机械制造工程_7.3物理化学连接(图文教程)

第三节 物理化学连接

现代制造工业中，大量新材料和新技术的应用，使得冶金连接和机械连接难以保证构件的质量，必须考虑采用物理化学连接方法。

如陶瓷刀片与刀架的连接，必须采用钎接，也称钎焊；大功率电真空管中玻璃与金属的连接，必须采用玻璃封接；大规模集成电路的封接，必须采用粘接，又称塑封；工程塑料构件的连接必须采用粘接；有时金属构件的连接也可用粘接或钎焊的方法。因此，在制造业中物理化学连接方法已得到广泛的应用。

一、物理化学连接的原理及分类

物理化学连接是一种在低于构件熔点的温度下，采用液态填缝材料，充填接头缝隙，通过毛细作用及表面化学反应，待填缝材料结晶或固化后，将两个分离的表面连接成不可拆卸接头的连接方法。

按填缝材料的不同，物理化学连接可分为钎接、封接、粘接三类。

二、钎焊

（一）钎焊的基本工艺过程

钎焊的过程是：将表面清洗好的工件以搭接形式装配在一起，把钎料（熔点比焊件低）放在接头间隙附近或接头间隙中。当工件与钎料被加热到稍高于钎料的熔点温度后，钎料熔化（此时工件未熔化）并借助毛细作用被吸入和充满固态工件间隙中，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷凝后即形成钎焊接头。

（二）钎焊的分类

根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊与软钎焊两类。

1. 硬钎焊

钎料熔点在450℃以上，接头强度较高，在200 Mpa以上，所用钎料有铜基、银基和镍基钎料等。银基钎料钎焊的接头除强度较高外，导电性和耐蚀性也较好，而且熔点较低、工艺性好，但银钎料较贵，仅用于要求较高的焊件。镍铬合金钎料可用来钎焊耐热的高强度合金钢与不锈钢，工作温度900℃，但钎焊的温度要求高于1000℃，工艺要求很严格。硬钎焊主要用于受力较大的钢铁、铜合金构件的焊接以及工具、刀具的焊接。

2. 软钎焊

钎料熔点在450℃以下，接头强度较低，一般不超过70 Mpa，所以只用于受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。这类钎料熔点低（一般低于230℃），渗入接头间隙的能力较强，具有较好的焊接工艺性能和导电性。因此，软钎焊广泛用来焊接受力不大、常温下工作的仪表、导电元件以及用钢铁、铜合金等制造的构件。

在钎焊过程中，一般都需要使用钎剂，作用是：清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质，改善钎料渗入间隙的性能（即润湿性），保护钎料及焊件不被氧化，因而钎剂对钎焊件的品质影响很大。软钎焊常用的钎剂为松香或氯化锌溶液。硬钎焊钎剂种类较多，主要有硼砂、硼酸、氟化物等，应根据钎料种类选择应用。

钎焊按加热方法可分为烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热、盐浴（浸沾）加热等，可根据钎料种类、焊件形状与尺寸、接头数量、品质要求与生产批量等，经过综合考虑后进行选择。烙铁加热温度较低，一般只适合于软钎焊。

（三）钎焊的特点

⑴ 钎焊过程中，工件加热温度较低，组织和力学性能变化很小，变形小，接头光滑平整，工件尺寸精确。

⑵ 钎焊可以焊接性能差异很大的异种金属，对工件厚度差也没有严格限制。

⑶ 对工件整体加热钎焊时，可同时钎焊由多条（甚至上千条）接缝组成的、形状复杂的构件，生产率很高。

⑷ 钎焊设备简单，生产投资小。

但钎焊的接头强度较低，尤其是动载强度低，允许的工作温度不高，焊接前清理要求严格，且钎料价格较高。因此，钎焊不适合一般钢结构和重载动载机件的焊接，主

三、粘接

（一）概述

粘接是利用胶粘剂把两种性质相同或不同的物质牢固地粘合在一起，主要因为胶粘剂能通过本身在被粘接材料的连接面上产生机械、物理和化学作用而产生粘附力。

1. 粘接的优点

⑴ 粘接对材料的适应性强，即可用于各种金属、非金属本身之间的连接，也可用于金属与非金属之间的连接。

⑵ 采用粘接可省去很多螺钉、螺栓等连接件，并可用于较薄的金属和非金属材料。因此，粘接结构的质量比铆接、焊接减少25～30%。

⑶ 粘接接头的应力分布均匀，应力集中较小，因而耐疲劳性能好。

⑷ 粘接接头的密封性能好，并具有耐磨蚀和绝缘等性能。

⑸ 粘接工艺简单，操作容易，效率高，成本低。

2. 粘接的缺点

⑴ 粘接强度比较低，一般仅能达到金属母材强度的10～50%，粘接接头的承载能力主要依赖于较大的粘接面积。

⑵ 使用温度低，一般长期工作温度只能在150℃以下，仅有少数可在200～300℃范围内使用。

⑶ 粘接接头长期与空气、热和光接触时，易老化变质。

⑷ 粘接接头因受多种因素影响而品质不够稳定，而且难以检验。

粘接技术的应用已有几千年的历史，无论是在埃及的金字塔、中国的万里长城，还是在各地出土的文物中，考古学家都发现了胶粘剂的痕迹。20世纪30年代出现的合成树脂、合成橡胶等合成高分子材料，为粘接技术开辟了广阔的前景。虽然现代粘接技术还属于发展中的新工艺，但随着使用方便、无污染、高性能胶粘剂的涌现，随着材料领域的不断革命，合成材料逐渐代替天然材料、非金属材料逐渐代替金属材料将成为必然趋势，粘接技术的应用也将越来越广泛。

（二）胶粘剂

1. 分类

按胶粘剂基本组分的类型分类，胶粘剂分为有机胶（包括天然胶和合成胶）和无机胶（包括磷酸盐类、硼酸盐类、硅酸盐类、金属氧化物凝胶）两大类。

另外，还可按主要用途分为结构胶、修补胶、密封胶、软质材料用胶、特种胶（如高温胶、导电胶、点焊胶等）。

2. 组成

胶粘剂不是单一的组成，一般由几种材料组成，配方不同，胶粘剂的性能也不同。

⑴ 基料 基料是胶粘剂的基本组分，通常由一种或几种高聚物混合而成。

⑵ 固化剂 固化剂能使线型结构的树脂转变成网状或体型结构的树脂，从而使胶粘剂固化。

⑶ 增塑剂 增塑剂能改善胶粘剂的塑性和韧性，降低脆性，提高接头的抗剥离及抗冲击能力。

⑷ 稀释剂 稀释剂的作用是为了降低胶粘剂的粘度，以便于涂胶施工。

⑸ 填充剂 填充剂能够增加胶粘剂的强度，改善耐老化性能，降低成本。

常用的胶粘剂有自力-2（属于环氧-丁腈型）、J-03（属于酚醛-丁腈型）等。

（三）粘接工艺过程

1. 表面准备

与软钎焊相似，粘接表面准备的第一步是材料表面必须没有灰尘、氧化膜和液态物质，任何液态物质被母材表面所吸附，都将妨碍胶粘剂的渗透。

2. 胶粘剂的涂敷和固化

胶粘剂可以用各种方法涂敷。例如，可把环氧树脂配制成适当状态，以便喷涂、涂刷、浸渍、滚涂、挤压和抹。热熔型胶粘剂常常用胶粘剂枪来喷涂。带型胶粘剂现在十分普遍，因为它们不需再进行混合，应用起来总能保持已知的均匀厚度。

3. 固化时间

通过溶剂的挥发或加压可使胶粘剂交联固化。

4. 再活化组装

某些胶粘剂可以自固化，即在零件组装前几天就可将胶粘剂涂敷上去，组装时可用下述几种方法中的一种再活化：

⑴ 用吸有溶剂或吸有同类型液态胶粘剂的海绵轻轻擦抹表面。

⑵ 用红外线灯或其它能达到再活化温度的方法加热已涂敷的胶粘剂。因为其呈粘性的时间短，所以再活化以前零件需固定。

（四）粘接技术的应用举例

1. 蜂窝夹层结构

蜂窝夹层结构是由蜂窝夹芯

制造蜂窝夹芯，将涂有平行胶条的金属箔按胶条相互交错排列叠合起来，胶条固化后将多层金属箔粘接在一起，再在专用设备上拉伸成蜂窝格子。蜂窝夹层结构主要用酚醛-缩醛型、酚醛-丁腈型、环氧-丁腈型胶粘剂，也可用再活化组装工艺制造。

2. 船舶尾轴与螺旋桨的安装

传统的船舶尾轴与螺旋桨的安装方法是采用键紧配合连接，对尾轴和轴孔加工精度和表面粗糙度要求高，接触面积要求达到75%以上。采用粘接装配后，加工精度要求低，可提高生产率，连接部位还具有良好的耐腐蚀性能。粘接装配采用常温固化的环氧型胶粘剂。

3. 金属切削刀具的粘接

硬质合金刀具大多采用焊接方法将刀片固定在刀杆上，由于焊接高温的影响，刀片容易产生裂纹，从而缩短了使用寿命。若采用粘接方法，则可避免上述影响。粘接刀具所用的胶粘剂大多采用无机胶粘剂。

4. 铸件的修补

生产中，铸件经常会产生气孔或砂眼，对这些缺陷用胶粘剂进行修补，能使可能报废的铸件得到利用，对于一些较大型的铸件十分有意义。

铸件的修补应根据气孔、砂眼的大小、位置采取不同的措施。对于微小的气孔，应采用低粘度的胶液，采用抽真空的方法，使胶液能更多地进入气孔中。对于较大的气孔或砂眼，可采用含填料的胶粘剂。当气孔或砂眼很大时，可采用扩孔，再用粘接的方法镶入一个金属塞。

5. 零件尺寸的修复

有相对运动的轴、孔或平面，根据其具体的磨损情况，可采用胶粘剂加减摩材料刷涂或喷涂来恢复尺寸，比其它工艺简单，修后加工容易。

机床导轨在工作中经常磨损，精度受到影响。对于这样的磨损，可采用室温固化环氧树脂胶加入适量铸铁粉与二硫化钼粉的方法直接填补修复，待固化后用刀修平即可使用。

四、封接

玻璃封接的过程是用粉末封接玻璃作为填缝材料，在熔融过程中，玻璃随着固体物质的消失而液化，排出气体等夹杂物，然后熔融玻璃通过均匀扩散而形成无定形体，实现对玻璃、陶瓷之间和它们与金属的连接。玻璃封接主要用于电真空器件的封盖、半导体和集成电路器件的封装，陶瓷与金属的连接等。