金属基复合材料激光诱发反应焊接研究(上)

HEATS

　　用常规的熔化焊焊接金属基复合材料时，由于复合材料的增强体与熔化的基体金属接触时间过长，易加速增强体与基体之间的化学反应，常常导致两者间的严重扩散以及增强体的分解，甚至完全破坏。此外，焊接区常出现较大的气孔，使接头强度有所下降。因此，这些焊接方法不宜用于结构的焊接。其他连接技术如扩散焊、摩擦焊、电子束焊和电阻焊等，尽管已被证明是有效的连接方法，但由于这些方法或需要复杂的专用设备、或要求特殊的接头形式、或对焊件结构要求高等原因，在实际应用中受到很多限制。机械连接常常也是一种有效的方法，然而这种连接因韧性差并易形成应力集中可能导致灾难性破坏。

1 \' Q' K/ T3 {% G" T# O

　　尽管激光焊接具有总的热输入低、能量密度高、焊接速度高、变形小和热影响区小等许多优点，但当被用于SiC增强铝基复合材料的焊接时，仍存在着强烈的界面反应，形成Al4C3脆性相而使接头性能变差的问题。为了解决这一难题，国内外目前主要采用改变激光参数来减缓界面反应，或是选用基体含Si量高(如A356，6061)的铝基复合材料来抑制界面反应，然而这两种方法并不能完全消除增强体(SiC)与基体金属(Al)间的有害反应产物Al4C3。

　　1试验条件及方法

. J; s/ z6 h3 X# ?" T

　　试验用的材料为2124Al＋20vol%SiCp铝基复合材料，其热处理状态为“固溶处理＋人工时效”，增强体SiC颗粒的平均直径为3μm，其金相组织如图1所示。

6 @! T2 H# {7 g$ \1 ~

O) o% N! i# R0 }1 b& \( u

　　图1铝基复合材料的金相组织

　　焊接用的激光器为Nd∶YAG脉冲固体激光器。激光参数为：波长为1.06μm，平均功率小于100W，最大单脉冲能量为20J，脉冲频率为10次／秒，脉宽为2.5ms，发散角＜6mrad，焦点位置在试样表面上。

5 p9 f% G: q' q6 m' Q; j% t9 Z8 J

　　采用的焊接方法为：①不加填料的常规激光焊;②激光诱发反应焊——为了排除其他元素的加入增加反应焊接的复杂性，仅在焊缝中加入纯钛。试件尺寸40mm×10mm×2mm。接头形式为对焊。

& ~4 {8 I0 D# p- F9 f+ O" v* s! @/ K! Z

　　基体及焊缝的相结构分析是在日本理学D／MAX-RA转靶X射线衍射仪上进行的，以Cu为靶，石墨为单色器，电压和电流随试样的不同而变化。

7 | F' W; u$ U7 |8 M$ t$ X2 ?( [4 O' k

　　2试验结果与分析

5 B; N# y" x1 d( v+ O9 g# c0 q

　　图2和图3分别为常规激光焊的焊接接头组织和相分析结果。图4和图5分别为激光诱发反应焊的焊接接头组织和相分析结果。

) Q3 l- v* f2 a7 S7 N. C

+ H1 ?* Q" M& I) @# R# A# ]

　　图2常规激光焊焊接接头的组织(激光功率：40W，焊接速度：120mm/min)

　　图3常规激光焊焊接接头X射线衍射图

; @% x9 J& P$ w9 r' d) s" p1 P

　　图4激光诱发反应焊接接头组织(激光功率：40W，焊接速度：120mm/min)

: @+ C% o: v- f' Z

　　图5激光诱发反应焊焊接接头X射线衍射图