新型材料的焊接

摘要：金属基复合材料是60年代根据航空航天技术的需要发展起来的一类重要的新型工程材料。其中纤维增强的金属基复合材料，如从B、C、SiC纤维增强的铝基复合材料，具有高的比强度、高比刚度和高温性能好等特性。

1．金属基复合材料的焊接

金属基复合材料是60年代根据航空航天技术的需要发展起来的一类重要的新型工程材料。其中纤维增强的金属基复合材料，如从B、C、SiC纤维增强的铝基复合材料，具有高的比强度、高比刚度和高温性能好等特性。因此，采用这种材料不仅提高了性能，而且大大减轻了重量。但由于其制造工艺复杂，成本昂贵，使用受到了很大的限制。因此，从简化制造工艺，降低成本出发，又开发了另一类颗粒或短纤维增强的金属基复合材料，如用SiC颗粒（或晶须、短纤维）增强的铝塑复合材料。它具有耐磨、耐热、抗蠕变、热膨胀系数小等特性，常用作耐磨、耐热和耐蚀等零件。它不仅用于航空发动机零件，而且在民用工业中也得到了广泛的应用，如汽车发动机活塞、连杆、刹车器和自行车零部件等。

由于复合材料是由成分、结构和性能相差很大的金属和非金属材料复合而成，通常它们之间的物理、化学相容性较差，所以在其帛造过程中需采取特殊的复杂工艺。这给随后的加工带来了很大的困难。焊接就是难题之一。虽然从60年代金属基复合材料问世后，国外已成功地解决了航天飞机中纤维增强金属基复合材料的焊接问题。但在如何简化工艺、提高效率、降低成本和扩大应用领域等方面仍有待进一步研究，而我国在该领域尚处于起步阶段。

2. 技术关键

金属基复合材料的基体是一些塑性、韧性好的金属，而增强相往往是一些高强度、高模量、主熔点、低密度和低热膨胀系数的非金属纤维或颗粒。所以焊接这类材料时，除了要解决金属基体的结合外，还要涉及到金属与非金属的结合，有时甚至会遇到非金属之间的结合。这这种情况下，关键是非金属增强相在焊接过程中的行为和影响。这类材料焊接时的关键可归纳为：

1）从化学相容性考虑，复合材料中金属基体和增强相之间，在较大的温度范围内是热力学不稳定的，焊接时加热到一定温度后它们就会反应。决定其反应可能性和激烈程度的内因是二者的化学相容性，其外因温度。例如B/Al复合材料，加热到700K左右就能反应，生成AlB2反应层，使界面强度降低。C/Al复合材料，则加热到850K左右时反应生成Al4C3反应层，使界面强度降低。SiC/Al复合材料在固态下不发生反应，但在液态Al中发生反应,生成Al4C3脆性针状组织，它在含水环境下能与水反应放出CH4气体，引起接头低应力破坏。

因此，避免和抑制焊接时基体金属和增强相之间的反应是保证焊接质量的关键，可从冶金和工艺两方面着手解决。从冶金方面，可加入一些活性比基体金属更强的元素与增强相反应，生成无害的物质。例如加Ti可取代Al与SiC反应，不仅避免了有害化合物Al4C3的产生，而且生成的TiC还能起强化相的作用。从工艺上可以控制加热温度和时间来避免或限制反应的产生。例如SiC/Al复合材料用固态焊接就能避免反应的产生；熔化焊时需采用低的输入来限制反应。

2）从物理相容性考虑，当基体与增强相的熔点相差较大时，熔池中存在大量未熔增强相而使其流动性变差。这将导致气孔、未焊透和未熔合等缺陷的产生；另外，在熔池凝固过程中，未熔增强相质点在凝固前沿集中偏聚，破坏了原有分布特点而使性能恶化。

解决该问题的冶金措施是采用流动性好的填充金属，并采取工艺措施，减少复合材料的熔化，如加大坡口，采用热输入低的TIG焊等。

3）当固态增强相不能被液态金属润湿时，焊缝中会产生结合不良的缺陷，这可选用润湿性好的填充金属来解决。

4）当焊接过程中加压过大时，会产生纤维的挤压和破坏，如摩擦焊和电阻焊。

3．几种焊接方法的比较

基于前面的分析，固态焊接和钎焊明显优于熔化焊。首先，它避免了复合材料的熔化；其次，还可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内。但它们的缺点是接头型式的局限性较大，而且工艺复杂，生产率较低，尤其是扩散焊。对固相焊中的摩擦焊来说，界面温度虽很高，但时间很短，所以不会影响接头性能。但因为摩擦焊接施加很大的压力，会损伤纤维、故不适于焊接纤维增强的复合材料。这一现象在电阻焊时同样存在。采用软钎焊时，温度可以很低，但接头强度也低。用熔化焊焊接金属基复合材料时，虽然存在很多问题。但由于其高效、简便而具有很大的吸引力，因此并未放弃对它的研究。填丝TIG焊在一定条件下已获得应用，如焊接Al2O3颗粒增强铝基复合材料的自行车架。从尽量减小熔化区和热压响区出发，似乎高能束激光焊对焊接复合材料很有利。但由于其能量密度很高，熔池局部温度很高，并由于增强相对激光的吸收率高而导致增强相过热、甚至熔化，从而使反应更为激烈。采用脉冲激光焊可有所改善，但并不能完全抑制反应的进行。

4. 发展前景

金属基复合材料由于其优异的性能而具有广泛的应用前景，现在主要的问题仍然是成本高和加工困难。其中焊接问题不解决就很难在结构中大量应用。因此，焊接将成为金属基复合材料今后扩大应用中的关键。虽然固态焊接和钎焊较为成功，但由于它们的局限性而无法满足金属基复合材料大规模发展的需要。相反，生产率高，工艺较为简便的熔化焊由于其冶金问题而难于得到满意的结果。进一步发展焊接工艺和焊接材料仍然是一个艰巨而又重要的任务。开发流动性好，润湿性好，能抑制不利的冶金反应，强化焊缝的复合专用填充材料其中包括特殊钎料是一个重要的研究领域。在工艺方面从降低焊接温度，提高接头结合强度出发应研究过渡液相扩散焊和共晶扩散钎焊等新工艺；从提高生产率，降低成本出发应该进一步研究能严格控制热输入和母材熔化量的熔化焊工艺，如脉冲氩弧焊和脉冲激光焊以及熔化量很少的加压焊等。

2．陶瓷的焊接

1. 发展背景

随着科学技术的发展，陶瓷的组成、性能、制造工艺和应用领域已发生了根本性的变化，从传统的生活用陶瓷发展成为具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷，在电子信息技术中发挥了重要的作用；同时由于其独特的高温性能、耐磨和耐腐蚀等性能而使其成为发展陶瓷发动机、磁流体发电及核反应装置等高科技产品的重要材料，但由于其严重的脆性而使其无法做成复杂的和承受冲击载荷的零件。因此，必须采取连接技术来制造复杂的陶瓷件以及陶瓷和金属的复合件。这就涉及到陶瓷与陶瓷以及陶瓷与金属的焊接问题。早在本世纪30年代，在电子管的制造中已成功地采用了陶瓷-金属的封接技术，这实际上应是一种用密封管子的钎焊。但它以达到密封为主要目的，因此该技术并不一定能满足工程中受力要求同的陶瓷与金属复合件的焊接。近二十多年来随着工程陶瓷的开发和应用，如汽车工业中陶瓷发动机的研究和开发，大大地推动了陶瓷焊接技术的发展。我国在50年代末开始研究电子管制造中的陶瓷-金属封接技术，但作为工程上应用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，为适应绝热或无冷发动机研制的需要而发展起来的，并已取得了较大的进展。

2．技术关键

不论陶瓷与金属焊接，还是用金属填充材料焊接陶瓷与陶瓷时都存在陶瓷/金属界面的结合问题。由于陶瓷与金属在电子结队晶体结构、力学性能、热物理性能以及化学性能等方面存在着明显的差别，因此要实现陶瓷/金属界面的冶金结合是非常困难的；用常规的焊接材料和工艺几乎无法获得可靠的连接，尤其是熔化焊。因为一些陶瓷（如SiC、Si3N4、BN）在熔化前就升华或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化时迅速蒸发，其他能熔化的陶瓷，也很难与金属熔合在一起形成组织和性能满意的接头。到目前只有个别用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的报道，如用电子束将Mo、Nb、W或可伐合金丝熔合到Al2O3绝缘体上以及用激光焊接Al2O3等。现有的较成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的条件下进行的，如研究得最多的钎焊与扩散焊。用这些方法焊接陶瓷时的关键问题为：

（1）界面反应问题无论是扩散焊还是钎焊，陶瓷/金属界面的结合机制都属于化学结合。陶瓷钎焊时钎料熔化后能否与陶瓷润湿也取决于界面反应；没有界面反应就不能润湿，不能结合。因此，钎焊时陶瓷/金属的界面反应不仅是产生化学结合的必要条件，而且也是润湿陶瓷的先决条件。例如用常规的Ag-Cu钎料钎焊Si3N4时，既不润湿又不结合；而用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti钎料钎焊时，润湿和结合都很好。根据热力学条件，活性元素的选择原则是以其与陶瓷之间反应的自由能变化ΔG0为准则。在扩散焊时为获得好的界面结合，金属也必须对陶瓷具有活性，例如Si3N4与Al的焊接；若金属的活性很差时，须采用加活性中间层的办法。

（2）界面两侧的热-力学的匹配问题由于陶瓷和金属之间的热膨胀系数相差很大，因此由焊接温度冷却下来后会产生很大的热应力，降低了接头的断裂强度。甚至开裂。目前主要的解决办法是在陶瓷和金属之间加中间层。作为中间层的金属有两类：①热膨胀系数小的金属；②屈服点σs和弹性模量E低的软金属。但通常二者是相互矛盾的。软金属（如Cu）的热膨胀系数都很大，而膨胀系数小的金属（如W、Mo）的σs、E均较大。通过有限元计算和拉伸试验的结果，说明用软金属Cu作中间层比用低热膨胀系的W、Mo作中间层的降低热应力效果好，而且所得接头的抗拉强度高。如同时采用这两类材料的复合中间层则效果更好。

3．几种焊接方法的比较

根据前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相扩散焊和钎焊较适合于陶瓷的焊接，并且得到了应用，如汽车发动机的陶瓷增压器和陶瓷挺柱等都是用扩散焊和钎焊焊接的陶瓷与金属的复合件。钎焊陶瓷除了活性钎料法外，还有一种与常规钎料配合应用的陶瓷表面金属化法。这种方法发展较早，主要用于电子管的封接。它的缺点是工艺相当复杂。固相扩散焊的最大优点是避免了金属对陶瓷的润湿问题。但它要求整个焊接界面必须保持紧密接触，因此对界面的加工精度要求很高，不适宜于大面积和复杂界西的焊接。钎焊主要受润湿性的限制很大，但它对焊接面精度的要求较低，适合大面积和复杂界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了扩散焊外还有摩擦焊和微波焊等，但这些方法都不成熟，且存在很多缺点，例如摩擦焊是在瞬时内施加很大的压力通过大变形量来达到结合的，这对硬脆的陶瓷材料很难达到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特点来进行加热和扩散连接，因此不适用于自由和金属的焊接。

4. 发展前景

关于陶瓷焊接的研究数量很多，目前除对一些理论问题，如界面反应、内应力数值模拟等须进一步深入研究外，拟将重点放在实用化方面。其中主要问题为：

1）为充分发挥陶瓷耐高温的特性，必须解决接头的高温性能。

2）目前的试验都是采用小试样，内应力问题不很突出，在大面积和复杂零件的焊接时，陶瓷前开裂和低应力破坏是一个严重问题，必须进步研究降低内应力的办法。

3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中进行，效率低、成本高，必须研究非真空的高效低成本焊接方法。

其中1）、2）两个问题是关键，而且二者密切相关，又相互矛盾。从提高接头使用温度出发应采用高温钎料和耐高温的中间层，这是目前普遍采用的办法，但带来了很大的负面作用，即提高了焊接内应力。从降低内应力出发，应尽量降低焊接温度，采用低温钎料和软金属的中间层，但限制了接头的使用温度。为解决好这对矛盾，必须研究能在低温焊接，高温使用的特殊材料和特殊工艺。低熔点过渡液相扩散焊或低熔点钎料的扩散钎焊都是很有吸引力的解决办法；另外，可以采用陶瓷与金属的高温梯度材料来解决高温焊接时的接头内应力问题以及采用非晶态钎料或中间层来降低钎焊温度和扩散焊温度。

此外，陶瓷在焊接件的可靠性评定也是一个很重要的问题。因为陶瓷是脆性材料，因此一旦含有焊接微裂纹或内应力水平过高时，使用过程中发生脆性断裂将是非常危险的。

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