材料连接技术的发展方向

材料连接技术的发展方向

S20161254 材料国重

摘要综述了材料连接技术在复合材料与在汽车轻量化方面材料连接技术的发展，并对目前新型的材料连接技术作了简要的介绍，进行横向与纵向的对比，分析了材料连接技术的发展方向。

关键词 材料连接技术 发展 焊接

1. 材料连接技术

1.1复合材料连接技术的发展

随着科技的发展，不管是航天领域还是土木工程结构中，对于所使用的材料性能要求越来越高。而新材料的研发到应用，所经历的过程又纷繁复杂。随着各类复合材料的开发，其优异的力学性能及抗腐蚀性能被得到特别的关注。复合材料由于其比强度和比刚度高的等特点而被得到广泛使用。然而复合材料结构一般由构件拼接而成，而复合材料无法像金属材料进行焊接。因此针对复合材料的各种新型工艺也应运而生。

[2][3]1.1.1复合材料的传统连接工艺

复合材料的传统连接工艺包括熔化焊（TIG 、MIG 、LBW 、接触电阻焊接、电容放电焊接、等离子体焊等）、固相连接和钎焊等，其优缺点表1

表1 复合材料焊接工艺优缺点比较

1.1.2复合材料的新型连接技术[1]

（1）瞬时液相连接

瞬时液相连接TLP(Transient Liquid Phase)是在低于母材和填充钎料熔点的温度下，通过母材与钎料界面的相互扩散，达到熔点共晶成分而熔化形成液态，然后在此温度下保持恒定温度使其继续扩散，达到液相与固相之间的成分，则开始等温结晶过程，完全结晶为固态后继续保持恒温扩散则开始均匀化过程，完全均匀化后即形成母材成分组织均匀一致的焊缝接头。

（2）脉冲激光焊

激光焊接的优点很明显，该方法具有独特的聚焦等激光参数精确控制能力，可避免复合材料纤维组织被过分损坏，此外，与许多传统方法相比，在焊接过程中，不需要加入填料也是激光焊接独具的优点。[4]

（3）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是在传统摩擦焊的基础上派生出来的。搅拌摩擦焊是一种新型的焊接技术，整个过程是在固态下完成的，不会得到铸态组织，避免了采用熔化焊时因熔化和凝固而形成的孔隙、微裂纹、变形以及残余应力，也避免了合金元素的烧损，且焊缝组织较母材更细密，接头强度一般不低于母材，且同时具有很好的弯曲韧性。

（4）闪光对焊

闪光对焊是压力焊的一种，它利用电阻热把焊接端面加热到金属熔化温度，并在压力作用下形成焊缝接头。闪光对焊加热时间短，在闪光后期虽然在接头端部形成一层液体薄层，但在顶锻阶段被挤出，露出干净的带有一定塑形的金属层在压力作用下形成焊缝，能抑制增强相与基体间的界面反应，克服了用熔化焊及

[5]激光焊焊接这种材料所具有的界面反应难题。

（5）等离子喷涂法

等离子喷涂技术一般用来制造表面涂层以改善金属或合金的耐磨、耐热、耐蚀性。[5]

1.2轻量化多材料连接技术的发展

轻量化作为汽车节能减排的重要手段，得到世界各国的高度重视。综合考虑成本、性能及轻量化效果，采用多材料混合车身设计成为未来最为重要的车身轻量化手段。然而，异质材料物理属性差异大，采用传统电阻点焊技术难以实现可靠连接，使得轻量化多材料混合车身的装配面临巨大挑战。

“多材料混用”概念最早由HAHN 等提出，认为合理的轻量化应该是“还是的材料用在合适的部位”。针对异质材料连接所面临的上述挑战，对车用异质材料连接工艺主要在机械连接、熔钎焊、固相焊、胶接等四类异质材料连接工艺[6]

（1）机械连接工艺

机械连接工艺因为没有热输入，可以有效避免热连接所引起的界面硬脆相、接头软化等问题，广泛应用于汽车车身的制造。无铆钉铆接和自冲铆接是目前汽车车身制造中应用最为广泛的两种机械连接工艺。

无铆钉铆接工艺因其工艺过程简单且成本低，在汽车车身中得到广泛应用，但因其静态强度和疲劳强度都较低，其应用范围受到极大的限制。随着轻量化程度的进一步加剧，对车身材料的要求也越来越高，需要其在高强度下，变得更薄，以达到更轻，材料组合也因此变得更加多样化，因此根据自冲铆接工艺提出了预加热SPR 、电辅助SPR 、自冲摩擦铆焊，能够实现单边连接需求的流动钻铆和自冲摩擦盲铆，以及塞铆等新型连接工艺。

（2）熔钎焊工艺

上述机械连接工艺虽然能够实现异质材料的可靠连接，但是机械连接大都需要引入额外的昂贵的连接元素（铆钉），不仅增加了车身装配的成本，也由于大量钢制铆钉的使用而带来了额外的增重，不利于汽车的减重；同时，机械连接工艺由于工艺过程相对复杂，需要通过几种工艺复合实现连接，使得造车成本急剧增加。为了降低轻量化汽车的制造成本，减少对现有生成线的大范围改动，基于传统电阻点焊和熔焊设备的新型连接方法也应运而生。

熔钎焊是一种结合了熔化焊与钎焊特点的复合连接工艺。熔钎焊过程中，低熔点母材或者母材与添加的钎料在高温热源作用下熔化，浸润铺展在始终保持固态的高熔点材料表面，相互扩散后凝固结晶形成熔钎焊接头，其中低熔点侧材料通过熔化焊实现连接，而高熔点侧材料则通过钎焊实现连接，熔钎焊适用于熔点与冶金性能差异较大的异质材料的连接。根据焊接热源形式的不同，熔钎焊工艺

[7] [8]主要有电阻熔钎焊、电弧熔钎焊和激光熔钎焊。

（3）固相焊接工艺

固相焊是指被焊金属材料在压力作用下使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，通过热传导或界面相对运动使待焊部位的温度升高，并通过调节温度、压力和时间，使待焊表面充分扩散而实现原子间结合的方法。由于固相焊过程中不需要金属熔化，因此可有效控制异质材料连接时界面处IMC 的形成。因此因为焊接过程热输入低，可避免铝合金等材料在熔化焊或熔钎焊过程红因温度过高而发生明显软化的现象，因此在异质材料连接方面具有很大优势。主要有搅拌摩擦焊与超声波焊接工艺。[8]

（4）胶接工艺

异质金属间存在电位差，在潮湿的空气中相互接触时容易发生原电池反应，使得低电势金属失去电子被氧化而遭到腐蚀。对于异质材料连接，接头中的微小缺陷或接头结合面边缘缝隙处容易使空气中的电解质溶液进入，造成局部缝隙腐蚀，从而加速电化学腐蚀，多材料混用使得汽车车身面临巨大的腐蚀风险。[9] [10]

采用结构胶能够从物理上隔绝异种金属的直接接触，并避免腐蚀介质进入接头边缘，从而有效避免电化学腐蚀和缝隙腐蚀，在异质材料连接方面具有明显的优越性。同时，利用结构胶与被连接材料间产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力能够实现材料的大面积连接，具有应力分布均匀、抗振性能好、密封性能好等特点。在汽车碰撞过程中，结构胶还可以起到很好的缓冲和吸能作用。主要有胶铆复合工艺与激光胶焊工艺

2. 材料连接技术的发展方向

通过材料连接技术在复合材料与汽车轻量化方面的发展，可以得到，材料连接技术的发展需要顺应新材料的发展与材料在应用过程中对于性能的要求的不断提高。在改进并优化传统连接工艺的基础上，还需要开发更加高效经济的材料连接技术。

随着新材料的不断发展与对材料使用性能的要求不断提高，新型材料连接技术的发展要求越来越高。不仅需要在原有材料连接工艺上不断改进，还需要发展新型材料连接技术以适应未来材料的发展。

通过以上对于复合材料的连接技术发展与因汽车轻量化的要求而出现的材料连接技术的发展，可以看出未来材料连接技术的发展方向；（1）在改进并优化传统材料连接技术，降低传统材料连接技术的成本，优化利用传统材料连接技术

连接材料以后材料的性能；（2）开发新型安全、高效率、低成本的连接技术解决日益发展的新材料的连接，如陶瓷材料，高强钢和铝合金连接问题等；（3）开发短流程，一体化新型材料连接技术；（4）新型连接技术更趋于节约能源，绿色化。

3. 结论

随着新材料的日益发展与能源问题的不断加剧，材料连接技术的优化与开发刻不容缓。新材料的发展，高性能材料的需求，促使新型材料连接技术的发展以使得各种材料的连接成为可能，以保证材料的性能。但是我们不仅需要开发出新型材料连接技术以获得高性能的材料，还需要新型材料连接技术高效节能环保；同时，随着智能化的发展，未来材料连接在智能化方面的研究也会不断深入。 参考文献：

[1]董月玲，黄继华，闫久春，吕世雄，碳化硅增强铝基复合材料连接技术研究进展.

[2]任德亮，齐海波，丁占未，焊接技术，1999，6（3）：10

[3]金朝阳，顾晓波，邹家生，等，华东船舶工业学院学报，2000

[4]陈铮，金朝阳，赵其章，焊接学报，2001，22（6）：57

[5]Zhou Y，Noerh T H.Mater Sci Technol，1998,14：920

[6]李永兵，马运五，楼铭，等，轻量化多材料汽车车身连接技术进展，

[7]龙江启，兰凤崇，陈吉清，车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J]，工程学报，2008,44（6）：27-35

[8]TAN C W,LI L Q,CHEN Y B, etal.Microstructural characteristics and mechanical properties of fiber laser welded-brazed Mg alloy-stainless steel joint(J).Welding Journal,2014,93(10):399S-409S

[9] TAN C, SONG X, MENG S, et al. Laser welding-brazing of Mg to stainless steel： Joining characteristics, interfacial microstructure, and mechanical properties[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015,86(1-4)： 203-213.

[10] TAN C W， LI L Q， CHEN Y B， et al. Interfacial microstructure and fracture behavior of laser welded –brazed Mg alloys to Zn-coated steel[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 68(5-8): 1179-1188

材料连接技术的发展方向

S20161254 材料国重

摘要综述了材料连接技术在复合材料与在汽车轻量化方面材料连接技术的发展，并对目前新型的材料连接技术作了简要的介绍，进行横向与纵向的对比，分析了材料连接技术的发展方向。

关键词 材料连接技术 发展 焊接

1. 材料连接技术

1.1复合材料连接技术的发展

随着科技的发展，不管是航天领域还是土木工程结构中，对于所使用的材料性能要求越来越高。而新材料的研发到应用，所经历的过程又纷繁复杂。随着各类复合材料的开发，其优异的力学性能及抗腐蚀性能被得到特别的关注。复合材料由于其比强度和比刚度高的等特点而被得到广泛使用。然而复合材料结构一般由构件拼接而成，而复合材料无法像金属材料进行焊接。因此针对复合材料的各种新型工艺也应运而生。

[2][3]1.1.1复合材料的传统连接工艺

复合材料的传统连接工艺包括熔化焊（TIG 、MIG 、LBW 、接触电阻焊接、电容放电焊接、等离子体焊等）、固相连接和钎焊等，其优缺点表1

表1 复合材料焊接工艺优缺点比较

1.1.2复合材料的新型连接技术[1]

（1）瞬时液相连接

瞬时液相连接TLP(Transient Liquid Phase)是在低于母材和填充钎料熔点的温度下，通过母材与钎料界面的相互扩散，达到熔点共晶成分而熔化形成液态，然后在此温度下保持恒定温度使其继续扩散，达到液相与固相之间的成分，则开始等温结晶过程，完全结晶为固态后继续保持恒温扩散则开始均匀化过程，完全均匀化后即形成母材成分组织均匀一致的焊缝接头。

（2）脉冲激光焊

激光焊接的优点很明显，该方法具有独特的聚焦等激光参数精确控制能力，可避免复合材料纤维组织被过分损坏，此外，与许多传统方法相比，在焊接过程中，不需要加入填料也是激光焊接独具的优点。[4]

（3）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是在传统摩擦焊的基础上派生出来的。搅拌摩擦焊是一种新型的焊接技术，整个过程是在固态下完成的，不会得到铸态组织，避免了采用熔化焊时因熔化和凝固而形成的孔隙、微裂纹、变形以及残余应力，也避免了合金元素的烧损，且焊缝组织较母材更细密，接头强度一般不低于母材，且同时具有很好的弯曲韧性。

（4）闪光对焊

闪光对焊是压力焊的一种，它利用电阻热把焊接端面加热到金属熔化温度，并在压力作用下形成焊缝接头。闪光对焊加热时间短，在闪光后期虽然在接头端部形成一层液体薄层，但在顶锻阶段被挤出，露出干净的带有一定塑形的金属层在压力作用下形成焊缝，能抑制增强相与基体间的界面反应，克服了用熔化焊及

[5]激光焊焊接这种材料所具有的界面反应难题。

（5）等离子喷涂法

等离子喷涂技术一般用来制造表面涂层以改善金属或合金的耐磨、耐热、耐蚀性。[5]

1.2轻量化多材料连接技术的发展

轻量化作为汽车节能减排的重要手段，得到世界各国的高度重视。综合考虑成本、性能及轻量化效果，采用多材料混合车身设计成为未来最为重要的车身轻量化手段。然而，异质材料物理属性差异大，采用传统电阻点焊技术难以实现可靠连接，使得轻量化多材料混合车身的装配面临巨大挑战。

“多材料混用”概念最早由HAHN 等提出，认为合理的轻量化应该是“还是的材料用在合适的部位”。针对异质材料连接所面临的上述挑战，对车用异质材料连接工艺主要在机械连接、熔钎焊、固相焊、胶接等四类异质材料连接工艺[6]

（1）机械连接工艺

机械连接工艺因为没有热输入，可以有效避免热连接所引起的界面硬脆相、接头软化等问题，广泛应用于汽车车身的制造。无铆钉铆接和自冲铆接是目前汽车车身制造中应用最为广泛的两种机械连接工艺。

无铆钉铆接工艺因其工艺过程简单且成本低，在汽车车身中得到广泛应用，但因其静态强度和疲劳强度都较低，其应用范围受到极大的限制。随着轻量化程度的进一步加剧，对车身材料的要求也越来越高，需要其在高强度下，变得更薄，以达到更轻，材料组合也因此变得更加多样化，因此根据自冲铆接工艺提出了预加热SPR 、电辅助SPR 、自冲摩擦铆焊，能够实现单边连接需求的流动钻铆和自冲摩擦盲铆，以及塞铆等新型连接工艺。

（2）熔钎焊工艺

上述机械连接工艺虽然能够实现异质材料的可靠连接，但是机械连接大都需要引入额外的昂贵的连接元素（铆钉），不仅增加了车身装配的成本，也由于大量钢制铆钉的使用而带来了额外的增重，不利于汽车的减重；同时，机械连接工艺由于工艺过程相对复杂，需要通过几种工艺复合实现连接，使得造车成本急剧增加。为了降低轻量化汽车的制造成本，减少对现有生成线的大范围改动，基于传统电阻点焊和熔焊设备的新型连接方法也应运而生。

熔钎焊是一种结合了熔化焊与钎焊特点的复合连接工艺。熔钎焊过程中，低熔点母材或者母材与添加的钎料在高温热源作用下熔化，浸润铺展在始终保持固态的高熔点材料表面，相互扩散后凝固结晶形成熔钎焊接头，其中低熔点侧材料通过熔化焊实现连接，而高熔点侧材料则通过钎焊实现连接，熔钎焊适用于熔点与冶金性能差异较大的异质材料的连接。根据焊接热源形式的不同，熔钎焊工艺

[7] [8]主要有电阻熔钎焊、电弧熔钎焊和激光熔钎焊。

（3）固相焊接工艺

固相焊是指被焊金属材料在压力作用下使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，通过热传导或界面相对运动使待焊部位的温度升高，并通过调节温度、压力和时间，使待焊表面充分扩散而实现原子间结合的方法。由于固相焊过程中不需要金属熔化，因此可有效控制异质材料连接时界面处IMC 的形成。因此因为焊接过程热输入低，可避免铝合金等材料在熔化焊或熔钎焊过程红因温度过高而发生明显软化的现象，因此在异质材料连接方面具有很大优势。主要有搅拌摩擦焊与超声波焊接工艺。[8]

（4）胶接工艺

异质金属间存在电位差，在潮湿的空气中相互接触时容易发生原电池反应，使得低电势金属失去电子被氧化而遭到腐蚀。对于异质材料连接，接头中的微小缺陷或接头结合面边缘缝隙处容易使空气中的电解质溶液进入，造成局部缝隙腐蚀，从而加速电化学腐蚀，多材料混用使得汽车车身面临巨大的腐蚀风险。[9] [10]

采用结构胶能够从物理上隔绝异种金属的直接接触，并避免腐蚀介质进入接头边缘，从而有效避免电化学腐蚀和缝隙腐蚀，在异质材料连接方面具有明显的优越性。同时，利用结构胶与被连接材料间产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力能够实现材料的大面积连接，具有应力分布均匀、抗振性能好、密封性能好等特点。在汽车碰撞过程中，结构胶还可以起到很好的缓冲和吸能作用。主要有胶铆复合工艺与激光胶焊工艺

2. 材料连接技术的发展方向

通过材料连接技术在复合材料与汽车轻量化方面的发展，可以得到，材料连接技术的发展需要顺应新材料的发展与材料在应用过程中对于性能的要求的不断提高。在改进并优化传统连接工艺的基础上，还需要开发更加高效经济的材料连接技术。

随着新材料的不断发展与对材料使用性能的要求不断提高，新型材料连接技术的发展要求越来越高。不仅需要在原有材料连接工艺上不断改进，还需要发展新型材料连接技术以适应未来材料的发展。

通过以上对于复合材料的连接技术发展与因汽车轻量化的要求而出现的材料连接技术的发展，可以看出未来材料连接技术的发展方向；（1）在改进并优化传统材料连接技术，降低传统材料连接技术的成本，优化利用传统材料连接技术

连接材料以后材料的性能；（2）开发新型安全、高效率、低成本的连接技术解决日益发展的新材料的连接，如陶瓷材料，高强钢和铝合金连接问题等；（3）开发短流程，一体化新型材料连接技术；（4）新型连接技术更趋于节约能源，绿色化。

3. 结论

随着新材料的日益发展与能源问题的不断加剧，材料连接技术的优化与开发刻不容缓。新材料的发展，高性能材料的需求，促使新型材料连接技术的发展以使得各种材料的连接成为可能，以保证材料的性能。但是我们不仅需要开发出新型材料连接技术以获得高性能的材料，还需要新型材料连接技术高效节能环保；同时，随着智能化的发展，未来材料连接在智能化方面的研究也会不断深入。 参考文献：

[1]董月玲，黄继华，闫久春，吕世雄，碳化硅增强铝基复合材料连接技术研究进展.

[2]任德亮，齐海波，丁占未，焊接技术，1999，6（3）：10

[3]金朝阳，顾晓波，邹家生，等，华东船舶工业学院学报，2000

[4]陈铮，金朝阳，赵其章，焊接学报，2001，22（6）：57

[5]Zhou Y，Noerh T H.Mater Sci Technol，1998,14：920

[6]李永兵，马运五，楼铭，等，轻量化多材料汽车车身连接技术进展，

[7]龙江启，兰凤崇，陈吉清，车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J]，工程学报，2008,44（6）：27-35

[8]TAN C W,LI L Q,CHEN Y B, etal.Microstructural characteristics and mechanical properties of fiber laser welded-brazed Mg alloy-stainless steel joint(J).Welding Journal,2014,93(10):399S-409S

[9] TAN C, SONG X, MENG S, et al. Laser welding-brazing of Mg to stainless steel： Joining characteristics, interfacial microstructure, and mechanical properties[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015,86(1-4)： 203-213.

[10] TAN C W， LI L Q， CHEN Y B， et al. Interfacial microstructure and fracture behavior of laser welded –brazed Mg alloys to Zn-coated steel[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 68(5-8): 1179-1188