铝基复合材料焊接研究述评

注：UD——单向(50%体积), CP——横向铺层(45%体积), HT——焊后热处理到T6状态

表3　点焊接头力学性能

测试试样材料

注：*——单向； **——SiC涂层的B纤维

2.2　钎焊和扩散焊
　　钎焊的最大特点是焊接温度较低，是在母材基本不熔化而处于固态状态下完成连接的，对母材造成的影响很小。焊接一般不需要特殊设备，而焊件尺寸、形状有较大的自由度。钎焊使用的钎料有软钎料(熔点低于450 ℃的钎料)和硬钎料(熔点高于450 ℃的钎料)两种。将装配好钎料的焊件置于真空炉中加热所进行的钎焊叫真空钎焊；将焊件或装配好钎料的焊件整体或局部浸沉在钎料浴槽或盐浴槽中加热进行钎焊的方法叫浸沾钎焊；将焊件直接通以电流或将焊件放在通电的加热板上利用电阻热进行钎焊的方法叫电阻钎焊。软钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊和真空钎焊均适用对Al-MMCS的连接,普遍认为，钎焊是较简单易行、最适合Al-MMCS 的焊接方法。B/Al复合材料的连接用这几种钎焊方法都是成功的。
　　软钎焊采用Cd-Ag或Zn-Al钎料，在低于450　℃时钎焊B/Al与B/Al、B/Al与Ti。钎焊制成B/Al管OVI卫星发射架，接头剪切强度可达80 MPa。浸沾钎焊采用Al-11.6Si钎料，在537 ℃下预热4 min后，在593　℃钎焊45　s，即可获得良好润湿和均匀的B/Al与B/Al、B/Al与Al、B/Al与Ti的浸沾钎焊接头。电阻钎焊在427　℃以上进行，焊接时间控制在2 min多以内，否则会降低接头的强度，所以采用快速加热，用平电极和718铝箔钎料(Al-12%Si)，在几秒钟内进行焊接，已经焊接过Gr/Al＋Gr/Al、Gr/Al＋2219Al和B/Al＋B/Al。真空钎焊是最适合Al-MMCS 的钎焊方法之一，不需要去除焊后的钎剂残渣，零件焊后变形小，焊接接头强度高，通常采用Al-Si-Mg钎料，在温度低于590　℃、保温时间5 min ～15　min、真空度不低于4×10-3Pa。
　　为避免B纤维与熔融Al液发生界面反应，在B纤维表面涂Si或B4C涂层；钎焊时用双面搭接接头，严格控制加热或冷却速度，避免不适当的加热或冷却使纤维与Al之间因热膨胀系数的差别产生热应力，损害钎焊接头。B/Al带材制造长660 mm、宽76.2 mm的帽形截面桁条，钎焊之前抽掉热等静压炉中空气，加温到413　℃、保温30 min，烘拷带材，然后加热到532　℃时，向炉中通入3.5 MPa压力的Ar气，使被焊件紧贴在模具上，再加热到593　℃、保温10 min，完成钎焊。
　　扩散焊是把两焊件紧密贴合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。这种焊接方法的焊接温度也较低，对增强材料的影响小，很适合Al-MMCS的焊接。美国航天飞机上大量使用的B/Al管是由加利福尼亚州通用动力公司的康维尔分公司宇航部门扩散焊成的；这种管由强度2 760 MPa、弹性模量6 900 MPa的B纤维增强6061Al制成0.18 mm厚的单向性带材，将带材在钢芯上卷成一定厚度的圆管，然后将Ti-6Al-4V端环安装在B/Al管两端，在温度520　℃、压力69 MPa的密闭热压釜中，把B/Al管与Ti合金端环扩散焊焊接在一起［7］。
2.3 熔化焊和激光、电子束、等离子弧焊
　　焊接Al-MMCS的熔化焊分为TIG焊(钨极惰性气体保护电弧焊)和MIG焊(熔化极惰性气体保护电弧焊)。从60年代起J. R. Kennedy研究了B纤维增强6061Al的焊接。熔焊比上述其它焊接方法的热输入大，在热电弧的作用下增加了界面的熔化，B纤维和Al相互反应。这种反应通常在680　℃熔化的Al中发生。温度更高(740　℃)时、仅3 min发生相互反应，在熔化区、热影响区产生严重的焊接脆性，使B纤维破断、发裂，严重时焊接接头强度大大下降，所以熔焊Al-MMCS存在一定困难性。但是，在采用或不采用填充焊丝、300　A的交、直流焊接电源上还是可以焊接B/Al的。当用4043Al焊丝填充时可以使焊接熔池稳定，增加B和Al的浸润性，效果好。Kennedy用1 mm直径的钍钨极、2 mm直径的4043Al焊丝，在Ar气保护下，用带槽(槽宽2 mm)铜棒作垫板、焊接了0.63 mm、1.27 mm厚的B/Al，结果发现B纤维在焊接过程中并没有明显的损伤，焊缝的化学成分比不加焊丝有改变，焊缝组织有改善［5～6］。
　　激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的热量进行焊接的。电子束焊是利用加速和聚焦的电子轰击置于真空或非真空中的焊件接缝所产生的热能进行焊接的。等离子弧焊是利用等离子焊抢，将阴极(如钨极)和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧，以这种电弧作焊接热的熔焊方法。这3种焊接方法的特点是能量密度高、热源集中、焊缝窄，很适合熔点高的钛基复合材料的焊接，日本用激光焊成功焊接SiC纤维增强Ti-6Al-4V复合材料，效果很好。而用这几种高能量密度的焊接方法焊接熔点低、活泼的Al时，反应、蒸发加剧；在SiC/Al焊接时损坏SiC纤维，形成大量的Al3C4和块状Si，对焊缝很不利，破坏了复合材料的结构和性能并吸附水分，降低了热影响区的腐蚀阻力，所以这几种焊接方法不宜焊接Al-MMCS［5，8］。

3　焊接问题和研究
　　Al-MMCS基体材料通过锻造、铸造＋T6处理、快速凝固和粉末冶金制造，增强材料由连续纤维向非连续(即粒子、晶须、短纤维)发展增强Al合金(DRA)，制造工艺日趋成熟，各种材质在市场上均有销售。在过去30年中，美国采用不同的焊接工艺对其进行了研究，对出现的焊接工艺问题进行了改进，为今后深入研究、完善的应用打下基础。
3.1　电阻焊
　　电阻焊最大的问题是飞溅。B/Al由于材料界面的分层，电阻焊顶锻压力不够或者顶锻压力时间过长，引起纤维断裂，更重要的是材料分层增加了材料局部电阻率和局部热输入，产生材料局部过热和熔化；当分层出现在与电极相接触的表面时，在顶锻压力作用下加热熔化的合金被挤出，即飞溅，甚至毁坏电极。所以在Al- MMCS电阻焊时选择好电极材料和半径 ，特别是足够大的焊接和顶锻压力，以防止金属飞溅。如B/Al与B/Al点焊时，输入的热量比焊接Al合金低，而电极压力是Al合金的2倍。对点焊不同的材料、层数及工艺进行以下几方面的研究：
　　a) 开展了其它复合材料的焊接研究。除研究较多的B/Al与B/Al的焊接外，还有Gr/Al与Gr/Al的点焊，为了保证焊核的形成，在焊接界面上增加几层718合金金属箔，以增大焊接接触面的电阻，促进局部熔化。
　　b) 增加了不同材料的点焊研究。在B/Al与6061-T6Al点焊时，不能采用两个形状一样的电极。与B/Al相接触的电极用高电阻率的平头电极，与6061-T6Al相接触的电极用100 mm半径的电极。这种方式可以平衡两种材料焊接时的电阻率，减少压入Al中的压痕，以保证焊核正好在两种材料中间形成。
　　c) 不同材料三层点焊研究。在点焊Al与B/Al与Al时，由于Al的热导率高，B/Al的热导率低，点焊时热集中在B/Al中，Al合金中没有熔深，不形成焊核。调整电极压力时，加大电极压力，增大了焊接热或热脉冲的数量，在B/Al中产生大的焊核；减少压力，增加热输入，在B/Al的Al基体中又产生严重的飞溅。通过调整加热平衡，使热量移向铝板，为此在接头表面用薄的剥离条带贴在Al合金上，这种剥离条带有高的电阻率，焊接热量可以更多地加在Al上，使Al中形成足够的熔深，焊核不致于偏向B/Al中。这种条带还能减少焊接飞溅和电极压痕，焊后可以方便地撕掉这种条带。
　　d) 改进工艺装置。在点焊搭接剪切接头时，由于MMCS有方向性，接头要精确地对准，所以要采用夹具把接头固定后再焊接。横向铺层B/Al点焊的电极半径尺寸要加大，以弥补材料的差别。对于带有多脉冲的电阻焊机，焊接时要有足够的冷却水，并要控制好焊接加热、加压和顶锻延迟，否则影响焊核质量，损坏电极［4］。
3.2　钎焊和扩散焊
　　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开。在Al-MMCS的钎接过程中，钎接温度、时间及装配质量、表面处理情况存在问题如下：
　　a) Al2O3氧化膜严重影响焊接质量。Al在空气中很容易与氧发生反应生成致密、稳定的Al2O3表面氧化膜，氧化膜随着温度升高氧化加剧，迅速增厚到1～2×10-4mm。而Al2O3熔点很高(约2 050 ℃)，又具有很高的化学稳定性，严重影响钎料在母材表面上的浸润与铺展产生。
　　b) Al影响钎接质量。Al是很活泼的金属，当钎焊时产生一定的温度并保温一段时间后，与增强材料如SiC发生反应，生成一层硬而脆的Al4C3脆性相分布于SiC界面，大大降低接头强度。随着温度升高，时间延长，脆性化合物增厚，复合材料的强度受到严重损失。
　　c) 钎焊温度控制难。由于Al- MMCS 熔点较低，与钎料熔点很接近，因此要求钎焊过程温度控制要相当准确，温度低了不利于钎料的流动铺开，温度高了又容易引起母材过烧熔蚀。一般要把温度偏差控制在±5 ℃，这给钎焊带来很大困难。
　　d) 增强材料影响钎料的流动铺展开。Al合金基体的熔点低，如LD2熔点为660.5 ℃，在钎焊温度时被部分熔化，而增强材料的熔点高如SiC增强材料熔点为2 830 ℃左右，在钎焊温度时不分解、不熔化，呈固体状态，使钎焊料粘滞，流动性变差，严重影响钎焊料正常填缝。
　　当前主要研究Mg对钎焊过程所起的积极作用，重点放在研究钎焊工艺对接头性能、微观组织的影响，以便改善钎焊接头的质量，如在钎焊Gr/Al与Gr/Al，Gr/Al与6061采用Al-Si-Mg钎料，在590 ℃、5 min～10 min可成功地焊接。另一方面采用共晶连接代替钎焊，正处于研究复合材料焊接的机理及其对接头强度影响的阶段。
　　扩散焊所需时间较长，对设备要求较高，成本也很高，焊接件尺寸形状也很受限制，缺乏通用性。扩散焊的质量受到表面处理和焊接工艺参数的影响，主要因素有：
　　a) 电抛光表面处理适合接头焊前准备，而机械加工处理使母材待焊接表面存在较大的残余应力。这种应力使纤维发生断裂，断裂的纤维碎片聚集在焊缝金属与母材交界面上，使接头强度大大下降。
　　b) 打磨时间越长，增强材料越容易暴露。接合面上，增强材料与增强材料相接触机会越多，基体与基体材料接触机会相对少，出现增强体与增强体聚集在一起而又不结合的情况，造成接头存在缺陷，大大降低接头强度。
　　c) 扩散焊温度压力值较小，随着焊接温度、压力的增加，接头强度接近线性增加值。在一定的温度、压力范围接头强度达到最佳值，这时温度变化10 K，压力变化1 MPa，都会使接头强度显著下降。扩散焊不容易使基体与基体材料，基体与增强材料结合良好，并且容易使增强材料发生损伤，所以对焊接温度、压力的控制要求很严格。
　　当前，国外采用中间过渡层金属可以大大提高接头的强度。通过原来界面上增强材料与增强材料的接触改为增强材料与中间材料的接触，可使结合强度大大提高。如果在过渡层金属中再添加某些合金元素还可以大大提高母材的可焊性，提高接头的强度。如加入合金元素Mg可与Al2O3反应生成MgAl2O4，从而去除Al表面的氧化膜，同时环境中的氧发生反应防止Al的进一步氧化，使Al-MMCS 的可焊性大为提高。另外，采用共晶连接代替固态扩散焊接，也可以使接头强度有很大的改善［6，7］。
3.3　熔化焊
　　Al-MMCS熔化焊接的特点是热输入比电阻点焊时高得多，在高温作用下熔池的反应激烈，对增强材料如纤维损伤较大，不容易获得满意的焊接接头，通常存在以下问题：
　　a) 大量的增强材料如SiC颗粒存在于熔融液态基体中，发生粘滞，使基体材料与填充焊丝材料不熔合在一起，特别是在增强材料含量高时更严重，产生夹杂，影响正常成形；另外，粘滞的熔池金属不利于氢的扩散逸出，焊缝中形成大量的气孔。
　　b) 增强材料B和Al基体之间的浸润性差，不用填充金属时，在强大的电弧热作用下，B纤维破碎和熔化，Al在电弧力的作用下从熔池中心推向边缘，不容易形成稳定的焊接熔池，焊接接头性能下降。
　　c) 基体材料Al合金中的Al是很活泼的化学元素，在高温条件下很容易与增强材料发生反应，在界面生成脆性化合物，如SiCp/Al会生成Al4C3，分布在SiC界面，大大削弱了增强材料的作用，降低了接头近缝区的强度。
　　d) 熔化结晶过程中增强材料，如SiC不能成为结晶核心，被焊缝中的结晶排斥于中心或熔合线处，极易引起焊缝中心及焊趾形成结晶裂纹，并使得焊缝组织发生脆化分层，大大降低接头强度。
　　e) 复合材料基体与增强体材料的导热系数、热膨胀系数等物理性能有显著差别，经过强大的焊接热循环后，在基体与增强体界面上产生大量微区残余应力，使接头性能下降。
　　Al-MMCS 虽然可以用TIG、MIG焊接，但焊接效果并不理想。因为焊接时热输入高，焊接熔池反应激烈，对增强物损坏较大，造成质量不容易控制，接头强度不高。近年来提出了一些方法，可以获得了较满意的接头，其母材与焊缝金属熔合良好，接头强度达到100　MPa～260 MPa。这些方法是：
　　a) 使用含Si的Al填充焊丝4043，保护了材料表面的B层，有利于焊接熔池金属流入基体，使焊接熔池稳定性增加，避免了Al从焊缝中心移向边缘。在填充焊丝中填加适量的增强相，使焊缝与母材具有相同的组织，同时在焊丝中添加适量合金元素，可以改善焊缝金属的冶金性和润湿性，如采用5356Al焊丝，它比4043Al焊丝含有较多的Mg，若Mg量达5%，改善了基体金属与增强材料之间的润湿性，减小了焊缝中心及根部的裂纹倾向，对提高焊缝质量有很大的好处。
　　b) 熔化焊接Al- MMCS 的有效办法是通过控制输入的能量、焊接速度、加热冷却速度、熔池深度、大小等工艺参数来抑制基体与增强材料的反应，控制熔池金属结晶凝固过程，达到提高焊接质量。采用陡降外特性的焊接电源和发展计算机控制及电弧跟踪的自动焊是有效办法。
　　c) 针对不同增强材料的性能特点选用不同的焊接工艺参数。如在焊接SiC/Al时，为了避免SiC分解和形成碳化物，要选择快的焊接速度，使熔池快速冷却。对于较厚的Al- MMCS 采用MIG焊，薄的材料采用TIG焊比较好。
　　d) 焊接时采用留间隙、开剖口的对接焊型式，有利于熔融金属向焊缝根部流动，克服增强相带来的粘滞问题。
　　e) 焊后再经过热处理强化，消除了焊接热循环对焊缝及母材所造成的不良影响。
　　f) Al-MMCS熔化焊接像Al合金焊接一样存在气孔和裂纹缺陷，同解决铝合金焊接缺陷一样，要从焊前清理，填加焊丝和焊接规范上解决［5，10～12］。

4　结束语
　　Al-MMCS的高比强度和高比模量受到美国航天航空部门的重视。30多年来，美国材料制造工艺技术迅速发展，材料从连续增强向非连续增强基复合材料发展，产品商品化。材料应用从航天飞机、太空望远镜、军用飞机开始向坦克、装甲、火炮、装备武器、直升飞机、桥梁和汽车领域扩展。但是，Al-MMCS扩大应用的关键是焊接技术，对于点焊主要还是研究防止金属飞溅和纤维断裂，确定产品中不同材料点焊的合理厚度，选择最佳规范参数值。对于熔化焊要加强焊接电弧对增强材料和基体材料反应的研究，纤维和基体的相容性研究，纤维损伤对焊逢完整性的影响、测试方法及力学性能的研究［1，3，11～12］。

作者单位：(北京长征科技信息研究所，北京，100076)

参考文献
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