金属基复合材料的焊接

1．金属基复合材料的焊接 

金属基复合材料是60年代根据航空航天技术的需要发展起来的一类重要的新型工程材料。其中纤维增强的金属基复合材料，如从B、C、SiC纤维增强的铝基复合材料，具有高的比强度、高比刚度和高温性能好等特性。因此，采用这种材料不仅进步了性能，而且大大减轻了重量。但由于其制造工艺复杂，本钱昂贵，使用受到了很大的限制。因此，从简化制造工艺，降低本钱出发，又开发了另一类颗粒或短纤维增强的金属基复合材料，如用SiC颗粒（或晶须、短纤维）增强的铝塑复合材料。它具有耐磨、耐热、抗蠕变、热膨胀系数小等特性，常用作耐磨、耐热和耐蚀等零件。它不仅用于航空发动机零件，而且在民用产业中也得到了广泛的应用，如汽车发动机活塞、连杆、刹车器和自行车零部件等。

由于复合材料是由成分、结构和性能相差很大的金属和非金属材料复合而成，通常它们之间的物理、化学相容性较差，所以在其帛造过程中需采取特殊的复杂工艺。这给随后的加工带来了很大的困难。焊接就是困难之一。固然从60年代金属基复合材料问世后，国外已成功地解决了航天飞机中纤维增强金属基复合材料的焊接题目。但在如何简化工艺、进步效率、降低本钱和扩大应用领域等方面仍有待进一步研究，而我国在该领域尚处于起步阶段。

2. 技术关键

金属基复合材料的基体是一些塑性、韧性好的金属，而增强相往往是一些高强度、高模量、主熔点、低密度和低热膨胀系数的非金属纤维或颗粒。所以焊接这类材料时，除了要解决金属基体的结合外，还要涉及到金属与非金属的结合，有时甚至会碰到非金属之间的结合。这这种情况下，关键是非金属增强相在焊接过程中的行为和影响。这类材料焊接时的关键可回纳为：

1）从化学相容性考虑，复合材料中金属基体和增强相之间，在较大的温度范围内是热力学不稳定的，焊接时加热到一定温度后它们就会反应。决定其反应可能性和激烈程度的内因是二者的化学相容性，其外因温度。例如B/Al复合材料，加热到700K左右就能反应，天生AlB2反应层，使界面强度降低。C/Al复合材料，则加热到850K左右时反应天生Al4C3反应层，使界面强度降低。SiC/Al复合材料在固态下不发生反应，但在液态Al中发生反应,天生Al4C3脆性针状组织，它在含水环境下能与水反应放出CH4气体，引起接头低应力破坏。

因此，避免和抑制焊接时基体金属和增强相之间的反应是保证焊接质量的关键，可从冶金和工艺两方面着手解决。从冶金方面，可加进一些活性比基体金属更强的元素与增强相反应，天生无害的物质。例如加Ti可取代Al与SiC反应，不仅避免了有害化合物Al4C3的产生，而且天生的TiC还能起强化相的作用。从工艺上可以控制加热温度和时间来避免或限制反应的产生。例如SiC/Al复合材料用固态焊接就能避免反应的产生；熔化焊时需采用低的输进来限制反应。

2）从物理相容性考虑，当基体与增强相的熔点相差较大时，熔池中存在大量未熔增强相而使其活动性变差。这将导致气孔、未焊透和未熔合等缺陷的产生；另外，在熔池凝固过程中，未熔增强相质点在凝固前沿集中偏聚，破坏了原有分布特点而使性能恶化。

解决该题目的冶金措施是采用活动性好的填充金属，并采取工艺措施，减少复合材料的熔化，如加大坡口，采用热输进低的TIG焊等。

3）当固态增强相不能被液态金属润湿时，焊缝中会产生结合不良的缺陷，这可选用润湿性好的填充金属来解决。

4）当焊接过程中加压过大时，会产生纤维的挤压和破坏，如摩擦焊和电阻焊。

3．几种焊接方法的比较

基于前面的分析，固态焊接和钎焊明显优于熔化焊。首先，它避免了复合材料的熔化；其次，还可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内。但它们的缺点是接头型式的局限性较大，而且工艺复杂，生产率较低，尤其是扩散焊。对固相焊中的摩擦焊来说，界面温度虽很高，但时间很短，所以不会影响接头性能。但由于摩擦焊接施加很大的压力，会损伤纤维、故不适于焊接纤维增强的复合材料。这一现象在电阻焊时同样存在。采用软钎焊时，温度可以很低，但接头强度也低。用熔化焊焊接金属基复合材料时，固然存在很多题目。但由于其高效、简便而具有很大的吸引力，因此并未放弃对它的研究。填丝TIG焊在一定条件下已获得应用，如焊接Al2O3颗粒增强铝基复合材料的自行车架。从尽量减小熔化区和热压响区出发，似乎高能束激光焊对焊接复合材料很有利。但由于其能量密度很高，熔池局部温度很高，并由于增强相对激光的吸收率高而导致增强相过热、甚至熔化，从而使反应更为激烈。采用脉冲激光焊可有所改善，但并不能完全抑制反应的进行。

4. 发展远景

金属基复合材料由于其优异的性能而具有广泛的应用远景，现在主要的题目仍然是本钱高和加工困难。其中焊接题目不解决就很难在结构中大量应用。因此，焊接将成为金属基复合材料今后扩大应用中的关键。固然固态焊接和钎焊较为成功，但由于它们的局限性而无法满足金属基复合材料大规模发展的需要。相反，生产率高，工艺较为简便的熔化焊由于其冶金题目而难于得到满足的结果。进一步发展焊接工艺和焊接材料仍然是一个艰巨而又重要的任务。开发活动性好，润湿性好，能抑制不利的冶金反应，强化焊缝的复合专用填充材料其中包括特殊钎料是一个重要的研究领域。在工艺方面从降低焊接温度，进步接头结合强度出发应研究过渡液相扩散焊和共晶扩散钎焊等新工艺；从进步生产率，降低本钱出发应该进一步研究能严格控制热输进和母材熔化量的熔化焊工艺，如脉冲氩弧焊和脉冲激光焊以及熔化量很少的加压焊等。