SiC增强铝基复合材料摩擦焊优化

1.4.7.1 SiC增强铝基复合材料常规摩擦焊

纤维增强铝基复合材料常规摩擦焊接头的热影响区可分为三个区：完全塑性变形区（Zpl区）；部分塑性变形区（Zpd区）和无塑性变形区（Zud区）。完全塑性变形区与部分塑性变形区不同，完全塑性变形区的SiC颗粒分布比较均匀。同种材料完全塑性变形区的硬度比无塑性变形区低，其接头拉断在完全塑性变形区，比如10%SiC_p/350Al复合材料自身摩擦焊接头就被拉断在完全塑性变形区。对于11%SiC_p/8009Al复合材料的惯性摩擦焊接头的组织中，SiC颗粒与基体没有反应，SiC及Al13（FeV）3Si颗粒弥散分布在塑性变形区，较大的SiC颗粒发生了破碎，塑性变形区的硬度与母材没有大的差别，接头的强度系数超过了90%，断裂发生在塑性变形区和无塑性变形区交界区，为韧性断裂。

常规摩擦焊不适于长纤维增强复合材料，因为它使得接触面产生塑性变形来实现焊接，这将导致纤维的断裂，而适于短纤维增强复合材料的摩擦焊。

1.4.7.2 SiC增强铝基复合材料搅拌摩擦焊

1.搅拌摩擦焊的适应性

铝基复合材料是一种焊接性较差的材料，熔化焊、钎焊、瞬间液相扩散焊都存在一些问题：熔化焊时，液态金属粘度太大，流动性差，复合材料不易与填充材料熔合，焊缝存在显微偏析和增强相（比如SiC）分布不均匀，基体与增强相发生界面反应，SiC在高温下烧损严重等；钎焊时，由于增强相的存在，严重阻碍了钎料的润湿，SiC很难过渡到钎缝中去，而使接头力学性能达不到要求；瞬间液相扩散焊虽然是一种较好的焊接方法，但是焊接参数和中间层选择不当，会形成金属间化合物。可是搅拌摩擦焊是材料在摩擦热和转动摩擦力的作用下，焊接区的金属被挤压及摩擦加热，发生塑性变形，同时金属被挤压而发生流动转移、扩散、再结晶，形成焊缝。搅拌摩擦焊的搅拌器形状、材料性能和焊接参数对金属的流动会产生很大影响，对焊接质量起到关键作用。

2.焊接参数对搅拌摩擦焊成形的影响

搅拌摩擦焊焊接参数包括搅拌头的旋转速度、前进速度（即焊接速度）、轴向压力及搅拌头的倾角等，存在一个合理的匹配，如果选择不当，焊缝表面会出现沟槽、孔洞、飞边等。

（1）轴向压力的影响 利用搅拌摩擦焊进行焊接时，是利用摩擦热加热母材使之产生塑性流动而实现的。由于搅拌头旋转产生的热量，加热周围的金属达到塑性状态，形成一个塑性层；同时又有一个向前方向的运动。因此在搅拌头后方形成一个空腔，由于搅拌头肩部与工作台在上下形成一个封闭的环境，在搅拌头的挤压作用下，发生塑性流动的材料向后流动而填满空腔，形成焊缝。如果下压量不足（压力太小），搅拌头肩部与工作台在上下形成的封闭作用不理想，塑性流变的金属会逆出母材表面，在搅拌头下方形成一个沟槽；如果下压量太大（压力太大），搅拌头肩部会压入母材表面之下，焊缝表面出现凹陷，使得一部分金属存在于搅拌头肩部之外的凹部，这样在焊缝表面形成皱褶，使焊缝成形变差，甚至于会焊穿材料，使工件与工作台粘结在一起。

（2）搅拌头旋转速度与焊接速度的配合 搅拌头旋转速度与焊接热输入有关，搅拌头旋转速度越大，焊接热输入越大；搅拌头旋转速度越小，焊接热输入越小。如果搅拌头旋转速度一定，焊接速度较慢时，焊接热输入过大，使得焊缝金属温度过高，有可能发生软化，甚至于熔化；反之，如果焊接速度太快，焊缝金属获得的热输入太小，母材不能获得足够的塑性区，就不能实现焊接过程，可能发生粉末从搅拌头压下形成的凹槽中逆出，不能形成焊缝，导致沟槽及孔洞等缺陷。搅拌摩擦焊热量主要由搅拌头和其肩部与母材摩擦产生的，在焊缝的深度范围内，分为上、中、下三部分：由于上部既有搅拌头与母材的摩擦，也有其肩部与母材的摩擦，因此，上部的热输入较大。

1.4.7.3 SiC增强铝基复合材料摩擦焊接头的组织(www.xing528.com)

图1-85～图1-88为SiC_p/6061Al复合材料母材的组织及搅拌摩擦焊接头的特征形貌。图1-86为SiC_p/6061Al复合材料搅拌摩擦焊焊缝终点处平行于母材表面截面的宏观组织，可以明显看到其塑性流变，呈封闭环状结构，即所谓“年轮”状；图1-87为搅拌摩擦焊横截面前进侧组织，可以明显看到，在焊核（缝）与热影响区有一条分界线，热影响区很窄。图1-88为搅拌摩擦焊焊核（缝）组织，可以明显看到其塑性流变，而且组织比母材更细。由于搅拌摩擦焊是固相焊接，因此不会产生Al₄C₃（固）脆性组织，所以接头性能优良。

图1-85 SiC_p/6061Al母材的组织（200×）

图1-86 FSW接头“年轮”状形貌（50×）

图1-87 FSW焊横截面前进侧（50×）组织

图1-88 搅拌摩擦焊组织