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1、低真空条件下铝基复合材料扩散焊接工艺 摘 要： 以 Al 2O3p /6061Al铝基复合材料为对象 ,研究了在低真空条件下的直接扩散焊接和 6061Al铝箔作为中间层的扩散焊接工艺。分析了焊接温度、 保温时间与不同焊接工艺所得接头微观组织及强度的关系。同时 ,分析了低真空度和夹具对接头性能的影响。试验结果表明 ,两种焊接工艺所得接头强度随温度变化的规律以 600 和 640 为界分为三个阶段 ,并且随保温时间的延长有所提高。在较高的温度下 ,压力和液态金属的作用促使氧化膜破碎 ,有利于接头强度的提高。关键词： 铝基复合材料; 直接扩散焊接; 中间层扩散焊接以铝基复合材料为对象研究了在低真空条
2、件下的直接扩散焊接和铝箔作为中间层的扩散焊接工艺。分析了焊接温度、保温时间与不同焊接工艺所得接头微观组织及强度的系数。同时，分析了低真空度和夹具对接头性能的影响。试验结果表明两种焊接工艺所得接头强度随温度变化的规律以600和640 为界分为三个阶段并且随保温时间的延长有所提高。在较高的温度下压力和态金属的作用促使氧化膜破碎有利于接头强度的提高。序言：铝基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、高耐磨性和耐热性等优异的综合性能而在航空航天、汽车工业、机械产业及体育用品等领域具有巨大的应用潜力,是当今材料学科正在探索与开发的高技术领域。目前,国内外已经采用铝基复合材料加工成曲轴、气缸、自行车架、望远镜
3、架以及飞机的起落架等产品。但是由于这种材料特殊的组织结构,使其采用普通的焊接方法很难获得良好的接头性能,焊接难度极大。从公开发表的技术资料来看,迄今为止国内外关于这种材料的焊接性与焊接工艺的研究进展非常缓慢,严重制约了这种材料在生产实践中的应用。1试验材料及方法1. 1试验材料采用挤压铸造法制备Al2O3 /6061Al铝基复合材料。增强相Al2 O3 的体积比为30%。该复合材料在退火状态下抗拉强度为225MPa。经差示扫描量热仪DSC测定,其液、固温度区间为595668 。其显微组织见图1。采用与基体相同成分的6061Al铝箔作为中间层。图1Al2O3 p /6061Al铝基复合材料显微组
4、织1. 2试验方法1. 2. 1接头处理方法将材料加工成10 mm 20 mm 50 mm的尺寸进行对接平焊,并对接头表面进行处理,处理过程为,先用丙酮清洗表面油污,再分别用20%NaOH溶液和20%硝酸溶液浸泡3 min,最后用清水冲洗并吹干。1. 2. 2焊接过程扩散焊接过程是在1 Pa左右的真空室中进行,通过热电偶和可控硅来测量并控制温度。焊接过程中试件通过自制夹具施加压力。制作夹具的材料为高温合金钢,并且在700 进行调质。主轴用来调节夹持试件空间范围的大小,当试件固定后,通过旋转螺母加压。焊接过程中工件和夹具随炉升温。在室温下,夹具对接头的初始压力为20MPa左右。在升温过程中,由于
5、夹具受到热膨胀,使其对工件的压力逐渐降低,这恰好弥补了铝基复合材料在液、固温度区间强度非常低,并在稍大的压力下极易发生破碎的缺点。到保温阶段,热胀冷缩现象停止,使接头压力保持在一定数值。保温结束后,工件和夹具在真空状态下自然冷却,夹具收缩使得此过程中接头压力有所升高。1. 2. 3试验温度的选取铝基复合材料加热到液、固两相温度区间时仍具有一定刚度,并且存在一个临界温度区间该区间内焊接结合面上基体、增强相微观连接行为发生了变化,使得接头强度有很大改善。大量试验表明,当温度超过临界温度时,在焊缝和试件表面会有少量液态金属挤出,如图2示,为640 条件下焊后试件的图2从图中可以看出在焊缝处出现较多的
6、液滴,而在试件的表面也有少量小液滴出现。1. 2. 4拉伸试验及微观组织观察焊后利用css2205 型电子万能实验机(抗拉强度取3个试样的平均值)测试焊接接头的力学性能(图3a b焊后试样和拉伸试样) 。采用扫描电子显微镜JSM - 5600LV分析接头微观组织及断口形貌。图3后试样和拉伸试样2试验结果及讨论2. 1温度对接头性能的影响分别采用直接扩散焊和铝箔作为中间层扩散焊两种工艺焊接Al2O3 /6061Al铝基复合材料。有实验可知，在温度低于600 和高于640 时直接扩散焊接的接头强度相对较低,采用铝箔中间层扩散焊接的接头强度较高,当温度高于600 、低于640 时,直接焊接的接头强度
7、较高。接头的强度随温度的变化可以分为三个阶段。第一阶段,在温度低于600 的情况下,基体没有出现液相。在这个阶段的扩散焊接过程与普通的固态扩散焊接没有什么区别,在一定压力的作用下,相互接触的基体表面材料产生局部的塑性变形, 低真空条件下铝基复合材料扩散焊接工艺而达到紧密接触,并通过表面原子的扩散和键合实现连接的目的。但是,由于固态金属基体的扩散能力有限,使得直接扩散焊接不能改善接头区域的增强相/增强相接触,很难得到较高强度的接头;而采用铝箔为中间层扩散焊接时,不存在增强相/增强相接触,这在很大程度上有利于接头强度的提高。第二阶段,温度上升到600640 区间时,基体金属开始出现少量液相。这个阶
8、段,由于液态金属的出现使金属基体的扩散能力得到很大程度的提高。并且液态金属还可以渗透到增强相和增强相接触的部位,使增强相/增强相接触转变为增强相/基体/增强相的结合,直接扩散焊接接头强度得到很大程度提高。采用铝箔为中间层的扩散焊接过程中,基体金属的扩散能力也同样有很大程度的提高,接头强度有所改善。但是由于中间层引入多余的金属,使得焊缝处增强相的浓度降低甚至出现没有增强相的“铝带”,这就是造成这个阶段采用铝箔作为中间层的接头强度低于直接焊接接头强度的原因。第三阶段,温度高于640 时,基体金属出现较多的液相。这时,随着温度的提高和液态金属的增加,基体金属的扩散能力得到进一步的提高,直接扩散焊接的
9、接头区域会有更多的增强相/增强相接触转化为增强相/基体/增强相的结合,接头强度也会相应得到一定提高。采用铝箔作为中间层的扩散焊接接头区域中,铝箔引入的多余金属逐渐扩散到母材中或被挤出焊缝,使得接头的微观组织与母材相似,进一步提高了接头的强度。由于直接扩散焊接的接头区域不能完全消除增强相/增强相的接触(如图4a示) ,而采用中间层扩散焊接的过程中液态金属能够很好浸润增强相,减少了裂纹源(如图4b示) 。所以在这个阶段采用中间层扩散焊接的接头强度高于直接扩散焊接的接头强度。2. 2保温时间对接头性能的影响根据试验结果可知,时间对接头性能的影响并不是一个独立的参数,它是随温度以及其它焊接参数的改变而
10、变化的。图7所示为两种扩散焊接工艺在620 时,接头强度与焊接时间之间的关系曲线。从图中可以看出,在保温时间较短的情况下,接头强度随保温时间的增加而提高; 当保温时间达到30 min以后,接头强度趋于稳定。这是由于保温时间短,不利于基体金属的充分扩散,导致焊缝金属不能均匀分布以及充分润湿增强相,所以接头强度会有所降低。如图5示,为620 下铝箔中间层扩散焊接保温10 min和40 min所得焊缝组织,可见保温10 min的情况下焊缝存在较多的金属,而保温40 min时焊缝中的金属得到了充分的扩散。图4同焊接工艺接头区域SEM组织2. 3真空度影响程度随温度的变化试验全部是在低真空加热炉中进行的
11、。试验环境的真空度为1 Pa左右,所以焊接过程中氧化现象比较明显。氧化现象的影响可以分为两个阶段进行讨论。在温度低于600 的情况下,由于没有液态金属的出现,接头变形也不充分,表面与空气接触较多,氧化最严重,氧化膜对固态金属的扩散也有很大的阻碍作用,这也是该阶段接头强度很低的一个重要原因,如图6a口以脆性断裂为主。当温度高于600 时,达到基体的液固温度区间,液态金属的生成和挤出促进了氧化膜的破碎,较大的塑性变形造成接头的紧密接触。这就减轻了焊接处的氧图5同保温时间下焊缝组织照片化程度。所以在这个阶段,真空度的影响程度有所降低。如图6b示为620 下焊接试件的拉伸断口,有部分区域在母材处发生韧
12、性断裂。随着温度的继续升高,液态金属不断增多,并在压力作用下挤出。运动的液态金属促使更多氧化膜破碎,并扩散到基体中。另外,更大的塑性变形进一步减轻了接头的氧化程度。所以这个阶段真空度的影响降低到更低的程度,如图6c为650 下焊接试件的拉伸断口,断口的大部分区域为在母材处的韧性断裂,使得接头强度得到很大提高。所以在试验过程中真空度的影响程度是随着温度的升高而降低。3结论(1) 在不同温度下,两种扩散焊接工艺的接头强度的变化可以分为三个阶段,在温度低于600 的情况下,焊接工艺的机理为基体的固态扩散焊接,不能改善增强相/增强相接触;在600640 温度区间内,接头区域有少量液态金属析出,有效地改
13、善了部分增强相/增强相的接触,使直接扩散焊接接头强度超过了采用铝箔为中间层扩散焊接接头强度;当温度高于640 的时候,液态金属的增多,使得基体的扩散能力大大增强,采用中间层扩散焊接的接头区域多余的金属得到充分的扩散,使接头区域得到与基体相似的组织,从而有效地提高了其接头强度。图6同温度下中间层扩散焊接试件断口形貌SEM照片A - 母材处韧性断裂; B - 接头表面的脆性断裂(2) 焊接时间对接头强度有一定影响,但其影响规律随温度等其它焊接条件的改变而变化。通常在保温时间较短的情况下,接头强度随保温时间的增加而提高;当保温时间达到某一数值后,接头强度趋于稳定。(3) 低真空的试验环境使得接头表面有氧化现象,但是随温度的升高有液态金属析出,并且基体金属在一定压力下发生较大的塑性变形,造成接头紧密接触,减轻了焊接处的氧化程度。另外,液态金属的运动又促使了氧化膜的破碎,也会降低真空度对接头性能的影响。参考文献:1. 王先逵. 计算机辅助制造. 北京: 清华大学出版社,2. 杨运强, 李俊岳, 刘奇能, 等. 计算机辅助焊接工艺设计 3. 张崇轲, 袁崇福, 陈丙森, 等. 计算机辅助装配焊接工艺设计4. 朱志平.焊接工艺文件编制与管理系统.