激光誘發(fā)反應焊接
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:1784
用常規(guī)的熔化焊焊接金屬基復合材料時,由于復合材料的增強體與熔化的基體金屬接觸時間過長,易加速增強體與基體之間的化學反應,常常導致兩者間的嚴重擴散以及增強體的分解,甚至完全破壞。此外,焊接區(qū)常出現(xiàn)較大的氣孔,使接頭強度有所下降。
因此,這些焊接方法不宜用于結構的焊接。其他連接技術如擴散焊、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雜的專用設備、或要求特殊的接頭形式、或對焊件結構要求高等原因,在實際應用中受到很多限制。機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力集中可能導致災難性破壞。
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,但當被用于sic增強鋁基復合材料的焊接時,仍存在著強烈的界面反應,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,國內外目前主要采用改變激光參數(shù)來減緩界面反應,或是選用基體含si量高(如a356,6061)的鋁基復合材料來抑制界面反應,然而這兩種方法并不能完全消除增強體(sic)與基體金屬(al)間的有害反應產(chǎn)物al4c3。
試驗條件及方法
試驗用的材料為2124al+20vol%sicp鋁基復合材料,其熱處理狀態(tài)為“固溶處理+人工時效”,增強體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)反應焊——為了排除其他元素的加入增加反應焊接的復雜性,僅在焊縫中加入純鈦。試件尺寸40mm×10mm×2mm。接頭形式為對焊。
基體及焊縫的相結構分析是在日本理學d/max-ra轉靶x射線衍射儀上進行的,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,會降低金屬基復合材料的機械性能。al4c3的大小和數(shù)量取決于激光的熱輸入,即復合材料的增強相(sic)與基體(2124al)之間的反應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發(fā)現(xiàn)的sic顆粒重新分布區(qū)。這主要是因為本試驗所用材料中sic顆粒很細小,平均直徑僅為3μm,而文獻中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)生界面反應而消失。文獻中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的形成不會受到抑制,al4c3可在整個熔化區(qū)內形成。
在常規(guī)激光焊和激光誘發(fā)反應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)生化學反應主要有:
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2124鋁基復合材料的激光焊接中,al4c3是通過反應式(1)形成的,由于al4c3易與水反應,常導致接頭變脆。相反,如果接頭中形成了tic,而不是al4c3,接頭性能則可能提高,這是因為tic的熱穩(wěn)定性極高,在3343k下熔化但不分解(在這個溫度下al4c3完全分解),而且它的密度和硬度均高于sic和al4c3。
由反應自由焓δg可以知道,在焊縫中加入ti之后,sic與ti的反應比與al的反應更容易,所以,反應更易形成tic;盡管在焊接過程中可能有部分sic與al反應生成al4c3,但是,新形成的al4c3會立即與ti發(fā)生反應式(3),形成tic。反應元素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,理論和試驗都證明,碳化硅增強鋁基復合材料的激光誘發(fā)反應焊接方法,可以完全消除al4c3脆性相,在熔化區(qū)形成穩(wěn)定的tic相,從而可以提高復合材料的接頭性能。
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