激光誘發(fā)反應(yīng)焊接

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，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，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)�焊件結(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，國內(nèi)外目前主要采用改變激光參數(shù)來減緩界面反應(yīng)，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)，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。
　　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。
　　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。
　　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。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。
　　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。
　　所得焊縫來看，焊縫中并不存在文獻(xiàn)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)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)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熔化或熔解能產(chǎn)生c。所以，在焊接過程中可能發(fā)生化學(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
　　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)閠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。