Hw焊接版)r。ss ●专题述评● 金属基复合材料连接方法研究综述 于治水,李瑞峰,祁凯 (上海工程技术大学材料工程学院,上海201620) 摘要:拥有良好综合性能的金属基复合材料的应用往往受到没有成熟连接方法的限制。为解决这个问 本文对各种连接金属基复合材料的方法进行了系统阐述,并分析其各自的应用场合和限制条件,以便读者进行复 合材料连接工艺选择时参考。 关键词:金属基复合材料;连接;熔化焊;固相焊 中图分类号:TG33;TG44 文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2006)07-0044-05 Review for Joining Methods of Metal Matrix Composites YU Zhi-shui, LI Rui-feng, QI Kai Abstract: One of the obstacles to using high-performing metal matrix composites(MMCs)is the scarcity of mature joining methods. To solve the problems, we introduced several kinds of joining methods for MMCs, and analyzed their conditions of application in this paper. The aim of this literature-based report is to improve the practical use of MMCs Key words: metal matrix composites; joining; fusion joining; solid state joining 金属基复合材料(MMCs)是一种新的高性能 结构材料,它可使材料同时拥有多种金属以及非1金属基复合材料的分类 金属的性能,具有髙强度、高韧性、耐高温、抗磨 MMCs一般按照其基体材料种类和强化相种 损、抗腐蚀等特殊的性能。目前它已广泛应用于航 空、航天、汽车、运输、桥梁、民用建筑、体育设施及类来进行分类 基体材料的选择通常根据实际结构中对材料 国防建设等诸多领域。MMCs是由金属基体材料 晶须状、颗粒状等等)复合而密度以及高温承受能力要求决定,其中铝合金是 最常见的基体材料,如今镁合金和钛合金同样也 成。这种新型材料的开发和应用受到国内外学者 受到了较高的重视。由于铝基复合材料在实际工 的广泛重视12。 而一个新材料的广泛应用肯定会涉及到材料 程中的支配地位,故本文绝大部分介绍以铝基复 合材料为主,而对镁基和钛基复合材料只分别介 的连接问题,而MMCs的缺点就是实现其连接以 绍了一至两种连接方法。并且,在介绍时按照熔化 及这种材料和纯金属的连接都是非常困难的。主 要表现在连接过程会破坏MMCs的性能,使其性焊、固相焊、其他连接方法等三类分别进行讨论。 强化相可以是连续的也可以是不连续的。采 对各种连接MMCs的方法进行系统阐述,并分析用连续的须状或是纤维状强化相时,这种复合材 能降到金属基体的性能,甚至更低吋。本文试图 料可在强化相长度方向上获得较高的静态和动态 其各自的应用场合和限制条件,以便读者进行的力学性能,同时这种材料也存在较高的技术复 MMCs连接工艺选择时参考,从而推动MMCs的 杂性和相应较高的成本。因此本文只是对这种材 广泛应用。 料简单地提一下。而颗粒强化复合材料是目前应 用最广的非连续型强化相MMCs。这些颗粒主要 收稿日期:2005-11-24 以陶瓷为主,包括:SC、AlO3BC和TiC等。颗 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475051) 粒相强化的复合材料具有各向同性、易于加工 作者简介:于治水(1960-),男,山东青岛人,教授,博土,主要研究 及很少需二次加工等优点。使用短纤维作为强化 方向新材料连接技术;电话:13381651280; E-mail:yuzhishui@163.com 相的MMCs由于技术上的复杂性以及造价更高 《热加工工艺》2006年第35卷第7期 2C1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.allrightsreserved.http://n.cnkiner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 专题述 评 金属基复合材料连接方法研究综述 于治水 , 李瑞峰 , 祁凯 上 海工 程技术 大 学 材料 工 程 学院 , 上 海 摘 要 拥有 良好综合性 能 的金 属 基 复合材料 的应用 往往受到没有 成熟 连 接方法的 限制 。 为解决这个 问题 , 本文对各种连接金 属 基复合材料的方法 进行 了 系统 阐述 , 并分析其各 自的应用 场合和 限 制条件 , 以 便读者进 行复 合材料连接工艺选择时参考 。 关键词 金属 基复合材料 连接 熔化焊 固相 焊 中图分类号 文 献标识码 文章编 号 一 一 一 一 , 一 , 五 《刀印 公 , 动面 动。 妙 刀娜 二 , 田妙成 , 一 〕 , 灯 」 , 加 一 议 金 属 基 复合材 料 是 一 种 新 的高性 能 结构 材料 , 它可使材料 同时拥有多种金属 以及非 金 属 的性 能 , 具有 高 强 度 、 高韧 性 、 耐 高 温 、 抗 磨 损 、 抗腐蚀等特殊的性能 。 目前它 已 广泛应用 于航 空 、 航天 、 汽 车 、 运输 、 桥梁 、 民用建筑 、 体育设施及 国防建设等诸多领域 。 是 由金属基体材料 和增强剂 有 纤维状 、 晶须状 、 颗粒状等等 复合而 成 。 这种新 型 材料 的开发 和应 用受到 国内外 学者 的广泛重视 。 而一个新材料 的广泛应用肯定会涉及 到材料 的连接 问题 , 而 的缺点就是实现其 连接 以 及这种材料 和 纯金属 的连接都是非 常 困难 的 。 主 要表现在连接过程会破坏 的性 能 , 使其性 能降到金 属基体 的性 能 , 甚 至更 低 〕。 本文 试 图 对各种连 接 的方法进行 系统 阐述 , 并 分析 其各 自的应 用 场 合 和 限制 条 件 , 以便读 者 进 行 连接工 艺选择 时参考 , 从而 推动 的 广泛应用 。 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 作 者 简介 于 治 水 一 , 男 , 山 东 青 岛 人 , 教授 , 博 士 , 主要 研 究 方 向 新材料连接技术 电话 一 皿多 金属 基复合材料的分类 一般按照其基体材料种类和强化相种 类来进行分类 。 基体材料 的选择通 常根据实 际结构 中对材 料 密度 以及高温 承受能力要求决定 , 其 中铝合金是 最 常见 的基体材料 , 如今镁合金 和钦合金 同样也 受到 了较高 的重视 。 由于铝基复合材料在实 际工 程 中的支配地位 , 故本文绝大部分介绍 以 铝 基复 合材料为 主 , 而对镁基和钦基 复合材料 只分别介 绍 了一 至两种 连接方法 。 并且 , 在介绍 时按 照熔化 焊 、 固相焊 、 其他连接方法 等三类分别进行讨论 。 强化相可 以是连续 的也可 以是不连续 的 。 采 用 连续 的须状或是纤维状强化相 时 , 这种复合材 料 可在强化相 长度方 向上获得较高的静态 和动态 的力 学性能 , 同时这种材料也存在较高 的技术复 杂性 和 相应较高 的成本 。 因此本文只是对 这种材 料简单地提一下 。 而颗粒强化复合材料是 目前 应 用最广 的非连续 型强化相 。 这些颗粒主要 以 陶瓷 为 主 , 包括 、 几 、 祀 和 等 。 颗 粒相强化 的复合材料具有各 向同性 、 易 于加工 以 及很少需 二次加工等优点 。 使用短纤维作 为强化 相 的 由于技术上 的复杂性 以及造价更高 , 《热 加 工 工 艺 》 年 第 卷 第 期
Hw焊接版(2)" 因此不如前两种应用广泛。 MMCs时具有更好的实用性。通过两种焊接方法 2铝基复合材料连接方法 填充焊丝焊接BC强化的6061铝基复合材料表 明,GMA焊接结果最好。GMA焊对于MMCs连 21熔化焊工艺 接是一个可行的焊接工艺吗 由于熔化焊的特征,使得熔化焊连接铝基复 文献[13,14]提出了一种新的非直接电弧 合材料时存在很多困难,主要表现在熔化金属粘MG焊工艺,由于避免了电弧的直接加热使得焊 度大;基体和强化相之间熔点相差较大;熔化金属接热影响区减少,并且减少了强化颗粒的溶解现 凝固时偏析现象严重;强化相和金属基体会产生象。因此此方法对解决熔化焊接MMCs遇到的问 相互作用;以及气体的逸出等其中高的熔化金属题时,是一个不错的选择。 粘度可能使熔化的母材金属和填充金属很难混 (2)激光焊激光焊热源功率密度非常高, 合,尤其在使用富S铝合金焊丝或母材基体中含大约为10W/cm2高的能量密度对于产生要求的 有较多的Si时此问题最为严重。 材料反应是必要的“光束耦合”。对于铝基复合材 对于SC颗粒强化的铝基复合材料,经常会料来说,其光束耦合是纯金属材料的四倍多。从而 出现强化颗粒偏聚的现象,这主要是由于熔池的使得在窄的焊接热影响区情况下,可以获得深而 凝固前沿对陶瓷颗粒的排斥作用,从而导致形成窄的焊缝。但是激光束作用下导致母材达到 无强化粒子(未强化)区域。对于使用AO3作为个较高的温度并使得基体和SC强化颗粒发生相 强化粒子的铝基复合材料,使用含Mg量高的焊互作用,会恶化接头组织产生包括A4C3、初生Si 丝是有益的区28 以及Al-Si共晶等。但这一方面可通过控制能量 通过提高连接温度而降低粘度的方法会导致的输入量以及输入形式减少这些反应的量叫,另 强化相和基体之间的相互作用强烈从而恶化接头一方面可以通过使用含Ti焊丝1或是通过在对 性能。在SC强化铝基复合材料连接时,会形成接材料中间放置钛箔等方式添加如钛等强碳化物 片状的AC3及块状的Si,从而导致形成的微观形成元素的方式减少反应量吗。而当强化相为 织变脆。文献[9表明,这些反应在激光/电子束AO3或BC等MMCs时出现此类问题的可能性 焊时因较高温度溶池的存在会较容易产生。因此较小a。 为了减少片状ALC3的产生,必须慎重制定焊接 (3)电子束焊由于电子束会在气体分子作 参数,同时对基体成分的选择也很关键。 用下而发生散射,因此电子束焊一般在真空条件 通过粉末冶金制成的MMCs进行熔化焊时下进行。具有高能量密度的电子束产生的热源(达 气孔是一个常见的缺陷,如果封闭气体含量过大,105W/cm2)加热被焊区域时会产生一个深而窄的 会产生气体(尤其是氢气)逸出现象,从而导致在焊缝网。电子束焊和激光焊相比,ASiC之间的反 焊接热影响区尤其是在半熔化区产生扩展裂纹和应相对较少。不过,电子束焊连接SC强化铝基 /或焊接气孔。这种问题可以通过对粉末进行脱复合材料的优点也是有限的,可以通过尝试采用高 气工艺来避免。 速以及温度可控焊接自动化等提高其连接质量。 (1)GTA焊和GMA焊(TA焊工艺已经 (4)电容放电焊电容放电焊是一种电阻焊 广泛用于6xxx系列( Al-Mg-Si)铝基复合材料,此它的能量来源于电容的快速放电过程,此时可施 时较好的参数是低线能量和使用高硅焊丝焊接材加一定的压力于接头界面。由于放电脉冲非常短 料。对于ALO强化的复合材料,推荐使用富镁焊只有5~25ms,因此可以避免一些不需要的反应 丝,这样可以避免强化颗粒在溶池中产生不润湿过程,而且可以获得比传统点焊较好的接头性能 或富集等现象。对于连续强化的AI(6061)-B复此焊接方法已在多种ASiC复合材料焊接试样 合材料采用不填丝GTA焊接时,硼纤维会产生中得到应用叫 定的过热现象,导致强化纤维的破碎及溶解,此 问题可通过适当使用富硅焊丝进行解决。另外22固相连接工艺 研究发现,高速自动GMA焊比∝TA焊在焊接 (1)扩散焊当采用扩散焊连接两块固体材 《热加工工艺》2006年第35卷第7期 2 01994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All righa sreservedhttp://mnr.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 黔蒸蒸 焊 接 版 因此不如前两种应 用广泛 。 铝基复合材料连接方法 熔化 焊工艺 由于熔化焊 的特征 , 使得熔化焊连接铝基复 合材料时存在很多 困难 , 主要表现在熔化金属 粘 度 大 基体和强 化相 之间熔 点相 差较大 熔化金属 凝 固时偏 析 现象严重 强化相 和金 属基体会产生 相互作用 以及气体 的逸 出等 。 其 中高 的熔化金属 粘 度 可 能使熔 化 的母 材 金 属 和 填充 金 属 很 难 混 合 , 尤其在使用 富 铝合金 焊丝或母材基体 中含 有较多 的 时此 问题最 为严重 。 对于 颗粒强 化 的铝基复合材料 , 经 常会 出现强 化颗粒偏聚 的现象 , 这 主要是 由于熔池 的 凝 固前沿对 陶瓷颗粒 的排斥作用 , 从而导 致形 成 无强 化粒子 未 强化 区域 。 对于使用 作 为 强化粒子 的铝基复合材料 , 使用含 量高 的焊 丝是有益 的脚 。 通 过提高连接温度 而降低粘度 的方法会导致 强化相 和基体之间 的相互作用 强烈从而恶 化接 头 性能 。 在 强化铝基复合材料连接 时 , 会形成 片状 的 祀 及块 状 的 , 从而 导 致形 成 的微观 组织 变脆 。 文献【 表 明 , 这些 反应在激光 电子束 焊时 因较高温度溶池 的存在会较容 易产生 。 因此 为 了减 少 片状 军 的产生 , 必 须慎重 制定焊 接 参数 , 同时对基体成分 的选择也很关键 。 通 过粉末冶 金 制 成 的 进 行熔 化 焊 时 气孔是一个常见 的缺 陷 , 如果封闭气体含量过 大 , 会 产生气体 尤其是氢气 逸 出现象 , 从而 导 致在 捍接热影 响 区尤其是在半熔化 区产生扩展裂纹和 或焊接气 孔 。 这 种 问题 可 以通 过对粉末进行脱 气工艺来避免 。 焊 和 焊 ‘ 焊 工 艺 已 经 广泛用 于 系列 一 一 铝 基复合材 料 , 此 时较好 的参数是低线能量 和使用 高硅焊丝焊接材 料 。 对于 刃 强化 的复合材料 , 推荐使用 富镁焊 丝 , 这样可 以避免强化颗粒在溶池 中产生不润湿 或 富集等现象 , 。 对 于连续 强化 的 一 复 合材 料 采 用不 填丝 焊 接 时 , 硼 纤 维会产 生 一定 的过热 现象 , 导致强 化纤 维 的破碎及溶解 , 此 问题可通过适 当使用 富硅 焊 丝进行解 决 。 另外 研 究 发 现 , 高 速 自动 焊 比 焊 在 焊 接 时具有更好 的实用性 。 通 过两种焊接方法 填充 焊丝 焊 接 祀 强 化 的 铝基 复合材 料 表 明 , 焊接结果最好 。 焊对于 连 接是一个可行 的焊接工艺 。 文 献 「 , 提 出 了 一 种 新 的非 直 接 电弧 焊 工 艺 , 由于避 免 了 电弧 的直接 加热使得 焊 接热影 响 区减少 , 并且减少 了强化颗粒 的溶解 现 象 。 因此此方法对解决熔化焊接 遇 到 的 问 题 时 , 是一个不错 的选择 。 激光 焊 激光 焊 热 源 功率 密 度 非 常 高 , 大约 为 护 几时 。 高 的能量密度对 于产生要求 的 材料反应是必要 的 “ 光束藕合 ” 。 对 于铝 基复合材 料来说 , 其光束祸合是纯金属材料 的 四倍多 。 从而 使得在窄 的焊接热影 响 区情况下 , 可 以 获得深而 窄 的焊缝 。 但是 , 激光束作用下 导致母材达到一 个较高 的温度并使得基体和 强 化颗粒发生 相 互作用 , 会恶化接头组织产生包括 、 初 生 以及 一 共 晶等 。 但这一方面可通过控制能量 的输入量 以及输人形 式减少这些 反应 的量 , 另 一 方 面可 以 通 过 使用 含 焊 丝 阴 或是 通 过在 对 接材料 中间放 置钦箔等方式 添加如钦等强碳化物 形 成元 素 的方式 减 少 反 应 量 。 而 当强 化相 为 或 不 等 时 出现此类 问题 的可 能性 较小 , 。 电子束焊 由于 电子 束会在气体分子 作 用 下而发 生散射 , 因此 电子束焊一般在真空 条件 下进行 。 具有 高能量密 度 的 电子束产生 的热 源 达 时 加热 被 焊 区 域 时会产 生 一 个深而 窄 的 焊缝团 。 电子束焊和激光焊相 比 , 之间 的 反 应相 对较少 。 不过 , 电子束焊连接 强化铝基 复合材料 的优点也是有限的 , 可 以通过尝试采用高 速 以及温度可控焊接 自动化等提高其连接质量 , 。 电容放 电焊 电容放 电焊是一种 电阻焊 , 它 的能量来源 于 电容 的快速放 电过程 , 此 时可施 加一定 的压力 于接头界面 。 由于放 电脉冲非 常短 , 只有 一 , 因此可 以避免一些不需要 的反 应 过程 , 而且可 以获得 比传统点 焊较好 的接头性能 。 此 焊接方 法 已 在 多 种 复 合材 料 焊 接试样 中得 到应用 。 固 相 连接 工 艺 扩散 焊 当采 用扩散焊连 接 两块 固体材 《热 加 工 工 艺 》 年 第 卷 第 期
HW焊接版②r、。m 料时,它们一般会被放在一起被加热到较高的温 1)瞬时液相连接瞬时液相连接和利用中 度并承受一定的压力,然后在足够保温时间下产间层的扩散焊连接相似,在瞬时液相焊中焊接温 生充分扩散从而获得冶金结合。对于铝基复合材度要达到使得中间层和基体达到共晶温度。连接 料,其温度范围为325~520℃,而保温的时间取铝基复合材料时,通常采用Cu、Zn或Ag。根据 决于加热的温度及所要连接的材料。接触面要求AlCu和AAg二元相图,两个二元相图的共晶 足够光滑,粗糙度一般要优于Ra04μm,并且非温度分别为548℃和566℃凹。和扩散焊类似,基 常清洁。扩散连接一般是在真空或保护气氛下进体的表面必须先去除氧化膜以有利于润湿。同时 行四。由于铝合金表面会产生一层坚韧并且顽固提高基体和中间层之间的接触,接头同样需要 的氧化层,故其一般不适于扩散连接。而且强化施加一定的压力。保温时间以及温度也应该尽量 相颗粒的存在更是限制了其扩散焊的应用。但实小,从而防止对MMCs的微观破坏,同时如果不 际研究发现,不管是没有中间层或是釆用Cu或能良好控制焊接工艺,也会在界面产生强化粒子 Ag作中间层,扩散连接对于MMCs连接来说也偏聚的现象1 是可行的。扩散焊过程中,需良好控制扩散焊工 (2)硬钎焊与瞬时液相焊相似,硬钎焊也 艺,使其获得适量的物质迁移,从而避免存在颗粒是使两个接触面之间金属中间层熔化而实现连接 富集区或是颗粒贫乏区的存在,增加连接强度。的,但其中间层合金本身具有足够低的熔点,而不 尤其对于存在热传导的诸如热管、散热器和热交需和基体之间反应生成共晶体。硬钎焊中最常 换器等,扩散焊是一个较好的选择2 用的是真空炉钎焊以及浸渍钎焊。真空钎焊主要 (2)惯性摩擦焊在摩擦焊中,需要的能量用于平板结构的连接,这样可以在钎焊过程中施 是通过待连接的两个部件之间的摩擦产生的。作加较大的垂直压力。浸渍钎焊使用时利用化学钎 为摩擦焊的一种,惯性摩擦焊主要用于至少有其剂,并且一般只用于自紧固装置。钎焊前要先去除 中一个部件是轴对称旋转的情况。旋转的部件连表面氧化物。钎焊前,必须先考虑钎料和MMC 接到飞轮,在压力作用下带动其和另一部件接触。基体之间的化学相容性,尽量避免脆性的金属间 在摩擦热的作用下,在界面处会产生一个软化层。化合物产生。研究发现在相同的钎焊参数下,钎 一般的,此层可在压力的作用下进行冷却。连接层焊接头的强度随着SC强化相的尺寸和含量的增 的形成过程包括一个镦锻过程以及连接材料在界加而降低。硬钎焊的典型应用是在热管、散热 面层中挤出的过程。采用惯性摩擦焊连接MMCs器和热交换器等方面 时,需要施加比连接纯金属材料较高的轴向压力 (3)软钎焊软钎焊(和硬钎焊有很多相似 这是由于强化颗粒的存在使得流动应力增加。之处)是一个相对温度较低的连接工艺。它和硬钎 〔3)搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是将待连接材焊的温度分界线为450℃。使用软钎焊能使热处 料夹紧在垫板上以保证被连接表面不会分开;搅理铝合金不会被软化,且接头的热变形会降到最 拌头沿连接线移动产生摩擦热,并在其周围产生低,但其接头强度相对于硬钎焊来说也是较低 个塑性材料区;塑性材料在力的作用下从搅拌的。由于铝合金表面会存在一层坚韧的氧化膜, 头前部移动到后部,并在冷却时形成焊接接头。此因此接头表面必须非常平整以利于钎料的铺展 固相连接可保证化学特性得到保留,并使得强化或是采用强力钎剂。钎焊后,去除针剂的残留物 粒子在基体中均匀分布。由于搅拌摩擦焊时较低也是非常重要的,不然,会在服役过程中产生电化 的焊接温度使得强化粒子发生化学反应的可能减学腐蚀或产生液态金属脆化。但是最近研发的 小。对于SC强化的MMCs,研究表明,当强种新型针料( Sn-Ag-T计+镧系元素)使得连接前的 化粒子含量在25%以内都是可以使用搅拌摩擦电镀或针剂等处理变得多余凹 焊的。此时较易产生的问题是SC颗粒会造成搅 (4)粘接考虑到粘接是对MMCs接头的完 拌头产生磨损现象口 整性影响最小的连接方式,因此粘接是风险最小 的选择。它不会带来高的夹紧压力,因为可以避 23其他连接工艺 免对强化纤维的物理破坏;不会有钎剂残余带来 《热加工工艺》2006年第35卷第7期 2 01994-2010 China academic Journal Electronie Publishing House. all rights reserved. hup: /rw cnki net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 料 时 , 它们一般会被放在一起被加热 到较高 的温 度并 承受一定 的压力 , 然后在足够保温 时间下产 生充分扩散从而获得冶金结合 。 对 于铝基复合材 料 , 其 温 度 范 围 为 一 ℃ , 而 保 温 的 时 间取 决于加热 的温度及所要连接 的材料 。 接触 面要求 足够光滑 , 粗糙度 一般要 优 于 林 , 并且非 常清洁 。 扩散连接一般是在真空 或保护气氛下进 行 。 由于铝合金 表面会产 生一 层 坚韧并且顽 固 的氧化层 , 故其一般不适 于扩散连接 。 而且强 化 相 颗粒 的存在更是 限制 了其扩散焊 的应用 。 但实 际研究 发现 , 不 管 是没有 中间层 或是采用 或 作 中间层 , 扩散连接对 于 连 接来 说也 是可行 的 。 扩散焊过程 中 , 需 良好控制扩散焊工 艺 , 使其获得适量 的物质迁移 , 从而避免存在颗粒 富集 区或 是颗粒贫 乏 区 的存在 , 增 加 连 接强 度 。 尤其对于存在 热传导 的诸如热管 、 散热器和热交 换器等 , 扩散焊是一个较好 的选择 卿 。 惯性摩擦焊 在摩 擦焊 中 , 需要 的能量 是通过待连接 的两个部件之间 的摩擦产生 的 。 作 为摩擦焊 的一种 , 惯性摩擦焊 主要用 于至少有其 中一个部件是轴对称旋转 的情况 。 旋转的部件连 接到飞轮 , 在压力作用下带动其和另一部件接触 。 在摩擦热 的作 用下 , 在界面处会产生一个软化层 。 一般 的 , 此层可在压力 的作用下进行冷却 。 连接层 的形成过程包括一个徽锻过程 以及连接材料在界 面层 中挤 出的过程 。 采用 质性摩擦焊连接 时 , 需要施加 比连接纯金属材料较高 的轴 向压力 , 这是 由于强化颗粒 的存在使得 流动应力增加 。 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊是将待连接 材 料 夹 紧在垫板 上 以保证 被连 接 表 面不会分 开 搅 拌头沿连接线移动产生摩擦热 , 并在其周 围产生 一个塑性材料 区 塑性材料在 力 的作用下从搅拌 头前部移动到后部 , 并在冷却时形成焊接接头 。 此 固相连接可保证化学特性得到保 留 , 并使得强化 粒子在基体 中均匀 分布 。 由于搅拌摩擦焊 时较低 的焊接温度使得强化粒子发生 化学 反应 的可 能减 小 脚 司。 对于 强 化 的 , 研究表 明 , 当强 化 粒 子 含 量 在 以 内都是 可 以 使用 搅 拌 摩 擦 焊 的 。 此 时较易 产生 的问题是 颗粒会造 成搅 拌头产生磨损现象 。 其他 连接工艺 瞬 时液相 连 接 瞬时液相 连 接 和 利 用 中 间层 的扩散焊连接相似 , 在瞬时液相焊 中焊接温 度要达到使得 中间层 和基体达到共 晶温度 。 连接 铝基复合材料时 , 通 常采用 、 或 纯 。 根据 一 和 一 二元相 图 , 两个二元相 图 的共 晶 温度 分别 为 ℃和 ℃ 。 和扩散 焊类似 , 基 体 的表 面必须先去除氧化膜 以有利 于润湿 。 同时 为提高基体 和 中间层之 间的接触 , 接头 同样需要 施加一定 的压力 。 保温 时间 以及温度也应该尽量 小 , 从而 防止 对 的微观破坏 , 同时 如果不 能 良好控制焊接工艺 , 也会在界面产生强化粒子 偏 聚 的现象 邓 。 硬钎焊 与 瞬时液相 焊相似 , 硬钎焊也 是使两个接触面之间金 属 中间层熔化而 实现连接 的 , 但其 中间层合金本身具有足够低 的熔点 , 而不 需 和 基体之 间反应 生 成共 晶体 。 硬 钎 焊 中最 常 用 的是真空 炉钎焊 以及浸渍钎焊 。 真空钎焊主要 用 于平板结构 的连接 , 这样可 以 在钎焊过程 中施 加较大 的垂 直压力 。 浸渍钎焊使用 时利用化学钎 剂 , 并且一般只用 于 自紧 固装 置 。 钎焊前要先去 除 表 面氧化物 。 钎 焊前 , 必 须先考 虑钎料 和 基体之 间的化学相容性 , 尽量避免脆性 的金属 间 化合物 产生 。 研究发现 , 在相 同的钎焊参数下 , 钎 焊接头 的强 度 随着 强化相 的尺寸 和含量 的增 加 而 降低即 。 硬钎 焊 的典型应用 是 在 热管 、 散热 器和热交换器等方 面 。 软钎 焊 软钎 焊 和硬钎焊有很多相 似 之处 是一个相对温度较低 的连接工艺 。 它和硬钎 焊 的温度分界线为 ℃ 。 使用 软钎 焊能使热处 理铝合金不会被 软化 , 且接头 的热变形会降到最 低 , 但 其 接 头 强 度 相 对 于 硬 钎 焊 来 说也 是 较 低 的 。 由于铝合金表面会存 在一层坚韧 的氧化膜 , 因此接头表 面必 须非 常平 整 以 利 于钎料 的铺展 , 或是采用强 力钎剂 。 钎 焊后 , 去 除钎剂 的残 留物 也是非 常重 要的 , 不然 , 会在服役过程 中产生 电化 学腐蚀 或产生液态金属脆化 。 但是最近研发 的一 种新 型钎料 一 斓 系元 素 使得 连接前 的 电镀或钎剂 等处理变得 多余 。 粘接 考虑 到粘接是对 接头 的完 整性影 响最小的连接方式 , 因此粘接是风险最小 的选 择 。 它不会带来 高 的夹 紧压力 , 因为可 以 避 免对强 化纤维 的物理破坏 不会有钎剂残余带来 《热 加 工 工 艺 》 年 第 卷 第 期
WTn焊接版(2)"R 的腐蚀;没有液态金属脆性产物的产生;低的连接短纤维或长纤维发生了化学反应,此时破坏是不 温度(绝大部分≤180℃),使得连接可以用于热处能恢复的。同样当熔化焊产生偏析效应时会导致 理态铝合金。但胶粘剂的放气作用会污染使用强化相颗粒的不均匀分布,也是不易恢复的。 MMCs作为结构材料的光学镜片或光学敏感设 当采用摩擦焊时,强化相颗粒或是短纤维被 备;另外,粘接件也不适用于有高的导热或导电要打断,并在接头区域内部沿直线分布,这也是不能 求的接头。当粘接用于单片的铝合金连接时,磷恢复的,但这些会对接头的力学性能产生何影响 酸阳极氧化处理常用来提高接头的耐用性。但研还没有统一的结论;用摩擦焊工艺连接铝基复合 究发现,阳极氧化处理对于颗粒强化材料是不起材料时,摩擦热会使基体金属过热,从而导致在界 作用的。产生这种现象的原因是认为表面存在面两侧产生薄弱区域門。当基体合金为2XXX、 凹凸不平的不导电区域影响了阳极氧化处理导致6XXX7XXX及8XXX等热处理合金时,铝基复 产生不适合的氧化物结构。较好的预处理可以为合材料的性能可通过再次固溶及时效处理来达 腐蚀处理或是喷丸处理。采用硅烷作为连接的催其原始的强度 化剂并不能提高接头的连接强度,尤其是其短期 强度或耐久性 52不同连接方式的适用性 综上所述,可以得出不同连接工艺的适用性 3镁基复合材料的连接工艺 以及他们对MMCs连接适应性的定性分析结果 文献[2]介绍了旋转摩擦焊连接10%SC强化如表1所示。 的ZC71镁合金,发现SC颗粒在界面受到破坏 表1不同焊接方法适应性及其应用定性分析 通过焊后热处理可弥补焊接过程中强度的损失 接头性能 连接工艺 高温热传导导电尺寸稳复杂异种料连 4钛基复合材料的连接工艺 度便度性性能住定性利材料适用性 圆性摩擦焊O 文献34个绍了以未强化合金作为中间层扩搅拌摩擦Q9Q9 超声波焊 oooooo 散焊连接40%SC(纤维)强化的Ti-6Al-4V钛合扩散焊 金发现连接强度随着保温时间的增加而线性增妞外擦888888888 加,且当保温时间为3h、压力为10MPa、钎焊温 激光焊 oooo|o⊙⊙● 度为900℃时,界面的强度达到最大值700Pa。MA焊88889 文献3采用电容放电点焊成功地连接了3%电需点9889988 电容放电焊 ooOOO⊙ SiC(纤维)强化的Ti-6A4V钛合金。发现在最优 的焊接参数下,可避免对强化纤维的损伤和移位。黼8|8::。8888 机械连接o⊙o⊙o。o|o 文献36]研究发现采用惯性摩擦焊连接钛基复合洗铸连接。。|。⊥。| 材料(Ti-6A1-4V+10%TiC)是一种很好的选择, 注:接头性能○-高;⊙-中;●-低 且在相对较小转速和压力(转速1500r/min,压力 136MPa)作用下可获得较高的接头抗拉强度。 参考文献 对于某些纤维强化钛基复合材料,例如[1 Composite Materials Handbook, Vol 4, Metal Matrix Composite TSiC,当纤维在较高温度下存在较长时间时(例(2 Ellis M B D. Joining of metal matrix composites-a review[IM] 如扩散焊工艺)会造成其损伤。这时可利用在纤 TWi Report 489/1994, 199 维表面覆盖多层的隔离镀层进行修复。 [3] Chernyshov GG, Panichenko S A, Chermyshova T A Welding mctal composites[J]. Wekding Intemational, 2003, 17(6): 487-492 5讨论 [4] Lean PP, Gil L, Urena A Dissimilar welds between unreinforced AA6082 and AA6092/SiC/25p composite by pulsed-MIG 51接头稳定性及其力学性能 welding using unreinforced filler alloys(Al-5Mg and Al-5SiU) 焊接工艺可以通过不同的方式影响接头性 of Materials Processing Techmology, 2003, 143-144: 846-850. 能。如果热源(如前所述的激光焊)导致强化颗粒、51 Renai A, Gomez de Salazar J M, GIL L Scanning and trans- electron microscopy study of the microstructural 《热加工工艺》2006年第35卷第7期 2 01994-2010 China Academic Journal Electronie Publishing House. dl rights reserved. hup: /we cnki net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 辉 接 版 的腐蚀 没有液态金属脆性产物 的产生 低 的连接 温度 绝大部分 蕊 ℃ , 使得连 接可 以 用 于热处 理 态 铝 合 金 。 但 胶 粘 剂 的 放 气 作 用 会 污 染 使 用 作 为结 构 材料 的光 学 镜 片 或 光 学 敏 感 设 备 另外 , 粘接件也不适用 于有高 的导热或导 电要 求 的接头 。 当粘接用于单片 的铝合金连接 时 , 磷 酸 阳极氧化处理常用来 提高接头 的耐用性 。 但研 究 发现 , 阳极氧化处理对 于颗粒强化材料是不起 作用 的 。 产生这种 现象 的原 因是认为表 面存在 凹 凸不平 的不 导 电区域影 响 了 阳极氧化处理导致 产生不适合 的氧化物结构 。 较好 的预处理可 以为 腐蚀处理或是喷丸处理 。 采用硅烷作 为连接 的催 化剂并不 能提高接头 的连接强 度 , 尤其是其短期 强度 或耐久性 。 短纤维或长纤 维发生 了化学 反应 , 此 时破坏是不 能恢复 的 。 同样 当熔化焊产生偏析效应 时会导致 强 化相颗粒 的不 均匀分布 , 也是不易恢复 的 。 当采用摩擦焊 时 , 强化相 颗粒或是短纤 维 被 打断 , 并在接头 区 域 内部沿直线分布 , 这 一 电是不 能 恢复 的 , 但这些会对接头 的力 学 性能 产生何影 响 , 还没有统一 的结论 用 摩擦焊工艺 连接铝基 复合 材 料 时 , 摩擦热会使基体金 属过热 , 从而导致在界 面两侧 产 生 薄弱 区 域 。 当基体合金 为 、 、 及 等 热 处 理 合金 时 , 铝 基 复 合材料 的性能可 通 过再次 固溶 及 时效处理来达 到 其原始 的强 度哪 。 镁基复合材料 的连接 工 艺 文献 」介绍 了旋转摩擦焊连接 强 化 的 镁合金 , 发 现 颗粒在界面受 到破坏 , 通过焊后热处理可 弥补 焊接过程 中强度 的损失 。 钦基复合材料的连 接 工 艺 文献 介 绍 了 以未强 化合金 作 为 中间 层扩 散 焊 连 接 纤 维 强 化 的 ’ 一 一 钦合 金 。 发现连接强度 随着保温 时 间 的增加 而线性增 加 , 且 当保温 时 间 为 、 压 力 为 、 钎 焊 温 度 为 ℃时 , 界面 的强度 达 到 最 大值 。 文献 〔 」采用 电容放 电点焊成 功 地 连接 了 纤 维 强化 的 一 一 钦合金 。 发现在最优 的焊接参数下 , 可避免对强 化纤 维 的损伤和移位 。 文献 「 〕研究发 现采 用 ‘盼胜摩 擦焊连 接 钦基 复合 材 料 一 一 是 一 种 很 好 的选 择 , 且在相对较小转速和 压力 转速 八 , 压力 作用下 可获得较高 的接头抗拉强 度 。 对 于 某 些 纤 维 强 化 钦 基 复 合 材 料 , 例 如 , 当纤 维 在较 高温度下 存在 较长 时 间 时 例 如扩散焊 工艺 会造成其损 伤 。 这时可利 用在纤 维表面覆 盖 多层 的隔离镀层进行修复 。 讨论 接头 稳定性 及其 力学性 能 焊 接 工 艺 可 以 通 过 不 同 的方 式 影 响 接 头 性 能 。 如果热源 如前所述 的激光焊 导致强化颗粒 、 不 同连接方式 的适用 性 综 上所述 , 可 以得 出不 同连接工艺 的适用性 以及他们对 连接适应性 的定性分析结 果 , 如表 所示 。 表 不 同焊接方 法 适 应 性及 其应 用 定 性 分 析 连接 工艺 接头性 能 复合材 强 度 石爵青 料连接 膏终热传导 导 电 尺寸稳 复杂 曰 升卜 适 用性 性 能 ’ 主 目邑 险 定性 结构 耘莉 惯性摩 擦焊 搅拌摩擦焊 超声波焊 扩 散焊 瞬时液 相 焊 红外 焊 激光焊 电子束焊 焊 焊 电阻点 焊 电容放 电焊 硬钎焊 软钎焊 粘接 机械连接 浇铸连接 注 接头性能 一 高 一 中 一 低 参考 文 献 , , 约 」 称 一 , 一 」 , 刀 」 , 翻 , 浏 甲谓 晓 城恤 论沈压 司 , 田 , 一 · 」 , , 五 一 阴 一 《六 一 〔 一 【 · 」心 阎 人甸苗比 沈留加 氏 。 】 , , 一 别 一 , , , ‘ 幻 街 《热 加 工 工 艺 》 年 第 卷 第 期
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 黔 鬓蘸 焊 接 版 】 刁犯 切 如 一 小 朗 助 刀 苏 顶 夕 , 自 触 肋 奴 习 毗 , 一 劝 以 习 五 石 阴 李杏瑞涂益 民 黄金亮 复合材料与 的摩擦 焊 研究阴热加工工艺 一 一 】 川 明 伍 石 习 〔 刀 , 八 注 “ 勺 刀 , 甲 , 刀 」 腼应, 压 “ 以 闭 喇四 硼 扬罗 , 石 师 州 必 众 朋曰 凡 动 倒山阴四石朋血 批讹 刀 刀 记 毗 , 、 腼 娜 民 卿 以 卿 , 翻 哪 毗 耐 咐 刀 。 阴 咖 , 丑 民 叩 由 以 呱 雌 邓 刀 枷 盯 物 访 卿 幼 以 毗 , 比即 , , 卜 卜, 而昭心卿 皿吨 耐 面记面架 。扣免旧 众 枷 飞 恤 刀 为 【 」 哪 , 以 血 却 叮 明 豁 己 叩 呷 顽 印 一 月 雌 一 户山 铭 以 以 面 伍 允 一 刀 卿 , 勿 树 卿 幻 叩 为 助 卿 五 刀 尽 , , 以劲 石 由助劝 价 诵 , 面 麦 卫 司 赫 翻 咖 刀 帅 田 《热加 工 工 艺》 年 第 卷 第 期