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1、铝基复合材料焊接研究现状及展望牛济泰刘黎明韩立红(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室)摘要阐述了铝基复合材料焊接研究现状,主要讨论了熔化焊、扩散焊、钎焊、摩擦焊及电阻焊在焊接铝基复合材料中存在的问题,并提出了解决问题的途径.结合作者的试验结果,着重对扩散焊进行较详细的论述.关键词铝基复合材料;焊接分类号TG406(1)由于增强相与基体铝合金物理性能特别是熔点相差很大,给熔池温度控制带来困难;(2)在高温下容易引起基体—增强相间的界面反应,生成脆性化合物,极大的降低了接头的性能,而且界面反应生成物在一定环境下变得极不稳定,将进一步降低接头的使用性能3,8,9;(3)大量
2、固态增强相存在于熔融液态铝基体中,使熔池的动力学状态与结晶方式变得复杂,同时导致产生大量夹渣、气孔、孔穴等缺陷.以上原因严重制约着熔焊方法在复合材料连接中的应用,近年来随着研究的深入,人们提出了解决这些问题的相应措施,使得这一方法又出现新的热点,例如从制造工艺上在纤维增强相表面涂加一层覆盖层6;在焊接工艺上则应采用:(1)降低熔池的热输入,同时填充一定的合金元素不仅有利于抑制界面反应而且还可减少焊逢中的各种缺陷,得到高质量的焊逢10;(2)研究发现,对于粉末冶金法制造的复合材料,焊缝中气孔的来源是氢从铝基复合材料的铝粉末中析出的结果.因此,对SiCp/Al铝基复合材料焊前进行真
3、空去氢处理,可明显减少焊逢中气孔、裂纹等缺陷,显著提高接头质量10;(3)采用高能束激光焊方法焊接铝基复合材料,由于这种方法具有高能量输入的特点,快速加热与冷却,采用脉冲输入方式,可抑制界面反应,细化组织,减少缺陷,从而可以获得良好的接头,但在操作时对激光的功率控制非常重要6、11;(4)本文利用高能激光束,配以氮气筛的冷却和温度场调节,诱导和改善铝基复合材料增强相和基体的界面反应,从而提高接头强度,为激光焊铝基复合材料作为一种新兴材料,由于其具有高比强度、高比模量、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好等优异的综合性能而受到人们的广泛关注,并将逐步取代部分传统的金属材料而广泛应用于航空
4、、航天、汽车制造业等领域,成为当今金属基复合材料发展与研究的主流.众所周知,任何先进材料只有被加工成构件以后,才真正具有使用价值而焊接是形成构件必不可少的加工手段.铝基复合材料的焊接性差,很难形成高强度的焊接接头,成为该种材料走向实用化的严重障碍.因此,几乎与铝基复合材料的研究开发同时,国内外学者对该种材料的连接问题进行了大量的研究1～7.本文对近年来国内外关于铝基复合材料焊接工艺和可焊性的研究进行总结,讨论了熔化焊、扩散焊、钎焊、摩擦焊及电阻焊在焊接铝基复合材料中存在的问题及相应解决途径,并结合作者的试验结果着重介绍了扩散焊,以期对今后的研究有所帮助.铝基复合材料的焊接方法及
5、其焊接性在复合材料中,铝基复合材料增强相与基体之间的物理、化学性能差别很大,使得焊接性很差.各种焊接方法都有一定困难,下面分别论述.1.1熔焊(TIG,MIG)TIG、MIG作为应用范围广、使用成本低的理想焊接方法应用于铝合金焊接,取得了令人满意的焊接质量,但应用于铝基复合材料的焊接结果却很不理想,主要原因如下:1收稿日期:1998-08-10.牛济泰,男,1941年生,教授;哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001).第1期牛济泰等:铝基复合材料焊接研究现状及展望·131·在铝基复合材料连接中的应用开辟了新的途径.1.2钎焊钎焊一般采用搭接接头,这对于纤维增
6、强铝基复合材料来讲实际上是把复合材料的焊接问题转化成为基体材料焊接问题,变得容易解决;而对于非连续(晶须、颗粒)增强铝基复合材料就比较复杂,由于增强相的存在,严重阻碍了钎料在母材上的润湿与铺展,同时给焊接过程中温度控制带来困难,另外,铝基复合材料表面的氧化膜严重影响钎料在母材表面润湿与铺展,成为铝基复合材料钎焊的一大难点.文献13介绍在钎料中添加表面活性元素Si、Mg、Ti等,可使其润湿性得到明显改善.另外使用钎剂不仅可以清除母材和钎料表面的氧化膜,而且还可使原来的“固体母材—液体钎料—环境气氛”润湿系统变为“固体母材—液体钎料—液体钎剂”润湿系统,使润湿性得到明显改善13～1
7、5.由于钎焊一般采用搭接接头,这就限制了它在实际焊接中的应用.1.3摩擦焊摩擦焊时,两个接触面相对高速旋转,同时又处于一定的轴向压力之下,使得接触面产生塑性流变来实现连接,这对于纤维增强铝基复合材料来讲将导致增强相的严重断裂,是不合适的;而对于非连续(晶须、颗粒)增强铝基复合材料,增强相在焊接压力的作用下尽管也部分地破碎细化,但对接头强度不会造成太大的影响.文献16指出在摩擦焊焊接SiCpΠAl时发现接头区域SiC颗粒破碎细化,Al基体晶粒通过动态回复而细化,接头的强度经T6处理后接近于母材
