劉浩博 ，楊尚磊 ，2，謝超杰 ，張 琪 ，曹亞明

（1.上海工程技術大學材料工程學院，上海201620；2.上海工程技術大學上海市高強激光智能加工裝備關鍵技術產學研開發中心，上海201620）

0 前言

SiC顆粒增強的鋁合金復合材料具有比強度高、耐腐蝕、耐磨損、導電導熱性好等優點，近年來受到國內外廣大學者的關注，在航空航天、船舶、汽車等領域有著廣闊的應用前景，目前SiC鋁基復合材料已經實現了大規模的生產[1]。但其復雜的理化特性導致材料間相互連接成為了一項技術難題，解決鋁基復合材料的連接問題成為推廣應用該材料的重要步驟。本研究綜述了近年來國內外鋁基復合材料連接的相關研究，討論采用熔化焊、電阻焊、高能束焊、瞬間液相擴散焊、釬焊等方法焊接該種材料的優缺點以及改進的途徑和方向。

1 熔化焊（TIG、MIG）

熔化焊是應用最廣的焊接方法，其成本低、操作靈活、效率高，對試樣的尺寸要求不嚴格，同時TIG和MIG焊焊接鋁合金能獲得優良的接頭質量，因此熔化焊成為最早用于鋁基復合材料的焊接方法，但結果并不理想，出現了如下問題。

（1）熔化焊溫度較高，在焊接過程中接頭處母材熔化，熔化狀態下的母材中固態增強相SiC顆粒大量混入熔池中，降低了熔池的流動性，使其發生粘滯，影響母材和填充金屬的充分混合。同時熔池流動性下降導致熔池中的氫逸出困難最終形成氣孔。

（2）熔池凝固過程中容易發生增強相的偏析，導致焊縫部分區域無增強相，而部分區域出現增強相的聚集，嚴重影響接頭性能。

（3）在高溫下基體會與增強相發生反應

Al4C3將以薄片狀沉淀析出，Si以塊狀沉淀析出，Al4C3作為脆性相分布在SiC界面周圍嚴重削弱了增強相的作用，Si則作為夾雜進一步降低了接頭處的強度。

TIG焊鋁基復合材料焊縫處的顯微組織照片如圖1所示[2]，可以明顯看出原本應該彌散分布在Al基中的SiC增強相團聚出現在焊縫中，使得增強相成為焊縫的夾雜。焊接接頭的拉伸端口如圖2所示，焊縫中存在明顯的氣孔。上述兩種缺陷降低了TIG焊鋁基復合材料接頭的力學性能，焊縫的最大抗拉強度只有母材的51%。

圖1 焊縫底部微觀組織[2]

圖2 焊接接頭焊縫拉伸斷口形貌[2]

對于以上問題，近年來許多學者提出了新的改進方案，如在填充金屬中添加合金元素以改善焊縫金屬的性能；發展電弧跟蹤控制系統實時跟蹤并優化焊接過程；進行焊后熱處理等。雖然這些措施可以使得熔化焊基本適合鋁基復合材料的焊接，但焊接質量依舊不穩定[3-4]。由此可見，熔化焊對鋁基復合材料的焊接性較差。

2 電阻焊

電阻點焊鋁基復合材料較熔化焊(MIG/TIG)成形更好，這是因為電焊加熱速度快、焊接時間短，因此焊接過程中基體材料不會與增強相發生劇烈反應，避免了脆性相的析出。在電阻電焊鋁基復合材料的過程中，若工藝控制不當會出現氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。氣孔的出現是由于電焊時間過長且冷卻速度過快導致氫氣來不及逸出，同時增強相提高了熔池粘度，這更增加了氣孔出現的幾率，因此控制焊接時間十分重要。熱裂紋的出現也與增強相降低熔池流動性有關。噴濺則是由于焊接電流過大和焊接壓力過小所導致，雖然可以通過控制工藝而避免，但一旦出現工藝控制不當噴濺會造成焊接接頭鋁基大量損失，進而出現增強相的偏聚影響接頭性能[5]。

因此，電阻電焊鋁基復合材料必須嚴格控制工藝，這無疑增加了工程應用的難度，同時電阻焊對焊件尺寸、形狀有很大限制且不能焊長焊縫，嚴重阻礙了其復合材料的實際應用。因此電阻焊也不是鋁基復合材料焊接的有效方法。

3 高能束焊

電子束焊和激光焊相比傳統焊接方式有著高效、可控和接頭優質等諸多特點，因此受到國內外學者的廣泛關注并迅速應用到多種材料的連接。但目前在鋁基復合材料的連接上兩者仍不成熟[6-7]。

電子束焊鋁基復合材料存在許多問題，如電子束對中焊會造成熱輸入過大、鋁基蒸發、使得增強相濃度升高，這增加了熔池粘度從而影響焊縫成形；同時熔池中鋁基和增強相發生反應生成針狀或片狀的Al4C3脆性相，對接頭強度影響較大。這些問題雖然可以通過降低電流或者進行偏束焊接等減小熱輸入的方法來控制但效果有限，如圖3所示，且熱輸入降低會影響增強相與鋁基的潤濕性，導致增強相偏聚[8-9]。

圖3 焊縫中的針狀Al4C3相[8]

激光焊焊接鋁基復合材料過程中鋁基與增強相也會發生反應生成Al4C3脆性相和Si塊進而影響接頭性能。其原因是鋁基復合材料中的增強相對激光的吸收率高于鋁基，導致在焊接過程中SiC溫度先于基材提高，再通過熱傳導將熱量傳到基材，這種加熱機制使得增強相與其附近的基體Al發生反應。為了消除這種反應，牛濟泰[10]提出臨界硅活度α[Si]min這一概念，即只要熔池中α[Si]（硅在鋁液中的活度）大于α[Si]min增強相，與鋁基的界面反應就不易發生，因此要求α[Si]min盡可能低。α[Si]min和熔池溫度之間的關系如圖4所示。

圖4 臨界硅活度α[Si]min與溫度T的關系曲線

由上述內容可知，高能束焊接鋁基復合材料的問題主要為：Al4C3脆性相出現、增強相偏聚以及熔池潤濕性較差。雖然有學者進行了改進，但這些方法并不完善，還有待進一步研究。

4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是20世紀出現的一種新型固相連接方式，具有接頭質量高、焊接變形小、無污染等特點，被譽為繼激光焊后又一次革命性的焊接技術。目前利用攪拌摩擦焊成功連接了鋁合金、不銹鋼、低碳鋼等同種或異種材料，關于鋁基復合材料的連接研究較少，但不失為一種有效的連接方式[11-12]。

相比前面提到的各種方法，攪拌摩擦焊焊接鋁基復合材料的焊接接頭表面成形良好、無飛邊、下壓量適中，縮孔位置非常光滑、無裂縫。但在焊接過程中在攪拌頭的作用下焊核區部分SiC增強相會被排擠到焊核外，使得該區域增強相減少，同時熱機影響區出現增強相堆積，但對接頭性能的影響仍在可接受范圍內。不過，對于纖維增強相鋁基復合材料來說該方法不適用，因為攪拌頭會破壞增強相的連續性，這也限制了攪拌摩擦焊的應用[13]。

針對基建項目財務管理來說，現階段的資本性支付和收益性支出的區別有所變化，但實際上，會計核算和稅務籌劃等都有著不同的含義，新形勢下，新的會計制度取消了長期分攤費用的墻紙規定，企業在進行收益性支出中可以選擇新的利益收入方式，這也就減輕了企業的納稅壓力，但實際上資本性支出和收益性支出的劃分方面仍然有嚴格規定。不管是將收益性支出劃入到資本性支出，還是將資本性支出劃入到收益性支出，都是不正確也不合理的。

5 釬焊

釬焊是比較適合焊接鋁基復合材料的一種連接方式，其焊接溫度低，母材基本不熔化，不會出現增強相與鋁基之間的反應，接頭成形良好，強度達標（為母材的60%）。此外該方法簡單易行，除真空釬焊外一般無需其他設備，且在焊件尺寸上的自由度很大。但是釬焊鋁基復合材料依舊有許多問題亟待解決。

（1）Al2O3氧化膜對焊接質量的影響。

由于鋁基復合材料的基體是Al，在空氣中會與氧反應生成致密、穩定的Al2O3薄膜，Al2O3極其穩定，釬焊過程中一般不會熔化，這嚴重影響釬料在母材表面的潤濕與鋪展。且焊接結束后氧化膜會成為夾雜存在于釬縫中影響接頭強度。

（2）釬縫中易出現SiC的偏聚。

這是由于釬焊的保溫過程中，釬料中的活性元素如Si、Ge等易向母材中擴散，引起母材液相線下降，造成部分母材發生熔化，在隨后的冷卻過程中，SiC與α-Al的晶體結構相差較大，因此SiC無法成為形核中心，靠近母材的金屬液體先一步結晶，將SiC排擠到釬縫區，最后在釬縫區形成增強相的偏聚，而在母材一側則出現增強相的貧化[14]。

可在釬料中添加Cu等元素改善釬料對SiC的潤濕性提高其流動性；同時可以利用超聲波實現氧化膜的去除和SiC的均布，甚至可以在焊接前通過超聲波去除接頭處的SiC，實現Al-Al的微連接避免SiC對釬料潤濕和釬縫質量的影響[15-17]。

6 瞬間液相連接

瞬間液相連接（TLP）是擴散焊的一種，不同于固相擴散焊，它是利用低熔點的中間層材料熔化形成低熔點共晶，在接頭的連接面處形成液態薄膜，隨后等溫凝固形成組織均勻的焊接接頭。該方法焊接溫度低，不會發生增強相與鋁基的反應，同時不需要或只需很小的壓力，且對于工件表面要求不高，即使有表面氧化膜也不影響接頭性能。因此十分適合鋁基復合材料的焊接[18]。

TLP焊接鋁基復合材料的要點在于中間層、保溫時間以及壓力的選擇。TLP中的壓力較低，一般約為0.7 MPa，加壓可以有效減少接頭中氧化物夾雜的數量，同時加快等溫凝固過程完成，從而提高接頭性能。目前中間層一般為Cu，但單純用Cu作為中間層，接頭強度只能達到母材的50%，為了提高接頭強度，有學者選用Ni或Cu-Ni-Cu作為新的中間層，如圖5所示，Ni作為中間層可以大大提高接頭強度，Cu-Ni-Cu作為中間層的焊接溫度更低且其接頭強度更高，達到母材的85%，更適合作為中間層。其原因是焊接過程中Cu-Ni-Cu中的Cu先與Ni熔化形成液態薄膜，在壓力的作用下被不斷從接頭處擠出同時帶走大量的氧化膜夾雜和表面潤濕性較差的SiC增強相，隨后形成Al-Ni液態合金，最終等溫凝固后形成牢固鏈接。這個過程中Cu并不參與最后的連接，其作用是排出接頭處的氧化膜和有缺陷的增強相，從而提高接頭性能。保溫時間對接頭的性能影響較大，如果保溫時間過短會導致中間層來不及擴散在接頭處形成明顯的連接界面，進而影響接頭強度，可以通過加壓達到縮減保溫時間的目的[19-20]。

瞬間液相連接除了適合鋁基復合材料的焊接外還適合異種材料的焊接，如鋁基復合材料和鋁合金的焊接、鋁基復合材料和低碳鋼的焊接，雖然這方面的發展還不成熟，但可以通過進一步研究實現，這大大擴展了鋁基復合材料的應用空間，實現更全面的工程應用[21]。

7 結論

圖5 用Ni和Cu/Ni/Cu中間層的連接接頭強度

隨著SiC顆粒增強鋁基復合材料在工業生產中的廣泛應用，其連接技術的開發成為重中之重，連接質量的好壞直接決定此種材料的應用前景。目前，鋁基復合材料的制備已日趨成熟，利用現有技術可以獲得不同規格的材料。但是由于鋁基復合材料的基體與增強相之間的物理、化學性能差別較大，因此其連接難度較大。雖然通過上述討論發現釬焊和瞬間液相連接可以實現該材料的焊接，尤其是瞬間液相連接技術，但仍需深入研究接頭增強相的結構、形貌、偏析、力學性能的影響等機理。同時，中間層材料的選擇也需要新的嘗試，研究復合中間層和合金類中間層是提升鋁基復合材料TLP焊接性能的重要方法。因此，全面分析現有技術和開發新的焊接方法迫在眉睫。關于鋁基復合材料焊接接頭機械性能和疲勞損傷機理的研究也應同步展開。

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