颗粒增强铝基复合材料的焊接性及其搅拌摩擦焊_李敬勇

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文章编号:100321545(2004)0620030204

综　　述

颗粒增强铝基复合材料的焊接性及其搅拌摩擦焊

李敬勇,赵　勇

(江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏　镇江　212003)

摘　要:从化学和物理相容性角度综合分析了颗粒增强铝基复合材料的焊接性,阐述了熔化焊、钎焊、固相连接等对铝基复合材料的适应性。在介绍了搅拌摩擦焊原理的基础上,结合试验结果,着重探讨了搅拌摩擦焊焊接参数对颗粒增强铝基复合材料焊缝成型、焊接接头的组织特征及连接接头的性能的影响,说明搅拌摩擦焊用于焊接颗粒增强铝基复合材料具有明显的优势。关键词:铝基复合材料;颗粒增强;焊接性;搅拌摩擦焊中图分类号:TG453.9　　文献标识码:A

　　、模量、,,产,。作为新型的结构材料,可靠的焊接和连接是其工程应用的重要前提,因此在铝基复合材料研究开发的同时,国内外学者对该种材料的连接问题也进行了大量的研究工作[1,2],并且几乎所有铝及铝合金的焊接方法均被用于铝基复合材料的焊接。但熔化焊、钎焊、扩散焊以及传统的摩擦焊等连接方法均在一定程度上存在不足。新型的固相连接技术———搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,简称FSW)的发明为铝基复合材料的连接提供了新的途径。

FSW技术自1991年发明以来已经在全世界范围内受到广泛的关注[3,4],本文在综合分析颗粒增强铝基复合材料焊接性的基础上,结合作者的试验结果介绍了搅拌摩擦焊技术及其应用于铝基复合材料连接的可能性,以期为有效解决颗粒增强铝基复合材料的连接问题提供技术借鉴。

,其焊接性一般都较好,而增强相往往是一些高强度、高模量、高熔点、低密度和低线膨胀系数的非金属或金属化合物颗粒,其焊接性一般都很差。在连接这类材料时,除了要解决金属基体的结合外,还涉及到金属与非金属或金属化合物的结合。这种情况下,基体铝合金的焊接性并非主要问题,关键是增强相与基体的连接[5]。

从化学相容性考虑,铝基复合材料中铝合金基体与增强相之间,在较大温度范围内,往往是热力学不稳定的,连接时加热到一定温度后,两者之间就会发生反应,从而使界面强度降低。因此,避免和抑制连接时基体金属和增强相之间的反应是保证铝基复合材料连接质量的关键。从冶金方面考虑,可加入一些比基体金属活性更强的元素与增强相反应,生成无害物质;从工艺上可以控制加热温度和时间来避免或限制反应的进行。

从物理相容性考虑,铝基复合材料中增强相的熔点一般都很高,因此,当采用熔焊方法时,在基体金属铝的液态熔池中,存在大量仍处于固态的增强相,这就严重影响熔池中的传热和传质过程,从而使熔池粘度增大、流动性变差,这将增加其对气孔、未焊透和未熔合等缺陷的敏感性。同

1　颗粒增强铝基复合材料的焊接性

1.1　铝基复合材料的焊接性分析

收稿日期:2004208231

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时,在熔池凝固过程中,未熔增强相质点在凝固前沿集中偏聚,破坏了分布特点而使性能恶化。另外,当增强相与基体的线膨胀系数相差较大时,在焊接的加热和冷却过程中会产生很大的内应力而导致界面的脱开。

基于上述分析,固态连接和钎焊明显优于熔化焊,这样一方面避免了复合材料的熔化,另一方面还可将连接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内。1.2　连接工艺对铝基复合材料的适应性1.2.1　熔化焊

粒增强相之间的界面反应,避免了脆性相的生成,

因此是铝基复合材料最理想的连接方法。多年来,国内外在此方面开展了大量的研究工作,比较集中的是扩散连接和摩擦焊接。

扩散连接主要包括固相扩散连接和瞬间液相扩散连接。直接固相扩散连接面临的主要问题是铝基体表面致密的氧化膜影响扩散,增强相的存在也加大了扩散连接的难度[8];加中间层的固相扩散连接通过活性中间层的化学机制破除氧化膜,可改善接头的性能,但目前尚不够成熟。瞬间液相扩散焊连接(TLP)利用中间层形成瞬间液相通过等温凝固和均匀化实现连接,是一种被普遍看好的铝基复合材料的连接方法。目前铝基复合材料采用的中间层主要为Cu和Ag,Ag、Cu都能和Al形成共晶,共晶温度分别是和548℃,Al2Ag2Cu。目前,

尽管熔化焊用于连接铝基复合材料存在很多

问题,但由于其高效、简便而具有很大的吸引力,因此,人们一直没有放弃对它的研究。填丝TIG焊通过合理选择填充材料、控制焊接热输入,在一定条件下已经获得成功[6],但其应用仍然面临很大问题。激光束流具有高单色性、高方向性和高能量密度等优点,因此,响区出发,,,甚至熔化,使反应更加剧烈。采用脉冲激光焊并附以合适的填充材料等措施后可有所改善,但仍难以完全抑制反应的产生。因此,目前尚未见到有关用激光焊连接铝基复合材料的实际应用报道。1.2.2　钎焊

钎焊焊接温度低,是在基体金属不熔化即处于固态状态下实现连接的,可减轻基体与增强相的界面反应,降低增强体的破坏程度[1],但颗粒增强铝基复合材料的钎焊难度较大。颗粒增强相和表面氧化膜的存在严重阻碍钎料在母材表面的润湿与铺展,使得基体与基体、基体与增强相之间的连接难以实现,同时铝的活泼性使基材本身钎焊性不良,另外,铝基复合材料的熔点与钎料的液相线温度非常接近,因此,要求钎焊过程中温度控制要相当准确,低于最佳温度值,不利于钎料的铺展,影响接头质量;高于该温度则可能发生界面反应,损伤时效硬化基体的性能。此外,钎焊接头强度一般较低,搭接接头形式也限制了其实际应用。1.2.3　固态连接

TLP。

基复合材料的连接,但接头出现失强现象,必须经焊后热处理恢复强度,且该方法难以实现复杂结构和工程部件的连接[9]。

搅拌摩擦焊作为一种纯机械化的固相连接方法,具有一系列其他连接方法所没有的优点,其在铝基复合材料连接方面的研究受到了广泛的关注。

2　颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩

擦焊

2.1　搅拌摩擦焊原理

FSW是自激光焊以来最为引人注目的新型焊

接技术,其原理如图1所示。它利用一种非损耗的特殊形式的搅拌头,旋转着插入被焊工件,然后沿着被焊工件的待焊界面向前移动,通过对材料的摩擦、搅拌,使待焊材料加热至热塑性状态,在搅拌头高速旋转的带动下,处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移,同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压,在热2机联合作用下形成致密的金属间固相连接[4]。

作为一种纯机械化的固相连接方法,搅拌摩擦焊焊接过程较低的焊接温度和较少的热输入,

与熔焊相比,固相连接不存在基体金属与颗

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使其特别适用于对焊接热影响较敏感的所谓“难

焊”或熔化焊“不能焊”的金属材料[10]。因此,对于采用熔化焊焊接性很差,且钎焊及其他固相焊接方法均不能很好解决其焊接问题的铝基复合材料,搅拌摩擦焊无疑是一种理想的焊接方法

。和金属的塑性流动状态的影响。试验结果显示,由于铝基复合材料特殊的组织结构特征,与铝合金相比,为获得表面光滑平整、无任何缺陷的焊缝,搅拌摩擦焊的参数选择范围明显变小。

通过对焊接接头各区域的金相分析,可以发现与铝合金相似,铝基复合材料搅拌摩擦焊接头组织可分为焊核区、热机械影响区和热影响区。其中,焊核区的颗粒组织明显比母材细小,分布也较均匀(图2),并呈现椭圆形“ …… 此处隐藏：4497字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……