激光诱发反应焊接

  仪器信息网 ·  2009-03-30 19:49  ·  24539 次点击
用常规的熔化焊焊接金属基复合材料时,由于复合材料的增强体与熔化的基体金属接触时间过长,易加速增强体与基体之间的化学反应,常常导致两者间的严重扩散以及增强体的分解,甚至完全破坏。
此外,焊接区常出现较大的气孔,使接头强度有所下降。
因此,这些焊接方法不宜用于结构的焊接。其他连接技术如扩散焊、摩擦焊、电子束焊和电阻焊等,尽管已被证明是有效的连接方法,但由于这些方法或需要复杂的专用设备、或要求特殊的接头形式、或对焊件结构要求高等原因,在实际应用中受到很多限制。机械连接常常也是一种有效的方法,然而这种连接因韧性差并易形成应力集中可能导致灾难性破坏。
尽管激光焊接具有总的热输入低、能量密度高、焊接速度高、变形小和热影响区小等许多优点,但当被用于sic增强铝基复合材料的焊接时,仍存在着强烈的界面反应,形成al4c3脆性相而使接头性能变差的问题。为了解决这一难题,国内外目前主要采用改变激光参数来减缓界面反应,或是选用基体含si量高(如a356,6061)的铝基复合材料来抑制界面反应,然而这两种方法并不能完全消除增强体(sic)与基体金属(al)间的有害反应产物al4c3。
试验条件及方法
试验用的材料为2124al+20vol%sicp铝基复合材料,其热处理状态为“固溶处理+人工时效”,增强体sic颗粒的平均直径为3μm。
焊接用的激光器为nd∶yag脉冲固体激光器。激光参数为:波长为1.06μm,平均功率小于100w,最大单脉冲能量为20j,脉冲频率为10次/秒,脉宽为2.5ms,发散角<6mrad,焦点位置在试样表面上。
采用的焊接方法为:①不加填料的常规激光焊;②激光诱发反应焊——为了排除其他元素的加入增加反应焊接的复杂性,仅在焊缝中加入纯钛。试件尺寸40mm×10mm×2mm。接头形式为对焊。
基体及焊缝的相结构分析是在日本理学d/max-ra转靶x射线衍射仪上进行的,以cu为靶,石墨为单色器,电压和电流随试样的不同而变化。
常规激光焊接头熔化区主要由al4c3和灰色块状颗粒si组成,al4c3呈针状、性脆,会降低金属基复合材料的机械性能。al4c3的大小和数量取决于激光的热输入,即复合材料的增强相(sic)与基体(2124al)之间的反应程度直接同激光能量成比例。因此,合理地控制激光参数就可能减少碳化铝的生成。
添加钛元素的激光诱发反应焊焊缝中的sic颗粒虽然全部消失,但并没有发现针状的al4c3相,替而代之生成的是细小的tic颗粒,其形貌,如图6所示。此外,相分析表明,在常规激光焊和激光诱发反应焊的焊接接头中还有alcumg和al7cu3mg6生成。ti主要以tic的形式存在于焊缝中,另有少量的ti溶于al基体中,也可能有极少量的钛铝化合物存在,但在相分析中没有发现钛铝化合物。
所得焊缝来看,焊缝中并不存在文献发现的sic颗粒重新分布区。这主要是因为本试验所用材料中sic颗粒很细小,平均直径仅为3μm,而文献中sic颗粒平均直径为10μm。而sic颗粒愈小,其表面积愈大,愈容易与液态铝完全发生界面反应而消失。文献中mmcs的基体材料为a356,其si含量很高(约7%),有游离的si存在,根据反应式(1)可知,si可以抑制al4c3的形成,所以,al4c3仅在熔化区中温度较高的区域里形成。而2124基体中si含量极低,无游离si存在,所以,al4c3的形成不会受到抑制,al4c3可在整个熔化区内形成。
在常规激光焊和激光诱发反应焊中涉及的物相主要有al,sic,ti。在高能激光的作用下,sic熔化或熔解能产生c。所以,在焊接过程中可能发生的化学反应主要有:
4al+3sic=al4c3+3si(1)
δgt=-11260+10.83t
ti+sic=tic+si(2)
δgt=-28500+t
al4c3+3ti=3tic+4al(3)
δgt=-74120-7.83t
ti+c=tic(4)
δgt=-44100+2.902t
4al+3c=al4c3(5)
δgt=-58180+9.936t
在sic颗粒增强2124铝基复合材料的激光焊接中,al4c3是通过反应式(1)形成的,由于al4c3易与水反应,常导致接头变脆。相反,如果接头中形成了tic,而不是al4c3,接头性能则可能提高,这是因为tic的热稳定性极高,在3343k下熔化但不分解(在这个温度下al4c3完全分解),而且它的密度和硬度均高于sic和al4c3。
由反应自由焓δg可以知道,在焊缝中加入ti之后,sic与ti的反应比与al的反应更容易,所以,反应更易形成tic;尽管在焊接过程中可能有部分sic与al反应生成al4c3,但是,新形成的al4c3会立即与ti发生反应式(3),形成tic。反应元素ti用作界面填料可以增加表面能,并可以通过形成稳定的tic提高基体材料的润湿性能。
总之,理论和试验都证明,碳化硅增强铝基复合材料的激光诱发反应焊接方法,可以完全消除al4c3脆性相,在熔化区形成稳定的tic相,从而可以提高复合材料的接头性能。

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