1、靠 一 中国高新技术企业 铝基复合材料的扩散焊接工艺饼究及应用 文徐建华 邹娟 霍文国 【摘要】 本文以亚微米级 o3口6061A1铝基复合材料为对象，研究了直接扩散焊与采用中间层扩散焊两 种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理分析了中间层对接头强度的影响规律。结果表明在铝基复合材料 液、固温度区间，存在“临界温度区域”。在此温度区域进行直接扩散焊接时通过液相基体金属的浸润，使得 在扩散接合面中增强相一增强相接触转化为增强相一基体一增强相的有机结合。获得高质量焊接接头；进一步 研究发现在扩散接合面上采用合适的基体中间层同样可以将增强相一增强相接触转化为增强相一基体一增 强相的有机结合，同时增大“临
2、界温度区域”范围，接头性能更加稳定，接头变形量进一步减小(2)。 【关键词】铝基复合材料直接扩散焊中间层扩散焊 1序言 铝基复合材料作为一种新兴材料，由于其具有高比强度、高比 模量、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好等优异的综合性能而受到人们 的广泛关注并将逐步取代部分传统的金属材料而广泛应用于航空、 航天、汽车制造业等领域成为当今金属基复合材料发展与研究的 主流。然而铝基复合材料的焊接性差，很难形成高强度的焊接接 头。成为该种材料走向实用化的严重障碍。 本文以亚微米级AJ203D6061A1铝基复合材料为对象，通过系列 试验研究了采用直接扩散焊与基体铝合金作为中问层的扩散焊两 种工艺焊接铝基复合材
3、料的特点、机理分析了中间层对接头性能 的影响，探索实现铝基复合材料优质连接的有效工艺。 2试验材料及方法 21试验材料 采用挤压铸造法制备亚微米级A1 O3D6061A1铝基复合材料。 增强相A1203颗粒平均尺寸为04 m，体积比为30。该复合材料在 扫描电镜下的显微组织见图1，在退火状态下拉伸强度为300MPa。 基体6061A1的化学成分如表l所示。选取与基体相同成份的 图1 Al2O6061AI铝基复合材料显微组织 表1 6061AI的化学成分(Wt) 22试验方法 将材料加工5mm10mm30mm的尺寸进行对接平焊，扩散焊 过程是在10一，r0rr的真空室中进行试件采用电阻法加热通过
4、热电 偶测量温度并使其在焊接中保持恒定焊接过程见图2。焊后利用 C$S一2205型电子万能实验机(拉伸强度取3个试样的平均值)测试 焊接接头的力学性能。采用扫描电子显微镜JSM一560oLV分析接头 微观组织及断口形貌。 84 蟹 J 圈2 AI,2Oj6061AI铝基复合材料扩散焊接T艺流程圈 3 接头变形率按下式计算： S=(S-So)IS0 其中：S0一焊前接头截面积 S一焊后接头截面积 23试验结果及其讨论 分别采用直接扩散焊与中间层扩散焊两种工艺焊接Al ， 6061A1铝基复合材料。试验结果如图3所示，可以看到，直接扩散 焊与采用6061铝合金箔中间层扩散焊两种工艺条件下均可以获得
5、 较高的接头强度但直接扩散接头变形量较大介于612之间。而 6061铝合金箔做中间层时接头变形量小于(2。可见采用与铝基 复合材料基体金属相同的6o61m合金做中间层时可以获得更高质 量的接头。从图中还可以发现，在试验范围内直接扩散焊时接头 强度随焊接规范的提高而提高特别是当温度超过基体材料的固相 线温度(855K)时，接头强度有显著提高，焊接规范参数具有明显的 门槛值，较高接头强度往往伴随着较大的接头变形量(最大可达 12)，同时从图3中可以发现直接扩散焊接时铝基复合材料焊接接 头性能波动较大。与直接扩散焊相比，在同一焊接规范下加入 6061A1合金中间层扩散焊时接头性能稳定性、波动较小。
6、这是由于铝基复合材料对接时在接触面上存在以下界面结合 形式：增强相一增强相(RR)；增强相一铝合金基体(RM)；铝合金 基体一铝合金基体(MM)。由于基体与增强相的熔点相差很大在 试验焊接规范下，(RR)的结合几乎没有强度l 】，该部位不仅仅减 indirg tewerattwe,k 图3直接扩散焊、夹层扩散焊接头强度与焊接温度关系曲线 少了载荷的传递能力而且还为裂纹的萌生和扩展提供了场地。 因此避免(RR)接触是提高扩散焊接头强度的关键也是铝基复合 材料扩散焊接工艺研究的中心环节。 直接扩散焊时，当焊接温度超过基体合金固相线温度时。基体原 子的活性和迁移率增加并且在材料接触面上出现基体合金液
7、态薄 膜，此液膜浸润材料连接表面。基体原子通过这个液膜加速相互扩 散，此时铝合金基体塑性流动性良好，借助基体的塑性流动使得接 头区域增强相颗粒重新分布。导致了铝合金基体渗入增强相之间的 l茁 霍奇 结合处，促使了界面上的增强体一增强体(RR)接触改为增强体一 基体(RM)接触，由于(RR)接触几乎无结合而(RM)接触结合强 度远远大于fRR)接触，因此可以使接头强度大大提高。可见复合材 料间直接扩散焊要得到高强度的接头一方面需要对焊接参数控制 得非常严格。另一方面不可避免地接头要产生较大的变形。这对焊 后尺寸要求严格的情况是不合适的。 而对于铝合金中间层扩散焊来讲并不是通过基体材料的塑性 变形
8、使增强相重新分布来避免(RR)接触，而是由于铝合金中间夹 层的加入，将接合面上的(RR)接触转化为(MM)、(RM)接触， 提高了接头的强度。故其焊接过程并不需要太大的焊接规范(压力、 温度)就可以实现。 另外，为比较两种焊接工艺的区别又进一步测试了直接扩散 焊与6061A1铝合金中间层扩散焊最佳焊接规范区域如图4所示，可 见由于加入了Al合金中间层使得该复合材料接头最佳焊接规范区 域明显增大接头变形显著减小。 (a)一无中间层 (b)一A1合金中间层 圈5采用直接扩散焊、中间层扩散焊焊接铝基复合材辩的断口形貌照片 下面进一步研究铝合金夹层厚度对接头强度的影响规律。图6 为铝合金厚度与接头强度
9、的关系曲线。可见中问层的厚度对接头的 强度有很大的影响。当中间层厚度超过10txm时，接头强度开始明显 下降。这是由于中间层过厚使得接头出现无增强相区域，导致接头 强度下降，断裂首先从该区域发生图7为该工艺条件下不同铝合 蒜 一 中国高新技术企业 金中间层厚度的接头组织SEM照片。在6061A1合金中间层为51xm 时焊接接头中观察不到明显的无增强相区域存在；而中间层为 50p,m时，焊接接头中观察到明显的无增强相区域(中间层区域)，该 区域存在将降低焊接接头性能。 20O Thickness of A1 interlayeru 图6铝台金中间层厚度对接头强度的影响 (a)一5“m (b卜一5
10、01m 图7铝合金中间层焊接区SEM组织照片 3结论 通过对采用直接扩散焊与基体铝合金作为中间层的扩散焊焊接 铝基复合材料的工艺研究，可得出以下结论： 1采用直接扩散焊时接头强度的提高是通过基体合金塑性流 动，改善增强相分布，避免了(RR)接触而实现的。为了获得高强 度接头，一方面需要对焊接参数控制得非常严格，另一方面不可避 免地使接头产生较大的变形。在本试验条件下，直接扩散焊接头强 度可达203MPa。接头变形量为612。 2采用铝合金夹层扩散焊时，通过铝合金中间夹层的加入。将接 合面上的(RR)接触转化为(MM)、(RM)接触，提高了接头的强 度。夹层的厚度超过一定的数值时，将使接头接合界
11、面出现无增强 相区，引起接头强度的下降。在本试验条件下，铝合金夹层扩散焊 接头强度可达200MPa，接头变形量(2。 3采用直接扩散焊的工艺时，需要对焊接参数控制得非常严格， 与之相比采用铝合金中间层扩散焊时最佳焊接参数变化区域大大 增加。 参考文献 f1 JLiu Liming，zhu meiiStudying of microbonding in diffusion welding joint for compositeMaterial Science and Engineering A315 2oo1：104 【2】圆城敏男等，7， 二短纤维强化A6063 7，L，三= 厶合金力扩 散结合，溶接学会论文集，53(1987)，317 f31HQ卡扎柯夫材料的扩散焊接国防工业出版社1984 f4】广濑明夫，金属基复合材料接合熔接学会志，1996，65(4) (作者单位系1新疆克拉玛依市安泰炼化工程有限公司 2山东农业大学机电学院 山东省泰安市经济贸易委员会) 一85一 加 们 0 生LIpBLI 苗 IsE 噩
