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1、现代焊接Mo d e r n We l d i n gJ-2 0 0 9 年第7 期 总第7 9 期1 0现代焊接作者简介：王立跃，男，安徽宿州人，安徽机电职业技术学院机械工程系教师，现就读于合肥工业大学工学硕士班，研究方向：先进材料的焊接。摘要关键词本文综述了近年来关于S i C p/A l 基复合材料熔化焊和扩散焊的研究现状，详细介绍了熔化焊和扩散焊中存在的问题和工艺。铝基复合材料；颗粒增强；熔化焊；扩散焊SiC颗粒增强铝基复合材料的熔化焊与扩散焊安徽机电职业技术学院机械工程系合肥工业大学材料科学与工程学院王立跃邵光辉徐道荣颗粒增强铝基复合材料是目前公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一
2、，已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，其中S i C 颗粒增强铝基复合材料发展最快。碳化硅颗粒（S i C p）增强铝基复合材料（A l M M C s）具有比强度高、比刚性好、抗磨损能力强、尺寸稳定性好等优越性能，因而在航空航天、船舶、汽车、电子及空间技术等领域具有广泛的工程应用前景。目前，包括我国在内的许多国家都投入了大量精力对这种材料进行开发应用研究，美欧等发达国家已经实现了该种材料的工业应用。但是这种材料的焊接性不良，焊接工艺一直是限制其工程应用、阻碍其发展的主要因素。目前，S iC p/A l M M C s 的连接主要包括熔化焊、固相焊、钎焊三大类。由于铝合
3、金基体与增强相S i C p 的物理化学性能相差 1 很大，故采用常规熔化焊接很难得到优质的焊接接头，这也是焊接性问题的主要体现，但熔化焊高效、操作简单方便，成本也相对较低，因而仍然是研究的一个重点。固相焊和钎焊避免了母材的熔化，还可将连接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内，因此明显优于熔化焊。但钎焊的接头抗剪强度通常比较低，受钎料的限制大。固相焊中的扩散焊特别是其中加中间层的过渡液相扩散焊则是比较适合于焊接颗粒增强金属基复合材料的方法，近年来关于这方面的研究也比较多。本文将对熔化焊与扩散焊的研究现状进行详述。作为复合材料基体的铝及其合金与增强相S i C p 的物理化学性能相差很大，焊
4、接时的熔化过程和熔池中的物理化学过程发生了很大的变化，同时1 熔化焊1.1 熔化焊中存在的问题 2 1 7 铝及其合金本身的熔焊性不良，这些都使得S i C p/A l M M C s 的熔焊性很差，采用熔化焊连接S i C p/A l M M C s 时就存在着很大的问题，具体分析如下：S i C 与液态A l 之间容易发生如下化学反应：3 S i C+4 A lA l C+3 S i为细片状脆性组织，它的存在会降低焊缝的塑、韧性，而且在潮湿的环境下，还能与水发生反应生成气体C H，使得接头很容易受到腐蚀。此外，上述反应也大量消耗了增强相S i C p。因此，此反应对焊接质量的影响特别大。不
5、过该反应只能在液态的A l 中才能进行，为抑制该反应的进行，从工艺方面考虑要降低熔池过热，适当加快冷却速度以缩短S i C 与液态A l 的接触时间，采用大坡口以减少S i C 进入熔池，即减小熔合比。此外,还可采用富S i 的填充材料以促使反应向左进行，从而减少反应量。1.1.1 增强相与基体金属之间的反应(固)(液)4 3(固)(固)4A l CA l C4 34 3Fusion welding and diffusion welding ofcomposite materials of reinforced aluminum base of SiC granules现代焊接Mo d e
6、r n We l d i n g现代焊接 2 0 0 9 年第7 期 总第7 9 期J-1 11.1.2 熔池粘度高、流动性差1.1.3 增强相S i C p 的偏析1.1.4 接头残余应力1.1.5 接头性能不均匀1.1.6 A l 及其合金本身的熔焊性问题因增强相S i C p 的熔点高达约2 7 0 0,而A l 的熔点只有6 6 0，因此在基体金属A l 及其合金的液态熔池中S i C p 仍处于固态，这就严重影响到了熔池中的传热和传质过程，使熔池出现粘度高、流动性差，易产生气孔、孔穴、未熔合和未焊透等缺陷。为改善这种境况,可以采用流动性好的填充金属，如高S i 焊丝以及加大坡口尺寸以
7、减少进入熔池的S i C p 数量。在液态金属凝固的过程中，未熔增强相S i C p 不能起到结晶核心的作用,而被固-液界面排斥到焊缝中心，从而导致中心处S i C p 的富集区，同时在焊缝边缘处会出现一个贫化区。由于S i C p聚集和贫化，造成焊缝各处的组织性能不均匀，在外力作用下很容易产生应力集中而使连接接头失效。基体A l 及其合金与S i C p 的膨胀系数、导热系数等物理性能相差悬殊，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，从而使接头性能恶化。由于焊接填充所用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
8、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，使得接头性能不均匀。熔化焊接S i C p/A l M M C s 时，作为基体的A l 及其合金的焊接虽然不是最主要的问题，但其熔焊性不良，也给焊接工艺规范的制订带来了很大的障碍，主要有以下方面：1.1.6.1 A l 及其合金的表面极易生成一层致密的氧化膜（A l O），其熔点2 0 5 0，远高于纯铝的熔点6 6 0，焊接时在熔池中不会熔化，以固体的形式存在，会阻碍金属的结合，且由于其密度较大，很容易形成夹杂。此外，氧化膜会吸附水分，从而造成焊缝气孔的生成。1.1.6.2 液态铝可以大量溶解氢，而铝的高导热性又使液态金属凝固
9、,因此液态时吸收的氢气来不及析出，极易在焊缝中形成气孔。1.1.6.3 A l 及其合金的线膨胀系数和结晶收缩率很大，导热性很好，因而焊接应力很大，对于厚度大或刚性较大的结构，焊接接头容易产生裂纹。1.1.6.4 A l 及其合金高温时强度和塑性极低，很容易产生变形，且高温时液态无显著的颜色变化，操作时难以掌握加热温度，容易出现烧穿、焊瘤等缺陷。1.1.6.5 A l 及其合金的热影响区由于受热而发生软化，强度降低，使得接头强度大大低于母材。熔化焊中的T I G 焊比较适合于金属基复合材料的连接，并得到一定的应用。由于其低的、可控的热输入，有利于降低熔池过热、缩短熔池存在的时间以及控制熔合比等
10、，从而可以降低S i C p 与液态A l 之间的反应量，同时采用含硅量较高的填充金属又可以抑制上述反应的进行，这就大大减少了S i C p 的消耗和脆性相A l C 的生成。研究表明，采用高S i 含量的4 0 4 7 填充金属,2 34 31.2 熔化焊方法1.2.1 钨极氩弧焊（T I G 焊）1 8 A l O迅速23可以实现复合材料2 0 8 0/2 0 S i C p 的连接,如图1。从图1 中可以看出，这种接头的焊缝中只有极少的增强相S i C p，因此其强度和弹性模量都必然低于母材，但其塑性、韧性较高。电子束和激光焊具有快速热循环和低热输入等特点，因此对焊接金属基复合材料有很大
11、的吸引力，但这种方法并不适合于连接S i C p/A l M M C s。因为这两种方法能导致熔池内局部温度很高，从而加速基体A l 与增强相S i C p之间的反应，特别是激光焊时，由于S i C p 对激光的吸收率更高，熔池严重过热，使得反应更为严重。图2为采用电子束焊接2 0 2 4/2 0 S i C 的焊缝显微组织照，从图中可以看出有大量的脆性相（图中箭头所示）的生成。电容放电焊是一种较适合于焊接复合材料的焊接方法。它不需要添加填充金属，在很短的时间内（几毫秒）1.2.2 电子束和激光焊1.2.3 电容放电焊 2 A l C4 3现代焊接Mo d e r n We l d i n g
12、J-2 0 0 9 年第7 期 总第7 9 期1 2现代焊接电弧使结合面上形成一层极薄的熔化金属，然后快速将熔融表面撞击在一起，形成焊缝。在薄层熔融金属被挤出时，会将任何可能的反应产物以及接触表面上的一些杂质带走，因此界面处无铸态组织，也没有气孔、未熔合等缺陷。但这种方法的连接面很小,因此其实用性有限。图3 为6 0 6 1 S i C/4 0 p 复合材料螺栓和板的电容放电焊接头组织，可以看出母材熔合得很好，焊缝极细，没有缺陷，很好地避免了的生成。电阻点焊具有加热速度快、热输入量较小、焊接时间短以及容易控制等特点，因此有助于抑制A l 与增强相S i C p 之间的反应，但熔核中存在S i
13、C p 的严重偏析，如图4。对于这种现象，可以通过减小融合尺寸来适当地控制。扩散焊可以避免以上熔化焊时的一系列问题，因此它特别适合于焊接S i C p/A l 基复合材料，但在用扩散焊焊 1 9 1 8 1.2.4 电阻点焊2 扩散焊A l C4 3接此种材料时也存在着很大的问题。具体表现在：增强相S i C p 与S i C p 之间是无法实现原子的相互扩散的，它们之间的连接属于极弱连接，其存在减少了连接界面上的结合面积，必然导致接头强度的降低。由于A l 的性质比较活泼，在S i C p/A l M M C s 的表面上存在一层致密、稳定、牢固的氧化膜，其熔点远高于作为基体的A l 及其合
14、金,它的存在严重地阻碍了两个焊接表面之间的原子扩散。为减少和消除增强相S i C p 与S i C p 这一弱连接的比例，扩散焊接时可以在两焊接表面间加一金属中间层以避免增强相S i C p 与S i C p 之间的直接接触。为破坏待焊接表面上的氧化膜就需要将焊接温度提高到接近铝的熔点或在连接界面上施加很大的压力，但这不可避免地会使焊件产生过量的塑性变形,从而限制了这种焊接工艺的应用。诸多研究表明，采用加中间层的过渡液相扩散焊（T r a n s i e n t L i q u i d P h a s e，简称T L P）是解决这一问题的有效办法，它使在较低的温度和较小的压力下进行扩散焊接成为
15、可能。这种连接方法是利用母材与中间层原子相互扩散至一定程度时便形成低熔点共晶液来破除残存的氧化膜并实现母材的连接。图5 为采用C u 箔作中间层连接6 0%高体积分数的S i C p/A l 复合材料时所得的接头区S E M图。从图中可以看出所得焊缝极细，母材结合得很好。过渡液相扩散焊需要有较高质量的焊接表面，对母材与中间层，除进行一般的除氧化膜、除油污处理外，还要进行超声波清洗。研究表明，焊接时间、中间层成分、中间层厚度、接头压力 等工艺因素对焊接接头的质量都有重大的影响。在形成低熔点共晶液时，由于界面处基体金属的液化会使S i C p 在接头区发生重新分布，当其聚集于结合面时接头强度就会降
16、低，此外采用过渡液相扩散焊焊接S i C p/A l M M C s 时，界面上会产生脆性的金属间化合物，这种脆性化合物的聚集会使接头的剪切强度明显降低。因此，研究过渡液相扩散焊接头的组织、成分、金属间化合物与S i C p的分布及其影响因素等对控制焊接质量具有重大的意义。2 0,2 1 2 1,2 2,2 3 2 0,2 1 2 3 1 曾汉民.高新技术要览 M .北京:中国科学技术出版社,1 9 9 3.2 E l l i s MBD.J o i n i n g o f A l u m i n u mB a s e dM e t a l M a t r i xC o m p o s i t
17、 e s I n t e r n a t i o n a l M a t e r i a l s R e v i e w s,1 9 9 6,4 1(2):4 1 5 8.3 任家烈,吴爱萍.先进材料的连接 M.北京:机械工业出版社,2 0 0 0,1 9 0 2 0 6.参考文献（下转第J-1 4 页）4 金朝阳,顾小波,邹家生等.铝基复合材料的连接研究进展 J .华东船舶工业学院学报,2 0 0 0,1 4(5):6 7 7 2.5 牛济泰,刘黎明,韩立红等.铝基复合材料焊接研究现状及展望 J .哈尔滨工业大学学报,1 9 9 9,3 1(1):1 3 0 1 3 2.6 李敬勇,赵勇.颗
18、粒增强铝基复合材料的焊接性及其搅拌摩擦焊 J .材料开发与应用,2 0 0 0,1 9(6):3 0 3 3.7 L i e n e r t T J,B r a n d o nED,L i p p o l dJ C.S c r i p t a M e t a l l-u r g i c a a n d M a t e r i a l i a,1 9 9 3,2 8:1 3 4 1.8 R u a b o vVR,P a x l e n k oYV.P a t o nWe l d i n g J o u r n a l,1 9 9 1,3:1 3 4 1.9 高静微.金属基复合材料连接技术的研究
19、进展 J .稀有金属,1 9 9 9,2 3(1):2 8 3 3.1 0 唐逸民,陈茂爱,俞尚知等.金属基复合材料焊接的研究进展问题及对策 J .焊接研究与生产,1 9 9 8,7(1):5 1 2.1 1 金朝阳,顾小波,邹家生等.铝基复合材料的连接研究进展 J .华东船舶工业学院学报,2 0 0 0,1 4(5):6 7 7 2.1 2 董月玲,黄继华,闰久春,吕世雄.碳化硅颗粒增强强复合材料连接技术研究进展 J .纳米技术,2 0 0 1,9,1 3(2):4 7.1 3 周万盛,姚君山.铝及铝合金的焊接 M .北京:机械工业出版社.2 0 0 6,1:3 6 1 3 7 9.1 4
20、邹家生,赵其章,陈铮.S i C 颗粒增强铝基复合材料钎焊技术研究.轻合金加工技术 J .轻合金加工技术,2 0 0 4,3 2(3):4 8 5 1.1 5 郑晶,贾志华,马光.碳化硅颗粒增强铝基复合材料开发与应用的研究现状 J .钛工业发展,2 0 0 6,1 2,2 3(6):1 2.1 6 罗春信.铝合金焊接缺陷的产生及防止措施 J .电焊机,1 9 9 3,(3):4 0 4 2.1 7 韩萍,徐军伟.铝合金焊接缺陷分析 J .金属加工,2 0 0 8,(2):4 5 4 7.1 8 E l l i sM BD.P r o g r e s si nJ o i n i n gA l u
21、 m i n i u mB a s e dM e t a l l i c M a t r i x C o m p o s i t e s.I n:C h e nJ H,e d.P r o c e e d i n g so f t h e P r e-A s s e m b l y S y m p o s i u mo f 4 7A n n u a l A s s e m b l yo f I I W.V o l.I,D a l i a n,C h i n a,1 9 9 4.2 4 4 2 4 9.1 9 A m e r i c a n We l d i n g S o c i e t y,e
22、 d We l d i n g H a n d b o o k,3 B.E i g h t h E d i t i o n.1 9 9 1.2 0 曲文卿,张彦华等.S i C 颗粒增强A l 基复合材料焊接工艺研究 J .宇航材料工艺,2 0 0 2,(4):4 6 4 9.2 1 姜世杭,王笃雄,张剑峰,沈玲.铝基复合材料的瞬间液相扩散连接试验 J .扬州大学学报(自然科学版),2 0 0 5,8(4):4 0 4 3.2 2 K l e h nR,E a g e r TWJ o i n i n go f 6 0 6 1A l u m i n u mM a t r i x-C e r a
23、m i c P a r t i c l e R e i n f o r c e dC o m p o s i t e s J .WR CB u l l e t i n,1 9 9 3,3 8 5(9):1 2 6 2 3 陈铮,赵其章,金朝阳.S i p C 颗粒增强铝基复合材料的瞬间液相连接 J .焊接学报,2 0 0 1,2 2(6):5 7 6 0.t h（上接第J-1 2 页）现代焊接Mo d e r n We l d i n gJ-2 0 0 9 年第7 期 总第7 9 期1 4现代焊接3.3 焊接接头强度（如表4）从试验数据看，焊接接头的强度低于原始母材的强度，试样均断裂在焊缝热影
24、响区，这说明在电弧热作用下铝合金的力学性能发生了变化，焊缝热影响区发生软化。5 0 8 3 这种非热处理强化型铝合金的焊接软化程度较低，而6 0 6 1、6 0 8 2 这种热处理强化型铝合金焊后接头强度的软化比较严重,强度只有原材料的7 0%左右，因此焊接热影响区（H A Z）是接头的薄弱区。在需要保证设计强度的部位应引起重视。铝合金M I G 焊接头最容易产生的焊接缺陷是气孔，其接头中的气孔主要是由氢引起的，在实际焊接工艺中,氢的来源很多，有电弧气氛中的氢，铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。目前还难以完全避免产生气孔，只能将气孔抑制到一定程度。氩气达到G B/T 4 8 4 2，氩气含量为
25、9 9.9 9%即可，但当水分含量 2 0 p p m 时,会出现大量密集气孔。X 射线拍片检查为不合格焊缝。空气相对湿度在8 0%以下时焊接,焊接试板X 射线拍片可达级以上的要求。但超过8 0%时，焊缝明显出现密集气孔，X 射线拍片检查为不合格焊缝。其由吸附在铝板和焊丝表面上的水分与气体（大部分为氢）引起的。3.4 焊接影响因素分析3.4.1 氩气中水分对焊接气孔的影响3.4.2空气相对湿度对焊接气孔的影响3.4.3焊工操作水平对焊接质量的影响铝合金与黑色金属相比，具有不同的特点，焊工要充分掌握其特性，掌握铝合金M I G 焊的焊接方法、操作技巧，对焊工进行焊接技术鉴定考试。如进行批量生产，
26、应尽量采用自动焊。4.1 采用E R 5 3 5 6、E R 5 1 8 3、E R 4 0 4 3 焊丝焊接5 0 8 3、6 0 6 1、6 0 8 2 铝合金是合适的。4.2 因焊接热循环作用，6 0 6 1、6 0 8 2焊接接头强度低于母材强度，在焊接热影响区（H A Z）出现软化区。4.3 环境空气的相对湿度在8 0%以下时焊接比较理想。4.4 必须控制氩气的含水量 2 0 p p m。1 D I NE N5 7 3-3 P 1 0E NA W-6 0 8 2(A)（型材）.2 吴世处.十字形铝合金焊接材料裂纹试验，金属的可焊性试验.上海科学技术文献出版社.3 B S E N9 1
27、 0-1 9 9 6 金属材料焊缝破坏试验弯曲试验.4结束语参考文献冷弯角度d=6.7 t1 8 0 1 8 0 1 5 0 1 2 0 1 8 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 8 0 3 材料组配 焊丝牌号（N/m m）（断裂位置）2 9 5（H A Z）2 8 6（H A Z）1 8 9（H A Z）1 8 8（H A Z）1 9 3（H A Z）1 9 1（H A Z）2 0 3（H A Z）2 1 4（H A Z）2 1 0（H A Z）2 3 4（H A Z）b25 0 8 3+5 0 8 35 0 8 3+5 0 8 36 0 6 1+6 0 6 16 0 6 1+6 0 6 16 0 8 2+6 0 8 26 0 8 2+6 0 8 25 0 8 3+6 0 6 15 0 8 3+6 0 6 15 0 8 3+6 0 8 25 0 8 3+6 0 8 2E R 5 1 8 3E R 5 3 5 6E R 5 3 5 6E R 4 0 4 3E R 5 3 5 6E R 4 0 4 3E R 5 1 8 3E R 5 3 5 6E R 5 1 8 3E R 5 3 5 6注：强度值均为3 个接头的平均值。表4 力学性能试验结果