连续纤维增强金属基复合材料焊接中的问题

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第707页（1557字）

连续纤维增强金属基复合材料由基体金属及增强纤维组成，因此这类材料的焊接不但涉及到金属基体之间的焊接，还要涉及到金属与非金属增强相之间的焊接以及增强相之间的焊接。基体通常是一些塑性、韧性好的金属，其焊接性一般都较好；而增强相是高强度、高模量、高熔点、低密度和低线膨胀系数的非金属，其焊接性都很差。因此，纤维增强金属基复合材料的焊接性也很差，焊接这类材料时遇到的主要问题有：

1．界面反应

在较高的温度下，复合材料中金属基体与增强纤维之间通常是热力学不稳定的，两者的接触界面上易发生化学反应，生成对材料性能不利的脆性相，这种反应通常称为界面反应。例如B_f／Al复合材料加热到700K左右时，B纤维与Al就发生反应，生成AlB₂反应层，使界面强度下降。C_f／Al复合材料加热到850K左右时就发生反应，生成脆性针状组织Al₄C₃，使界面强度剧烈下降。而且Al₄C₃能与水反应放出CH₄气体，易使接头发生低应力破坏。SiC_f／Al复合材料在固态下虽不发生反应，但在基体Al熔化后也会反应生成Al₄C₃。

因此，防止或减轻界面反应是保证焊接质量的最关键问题之一。该问题可通过冶金或／和工艺两个方面来解决：

(1)冶金方式 通过加入一些活性比基体金属更强的元素或能阻止界面反应的元素来防止界面反应。例如加Ti可以取代Al与SiC反应，不仅避免了有害化合物Al₄C₃的产生，而且生成的TiC还能起强化相的作用；而提高基体Al中的含Si量或利用含Si量高的焊丝也可抑制Al与SiC间的界面反应。

(2)工艺方式 通过控制加热温度和时间来避免或限制反应的进行。例如采用固态焊工艺或低热输入熔焊工艺可限制SiC_f／Al复合材料的界面反应。

3．熔池的流动性差

基体金属与纤维的熔点相差较大，采用熔焊方法时基体金属熔池中存在大量固体纤维，阻碍液态金属流动，易导致气孔、未焊透和未熔合等缺陷。

4．接头残余应力大

纤维与基体的线膨胀系数相差较大，在焊接热循环的加热和冷却过程中会产生很大的内应力，易使结合界面脱开。此外，由于焊缝中纤维的体积分数较小且不连续，焊缝与母材间的膨胀系数相差也较大，在熔池的结晶过程中易引起较大的残余应力，因此，这种材料的热裂纹敏感性较大。

5．纤维的分布状态被破坏

压力焊时，如果压力过大，增强纤维将发生断裂；电弧焊时，在电弧力的作用下，纤维不但会发生偏移，还可能发生断裂。

6．接头中的纤维不连续

两块被焊接工件中的纤维几乎是无法对接的，因此在接头部位，增强纤维是不连续的，接头的强度及刚度比母材低得多。

7．熔化的基体金属对纤维的润湿性问题

利用熔化焊焊接纤维增强金属基复合材料时，金属与金属之间的焊接为熔焊机制，金属与纤维之间的结合属于钎焊机制，因此要求基体金属对纤维具有良好的润湿性，当润湿性较差时，应添加能改善润湿性的填充金属。