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1、金属基复合材料焊接技术及其发展动向林丽华唐逸明顾明元陈立功上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030【摘要】本文参阅了大量外文文献,对国外在金属基复合材料焊接技术上的研究现状及其发展动向作了综述与评价,主要讨论了熔化焊、扩散焊、钎焊、瞬时液相焊、电阻焊及电容储能点焊在复合材料焊接应用中目前所存在的问题及相应的解决措施。特别对瞬时液相焊作了重要介绍与推荐。【关键词】金属基复合材料焊接基体增强体ASummaryonMetal-MatrixJoiningTechnologyanditsDevelopingTrendencyLinLihua,TangYiming,Gu
2、Mingyuan,ChenLigongNationalKeyLabofMMCs,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030【Abstract】Theavailableliteratureonmetal2matrixcompositejoininghasbeensummarizedandevalu2atedinthispaper.Thejoiningprocessesdiscussedincludefusionwelding,diffusionwelding,brazing,tran2sientliquidphaseswelding,re
3、sistanceweldingandcapacitordischargespotwelding.Thetransientliquidphasesweldingwasparticularlyintroducedandrecommmendedasanadvancedmethod.【Keywords】Metalmatrixcomposite,Welding,Matrix,Reinforcement一、前言二、焊接方法金属基复合材料是在六十年代初开发、研制的一种全新材料。它具有很高的比强度、比模量及优良的综合性能,是当今新材料科学研究的重点与方向。然而复合材料的特殊性同时也给它的再次
4、加工成型带来了很大的难度,特别是它的焊接工艺问题一直是阻碍复合材料发展的主要因素。因此,研究复合材料的焊接机理对它的实际推广应用意义重大。几乎与金属基复合材料的研究开发同时,从七十年代初许多从事焊接研究工作的学者就对金属基复合材料的焊接问题作了大量的研究尝试,结果发现比较合适的焊接方法有:钎焊、扩散焊、熔化焊(钨极氩弧焊TIG及熔化极氩弧焊MIG)、电阻焊以及电容放电焊[1],现将国外在这方面的研究状况综述如下,以供参考。11熔化焊(钨极氩弧焊TIG及熔化极氩弧焊MIG)熔化焊是最早用于金属基复合材料焊接的方法。从七十年代初硼钎维增强铝基复合材料B(F)/Al研制成功,人们就
5、开始了对MIG、TIG熔化焊方法用于复合材料焊接的研究尝试。虽然MIG、TIG用于铝及其合金的焊接可得到令人满意的焊接质量,但它们用于Al基复合材料的焊接结果却很不理想,出现了以下一些问题:(1)大量固态增强体(如碳化硅颗粒)存在于熔融液态基体中,降低熔池的流动性,使其发生粘滞,产生夹渣影响正常成形;并且粘滞的熔池金属使得扩散氢不易逸出,残留于焊缝中造成大量气孔,若母材焊前未经去气处理而吸附较多氢,则气孔现象明显加重2;·23·(2)熔池结晶过程中固态增强体(如SiC颗粒)不能成为结晶核心,被长大的结晶相所排斥,聚集于最后结晶的焊缝中心处或母材与焊缝金属的熔合线处,极易引起焊
6、缝中心及焊趾结晶裂纹,并使得焊缝组织发生脆化分层,大大降低接头强度2;(3)基体Al、Mg等都是很活泼的化学元素,在熔化焊的高温条件下很容易与增强体发生反应,在界面上生成脆性化合物(如SiC(P)/Al复合材料在高温下发生反应;4Al(1)+3SiC(s)=Al4C3+3Si生成的脆性相Al4C3分布在SiC界面)3,大大削弱了增强体的作用,降低了接头近缝区的强度(B/Al复合材料在740℃停留几分钟就可观察到B与Al发生了反应,而在1000℃稍作停留就可明显观察到B与Al发生剧烈反应甚至使得B完全熔化在Al液中)4;(4)复合材料基体与增强体的导热系数、热膨胀系数等物理性能
7、相差悬殊,经焊接热循环后在基体与增强体界面上产生大量微区残余应力,从而恶化接头性能5;(5)焊接填充金属材料为不含增强体的普通材料,因此无法使得焊缝金属与母材等强,特别是以热处理强化铝合金为基体的复合材料在高温热循环作用下,焊缝热影响区硬度大大提高,而退火区则发生软化现象,如图1所示2。金元素以改善焊缝金属的冶金性和润湿性。1990年Reynolds对用熔化极氩弧焊方法焊接Al2O3/(p)6061Al复合材料作了深入的研究。他分别用4043Al、5356Al铝合金及含增强体的4043Al210Vol%
