新型材料的焊接
- 2016-03-14 14:25:00
- sawchina 原創
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金屬基復合材料是60年代根據航空航天技術的需要發展起來的一類重要的新型工程材料。其中纖維增強的金屬基復合材料，如從B、C、SiC纖維增強的鋁基復合材料，具有高的比強度、高比剛度和高溫性能好等特性。因此，采用這種材料不僅提高了性能，而且大大減輕了重量。但由于其制造工藝復雜，成本昂貴，使用受到了很大的限制。因此，從簡化制造工藝，降低成本出發，又開發了另一類顆粒或短纖維增強的金屬基復合材料，如用SiC顆粒（或晶須、短纖維）增強的鋁塑復合材料。它具有耐磨、耐熱、抗蠕變、熱膨脹系數小等特性，常用作耐磨、耐熱和耐蝕等零件。它不僅用于航空發動機零件，而且在民用工業中也得到了廣泛的應用，如汽車發動機活塞、連桿、剎車器和自行車零部件等。
由于復合材料是由成分、結構和性能相差很大的金屬和非金屬材料復合而成，通常它們之間的物理、化學相容性較差，所以在其帛造過程中需采取特殊的復雜工藝。這給隨后的加工帶來了很大的困難。焊接就是難題之一。雖然從60年代金屬基復合材料問世后，國外已成功地解決了航天飛機中纖維增強金屬基復合材料的焊接問題。但在如何簡化工藝、提高效率、降低成本和擴大應用領域等方面仍有待進一步研究，而我國在該領域尚處于起步階段。
2. 技術關鍵
金屬基復合材料的基體是一些塑性、韌性好的金屬，而增強相往往是一些高強度、高模量、主熔點、低密度和低熱膨脹系數的非金屬纖維或顆粒。所以焊接這類材料時，除了要解決金屬基體的結合外，還要涉及到金屬與非金屬的結合，有時甚至會遇到非金屬之間的結合。這這種情況下，關鍵是非金屬增強相在焊接過程中的行為和影響。這類材料焊接時的關鍵可歸納為：
1）從化學相容性考慮，復合材料中金屬基體和增強相之間，在較大的溫度范圍內是熱力學不穩定的，焊接時加熱到一定溫度后它們就會反應。決定其反應可能性和激烈程度的內因是二者的化學相容性，其外因溫度。例如B/Al復合材料，加熱到700K左右就能反應，生成AlB2反應層，使界面強度降低。C/Al復合材料，則加熱到850K左右時反應生成Al4C3反應層，使界面強度降低。SiC/Al復合材料在固態下不發生反應，但在液態Al中發生反應,生成Al4C3脆性針狀組織，它在含水環境下能與水反應放出CH4氣體，引起接頭低應力破壞。
因此，避免和抑制焊接時基體金屬和增強相之間的反應是保證焊接質量的關鍵，可從冶金和工藝兩方面著手解決。從冶金方面，可加入一些活性比基體金屬更強的元素與增強相反應，生成無害的物質。例如加Ti可取代Al與SiC反應，不僅避免了有害化合物Al4C3的產生，而且生成的TiC還能起強化相的作用。從工藝上可以控制加熱溫度和時間來避免或限制反應的產生。例如SiC/Al復合材料用固態焊接就能避免反應的產生；熔化焊時需采用低的輸入來限制反應。
2）從物理相容性考慮，當基體與增強相的熔點相差較大時，熔池中存在大量未熔增強相而使其流動性變差。這將導致氣孔、未焊透和未熔合等缺陷的產生；另外，在熔池凝固過程中，未熔增強相質點在凝固前沿集中偏聚，破壞了原有分布特點而使性能惡化。
解決該問題的冶金措施是采用流動性好的填充金屬，并采取工藝措施，減少復合材料的熔化，如加大坡口，采用熱輸入低的TIG焊等。
3）當固態增強相不能被液態金屬潤濕時，焊縫中會產生結合不良的缺陷，這可選用潤濕性好的填充金屬來解決。
4）當焊接過程中加壓過大時，會產生纖維的擠壓和破壞，如摩擦焊和電阻焊。
3．幾種焊接方法的比較
基于前面的分析，固態焊接和釬焊明顯優于熔化焊。首先，它避免了復合材料的熔化；其次，還可將焊接溫度控制在基體與增強相不發生反應的范圍內。但它們的缺點是接頭型式的局限性較大，而且工藝復雜，生產率較低，尤其是擴散焊。對固相焊中的摩擦焊來說，界面溫度雖很高，但時間很短，所以不會影響接頭性能。但因為摩擦焊接施加很大的壓力，會損傷纖維、故不適于焊接纖維增強的復合材料。這一現象在電阻焊時同樣存在。采用軟釬焊時，溫度可以很低，但接頭強度也低。用熔化焊焊接金屬基復合材料時，雖然存在很多問題。但由于其高效、簡便而具有很大的吸引力，因此并未放棄對它的研究。填絲TIG焊在一定條件下已獲得應用，如焊接Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的自行車架。從盡量減小熔化區和熱壓響區出發，似乎高能束激光焊對焊接復合材料很有利。但由于其能量密度很高，熔池局部溫度很高，并由于增強相對激光的吸收率高而導致增強相過熱、甚至熔化，從而使反應更為激烈。采用脈沖激光焊可有所改善，但并不能完全抑制反應的進行。
4. 發展前景
金屬基復合材料由于其優異的性能而具有廣泛的應用前景，現在主要的問題仍然是成本高和加工困難。其中焊接問題不解決就很難在結構中大量應用。因此，焊接將成為金屬基復合材料今后擴大應用中的關鍵。雖然固態焊接和釬焊較為成功，但由于它們的局限性而無法滿足金屬基復合材料大規模發展的需要。相反，生產率高，工藝較為簡便的熔化焊由于其冶金問題而難于得到滿意的結果。進一步發展焊接工藝和焊接材料仍然是一個艱巨而又重要的任務。開發流動性好，潤濕性好，能抑制不利的冶金反應，強化焊縫的復合專用填充材料其中包括特殊釬料是一個重要的研究領域。在工藝方面從降低焊接溫度，提高接頭結合強度出發應研究過渡液相擴散焊和共晶擴散釬焊等新工藝；從提高生產率，降低成本出發應該進一步研究能嚴格控制熱輸入和母材熔化量的熔化焊工藝，如脈沖氬弧焊和脈沖激光焊以及熔化量很少的加壓焊等。
2．陶瓷的焊接
1. 發展背景
隨著科學技術的發展，陶瓷的組成、性能、制造工藝和應用領域已發生了根本性的變化，從傳統的生活用陶瓷發展成為具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷，在電子信息技術中發揮了重要的作用；同時由于其獨特的高溫性能、耐磨和耐腐蝕等性能而使其成為發展陶瓷發動機、磁流體發電及核反應裝置等高科技產品的重要材料，但由于其嚴重的脆性而使其無法做成復雜的和承受沖擊載荷的零件。因此，必須采取連接技術來制造復雜的陶瓷件以及陶瓷和金屬的復合件。這就涉及到陶瓷與陶瓷以及陶瓷與金屬的焊接問題。早在本世紀30年代，在電子管的制造中已成功地采用了陶瓷-金屬的封接技術，這實際上應是一種用密封管子的釬焊。但它以達到密封為主要目的，因此該技術并不一定能滿足工程中受力要求同的陶瓷與金屬復合件的焊接。近二十多年來隨著工程陶瓷的開發和應用，如汽車工業中陶瓷發動機的研究和開發，大大地推動了陶瓷焊接技術的發展。我國在50年代末開始研究電子管制造中的陶瓷-金屬封接技術，但作為工程上應用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，為適應絕熱或無冷發動機研制的需要而發展起來的，并已取得了較大的進展。
2．技術關鍵
不論陶瓷與金屬焊接，還是用金屬填充材料焊接陶瓷與陶瓷時都存在陶瓷/金屬界面的結合問題。由于陶瓷與金屬在電子結隊晶體結構、力學性能、熱物理性能以及化學性能等方面存在著明顯的差別，因此要實現陶瓷/金屬界面的冶金結合是非常困難的；用常規的焊接材料和工藝幾乎無法獲得可靠的連接，尤其是熔化焊。因為一些陶瓷（如SiC、Si3N4、BN）在熔化前就升華或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化時迅速蒸發，其他能熔化的陶瓷，也很難與金屬熔合在一起形成組織和性能滿意的接頭。到目前只有個別用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的報道，如用電子束將Mo、Nb、W或可伐合金絲熔合到Al2O3絕緣體上以及用激光焊接Al2O3等。現有的較成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的條件下進行的，如研究得最多的釬焊與擴散焊。用這些方法焊接陶瓷時的關鍵問題為：
（1）界面反應問題 無論是擴散焊還是釬焊，陶瓷/金屬界面的結合機制都屬于化學結合。陶瓷釬焊時釬料熔化后能否與陶瓷潤濕也取決于界面反應；沒有界面反應就不能潤濕，不能結合。因此，釬焊時陶瓷/金屬的界面反應不僅是產生化學結合的必要條件，而且也是潤濕陶瓷的先決條件。例如用常規的Ag-Cu釬料釬焊Si3N4時，既不潤濕又不結合；而用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti釬料釬焊時，潤濕和結合都很好。根據熱力學條件，活性元素的選擇原則是以其與陶瓷之間反應的自由能變化ΔG0為準則。在擴散焊時為獲得好的界面結合，金屬也必須對陶瓷具有活性，例如Si3N4與Al的焊接；若金屬的活性很差時，須采用加活性中間層的辦法。
（2）界面兩側的熱-力學的匹配問題 由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來后會產生很大的熱應力，降低了接頭的斷裂強度。甚至開裂。目前主要的解決辦法是在陶瓷和金屬之間加中間層。作為中間層的金屬有兩類：①熱膨脹系數小的金屬；②屈服點σs和彈性模量E低的軟金屬。但通常二者是相互矛盾的。軟金屬（如Cu）的熱膨脹系數都很大，而膨脹系數小的金屬（如W、Mo）的σs、E均較大。通過有限元計算和拉伸試驗的結果，說明用軟金屬Cu作中間層比用低熱膨脹系的W、Mo作中間層的降低熱應力效果好，而且所得接頭的抗拉強度高。如同時采用這兩類材料的復合中間層則效果更好。
3．幾種焊接方法的比較
根據前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相擴散焊和釬焊較適合于陶瓷的焊接，并且得到了應用，如汽車發動機的陶瓷增壓器和陶瓷挺柱等都是用擴散焊和釬焊焊接的陶瓷與金屬的復合件。釬焊陶瓷除了活性釬料法外，還有一種與常規釬料配合應用的陶瓷表面金屬化法。這種方法發展較早，主要用于電子管的封接。它的缺點是工藝相當復雜。固相擴散焊的最大優點是避免了金屬對陶瓷的潤濕問題。但它要求整個焊接界面必須保持緊密接觸，因此對界面的加工精度要求很高，不適宜于大面積和復雜界西的焊接。釬焊主要受潤濕性的限制很大，但它對焊接面精度的要求較低，適合大面積和復雜界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了擴散焊外還有摩擦焊和微波焊等，但這些方法都不成熟，且存在很多缺點，例如摩擦焊是在瞬時內施加很大的壓力通過大變形量來達到結合的，這對硬脆的陶瓷材料很難達到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特點來進行加熱和擴散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。
4. 發展前景
關于陶瓷焊接的研究數量很多，目前除對一些理論問題，如界面反應、內應力數值模擬等須進一步深入研究外，擬將重點放在實用化方面。其中主要問題為：
1）為充分發揮陶瓷耐高溫的特性，必須解決接頭的高溫性能。
2）目前的試驗都是采用小試樣，內應力問題不很突出，在大面積和復雜零件的焊接時，陶瓷前開裂和低應力破壞是一個嚴重問題，必須進步研究降低內應力的辦法。
3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中進行，效率低、成本高，必須研究非真空的高效低成本焊接方法。
其中1）、2）兩個問題是關鍵，而且二者密切相關，又相互矛盾。從提高接頭使用溫度出發應采用高溫釬料和耐高溫的中間層，這是目前普遍采用的辦法，但帶來了很大的負面作用，即提高了焊接內應力。從降低內應力出發，應盡量降低焊接溫度，采用低溫釬料和軟金屬的中間層，但限制了接頭的使用溫度。為解決好這對矛盾，必須研究能在低溫焊接，高溫使用的特殊材料和特殊工藝。低熔點過渡液相擴散焊或低熔點釬料的擴散釬焊都是很有吸引力的解決辦法；另外，可以采用陶瓷與金屬的高溫梯度材料來解決高溫焊接時的接頭內應力問題以及采用非晶態釬料或中間層來降低釬焊溫度和擴散焊溫度。
此外，陶瓷在焊接件的可靠性評定也是一個很重要的問題。因為陶瓷是脆性材料，因此一旦含有焊接微裂紋或內應力水平過高時，使用過程中發生脆性斷裂將是非常危險的。
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