非连续增强金属基复合材料焊接时的问题

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716页（1890字）

焊接是一个加热或／和加压过程，鉴于复合材料的性能特点，焊接时很可能会存在以下问题：

1．界面反应

大部分金属基复合材料的基体与界面之间在高温下会发生交互作用(即界面反应)，在界面上生成脆性化合物，降低复合材料的性能。A1₂O₃颗粒或短纤维在任何温度下均不会与Al发生反应，因此属于化学相容性较好的复合材料。固态Al中SiC不与Al发生反应，但在液态Al中，SiC粒子与Al会发生如下反应：

4Al(液)+3SiC(固)→Al₄C₃(固)+Si(固)

该反应的自由能为^［10］：

ΔG=11390－12．06TlnT+8．92×10^－3T²+7．53×10^－4T^－1+2．15T+3RTlna_［si］

式中，a_［Si］为Si在液态Al中的活度。

该反应不仅消耗了复合材料中的SiC增强相，而且生成的脆性相Al₄C₃使接头显着脆化。此外，Al₄C₃还会与水发生反应生成乙炔，在潮湿的环境中接头易发生低应力腐蚀开裂。因此，防止界面反应是这类复合材料焊接的首要问题。

防止或减轻界面反应的方法有：

(1)采用含Si量较高的Al合金作基体或采用含Si量高的焊丝作填充金属，以提高熔池中的含Si量。由反应自由能公式，Si的活度增大时，反应的驱动力(-ΔG)减小，界面反应减弱甚至被抑制。

(2)采用低热输入的焊接方法，严格控制热输入，降低熔池的温度并缩短液态Al与SiC的接触时间。

(3)增大坡口尺寸，减少从母材进入熔池中的SiC量。

(4)也可采用一些特殊的填充金属，其中应含有与C的结合能力比Al与C的结合能力强，而且不生成有害碳化物的活性元素，例如Ti。当熔池中含Ti时，Ti将取代Al与SiC反应生成TiC质点，这不仅对性能无害而且还能起强化相的作用。

Al₂O₃／Al、B₄C／Al等复合材料的界面较稳定，一般不易发生界面反应。

2．增强相的偏聚

粒子增强型复合材料在重熔后，增强相粒子易发生偏聚，如果随后的冷却速度较慢，粒子又被前进中的液／固界面所推移，致使焊缝中的粒子分布不均匀，降低了粒子的增强效率。

3．熔池的黏度大、流动性差

复合材料熔池中存在未熔化的增强相，这大大增加了熔池的黏度，降低了熔池金属的流动性，不但影响了熔池中的传热和传质过程，还增大了气孔、裂纹、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性。通过采用高Si焊丝或加大坡口尺寸(减少熔池中SiC或Al₂O₃增强相的含量)可改善熔池的流动性，此外，采用高Si焊丝还可改善熔池金属对SiC颗粒的润湿性。采用高Mg焊丝有利于改善熔池金属对Al₂O₃的润湿作用，并能防止颗粒集聚。

4．气孔、结晶裂纹的敏感性大

由于熔池金属黏度大，气体难以逸出。而且金属基复合材料，特别是用粉末冶金法制造的金属基复合材料的含氢量较高，一般比基体金属高几倍。因此，焊缝及热影响区的气孔敏感性很高。为了避免气孔，一般需在焊前对材料进行真空除气处理。

由于基体金属的结晶前沿对颗粒的推移作用，结晶最后阶段的液态金属中的SiC颗粒含量较大，流动性很差，因此易于产生结晶裂纹。此外，焊缝与母材的热膨胀系数不同，焊缝中的残余应力较大，这进一步加重了结晶裂纹的敏感性。

5．接头区的不连续性

目前尚无复合材料专用焊丝，电弧焊时一般沿用基体金属用焊丝，这使焊缝中增强相的含量大大下降，破坏了材料的连续性，即使是避免了上述几个问题，也难以实现等强焊接。