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盤點(diǎn)2017年焊接領(lǐng)域重大研究突破

2018-02-23 09:41:01 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料人分享至：

1、陶瓷納米線焊接

與金屬材料相比，陶瓷具有耐高溫、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定好以及密度小等優(yōu)點(diǎn)，但目前還沒有技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)陶瓷部件連接，并保持其良好的性能。因此，合適的連接技術(shù)成為陶瓷大量應(yīng)用的關(guān)鍵，如果能將陶瓷材料連接起來(lái)并使其具有良好的性能就顯得十分有意義。

中國(guó)石油大學(xué)（北京）李永峰教授、西安交通大學(xué)單智偉教授和燕山大學(xué)黃建宇教授（共同通訊作者）在Nature Communications上發(fā)表最新研究成果“Ceramic nanowelding”。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中，研究人員介紹了一種用于陶瓷納米線焊接的技術(shù)。采用該連接技術(shù)得到的接頭力學(xué)性能比原始納米線的性能還要好。在CO2氛圍下，借助先進(jìn)的球差環(huán)境透射電子顯微鏡（ETEM），以多孔MgO為釬料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)MgO + CO2 → MgCO3實(shí)現(xiàn)了陶瓷的連接。該技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)MgO，CuO和V2O5 納米線的連接，并進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，而且可以連接宏觀的陶瓷材料SiO2，這也意味著該技術(shù)未來(lái)可能用在陶瓷工具和器件上。

陶瓷納米線焊接的示意圖及實(shí)物圖

文獻(xiàn)鏈接：Ceramic nanowelding（Nat. Commun., 2018, doi:10.1038/s41467-017-02590-1）

2、新型焊接材料——多股焊絲

多股焊絲結(jié)構(gòu)的概念在2009 年由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)高頂教授首先提出，并授權(quán)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。通過(guò)近年來(lái)對(duì)機(jī)理分析與深度研發(fā)，引伸出了以“多股復(fù)合焊絲” 為核心的包含了焊接材料、焊絲結(jié)構(gòu)、捻絲裝備、弧焊電源以及特種工藝開發(fā)等多項(xiàng)發(fā)明專利。

相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)心單絲或藥芯焊絲產(chǎn)品而言，多股焊絲無(wú)論在電弧－熔滴過(guò)渡特征以及熔池流動(dòng)形態(tài)方面，還是焊絲產(chǎn)品合金成分設(shè)計(jì)制造到焊接工藝對(duì)熔寬、熔深、堆高的可控性，都得到了全面的提升及拓展，極大地提高了熔化極電弧焊的熔敷效率和接頭性能，尤其為當(dāng)前機(jī)器人、自動(dòng)化焊接生產(chǎn)的高品質(zhì)、高效化的緊迫需求提供了一種全新理念的新型焊材產(chǎn)品。

多股焊絲是一種新型結(jié)構(gòu)的熔化極焊接材料，其突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，能根據(jù)焊接對(duì)象的需要實(shí)現(xiàn)“量身定做”。多股焊絲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素主要有6個(gè)方面，即多絲的直徑選擇、中心與外圍絲的分配、焊絲的成分調(diào)控、焊絲捻距、絞合方向及焊絲組合數(shù)的確定。圖1是多股焊絲的結(jié)構(gòu)示例，可見該類焊絲經(jīng)不同組合設(shè)計(jì)能獲得巨大的工藝與性能空間。圖2是多股焊絲組合示意圖，其原理是實(shí)心焊絲與藥芯焊絲的定量搭配。

多股焊絲的出現(xiàn)，不僅是一種全新理念的，更是焊接技術(shù)走向材料-裝備-工藝一體化的重大進(jìn)步，是當(dāng)前焊接技術(shù)與制造領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新和跨越。多股復(fù)合焊絲的應(yīng)用范圍和行業(yè)包括：鋼結(jié)構(gòu)、管道、造船、鍋爐壓力容器、重工、工程機(jī)械、煤機(jī)、耐磨堆焊及海工石油等行業(yè)，其效益的提升表現(xiàn)為：多股焊絲在同等焊接工藝要求條件下，替代傳統(tǒng)的埋弧焊等工藝，實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)效率的提升，熱輸入減小，適應(yīng)了機(jī)器人或自動(dòng)化焊接的高效化需求，并促進(jìn)了弧焊技術(shù)走向“ 控形”和“控性”的新階段。

文獻(xiàn)來(lái)源：《焊接技術(shù)》2017年08期

文獻(xiàn)鏈接： http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HSJJ201708023.htm

3、鈦合金線性摩擦焊接的研究

線性摩擦焊接（LFW）是一種固態(tài)連接工藝，是一項(xiàng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中制造鈦合金葉片式磁盤的成熟技術(shù)。由于良好的經(jīng)濟(jì)效益，LFW廣泛用于制造Ti-6Al-4V飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件。然而，由于人們對(duì)這項(xiàng)工藝的了解不足，LFW技術(shù)很少應(yīng)用于葉片制造之外的工業(yè)領(lǐng)域。

來(lái)自英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的Anthony R. McAndrew （通訊作者）等人概述了鈦合金線性摩擦焊接的研究進(jìn)展。討論Ti-6Al-4V線性摩擦焊縫的微觀組織，力學(xué)性能，飛邊形貌，界面污染物去除和殘余應(yīng)力等，此外通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行分析，并對(duì)LFW技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用做出了展望及更好的利用。

由大型金屬加工而成的零件示意圖

文獻(xiàn)鏈接：A literature review of Ti-6Al-4V linear friction welding （Prog. Mater. Sci.: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.003）

4、塑料焊接

塑料焊接是將塑料部件熔合在一起的制造方法，該過(guò)程通過(guò)加熱每個(gè)部件直到它們軟化或液化來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。塑料冷卻時(shí)，部件間形成化學(xué)鍵從而熔合在一起。熱塑性焊條通常用于粘接兩個(gè)不同的部件。

不同的塑料焊接方法用于不同的目的，根據(jù)所使用焊接設(shè)備和焊接材料的類型而變化。塑料部件的基材也影響著塑料焊接的方法。通常優(yōu)先選用熱塑性塑料，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)反復(fù)的熔融和固化。

熱氣焊接使用熱空氣射流來(lái)焊接塑料。熱氣使塑料軟化并熔化，從而實(shí)現(xiàn)零部件的融合。為該技術(shù)所設(shè)計(jì)的熱風(fēng)槍可引導(dǎo)氣流，從而獲得更高的精度。焊條的材料通常與兩種基材相同，用于填充零部件之間的縫隙。

無(wú)氣焊接通過(guò)加熱機(jī)器或加熱工藝來(lái)加熱焊條。該方法有助于防止來(lái)自焊條的過(guò)量材料積聚，并防止基底材料翹曲。無(wú)氣焊接尤其適于焊接熱固性塑料。無(wú)氣焊接中光和振動(dòng)是塑料焊接的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。無(wú)法用熱氣焊接的異種材料通常可以使用這些工藝進(jìn)行熔合。這些工藝，如超聲波、振動(dòng)、激光、熱塑性焊接等，還可用于焊接那些通常需要保持相對(duì)薄度的部件。

超聲波焊接應(yīng)用低振幅和高頻振動(dòng)來(lái)焊接零件。振動(dòng)產(chǎn)生熱量，就像手摩擦生熱一樣，從而利用熱量連接兩個(gè)部分。超聲波焊接機(jī)產(chǎn)生的熱和壓力在兩個(gè)部件之間快速形成無(wú)縫焊點(diǎn)，適用于生產(chǎn)小型組件，如閃存驅(qū)動(dòng)器和半導(dǎo)體。

激光焊接使用光來(lái)熔化材料。激光焊接時(shí)，一種材料透光，另一種材料吸光。這兩種材料在壓力下連接在一起。然后激光束穿過(guò)透光材料進(jìn)入吸光材料，從而產(chǎn)生熱量，形成永久焊點(diǎn)。

熱塑性焊接與激光焊接相反。在該技術(shù)中，激光穿過(guò)透明材料進(jìn)入吸光的有色材料。然后透光材料被吸光材料熔化并熔入其中。

塑料焊接應(yīng)用廣泛。當(dāng)需要更換的塑料零件價(jià)格較高時(shí)我們可以對(duì)其進(jìn)行修理，將新的部件焊接上去。防水的氣密性容器，如水箱和通風(fēng)管道，有時(shí)就是通過(guò)塑料焊接組裝的。它也常用于制造產(chǎn)品，如汽車部件和大的面板。

文獻(xiàn)鏈接：http://www.wisegeek.com/what-is-plastic-welding.htm

5、不同電池基底上鋰鈉合金的通用焊接

金屬鋰電池由于其最低的還原電勢(shì)和超高的理論比容量，在未來(lái)能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鋰枝晶生長(zhǎng)以及液體有機(jī)電解質(zhì)的易燃性等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅了金屬鋰電池的安全使用。因而其中最有效的策略是使用不易燃且機(jī)械強(qiáng)度良好的固態(tài)電解質(zhì)（solid-state electrolytes, SSEs），以此抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。

在如此眾多的SSEs當(dāng)中，立方石榴石相SSEs優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)槠渚哂辛己没瘜W(xué)穩(wěn)定性、高離子導(dǎo)電率和寬電化學(xué)電勢(shì)窗口。金屬鋰和石榴石陶瓷片之間的直接接觸一般會(huì)造成接觸不良以及較大的表面阻抗，通過(guò)添加聚合物界面或者施壓，界面將有所改善，但阻抗仍然十分高。

馬里蘭大學(xué)的胡良兵副教授（通訊作者）在著名期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries”的論文，第一作者為王成威博士，共同第一作者為在讀博士生謝華。該文章報(bào)道了一種通用焊接技術(shù)，可以快速地將熔融的金屬鋰或金屬鈉涂覆在不同的基底上用于固態(tài)電池和其他應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)添加合金成分，熔融鋰的表面能和粘性都增加了。富鋰的熔融合金在陶瓷、金屬和聚合物等基底上展示了良好的浸潤(rùn)性。

通過(guò)在熔融鋰和鈉中添加合金成分，進(jìn)行了表面能和負(fù)極粘性的調(diào)控，因此可以直接熔接合金在不同的基底上。鋰錫合金能夠在10s內(nèi)熔接在石榴石SSEs的表面并有良好的緊密接觸。能有效減少石榴石相SSE的表面阻抗直至7Ωcm2。電化學(xué)測(cè)試證實(shí)表面和合金電極在長(zhǎng)時(shí)間和高容量測(cè)試中的穩(wěn)定性。同時(shí)探究該合金基熔接技術(shù)的用途廣泛性，其他鋰二元合金亦有研究，在金屬、陶瓷和聚合物基底上也展示了類似的浸潤(rùn)性。并且，該熔接技術(shù)可以遷移到熔融鈉合金體系中，鈉錫合金也被成功涂覆在氧化鋁基底上。