铝基复合材料焊接

铝基复合材料焊接铝基复合材料的比强度和比模量比铝合金材料高，在航天飞机、军用飞机、卫星、太空望远镜和汽车发动机领域获得应用。要很好地应用铝基复合材料，通常取决于这种材料本身与其它金属材料的连接能力。焊接技术是连接铝基复合材料的有效途径。本文重点论述美国铝基复合材料的传统的焊接方法、研究现状、存在的问题和解决途径。1前言长期以来，铝、钛等合金一直是航天、航空产品的重要结构材料。从60年代起，美国、日本、前苏联、英、法等国相继研制金属基复合材料(MMCS——MetalMatrixComposites)。MMCS由增强材料和金属基体材料构成，其增强材料用连续长纤维(f)、粒子、颗粒(p)、晶须(w)和短纤维(d)，而基体材料用传统的金属材料。当前广泛研究采用的是SiC、Ti、B4C、B、Al2O3(氧化铝)和C(或Gr石墨)颗粒、晶须或短纤维增强的6061铝或Ti-6Al-4V或Mg的MMCS。典型的颗粒直径小于20μm，添加量可达到35%(体积)，晶须直径为几个微米，具有几千倍的L/d(长径比)，纤维直径为10μm～200μm，添加量可达到45%。将两种不同物理、力学性能特点的材料结合成一种MMCS，与金属材料的性能相比，具有高比强度、比刚度、高的轴向拉伸强度、低的或接近零的热膨胀系数、高的耐磨性、在高真空或潮湿或辐射环境下有良好的尺寸稳定性、良好的导电、导热性、抗疲劳性、阻尼性和无逸气性；与树脂基复合材料相比，有耐高温性(碳/环氧最高工作温度180℃，B/Al、B/Ti最高工作温度分别为310℃和540℃)（见表1）。MMCS不但可以制成板材、面板、管材和型材，还可以用面板和型材扩散焊连接成为波纹焊接结构。这种波纹结构可承受510MPa的的轴向应力,是锻造同样波纹金属结构的1.4倍。为满足航天工业的发展需要，美国60年代研制出以连续B纤维增强的铝基复合材料，70年代用于航天飞机的主隔框、翼肋构架支柱和管子上。管子243根，比原铝合金挤压件减轻重量44%，即145kg。在哈勃太空望远镜上使用的连续碳纤维P100增强的铝复合材料(P100/6061，即石墨/铝)，密度为2.187g/cm3，用它制造的3.66m长高增益天线波导和精密光学结构，比石墨/环氧材料减轻重量63%。80年代，陆军、海军、空军、NASA和制造火箭的承包商及制造复合材料的公司和大学，都投入到MMCS的研究、试制、性能测试和评定。目前MMCs已用于军用飞机F-16和C-17上。但是，要扩大MMCS在航天、航空、军事和民用产品的应用，除了提高本身的制造质量和降低成本外，最重要的是要解决好材料成型后的焊接技术。美国在研制出MMCS不久，就开展了焊接技术的研究，并在火箭、飞机结构件、汽车、山地自行车的焊接上都取得了成效。本文主要对Al-MMCs的传统焊接方法进行论述。表120%SiCp/6061、B/Al与6061-T6、2219-T87力学性能的比较性能材料SiCp/6061-T6B/Al6061-T62219-T87纵向横向抗拉强度/MPa415～5851379138310434屈从强度/MPa380～415——275—抗拉摸量/GPa103～1312341386972剪切摸量/GPa34～4141—26—密度/g.cm－32.852.62.62.772.82延伸率1.5%～2.0%——12%～17%—2焊接方法述评美国宇航系统所属的各个研究机构开展焊接研究最早，从1966年起，通用动力公司的M.S.Hersh就开始研究B/Al复合材料的电阻焊，时间长达10多年，对单向(50%体积)、横向铺层(45%体积)材料本身或与其它材料的焊接作了各种试验及改进。格鲁曼宇航公司的J.R.Kennedy研究了B/Al等MMCS的熔焊，具有使用前景；D.M.Goddard等人研究了Gr/Al(石墨/铝)的钎焊，是最成功的焊接工艺方法。80年代随着“星球大战计划”的实施，参与制造火箭、卫星、航天飞机、飞机的公司、研究机构和大学有目的、有计划、有针对性地对电阻焊、熔焊、钎焊、电子束焊、激光焊、扩散焊、等离子焊等焊接方法开展全面研究，结果证明电子束焊、激光焊和等离子焊不太适合于焊接Al-MMCS。2.1电阻焊电阻焊分为电阻点焊和电阻缝焊(又称点焊和缝焊)。点焊B/Al的厚度一般为0.25mm～2.5mm，最大厚度为6mm～13mm。焊接时用三相交、直流400V、150kW的点焊机，电极表面半径为152mm～304mm，电极的压力为点焊铝合金的2倍，焊核直径是材料厚度的8倍，焊接接头受力最高达2205N。焊接时不损伤纤维材料，焊后对接头进行固溶热处理和时效后可以提高接头的力学性能。多层点焊的焊接接头强度系数接近100%。缝焊B/Al时滚轮直径为254mm，滚轮端部宽度为13mm，半径为101mm，顶锻力为53341N，滚轮速度为152mm/min，焊机为100kW的单向脉冲焊机。焊缝宽度为5.1mm时，压力比点焊小，焊缝无飞溅，纤维无损伤。当焊缝与纤维方向垂直时，承受破坏载荷能力小，焊缝平均破坏载荷为45.7kg/mm。点焊焊接接头典型力学性能见表2～3。点焊比缝焊效果好，在149℃时强度没有明显损失，温度升到371℃时强度才有少量的降低。点焊不但适用B/Al＋B/Al和B/Al＋Al(如2024-T3、6061-T6)的焊接，而且还适用三层或多层B/Al本身及B/Al＋Al的焊接，因此电阻焊是比较经济、理想的连接工艺方法。表2点焊B/Al搭接接头剪切强度结构厚度/mm破坏载荷/kg结构厚度/mm破坏载荷/kg23638612022806365——4451362注：UD——单向(50%体积),CP——横向铺层(45%体积),HT——焊后热处理到T6状态表3点焊接头力学性能测试测试试样材料测试载荷平均值/kg破坏形式单点搭0.51mm厚50%(体积）的B*/Al＋0.51mm厚2024T3Al237在B/Al焊点边缘拉接剪切开双点搭接剪切同上367同上单点横向拉伸同上19.1在B/Al焊点边缘弯断单点搭接剪切0.51mm厚50%B/Al＋0.51mm厚2024T3Al(或0.51mm厚的B*/Al）281在B/Al板上面焊点边缘拉开单点搭接剪切0.51mm厚2024T3Al＋二块0.51mm厚50%B/Al389在2024T3Al焊点边缘拉开单点搭接剪切0.51mm厚50%(体积)的B*/Al＋0.51mm厚50%（体积)的B*/Al或0.51mm厚2024T3Al317在B/Al板上面焊点边缘拉开单点搭接剪切0.76mm厚50%（体积)的B**/Al＋0.76厚50%(体积)的B**/Al342在B**/A焊点边缘拉开注：*——单向；**——SiC涂层的B纤维2.2钎焊和扩散焊钎焊的最大特点是焊接温度较低，是在母材基本不熔化而处于固态状态下完成连接的，对母材造成的影响很小。焊接一般不需要特殊设备，而焊件尺寸、形状有较大的自由度。钎焊使用的钎料有软钎料(熔点低于450℃的钎料)和硬钎料(熔点高于450℃的钎料)两种。将装配好钎料的焊件置于真空炉中加热所进行的钎焊叫真空钎焊；将焊件或装配好钎料的焊件整体或局部浸沉在钎料浴槽或盐浴槽中加热进行钎焊的方法叫浸沾钎焊；将焊件直接通以电流或将焊件放在通电的加热板上利用电阻热进行钎焊的方法叫电阻钎焊。软钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊和真空钎焊均适用对Al-MMCS的连接,普遍认为，钎焊是较简单易行、最适合Al-MMCS的焊接方法。B/Al复合材料的连接用这几种钎焊方法都是成功的。软钎焊采用Cd-Ag或Zn-Al钎料，在低于450℃时钎焊B/Al与B/Al、B/Al与Ti。钎焊制成B/Al管OVI卫星发射架，接头剪切强度可达80MPa。浸沾钎焊采用Al-11.6Si钎料，在537℃下预热4min后，在593℃钎焊45s，即可获得良好润湿和均匀的B/Al与B/Al、B/Al与Al、B/Al与Ti的浸沾钎焊接头。电阻钎焊在427℃以上进行，焊接时间控制在2min多以内，否则会降低接头的强度，所以采用快速加热，用平电极和718铝箔钎料(Al-12%Si)，在几秒钟内进行焊接，已经焊接过Gr/Al＋Gr/Al、Gr/Al＋2219Al和B/Al＋B/Al。真空钎焊是最适合Al-MMCS的钎焊方法之一，不需要去除焊后的钎剂残渣，零件焊后变形小，焊接接头强度高，通常采用Al-Si-Mg钎料，在温度低于590℃、保温时间5min～15min、真空度不低于4×10-3Pa。为避免B纤维与熔融Al液发生界面反应，在B纤维表面涂Si或B4C涂层；钎焊时用双面搭接接头，严格控制加热或冷却速度，避免不适当的加热或冷却使纤维与Al之间因热膨胀系数的差别产生热应力，损害钎焊接头。B/Al带材制造长660mm、宽76.2mm的帽形截面桁条，钎焊之前抽掉热等静压炉中空气，加温到413℃、保温30min，烘拷带材，然后加热到532℃时，向炉中通入3.5MPa压力的Ar气，使被焊件紧贴在模具上，再加热到593℃、保温10min，完成钎焊。扩散焊是把两焊件紧密贴合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。这种焊接方法的焊接温度也较低，对增强材料的影响小，很适合Al-MMCS的焊接。美国航天飞机上大量使用的B/Al管是由加利福尼亚州通用动力公司的康维尔分公司宇航部门扩散焊成的；这种管由强度2760MPa、弹性模量6900MPa的B纤维增强6061Al制成0.18mm厚的单向性带材，将带材在钢芯上卷成一定厚度的圆管，然后将Ti-6Al-4V端环安装在B/Al管两端，在温度520℃、压力69MPa的密闭热压釜中，把B/Al管与Ti合金端环扩散焊焊接在一起。2.3熔化焊和激光、电子束、等离子弧焊焊接Al-MMCS的熔化焊分为TIG焊(钨极惰性气体保护电弧焊)和MIG焊(熔化极惰性气体保护电弧焊)。从60年代起J.R.Kennedy研究了B纤维增强6061Al的焊接。熔焊比上述其它焊接方法的热输入大，在热电弧的作用下增加了界面的熔化，B纤维和Al相互反应。这种反应通常在680℃熔化的Al中发生。温度更高(740℃)时、仅3min发生相互反应，在熔化区、热影响区产生严重的焊接脆性，使B纤维破断、发裂，严重时焊接接头强度大大下降，所以熔焊Al-MMCS存在一定困难性。但是，在采用或不采用填充焊丝、300A的交、直流焊接电源上还是可以焊接B/Al的。当用4043Al焊丝填充时可以使焊接熔池稳定，增加B和Al的浸润性，效果好。Kennedy用1mm直径的钍钨极、2mm直径的4043Al焊丝，在Ar气保护下，用带槽(槽宽2mm)铜棒作垫板、焊接了0.63mm、1.27mm厚的B/Al，结果发现B纤维在焊接过程中并没有明显的损伤，焊缝的化学成分比不加焊丝有改变，焊缝组织有改善。激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的热量进行焊接的。电子束焊是利用加速和聚焦的电子轰击置于真空或非真空中的焊件接缝所产生的热能进行焊接的。等离子弧焊是利用等离子焊抢，将阴极(如钨极)和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧，以这种电弧作焊接热的熔焊方法。这3种焊接方法的特点是能量密度高、热源集中、焊缝窄，很适合熔点高的钛基复合材料的焊接，日本用激光焊成功焊接SiC纤维增强Ti-6Al-4V复合材料，效果很好。而用这几种高能量密度的焊接方法焊接熔点低、活泼的Al时，反应、蒸发加剧；在SiC/Al焊接时损坏SiC纤维，形成大量的Al3C4和块状Si，对焊缝很不利，破坏了复合材料的结构和性能并吸附水分，降低了热影响区的腐蚀阻力，所以这几种焊接方法不宜焊接Al-MMCS。3焊接问题和研究Al-MMCS基体材料通过锻造、铸造＋T6处理、快速凝固和粉末冶金制造，增强材料由连续纤维向非连续(即粒子、晶须、短纤维)发展增强Al合金(DRA)，制造工艺日趋成熟，各种材质在市场上均有销售。在过去30年中，美国采用不同的焊接工艺对其进行了研究，对出现的焊接工艺