激光诱发反应焊接

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。

) ?0 F. a& R' V& _" _5 l% D$ d: s % ]- s3 I5 t ?8 ?! Z" U

　　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。

# ^, Z7 C( W# e : U3 |/ |1 V& T% v( `

　　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。

$ @ z6 p* Y2 {" O

　　试验条件及方法

' b# J0 f5 x' b4 D 8 q2 W4 h9 x2 N# S! ]$ i: `- N: F

　　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。

, {' B( [" S: h$ o7 B

　　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。

6 |: P ]- {3 H8 v

　　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。

+ n1 ^( }# p5 z- t" M

　　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。

　　常规激光焊接头熔化区主要由al4c3和灰色块状颗粒si组成，al4c3呈针状、性脆，会降低金属基复合材料的机械性能。al4c3的大小和数量取决于激光的热输入，即复合材料的增强相(sic)与基体(2124al)之间的反应程度直接同激光能量成比例。因此，合理地控制激光参数就可能减少碳化铝的生成。

$ o' j- H& O1 A8 C

　　添加钛元素的激光诱发反应焊焊缝中的sic颗粒虽然全部消失，但并没有发现针状的al4c3相，替而代之生成的是细小的tic颗粒，其形貌，如图6所示。此外，相分析表明，在常规激光焊和激光诱发反应焊的焊接接头中还有alcumg和al7cu3mg6生成。ti主要以tic的形式存在于焊缝中，另有少量的ti溶于al基体中，也可能有极少量的钛铝化合物存在，但在相分析中没有发现钛铝化合物。

# o* O1 Q% T. P

　　所得焊缝来看，焊缝中并不存在文献发现的sic颗粒重新分布区。这主要是因为本试验所用材料中sic颗粒很细小，平均直径仅为3μm，而文献中sic颗粒平均直径为10μm。而sic颗粒愈小，其表面积愈大，愈容易与液态铝完全发生界面反应而消失。文献中mmcs的基体材料为a356，其si含量很高(约7%)，有游离的si存在，根据反应式(1)可知，si可以抑制al4c3的形成，所以，al4c3仅在熔化区中温度较高的区域里形成。而2124基体中si含量极低，无游离si存在，所以，al4c3的形成不会受到抑制，al4c3可在整个熔化区内形成。

4 Z* c. O6 f( N

　　在常规激光焊和激光诱发反应焊中涉及的物相主要有al，sic，ti。在高能激光的作用下，sic熔化或熔解能产生c。所以，在焊接过程中可能发生的化学反应主要有：

　　4al+3sic=al4c3+3si(1)

' g) M+ `! j* Y8 B/ N

　　δgt=-11 260＋10.83t

$ n6 x: E V6 N" ?" p

　　ti+sic=tic+si(2)

% Q: S# i1 y W( N: R ]( Z9 X- |

　　δgt=-28 500＋t

3 [8 M( O, x8 c- W$ O8 j

　　al4c3+3ti=3tic+4al(3)

　　δgt=-74 120-7.83t

　　ti＋c＝tic(4)

　　δgt=-44 100＋2.902t

　　4al＋3c＝al4c3(5)

$ Z2 Z: ]+ B/ K$ f1 l

　　δgt=-58 180＋9.936t

2 J. Y8 {$ Q1 ]' u! I: `# f# N

　　在sic颗粒增强2124铝基复合材料的激光焊接中，al4c3是通过反应式(1)形成的，由于al4c3易与水反应，常导致接头变脆。相反，如果接头中形成了tic，而不是al4c3，接头性能则可能提高，这是因为tic的热稳定性极高，在3343k下熔化但不分解(在这个温度下al4c3完全分解)，而且它的密度和硬度均高于sic和al4c3。

1 D* ^$ a# M3 x4 @5 Y W 9 q2 |8 v: M7 M! a7 C Q8 G1 h

　　由反应自由焓δg可以知道，在焊缝中加入ti之后，sic与ti的反应比与al的反应更容易，所以，反应更易形成tic；尽管在焊接过程中可能有部分sic与al反应生成al4c3，但是，新形成的al4c3会立即与ti发生反应式(3)，形成tic。反应元素ti用作界面填料可以增加表面能，并可以通过形成稳定的tic提高基体材料的润湿性能。

6 T6 j y6 w! u# {

　　总之，理论和试验都证明，碳化硅增强铝基复合材料的激光诱发反应焊接方法，可以完全消除al4c3脆性相，在熔化区形成稳定的tic相，从而可以提高复合材料的接头性能。【MechNet】

4 R6 n! z4 [2 K* N7 W7 N