摘要：將激光焊接技術(shù)用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。激光能量誘發(fā)復(fù)合材料和反應(yīng)添加物鈦之間的相互作用產(chǎn)物形成了復(fù)合材料的焊接接頭。在一定的焊接條件下該反應(yīng)產(chǎn)物能夠完全阻止有害碳化鋁相在焊接區(qū)的形成。 給出了金屬基復(fù)合材料激光誘發(fā)反應(yīng)焊的試驗(yàn)結(jié)果，并從理論上對(duì)激光誘發(fā)反應(yīng)焊接機(jī)理進(jìn)行了探討。 用常規(guī)的熔化焊焊接金屬基復(fù)合材料時(shí)，由于復(fù)合材料的增強(qiáng)體與熔化的基體金屬接觸時(shí)間過長(zhǎng)，易加速增強(qiáng)體與基體之間的化學(xué)反應(yīng)，常常導(dǎo)致兩者間的嚴(yán)重?cái)U(kuò)散以及增強(qiáng)體的分解，甚至完全破壞。此外，焊接區(qū)常出現(xiàn)較大的氣孔，使接頭強(qiáng)度有所下降。因此，這些焊接方法不宜用于結(jié)構(gòu)的焊接。其他連接技術(shù)如擴(kuò)散焊、摩擦焊、電子束焊和電阻焊等［1］，盡管已被證明是有效的連接方法，但由于這些方法或需要復(fù)雜的專用設(shè)備、或要求特殊的接頭形式、或?qū)讣Y(jié)構(gòu)要求高等原因，在實(shí)際應(yīng)用中受到很多限制。機(jī)械連接常常也是一種有效的方法，然而這種連接因韌性差并易形成應(yīng)力集中可能導(dǎo)致災(zāi)難性破壞。 盡管激光焊接具有總的熱輸入低、能量密度高、焊接速度高、變形小和熱影響區(qū)小等許多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)被用于SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接時(shí)，仍存在著強(qiáng)烈的界面反應(yīng)，形成Al4C3脆性相而使接頭性能變差的問題。為了解決這一難題，國(guó)內(nèi)外目前主要采用改變激光參數(shù)來減緩界面反應(yīng)［2,3］，或是選用基體含Si量高（如A356，6061）的鋁基復(fù)合材料來抑制界面反應(yīng)［4］，然而這兩種方法并不能完全消除增強(qiáng)體（SiC）與基體金屬（Al）間的有害反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3。 1試驗(yàn)條件及方法 試驗(yàn)用的材料為2124Al＋20vol%SiCp鋁基復(fù)合材料，其熱處理狀態(tài)為“固溶處理＋人工時(shí)效”，增強(qiáng)體SiC顆粒的平均直徑為3μm，其金相組織如圖1所示。 圖1鋁基復(fù)合材料的金相組織焊接用的激光器為Nd∶YAG脈沖固體激光器。激光參數(shù)為：波長(zhǎng)為1.06μm，平均功率小于100W，最大單脈沖能量為20J，脈沖頻率為10次／秒，脈寬為2.5ms，發(fā)散角＜6mrad，焦點(diǎn)位置在試樣表面上。 采用的焊接方法為：①不加填料的常規(guī)激光焊; ②激光誘發(fā)反應(yīng)焊——為了排除其他元素的加入增加反應(yīng)焊接的復(fù)雜性，僅在焊縫中加入純鈦。試件尺寸40mm×10mm×2mm。接頭形式為對(duì)焊。 基體及焊縫的相結(jié)構(gòu)分析是在日本理學(xué)D／MAX-RA轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀上進(jìn)行的，以Cu為靶，石墨為單色器，電壓和電流隨試樣的不同而變化。 2試驗(yàn)結(jié)果與分析 圖2和圖3分別為常規(guī)激光焊的焊接接頭組織和相分析結(jié)果。圖4和圖5分別為激光誘發(fā)反應(yīng)焊的焊接接頭組織和相分析結(jié)果。 圖2常規(guī)激光焊焊接接頭的組織 （激光功率：40W，焊接速度：120mm/min） 圖3常規(guī)激光焊焊接接頭X射線衍射圖 圖4激光誘發(fā)反應(yīng)焊接接頭組織 （激光功率：40W，焊接速度：120mm/min） 圖5激光誘發(fā)反應(yīng)焊焊接接頭X射線衍射圖由圖2和圖3可以看出，常規(guī)激光焊接頭熔化區(qū)主要由Al4C3和灰色塊狀顆粒Si組成，Al4C3呈針狀、性脆，會(huì)降低金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能［5］。Al4C3的大小和數(shù)量取決于激光的熱輸入，即復(fù)合材料的增強(qiáng)相（SiC）與基體（2124Al）之間的反應(yīng)程度直接同激光能量成比例。因此，合理地控制激光參數(shù)就可能減少碳化鋁的生成。 由圖4及圖5可以看出，添加鈦元素的激光誘發(fā)反應(yīng)焊焊縫中的SiC顆粒雖然全部消失，但并沒有發(fā)現(xiàn)針狀的Al4C3相，替而代之生成的是細(xì)小的TiC顆粒，其形貌，如圖6所示。此外，相分析表明，在常規(guī)激光焊和激光誘發(fā)反應(yīng)焊的焊接接頭中還有AlCuMg和Al7Cu3Mg6生成。Ti主要以TiC的形式存在于焊縫中，另有少量的Ti溶于Al基體中，也可能有極少量的鈦鋁化合物存在，但在相分析中沒有發(fā)現(xiàn)鈦鋁化合物。 圖6激光誘發(fā)反應(yīng)焊生成的TiC形貌從圖2所得焊縫來看，焊縫中并不存在文獻(xiàn)［6］發(fā)現(xiàn)的SiC顆粒重新分布區(qū)。這主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)所用材料中SiC顆粒很細(xì)小，平均直徑僅為3μm，而文獻(xiàn)［6］中SiC顆粒平均直徑為10μm。而SiC顆粒愈小，其表面積愈大，愈容易與液態(tài)鋁完全發(fā)生界面反應(yīng)而消失。文獻(xiàn)［6］中MMCs的基體材料為A356，其Si含量很高（約7%），有游離的Si存在，根據(jù)反應(yīng)式（1）可知，Si可以抑制Al4C3的形成，所以，Al4C3僅在熔化區(qū)中溫度較高的區(qū)域里形成。而2124基體中Si含量極低，無游離Si存在，所以，Al4C3的形成不會(huì)受到抑制，Al4C3可在整個(gè)熔化區(qū)內(nèi)形成。 在常規(guī)激光焊和激光誘發(fā)反應(yīng)焊中涉及的物相主要有Al，SiC，Ti。在高能激光的作用下，SiC熔化或熔解［2,5］能產(chǎn)生C。所以，在焊接過程中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有： 4Al+3SiC=Al4C3+3Si(1) ΔGT=-11 260＋10.83T Ti+SiC=TiC+Si(2) ΔGT=-28 500＋T Al4C3+3Ti=3TiC+4Al(3) ΔGT=-74 120－7.83T Ti＋C＝TiC(4) ΔGT=-44 100＋2.902T 4Al＋3C＝Al4C3(5) ΔGT=-58 180＋9.936T 式中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)［7,8］。 這些反應(yīng)中自由焓ΔG隨溫度T的變化規(guī)律可用圖7來表示。 圖7ΔG隨T的變化規(guī)律在SiC顆粒增強(qiáng)2124鋁基復(fù)合材料的激光焊接中，Al4C3是通過反應(yīng)式（1）形成的，由于Al4C3易與水反應(yīng)，常導(dǎo)致接頭變脆。相反，如果接頭中形成了TiC，而不是Al4C3，接頭性能則可能提高，這是因?yàn)門iC的熱穩(wěn)定性極高，在3343K下熔化但不分解（在這個(gè)溫度下Al4C3完全分解），而且它的密度和硬度均高于SiC和Al4C3。 由反應(yīng)自由焓ΔG可以知道，在焊縫中加入Ti之后，SiC與Ti的反應(yīng)比與Al的反應(yīng)更容易，所以，反應(yīng)更易形成TiC；盡管在焊接過程中可能有部分SiC與Al反應(yīng)生成Al4C3，但是，新形成的Al4C3會(huì)立即與Ti發(fā)生反應(yīng)式（3），形成TiC。反應(yīng)元素Ti用作界面填料可以增加表面能，并可以通過形成穩(wěn)定的TiC提高基體材料的潤(rùn)濕性能。 總之，理論和試驗(yàn)都證明，碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘發(fā)反應(yīng)焊接方法，可以完全消除Al4C3脆性相, 在熔化區(qū)形成穩(wěn)定的TiC相，從而可以提高復(fù)合材料的接頭性能。 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59575069) 作者簡(jiǎn)介：徐九華男，生于1964年10月，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。從事專業(yè)：機(jī)械制造及自動(dòng)化。研究方向：切削加工、成形加工與激光焊接。中國(guó)航空切削研究會(huì)副主任，江蘇省航空學(xué)會(huì)冷加工專業(yè)委員會(huì)副主任。曾獲省級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇。 范炯男，1966年9月生，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生，主要從事激光焊接和減摩耐磨涂層方面的研究。 林祥豐男，1941年3月生，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)材料工程系教授，主要從事焊接與熱處理方面的研究，近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。 作者單位：南京航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京210016 參考文獻(xiàn) ［1］陳茂愛. 金屬基復(fù)合材料的焊接研究［J］. 材料開發(fā)與應(yīng)用，1997, 12(3):34～40. ［2］Dahotre N B, McCay M H, Macay T D, et al. Pulsed laser processing of a SiC/Al ally metal matrix composite［J］. J Mater Res, 1991, 6(3):514～529. ［3］XU Jiu-hua, JIANG Cheng-yu. Pulsed Nd-YAG laser welding of an Al-SiCp metal matrix composite［J］. Chinese Journal of Aeronautic, 1997, 10(1): 75～80. ［4］Ahearn J S, Cooke C, Fishman S G. Fusion welding of SiC-reinforced Al composites［J］. Metal Construction, 1982, (4):192～197. ［5］Dahotre N B, Macay T D, McCay M H. Laser processing of a SiC／Al-alloy metal matrix composite［J］. J Appl Phys, 1989, 65(2):15～21. ［6］Copinathan S C. The Laser Welding of Al-SiCp metal matrix composites: An analytical estimate for the formation of aluminum carbide［D］. Michigan: Published by UMI, 1992.12～14. ［7］姚允斌. 物理化學(xué)手冊(cè)［M］. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.123～140. ［8］迪安. 蘭氏化學(xué)手冊(cè)［M］. 北京: 科學(xué)出版社，1991.910～923.