鋁基復(fù)合材料焊接研究現(xiàn)狀及展望

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1、鋁基復(fù)合材料焊接研究現(xiàn)狀及展望牛濟(jì)泰劉黎明韓立紅(哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)摘要闡述了鋁基復(fù)合材料焊接研究現(xiàn)狀,主要討論了熔化焊、擴(kuò)散焊、釬焊、摩擦焊及電阻焊在焊接鋁基復(fù)合材料中存在的問(wèn)題,并提出了解決問(wèn)題的途徑.結(jié)合作者的試驗(yàn)結(jié)果,著重對(duì)擴(kuò)散焊進(jìn)行較詳細(xì)的論述.關(guān)鍵詞鋁基復(fù)合材料;焊接分類(lèi)號(hào)TG406(1)由于增強(qiáng)相與基體鋁合金物理性能特別是熔點(diǎn)相差很大,給熔池溫度控制帶來(lái)困難;(2)在高溫下容易引起基體—增強(qiáng)相間的界面反應(yīng),生成脆性化合物,極大的降低了接頭的性能,而且界面反應(yīng)生成物在一定環(huán)境下變得極不穩(wěn)定,將進(jìn)一步降低接頭的使用性能3,8,9;(3)大量

2、固態(tài)增強(qiáng)相存在于熔融液態(tài)鋁基體中,使熔池的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)與結(jié)晶方式變得復(fù)雜,同時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)生大量夾渣、氣孔、孔穴等缺陷.以上原因嚴(yán)重制約著熔焊方法在復(fù)合材料連接中的應(yīng)用,近年來(lái)隨著研究的深入,人們提出了解決這些問(wèn)題的相應(yīng)措施,使得這一方法又出現(xiàn)新的熱點(diǎn),例如從制造工藝上在纖維增強(qiáng)相表面涂加一層覆蓋層6;在焊接工藝上則應(yīng)采用:(1)降低熔池的熱輸入,同時(shí)填充一定的合金元素不僅有利于抑制界面反應(yīng)而且還可減少焊逢中的各種缺陷,得到高質(zhì)量的焊逢10;(2)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于粉末冶金法制造的復(fù)合材料,焊縫中氣孔的來(lái)源是氫從鋁基復(fù)合材料的鋁粉末中析出的結(jié)果.因此,對(duì)SiCp/Al鋁基復(fù)合材料焊前進(jìn)行真

3、空去氫處理,可明顯減少焊逢中氣孔、裂紋等缺陷,顯著提高接頭質(zhì)量10;(3)采用高能束激光焊方法焊接鋁基復(fù)合材料,由于這種方法具有高能量輸入的特點(diǎn),快速加熱與冷卻,采用脈沖輸入方式,可抑制界面反應(yīng),細(xì)化組織,減少缺陷,從而可以獲得良好的接頭,但在操作時(shí)對(duì)激光的功率控制非常重要6、11;(4)本文利用高能激光束,配以氮?dú)夂Y的冷卻和溫度場(chǎng)調(diào)節(jié),誘導(dǎo)和改善鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)相和基體的界面反應(yīng),從而提高接頭強(qiáng)度,為激光焊鋁基復(fù)合材料作為一種新興材料,由于其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗輻射、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的綜合性能而受到人們的廣泛關(guān)注,并將逐步取代部分傳統(tǒng)的金屬材料而廣泛應(yīng)用于航空

4、、航天、汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域,成為當(dāng)今金屬基復(fù)合材料發(fā)展與研究的主流.眾所周知,任何先進(jìn)材料只有被加工成構(gòu)件以后,才真正具有使用價(jià)值而焊接是形成構(gòu)件必不可少的加工手段.鋁基復(fù)合材料的焊接性差,很難形成高強(qiáng)度的焊接接頭,成為該種材料走向?qū)嵱没膰?yán)重障礙.因此,幾乎與鋁基復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)同時(shí),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該種材料的連接問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究1～7.本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋁基復(fù)合材料焊接工藝和可焊性的研究進(jìn)行總結(jié),討論了熔化焊、擴(kuò)散焊、釬焊、摩擦焊及電阻焊在焊接鋁基復(fù)合材料中存在的問(wèn)題及相應(yīng)解決途徑,并結(jié)合作者的試驗(yàn)結(jié)果著重介紹了擴(kuò)散焊,以期對(duì)今后的研究有所幫助.鋁基復(fù)合材料的焊接方法及

5、其焊接性在復(fù)合材料中,鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)相與基體之間的物理、化學(xué)性能差別很大,使得焊接性很差.各種焊接方法都有一定困難,下面分別論述.1.1熔焊(TIG,MIG)TIG、MIG作為應(yīng)用范圍廣、使用成本低的理想焊接方法應(yīng)用于鋁合金焊接,取得了令人滿(mǎn)意的焊接質(zhì)量,但應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的焊接結(jié)果卻很不理想,主要原因如下:1收稿日期:1998-08-10.牛濟(jì)泰,男,1941年生,教授;哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(150001).第1期牛濟(jì)泰等:鋁基復(fù)合材料焊接研究現(xiàn)狀及展望·131·在鋁基復(fù)合材料連接中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑.1.2釬焊釬焊一般采用搭接接頭,這對(duì)于纖維增

6、強(qiáng)鋁基復(fù)合材料來(lái)講實(shí)際上是把復(fù)合材料的焊接問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為基體材料焊接問(wèn)題,變得容易解決;而對(duì)于非連續(xù)(晶須、顆粒)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料就比較復(fù)雜,由于增強(qiáng)相的存在,嚴(yán)重阻礙了釬料在母材上的潤(rùn)濕與鋪展,同時(shí)給焊接過(guò)程中溫度控制帶來(lái)困難,另外,鋁基復(fù)合材料表面的氧化膜嚴(yán)重影響釬料在母材表面潤(rùn)濕與鋪展,成為鋁基復(fù)合材料釬焊的一大難點(diǎn).文獻(xiàn)13介紹在釬料中添加表面活性元素Si、Mg、Ti等,可使其潤(rùn)濕性得到明顯改善.另外使用釬劑不僅可以清除母材和釬料表面的氧化膜,而且還可使原來(lái)的“固體母材—液體釬料—環(huán)境氣氛”潤(rùn)濕系統(tǒng)變?yōu)椤肮腆w母材—液體釬料—液體釬劑”潤(rùn)濕系統(tǒng),使?jié)櫇裥缘玫矫黠@改善13～1

7、5.由于釬焊一般采用搭接接頭,這就限制了它在實(shí)際焊接中的應(yīng)用.1.3摩擦焊摩擦焊時(shí),兩個(gè)接觸面相對(duì)高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)又處于一定的軸向壓力之下,使得接觸面產(chǎn)生塑性流變來(lái)實(shí)現(xiàn)連接,這對(duì)于纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料來(lái)講將導(dǎo)致增強(qiáng)相的嚴(yán)重?cái)嗔?是不合適的;而對(duì)于非連續(xù)(晶須、顆粒)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,增強(qiáng)相在焊接壓力的作用下盡管也部分地破碎細(xì)化,但對(duì)接頭強(qiáng)度不會(huì)造成太大的影響.文獻(xiàn)16指出在摩擦焊焊接SiCpΠAl時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭區(qū)域SiC顆粒破碎細(xì)化,Al基體晶粒通過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)而細(xì)化,接頭的強(qiáng)度經(jīng)T6處理后接近于母材