铝基复合材料焊接

铝基复合材料焊接

铝基复合材料的比强度和比模量比铝合金材料高，在航天飞机、军用飞机、卫星、太空望远镜和汽车发动机领域获得应用。要很好地应用铝基复合材料，通常取决于这种材料本身与其它金属材料的连接能力。焊接技术是连接铝基复合材料的有效途径。本文重点论述美国铝基复合材料的传统的焊接方法、研究现状、存在的问题和解决途径。

1 前言

长期以来，铝、钛等合金一直是航天、航空产品的重要结构材料。从60年代起，美国、日本、前苏联、英、法等国相继研制金属基复合材料(MMCS——Metal Matrix Composites)。MMCS由增强材料和金属基体材料构成，其增强材料用连续长纤维(f)、粒子、颗粒(p)、晶须(w)和短纤维(d)，而基体材料用传统的金属材料。当前广泛研究采用的是SiC、Ti、B4C、B、Al2O3(氧化铝)和C(或Gr石墨)颗粒、晶须或短纤维增强的 6061铝或Ti-6Al-4V或Mg的MMCS。典型的颗粒直径小于20μm，添加量可达到35%(体积)，晶须直径为几个微米，具有几千倍的L/d(长径比)，纤维直径为10μm～200μm，添加量可达到45%。将两种不同物理、力学性能特点的材料结合成一种MMCS，与金属材料的性能相比，具有高比强度、比刚度、高的轴向拉伸强度、低的或接近零的热膨胀系数、高的耐磨性、在高真空或潮湿或辐射环境下有良好的尺寸稳定性、良好的导电、导热性、抗疲劳性、阻尼性和无逸气性；与树脂基复合材料相比，有耐高温性(碳/环氧最高工作温度180 ℃，B/Al、B/Ti最高工作温度分别为310 ℃和540 ℃)（见表1）。MMCS

2 焊接方法述评

美国宇航系统所属的各个研究机构开展焊接研究最早，从1966年起，通用动力公司的M. S. Hersh就开始研究B/Al复合材料的电阻焊，时间长达10多年，对单向(50%体积)、横向铺层(45%体积)材料本身或与其它材料的焊接作了各种试验及改进。格鲁曼宇航公司的J. R. Kennedy研究了B/Al等MMCS 的熔焊，具有使用前景；D. M. Goddard等人研究了Gr/Al(石墨/铝)的钎焊，是最成功的焊接工艺方法。80年代随着“星球大战计划”的实施，参与制造火箭、卫星、航天飞机、飞机的公司、研究机构和大学有目的、有计划、有针对性地对电阻焊、熔焊、钎焊、电子束焊、激光焊、扩散焊、等离子焊等焊接方法开展全面研究，结果证明电子束焊、激光焊和等离子焊不太适合于焊接Al-MMCS。

2.1 电阻焊

电阻焊分为电阻点焊和电阻缝焊(又称点焊和缝焊)。点焊B/Al的厚度一般为0.25 mm～2.5 mm，最大厚度为6 mm～13 mm。焊接时用三相交、直流400 V、150 kW的点焊机，电极表面半径为152 mm～304 mm，电极的压力为点焊铝合金的2倍，焊核直径是材料厚度的8倍，焊接接头受力最高达2 205 N。焊接时不损伤纤维材料，焊后对接头进行固溶热处理和时效后可以提高接头的力学性能。多层点焊的焊接接头强度系数接近100%。缝焊B/Al时滚轮直径为254 mm，滚轮端部宽度为13 mm，半径为101 mm，顶锻力为53 341 N，滚轮速度为152

mm/min，焊机为100 kW的单向脉冲焊机。焊缝宽度为5.1 mm时，压力比点焊小，焊缝无飞溅，纤维无损伤。当焊缝与纤维方向垂直时，承受破坏载荷能力小，焊缝平均破坏载荷为45.7 kg/mm。点焊焊接接头典型力学性能见表2～3。点焊比缝焊效果好，在149 ℃时强度没有明显损失，温度升到371 ℃时强度才有少量的降低。点焊不但适用B/Al＋B/Al和B/Al＋Al(如2024-T3、6061-T6)的焊接，而且还适用三层或多层B/Al本身及B/Al＋Al的焊接，因此电阻焊是比较经济、理想的连接工艺方法。

表2 点焊B/Al搭接接头剪切强度

注：UD——单向(50%体积), CP——横向铺层(45%体积), HT——焊后热处理到

T6状态

表3 点焊接头力学性能

注：*——单向； **——SiC涂层的B纤维

2.2 钎焊和扩散焊

钎焊的最大特点是焊接温度较低，是在母材基本不熔化而处于固态状态下完成连接的，对母材造成的影响很小。焊接一般不需要特殊设备，而焊件尺寸、形状有较大的自由度。钎焊使用的钎料有软钎料(熔点低于450 ℃的钎料)和硬钎料(熔点高于450 ℃的钎料)两种。将装配好钎料的焊件置于真空炉中加热所进行的钎焊叫真空钎焊；将焊件或装配好钎料的焊件整体或局部浸沉在钎料浴槽或盐浴槽中加热进行钎焊的方法叫浸沾钎焊；将焊件直接通以电流或将焊件放在通电的加热板上利用电阻热进行钎焊的方法叫电阻钎焊。软钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊和真空钎焊均适用对Al-MMCS的连接,普遍认为，钎焊是较简单易行、最适合Al-MMCS 的焊接方法。B/Al复合材料的连接用这几种钎焊方法都是成功的。

软钎焊采用Cd-Ag或Zn-Al钎料，在低于450 ℃时钎焊B/Al与B/Al、B/Al 与Ti。钎焊制成B/Al管OVI卫星发射架，接头剪切强度可达80 MPa。浸沾钎焊采用Al-11.6Si钎料，在537 ℃下预热4 min后，在593 ℃钎焊45 s，即可获得良好润湿和均匀的B/Al与B/Al、B/Al与Al、B/Al与Ti的浸沾钎焊接头。电阻钎焊在427 ℃以上进行，焊接时间控制在2 min多以内，否则会降低接头的强度，所以采用快速加热，用平电极和718铝箔钎料(Al-12%Si)，在几秒钟内进行焊接，已经焊接过Gr/Al＋Gr/Al、Gr/Al＋2219Al和B/Al＋B/Al。真空钎焊是最适合Al-MMCS 的钎焊方法之一，不需要去除焊后的钎剂残渣，零件焊后变形小，焊接接头强度高，通常采用Al-Si-Mg钎料，在温度低于590 ℃、保温时间5 min ～15 min、真空度不低于4×10-3Pa。

为避免B纤维与熔融Al液发生界面反应，在B纤维表面涂Si或B4C涂层；钎焊时用双面搭接接头，严格控制加热或冷却速度，避免不适当的加热或冷却使纤维与Al之间因热膨胀系数的差别产生热应力，损害钎焊接头。B/Al带材制造长660 mm、宽76.2 mm的帽形截面桁条，钎焊之前抽掉热等静压炉中空气，加温到413 ℃、保温30 min，烘拷带材，然后加热到532 ℃时，向炉中通入3.5 MPa压力的Ar气，使被焊件紧贴在模具上，再加热到593 ℃、保温10 min，完成钎焊。

扩散焊是把两焊件紧密贴合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。这种焊接方法的焊接温度也较低，对增强材料的影响小，很适合Al-MMCS的焊接。美国航天飞机上大量使用的B/Al管是由加利福尼亚州通用动力公司的康维尔分公司宇航部门扩散焊成的；这种管由强度2 760 MPa、弹性模量6 900 MPa的B纤维增