SiCpLD2Al合金复合材料电弧焊的焊接性.pdf

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1、摘 要 采用脉冲钨挺扭瓶捍焊接丁S i C L D2 AI 复台材料，并用X射线衍射 光镜 电 镜及 MTS-8 1 0试验机对焊蛙的 组规及性能进 行了 丹析 结果表明 通过焊前击氢 处理及 填充A 1 一 S i 焊丝 可以 解决 S i C p L D 2 A l 复台 材料电 弧焊中 的界面反 应，气孔及裂纹等问题，井能获得性能良好的接头 关键词 S i C p L D 2 A I ，焊接-界面 反应，气孔 中围法分类号TG4 0 6 TGI I 3 文献标识码。0 4 1 21 9 t 0 0 M)0 7 0 7 0 ARC W ELD I N G 0F S i C PARTI CL

2、E REI N F0R CED LD2 Al ALL0Y M ATRI X C0M P0SI TE 伽 弓)C o l l e g e o f M a t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g I S h and o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,J i n a n 2 5 0 0 6 1 UH a o，T A NG Y i m i n,L O US o n g n i a n，WUR e e 【f Co fe ge o f M a t e r i al S c

3、i e nc e an d Engi n e e r i n gI Sha n gh ai J i a ot on g Uni v e r s i t y,Sh an gh ai 2 0 0 0 3 0 L C o r r e s p o n d e n t：C H E N Ma gi,l e c t u rer,T e l：i o 5 s 1 1 e 6 o o 2 l 3 F a x：(0 5 3 1)2 9 5 5 9 9 9,f 1 0 E-ma i ll：2 c h m，a o a i j n-p u b t i c s0-d c3-n i n f oMan un c r i r e

4、 c e i v e d 1 9 9 9-0 7 i n r e v ised f or m 2 0 0 0 2 0 u l 2 ，0-3-I I ABSTRA CT Pr e l i mi n a r y s t ud i e s we r e c o nd uc t e d o n TI G we l d i n g o f S i C pa r t i c l e r e i n f o r c e d LD A l a l l o y ma t r ix c o mp o s i t e T h e mi c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e

5、r t i e s o f S i C D L D 2 w e l d w e r e i n v e s t i g a t e d b y me a n s o f X r a y d i ff r a c t i o n，OM，TEM a n d MTS 一 8 1 0 t e s t i n g roa c h i n e Th e res u l t s s h o w t h a t t h e p r o b l e ms i n T I G w e l d i n g S i C p L D z，s u c h a s i n t e r r a c i a l r e act

6、 i o n，p o r o s i t y a n d c r a c k i n g，e t c ，ma y be a v o i d e d b y t a ki a p pr o p r i a t e t r e a t me n t s s u c h a s d e ga s i n g a n d u s i n g Al-S i wi r e a s fi l l e r me t a 1 Ve l d m e n t wi t h g o od p r o pe r t i e s n l a y be g e t wi t h TI G we l d i ng KEY W

7、 ORDS S i C p L D2 A1 a l l o y，w e l d i ng，i n t e r f a c i a l r e a c t i o n p o r o s i t y S i C AI 复合材料作为一种产量较大、成本较低，具 有广泛的潜在应用前景的新材料，其最理想的焊接方法应 该是应用范围广，使用成本 低的电弧焊但由于 S i C 粒 子与渣态 AI 间极易发生反应生成脆性相 AI 4 C 3，因此被 认为是一种难以用熔化焊焊接的材料 l，一般仍采用钎 焊及固相焊焊接，目 前 电弧焊研究工作开展得还很少 本 文通过选用不同的焊丝，利用脉冲钨极氩弧焊(T I G)对

8、 S i C L D=进行焊接，以探索利用电弧焊焊接这种材料的 可行性 1 实验方法 实验材料为通过铸造法制造的 S i C L D 2 A 1 台金 收到初稿 日期：1 9 9 9-1 2 0 7，收到修改稿 日期：2 0 0 0 0 3 2 0 作者简介：陈茂爱，男 1 9 6 6年生，讲师，博士 其中、S i C粒子的体积分数为 1 0 ；L D2 A 1 台金的成 分(质量分数，)为 Mg 0 4 0 9 0，s i 0 5 0 l _ 2 5，Cu 0 2 0 6 0 M n 0 2 5 _ 0 3 5 实验材料在两种状态下进行焊接：一种为供货态，另 一种为3 6 h 5 0 0真空

9、(1 0-4 P a)去氢处理后的状态 将 4 5ton i 厚的实验材料加工成长 3 0 0I D J T I 宽 6 0 n z n l 的试件：坡 口为双 V 型，角度为 0 0。，中间留 0 5 h i m 的 钝边利用 L i n c o n S q u eWa v e 3 1 5型 T I G焊机进行 双面对接焊，采用的焊丝为 L FI 6或 3 1 1两种 其成分如 表 1 所示 焊前仔细去除油污及氧化膜所采用的焊接工 艺参数为：峰值 电流=1 5 0 A，基值电流 I b：5 O A，脉冲频率，=4H z，脉宽比 (+死)=0 5 电弧电 压 U：1 8 2 4V 组织观察在

10、Ne o p h t o 2 0光学显徽镜 及 H 8 0 0 S TE M 电子显微镜上进行，断 口分析在 Ph i l i p s 一 5 1 5型 S EM 上进行，拉伸试验在 MTS-8 1 0型试验机上进行 7 乎 维普资讯 http:/ 7期 陈茂爱等：S i C L D 2 A l 合金复合材料电弧焊焊接 性 7 7 1 2 实验结果及分析 2 1 焊缝中粒子的分布 未加填充金属不开坡 口进行板上重熔时，熔池金属基 本不流动，只是在重力及 电弧力的作用下发生凹陷，熔池 表面颜色灰暗无光泽，这可能是 S i C粒子上浮并聚集到熔 池表面引起的图 1为 S i C。L D2的氲弧焊重

11、熔焊缝显 徽组织，可看出焊缝表面 S i C粒子发生了明显的聚集 圈 1 S i c。L D2的 T I G捍重熔焊缝中粒子的分布 F E g 1 S i C p a r t i c l e d i s t r i b u t i o n i n S i C D L D 2 b e a d 0 n h e e t W e l d 填充 L F 1 6或 8 1 1焊丝进行对接焊时熔池的流动 性大为改善，熔化的母材与焊丝较好地混合在一起如图 2 a所示熔池表面呈现出较明亮的金属光泽，悬浮在表 面的 S i C 粒子大大减少 采用填充焊丝对 S i C。L O 2复合材科进行焊接时，焊缝中的粒子数

12、量明显减少且粒子分布不均匀焊缝熔台 线附近有一较宽的贫 S i C粒子层，如图 2 a所示；焊缝中 心部位的粒子分布比较均匀如图 2 b所示这种分布特 点是结晶前沿的液 固界面与粒子相互作用的结果 一般认为，粒子与结晶前沿液 一固界面的相互作用取 决于凝固速度 任一凝固系统均存在一临界凝 固速度 Rc ，当凝固速度小于 R 时，粒子被前进的界面所推移：当凝 固速度大于 R 时，粒子被前进的界面所吞没，不发生推 移 T I G焊焊接过程中，熔池的结晶速度较小，前进中 的液 一固界面对 S i C 粒子推移作用较大，因此粒子易于 偏聚，焊缝中的粒子分布不均匀 特别是熔合线附近 由 于结晶速度很小。

13、液 固界面对粒子的推移作用非常强 圈 2 经真空处理并填充 A卜si 焊筵时焊缝中的粒 于分市 Fi g。2 Si C pa r t i c l e d i s t r i bu t i o n i n we l d pr odu c e d i n V uun l de g a s s e d pa r e n t m a t e r i a l u s i n g A】sj fi l l e r met e d (a)n e a r f u s i o n i n e (b)n e D,r w e l d c e n t e r 因此该处出现一贫 S i C 粒子层在远离熔合线的焊缝 中

14、心区，温度梯度逐衔臧小 结晶速度逐惭增大。结晶界面 对粒子的推移作用较轻，粒子的分布就变得均匀一些 液 固界面推移粒子反过来粒子叉影响基体金属 的结晶方式，在 S i C。L D 2焊缝的凝固过程中，粒子与凝 固前沿的液 固界面发生相互作用，使蔽 固界面发生 扰动，增加了液 固界面的不稳定性，且阻碍了溶质原子 的扩散，使成分过玲更显著，因此柱状晶向等轴晶转变的 临界凝固速率将提前 _4 J _ 易于得到等轴晶，从图 2中可 看出，采用 3 1 1(Al _ s )焊丝时，柱状晶的方向经常被打 乱只有熔合线附近才有方向性强、较发达的柱状晶，离 熔合线稍远的部位，柱状晶方向就变得很杂乱而焊缝中 心

15、都位为等轴晶 维普资讯 http:/ 金属学报 3 6 卷 2 2界面反应 利用 X射线衍射、光镜、电子显微镜对焊缝中的界面 反应产物进行了分析X射线衍射分析表明，无论是施加 焊丝还是不用焊丝，衍射谱上均未出现明显的 A l a C 3衍 射峰，说明 S i C。L D 2 复合材料在进行脉冲 T I G焊时，界面反应程度是很小的 光镜分析表明，用 3 1 1(A】_ s i)焊 丝焊接的焊缝 中只有 A1，S i C和 A】_ S i 共晶等相，未发现 反应产物，如图 3 a所示；在用 L F 1 6(A 1 Mg)焊丝焊接 的焊缝中则发现了少量的针状反应产物，如图 3 b所示 此反应产物与

16、 De v l e t i a n等 发现的 A1 4 C 3相似且利 用 EDAX对其进行成分分析时只发现了 Al峰，因此可 断定该针状产物为 Al 4 c3 A l a C3 是一种脆性相，对材料 的性能非常不利 T E M 分析表明，利用 A】-S i 焊丝焊接的焊缝中，大 部分 S i C-A 1 界面是平直的，没有界面反应的迹象，如图 4 a 所示；而利用 A 1-Mg焊丝焊接的焊缝及重熔焊缝中，大部分 S i C的表面凹凸不平，附近一般有条块状相生成，如图 4 b所示；图 4 c 为图 4 b中条块状相的衍射图，衍射 斑点的标定证明该产物为 A l 4 C 3 这说明采用 AH；i

17、 焊 丝有利于防止界面反应的发生 A l 4 C 3被认为是下列反应的产物 4 A(I)+3 S i C(s)一 A hC z(s)+3 S i(s)H a n d we r k e r 等 的研究表明，该反应为多步反应，通过以下几个步骤进行：(1)S i C分解为 s i 和 C；(2)C 由 S i c _ A 1 界面向 Al 中扩散；(3)C与 Al 反应生 成块状 Al 4 c3 整个反应的速度决定于 S i C 的分解 由 于 S i C 的分解决定于其表面状态，不 同状态的表面分 解速度不同，因此 Al a Ca总是在 S i C易于分解的部位 附近形成孤立的条块状产物，而不是在

18、 S i C 表面形成一 连续的覆盖层，如图 4 b I s e k i 等【I 确立了上述反应的反应自由能公式如下 囝 3埠缝的 显徽组织 F i g 3 Mi c r c t r u c t u r e s o f S i C P L D 2 TI G w e l d f a 1 we l d i n g wi t h A【_ S j fi l e r (b)w e l d i n g wi t h A卜Mg fi l l e r 囝 4 焊缝中 S i C AI 的界面特征 Fi g 4 T E M mo r p h o l o g i e s a n d d i ff r a c t

19、i o n p a t t e r n o f S i C A I i n t e r f a c e i n S i C。L D2 T I G w e l d (a)wi t h AI s i fi l l e r m e t a l (b)w i t h A】Mg fi l e r m e t al (c)d i ff r a c t io n p a t t e r n t a k i n g f r o m t h e p nte-i k e p h a s e i n F i g 4 b 维普资讯 http:/ 7期 陈茂爱等：S i C L D A I 合金复合材料 电孤焊焊接性

20、AG=1 1 3 9 0 1 2 0 6 Tl n T+8 9 2 1 0 0 T0+7 53 x 1 0 T一 +2 1 S T+3 RT n a i s i：式中，。s q为 S i 在液态 Al中的活度由上式可看出 熔池中 S i 的活度越大，AG 就越大界面反应就越不易 发生 采用 A 卜s i 焊丝焊接的焊缝中界面反应程度较小 就是因为焊丝中的 S i 增大了熔池中 s l 的活度此外，从 反应动力学来看，由于采用了脉冲：r i G 焊，降低了热输 入，减少了熔池的存在时间，也有利于抑制界面反应 本文与 De v l e t i a n的研究结果明显不同De v l e t i a

21、n 亦利用 T I G焊焊接了 4 0 的 S i C。6 0 6 1 A 1 复合材料 发现焊缝中的 S i C几乎全部与 Al 发生了反应 l引_ 而本 工作中即使采用 A 1 一 Mg焊丝或不加焊丝时。焊缝中仍存 在大量的 S i C 粒子这种差别的原因可能有两点：(1)De v l e t i a n利用的是连续 电流 T I G焊，熔池的温度较高，存在时间较长，界面反应充分 而本文利用的脉冲是 T I G 焊，熔池存在时间短且温度低：(2)De v l e t i a n采用的焊 接材料中 S i C粒子的含量较高，且未用 Al S i 焊丝 2 3焊缝缺陷 焊前未经真空去氢处理时，

22、S i C。L D2 焊缝中存在大 量的氢气孔，如图 5所示通过增大热输入来延长熔池存 在时间时，焊缝中的气孔没有明显减少，这说明S i C L D 2 焊缝的气孔敏感性较高 由于焊前对焊接部位进行了严格 的清理，且采用 T I G焊焊接 S i C L D2时不可能发生任 何生成氢的冶金反应，因此可断定焊缝中的氢气孔是由母 材中的氢引起的 焊前经 3 0 h 5 0 0真空去氢处理后，焊缝 中的气孔基本被去除，如图 2 3所示，这进一步说 明焊缝中的氢是从母材 自身中析出的 通常情况下，由铸 造法制造的 S i C。A 1 复合材料中的含氢量一般是其基体 金属含氢量的数倍 而熔池中存在的 S

23、 i C粒子增大了 熔池的牯度，致使氢气不易逸出因此 S i C。Al 焊缝的 图 5焊前未经击氢处理时焊缝 中的气孔 F i g 5 1 r o s t i e s i n S I C P L D 2 w e l d p r o d u c e d i n u n d e g a s s ed p a r e nt m a t e r i a l 气孔敏感性比 Al 合金要大得多要减少 S i C。A1 焊缝 中的气孔焊前应进行去氢处理 在利用 AH g焊丝焊接的焊缝及重熔焊缝的熄弧处 均观察到了大约 1 0 i i l i n长的纵向穿透性裂纹 利用 Al _ S i 焊丝焊接的焊缝上虽束

24、发现宏观裂纹，但在熄弧处也发现 了少量显微裂纹，如图 6所示 显然这些裂纹为结晶裂纹 产生结晶裂纹的原因有两点：一是结晶后期的液态金属不 足且流动性很差，二是拉伸应力所致 与 Al 台金相比，由 于 S i C粒子的存在，在凝固过程的最后阶段 S i C。L D2 焊缝中液态薄膜的流动性更差，加之焊缝的膨胀系数比母 材大，焊缝在凝固过程中所受的拉伸应力较大因此裂纹 的敏感性更大与采用 Al _ Mg焊丝及不采用焊丝焊接时 相比，采用 A l _ S i 焊丝时 改善了焊缝中液态薄膜的流动 性，因此裂坟敏感性较低 围 6填充 Al _ s j 焊丝时焊缝 中盼触裂纹 F i g 6 M i ac

25、 k i n we l d p r o du c e d u s i n g A 卜S i fil l e r 由图 5，6可以看出 气孔和裂纹上均聚集了较多的粒 子，这说明粒子偏聚后不仅影响了粒子本身的分布状态，而且加剧了气孔及裂纹的敏感性 2 4焊缝性能及断口分析 在试件的中间部位，沿垂直于焊缝轴线方 向截取试 样，井使焊缝轴线位于试样的中心，并去除焊缝的余高，使焊缝与母材表面齐平 拉伸实验时，所有焊接接头试样 均断在焊缝部位，实验结果见表 2 从表可以看出，同样 的条件下，采用 A 1 一 Mg焊丝焊接的焊缝强度及延伸率均 比采用 A【I S i 焊丝焊接的焊缝强度及延伸率低，这是因为

26、采用 A 1 一 Mg焊丝焊接时发生了界面反应，焊缝中生成 了脆性相 A1 4 C 3，致使焊缝强度及塑性均变差焊前经真 空处理的接头强度及延伸率均 比未处理的接头强度及延 伸率高这是因为未去氢时焊缝中气孔严重降低了焊缝 的强度及塑性 图 7为焊缝的断口形貌焊前未进行真空处理时，断 口上存在大量气孔(图 7 a)，经真空处理后断口处气孔 维普资讯 http:/ 7 7 4 金属学报 3 6 卷 表 2 S i C L D=复台村蚪 T I G焊接头的拉伸强度 T a b l e 2 T e n s i l e p r o p e r t i e s o f S i C p L D2 w e l

27、 d q Y ea t me n t pdor t o we l d i ng S t a t us o f we ld Te ns i s t r e ng t h，M Pa El on g a t i on，P e n t m a t e da1 Af t e rwe ld wi t h A L S iwi r e Ai d e r w e l d wi t h A-M g wi r e T6 Vac uum d e ga s s ed Und e g a s s ed Vac uum d e ga s s ed Und e g a s s e d 30 3 As we l d 21 0

28、2O1 21 8 As we l d 1 3 1 1 1 0 9 7 As we l d 1 6 5 1 5 3 1 曲 A旨 _ e】d 1 2 2 1 0 8 1 0 l 圃 焊缝断 口形抗 F i g S E M f r a c t o g r a p h s o f S i Cp L D2 T I G w e ld me t a l a)w e l d i n g w i t h A L S i fi l l e r me t a l，u n d e g a s s e d (b)w e l d i n g wi t h A】_ s I fi l Le r me t a 1 d e g

29、 a s s e d (c)w e ldi n g w i t h A I-Mg fi l l e r me t a l，d e g a s s e d 很少，如图 7 b c所示所有断口上均可观察到少量 S i C 粒子采用 A卜S i 焊丝时，接 头的塑性较高，如表 2所 示，断 口 上具有较多的韧窝；采用 A1 一 Mg焊丝时 接头的 塑性较低，断 口 上的韧窝明显减少，并出现脆断特征 这 显然也是由于界面反应生成了脆性相 A1 4 C3的缘故 3 结 论(1)填加焊丝时，母材与焊丝金属间发生了均匀的混 台，但焊缝中粒子的分布不均匀，熔台线附近存在一贫 S i C 层，这是由于该部位凝固

30、速度较低 S i C粒子被液 固 界面所推移造成的(2)A 卜S i 焊丝可有效地防止 A卜S i 间的界面反应：而利用 A卜Mg焊丝或不填焊丝焊接的焊缝中，有少量针 状 Al 4 C3生成(3)S i C L D 2焊缝的气孔及裂纹敏感性较大，通过 真空去氢处理可消除大部分气孔：利用 A 卜s i 焊丝焊接时 可以有效地防止裂纹而利用 A1 一 Mg焊丝焊接时易产l牛 裂 纹 (4)用 Al s i 焊丝焊接 的接头强度 比用 A卜 Mg焊丝 焊接的接头强度高 参考文献【1 Ur e n a A，G o me z J M E s c a r a M D Ke y E n g a t e r,

31、1 9 95：1 0 4 5 2 3 【g S a b a t h i e r V，E d w a Ms G R，C r o s s C E Me t a l l Tl加 n5 1 99 4；2 5A：2 7 05 引3 L l o y y dD J，L a g a c eH，Mc L e o dA，Mo r r i s P L Ma t e r S c i n 1 9 8 9；A 1 0 7：7 3 【4 1 X i e G H Do c t o r a l D s e r t a t i o n S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e t s i

32、t y,1 9 9 6 (谢国宏上海交通大学 博士学位论文 1 9 9 6)5 D e v l e t i a n J H We l d 1 9 8 7；g g(g)：3 3 【q Ha n d w e r k e r C A U r s u l a M D，Ka t t n e r R A d v a n c e s t n Jo i ni ng Ne we r S t r uc t u r e 3 a t e r i a l s Lo ndo n：Pe r g amon Pr o s，1 9 9 0：1 37 【I s e k i T，K a m e d a T，Ma r u y a ma T J Ma t e r S c l，1 9 8 4；1 9：1 8 g2 6 l 4 9 3 5 4 4 3 8 2 4 0 i 4 4 L 1 1 2 2 1 1 1 1 维普资讯 http:/