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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Al2O3p/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件下的直接扩散焊接
2、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、
3、望远镜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Al2O3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595～668℃。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1 Al2O3p/6061A
4、l铝基复合材料显微组织 1.2 试验方法1.2.1 接头处理方法将材料加工成10mm×20mm×50mm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3min,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1Pa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
5、20MPa左右。在升温过程中,由于夹具受到热膨胀,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
6、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css—2205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3ab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
7、高,当温度高于600℃、低于640℃时,直接焊接的接头强度较高。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
