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激光焊接条件下SiCw/6061Al铝基复合材料界面反应研究

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:05:48

　［摘要］　研究了激光焊接条件下SiC_w/6061Al铝基复合材料的界面反应，探讨了激光输出功率、激光脉冲频率等焊接工艺参数对该材料界面反应的影响。结果表明：激光焊接条件下SiC_w/6061Al铝基复合材料可焊性差的原因主要是与基体6061Al铝合金和增强相SiC晶须间的界面反应All+SiCs → Al₄C₃s+Sis有关，激光输出功率是影响界面反应程度的主要焊接工艺参数。在此基础上成功实现了SiC_w/6061Al铝基复合材料的激光焊接。
　　关键词　铝基复合材料　激光输出功率　界面反应

Study of Interface Reaction and Effecting Factor of Aluminium
Matrix Composite under Laser Welding Condition

Liu Liming　Niu Jitai　Tian Yanhong
National Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology,HIT

　　［Abstract］　Interface reaction of aluminium matrix composite SiC/6061Al in the welded joint subjected to laser welding was studied. Effects of laser output power and pulse frequency welding parameters on interface reaction were also investigated. The results show that main reason for bad weldability of the composite concernes with interface reaction during the welding，that is：4All+3SiCs → Al₄C₃s+Sis. The study proves that the laser welding can be successfully used in the welding of SiC_w/6061Al aluminium matrix composite.
　　Keywords　aluminium matrix composite　laser output power　interface reaction

　　　铝基复合材料作为一种新兴材料，由于其具有高比强度、高比模量、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好等优异的综合性能而受到人们的广泛关注，并将逐步取代部分传统的金属材料而广泛应用于航空、航天、汽车制造业等领域，成为当今金属基复合材料发展与研究的主流。铝基复合材料的焊接是形成结构件必不可少的加工手段。由于该种材料基体与增强相间物理性质如熔点、电阻率等相差很大，在高温下基体与增强相之间极容易发生界面反应，生成脆性化合物，很难形成优质焊接接头^［1，2］。所以，研究和控制在焊接条件下铝基复合材料的界面反应对该种材料的实际应用具有重要意义。
　　本工作通过系列试验研究了激光焊条件下铝基复合材料SiC_w/6061Al界面反应及其影响因素，指出了该种材料可焊性差的原因主要与焊接过程中基体与增强相间的界面反应有关，激光输出功率是影响界面反应程度的主要焊接工艺参数。

1　试验材料及方法

1.1　试验材料
　　采用挤压铸造法制备铝基复合材料SiC_w/6061Al。增强相SiC晶须平均直径为0.5μm，体积比为20%。该复合材料在退火状态下拉伸强度为220MPa。基体6061Al的化学成分如下表所示。

表　6061Al的化学成分wt%
Table 　Chemical compositions of 6061Al alloywt%

0.34

0.75

0.22

0.36

1.26

＜0.15

＜0.05

余

1.2　试验步骤
　　(1采用线切割的方法将材料加工成2mm×10mm×30mm焊件；
　　(2将试件进行对接平焊，焊接设备为美国产YAG固体脉冲式激光加工机，其较大功率为400W，脉冲频率1～200Hz，脉冲宽度0.3～7.4ms，波长106μm；
　　(3在Instron公司产的电子万能试验机上进行焊接接头拉伸测试，拉伸速度为0.5mm/min;
　　(4分别采用光镜、SEM和TEM分析在激光焊条件下铝基复合材料微观组织及界面反应生成物。

2　界面行为研究

　　

式中：ρ为电阻率，λ为激光波长，α为吸收率。
　　由上式可知，在激光焊接铝基复合材料SiC_w/6061Al 时，由于增强相SiC的电阻率比基体Al大得多，因此增强相SiC对激光的吸收率比基体Al大得多，使得激光束照射处增强相SiC优先吸热，被迅速加热到很高的温度，再通过热传导加热基体铝合金，这种加热机制使得增强相SiC及其附近的基体Al温度要远高于熔池的平均温度，这就很容易发生界面反应。熔融的 Al在较高温度下将与SiC发生如下反应^{^［4］}：

4Al液+3SiC固 → Al₄C₃固+Si固) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　在界面上生成细小针状或片状Al₄C₃与Si块，并且此反应是不可逆的，反应生成物破坏了增强相SiC与基体Al间原始良好的结合界面，使增强相SiC晶须难以起到对焊缝的强化作用，同时生成的Al₄C₃与Si块是极脆的物质，又进一步削弱了焊缝的强度。有关研究^［5］表明，采用挤压法制备的铝基复合材料SiC_w/6061Al中SiC晶须与6061Al合金基体结合十分完好，界面干净，基体与晶须间可能存在八种晶体位向关系。但是在激光焊焊缝中，界面结合就发生了很大的变化，原始基体与晶须界面已被破坏，取而代之的是如①由于(1式的反应，使得SiC晶须数量减小，同时改变晶须与基体间结合机理，降低了焊缝接头的力学性能。②由于存在上述反应，使得基体组织发生变化，在基体中出现许多硅块，它的存在使基体的塑性下降。

3　工艺参数对界面反应的影响

　　1式反应的自由能公式为^［6，7］：
ΔGJ.mol^-1=113900-12.06TlnT+8.92×10^-3T²+7.53×10^-4T^-1+21.5T+3RTlnα_Si
式中：α_Si为Si在液态Al中的活度，由上式可见ΔG受温度和α_Si两个因素影响，随着温度的升高，ΔG减小。其反应趋势如
　　4Al液+3SiC固 → Al₄C₃固+Si固
　　(2影响SiC_w/6061Al铝基复合材料激光焊焊缝强度的主要工艺参数是激光输出功率，激光输出功率的大小直接影响着界面反应的程度，功率越小，则界面反应程度越轻，焊缝的力学性能越好。

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