SiC增强铝基复合材料的电子束焊优化方案

1.4.4.1 无中间层的SiC增强铝基复合材料电子束焊

SiC_p/ZL101A/20P复合材料是在ZL101A基体中，加入体积分数为20%的SiC颗粒，以搅拌复合的方法制得。一部分在铸态下进行焊接，另一部分在焊前进行固溶+不完全人工时效（T5态：540℃±5℃，保温8h，水冷至70℃，再155℃±5℃，保温7h，空冷）处理。

1.焊前准备

由于SiC很硬，采用线切割加工，金刚石砂轮磨削，不加工坡口。

采用10%NaOH水溶液，在60℃下清洗60s，水冲洗，再用15%的HNO₃水溶液，在25℃下清洗30s，水冲洗。

2.焊缝成形

采用60kV加速电压，试验表明，SiC_p/ZL101A/20P复合材料的无中间层的电子束焊成形非常困难，铝挥发严重，焊缝区只剩下SiC骨架。由于电子束冲击严重，熔化的金属被排斥到焊缝两侧；熔化的金属因为含有未熔化的SiC颗粒导致粘度增加，流动性变差，不能及时回填到焊缝中，因此焊缝根本无法成形，试样全都形成刻槽。图1-39给出了SiC_p/ZL101A/20P复合材料的无中间层的电子束焊成形的一个例子，从图中可以看到，焊缝断面呈刻槽状；电子束未能穿透母材，焊件之间存在明显的未熔合缝隙；近缝区存在大型气孔；焊缝中心呈白亮色，表明SiC颗粒已经熔化或分解。近缝区和焊缝上表面两侧排斥物中SiC颗粒较多，因此较远处颜色较暗。SiC在电子束的高温作用下溶入液态金属，由于铝的挥发，这里的SiC含量比母材高。在高温下溶入液态金属的SiC与基体铝反应形成Al₄C₃，呈针状组织。

图1-39 无中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料电子束焊焊缝

3.焊缝的组织

图1-40给出了无中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料母材和电子束焊焊缝的显微组织照片。从图中可以看到，与母材相比，焊缝中SiC的面积大为减少，由母材的47.3%减少为4.5%。在焊接的高温下，SiC部分溶解到液态金属中，在以后的凝固中形成Al₄C₃针状脆性化合物。

图1-40 无中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料母材和电子束焊焊缝的显微组织照片

图1-41给出了无中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料电子束焊焊缝中Al₄C₃形态，Al₄C₃不仅很脆，而且在潮湿环境中，Al₄C₃与水蒸气接触发生反应生成乙炔，留下针片状刻痕。

图1-41 无中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料电子束焊焊缝中Al₄ C₃形态

1.4.4.2 采用非增强中间层的SiC增强铝基复合材料电子束焊

1.焊缝成形

图1-42和图1-43分别给出了焊接速度为8mm/s和12mm/s的有中间层（Al-12Si）的SiC_p/ZL101A/20P复合材料电子束焊焊缝的低倍照片。可以看出，采用中间层对SiC增强铝基复合材料进行电子束焊，可以获得良好的焊接接头。它是通过熔化中间层而间接熔化两侧的母材的，因此焊缝中的增强相含量较少，其颜色比母材和热影响区白亮。

图1-42 有中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料电子束焊焊缝（焊接速度为8mm/s）

图1-43 有中间层的SiC_p/ZL101A/20P复合材料电子束焊焊缝（焊接速度为12mm/s）

表1-45给出了焊接参数对焊缝成形的影响，从表中可以看出，焊接速度在8～18mm/s的范围内，只要中间层厚度和焊接参数选择适当，都可以得到较大的焊缝成形长度。在焊接速度一定的条件下，增大焊接电流，容易造成热影响区严重过热，铝基体熔化，复合材料发生半固态变形，出现试样背面上凹和上表面近缝区凸起的现象。在聚焦电流I_fo相同（即工作距离相同）时，使焦点恰好位于试样表面（I_f=I_fo），比焦点位于试样表面上方（I_f＞I_fo，也称为散焦）更能获得良好的焊缝成形。

当增大工作距离（聚焦电流I_fo降低）时，在电子束在焊件的入射方向上焦点的发散将减轻，束斑直径更加恒定（叫做锐聚焦），从而可以避免电子束对母材的直接冲击，获得更好的焊缝成形。(www.xing528.com)

采用Al-12Si中间层比Al-7Si中间层的焊缝成形好，主要是因为Al-12Si是共晶合金，流动性好，而且Si含量高，对SiC颗粒的润湿性好，有利于成形。

表1-45 焊接参数对焊缝成形的影响

注：I_fo—试样表面的聚焦电流；

I_f—用于焊接的聚焦电流。

① 是AlSi7，其余都是AlSi12。

2.接头的组织

由于中间层材料为非增强合金，焊缝中部SiC增强相含量比母材少。因为母材也会发生部分熔化，所以焊缝中还是有少量SiC增强相的。另外，由于电子束直接加热中间层，母材是间接被加热熔化，过热度较低，中间层硅含量较高，有效地抑制了Al₄C₃的形成；只是在熔池上部，由于温度较高，可能形成少量Al₄C₃，如图1-44所示。

分析表明，焊缝中SiC的面积只占4.5%，远低于母材中47.3%的比例。在焊缝金属的高温下，SiC颗粒溶解，在凝固中形成针状的Al₄C₃。图1-45为Al-12Si为中间层的电子束焊焊缝金属X射线衍射图，可以看到，在焊缝中确实产生了针状的Al₄C₃组织；同时，焊缝中还有一定量的SiC，显然，这是母材溶解的。

3.脆性相Al₄C₃的析出

从图1-45母材与采用中间层Al-12Si焊缝的X射线衍射图及图1-44b焊缝中心的显微组织中可以明显看出，焊缝中形成了脆性相Al₄C₃组织。这种组织只在焊缝的上部出现，在焊缝的中部和下部没有形成，这是由于焊缝上部温度较高的缘故。脆性相Al₄C₃组织的存在，显著降低焊缝韧性，降低接头使用寿命；在大气中存放，脆性相Al₄C₃组织会与水蒸气接触形成乙炔，留下针片状刻痕。电流密度和聚焦形式对脆性相Al₄C₃组织的生成有重要影响：高焊速，大电流，使得熔池上部过热严重，促进SiC颗粒溶解和脆性相Al₄C₃组织析出；锐聚焦能够提高熔池上部过热，也会促进SiC颗粒溶解和脆性相Al₄C₃组织析出。而采用低焊速、小电流、散聚焦可以抑制脆性相Al₄C₃组织析出。

4.气孔

从图1-46可以看到，由于焊接速度的变化，焊缝中的气孔也发生了变化。随着焊接速度的提高，气孔体积缩小，数量减少。气孔的形成是由于在热影响区中挥发的Mg、Zn等的蒸气来不及逸出的缘故，随着焊接速度的提高，在热影响区的半熔化区中液态金属存在时间缩短，挥发的Mg、Zn等的蒸气减少，因此产生的气孔也就少而小。

从焊缝成形、气孔和脆性相生成等方面考虑，采用0.6mm的中间层厚度、8～12mm/s的焊接速度、150～170J/mm的热输入，焊接质量较好。由图1-46可知，采用快速焊接和锐聚焦可以有效地降低气孔。

图1-44 采用中间层Al-12Si的电子束焊接头组织

图1-45 母材与采用中间层AlSi12焊缝的X射线衍射图

图1-46 焊接速度和聚焦形式对产生气孔的影响

5.接头拉伸性能

表1-46给出了采用中间层时不同焊接条件下接头拉伸试验的结果。

表1-46 采用中间层时不同焊接条件下接头拉伸试验的结果