金属基复合材料焊接技术及其发展动向

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A Summ ary on M e ta l-M a tr ix Jo in in g Techn o logyan d its D eve lop in g Tre

2、n den cyL in L ihua , Tan g Y im in g, Gu M in gyuan , Chen L igon gNa t iona l Key L a b of MM C s, Shan gha i J ia o Ton g Un iver s ity,Shan gha i 200030【A bstrac t】 T h e ava ilab le lite ra tu re o n m e ta l2m a t r ix com po site jo in ing h a s been summ a r ized and eva lu2a ted in th is p

3、ap e r. T h e jo in ing p ro ce sse s d iscu ssed inc lude fu sio n w e ld ing, d iffu sio n w e ld ing, b razing, t ran2 sien t liqu id p h a se s w e ld ing, re sistance w e ld ing and cap ac ito r d isch a rge spo t w e ld ing. T h e t ran sien t liqu id p h a se s w e ld ing w a s p a r t icu la

4、 r ly in t ro duced and recommm ended a s an advanced m e tho d.【Key words】 M e ta l m a t r ix com po site,W e ld ing,M a t r ix , R e info rcem en t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

5、 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 T IG 及熔化极氩弧焊 M IG )、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 T IG 及熔化极氩弧焊M IG)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 ) /A l 研制成功, 人们就开始了对

6、M IG、T IG 熔化焊方法用于复合材料焊接的研究尝试。虽然M IG、T IG 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 A l 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 S iC 颗粒)不能成为结晶核心, 被长大的结晶相所排斥

7、, 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 A l、M g 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 S iC (P ) /A l 复合材料在 高 温下发生反应; 4A l ( 1) + 3S iC ( s) = A l4C 3 + 3S i 生成的脆性相 A l4C 3 分布在 S iC 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 /A l 复合材料在 740停留几分钟就可观

8、察到B 与A l 发生 了反应, 而在 1000稍作停留就可明显观察到 B 与A l 发 生 剧 烈 反 应 甚 至 使 得 B 完 全 熔 化 在 A l 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。 1

9、990 年R eyno ld s 对 用 熔 化 极 氩 弧 焊 方 法 焊 接 A l2O 3 /(p )6061A l 复 合 材 料 作 了 深 入 的 研 究。 他 分 别 用4043A l、5356A l 铝 合 金 及 含 增 强 体 的 4043A l210V o l% A l2O 3、5356A l210V o l% A l2O 3 复合材料作熔 化电极填充金属, 结果在所有 焊 缝 中 都 发 现 A l2O 3的 偏 聚, 因 此 用 4043A l210V o l% A l2O 3、356A l210V o l% A l2O 3 复合材料代替 4043A l、5356A

10、l 合金作 填充金属并没能使接头强度得到提高, 对这方面问题尚须作进一步研究。 然而该实验却意外发现由于5356A l 合金比 4043A l 合金含较多的M g, 因此改善 了基体金属与增强体之间的 润 湿 性, 减 轻 了 A l2O 3 的偏聚, 减小了焊缝中心及焊缝根部的裂纹倾向, 对 提高焊缝质量大有好处6 ;(b ) 发展电弧跟踪计算机全自动控制氩弧焊, 对 焊接过程的热输入、焊速、加热冷却时间、速度及熔 池深度、大小等工艺参数进行自动控制, 抑制基体与 增强体的反应, 利于氢气逸出, 控制熔池金属结晶凝 固过程, 实现焊接工艺过程的最优化;(c) 接头采用留间隙开坡口对接焊型式,

11、 以利熔 融金属向焊缝根部流动, 克服增强相带来的粘滞问 题7 ;(d) 焊后再经热处理强化, 消除焊接热循环对焊 缝及母材所造成的不良影响。采用以上措施后熔化焊方法基本可以用于复合 材料的焊接, 并获得较满意接头, 母材与焊缝金属熔合良好, 几乎不存在明显界线, 接头强度可达到 100260N /mm 2 8, 但是焊缝质量尚不稳定, 无法完全-避免气孔和裂纹等缺陷。21 扩散焊扩散焊是两焊件紧密接合, 在真空或保护气氛 中, 在一定温度和压力下保持一段时间, 使接触面局 部产生塑性变形、发生原子相互扩散而完全焊接接 合的一种压焊方法。 扩散焊方法很适合复合材料焊 接, 因为它焊接温度较低,

12、 对增强体造成的影响小。 但它所需时间较长, 对设备要求较高, 成本很高, 焊 件尺寸形状也很受限制, 而且质量受许多因素影响, 很不稳定, 主要影响因素如下:( 1) 表面处理方法、处理的时间、程度对焊接质 量、接头强度影响很大, 有时甚至相差几倍, 如图 2 所示9 。 机械加工表面处理接头强度远低于离子抛 光表面处理接头强度, 因此机械加工使母材接合面 上存在较大残余应力, 该应力使增强纤维容易发生 断裂, 断裂纤维碎片聚集在焊缝金属与母材的交界图 1 6061A l+ 18. 4vo l % S iC 复合材料钎缝区硬度交流氩弧焊焊丝: 4043以上这些问题的出现使得人们在很长一段时间

13、 完全排除了熔化焊方法在复合材料焊接中应用的可 能性, 直到近些年来人们提出了解决这些问题的相 应措施, 并且在工艺上得到了实现, 才使得对该方法 的研究又有了新的价值, 具体改进措施如下:( a ) 在填充金属材料中填加适量增强相使焊缝 与母材具有相同的组织结构, 并在其中添加适量合·24·© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图 2 焊接接合面上裸露纤维在焊接过程中的结合 (a) 母材未接触前(b) 纤维理想结合 (c) 纤维实际

14、结合面上, 使接头强度大大下降9 。 打磨处理时间越长,增强体越暴露, 两母材接合面上增强体2增强体接触 机图越多, 而基体2基体及基体2增强体接触机会相对 越少, 如图 3 所示, 增强体与增强体聚集在一起, 相图 4 表面电抛光时间与接头断口形貌的关系 (a) 抛光 013k s (b ) 抛光 019k s(Tw = 883k Pw = 2M P a tw = 1. 8k s)图 3 表面处理对抗拉强度的影响互之间不发生结合, 形成缺陷成为裂纹源, 大大降低接头强度9 。焊前母材表面经不同时间打磨处理, 接头拉伸断口形貌有很大差别。 如图 4 所示, 图 4-a经 5 分钟表面打磨处理的

15、接头拉伸断口形貌, 呈均图 5 接头抗拉强度与焊接温度的关系表面处理 013KS匀韧窝状; 图 4-b 为经 15 分钟表面打磨处理接头的拉伸断口形貌, 多处呈光亮脆性断裂特征, 为纤维聚集区9 。(2) 焊接工艺参数对接头强度影响也非常大。扩 散焊温度压力值较小时随焊接温度、压力的增加接 头强度近线性增加, 如图 5 所示, 在一定范围内接头 强度达到最佳, 温度变化 10K 或压力变化 1M P a 都 会引起接头强度的显著下降。 复合材料扩散焊不易 使基体2基体、基体2增强体都结合良好, 并且容易使 增强体发生破坏损伤, 因此对焊接温度、压力的控制 要求更严格9 。目前国外对复合材料扩散

16、焊研究的重点与方向着重在以下几方面:(a) 采用中间过渡层金属可大大提高接头强度。 在两复合材料接合面之间增加中间过渡层, 可以使 原 来界面上增强体2增强体 (R 2R ) 接触改为增强体2 基体 (R 2M ) 接触, 如图 6 所示, 由于 R 2R 之间几乎无 结合, 而 R 2M 结合强度远远大于 R 2R , 因此使接头 强度大大提高10 。 而且在过渡层金属中添加某些有 益合金元素可以大大提高母材的可焊性, 提高接头·25·© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.

17、All rights reserved. 钎焊过程的关键是钎料能否在母材之间产生毛细作用, 能否润湿母材并在母材上顺利地铺展流动, 在铝基复合材料的钎焊过程中, 焊接温度、时间及装 配质量、表面处理情况对焊接质量影响非常严重。目 前金属基复合材料最常用的基体材料为 A l, 它的钎 焊过程主要存在以下 问题:(1)A l2O 3 氧化膜严重影响焊接质量。A l 具有很 强的氧化性, 在空气中很容易与氧发生反应生成致 密、稳定的 A l2O 3 表面氧化膜, 随着温度升高氧化加 剧, 氧化膜迅速增厚 (室温下膜厚一般在 50 埃左右, 而 在 600温度下膜 厚 剧 增 至 1000 - 200

18、0 埃) 12 。 而且 A l2O 3 熔点很高, 约 2050, 又具有很高的化学 稳定性, 一般在焊接过程中不发生熔化也不易被化 学腐蚀剂腐蚀而去除, 严重影响钎料在母材表面的 润湿与铺展, 成为铝基复合材料钎焊的一大难点。( 2) 铝易与增强体发生反应, 在界面生成过厚脆 性化合物, 大大降低接头强度。A l 是很活泼的金属, 在钎焊温度经一定钎焊时间即与增强体发生反应, 在增强体与基体之间产生一层硬而脆的化合物 ( 如 S iC (P ) /L D 2 复合材料在 500以上即迅速发 生 反 应 4A l+ 3S iC (S ) = A l4C 3 脆 性 相 A l4C 3 分 布

19、 于 S iC图 6 中间层对焊缝界面增强体结合情况的影响( a) 未加中间层时界面结合情况(b) 加入中间层后界面结合情况强 度。 如 合 金 元 素 M g 可 与 A l2O 3 发 生 反 应 生 成M gA l2O 4 从而去除 A l 表面氧化膜, 并与环境中的氧 发生反应防止 A l 的进一步氧化, 使铝基复合材料的可焊性大大提高11 。( b ) 采用瞬间液态焊代替固态扩散焊对焊接过 程、接头强度都有很大的影响。瞬间液态焊既有扩散 焊过程也有钎焊过程, 它与扩散焊及钎焊既有相似 又有差别, 是一种很新的焊接方法, 国外对该种焊接 方法的理论及其在复合材料焊接上的应用都作了大 量

20、研究, 本文将在后面对这一焊接方法作专门讨论。31 钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料, 将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点 的温度, 利用液态钎料润湿母材, 毛细作用填充接头 间隙, 并与母材相互扩散从而实现连接的一种焊接 方法。该方法最大的特点就是焊接温度较低, 是在母 材基本不熔化处于固态的状态下实现连接的, 对母 材所造成的影响很小。此外, 这种焊接方法也较简单 易行, 除真空钎焊外一般不需要特殊设备, 在焊件尺 寸、形状上也较电阻焊、电容放电焊等有较大的自由 度, 因此被公认为是最适合复合材料焊接的方法。目 前国外采用中性气体保护及真空炉中钎焊铝基复合 材料已获得成

21、功, 我国北京航空材料研究所采用真 空 钎焊 S iC (P ) /A l 复合材料与 T C 4 钛合金接头也 得到了满意的结果, 上海交通大学采用惰性气体保 护下炉中钎焊 S iC (P ) /6061A l2S iC (P ) /6061A l 复合 材料也获得了很大的成功。·26·3界 面) , 大大降低接头强度。 随温度升高, 时间延长, 脆性化合物增厚, 复合材料强度损失非常严重。( 3) 铝基复合材料熔点与钎料熔点很接近, 钎焊 过程温度难以控制。由于铝基复合材料熔点较低, 其 固相线温度往往接近甚至低于钎料液相线温度, 因 此要求钎焊过程温度控制相当准确,

22、一般±513 , 温度过低不利钎料的流动铺展, 温度过高又易引起 母材的过烧熔蚀, 给钎焊过程带来很大困难。( 4) 固态增强体影响钎料的流动铺展, 影响钎焊 过 程 的 实 现。 铝 合 金 基 体 与 增 强 体 熔 点 相 差 很 大 (S iC (P ) /L D 2 复合材料中增强体 S iC 熔点为 2830±40, 而基体 L D 2 熔点只有 66015) , 在钎焊温度 下基体部分熔化而增强体不分解不熔化, 仍呈固体状, 导致钎料粘滞, 流动性变差, 严重影响钎料的正 常填缝, 影响钎焊过程的实现14 。( 5) 以热处理强化铝合金为基体的复合材料, 钎

23、焊 过 程 母 材 退 火 软 化, 焊 后 必 须 再 进 行 热 处 理 强化14 。目前, 国内外对铝基复合材料钎焊的研究主要 着重于以下两方面的内容, 一方面研究镁对钎焊过 程的积极作用, 另一方面研究瞬间液相焊代替钎焊 用于复合材料焊接的机理及其对接头强度的影响。41 瞬时液相焊© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 瞬时液相焊 TL P (T ran sien t L iqu id P h a se) 是在低于母材和填充钎料熔点的温度下, 通过

24、母材与钎 料界面的相互扩散, 达到低熔点共晶成份而熔化形成液态, 然后在此温度下保持恒定温度使其继续扩 散, 达到液相线与固相线之间的成份, 则开始等温结晶过程, 完全结晶凝固为固态后继续保持恒温扩散则开始均匀化过程, 完全均匀化后即形成与母材成 份组织均匀一致的焊缝接头。因此, 瞬时液相焊大致 包括三个过程: 扩散、结晶、均匀化。结合 A l2S i 二元相图 7 可将 A l、S i 瞬时液相焊 分为如图 8 所示的以下几个过程15 (母材为纯 A l,到最大宽度, 如图 8-c 所示; ( 4) 等温结晶阶段: 继续保持恒温使其进一步扩散, 中间层成份由图 7 的 C 点向 D 点转化,

25、 中间液相层开始等温结晶过程, 如图 8- d 所示, 该阶段需要相当长时间, 达到 D 点则等温 结晶过程完毕; ( 5) 均匀化阶段: 再继续保持恒温使其进一步扩散则开始均匀化过程, 如图 8- e 所示, 该过 程需要更长时间, 一般很难达到完全均匀化, 只要接头无脆性相, 无焊接缺陷存在, 就可得到高质量接头。瞬 时 液 相 焊 既 包 含 钎 焊 过 程 又 包 含 扩 散 焊 过 程, 它的最大特点即是低温焊接。A l2S i 钎料钎焊 A l 合金的温度一般在 582- 604, 而用纯 S i 作中间填充层瞬时液相焊接 A l 合金的温度只需 554-571。瞬时液相焊的另一大

26、特点是时间长, 而中间层厚度是焊接时间的决定性因素。 在瞬时液相焊过程中扩 散熔蚀的中间层厚度与温度、时间存在以下关系16 :X P = 1. 1284 (D T ) 0. 5 (C s - C o)其 中: X 扩 散 熔 蚀 的 中 间 层 厚 度, 单 位 厘 米; P 中间层密度, 单位 磅/英寸3; D 中 间 填充层元素在母材中 ( 如 S i 在 A l 中) 的扩 散 系 数, 单 位 厘 米2 /秒; T 时 间, 秒;C s 中间层与母材界面处合金元素浓度 ( 如 S i 在界面处浓度) ; C o 合金元素 ( 如 S i) 在 母材中的原始浓度。 瞬时液相焊要求中间填充

27、钎料与母材之间有一定的固溶度, 并能形成低熔点共晶, A g、C u、S i、M g、Zn、Ge、Ga、L i 都能与A l 进行瞬时液相焊。A g、C u 与 A l 的共晶温度分别为 577、548, 能与 A l 合金进 行瞬时液相形成良好接头, 而两者中以 C u 更好。 Ga 与 A l 的低熔点共晶温度为 2616, 但它的扩散速度 很低, 特别是在低于 400时扩散得相当慢, 而且 Ga 能润湿 A l 合金晶界产生液态金属脆化。L i 的熔点为180, 但形成的稳定金属间化合物 A lL i 会使接头脆 化。M g、Zn、Ge 与 A l 的 共 晶 温 度 分 别 为 450

28、、381、420, 但 Zn 与M g 具有很高的蒸汽压, 在真 空中加热是不可能的, 只能在惰性气氛下工作。A l2Ge 相图为简单的共晶相图, 使这一系统非常理想, 但 Ge 与 S i 一样不能制成薄膜, 只能喷镀到 A l 上15 。晶界在 TL P 焊接动力学中起着重要作用15 。当 原子从一个晶格移动到另一个晶格或空位时扩散过程即开始。 对相近尺寸的原子, 主要的扩散机制是空 位扩散。在面心立方晶格中一个原子有十二个最近邻的原子位可以跳动, 但只有当在这最近邻的十二个位 置中存在一个空位时, 原子的跳动才可能发生, 而晶界是晶粒间交界不匹配处, 它有几个原子层厚, 存在·

29、27·图 7 A l2S i 二元合金相图图 8 A l2S i 瞬间液相焊过程示意图中间填充钎料为纯 S i, 焊接温度为 600) : ( 1) 准备阶段: 焊接加热刚开始尚未形成明显相互扩散, 母材 处于图 7 的 E 点, 钎料处于 A 点, 都呈固态, 如图 8-a 所示; ( 2) 扩散阶段: 加热开始后, 扩散达到一定程度, 钎料与母材界面附近 S i 浓度下降, 成份由图 7 的 A 点向 B 点转化, 达到 B 点后即形成液态, 如图 8- b 所示; ( 3) 融化阶段: 由于扩散阶段形成了液态, 使 S i扩散速度大大加快, 继续保持恒温则使中间层成份迅 速由图

30、 7 的 B 点向 C 点转化, 到达 C 点时液相层达© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 大量空位, 因此晶界处的扩散速度远高于晶格。在 TL P焊中, 中间金属层沿晶界很快扩散, 使晶界处的合金元 素浓度 (如 S i 浓度) 呈陡升尖峰状。由于 TL P 焊过程主要取决于中间层合金元素的扩散与溶解, 因此小晶粒度的试样比大晶粒度的试样 TL P 焊过程快。在 TL P 焊过程中能形成的最大液体量可由相 图进行计算, 但这里假设所有中间层完全熔化呈

31、液态, 并且形成液体前未发生扩散, 同时液体的成份为液态富 A l 端成份 (在焊接温度下)。51 电子束、等离子、电容放电、电阻焊接方法电容储能点焊属于新近发展起来的焊接方法, 它的能量高度集中, 几乎可视为点热源, 焊接时间极 短, 加热冷却速度极快 ( 电容储能点焊方法焊接 S iC (P ) /6061A l 复 合 材 料 熔 池 深 度 为 90m , 焊 接 时 间010004s, 加热冷却速度 106/S ) 16 , 因此完全避免 了焊接过程中基体与增强体之间的剧烈反应, 避免了对增强体造成大的损伤, 很适合复合材料焊接。但这种焊接方法对焊件尺寸、形状有很大限制, 阻碍了 它

32、们在复合材料实际焊接生产中的推广应用。电阻焊在复合材料焊接中也有一些应用。 但由 于复合材料的增强体与基体电阻相差很大, 在电阻 焊过程中容易使复合材料产生过熔、飞溅, 纤维发生 粘结、破碎并产生空洞, 接头强度大大受影响17 。 此 外, 这种焊接方法还很受焊接尺寸、形状限制。目前, 对复合材料电阻焊的研究着重于建立数学模型, 对 压 力、峰 值 电 流、脉 冲 时 间 等 焊 接 工 艺 参 数 进 行 优 化, 以期消除纤维的过度损坏, 减少飞溅, 避免母材 过熔, 从而获得最佳接头性能。接研究现状及其发展方向所作的综述。 各种焊接方法中以瞬时液相焊、真空加镁钎焊、电弧跟踪全自动 控制氩

33、弧焊及高能量密度的电容放电焊为比较适合 的焊接方法, 各发达国家都在这些方面作了大量工 作并在实验室研究中取得了很大成就, 但离实际推 广应用还有差距, 尚需作出进一步努力。参考文献M e tzge r G. E. , W R C B u lle t in, 1975; 207: 1.J. S. A hea rn , C. Coo ke and S. G. F ishm an, M e ta l Co n2st ruct io n , 1982; 4: 192.123Isek i t, Kam eda t. , J M a te r ia ls Science,1692.1984; 19:4H

34、 ill. R. , e t a l. , A dvance s in S t ructu ra l Com po site s,12 th SAM P E Sym po sium , W e ste rn P e r io d ica ls Co , N.Ho llyw oo d, Co lifo rn ia, 1967; 12: A C -18.567Kennedy. J. R. , W e ld ing R e sea rch , 1973; 3: 120.G R eyno ld s M TL TR.,1990; 7: 38.A hea rn. J. S. , M a r t in M a r ie t ta L