（材料加工工程专业论文）sicp6061al基复合材料等离子焊接工艺与性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 s i c p 叠a 基复合材料由于具有高的比强度、比刚度、比模量，尺寸稳定性以及 抗振、耐高温，不老化，抗宇宙射线等优点，在航天、航空、汽车、电子等工业 领域具有广泛的应用价值，成为当前金属基复合材料发展与研究工作的主流。但 是由于铝基复合材料基体和增强相之间热物理、化学性能的巨大差异，在高温下 极易发生界面反应生成脆性相a 1 4 q ，不仅很难形成优质的焊接接头，而且使焊缝 力学性能严重降低，严重制约了s i c p a 1 基复合材料的应用，因此应尽量避免这种 脆性相的生成。 本文以s i c p 6 0 6 1 a i m m c s 为研究对象，采用等离子弧焊接工艺研究了s i c p a 1 复合材料的可焊性。分别以t i 和混合粉末为填充材料，以n 2 + a r 的混合气为离子 气对复合材料进行焊接。通过拉伸试验、显微硬度测试、金相观察、扫描电镜( s e h 9 、 x 射线衍射( ) 珏m ) 分析，系统研究了不同合金元素对焊缝组织和性能的影响。 研究结果表明，在填加n 做填充材料的情况下，能有效抑制界面反应，并生 成了新的增强相颗粒，焊缝显微组织良好，焊接接头强度达到母材的5 0 8 9 ，显 微硬度在焊缝中心区域达到最大值。 分别以n s i 、t i - m g 、啊一c u 的混合粉末为填充材料对s i c p 6 0 6 1 a i m m c s 进 行等离子弧焊接对，填加的合金元素都能提高a l 对s i c 颗粒的润湿性，获得结合 紧密的界面。其中t i s i 和t i m g 的效果较好，拉伸强度分别达到2 3 2 2 1 v t p a 和 2 0 4 7 m p a ，拉伸断口呈现出一定的韧性断裂特征；而加入砸一c u 时，由于没有完 全抑制针状有害相4 c 3 的形成以及a 1 2 c u 的生成，拉伸强度仅为1 8 7 5 m p a ，断 口为明显的脆性断口。当采用不同的焊接电流、焊接速度和离子气配比进行焊接 时，接头抗拉强度变化明显，试验得出获得较高性能焊接接头的工艺参数为： i = 1 2 0 a ，v = 1 4 0 m m m i n ，n 2 体积含量为1 5 。 加入合金元素后，提高了焊缝金属凝固结晶速度，改善了基体金属对增强颗 粒的润湿性，增加增强相颗粒在焊缝金属中分布的均匀性，并减少了颗粒偏聚的 倾向，有利于获得了高质量的焊接接头。 关键词：s i c p a 1 基复合材料；等离子弧焊接；界面反应；显微组织 i 江苏大学硕士学位论文 s i c p a 1m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( s i c p a 1m m c s ) a r ew i l d ya p p l i e di na e r o s p a c e ， a u t o m o b i l ea n de l e c t r o ni n d u s t r yo w i n gt ot h e i re x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，i n d u i n gh i g h s p e c i f i cs t r e n g t h ，s p e c i f i cs t i f f n e s sa n ds p e c i f i cm o d u l u s ，a t t r a c t i v ed i m e n s i o ns t a b i l i t y a n dv i b r a t i o nr e s i s t a n c e ，h i g ht e m p e m m r er e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dr a d i a t i o n r e s i s t a n c e ，e t c h o w e v e r , o na c c o u n to fm u c hd i f f e r e n c ei nt h eh e a tp h y s i c a la n d c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fr e i n f o r c e m e n ta n dm a t r i x ，a n dd u et ot h ep o s s i b l ef o r m a t i o no f b r i t t l er e a c t i o np r o d u c t , 蛆4 c 3 ，b yi n t e r f a c i a lr e a c t i o ni nh i g ht e m p e r a t u r e ，i ti sh a r d l yt o f o r mh i g h q u a l i t yw e l d i n gj o i n t ，a n dr e d u c e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fw e l dg r e a t l y , w h i c hi sc o n f i n i n gt h ed e v e l o p m e n to fs i c r a 1c o m p o s i t e s s ot h ek e yp r o b l e mi s a v o i d i n go rd e c r e a s i n gt h ef o r m a t i o no fb r i t t l ep r o d u c t i nt h i sp a p e r , t h ew e l d a b i l i t yo fs i c p a c o m p o s i t e sw a ss t u d i e db yt h et e c h n o l o g y o fp l a s m aa r cw e l d i n gt h r o u g hs i c p 6 0 6 1 a 1 m m c s t h ec o m p o s i t e sw a sw e l d e di nt h e w a yt h a tt i t a n i u ma n dm i x e dp o w d e r sw e r eu s e da sa l l o y i n gf i l l e rm e t a la n dn 2 a n da r w e r eu s e da st h ep l a s m ag a s t h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n t a l l o ym e t a l s o nw e l d o r g a n i z a t i o n a n dp e r f o r m a n c ew e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d b y t e n s i l ea n d m i c r o h n r d n e s st e s t s ，o m ，s e m ，e d sa n dx r da n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n t e r f a c er e a c t i o nw a se f f e c t i v e l yc o n t r o l l e dw i t l lt i t a n i u m a st h ef i l l e rm e t a la n dt h en e wr e i n f o r c i n gp h a s e sw e r eg e n e r a t e d ，t h em i c r o s t r u c t u r eo f w e l d i n gl i n ew a sd e n s ea n dt h et e n s i l es t r e n g t ho b t a i n e d5 0 8 9 o fb a s i cm e t a l ，t h e m i c r o h a r d n e s sr e a c h e dm a x i m u mi nt h em i d d l eo fw e l d i n gl i n e t h ef i l l e rm e t a l sa l lc o u l dr e f o r mw e t t i n gp r o p e r t yo fa 1t os i ci no r d e rt of o r m w e l l - k n i ti n t e r f a c ew h i l et i s i 、t i m ga n dt i c um i x e dp o w d e r sw e r ee m p l o y e da s f i l l e rm e t a l st op a w s i c p a 1m m c s t h ee f f e c ti n d i c a t e dt h a tt h ep r e f e r a b l et e n s i l e s t r e n g t ha c h i e v e d2 3 2 2 m p aa n d2 0 4 7 m p ar e s p e c t i v e l yw h e nt i s ia n dt i m gm i x e d p o w d e r sp u ti n t ow e l dc r a t e r , a n d t h ef r a c t u r ep r e s e n t g l i d i n gf r a c t u r ec h a r a c t e r ； h o w e v e r , t h et e n s i l es t r e n g t ho n l ya c h i e v e d1 8 7 5 m p ab e c a u s eo ft h ef o r m a t i o no f n e e d l e l i k eh a r m f u lp h a s ea 1 4 c 3a n da 1 2 c u ，a n dt h ef r a c t u r ew a sv i s i b l er o c k - c a n d y s t r u c t u r e t h et e n s i l e s t r e n g t hc h a n g e dd i s t i n c t l yw h e n d i f f e r e n tw e l d i n gc u r r e n t ， w e l d i n gv e l o c i t ya n dp l a s m ag a sm a t c hw e r ea d o p t e di nw e l d i n g t h et e c h n o l o g i c p a r a m e t e r st oa c h i e v eh i 曲p e r f o r m a n c ej o i n tw e r et h a tw e l d i n gc u r r e n tw a s1 2 0 a , 江苏大学硕士学位论文 w e l d i n gv e l o c i t yw a s1 4 0 r a m r a i na n d t h en i t r o g e nv o l u m ec o n t e n tw a s1 5 t h eh i # q u a l i t yw e l d i n gj o i n tw a sa t t a i n e de a s i l yo na c c o u n to fa l l o yf i l l e rm e t a l s ， w h i c hi m p r o v e dt h es o l i d i f i c a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o nv e l o c i t yo fm o l t e np o o l ，r e f o r m e d i m p r o v ew e t t i n gp r o p e r t yo fb a s i cm e t a lt or e i n f o r c i n gp h a s e ，m a d e r e i n f o r c i n gp h a s e p a r a d e sd i s t r i b u t i n ge q u a b l y i nw e l d i n gl i n ea n dr e d u c et h et e n d e n c yo fg r a n u l e s k e yw o r d s ：s i c p a 1m m c s ；p l a s m a a r cw e l d i n g ；i n t e r f a c er e a c t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密吼 学位论文作者签名：张童衾 磷专月弘日 指导教师签名： 儒佥烈 97 年y 月溯 ， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：括乏舍 日期：) ，刁年r 月；日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ) 是以金属( 或合金) 为基体组分，以 陶瓷材料和c 、b 等元素的颗粒、晶须或纤维为增强组分复合而成的一种新型材料。 金属基复合材料目前已发展的有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等多种材 料【。铝基复合材料由于具有较高的比强度、比刚度、比模量，尺寸稳定性以及抗 振、耐高温，不老化，抗宇宙射线等优点，在航天、航空、汽车电子等工业领域 具有广泛的应用价值，成为当前金属基复合材料发展与研究工作的主流 2 。s l 。 铝基复合材料( a l u m i n i u mm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，a i m m c s ) 是以工业上 常用的工业纯铝、锻铝、硬铝、超硬铝和铸铝等为基体的复合材料，通常是以一 些具有高强度、高模量、耐磨和耐高温等特性的颗粒、晶须或纤维如s i c 、a 1 2 0 0 等 作为增强相 7 - s l 。 当前，铝基复合材料的制各工艺、塑性成型工艺、冷机械加工工艺及热处理 工艺等都已展开大量的研究工作，唯有其焊接性和焊接工艺的研究远远落后于其 他方面的研究，成为该材料走向实用化的瓶颈。 众所周知，任何先进材料只有被加工成结构件以后，才具有使用价值，而焊 接常常是形成结构件必不可少的加工手段。由于铝基复合材料的增强相与基体间 的物理、化学性能差别很大，熔焊时很容易生成气孔、疏松等缺陷，并且在高温 时基体与增强相之间容易发生界面反应，生成脆性化合物，很难获得理想的焊接 接头。因此，尽快解决铝基复合材料的的焊接性问题尤显迫切 9 - 1 2 1 。 熔化焊是所有焊接方法中应用范围最广、适应性最强、操作最简便、工艺最 成熟的焊接方法，但s i c p a i 金属基复合材料特别是s i c 颗粒尺寸很细小的、比表 面积较大的、用粉末冶金方法制备的s i c p a 1 金属基复合材料在熔化焊过程中增强 相s i c 颗粒严重溶解并在焊缝中凝固析出粗大的针状有害相a l i c 3 ，造成焊缝力学 性能尤其是韧性严重下降。因此，抑制针状有害相a 1 4 c 3 在焊缝中的形成是s i c p a i 金属基复合材料实现成功熔化焊接的关键问题。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也进行了大量的研列捧1 5 】。 江苏大学硕士学位论文 目i ； 国内外先进国家还在铝基复合材料的扩散焊、摩擦焊、电阻焊、钎焊等 方面进行了大量的研究工作，有的还从外观上焊成了接头，但增强相及其晃面破 坏严重，接头强度低，至今还没有成功应用于工业批量生产的报道。 美、日等国足铝基复合材料发展与应用最好的国家。美国从6 0 年代起就开始 了对复合材料焊接的研究工作，取得了较大的成果，如1 9 8 1 年成功地将纤维铝基 复合材料b a 1 的电焊技术应用于航天飞机的中部机身珩架。前苏联也成功地将 b a i 管材组合焊接的卫星支架用于航天飞机上。采用亚弧焊及扩散焊方法焊接而 成的b a i 复合材料也已应用于飞机起落架。而日本则对朋2 0 3 短纤维或粒子增强 的铝基复合材料进行了广泛、深入的研究。在我国，对铝基复合材料焊接性的研 究刚刚起步，其实焊接成功的研究报道还不多，研究工作基本上都处于实验室阶 段，较多的研究主要集中在 f i g 焊、钎焊、摩擦焊、电阻焊、扩散焊、激光焊等 方面【1 6 。切。 本文采用等离子弧焊的方法，对s i c p a 1 基复合材料的焊接工艺和焊接机理进 行研究，分析了不同工艺参数下接头的微观组织和力学性能，提出了提高接头强 度，改善材料焊接性的有效措施，为有关铝基复合材料的研究提供了必要的科学 技术依据。 1 2 铝基复合材料焊接研究进展 颗粒增强铝基复合材料的基体多是一些塑性、韧性好的铝合金，其焊接性一 般都较好，而增强相往往是一些高强度、高模量、高熔点、低密度和低线膨胀系 数的非金属或金属化合物颗粒，其焊接性一般都很差。在连接这类材料时，除了 要解决金属基体的结合外，还涉及到金属与非金属或会属化合物的结合。这种情 况下，基体铝合会的焊接性并非主要问题，关键是增强相与基体的连接。 从化学相容性考虑，铝基复合材料中铝合金基体与增强相之间，在较大温度 范围内，往往是热力学不稳定的，连接时加热到一定温度后，两者之间就会发生 反应，从而使界面强度降低。因此，避免和抑制连接时基体金属和增强相之间的 反应足保证铝摹复合材料连接质鞋的关键。 1 2 1 熔化焊 研究表明用铝合会的焊接方法焊接s i c p a l 复合材料，存在以下问题： 2 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) s i c p 的加入，使熔池粘度增大，流动性变差，产生粘滞现象，焊接时容 易产生夹渣、气孔等缺陷，影响焊缝成形。 ( 2 ) 在焊接高温下易发生下面界面反应： 3 s i c + 4 a 1 = a 1 4 c 3 + 3 s i 在s i c p a l 界面上形成大量脆性相a 1 4 c 3 ，造成焊接接头力学性能严重下降。 ( 3 ) 熔池结晶过程中，s i c p 易产生偏析，造成焊缝不均匀，且很难焊后热处 理消除。 s i c p a l 复合材料的焊接虽然存在以上困难，但通过选择合适的焊接方法和合 理的工艺参数，是能够获得复合条件的焊接接头的。近年来人们不断研究解决措 施：如对铝基复合材料进行真空去氢处理可减少焊缝中气孔、裂纹等缺陷，显著 提高接头质量；焊接过程中向熔池中添加含越、s i 、m g 等成分的焊丝来改善熔池 的流动性等【1 9 1 。 2 1 1 氩弧焊( t i g 、m i g ) 交流t i g 焊己用于焊接a l m g - s i 系基体的s i c p a l 复合材料，如美国的 d u r a l c a n 用此方法修补、焊接铸造结构件。焊接时需采用较低的热输入，加填充金 属应使用高硅焊丝( e r 4 0 4 3 或e r 4 0 4 7 ) ，因为s i 有利于改善熔池流动性并抑制 a 1 4 c 3 的生成。结果表明，母材自熔形成的焊缝，其性能明显优于加填充焊丝的焊 缝；对加填充焊丝的焊缝，焊后热处理( 固溶+ 时效) 可明显改善其强度。 p el e a n 等人采用a i 5 m g 和a 1 5 s i 对a a 6 0 8 2 与2 5 的s i c a a 6 0 9 2 进行脉 冲m i g 焊异种连接时发现，当电弧对准焊缝对接线时，容易在复合材料侧与熔池 之间产生未熔合，稍微改变电弧方向并使电弧偏向复合材料可避免这一问题；富 m g 焊丝能提供s i c 与液态铝之自j 合适的润湿性，进一步的e p m a 分析表明，熔池 中的r a g 与的a 1 2 0 3 保护膜反应，生成m g o 和m g a h 0 4 ，因此改善了润湿性i z o l 。 r yh 嘞g 等对s i c p 6 0 6 1 a i m m c s 的焊接研究发现，随着s i c p 含量由0 增 加到2 0 ，焊缝成形困难增加，容易形成v 形缺口【2 1 1 。 r e y n o l d s 在采用转移等离子弧工艺焊接3 0 s i c p 6 0 6 1 a 1 m m c s 时，使用 a l ( z n ) 舢3 z r 和a i c n ) - a b t i 基填充金属，有效地抑制了a h c 3 的生成，改善了接头 的塑性【2 2 】。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 2 电子束焊( e b w ) 在s i c p a 1 电子束焊接时，能量不会被铝合金基体或s i c d 选择吸收，因此加热 比激光焊均匀。由于两种相都不优先选择吸收能量，而铝基体的体积比远大于s i c d ， 所以大部分能量用于加热铝基体。电子束焊热循环快，s i c p a 1 界面高温停留时间 短，因此的溶解和分解都受到限制。由于熔体中含s i c p 黏度高，并且铝基体的热导 率大，整个熔池的传热方式与激光焊中p r z 和u r z 相似，受热传导控制，于是热量 由作用区迅速传到熔池的其他部位，a h c 3 生成的程度主要取决于温度和驻留时间。 锐聚焦高焊速焊缝只在上部中心区有少量a 1 4 c 3 生成，这是由于该区靠近电子束直 接作用的高温区，焊接速度减小，焊接热循环慢，在s i c p 溶解温度以上的驻留时间 增加，因此a 4 c 3 生成增多。散焦焊束斑有效尺寸增大会导致温度梯度变缓，熔池 变宽变长，焊缝中每一点在s i c p 溶解温度以上的驻留时间增加，a 1 4 c 3 生成也要增 多。 对e b w 应该设法限制a 1 4 c 3 的生成，因为电子束的物理性质使s i c d 不易吸 收其能量，从而导致a l 与s i c 界面能量过剩而易发生界面反应。所以为防止a 1 4 c 3 的生成，推荐采用较高的焊速和更集中的电子束( 电子束直径约0 1 4 r a m ) 。 w b b u s c h 等认为，高能束焊接s i c p 6 0 6 1 a 1 m m c s 的关键是使材料熔化而不 使陶瓷相分解。因此可以采用非增强的中间层，通过熔化该中自j 层来间接熔化增 强材料的边缘，借此实现熔合连接。该过程中会有一些颗粒增强物进入熔池中， 提高焊缝的强度i 。 1 2 1 3 激光焊( l b w ) 同电子束焊一样，l b w 焊接s i c p a l 时也宜采用快速热循环和低的热输入。 研究表明，采用连续被c 0 2 激光焊和脉冲n d y a g 激光焊焊接1 5 s i c p a l 时， 两种方法焊接接头的微观组织相似，不过后者更细小。反应产物a 1 4 c 3 和初晶s i 、 a 1 2 s i 共晶只在熔合区中央一个很小范围内较明显。对连续波和脉冲c 0 2 激光焊 的研究表明，a l 与s i c 反应的程度与输入的能量成正比， 因而可以通过控制输 入能量的大小和形态来控制a 1 4 c 3 的生成。采用降低熔池的热输入或提高熔池中 硅含最的措施，将抑制基体与增强相之问的反应，有利于接头强度的提高。 激光输出功率是影响焊缝界面反应的主要因素，通过减小激光输出功率，可 以显著抑制s i c a l 自j 雾面反应。激光脉冲频率足影响焊缝中气孔的重要因素，通 4 江苏大学硕士学位论文 过提高激光脉冲频率，可以减小直至消除焊缝中的气孔，还将有利于抑制s i c - a 1 自j 界面反应。在保证熔透的前提下，减小激光输出功率、提高脉冲频率是获得高 质量焊缝的有效工艺。 h m w a n g 等采用钛作为合金化元素进行原位合金化激光焊接。该方法也是 采用中问层工艺。研究表明，针状a 1 4 c 3 完全消除，焊接接头因含有快速凝固形成 的t i c 、砸5 s i 3 和a 1 3 而得到强化，但是在部分熔化区形成大的气孔。根据a 1 4 c 3 、 n c 和s i c p 生成自由能随温度的变化曲线，分析了钛的作用机理。高于8 0 0 。c 时 t i c 的生成自由能远比a h c 3 低，即对c 的亲和力更大。因此在原位合金化焊 接熔池的凝固过程中t i c 优先形成，完全抑制了焊缝中心区a 1 4 c 3 的形成。但是在 焊缝熔合区和部分熔化区之间的过渡区，元素含量较低，仍有少量a 1 4 c 3 生成。 增加中间层厚度，提高焊缝中砸元素含量，焊缝中除t i c 、面2 越c 和初始s i 外， 还有5 s i 3 和a 1 3 t f 等新相生成。 陈彦宾等人采用高强钛合金，对s i c p 6 0 6 3 a i m m c s 进行脉冲激光焊，不仅抑制 了焊缝中心区的a 1 4 c 3 生成，而且明显改善了熔池的流动性，减少了焊缝中孔洞、气 孔、未熔合等缺陷瞄l 。 陈永来等人还研究了n i 对s i c p 6 0 6 1 a 1 m m c s 激光焊缝显微组织的影响，发 现采用n i 片进行焊缝原位合金化，可以提高c 的活度，促进石墨析出，从而部分 地抑制脆性相a 1 4 c 3 的形成，并获得以舢等相为增强相的复合材料焊缝组织。 但是合金元素c 的严重烧损，在焊缝心部形成了粗大气孔【2 6 】。 1 2 2 固相焊 固相连接方法主要包括扩散连接、摩擦焊接等。与熔化焊接方法相比，固相 连接方法可避免m m c s 工件发生高温熔融，因此不存在与熔化焊接有关的一系列 问题。其中扩散连接和摩擦焊接是比较理想的连接方法，焊接过程中不存在a i s i c 界面反应，从而避免了脆性相的生成。但是，摩擦焊形成的接头有失强现象，尤 其是对s i c 颗粒增强铝基复合材料，必须经焊后热处理恢复强度。 固相焊由于不存在朋与s i c 界面反应、偏析和黏度的影响，以及在较低温 度下吸留气体少等优点，而成为焊接铝基复合材料很有发展前景的方法。 5 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 1 摩擦焊 摩擦焊是获得优质复合材料接头的一种方法。接头在焊态和时效处理后，其 强度均较低，这表明焊接过程中已发生过时效。而将接头重新固溶+ 时效处理后， 其抗拉强度将恢复到接近母材水平，硬度试验也表明，此时沿整个接头没有明显 差异。值得注意的是，微观分析发现摩擦焊接头产生了s i c p 破碎现象，但对性能 无不良影响。s i c p 6 0 6 6 a 1 基复合材料经过搅拌摩擦焊之后，晶粒明显细化，与传 统焊接方法相比较接头的性能得到了改善；搅拌摩擦焊过程中，焊缝金属没有发 生熔化现象【2 7 j 。 但是摩擦焊后形成的接头有失强现象，必须要焊后热处理恢复，特别是对于 s i c p 增强的铝基复合材料，这就增加了工艺的复杂性，同时摩擦焊对于试件的要 求很高，因此不能广泛应用于工程实际中。 1 2 2 2 扩散焊 扩散焊已成功地用于多种铝基复合材料的焊接，但因工艺复杂，影响因素多， 质垦不稳定等，使其应用受到限制。 固相扩散焊目前主要采用有中间过渡层的方法，因为加入中间过渡层后，原 来的s i c p 与s i c p 结合改为s i c p 与基体结合， 从而大大改善了结合性能，提高 了结合强度。过渡层金属中常加入某些改善焊接性的元素，如m g 等。 瞬时液相扩散焊是在低于母材和填充钎料熔点的温度下，通过母材与钎料界 面的相互扩散，达到低熔点共晶成分而熔化形成液态，然后在此温度下恒温使其 继续扩散，当达到液相线与固相线之间的成分时，开始等温结晶，完全结晶为固 态后继续保持恒温扩散以达到均匀化，最后形成与母材成分组织均匀一致的焊接 接头。该方法既包含钎焊过程，又包含扩散焊过程，综合了两者的优点。用于舢基 复合材料的中间钎料主要为a g 、c u 箔等，a g 、c u 与的共晶温度分别为5 7 7 和5 4 8 ，能与合金进行瞬时液相形成良好接头。焊接温度是影响接头强 度的主要工艺参数，当焊接温度高于基体合金固相线以上时，接头强度显著增强。 但扩散连接也存在如下问题： ( a ) 铝表面致密的氧化膜影响肇体与增强体之间的扩散，同时增强相( s i c ) 的 存在加大了焊接难度。 m ) 加压时基体金属埋性变形可能导致增强相损伤和分布变化。 6 江苏大学硕士学位论文 ( c ) 加2 1 2 2 1 2 件的几何形状及尺寸受限制，并且加工过程中工件焊接处有较大的 变形1 丝- 2 9 1 。 1 2 3 钎焊 钎焊也是一种常规的铝基复合材料焊接方法。该法最大的特点是焊接温度较 低，是在母材不熔化处于固态的状态下实现连接的，对母材造成的影响很小，在 焊件尺寸、形状上也较摩擦焊等自由度大。此外，这种焊接方法也较简单易行， 与熔焊不同的是钎焊过程母材不熔化，可有效地防止越与s i c 界面反应， 焊接 变形小，工艺也较简单。钎焊包括：真空钎焊、电阻钎焊、保护气氛炉中钎焊、 火焰钎焊、扩散钎焊及加压钎焊。 钎焊方法焊接s i c p a i 复合材料难度较大，存在的主要问题如下： ( a ) 增强体以及a 1 2 0 3 氧化膜的存在严重阻碍了钎料在母材表面的润湿与铺 展，使得颗粒与基体、基体与基体、颗粒与颗粒之间的连接难以实现。 ( 铝合金本身钎焊性不良，铝基复合材料采用的铝合金基体中，除6 0 6 1 铝 合金的软、硬钎料的钎焊性良好外，其他铝合金的钎焊性均较差。 ( c 1 钎焊温度需要严格控制，当低于最佳温度时，接头剪切强度低；当高于该 温度时，则发生界面反应，损伤时效硬化基体的性能。 俩钎焊过程中母材发生退火软化，焊后必须经过热处理来提高强度1 3 0 l 。 由于铝基复合材料熔点与钎料熔点接近，所以钎焊过程温度较难控制。钎焊 工艺参数、s i c 颗粒的体积分数以及焊后的时效处理均会影响s i c p a l 基复合材料 钎焊接头的连接强度。提高液态钎料对s i c 的润湿性，降低连接区的弱连接比例， 减少过渡到钎缝中的s i c 颗粒，都是改善钎焊连接强度的重要途径【3 1 - 3 3 1 。 1 2 4 其他焊接方法 1 2 4 1 闪光对焊： 闪光对焊是压力焊的一种，它利用电阻热把焊接端面加热到金属熔化温度， 并在压力作用下形成焊缝接头。闪光对焊加热时间短，在闪光后期虽然在接头端 部形成一层液体舢薄层，但在顶锻阶段被挤出，露出干净的带有一定塑性的金属 层在压力作用下形成焊缝，能抑制增强相与基体间的界面反应，克服了用熔化焊 及激光焊焊接这种材料时所具有的界面反应难题并且在压力作用下接头区不易产 7 江苏大学硕士学位论文 生气孔、疏松、裂纹等缺陷。因此，采用连续闪光对焊法所得s i c p 3 0 0 3 a 1 与3 0 0 3 a 1 焊接面成形良好，焊缝致密。 对s i c p 3 0 0 3 a 1 与3 0 0 3 a 1 闪光对焊的研究表明：采用连续闪光对焊可成功实现 s i c p 3 0 0 3 a i 与3 0 0 3 a 1 合金的连接，在合适的工艺参数下，接头强度高，焊缝结合 致密，无气孔、裂纹等缺陷，且增强相s i c p 与基体间界面反应不明显，焊缝成 型良好；随s i c p 体积分数的增大，s i c p 3 0 0 3 a 1 与3 0 0 3 a 1 合会的连续闪光对焊接头 强度也提高。连续闪光对焊对焊接端面要求不高，但是对焊接件的形状有一定的 要求刚。 1 2 4 2 电阻焊 电阻焊由于其加热时间短，可控性好，能很好地抑制界面反应，在压力作用 下不易产生裂纹和气孔等优点，很早以前就有人以长纤维增强b a 1 基复合材料为 对象进行研究。电阻焊一般采取搭接接头，此时结合面上几乎成了同种铝合金的 连接。与通常的铝合金相比，焊接复合材料时需要把热输入和压力控制好：一方面 热输入过大，熔合处熔化金属飞溅，在结合面上会出现增强颗粒直接接触现象， 劣化了接头性能；另一方面压力过大在接头处会产生塑性变形，而过小熔融金属 从结合面的飞溅变得严重，同样使结合性能变坏。电阻焊焊接复合材料时，焊接 性还受增强相体积分数的影响，体积分数增加，焊接性变差。同时，材料的制备 情况也对电阻焊的焊接性有影响，材料不好，容易在接时引起飞溅、气孔、颗粒 破坏等缺陷。另外，电阻焊时对接头的形状也有一定的要求，因此使用受到了限 制【3 5 1 。 1 3 等离子焊接概况 1 3 1 等离子弧焊的原理 等离子弧是一种特殊形式的电弧，它是借助于等离子弧焊枪的喷嘴等外部拘 束条件使电弧受到压缩，弧柱横截面受到限制，使弧柱的温度、能量密度得到提 高，气体介质的电离更加充分，等离子流速也显著增大，这种将阴极和阳极之间 的自由电弧压缩成商温、高电离度及高能量密度的电弧就是等离子弧。利用等离 子弧作为热源的焊接方法就是等离子弧焊接。 在等离子弧焊接中，目| j 广泛应用的压缩电弧的方法如图1 - 1 所示。等离子弧 8 江苏大学硕士学位论文 焊枪中，电极缩入到喷嘴内部。电弧在电极与工件之间产生，电弧通过水冷喷嘴 的内腔及其狭小的孔道而受到强烈的压缩，弧柱截面缩小，电流密度增加，能量 密度提高，电弧温度急剧上升，电弧介质的电离度剧增，在弧柱中心部分接近完 全电离，形成极明亮的细柱状的等离子弧。 蓖溅一 电源 水 一i 二p 图1 1 等离子电弧发生装置示意图 f i g 1 1s i m p l i f i e ds c h e m a t i co fp l a s m aa l cw e l d i n g 等离子弧与一般电弧( 即自由钨弧) 主要有如下区别：即电流增大时，一般 电弧弧柱截面也随之增大，其电流密度( j ) 和温度不能进一步提高，而等离子弧的 弧柱受水冷喷嘴孔道的约束不能任意扩张，从而受到压缩，使通过喷嘴孔道的弧 柱宜径小于喷嘴孔径。当电流( i ) 增大时，由于等离子焊枪孔径的限制，弧柱截 面( s ) 基本不变，由公式1 - 1 可知： ， 了 1 1 ) 电流密度随着焊接电流的增大，线性增长，这样就提高了弧柱的能量密度。 这种用喷嘴来限制弧柱直径，提高能量密度的结果就是“机械压缩效应”。 另外由于喷嘴受水冷却，故喷嘴温度较低，沿喷嘴壁流过的气体不易电离， 而形成一个导电、导热性能很差的、几乎是中性的气体“套”。此气体套一方面压 缩电弧不使其扩张，另一方面保护喷嘴不被烧坏。通过喷嘴的气体形成了一个相 当大的径向温度梯度。越是靠近中心，电离度和导电性越好，于是带电粒子流自 然而然的向电离度高导电性较好的喷嘴中心集中，使弧柱进一步压缩，因而使弧 柱中心能量密度进一步提高。此种以压缩气体套形成的弧柱温度梯度来造成压缩 电弧的作用称为“热收缩效应”。同样，气体流量越大，径向温度梯度越大，电弧 刚性越好，由于等离子弧的刚性已经很大，过多地增加气体流量并不能显著地提 9 江苏大学硕士学位论文 高等离子弧的刚性。 当电流增大时，由于等离子弧受等离子焊枪孔径的限制，弧柱截面基本不变。 由于冷却喷嘴孔道的限制而构成的“机械压缩效应”，气流套的径向温度梯度形成 的“热收缩效应，和弧柱本身磁力而产生的“磁收缩效应”，这些效应使弧柱的收 缩一直达到和其内部的膨胀力平衡为止 3 6 3 s l 。 1 3 2 等离子弧焊的特点 等离子弧的最大电压降是在弧柱区里，这是由于弧柱被强烈压缩，使电场强 度明显增大的缘故。因此，等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属， 而自由钨弧是利用两电极区产生的热来加热母材和电极金属。等离子弧能量密度 可达1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 w c l l l 2 ，比自由钨弧( 约1 0 0 0 0 w c m 2 以下) 高，其温度可达 1 8 0 0 0 2 4 0 0 0 k ，也高于自由钨弧( 约5 0 0 0 8 0 0 0 k ) 很多。图1 2 为两种电弧的温 度分布，左侧为自由钨弧，右侧为等离子弧。 嘲l i t荨m - f 4 图卜2自由钨弧与等离子弧温度分布 f i g 1 - 2t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go ft u n g s t e na r ca n dp l a s m aa r c 4 孽女t 毽自氅疆 1 一锋赢干蕊。媛筏i 黼，嚷嘴毳径仉1 翮m 2 - - 囊由馋攥x 妊l 工h 。坞囊巍镪l m 图卜3 小电流自由钨弧与等离子弧静特性比较 f i g 1 - 3 s t a t i cc h a r a c t e r i s t i cc o m p a r eo ft u n g s t e na r ca n dp l a s m aa r c 1 0 江苏大学硕士学位论文 等离子弧的静特性曲线接近u 形( 图1 3 ) 。与自由钨弧比较最大区别是电弧电 压比自由钨弧高。在小电流时，自由钨弧静特性为陡降( 负阻特性) 的，易与电源外 特性曲线相切，使电弧失稳。而等离子弧则为缓降或平的，易与电源外特性相交 建立稳定工作1 3 9 - 4 0 l 。 所以，与钨极氩弧焊相比，等离子焊接有以下特点： 1 ) 能量密度大，电弧方向性强，熔透能力强，在不开坡口，不加填充焊丝的 情况下可一次焊透8 - - 1 0 m m 厚的不锈钢板，与钨极氩弧焊相比，在相同的焊缝熔 深情况下，等离子焊接速度要快的多。 2 ) 焊缝质量对弧长的变化不敏感。这是由于等离子弧的形态接近圆柱形，发 散角很小( 约5 度) ，且挺直性好，弧长变化对加热斑点的面积影响很小，因此容 易获得均匀的焊缝形状。若按钨极氩弧焊的扩散角为9 0 度，等离子焊扩散角为5 度计算，电弧断面变化2 0 时，钨极氩弧焊的焊炬高度只允许变化0 1 2 m m ，而等离 子焊则可变化1 2 m m ，这对保证焊缝成形和焊缝均匀性都十分有益。 3 ) 钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可有效避免焊缝金属 产生夹钨现象。另外，电弧搅动性好，熔池温度高，有利于熔池内气体的释放。 4 ) 等离子弧的压缩效应及热电离充分，所以电弧工作稳定，特别当联合型等 离子弧在小电流( o 1 a ) 焊时，仍具有较平的静特性( 见图1 - 3 ) 。配用恒流( 垂降) 电源， 能保证焊接过程非常稳定，故可以焊接超薄构件。 5 ) 等离子弧对焊件的热输入相对较小，焊缝截面形状较窄，深宽比大，呈“酒 杯”状，见图1 4 ，热影响区窄，其焊接变形也小。 6 ) 可以产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面旌焊的时候可以获得良好 的单面焊双面成型。 纛 - i 粥黟键 g e m 硼_ s 一” b ：嚣篝梦嚣搿缝i l 国- l ，一2 图l - 4 等离子弧焊焊缝截面形状与t i g 焊的比较 f i g 1 - 4 s e c t i o nc o m p a r eo fp l a s m aa r cw e l d i n ga n dt i gw e l d i n g 1 1 江苏大学硕士学位论文 3 3 等离子焊接工艺参数 曲焊接电流 焊接电流是根据板厚或熔透要求来选定。焊接电流过小，难于形成小孔效应： 焊接电流增大，等离子弧穿透能力增大，但电流过大会造成熔池金属因：i l l 直径 过大而坠落，难以形成合格焊缝，甚至引起双弧，损伤喷嘴并破坏焊接过程的稳 定性。因此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能 在某一个合适的范围内选择，而且这个范围与离子气的流量有关。 b 1 焊接速度 焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择。其他条件一定时，如果焊 接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应。 如果焊接速度太低，母材过热，小孔扩大，熔池金属容易坠落，甚至造成焊缝凹 陷、熔池泄漏现象。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数 应相互匹配。 西喷嘴离工件的距离 喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低：距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵 塞，破坏喷嘴i f 常工作。喷嘴离工件的距离一般取3 s m m 。与钨极氲弧焊相比， 喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。 m 等离于气及流量 等离子气及保护气体通常根据被焊金属及电流大小来选择。大电流等离子弧 焊接时，等离子气及保护气体通常采取相同的气体，否则电弧的稳定性将变差： 小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。这是因为氧气的电离电压较低， 可保证电弧引燃容易。离子气流量决定了等离子流力和熔透能力，等离子气的流 量越大，熔透能力越大，但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝 成形。因此，应根据喷嘴直径、等离子气的种类、焊接电流及焊接速度选择适当 的离子气流星。焊接时，应适当降低等离子气流量，以减小等离子流力。保护气 体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择。在一定的离子气流量下，保护气 体流量太大，会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果；而保护气体流量 太小，保护效果也不好。因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例。 小孔型焊接保护气体流量一般在1 5 3