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1、金属基复合材料的焊接性研究上海交通大学陈茂爱吴人洁陆皓唐逸民摘要阐述了金属基复合材料的焊接方法及工艺, 分析了焊接过程中存在的主要问题, 并展望了解 决问题的途径。关键词: 金属基复合材料焊接界面Study on the W e lda b il ity of M e ta l M a tr ix Com po s ite sC h en M ao a i W u R en jie L u H aoT an g Y im in(Sh an gh a i J iao to n g U n ive r sity)A bstra c t: A f te r h av ing rev iew ed t
2、h e m e tho d s and tech no lo g ie s fo r jo in ing o f m e ta l m e t r ixcom po site s (M M C ) , th e au tho r s ana ly sed th e ex ist ing p ro b lem s in th e w e ld ing o f M M C , and t r ied to p u t fo rw a rd som e m e tho d s to so lve th e se p ro b lem s.Keyword s: MM C W e ld in gIn t
3、erfa ce复杂、成本高, 其应用仅限于航空、航天、军工等少数领域内。 非连续增强型金属基复合材 料保持了 FRM 的大部分优良性能, 而且制 造工艺简单、原材料成本低、便于二次加工, 因此最近几年来得到了迅速发展。 现已用于 汽车、自行车的零部件制造。然而复合材料的 进一步推广应用却受到了焊接技术的制约, 因此研究复合材料的焊接性具有非常重要的 意义。 本文旨在对国外复合材料焊接研究方 面的资料进行总结, 为今后国内的研究提供一些帮助。引言1金属基复合材料 (M M C ) 是一种具有耐高温、比模量大、比强度高、热膨胀系数小等 优点的高性能材料。按增强方式的不同, 金属基复合材料可分为纤维
4、增强型 ( FRM ) 和非 连续增强型两种。前者主要用B、C、S iC、B 4C纤维作增强物, 后者主要用 S iC 粒子及晶须、A l2O 3 粒子及短纤维、B 4C 粒子等作增强物。 纤维增强型金属基复合材料由于制造工艺收稿日期: 199621020334综述金属基复合材料的焊接性研究陈茂爱 吴人洁 陆 皓 唐逸民A l 基复合材料, 所采用的焊接方法包含了几乎所有A l 合金的焊接方法。表 1 对这些方法 进行了归纳, 并列出了每种方法可焊接的复合材料。复合材料的焊接方法及其焊接性2金属基复合材料焊接的研究重点集中于表 1M M C 的焊接方法仅处于研究阶段维、表面涂 S iC 的 B
5、 纤维、S iC 晶须增强 A l基复合材料; R. O. M表示复合材料的最大强度; 表示某一温度下加热 30m in 后M M C的强度与最大强度之比)。因此焊接时应尽量 缩短焊接时间, 或采用电阻焊机进行加热。B /A l 复合材料最好在 B 纤维表面涂一层 B 4C或 S iC。 接头的使用温度较低时可采用软钎 焊。 这种方法的加热温度只有 720K , 不会引起界面反应。但低温下钎料对母材, 特别是对增强物的润湿性很差, 焊前应进行表面化学 镀镍预处理。表 2 列出了B /A l 软钎焊接头的 性能。95% C d25%A l、95% C d25%A g 可分别 用于工作温度分别为
6、589K、366K 以下的部 件的连接, 而用 82. 5% C d217. 5% Zn 焊接时 接头非常脆, 冷却过程中就可能发生断裂3 。2. 2 扩散焊早在 60 年代, 扩散焊就已用于把B /A l, C /A l 无纬带连接成各种复合材料型材, 以及 B /A l2T i 接头的焊接。最近, 日本又用这种方 法成功地连接了 A l2O 3f /A l, A l2O 3 sf /6061A l图 1 钎焊、电阻焊、胶接接头的强度钎焊利用A l2S i, A l2S i2M g 钎料钎焊 A l 基复 合材料是成功的。 图 1 比较了钎焊、电阻点焊、胶接三种接头的强度1 , 可看出钎焊接
7、头的强度是令人满意的。利用A l2S i, A l2S i2M g2 钎料焊接时, 钎焊温度为 850- 890K。经这样 高温度的钎焊热循环后, 复合材料的强度会 有不同程度的下降, B /A l 的下降最严重, 如2. 1图 2 所示2( 图中 B、S iC、BB 4C、B S iC、S iCwM M C 4 、5等。分别表示B 纤维、C 纤维、表面涂B 4C 的B 纤35方法可焊接的复合材料钎焊所有A l 基复合材料、A l 基M M C 2T i 合金电阻焊B /A l, C /A l, B /A l2T i 合金摩擦焊粒子增强型M M C、粒子增强型M M C 2A l、粒子增强型M
8、 M C 2不锈钢激光焊S iCp /A l, A l2O 3p /A lT IG 焊S iCp /A l, B 4Cp /A l, A l2O 3p /A l扩散焊所有金属基复合材料第 12 卷第 3 期材 料 开 发 与 应 用1997 年 6 月表 2B /A l 软钎焊接头的力学性能显微组织4 。中间扩散层厚度应适当, 太厚时无纤维区太厚, 太薄时不能充分润湿母材, 均 不利于接头强度的提高。对于A l3N i/A l 共晶 复合材料, 中间层厚度合适时, 液相凝固过程图 2 温度对复合材料强度的影响由于A l 表面有一层氧化膜, M M C 的直接扩散焊需要很高的压力和温度, 这往往
9、会 导致纤维的断裂和较大的接头变形量, 难以 得到性能良好的接头。 因此扩散焊时通常采 用加中间层的方法。 表 3 列出了采用不同的中间层时 A l2O 3 sf /6061A l 扩散焊接头的强 度4 。 图 3 为A l2O 3 sf /6061A l 扩散焊接头的图 3 A l2O 3sf /6061A l 扩散焊接头的显微组织中优先形成的A l3N i 还能把A l3N i 纤维连接起来, 如图 4 所示。 这种接头的强度很高, 拉 伸时一般断在母材处6 。36钎料成分强度 (M P a)试验温度 (K )失效方式95% C d25%A g81294复合材料层间剪切89366复合材料层
10、间剪切69422复合材料层间剪切47478复合材料层间剪切29533钎缝处断裂5. 6588钎缝处断裂95% C d25% A l80294复合材料层间剪切94366复合材料层间剪切30588钎缝处断裂82. 5% C d217. 5% Zn74294复合材料层间剪切90366复合材料层间剪切59422钎缝处断裂金属基复合材料的焊接性研究陈茂爱 吴人洁 陆 皓唐逸民表 3A l2O 3 sf /6061A l 扩散焊接头的强度航 空 局 就 用 电 阻 焊 成 功 地 焊 接 了 C /A l,B /A l, B /A l2A l 结构件, 用电阻扩散焊焊接 了B /A l2T i 结构件8
11、。电阻焊加热时间短, 可控性好, 能有效防止界面反应, 而且通过施加压力还可防止裂纹及气孔。特别是, 采用搭接 接头时 FRM 间的连接实际成了A l 与A l 间 的连接。 但与 A l 合金的电阻焊相比, FRM 电阻焊的焊接参数的选择较为困难。 热输入 过大时不仅损伤纤维, 而且结合界面处的基 体金属还会飞溅出来, 纤维露出, 使结合性变 差。 另一方面, 为了防止纤维的断裂, 应尽量 减小电极压力, 但电极压力太小时结合界面 处的熔化的基体金属也产生飞溅。 因此选择合适的焊接参数是重要的。 只要焊接参数选 择得合适, 接头的强度还是较高的。 另外,图 4A l3N i/A l 共晶复合
12、材料扩散焊接头中的脱层缺陷也易导致飞溅, 焊前最好FRM进行超声波检查, 把焊点选在无脱层处。2. 4电弧焊电弧焊极易引起界面反应, 但由于是一 种应用最为广泛的焊接方法, 人们对复合材 料的电弧焊还是进行了尝试。 目前成功的例子不多, 只有A l2O 3p /A l, B 4C /A l 这二种界面 非常稳定的材料。表 4 给出了A l2O 3p /A l 的T IG 焊接接头的力学性能9 。对于B /A l, C /A l, S iCp /A l, S iCw /A l 电弧焊的有限研究表 明, 要解决诸如界面反应、纤维断裂等问题是37非连续增强型M M C 的基体中存在大量位错、亚晶界、
13、晶界及相界面, 中间层可沿这 些“短路通道”迅速扩散, 因此其扩散焊比A l 要容 易 得 多。 比 如, 用 Ga 作 中 间 层 焊 接S iCp /A l时, 焊接温度为 423K , 焊接时间小于 时效时间, 焊接可与时效同时进行7 。2. 3 A l 基复合材料的电阻焊电阻焊也是最早用于焊接复合材料的方 法之一。 早在 60 年代末 70 年代初美国航天中间层焊接温度 (K )焊接压力 (M P a)拉伸强度 (M P a)断裂部位无87329897连接界面 连接界面A 2017厚 (30m )88387312177187连接界面 连接界面A g(厚 6m )8732188145连接
14、界面 连接界面C u(厚 5m )8838738231211125179181162119连接界面 基体金属 连接界面 连接界面 连接界面第 12 卷第 3 期材 料 开发与应用1997 年 6 月相当困难的。 图 5 为以A l2S i 焊丝作填充材料焊接的 C /A l 接头的显微组织10, 可看出,焊缝附近的纤维严重断裂, 而且有明显的A l4C 3 生成。同样, 利用A l2S i 焊丝焊接B /A l时也会产生纤维断裂及界面反应。 图 6 为 S iCp /A l 复合材料 T IG 焊接接头的显微组 织, S iC 粒子基本上被完全反应掉, 生成的 A l4C 3 成针状, S i
15、 成块状11 。图 6 S iCp /A l T IG 焊接接头的显微组织2. 5摩擦焊摩擦焊时接头部位产生较大的塑性变 形, 导致纤维的严重断裂, 因此利用这种方法焊接纤维增强型M M C 是不合适的。 但摩擦 焊焊接非连续增强型M M C 却是非常成功的。 经 T 6 处理后 S iCp /A l 接头的强度可接 近母材的强度, 如表 5 所示12 。A l2A l2O 3P /A l 摩擦焊接头的强度高于 A l 的强度。 图 7 为 A l2A l2O 3P /A l 摩 擦 焊 焊 缝 的 SEM 显 微 组织13 。 焊缝区的 A l2O 3 粒子被细化, 而且移 入A l 合金一
16、侧。图 5 C /A l T IG 焊接接头的显微组织A l2O 3p /A l M IG 接头的典型力学性能表 4表 5S iCp /6061A l 摩擦焊接头的拉伸性能3. 1界面反应电容贮能焊、摩擦焊、软钎焊、电阻焊焊 接任何A l 基复合材料时均不会引起界面反M M C 焊接中存在的问题338接头屈服强度 (M P a)抗拉强度 (M P a)伸长率 (% )S iCp /A l (母材)315. 6351. 63. 6S iCp /A l (未经 T 6 处理的接头)207. 2267. 23. 0S iCp /A l (经 T 6 处理的接头)312. 9347. 63. 1接头状
17、态拉伸强度(M P a)屈服强度(M P a)伸长率(% )焊态229. 6138. 64. 7T 5 处理252. 4168. 93. 6T 6 处理267. 5203. 41. 8金属基复合材料的焊接性研究陈茂爱 吴人洁 陆 皓 唐逸民层 S iO 2。3. 2 纤维断裂电弧焊时, 纤维在电弧的强烈作用下发 生严重的移位及断裂, 施加填充金属时有所 改善, 但并不能完全避免, 如图 5 所示。 电阻焊时在电极压力的作用下, 纤维也会发生断 裂和移位, 但适当控制电极压力, 纤维的断裂 可控制在容许的范围内。3. 3 增强物的脱湿电弧焊、激光焊、硬钎焊过程中, 熔化的 基体对增强物的润湿性变
18、差, 降低界面结合强度。 粒子增强型M M C 还会产生粒子偏聚图 7 A l2A l2O 3P /A l 接头的显微组织应; 硬钎焊、扩散焊可使 C /A l, B /A l 等发生 界 面 反 应; 而 电 弧 焊、激 光 焊 几 乎 可 使 除 A l2O 3 /A l、B 4C /A l 外的任何 A l 基复合材料 发生界面反应。B /A l、C /A l 界面反应的产物与制造过程 中的界面反应产物相同, 分别为A lB 2 , A l4C 3。 这些脆性相严重损伤界面, 降低接头强度。 因 此防止界面反应是重要的。硬钎焊时可通过缩 短焊接时间并改善润湿性来防止, 或者在 B 纤维上
19、涂一层厚度为 10m 的 S iC 或B 4C , 在C 纤维上可涂一层 T iC 或 Z rC。S iC /A l 电弧焊中的界面反应是目前的 研究重点。熔池中的 S iC 与液态A l 发生如下反应:现象。对于A l O2 3 /A l 复合材料, 利用含L i 的焊丝可改善熔池对 A l2O 3 的润湿性 (L i 与A l2O 3 反应生成L iA lO 2 ) , 采用含M g 的焊丝 可防止A l2O 3 粒子偏聚。3. 4 接头的等强性目前, M M C 焊接所用的填充金属基本 上沿用了 A l 用填充金属, 这就把接头的强 度限制在 A l 合金的水平上, 难以达到与母 材等强
20、 (不加填充金属的摩擦焊除外)。 因此 有必要研究复合材料专用焊丝。 这种焊丝应具有下列性能: 1) 有利于抑制界面反应; 2) 改 善熔池金属对增强物的润湿性; 3) 具有与母 材相匹配的强度。结束语43S iC (固) +4A l A l4C 3 (固) + 3S i (固)该反应的自由能为:G = 113900 - 2. 06T lnT + 8. 92 10- 3 T 2+ 7. 53 10- 4 T - 1 + 2. 15T + 3R T lna S i 其中: a S i 为 S i 在液态A l 中的活度。由 G 可知, 温度越高, 界面反应越强 烈; 而熔池中的 S i 含量越大
21、, 界面反应越轻。因此控制界面反应的可能途径有: (1) 严格控制线能量; ( 2) 采用含 S i 高的焊丝; ( 3) 复合 材料的制造过程中, 对 S iC 增强物进行表面 预处理。即对 S iC 纤维进行涂敷处理, 对 S iC 粒子进行热暴露处理, 在粒子的表面形成一综上所述, M M C 的摩擦焊、钎焊、电阻焊、扩散焊等存在的问题较少, 但这些方法的 应用范围都有限。 电阻焊及钎焊主要用于焊接搭接接头; 摩擦焊只能焊接粒子增强型M M C , 而且还要求被连接件是形状简单的棒 状零件; 扩散焊则工艺复杂、成本高。 电弧焊 虽应用面广, 但存在界面反应、纤维断裂、熔池流动性差、气孔等
22、问题, 很难得到性能良好 的接头。总之, 目前仍未找到一种比较通用的 焊接方法, 这在很大程度上限制了M M C 的 推广应用。随着M M C 成本的降低、产量的增39第 12 卷第 3 期材 料 开发与 应 用1997 年 6 月大, 这个问题将更加突出, 因此通过系统的研究解决M M C 的可焊性已是迫在眉睫了。7Sab a th ie r V e t a l. M e ta ll T ran s A , 1994(25) : 27052714K en n dy J R. W e ld in g Jo u rn a l, 1973; 52 (3) : 12021248参考文献R o y s
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