鄭凜，張銘洋，熊凌達(dá)，蔣熠鳴，米高陽*，曾廣，歐陽求保

SiCp/Al復(fù)合材料焊接綜述

鄭凜1，張銘洋1，熊凌達(dá)1，蔣熠鳴1，米高陽1*，曾廣2，歐陽求保3

（1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；3.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

為實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的高質(zhì)量可靠焊接，推廣SiCp/Al復(fù)合材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用，調(diào)研了國內(nèi)外SiCp/Al復(fù)合材料不同焊接方法的研究現(xiàn)狀。在熔化焊方面，國內(nèi)外學(xué)者通過調(diào)整工藝參數(shù)、在焊縫中加入Ti元素發(fā)生誘發(fā)反應(yīng)等方法，抑制了焊縫中Al4C3針狀脆性相的形成，從而提高了焊接接頭的力學(xué)性能。在攪拌摩擦焊方面，國內(nèi)外學(xué)者針對不同材料設(shè)計(jì)了專用的焊接攪拌頭，以保證它們具備高耐磨性與足夠的沖擊韌性，在焊接過程中不出現(xiàn)破損情況；關(guān)注了焊接過程中焊接頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸向力與熱輸入等因素，以獲得力學(xué)性能優(yōu)秀、晶粒細(xì)小均勻的焊接接頭。在擴(kuò)散焊方面，國內(nèi)外學(xué)者探究了中間夾層對焊縫界面間原子相互擴(kuò)散的促進(jìn)作用；采取不同工藝參數(shù)，以外加超聲或電子束表面加熱等方式促進(jìn)了原子間的相互擴(kuò)散，以獲得力學(xué)性能優(yōu)異的焊接接頭，提高焊接效率。在釬焊方面，國內(nèi)外學(xué)者通過探究釬料與SiCp/Al復(fù)合材料之間的潤濕性來組合釬料與釬劑，通過化學(xué)腐蝕處理表面暴露顆粒增強(qiáng)相、在復(fù)合材料表面電鍍金屬等方法來增大釬料與增強(qiáng)相的潤濕性、解決釬料鋪展受阻的問題，以進(jìn)一步提高釬焊焊接接頭質(zhì)量。

SiCp/Al復(fù)合材料；熔化焊；擴(kuò)散焊；攪拌摩擦焊；釬焊

SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）是近年來的研究熱點(diǎn)，在耐高溫、耐輻射以及耐磨損等方面有著極為出色的綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車交通、光學(xué)電子與民用等領(lǐng)域。在部分發(fā)達(dá)國家，SiCp/Al復(fù)合材料已進(jìn)入應(yīng)用階段，且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，如意大利都靈理工大學(xué)Monica等[1]通過釬焊將SiCp/Al復(fù)合材料制成耐磨保護(hù)層并連接在鋁合金汽車制動盤上，在提高制動盤耐磨性的同時(shí)，降低了汽車的總重量。

由于在SiCp/Al復(fù)合材料中存在SiC顆粒增強(qiáng)相與Al基體之間硬度、塑性等物理性能差異較大的問題，因此SiCp/Al復(fù)合材料的焊接性能較差，難以獲得與母材等強(qiáng)的焊接接頭，這嚴(yán)重阻礙了SiCp/Al復(fù)合材料在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[2]。實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的高質(zhì)量可靠焊接，是目前亟須解決的問題。

本文綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)SiCp/Al復(fù)合材料各種焊接方式的研究進(jìn)展，討論了各種焊接方法的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)、目前存在的問題與解決方式并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，旨在為SiCp/Al復(fù)合材料焊接的深入研究提供參考。

1 熔化焊

熔化焊是一種通過熱源將待焊工件的焊接接頭升溫至熔化狀態(tài)，使熔化后的液體在溫度場、重力場等復(fù)雜作用下發(fā)生混合，最后冷卻凝固形成牢固接頭的焊接方法。它是制造業(yè)中最常見、應(yīng)用最廣泛的一種焊接方法。根據(jù)焊接熱源的差異，可以將SiCp/Al復(fù)合材料的主要熔化焊方式分為氬弧焊[3-8]和激光焊[9-16]。但在SiCp/Al復(fù)合材料的熔化焊中，由于Al基體與SiC顆粒增強(qiáng)相的物理、化學(xué)性質(zhì)差異極大，在熔化溫度超過770 ℃時(shí)易發(fā)生界面反應(yīng)生成Al4C3針狀脆性相，嚴(yán)重影響熔化焊焊接接頭的質(zhì)量，如式（1）所示。若焊接環(huán)境濕度大或待焊工件表面存在水分，Al4C3還會發(fā)生水解反應(yīng)釋放甲烷，對焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生極其不良的影響[17-18]，如式（2）所示。

1.1 氬弧焊

氬弧焊是一種在氬氣保護(hù)氣氛中利用電流使待焊工件焊接接頭熔化形成熔池，繼而實(shí)現(xiàn)冶金連接的焊接方法。根據(jù)電極的不同，可以分為非熔化極氬弧焊（TIG）和熔化極氬弧焊（MIG）。

氬弧焊具備以下優(yōu)點(diǎn)：氬氣保護(hù)氛圍可以隔絕空氣對熔池的不良影響；電弧穩(wěn)定燃燒，熱量集中且溫度較高，生產(chǎn)效率較高；操作簡便且?guī)缀跄軌蚝附铀薪饘?，特別是易氧化金屬與難熔金屬。常用于鋁基復(fù)合材料的單面焊接，如管形工件與薄板工件等。

在SiCp/Al復(fù)合材料的焊接中，焊接溫度過高會導(dǎo)致劇烈的界面反應(yīng)，生成較多Al4C3針狀脆性相，嚴(yán)重影響接頭性能。SiCp/Al復(fù)合材料中的顆粒增強(qiáng)相SiC易滯留在熔池中，影響熔池液態(tài)金屬的流動過程，使氣體逸出受阻，最終在焊縫中形成大量氣孔。SiCp/Al復(fù)合材料氬弧焊焊縫底部微觀組織如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料氬弧焊的高質(zhì)量連接，需要找到能解決以上問題的方法。

Garcia等[3]采用直接和間接電弧的MIG焊接工藝成功實(shí)現(xiàn)了20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）SiCp/359Al復(fù)合材料厚板的連接。通過間接電弧的MIG焊得到了抗拉強(qiáng)度為234 MPa的焊接接頭，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度（262 MPa）的89%。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料氬弧焊焊縫底部微觀組織[3]

Jayashree等[4]使用TIG焊對攪拌鑄造成形的SiCp/6061Al復(fù)合材料進(jìn)行了焊接，研究發(fā)現(xiàn)，在150、170、200 A交流電焊接工藝參數(shù)下，隨著焊接電流的增大，樣品極限抗拉強(qiáng)度和韌性呈線性下降的趨勢。與母材相比，當(dāng)焊接電流為150 A時(shí)，樣品的極限抗拉強(qiáng)度提高了8.27%，如圖2所示。

圖2 TIG焊接和非焊接試樣的極限抗拉強(qiáng)度[4]

王少剛[5]提出在脈沖氬弧焊（P-TIG）焊接過程中加入合金Ti元素來誘發(fā)原位反應(yīng)。研究表明，采用脈沖誘發(fā)反應(yīng)的方法焊接SiCp/Al復(fù)合材料，獲得的接頭表面成形良好，接頭內(nèi)部組織致密，力學(xué)性能未出現(xiàn)明顯下降。這是因?yàn)槲⒘棵}沖的加入能夠在減少熱輸入量、減輕界面反應(yīng)的同時(shí)，攪拌熔池，利于氣體析出，減少氣孔的形成。合金Ti元素可以抑制SiC顆粒與Al母材之間的界面反應(yīng)，同時(shí)新生成的TiC粒子又可作為增強(qiáng)體，起到提高接頭強(qiáng)度的作用。Al-Ti-C相互反應(yīng)的模型簡圖如圖3所示。

圖3 Al-Ti-C相互反應(yīng)的模型簡圖[5]

Ure?a等[6]研究了增強(qiáng)相與母材之間的界面反應(yīng)對鋁基復(fù)合材料TIG焊接斷裂機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)斷裂失效的位置位于抗拉強(qiáng)度低于母材性能50%的焊縫金屬中。Al4C3的形成會使焊接材料中界面失效的比例增大，Al4C3降低了母材Al基體/增強(qiáng)相界面的強(qiáng)度。此外，還觀察到基體合金因富硅相和金屬間化合物（Si和Al-Fe-Si）的增加而脆化。

Ulukoy[7]研究了MIG焊接工藝參數(shù)對14%（體積分?jǐn)?shù)）和20%（體積分?jǐn)?shù)）SiCp/2014Al復(fù)合材料顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)熱輸入的增加并不影響Al4C3的生成，但SiC含量的增加會使熔池中出現(xiàn)Al4C3。此外，隨著熱輸入量和SiC含量的增加，焊接區(qū)和熔合區(qū)會出現(xiàn)大量氣孔。

1.2 激光焊

激光焊是一種使用高能量密度激光束作為焊接熱源的高精焊接方法，具備功率密度高、方式靈活和焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于微小型構(gòu)件、薄壁構(gòu)件與復(fù)雜構(gòu)件的焊接。

在SiCp/Al復(fù)合材料的激光焊接中，因?yàn)榧す夂附拥臒彷斎胍话愕陀跉寤『傅臒彷斎?，故界面反?yīng)較平緩，Al4C3針狀脆性相較少，但由于激光焊接的工藝特點(diǎn)，匙孔易坍塌，導(dǎo)致產(chǎn)生工藝型氣孔。故不僅需要減少界面反應(yīng)生成Al4C3針狀脆性相，還需要研究匙孔模式，從而提高焊接接頭的質(zhì)量。

Wang等[9]采用正交實(shí)驗(yàn)方法研究了激光焊接參數(shù)對SiCp/6092Al復(fù)合材料焊接接頭中氣孔和針狀相形成的影響，發(fā)現(xiàn)影響氣孔率與Al4C3形成的主要因素是激光功率和焊接速度，隨著熱輸入量的增加，孔隙率與Al4C3的大小也會增大。向焊縫中添加Ti可以減少孔隙和空隙缺陷并抑制Al4C3的形成。

趙文濤[10]采用脈沖和連續(xù)2種不同的激光焊接方法，對17%（體積分?jǐn)?shù)）SiCp/6061Al復(fù)合材料進(jìn)行了焊接。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率較大時(shí)，熱影響區(qū)的孔洞缺陷易誘發(fā)斷裂；當(dāng)激光功率較小時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能主要被界面產(chǎn)物影響，斷裂位置在焊縫區(qū)域。焊接熱輸入越大，Al4C3的尺寸越大，數(shù)量越少。將Ti元素加入焊縫可以改善熔池流動性，同時(shí)減少界面反應(yīng)。隨著Ti元素含量的增加，焊縫主要反應(yīng)生成物從Ti元素少量時(shí)的TiC、Si和Al4C3逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)門i元素適量且完全反應(yīng)時(shí)的TiC與Si，最終轉(zhuǎn)化為Ti元素過量時(shí)的TiC、Si和Ti3Al?？梢岳贸暷芰繄龅臋C(jī)械、聲流等效應(yīng)來減少熔池氣孔、細(xì)化組織，但超聲能量過高導(dǎo)致的熱效應(yīng)會促使第二相長大，降低焊縫力學(xué)性能。添加不同厚度Ti箔時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 添加不同厚度Ti箔時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度[10]

Zhang等[11-13]對SiCp/2A14Al復(fù)合材料的激光焊接工作進(jìn)行了大量研究。通過探究SiCp/2A14Al復(fù)合材料激光焊接過程中匙孔模式的可控性、成核機(jī)制和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在不同的匙孔模式下，焊縫中SiC的遷移傾向不同，但在其遷移位置末端均會形成大量Al4C3，他們也解釋了Al4C3在焊接接頭中的特殊分布現(xiàn)象。Al4C3的形成與C元素含量無關(guān)，調(diào)整匙孔模式可以有效抑制Al4C3在焊接接頭中的含量；高溫高冷卻速率下形成的穿透匙孔可以顯著抑制界面處大尺寸Al4C3的形成。他們設(shè)計(jì)了一種可以與Si和C元素原位合金化的針對性增強(qiáng)相來搭配Ti夾層，驗(yàn)證了靶向調(diào)控SiC分解產(chǎn)物的可行性。

1.3 總結(jié)

熔化焊是SiCp/Al復(fù)合材料焊接中常用的一種焊接方式，在焊接結(jié)構(gòu)相對簡單、厚度相對較大的構(gòu)件時(shí)，氬弧焊的應(yīng)用較多，在焊接結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、厚度相對較薄的微小型構(gòu)件時(shí)，激光焊的應(yīng)用較多。

針對SiCp/Al復(fù)合材料氬弧焊因熱輸入量大、界面反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致的Al4C3針狀脆性相含量高以及SiC顆粒增強(qiáng)相影響熔池潤濕性、阻礙液態(tài)金屬流動的問題，可以從以下方面進(jìn)行探究：1）抑制界面反應(yīng)以減少Al4C3含量，通過在焊縫中加入Ti元素以發(fā)生誘發(fā)反應(yīng)、抑制界面反應(yīng)產(chǎn)生Al4C3等方法來提高焊接接頭的力學(xué)性能，同時(shí)達(dá)到更好的成形效果；2）改善熔池中液態(tài)金屬流動性，通過調(diào)整工藝參數(shù)、加入脈沖攪拌熔池等方法提高熔池液態(tài)金屬的流動性，探究不同的填充材料對熔池流動性的影響，選取合適的材料以提高焊縫金屬對SiC顆粒增強(qiáng)相的潤濕性。

針對SiCp/Al復(fù)合材料激光焊熱輸入相對較大、界面反應(yīng)生成的Al4C3針狀脆性相相對較多以及因匙孔存在而導(dǎo)致的工藝型氣孔問題，可以從以下方面進(jìn)行探究：1）通過調(diào)整工藝參數(shù)中的激光功率與掃描速度來控制熱輸入的大小，從而有效減少Al4C3的形成，提高焊接接頭的力學(xué)性能，此外，也可以在焊縫中加入Ti元素，進(jìn)而抑制界面反應(yīng)產(chǎn)生Al4C3；2）通過調(diào)整匙孔模式、調(diào)整激光焊接模式的方法來減少Al4C3的含量，同時(shí)減小孔隙率，進(jìn)而提高焊接接頭的力學(xué)性能。

2 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種利用摩擦熱與塑性變形熱作為熱源的固相焊接方式。其原理如下：利用高速旋轉(zhuǎn)的焊接頭帶動攪拌針摩擦待焊工件，使焊接頭前方材料局部軟化，同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的塑性變形，在焊接頭沿著焊接方向移動時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形的材料在攪拌摩擦力的作用下逐漸沉積于攪拌頭的后方，并在擠壓下形成致密的焊縫，從而實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊工藝示意圖如圖5所示。自1991年被英國焊接研究所發(fā)明以來，攪拌摩擦焊就被應(yīng)用于鎂、鋁合金等輕金屬與高熔點(diǎn)材料的焊接中。

圖5 攪拌摩擦焊工藝示意圖[19]

由于攪拌摩擦焊具備熱影響區(qū)范圍小、焊接溫度低、殘余應(yīng)力低、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，不易生成脆性相Al4C3，在SiCp/Al復(fù)合材料的焊接方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。但SiCp/Al復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相SiC硬度大，易造成攪拌頭的嚴(yán)重磨損，很難實(shí)現(xiàn)長距離的攪拌摩擦焊。常見的攪拌摩擦焊焊縫宏觀形貌與金相組織如圖6、圖7所示。根據(jù)焊縫組織的不同，可以將焊縫分成不同區(qū)域：焊縫核心區(qū)（Nugget Zone）、熱力影響區(qū)（Thermo-mechanical Affected Zone，TMAZ）和熱影響區(qū)（Heat-affected Zone，HAZ）等。

要使用攪拌摩擦焊對SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行焊接，首先要關(guān)注攪拌頭這一關(guān)鍵因素。攪拌頭的材質(zhì)、攪拌針的形狀等都會在很大程度上對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響。目前攪拌摩擦焊在復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用較少的主要原因?yàn)閿嚢桀^的設(shè)計(jì)不成熟[20]。

圖6 攪拌摩擦焊焊縫正面宏觀形貌[20]

圖7 攪拌摩擦焊接頭橫截面金相照片[20]

馮濤[20]為10%（體積分?jǐn)?shù)）的SiCp/2024Al復(fù)合材料研制了專用攪拌頭（見圖8），選用GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金制造的攪拌頭進(jìn)行加工，設(shè)計(jì)了雙體螺栓連接攪拌頭，成功實(shí)現(xiàn)了SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊。焊接接頭抗拉強(qiáng)度為359.76 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的80%。觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊焊縫中的SiC顆粒分布不均勻，試樣脆性斷裂位置處于熱影響區(qū)（HAZ）與熱力影響區(qū)（TMAZ）的結(jié)合處，這是由于SiC顆粒在TMAZ中的偏析現(xiàn)象對接頭強(qiáng)度產(chǎn)生了不良影響。

圖8 螺栓連接攪拌頭尺寸[20]

Fernandez等[21]研究了Al359+20%（體積分?jǐn)?shù)）SiC金屬基復(fù)合材料攪拌摩擦焊過程中的刀具磨損問題，發(fā)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速和低焊接速度下，螺紋鋼銷刀具在焊接初始階段存在非常明顯的磨損情況，隨著轉(zhuǎn)速的降低與焊接速度的增大，刀具在焊接初始階段的磨損程度會逐漸下降。伴隨著攪拌摩擦焊過程中復(fù)雜的固態(tài)流變過程，刀具在初始階段被磨損后，在焊接過程中的磨損程度會逐漸降低。當(dāng)焊縫距離超過3 m后，刀具將形成平滑的形狀，此后不再磨損，且該形狀可以使焊縫更加均勻，降低SiC顆粒的粉碎程度。

Prabhu等[22]使用組合螺紋銷和方形異形銷對SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了攪拌摩擦焊，得到了抗拉強(qiáng)度為（247±2）MPa的焊接接頭，強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的97%。

Patil等[23]對SiCp/2024Al復(fù)合材料在攪拌摩擦焊過程中顯微結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行了詳細(xì)闡述。研究發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊各個區(qū)域的不同晶粒形態(tài)具備不同的尺寸，HAZ為粗晶粒，TMAZ因摩擦與攪拌作用而形成了細(xì)長的晶粒結(jié)構(gòu)。攪拌摩擦焊過程中的顆粒細(xì)化、再分布與再結(jié)晶可以細(xì)化SiC顆粒并使其在焊縫核心區(qū)域均勻分布。

Sachinkumar等[24]對SiCp/AA6061復(fù)合材料的攪拌摩擦焊進(jìn)行了研究，通過觀察頂部熔核區(qū)（UNZ）、中間熔核區(qū)（MNZ）與底部熔核區(qū)（LNZ）的晶粒組織分布，發(fā)現(xiàn)從焊縫頂部到底部晶粒尺寸逐漸減小，頂部、中間、底部的平均尺寸分別為7、5、3 μm。這是由于從UNZ到LNZ，不同部分的塑性變形和峰值溫度存在差異，UNZ受到較高的離心力，在再結(jié)晶過程中擠壓形成了較大的晶核；此外該區(qū)域被攪拌針直接摩擦，溫度較高，冷卻時(shí)間較長，晶粒長大現(xiàn)象明顯，LNZ則與基板直接接觸，有利于冷卻。

Uzun等[25]研究了AA2124/SiC/25p復(fù)合材料的攪拌摩擦焊。通過EDX對樣品進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊可以有效細(xì)化焊核區(qū)域的SiC顆粒，使一些粗大的SiC顆粒開裂，這歸因于焊接過程中的高速攪拌，但也因此會在基體/粗SiC顆粒界面位置產(chǎn)生一些氣孔。焊核拋光橫截面的SEM圖像和C、Si和Al的EDX分布圖如圖9所示。

圖9 焊核拋光橫截面的SEM圖像（a）和C（b）、Si（c）和Al（d）的EDX分布圖[25]

總體而言[19-32]，針對因SiCp/Al復(fù)合材料攪拌摩擦焊攪拌頭設(shè)計(jì)不成熟、SiC顆粒增強(qiáng)相嚴(yán)重磨損刀具而導(dǎo)致的焊縫成形質(zhì)量不一致以及焊接接頭力學(xué)性能較差等問題，首先需要根據(jù)待焊復(fù)材的特性確定焊接所用攪拌頭的材質(zhì)與尺寸形狀。一般來說，攪拌頭材料應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：1）高耐磨性與足夠的沖擊韌性；2）高溫下高強(qiáng)度、高硬度與高溫穩(wěn)定性；3）高溫下耐腐蝕；4）低成本與常溫下良好的可加工性能。若材料選配不正確，在攪拌摩擦焊過程中發(fā)生攪拌頭破損，金屬碎屑進(jìn)入焊縫中，將會嚴(yán)重影響焊縫宏觀形貌與力學(xué)性能，而好的攪拌頭可以大大提高焊接接頭的性能與焊縫的一致性。其次，由于不同SiCp/Al復(fù)合材料的可焊性不同，適合的工藝參數(shù)也有所差別，應(yīng)當(dāng)配合設(shè)計(jì)好的攪拌頭進(jìn)行工藝探究實(shí)驗(yàn)。在探究工藝參數(shù)對焊接接頭力學(xué)性能與微觀組織的影響時(shí)，可以重點(diǎn)關(guān)注以下工藝參數(shù)：焊接頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸向力、熱輸入量。通過控制焊接頭轉(zhuǎn)速、焊接速度與軸向力來獲得晶粒細(xì)小均勻的焊縫組織，同時(shí)避免因熱輸入量低、材料流動性差而導(dǎo)致的咬邊等缺陷或者因熱輸入量高、材料的湍流現(xiàn)象與高溫綜合作用使晶粒長大而對焊接接頭帶來的不良影響，最終獲得力學(xué)性能優(yōu)異、晶粒細(xì)小均勻的焊接接頭。

3 擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊是一種將待焊工件在高溫下緊壓在一起，使接觸表面不平整位置發(fā)生微小塑性變形，并在高溫保溫過程中促進(jìn)原子間相互擴(kuò)散從而成功實(shí)現(xiàn)冶金連接的焊接方法。該方法適用于異種金屬材料、耐熱合金材料與金屬基復(fù)合材料的焊接。

在SiCp/Al復(fù)合材料的焊接方面，擴(kuò)散焊具備無熔化過程、無需填充材料、無顆粒增強(qiáng)相偏聚等優(yōu)點(diǎn)。與熔化焊相比，無Al4C3等脆性相的產(chǎn)生；與攪拌摩擦焊相比，無攪拌頭的損耗。通過擴(kuò)散焊得到的焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定，高溫性能與耐腐蝕性能優(yōu)異，但因?yàn)槠涔に嚵鞒痰奶攸c(diǎn)，焊接時(shí)間較長，焊接效率較低；此外，由于SiCp/Al復(fù)合材料的易氧化性，待焊工件緊密貼合的界面易出現(xiàn)氧化薄膜，阻礙擴(kuò)散過程中原子間的相互擴(kuò)散，從而對焊接接頭的接頭強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。故需對氧化薄膜進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)有效的SiCp/Al復(fù)合材料擴(kuò)散焊連接。常見的擴(kuò)散焊接頭纖維組織如圖10所示。

圖10 擴(kuò)散焊焊接接頭的SEM圖像[33]

Maity等[33]探究了不同焊接壓力與不同焊接時(shí)間對SiCp/Al復(fù)合材料氬氣環(huán)境下瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊（TLP）的影響。在焊接壓力為0.2 MPa、保溫時(shí)間為6 h、焊接溫度為560 ℃的工藝條件下，得到剪切強(qiáng)度為95 MPa的焊接接頭，達(dá)到母材強(qiáng)度（剪切強(qiáng)度為105 MPa）的90%，并發(fā)現(xiàn)提高焊接壓力與延長焊接時(shí)間，可以以固態(tài)擴(kuò)散的方式去除界面處的間隙，從而提高接頭強(qiáng)度。

Halil等[34]在不同焊接溫度與焊接時(shí)間下，對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了擴(kuò)散焊接的研究，得到了強(qiáng)度為母材強(qiáng)度88%的焊接樣品。研究發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)散焊接中，必須使待焊工件相互接觸的表面達(dá)到完全接觸，若未實(shí)現(xiàn)完全接觸，則幾乎不可能獲得強(qiáng)度足夠的焊接接頭。如圖11a所示，在工件的連接界面處存在非常薄的氧化膜，當(dāng)焊接壓力不足以破壞它時(shí)，氧化膜的屏障作用會阻礙擴(kuò)散焊接中原子間的相互擴(kuò)散。當(dāng)焊接溫度從625 ℃升高到650 ℃時(shí)，擴(kuò)散區(qū)域明顯增加，如圖11b所示，并在675 ℃時(shí)得到最好的焊接界面，其中截面線大部分消失且得到類似于單塊樣品的界面，如圖11c所示。

圖11 不同溫度下焊接1.5 h的樣品焊縫界面的SEM顯微照片[34]

Murato?lu等[35]研究了SiCp/Al復(fù)合材料與純鋁的擴(kuò)散焊接工藝。結(jié)果表明，擴(kuò)散焊焊接接頭強(qiáng)度在很大程度上取決于SiC顆粒/Al基體界面處的微界面結(jié)合質(zhì)量，且SiC顆粒會影響SiCp/Al復(fù)合材料側(cè)的晶粒長大。

劉黎明等[36]采用Al-Cu混合粉末作為中間夾層，研究了SiCw/6061 Al復(fù)合材料的瞬間液相擴(kuò)散焊工藝。發(fā)現(xiàn)提高焊接溫度可以擴(kuò)大焊接過程中金屬液相的中間夾層比例，從而使焊接接頭的元素?cái)U(kuò)散速度增大，焊縫中的孔洞缺陷減少；延長焊接時(shí)間可以使中間夾層中的Cu元素充分?jǐn)U散至母材中，使焊縫組織均勻化。此外，在母材中的Mg元素與Cu粉末表面氧化膜和待焊工件氧化膜發(fā)生置換反應(yīng)后，形成的細(xì)小MgO顆粒、Al2MgO4顆粒會彌散在焊縫之間，有利于原子間相互擴(kuò)散并減少焊縫缺陷。

Hua等[37]研究了焊接參數(shù)與銅中間層厚度對半瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊SiCp/A356復(fù)合材料的影響。在焊接溫度為550 ℃、焊接壓力為5 MPa、焊接時(shí)間為20 min、銅夾層厚度為20 μm的工藝參數(shù)下，得到強(qiáng)度為172.8 MPa的焊接接頭，達(dá)到母材強(qiáng)度的72%。隨著Cu夾層厚度的增大，接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在Cu夾層厚度為20 μm時(shí)達(dá)到最大。這是由于如果Cu夾層太薄，共晶液相將會不足，無法完全潤濕基材并填充焊接接頭中的微小孔隙；若Cu夾層太厚，Cu元素將無法完全擴(kuò)散到基體中。焊接接頭抗拉強(qiáng)度與Cu夾層厚度的關(guān)系如圖12所示。

目前，與熔化焊、攪拌摩擦焊所得焊接接頭相比，SiCp/Al復(fù)合材料的擴(kuò)散焊接頭的質(zhì)量較差、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能較低，很難滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。擴(kuò)散焊接頭的質(zhì)量在很大程度上取決于焊縫對接界面的連接質(zhì)量，若原子間相互擴(kuò)散得比較充分、界面連接良好，則可獲得力學(xué)性能優(yōu)異的接頭。為進(jìn)一步提高接頭質(zhì)量，可以通過以下幾種方法：1）在未添加中間夾層的擴(kuò)散焊接中[33,38]，可以通過一定的方法如提高焊接溫度、提高焊接壓力、延長焊接時(shí)間和焊前拋光等，來去除氧化薄膜，以減少或避免其對焊接產(chǎn)生的不利影響，進(jìn)而獲得強(qiáng)度足夠的焊接接頭與達(dá)到良好的焊接效果，此外，在未添加中間夾層的接觸表面上存在增強(qiáng)相之間直接接觸的現(xiàn)象，這種位置很難成功實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)相之間的擴(kuò)散連接，且易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生；2）在添加中間夾層（常用夾層材料有Cu、Ni與混合粉末等）的擴(kuò)散焊接中[36-37,39]，中間夾層的存在會與氧化薄膜發(fā)生反應(yīng)，形成更加細(xì)小的顆粒彌散在焊縫之間，促進(jìn)原子間的相互擴(kuò)散作用，在焊接過程中形成高質(zhì)量的致密接合層；3）通過調(diào)整焊接溫度、焊接時(shí)間和焊接壓力等工藝參數(shù)以及外加超聲與電子束表面加熱以促進(jìn)擴(kuò)散焊過程中的原子間相互作用等方式來探索不同工藝對擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響，從而得到力學(xué)性能優(yōu)異的焊接接頭并提高焊接效率[34,40-42]。

圖12 焊接接頭抗拉強(qiáng)度與Cu夾層厚度的關(guān)系[37]

4 釬焊

釬焊是一種將釬料與清潔后的待焊工件同時(shí)加熱到稍高于釬料熔點(diǎn)（釬料熔點(diǎn)必須小于待焊工件熔點(diǎn)）后，利用毛細(xì)作用將熔化液態(tài)釬料填滿待焊工件的縫隙從而實(shí)現(xiàn)焊接的焊接方法。

釬焊具備焊接溫度低、尺寸精確、熱變形小和焊接接頭光滑平整等優(yōu)點(diǎn)，是常用于鋁基復(fù)合材料的連接方法之一。鋁基復(fù)合材料的釬焊方法主要包括真空釬焊、電阻釬焊等[43]。與其他增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料相比，SiCp/Al復(fù)合材料中的SiC與傳統(tǒng)金屬釬料之間的化學(xué)鍵合存在巨大差別，導(dǎo)致傳統(tǒng)金屬釬料很難潤濕SiC。同時(shí)，在600 ℃以下，傳統(tǒng)釬料幾乎不與SiC發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)[44]，故需要根據(jù)待焊工件材料的性能來尋找合適的釬料，以實(shí)現(xiàn)釬焊連接。常見的SiCp/Al復(fù)合材料釬焊過程示意圖如圖13所示，宏觀形貌如圖14所示。

圖13 釬焊過程示意圖

圖14 不同超聲作用持續(xù)時(shí)間下的釬焊宏觀焊縫[45]

Guo等[44]對比了50SnO-20ZnO-30P2O5（SZP）玻璃與鋁基復(fù)合材料的潤濕性，發(fā)現(xiàn)SZP的熱膨脹系數(shù)與55%（體積分?jǐn)?shù)）SiCp/Al復(fù)合材料的十分適配，并證實(shí)了SZP在復(fù)合材料上具有優(yōu)異的潤濕性（見圖15）。通過SZP釬料，在大氣條件下成功實(shí)現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的釬焊連接，在550 ℃下釬焊10 min時(shí)，焊接接頭沒有缺陷，結(jié)合良好，在復(fù)合材料附近形成了Zn2P2O7，接頭平均剪切強(qiáng)度達(dá)55.3 MPa。

圖15 接觸角隨溫度的變化情況（插圖為接觸角測量值和550 ℃時(shí)的潤濕形態(tài)）[44]

Qiu等[46]在大氣條件下采用Al-17.0Cu-8.0Mg-1.5Ni作為填充物成功實(shí)現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的高效、高強(qiáng)度釬焊。他們采用熔融紡絲技術(shù)制備了箔狀釬料，提高了擴(kuò)散性能并細(xì)化了晶粒。在580 ℃下釬焊30 min時(shí)釬焊接頭表現(xiàn)出的最大剪切強(qiáng)度為（92±2） MPa，箔狀填充金屬與母材具有最佳的黏結(jié)性能。釬焊填充金屬的微觀組織如圖16所示。

馮濤[20]采用表面處理工藝暴露復(fù)合材料表面顆粒，以該顆粒作為焊縫增強(qiáng)相來提高焊接接頭的強(qiáng)度；同時(shí)，利用真空氣相沉積法，在復(fù)合材料表面蒸鍍Cu，以增強(qiáng)釬料與焊縫增強(qiáng)相的潤濕性，成功實(shí)現(xiàn)了SiCp/2024Al復(fù)合材料的真空釬焊。接頭中無Al4C3生成，抗拉強(qiáng)度達(dá)到202 MPa。研究發(fā)現(xiàn)，在焊縫中存在SiC顆粒偏聚現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)性能有所下降，此外，釬料未完全潤濕、釬焊溫度過高使保溫過程中產(chǎn)生氣孔以及反應(yīng)產(chǎn)生Cu-Al金屬間化合物等，這些都會對焊接接頭力學(xué)性能造成負(fù)面影響。

Velamati等[47]以Al-822為釬料，對Al-Gr復(fù)合材料進(jìn)行了電阻釬焊與激光釬焊研究，發(fā)現(xiàn)激光釬焊更適用于微尺度連接，這是由于激光的能量密度高，可以有效穿透小部件的表面。電阻釬焊在使用更大的可互換電極時(shí)，可以通過電流熔化填充材料并將其擴(kuò)散到更大的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較低的焊接溫度與較短的焊接時(shí)間共同抑制了Al4C3的生成。此外，在釬焊前對Al-Gr復(fù)合材料進(jìn)行鍍鋅或鍍錫，可以增強(qiáng)釬焊黏合力甚至得到與母材剪切強(qiáng)度匹配的焊接接頭。

圖16 釬焊填充金屬的微觀組織[46]

Zhang等[48]研究了SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的真空釬焊工藝。探究了SiCp尺寸、體積分?jǐn)?shù)和釬焊工藝參數(shù)對焊接接頭的影響，發(fā)現(xiàn)焊接接頭中存在Al/Al、SiCp/Al和SiCp/SiCp3種界面連接，其中SiCp/Al與SiCp/SiCp界面為弱結(jié)合，其黏合質(zhì)量較差（見圖17），若該2種界面連接在焊接接頭中含量較高，則會導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能較差。此外，在釬焊參數(shù)恒定的情況下，焊接接頭的強(qiáng)度會隨著SiCp體積分?jǐn)?shù)的增大而降低。

圖17 釬焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)[48]

目前在SiCp/Al復(fù)合材料的釬焊研究中，所得焊接接頭的質(zhì)量較差，力學(xué)性能較低。這是由于SiCp/Al復(fù)合材料中的SiC顆粒增強(qiáng)相與傳統(tǒng)金屬釬料之間的化學(xué)鍵合存在巨大差別，導(dǎo)致傳統(tǒng)金屬釬料很難潤濕SiC，且SiC熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于母材熔點(diǎn)，在焊接過程中，存在溫度達(dá)到釬料熔點(diǎn)后因增強(qiáng)相不熔化不分解而帶來的釬料鋪展受阻等現(xiàn)象。為進(jìn)一步提高釬焊焊接接頭質(zhì)量，可以通過以下方式進(jìn)行探索：1）注意SiCp/Al復(fù)合材料與釬料熔點(diǎn)接近所導(dǎo)致的熔化溫度控制難等問題，提前探究所選釬料與復(fù)合材料之間的潤濕性等問題進(jìn)而合理選擇釬料與釬劑組合，并優(yōu)化工藝參數(shù)[44,46,49-51]；2）通過化學(xué)腐蝕處理表面暴露顆粒增強(qiáng)相、在復(fù)合材料表面電鍍金屬等方法來增強(qiáng)釬料與焊縫增強(qiáng)相的潤濕性[20,47,52]。

5 結(jié)語

在SiCp/Al復(fù)合材料的焊接研究中，熔化焊與攪拌摩擦焊所獲得的焊接接頭強(qiáng)度較高，但熔化焊中的Al4C3脆性相對焊接接頭的性能存在顯著不良影響，攪拌摩擦焊的焊接攪拌頭容易被SiC顆粒增強(qiáng)相磨損，從而導(dǎo)致長距離焊縫質(zhì)量不一致；與熔化焊相比，擴(kuò)散焊中無Al4C3脆性相產(chǎn)生；與攪拌摩擦焊相比，釬焊無攪拌頭的磨損，具備焊接溫度較低、尺寸精確等優(yōu)點(diǎn)，但擴(kuò)散焊與釬焊所得焊接接頭的力學(xué)性能較差，難以滿足生產(chǎn)需求。

為了對SiCp/Al復(fù)合材料的各種先進(jìn)連接方式進(jìn)行優(yōu)化，促使其在各個應(yīng)用領(lǐng)域的深入擴(kuò)展，提高社會經(jīng)濟(jì)效益，國內(nèi)外學(xué)者在不同的方向上做了許多嘗試，在一定程度上提高了各種焊接方式所得焊接接頭的質(zhì)量。對于SiCp/Al復(fù)合材料焊接，為解決熔化焊中因熱輸入量較大而產(chǎn)生Al4C3脆性相等問題，可以在小孔模式可控性、Ti元素添加量對界面反應(yīng)的具體影響以及超聲場和磁場對熔池的影響機(jī)理等方向加大研究力度。為解決攪拌摩擦焊中焊接攪拌頭易被磨損的問題，對加工攪拌頭的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)化研究，形成普遍適用于大多數(shù)SiCp/Al復(fù)合材料的攪拌頭設(shè)計(jì)理論，這將是未來鞏固其發(fā)展基礎(chǔ)的一個重要方向。擴(kuò)散焊雖然能夠得到質(zhì)量穩(wěn)定的焊接接頭，但接頭整體力學(xué)性能較差，焊接時(shí)間較長，焊接效率較低，在實(shí)際生產(chǎn)中受到限制，亟需一種能提高焊接效率與焊接接頭力學(xué)性能的方法來促進(jìn)擴(kuò)散焊的發(fā)展。釬焊中釬料與釬劑的搭配方式、降低真空釬焊對環(huán)境的苛刻要求、不同保護(hù)氣氛爐中釬焊對焊接接頭的影響機(jī)理等方向都具有良好的研究前景。

相信在不久的將來，會有越來越多高效、穩(wěn)定、可靠的鋁基復(fù)合材料先進(jìn)連接方式出現(xiàn)，推動鋁基復(fù)合材料在各個應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

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Overview of Welding of SiCp/Al Composites

ZHENG Lin1, ZHANG Mingyang1, XIONG Lingda1, JIANG Yiming1, MI Gaoyang1*, ZENG Guang2, OUYANG Qiubao3

(1. School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to achieve high-quality and reliable welding of SiCp/Al composites and further promote the application of SiCp/Al composites in various fields, the work aims to investigate the research status of different welding methods of SiCp/Al composites in China and abroad to provide reference for further research. In the field of fusion welding, Chinese and foreign scholars currently use methods such as adjusting process parameters and adding titanium to induce reaction in the joint to suppress the formation of Al4C3in the weld joint, thereby improving the mechanical properties of the welded joint. In field of friction stir welding, Chinese and foreign scholars have designed special stir heads for different materials to ensure that they have high wear resistance and sufficient impact toughness, and will not be damaged in the welding process. Attention has been paid to the welding head rotating speed, welding speed, axial force and heat input factors in the welding process, in order to obtain the welded joints with excellent mechanical properties and uniform fine grains. In the field of diffusion welding, scholars in China and abroad have explored the promoting effect of interlayer on the interatomic diffusion between weld interfaces. In order to improve welding efficiency, different process parameters are combined with ultrasonic or electron beam surface heating to promote the mutual diffusion between atoms to obtain welded joints with excellent mechanical properties. In the field of brazing, Chinese and foreign scholars have combined brazing filler metal and flux by exploring the wettability problem between brazing filler metal and SiCp/Al composite material, and increased the wettability of brazing filler metal and weld reinforcement phase by surface treatment of exposed particle reinforcement phase and electroplating metal on the surface of composite material, so as to solve the problem of impeded spreading of brazing filler metal and further improve the quality of brazing welded joints.

SiCp/Al composite material; fusion welding; diffusion welding; friction stir welding; brazing

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.003

TG44

A

1674-6457(2024)03-0032-12

2024-01-10

2024-01-10

國家自然科學(xué)基金（52075199）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB4603004）

The National Natural Science Foundation of China (52075199); National Key R&D Program of China (2022YFB4603004)

鄭凜，張銘洋，熊凌達(dá), 等. SiCp/Al復(fù)合材料焊接綜述[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 32-43.

ZHENG Lin, ZHANG Mingyang, XIONG Lingda, et al. Overview of Welding of SiCp/Al Composites[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 32-43.

（Corresponding author）