量轻，比强度大，耐蚀以及低温韧性好等一系列优点。由于焊接技术的发展，对轻金属焊接冶金、焊接材料、焊接工艺和焊接性的系统研究，使得轻金属及其合金作为重要的承载焊接结构而得到广泛应用。等离子焊接、真空电子束焊接和激光焊接等技术的快速发展，又进一步扩大了轻金属的应用范围。近年来为发展航空航天事业，大力研究了具有比重更小、强度和塑性更高，而焊接性更好的A1-Li合金。作为新型结构材料还有工程塑料、各种强化合金、复合材料等，焊接技术也将在这些材料的开发中发挥更大的作用。新型功能材料 非晶态材料。包括非晶态合金和非晶态陶瓷，这是最活跃、最有潜力的功能材料之一。非晶态的制取，是使液态金属或陶瓷以极快的速度(101～105C／s)冷却，来不及结晶和成核长大，其原子排列杂乱无章。这种状态的材料具有优异的电磁特性，强度高，韧性好，是理想的磁性材料或耐蚀绝热材料。用非晶态合金代替传统的矽钢片制造变压器及发电设备，可以节能50%以上。由于非晶态陶瓷没有晶粒边界，因而具有非常好的耐蚀性能，是不锈钢无法比拟的。非晶态陶瓷还具有耐超高温的性能，如CaO2、TiO2、La2O3、Al2O3、MgO等，如能制成火箭发射器的喷嘴和燃气轮机的器件，将会大大提高功率及寿命，但其韧性、塑性还有待于提高。半导体材料。主要用于大规模集成电路，其次也用于信息传输、信息记录、显示器件、热敏元件和医疗器械等。因这些器件的精密引线要求在恒温、恒湿、超纯净的环境中焊接，使得焊接技术也得到很大的发展。形状记忆合金。是利用合金中可逆马氏体相变现象而发展起来的一种新材料，如Ni-Ti、Au-Cd、Ag-Cd、Ni－Al等，用于制造温度自动调节器、机器人执行元件、宇宙飞船的天线等。最有吸引力的是低热发动机，利用海水的温差、地热、太阳能发电等廉价能源开辟新的途径。超导材料。自1911年荷兰Aonese发现超导现象以来，已有30多种元素和上千种合金及化合物在一定条件下电阻为零，但大部分是在液氮温度下可用(30～80K)。1986年以来，世界上掀起了“高温超导热”。超导材料的发展与应用展示了美好的远景，可用于超导电机、超导输电、超导储能、磁悬浮列车、电磁推进船、磁流体发电、高能物理加速器、核聚变反应堆及天空试验室的电源等。精细陶瓷。可分为结构陶瓷和功能陶瓷。高温结构陶瓷(Si3N4、SiC、增韧ZrO2等)轻如铝，强如钢，硬如金刚石，可用于绝热发动机。防弹陶瓷可作复合装甲，结构陶瓷还可用作切削刀具、模具、滚珠轴承等。功能陶瓷的种类很多，主要有传感器敏感陶瓷、集成电路基板高绝缘性陶瓷、光导纤维和生物陶瓷等。近年美国和前苏联研制出一种在飞机层喷涂陶瓷材料的方法，作成所谓“隐身飞机”。复合材料 从材质来分，可分为金属复合材料、树脂复合材料和陶瓷基复合材料。根据使用目的，又有复合增强和复合功能两种。复合材料是一种具有优异综合性能的新型材料，广泛应用于航天、航空、汽车、海洋开发、核能、微电子等领域。(1)纤维强化金属。以Al、Ti、Fe为基，以碳、硼纤维为剂其强度可达245000～49000MPa。(2)纤维强化塑料。以塑料(环氧树脂等)为基，以碳、硼纤维为剂。其强度可达2940～3920MPa，比重1．6～1．8，是理想的宇航材料。但价格昂贵，焊接困难，限制了大量使用。由于新型材料不断问世，必须开发与此相适应的焊接新工艺和新设备。等离子焊接。等离子焊接与切割从20世纪50年代开发以来，不断完善，在改进腔体结构、提高压缩效应、提高温度和热效率方面已经作了大量研究，目前隧道式等离子焰的温度已提高到30000C以上。在实验室已可焊接不锈钢厚达20mm，但生产应用仍在10mm左右。等离子派生出许多新的工艺：(1)微束等离子焊接可焊极薄件、集成电路等。厚度0．01～1mm，电流0．5～30A。(2)熔化极等离子焊接可提高效率，厚板结构的焊接目前尚处试验室研究阶段。(3)交流等离子及反极性等离子焊接。特别适于焊接铝合金，可焊4～6mm厚铝合金。(4)脉冲等离子焊接能大幅度提高焊接质量。(5)窄间隙等离子焊接尚处于试验室研究阶段，等离子焰可作为喷涂热源，进行表面改质和制造新型复合材料，应用范围在不断扩大。激光焊接。从60年代开始研究，现已进入成熟应用阶段。激光焊接对于轻金属焊接特别有利，由于热能高度集中，再给以保护(惰性气体)，可得到高质量的焊接接头。电子束焊接。目前全世界拥有各类电子束焊机约3000台，日本拥有世界上功率最大的电子束焊机。在工程上除大量采用真空电子束焊之外，对于大型结构还采用局部真空电子束焊。如法国已用于锅炉汽包和核电站的原子炉，真空度可达10－3～10－4。一些工业发达的国家，还研究非真空电子束焊，可焊50mm厚的不锈钢。TIG焊和MIG焊。惰性气体保护焊一直是焊接新材料的重要焊接方法之一，特别对于一些易氧化的轻金属，可获得满意的接头性能和美观的焊缝成形。近年来，电子控制型弧焊电源正在加快普及并取代传统式的电磁式控制型弧焊电源。目前TIG焊和MIG焊多数都带有脉冲、高频、矩形波交流、智能等多功能电子式弧焊功能。埋弧焊和CO2气保护焊。埋弧焊的应用已有新的发展，美国、日本、欧洲等国家，大力开发双丝、三丝、四丝的埋弧焊。为防止热影响区晶粒粗大，采用程序控制自适应系统调整丝间距离。此外还有混合多丝焊接法，埋弧多丝+MIG焊，窄间隙埋弧焊，窄间隙旋转丝MIG焊，全位置CO2+Ar管线焊接等。CO2气保焊接由于高效率、节能，得到了很快的发展，日本和美国均发展很快，在桥梁、造船及钢结构方面已达到60%～80%。目前中国应用CO2焊尚不普及，只占总焊接量的7%～10%。近年来混合气体保护焊(CO2+Ar)日益增多，一方面提高焊接质量，另一方面也改善表面成形，减少飞溅。新型材料的发展与应用必然会遇到焊接问题。用新材料制成各种结构、部件产品，焊接技术能起重要作用。目前在工程上遇到较多的有陶瓷、工程塑料、碳纤维、复合材料等。这些新材料的焊接多采用真空钎焊、真空扩散焊以及激光和真空电子束焊等。随着表面性质技术的发展，喷涂技术不仅应用于过渡层，还能喷涂在某种材料的表面上，成为某种新的复合材料。在发展焊接技术的过程中，应当充分利用新科学技术的成就，如加工过程的质量控制、计算机智能程序开发、模糊技术控制以及人工智能的应用等。利用专家系统可将人的智能充分发挥，使之始终处于最佳状态。把专家多年来积累的经验贮存于计算机软件，用专家语言作成程序，使之在没有专家的情况下和有专家一样的处理复杂问题。专家系统的基本组成有：知识库、推理系统、用户对话系统、专家接口和说明机构(即说明所给结论的依据及采用的对策)。专家系统的类别有：(1)诊断专家系统。进行预测、失效分析及判断已有工艺的合理性。(2)设计专家系统。根据约束条件进行设计、绘图及规划等。(3)实时控制专家系统。根据初始条件、变化范围的实时数据，利用专家知识进行判断，以及根据已有的数据来推演新条件下的状态变量，据此作出决策以进行实时控制。上述3种专家系统已广泛应用于焊接构件的设计、制造、评定它的安全与寿命等。由此可见，焊接专家系统是吸收专家的知识，根据所要求的条件和被焊对象反馈回来的多种信息，作出智能判断，实现对焊接过程的智能控制。焊接过程的智能控制目前已实现各个参数的闭环控制(如弧长、熔深、焊透和焊缝自动跟踪……)。焊接控制系统的智能化，是在复杂条件下，用识别器(传感)不断检测电弧电压、电流等参数，反馈到自适应控制系统，以很高的响应速度调整电弧的稳定性，能自动保持电弧稳定及最佳的过渡形态，并最大限度排除人为的影响。这方面的研究进展很快，目前正在研究模拟人的神经细胞的传感器。总之，计算机的进步及在焊接中的应用、焊接专家系统的开发与完善，推动了焊接技术向更高的层次发展。可以预计，未来的焊接生产将是高度自动化、高效化和智能化。从20世纪50年代开始，焊接电源的发展经历了5代的重大变化：机械控制的动圈式；电磁控制的磁放大式；机械电磁控制型的硅整流式；电子控制型晶体管电源；电子控制型逆变电源。有人预测21世纪将会有超导材料和光导纤维应用于焊接电源。电焊机具有焊接参数和焊接程序的记忆功能，各种跟踪技术和传感技术以及激光技术，可用于各种自动焊机和弧焊机器人等。随着生产规模的发展和科学的进步，焊接自动化程度也在不断提高。目前，世界各国都在大力开发焊接机器人。新材料的开发与焊接技术的发展是相互促进、相互制约的。新型材料的问世，需要研制新的焊接方法及工艺，而新的焊接技术又能促进新材料的发展。(天津大学博士生导师张文钺撰) |
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