馬宗義,肖伯律,王 東,王全兆,畢 敬

(中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家 (聯(lián)合)實驗室,遼寧 沈陽 110016)

鋁基復(fù)合材料焊接的研究現(xiàn)狀與展望

馬宗義,肖伯律,王 東,王全兆,畢 敬

(中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家 (聯(lián)合)實驗室,遼寧 沈陽 110016)

介紹了鋁基復(fù)合材料幾種典型的熔化焊、釬焊、固相焊接方法。從焊接的特點,所面臨的問題等方面介紹了這幾種焊接方法的研究進展,并重點介紹了目前最受關(guān)注的攪拌摩擦焊接技術(shù)在鋁基復(fù)合材料中的研究進展。最后展望了這些焊接方法的發(fā)展前景。

復(fù)合材料;鋁;焊接;顆粒

前 言

金屬基復(fù)合材料 (MMC)不僅具有輕質(zhì)、高強的特點,還具有良好的抗疲勞、抗蠕變、耐熱、耐磨、高熱導、低熱膨脹、減振及尺寸穩(wěn)定等一系列優(yōu)點,成為國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料[1]。不連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料 (DRA)因其基體質(zhì)量輕,制造工藝簡單,且可用常規(guī)金屬加工方法如鑄造、擠壓、軋制等制造各種形狀的型材和零件,因而適于工業(yè)化批量生產(chǎn),成為目前價格最便宜、應(yīng)用最廣的一種MMC。美、日等國已成功地將 DRA用于飛機機身蓋板、轉(zhuǎn)向架,汽車傳動軸、活塞、連桿、制動盤及鐵道車輛零部件的批量生產(chǎn),取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[1-2]。

由于陶瓷增強相與基體合金性能的巨大差異,給DRA的焊接帶來了很大困難[3],這限制了 DRA構(gòu)件的設(shè)計,成為其應(yīng)用的嚴重障礙。自上世紀 80年代以來,隨著DRA的發(fā)展,各種焊接技術(shù)被嘗試用于焊接DRA[4-5]。氬弧焊作為最常用的一種焊接方式,首先在DRA中嘗試[4]。但在焊接過程中增強相與基體發(fā)生劇烈反應(yīng),形成有害的脆性相,并使焊縫區(qū)產(chǎn)生增強相偏聚、氣孔等缺陷,這導致非常低的接頭性能。進入到上世紀 90年代,隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展,有學者嘗試使用激光焊接技術(shù)進行DRA的焊接。雖然激光焊接的加熱區(qū)很小,但是仍然會出現(xiàn)氬弧焊中的問題,導致焊縫質(zhì)量較差[5-6]。隨后,其它焊接技術(shù),如摩擦焊、釬焊、瞬間液相擴散焊等也被用于 DRA的焊接[7-9]。但這些焊接方法在焊接DRA時均存在較大問題,比如復(fù)合材料摩擦焊接時,焊縫處增強相顆粒的破碎會降低焊縫的強度。

進入到 21世紀后,隨著各種 DRA制備技術(shù)的逐漸發(fā)展和成熟,以及DRA應(yīng)用范圍的不斷擴大,DRA的焊接引起人們更多的關(guān)注。在對現(xiàn)有復(fù)合材料焊接技術(shù)進行深入研究的同時,一些新的焊接技術(shù),如電子束焊、液相沖擊擴散焊、攪拌摩擦焊 (Friction Stir Welding,FS W)等被用于焊接 DRA[10-15]。特別值得一提的是,FS W作為一種新型固態(tài)焊接技術(shù),可以獲得性能良好的DRA接頭,成為近年來DRA焊接研究的熱點[12-15]。

本文回顧了各種焊接工藝方法在 DRA焊接中的應(yīng)用,對焊接過程中的微觀機構(gòu)變化和缺陷產(chǎn)生機制進行了系統(tǒng)評述。重點介紹現(xiàn)階段熱點 DRA攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀,并展望了DRA焊接的發(fā)展前景。

鋁基復(fù)合材料焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀

. 熔化焊接技術(shù)

熔化焊作為金屬焊接領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一類焊接方法,是最早對DRA進行焊接的方法之一。熔化焊主要包括以下幾種:氬弧焊、激光束焊、電子束焊等。由于使用熔化焊接技術(shù)對DRA進行焊接時均會使DRA加熱到熔化,這樣盡管使用的加熱源不同,熔化焊接技術(shù)均面臨著一些相似的問題。如當基體溶化時,基體會與增強相發(fā)生反應(yīng),生成脆性的金屬間化合物;焊縫區(qū)的增強相會發(fā)生團聚;在焊縫中會產(chǎn)生大量的氣孔;經(jīng)焊接熱循環(huán)后在基體與增強體界面上產(chǎn)生較大的微區(qū)殘余應(yīng)力。這些微觀結(jié)構(gòu)演化都會降低接頭的性能[3,16]。下面分別對這 3種焊接方法的研究進展進行評述。

2.1.1 氬弧焊

氬弧焊是利用電極與工件之間產(chǎn)生的電弧,使得工件加熱熔化并連接在一起,焊接時可添加焊絲,也可以在電極附近加入保護氣體。在 DRA的焊接研究中,最常用的兩種氬弧焊分別為鎢極惰氣保護焊 (TIG)和金屬極惰氣保護焊 (M IG)[16-18]。氬弧焊具有設(shè)備簡單,操作方便,焊接成本低的特點,但接頭性能并不夠理想。使用氬弧焊焊接復(fù)合材料時,基體會與增強相發(fā)生反應(yīng),如 SiC增強的DRA,基體會與 SiC反應(yīng)生成脆性的針狀 Al4C3金屬間化合物 (圖1a)。而在 Al2O3增強的DRA中,Al2O3會發(fā)生分解,使焊縫處增強相含量降低,從而降低接頭的性能。另外在焊后冷卻時,由于增強相易于浮在液體表面,同時增強相與基體潤濕性差會造成初生的α相排斥增強相,使得在焊縫凝固時增強相分布不均勻。另外,焊縫溶化時,增強相的存在大大降低了熔池金屬的流動性,增加其粘度,使得氣體難于逸出,從而在焊縫形成氣孔。對于粉末冶金制備的 DRA,其中也會混有氣孔,焊接時氣體難于排出,從而在焊縫形成氣孔[16,19-20]。

在Al2O3p/6061Al的 TIG焊接頭中可以觀察到明顯的氣孔及 Al2O3的偏聚,如圖1b所示。Storjohann等人[19]的研究表明,減小熱輸入,降低焊接時的溫度,可有效的控制增強相的分解與反應(yīng)。Wang等人[21]使用Al-Si合金作為焊絲進行了 SiCp/6061Al的 TIG焊接,表明 Si的加入可以有效地抑制 Al4C3的形成及氣孔的產(chǎn)生,但 SiC顆粒仍然發(fā)生較嚴重的偏聚,接頭的力學性能為母材的 70%。Garcia等人[22-23]研究了 TiCp/1010Al及 SiCp/A359的 M IG焊接,以 2024Al合金作為焊絲,當使用間接電弧法時,可以減緩Al與 TiC及 SiC之間的反應(yīng),同時也抑制了增強相的分解,并減少了氣孔。

圖1 DRA氬弧焊接頭典型金相組織:(a)SiCp/2014Al的TIG焊接頭中 Al4C3的分布,(b)Al2O3p/6061Al的TIG焊接頭中的氣孔及Al2O3偏聚Fig.1 Typical opticalmicrostructure showing TIG welds ofDRA Al2O3p/6061Al: (a)Al4C3distribution in TIG welds of SiCp/2014Al and(b)pore and Al2O3segregation in TIG welds ofAl2O3p/6061Al

2.1.2 激光束焊

激光束焊接是利用高能量密度的激光束與工件表面相互作用產(chǎn)生耦合效應(yīng),使 DRA熔融焊接在一起。與氬弧焊相比,激光焊接的激光束斑尺寸小、能量密度高,因而焊縫熔池小、熱影響區(qū)窄,并且焊接效率高,同時可精確地控制焊接參數(shù)。雖然激光焊熔池尺寸與氬弧焊相比較小,但焊接過程中基體仍會熔化,因此與氬弧焊類似,激光焊也面臨溶化焊的問題。增強相與基體反應(yīng)和偏聚、氣孔等缺陷也會在激光焊縫中出現(xiàn)[24]。Huang等人[25]的研究表明,隨著增強相體積分數(shù)的增加,焊接熔池基體的流動性變差。Niu等人[26]研究了脈沖激光焊接 SiCw/6061Al,利用脈沖對熔池的震蕩攪拌作用,可以增加熔池中液體的流動性,有助于焊縫的成形。同時通過控制熔池中 Si的濃度,可以有效的控制SiC與基體的直接反應(yīng)。Wang等人[27]研究了25%SiCp/6061Al的激光束焊接,并在焊接過程中添加Ti。研究表明,Ti的加入可以有效地抑制 SiC與基體的直接反應(yīng),在焊縫沒有發(fā)現(xiàn)明顯的 Al4C3針狀相。然而在焊縫發(fā)現(xiàn) TiC,Ti5Si3和 Al3Ti的生成,并且有較大的氣孔產(chǎn)生。Yue等人[24]研究了 SiCp/2124Al的激光束焊接,發(fā)現(xiàn)通過控制合適的激光強度和持續(xù)時間,可以控制 SiC與基體的反應(yīng),同時由于熔池的蒸汽壓較大,使得 SiC顆粒向熔池兩側(cè)嚴重偏析,造成 SiC顆粒分布不均勻。

2.1.3 電子束焊

電子束焊接是利用真空中被靜電場聚焦并加速的電子束轟擊待焊工件接頭處,將電子束的能量施加于工件使其熔化,從而實現(xiàn)焊接的過程。電子束焊與激光焊類似,具有極高的能量密度,良好的可控性等特點,但焊接需要在真空中完成,焊接工件尺寸受設(shè)備的制約。同時與激光焊相似,雖然焊接熔池尺寸較小,但焊接時仍會出現(xiàn)液相,熔化焊的缺點也不可避免。Lienert等人[10]研究了 SiCp/A356的電子束焊接,并與激光焊相比較、結(jié)果表明,與激光焊相比,電子束焊加熱更加均勻,可以減少 SiC與基體的反應(yīng),同時提高焊接速度也有助于抑制反應(yīng)的發(fā)生。Chen等人[28]也發(fā)現(xiàn)降低熱輸入可有效抑制增強相與基體的反應(yīng)。另外,Huang等人[25]研究 20%SiCp/6061Al的電子束焊時發(fā)現(xiàn),焊接時Mg元素揮發(fā)形成的氣體在凝固時不能全部排出,會導致在焊縫產(chǎn)生大量的氣孔。

. 釬焊技術(shù)

釬焊也是研究較多的一類 DRA焊接方法。釬焊包括真空釬焊、電阻釬焊、保護氣氛爐中釬焊、火焰釬焊、擴散釬焊及加壓釬焊等。使用釬焊焊接時焊接溫度較低,母材處于固態(tài)并不熔化,因此會減少熔化焊面臨的一些問題。同時釬焊對工件的尺寸和形狀的要求并不嚴格,焊接也相對簡單易行。但進行 DRA的釬焊時,由于DRA自身的特點,其釬焊工藝也面臨較嚴重的挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)為:①鋁基體非常容易氧化,表面生成一層氧化膜,氧化膜以及材料中的增強體嚴重阻礙了釬料在母材表面的潤濕與鋪展,使得連接難以實現(xiàn);②DRA采用的鋁合金基體中,除 6061鋁合金的軟、硬釬料的釬焊性良好外,其它鋁合金的釬焊性均較差;③釬焊溫度需要嚴格控制,當?shù)陀谧罴褱囟葧r,接頭剪切強度低;當高于該溫度時,則發(fā)生界面反應(yīng),損傷基體的性能;④釬焊過程中母材發(fā)生退火軟化,焊后必須進行熱處理來提高強度[8,29]。鄒家生等人[30]研究了 SiCp/2024Al的真空釬焊,發(fā)現(xiàn)焊縫中有少量 SiC顆粒存在,且分布不均勻。在靠近母材處出現(xiàn)貧化區(qū),在釬縫中心兩側(cè)有較小的聚集區(qū)。張洋等人[31]研究了 55%SiCp/A356的超聲波輔助搭接釬焊,發(fā)現(xiàn),超聲振動時間的增加能夠增加釬料和 SiC的直接潤濕性,接頭的剪切強度與母材的剪切強度相似。王少剛等人[32]研究了 20%SiCp/ZL101的氬氣保護釬焊及真空釬焊,發(fā)現(xiàn)釬縫區(qū)出現(xiàn)共晶組織,并且 SiC擴散到釬縫中,其剪切強度分別為母材的 64%及 50%。

. 固相焊接技術(shù)

固相焊接中沒有 DRA的熔化,因此可避免熔焊中出現(xiàn)的增強相與基體反應(yīng)、增強相偏聚、氣孔等問題。同時,與釬焊相比工件不需要整體加熱,避免了可熱處理強化DRA釬焊后必須重復(fù)熱處理的不足。此外,由于不添加或僅添加少量焊料,因此受添加焊料降低接頭強度的影響較小。這些特點使得固相焊接頭的強度系數(shù)一般要高于釬焊,有望成為實現(xiàn)DRA工業(yè)化焊接的一類重要的焊接技術(shù)。固相焊接技術(shù)目前研究的熱點主要包括摩擦焊、擴散焊、攪拌摩擦焊,下面分別探討這幾種焊接方法的研究進展。

2.3.1 摩擦焊

摩擦焊是利用工件相對高速運動所產(chǎn)生的摩擦熱在頂鍛壓力作用下產(chǎn)生塑性流變來實現(xiàn)連接。常見的摩擦方式有旋轉(zhuǎn)、直線運動以及振動。摩擦焊接時,DRA雖然摩擦升至較高溫度,但并不發(fā)生熔化,因此沒有熔化焊接通常出現(xiàn)的焊接缺陷。但摩擦焊受工件尺寸影響較大,不適合焊接尺寸較大以及形狀復(fù)雜的工件。李杏瑞等人[33]研究了 SiCp/LD2與 LD2鋁合金的摩擦焊接,發(fā)現(xiàn)在合適的焊接工藝下,焊縫區(qū)結(jié)合致密,無氣孔、裂紋等缺陷,DRA與基體 LD2以帶狀形式交替混合。此外,增強相 SiC與基體 Al沒有界面反應(yīng),在焊縫區(qū)部分 SiC顆粒發(fā)生破裂,這與其它一些報道相似。Zhou和 Zhang[34]研究了 Al2O3p/6061Al的摩擦焊接,結(jié)果表明,焊縫區(qū)破碎的Al2O3顆粒與基體的結(jié)合變?nèi)?同時在焊縫部分區(qū)域出現(xiàn)顆粒的偏聚,這兩種情況導致接頭的抗沖擊強度降低。Midling等人[7,35]針對 DRA的摩擦焊,建立了一個模型描述主要工藝參數(shù) (摩擦壓力、頂鍛壓力、旋轉(zhuǎn)速度、翻卷尺寸等)與接頭微觀組織、性能的關(guān)系,成功的預(yù)測了焊縫的組織演變及焊縫熱影響區(qū)的強度及硬度。

2.3.2 擴散焊

擴散焊通過壓力保證焊件緊密結(jié)合,在一定溫度下實現(xiàn)連接表面原子相互擴散形成結(jié)合。擴散焊分為固相擴散焊及液相擴散焊,可以得到性能良好的焊接接頭。但是,一般擴散焊的工藝較復(fù)雜,成本高,采用真空擴散焊接時,對設(shè)備的要求較高,并且對工件的大小形狀也有一定要求,限制了它在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。由于DRA的基體是鋁合金,因此在 DRA的表面易形成一層致密的氧化膜,在擴散焊接時氧化膜會阻礙原子的擴散,在焊接接頭形成氧化膜夾雜,降低接頭性能。牛濟泰等人[36]研究了 Al2O3p/6061Al的擴散焊接,表明隨焊接溫度的升高,接頭氧化膜的含量逐漸減少,當擴散焊的溫度高于復(fù)合材料基體的固相線溫度時,接頭區(qū)域的氧化膜細化,含量減少,接頭強度升高。為減小氧化膜的影響,可通過添加中間層的方法來實現(xiàn),Urena等人[37]研究了純 Ag作為中間層通過形成 Al-Ag金屬間化合物來溶解鋁的氧化膜,可獲得性能良好的接頭。Feng等人[38]研究了 Ni作為中間層焊接 SiCp/2014Al,發(fā)現(xiàn)Ni可與基體生成化合物 Ni3Al,NiAl,NiAl3。Zhang等人[8]研究表明,隨 DRA中 SiC顆粒含量的增加,接頭強度逐漸降低。Huang等人[39]研究以 Al-Si和 Al-Cu粉末為添加物焊接 15%SiCp/6063Al,發(fā)現(xiàn)焊縫形成亞共晶,接頭強度較高。當使用 Al-Si-SiC粉末作為添加物時,在焊縫會形成 SiC增強的 DRA,但焊縫 SiC易于發(fā)生偏聚,并且在焊縫形成較多的氣孔。當添加 Ti元素時,可以有效的抑制 SiC的偏聚,從而提高接頭的力學性能。劉黎明等人[40]提出了一種不添加中間層的液相擴散焊接方法,在DRA處于固液兩相區(qū)時進行擴散焊接,可以顯著的減少氧化膜,有效的加強基體和增強相的潤濕,改善結(jié)合面的接觸狀態(tài),得到的 Al2O3p/6061Al接頭的強度可達到母材的 60%。為了實現(xiàn) DRA在非真空環(huán)境的擴散焊接,Lee等人[41]研究了 DRA在空氣環(huán)境下的擴散焊接,在連接前對材料施加一定載荷,在載荷作用下使待連接件在平行于連接面上發(fā)生旋轉(zhuǎn),使母材表面的氧化物層破碎并去除,保持一個清潔的連接界面,實現(xiàn)在空氣環(huán)境下的擴散焊接,接頭強度可達到母材的 77.7%。

為了進一步提高擴散焊接在 DRA中的應(yīng)用,近年發(fā)展了一種介于擴散焊與釬焊之間的新方法——瞬間液相擴散焊接 (TLPD)。在低于母材和填充釬料熔點的溫度下,通過母材與釬料界面的互擴散,達到低熔點共晶成分而熔化形成液態(tài),然后在此溫度下保持恒定溫度使其繼續(xù)擴散,達到液相線與固相線之間的成分,凝固后繼續(xù)保持恒溫擴散,完全均勻化后即形成具有均勻組織的焊縫接頭。劉黎明等人[42]以Al-Cu混合粉末作為中間層對 SiCw/6061Al進行了 TLPD研究,發(fā)現(xiàn)鋁合金中的Mg元素分別與 Cu粉顆粒表面的氧化銅和焊接工件表面的氧化膜發(fā)生反應(yīng),降低了氧化物對焊接過程中原子擴散的阻礙作用。同時提高焊接溫度以及延長保溫時間均可提高接頭強度,接頭強度最高可達母材的 70%。Huang等人[9]研究了以 Al-Cu-Ag-Ti粉末作為中間層的SiCp/2618Al的 TLPD,Ti可以有效的縮短共晶凝固時間,減少氣孔以及抑制 SiC向焊縫擴散 (圖2),提高了焊縫的剪切強度。Yan等人[43]使用 CuNi中間層對Al2O3p/6061進行 TLPD,與 Cu作為中間層相比顯著降低焊接溫度,并縮短了焊接時間。

圖2 Al-Ag-Cu粉末作為中間層的 SiCp/2618Al擴散焊接頭 (a,b)和 Al-Ag-Cu-Ti粉末作為中間層的 SiCp/2618Al擴散焊接頭 (c,d)的 SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs of joints of diffusion welded SiCp/2618Al using Al-Ag-Cu power as the interlayermetal(a,b)and usingAl-Ag-Cu-Ti power as the interlayermetal(c,d)

近年來,Guo等人[11]在擴散焊的基礎(chǔ)上又提出一種新的擴散焊接方法——液相沖擊擴散焊。將工件加熱到液固相線時短時間內(nèi)施加一個載荷,使得工件焊接在一起。該方法可有效縮短擴散焊接時間,焊接接頭的強度可達到母材的 78%。但是由于施加的沖擊力和加熱的時間較短,焊接時間難以控制。

. 新型固態(tài)焊接技術(shù)——攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊 (FS W)是由英國焊接研究所于 1991年發(fā)明的新型固態(tài)連接技術(shù),是一種連續(xù)的、純機械的連接技術(shù),焊接時高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭與待焊工件接縫處摩擦產(chǎn)生溫升使材料軟化,接縫兩側(cè)材料在攪拌頭帶動下產(chǎn)生劇烈塑性流變和混合,攪拌頭沿接縫移動形成均勻致密的焊縫,由此形成的焊縫具有鍛態(tài)組織特點,此外,FS W適合于焊接尺寸較大的工件,因此,FS W被認為是實現(xiàn)DRA工業(yè)化焊接生產(chǎn)的一種理想選擇,成為目前的研究熱點[12]。

2.4.1 微觀結(jié)構(gòu)特征

DRA的 FS W接頭與鋁合金的相似,主要分為 3個區(qū)域:焊核區(qū)、熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)。焊核區(qū)呈現(xiàn)洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)。Uzun等人以及 Storjohann等人[13,20]在 SiCp/2124Al和 Al2O3p/6061Al的 FS W研究中發(fā)現(xiàn),焊核的洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)是焊接過程中增強相的偏聚導致的。而 Feng等人[14]在使用相對較高應(yīng)變速率進行 SiCp/2009Al的FS W時,認為洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)是由細小的 Al-Cu-Fe-Mg和Al-Cu-Fe相組成,SiC顆粒在較高應(yīng)變速率下焊接時在焊核處并不會發(fā)生明顯的偏聚。

在DRA中由于制備工藝的影響,增強相在基體中經(jīng)常會發(fā)生偏聚。FS W后,由于焊接工具的攪動,使得增強相在基體中的分布更加均勻 (圖3)。Uzun等人[13]在Al2O3p/6061Al中發(fā)現(xiàn),經(jīng) FS W后,焊核區(qū)部分增強相的尖角被磨圓,另外細小的增強相數(shù)量增多,說明在焊接過程中,焊接工具造成增強相的磨損和破碎。Marzoli等人[44]在 SiCp/2124Al的 FS W中也發(fā)現(xiàn)相似現(xiàn)象。

Inem等人[45]報道在 DRA中,增強相為再結(jié)晶提供了更多的形核位置,同時增強相也會抑制再結(jié)晶晶粒的長大。Feng等人[14]發(fā)現(xiàn),在 SiCp/2009Al中,經(jīng) FS W后焊縫的晶粒尺寸由母材的大約 10μm降低到 5μm(圖3),當焊縫重新進行固溶處理后,焊核的晶粒尺寸僅升至 8.0μm,說明 SiC阻礙了再結(jié)晶晶粒的長大。而2000系列鋁合金經(jīng) FS W并熱處理后焊核的晶粒會發(fā)生異常長大。

Feng等人[14]研究了擠壓態(tài) SiCp/2009Al經(jīng) FS W后各個區(qū)域析出相的變化,表明經(jīng) FS W后,母材中粗大的θ(Al2Cu)相消失,在焊核出現(xiàn)細小的θ″相。接頭經(jīng)T4處理后,焊核處的θ″相數(shù)量增多,同時出現(xiàn)針狀的S′(Al2CuMg)相。目前,關(guān)于可熱處理強化的 DRA經(jīng)FS W后,析出相的變化報道的較少,關(guān)于焊后析出相的變化需要進一步的研究。

圖3 Al2O3p/6061Al的攪拌摩擦焊接頭的典型金相組織:(a)母材,(b)焊核Fig.3 Typical optical microstructure showing FS W of Al2O3p/6061Al:(a)base metal and(b)welding nucleus

2.4.2 攪拌摩擦焊接頭的力學性能

在垂直于焊接方向的剖面上,與可熱處理強化鋁合金 FS W接頭類似,可熱處理強化 DRA的硬度分布呈現(xiàn)出典型的W型。硬度最低點為熱影響區(qū),這是由于這一區(qū)域析出相的粗化和溶解所致。焊核區(qū)的硬度高于熱影響區(qū)但低于母材,這也歸由于焊接過程中析出相的溶解。表1列出了目前報道的 DRA的 FS W接頭的拉伸性能,可以看出,復(fù)合材料 FS W接頭的抗拉強度可達到母材的 70%～90%,明顯高于其它焊接方法取得的效果。研究顯示,有較多的因素影響接頭的拉伸性能。Ceschini等人[46]發(fā)現(xiàn),當焊接速度為 300 mm/min,由于焊接速度過快導致材料流動不充分,在焊核出現(xiàn)缺陷,Al2O3p/7005Al的 FS W接頭強度為母材的 82%。Feng等人[14]報道,由于焊接工具磨屑進入到焊核,SiCp/2009Al的 FS W接頭經(jīng)重新 T4處理后,接頭強度仍低于母材 T4處理的強度。而Marzoli等人[44]報道使用超硬材料焊接 Al2O3p/6061Al時,焊接工具沒有明顯磨損,與 6061Al合金 FS W接頭相同,拉伸時接頭斷裂在熱影響區(qū),其抗拉強度為母材的 70%。Ceschini等人[46]研究了Al2O3p/7005Al的 FS W接頭的疲勞性能,由于FS W后增強相顆粒被打碎,并分布更加均勻,因此與母材相比,接頭的疲勞斷口很少能觀察到斷裂的顆粒。但是由于其較高的焊接速度 (300 mm/min)導致在焊核區(qū)出現(xiàn)缺陷,因此接頭的疲勞性能低于母材。

表1 典型DRA在不同焊接參數(shù)下得到的 FS W接頭的拉伸性能Table 1 Tensile Propertie s of FSW joints in Va rious we lding param e te rs for typica lDRA

2.4.3 攪拌摩擦焊面臨的挑戰(zhàn)

盡管 FS W用于DRA的焊接已取得良好效果,但也面臨著一些重要挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在以下兩個方面。首先,由于DRA的塑性較差,因此限制了 FS W參數(shù)的選擇,使得DRA的適焊參數(shù)一般局限在一個較窄的范圍內(nèi)。其次,DRA的增強相通常為堅硬的陶瓷顆粒,在使用鋼制工具焊接DRA時,陶瓷增強相造成焊接工具的嚴重磨損。這不僅減少焊接工具的使用壽命,工具磨屑也會污染焊縫區(qū),降低接頭的力學性能。

表2列出了目前報道的關(guān)于DRA的 FS W使用的工具材料及磨損情況。可知,當使用工具鋼焊接工具時,工具的磨損均非常嚴重。Nelson等人[47]使用硬度大于 52Rc的H13鋼制工具進行了 B4Cp/6061Al的 FS W。在焊接轉(zhuǎn)速670 rpm、焊接速度 114～138 mm/min下,焊接 254 mm后,攪拌針的螺紋基本消失,同時軸肩磨損大約 2 mm。SEM分析結(jié)果表明,磨屑均勻分布在焊核的厚度方向及焊縫表面。Prado等人[49]發(fā)現(xiàn),使用O1工具鋼焊接 Al2O3p/6061Al時,工具磨損速度隨焊接轉(zhuǎn)速的增加而增加。然而當轉(zhuǎn)數(shù)升至 1 000 r p m時,材料的流動性逐漸變好,磨損速率不再增加。Feng等人[50]在 SiCp/2009Al的 FS W中發(fā)現(xiàn),工具鋼的磨屑與基體反應(yīng)生成金屬間化合物Cu2FeAl7,在焊核區(qū) Cu2FeAl7有兩種存在方式,一種在SiC顆粒附近形成單晶 Cu2FeAl7,另外一種在 SiC顆粒表面形成納米晶 Cu2FeAl7并與 SiC呈 (1012)SiC∥(212)Cu2FeAl7取向關(guān)系 (圖4)。Cu2FeAl7在 SiC表面形成不僅減弱了SiC與基體的結(jié)合,同時也消耗了基體中的 Cu,減少了析出相的數(shù)量,使得焊縫的強度降低。

為了減少工具的磨損,不同學者報道了嘗試使用耐磨材料來制作焊接工具。Ceschini等人[46]使用 Ferro-Titanit合金工具焊接 Al2O3p/7005Al,接頭強度可達母材的 81%,但沒有給出磨損情況的詳細報道。Liu等人[51]使用WC-Co硬質(zhì)合金焊接 SiCp/AC4A,焊接分 7次進行,每次焊接 240-270 mm,工具的磨損速度隨焊接速度的降低而升高。并且在第一次焊接時工具的磨損最為嚴重。當行進速度為 25 mm/min時,第 1次焊接工具的直徑減少 11%,而第 7次焊接結(jié)束后直徑共減少 27%。與此類似,Shindo等人及 Prado等人[52,15]報道了在焊接Al2O3p/6061Al及 SiCp/A359時,工具磨損會形成最優(yōu)形狀,當工具磨損成該形狀后,基本不發(fā)生磨損,這為焊接工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個思路。

表2 典型DRA在不同焊接參數(shù)下的工具磨損情況Table 2 W earing condition of too ls used for FSW in va rious param e te rs for typicalDRA

圖4 SiCp/2009Al的攪拌摩擦焊接頭中 Cu2FeAl7的 HREM照片及選區(qū)電子衍射花樣Fig.4 HREM micrographs of Cu2FeAl7phase in joint of FS W SiCp/2009Al and its SAED

鋁基復(fù)合材料焊接技術(shù)的發(fā)展前景

. 熔化焊接技術(shù)

DRA熔化焊的研究結(jié)果表明,在熔化狀態(tài)下增強相與基體發(fā)生反應(yīng),在焊縫處增強相會發(fā)生團聚,并產(chǎn)生氣孔等缺陷。對于氬弧焊,通過控制焊接參數(shù),發(fā)展新的焊接填充材料與焊后處理工藝,有望對熔焊缺陷進行控制。激光焊、電子束焊等高能束焊接熱輸入集中,焊縫熱影響區(qū)小,而且焊接參數(shù)控制較精確,因而可控制熔池大小與冷卻速度。如果能在焊接過程中添加焊料以控制偏析和縮孔產(chǎn)生,應(yīng)該能獲得較理想的力學性能。

. 釬焊技術(shù)

DRA釬焊的主要問題是,焊接溫度過高、焊接接頭的強度較低以及焊接需要真空或保護氣體。開發(fā)新型釬料,實現(xiàn)低溫焊接,或高效消除氧化膜對接頭性能的影響,從而提高焊接頭強度成為研究重點。而拓寬釬焊技術(shù)在復(fù)合材料與其它工程材料連接中的應(yīng)用,也具有重要的工程意義。另外發(fā)展新型釬焊工藝與設(shè)備,使焊接可在空氣中進行或局部加熱,可以有效的簡化焊接過程,為DRA釬焊的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

. 固態(tài)焊接技術(shù)

固態(tài)焊接技術(shù)由于焊接時工件沒有熔化,因此能有效避免增強相與基體的反應(yīng)及氣孔生成等一系列問題,是DRA焊接技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。摩擦焊雖然能得到較好的焊接接頭,但接頭形式與尺寸受限制較大,對焊件形狀要求很高,其應(yīng)用范圍受到一定限制。目前發(fā)展的瞬間液相擴散焊、液相沖擊擴散焊等,其中間層的合金成分是研究的熱點之一,尋找焊接溫度更低的中間層合金是研究的一個重要方向,另外焊接工藝 (如壓力,保溫時間等)對微觀組織影響如顆粒分布與破碎的表征也需要系統(tǒng)的研究。

攪拌摩擦焊是目前最受關(guān)注的 DRA焊接方法,其均勻的接頭組織、優(yōu)良的接頭性能以及可實現(xiàn)自動化和大規(guī)格工件的焊接,使得 FS W成為最具實用化前景的DRA焊接方法。其中中國學者在焊接工具設(shè)計、工藝探索和微觀組織表征等方面取得了一系列成果。但DRA的 FS W目前還面臨一些問題,也是下一步 FS W研究的重點。如何擴大焊接參數(shù)范圍,在盡量減少熱輸入的前提下得到性能優(yōu)良的接頭,需要對焊接過程中的材料流變、微觀結(jié)構(gòu)演化進行深入探索。這不僅需要進行焊接工藝、焊接工具設(shè)計系統(tǒng)研究,還需要具有鋁基復(fù)合材料設(shè)計與加工技術(shù)研究作為基礎(chǔ)。另一方面,尋找強度、韌性及耐磨性好的焊接工具材料,設(shè)計合理的焊接工具形狀,以避免或減少焊接時工具磨損,是拓寬焊接參數(shù)實現(xiàn)DRA的高質(zhì)量和長距離焊接的基礎(chǔ)。此外,復(fù)合材料與其它工程材料的 FS W連接研究還需要對復(fù)合材料流變性及其與其它材料的化學相容性等進行深入了解,才能對焊接頭的綜合性能及可靠性進行控制。目前的研究結(jié)果已表明 FS W是DRA連接中可能最快獲得應(yīng)用的技術(shù),最近在焊接工具設(shè)計與工藝研究中已有許多突破,進一步完善 FS W焊接中的微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的原理研究,可推動該技術(shù)的應(yīng)用步伐。

展 望

隨著金屬基復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣,焊接技術(shù)的重要性逐漸顯現(xiàn)出來。相比于鋁基復(fù)合材料的制備加工技術(shù)發(fā)展歷史,其焊接技術(shù)研究明顯滯后。目前的研究表明鋁基復(fù)合材料的焊接面臨著巨大的挑戰(zhàn),但同時不斷有難點被突破也顯示出復(fù)合材料焊接的可行性。今后的研究應(yīng)將鋁基復(fù)合材料的特性與焊接技術(shù)研究成果相結(jié)合,通過定制專屬于復(fù)合材料的焊接工藝與技術(shù)裝備,或根據(jù)焊接工藝實現(xiàn)復(fù)合材料的成分與性能優(yōu)化,必將實現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的高質(zhì)量焊接,從而為高技術(shù)裝備的發(fā)展提供先進材料與先進制造技術(shù)支持。

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Progress and Outlook in W elding of Alum inum Matrix Composites

MA Zongyi,X IAO Bolü,WANG Dong,WANG Quanzhao,B IJing
(ShenyangNationalLaboratory forMaterials Science,Institute ofMetal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

In this paper,several typicalwelding methods such as fusion welding,brazing,and solid-state welding of aluminum matrix composites(AMCs)were introduced.The research progress of these weldingmethods for the AMCswas reviewed from the characters and key issues of these methods. The friction stirwelding of theAMC were especially presented. Finally,we discussed their future outlook of research and applications.

composites;aluminum;welding;particle

TG146.2

A

1674-3962(2010)04-0008-09

2009-12-02

國家杰出青年科學基金項目(50525103)

馬宗義,男,1963年生,研究員,博士生導師