焊接填料中Ti對SiCp/6061Al激光填粉焊接頭的影響

摘要：鋁基復合材料是一類優良的結構材料，但該材料焊接性較差，提高鋁基復合材料焊接接頭性能具有重要意義。在SiCp/6061Al復合材料激光填粉焊接過程中，向CoCrNi增強AlSi12填料中添加Ti，研究Ti對焊接接頭的影響。結果表明：Ti均勻分布在焊縫中，并在CoCrNi相周圍形成TiNi3相，CoCrNi相由粗大的樹枝狀轉變成細小的三角形狀，形成了固溶強化、彌散強化和細晶強化。焊接接頭熔合區界面清晰，界面沒有反應物生成，形成了良好的物理冶金結合界面。焊接填料中添加Ti后，焊縫硬度提高了30%，焊接接頭的拉伸強度和延伸率同時上升。SiCp/6061Al激光填粉焊接時，CoCrNi增強AlSi12的混合填料中添加Ti元素，可以有效改善焊接接頭質量，提高力學性能。

關鍵詞：SiCp/6061Al；激光填粉焊接；Ti元素添加；焊接接頭組織；力學性能

中圖分類號：TG456.7; U465 文獻標志碼：A

本文引用格式：趙明娟，王高昱，趙龍志，等. 焊接填料中Ti對SiCp/6061Al激光填粉焊接頭的影響[J]. 華東交通大學學報，2025，42（1）：113-119.

Effect of Ti in the Welding Filler on Laser Powder-Filled

Welded Joints of SiCp/6061Al

Zhao Mingjuan1，3， Wang Gaoyu1，3， Zhao Longzhi1，2，3， Li Yuxin1， Yu Hongbing3，

Zhang Qinwen3， Mu Chenpeng3

（1. Nanchang Key Laboratory of Advanced Materials and Laser Additive Manufacturing for Transport Vehicles， East China Jiaotong University， Nanchang， 330013， China; 2. State Key Laboratory of Rail Transit Infrastructure Performance Monitoring

and Guarantee， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 3. School of Materials Science and Engineering，

East China Jiaotong University， Nanchang， 330013， China）

Abstract： Aluminum matrix composites are a type of excellent structural material， however， their poor weldability necessitates significant improvements in joint properties. Ti was introduced into a CoCrNi-reinforced AlSi12 filler during laser powder-filled welding of SiCp/6061Al composites to investigate its influence on the welded joints. The results show that the Ti is evenly distributed in the weld， and TiNi3 phase is formed around the CoCrNi phase， Additionally， the CoCrNi phase changes from the coarse dendritic shape to the fine triangular shape， contributing to solid solution strengthening， dispersion strengthening， and fine grain strengthening. The interface of the fusion zone of the welded joint was clear， with no reaction products generated at the interface， forming a good physical metallurgical interface. After adding Ti to the welding filler， the weld hardness increased by 30%， and the tensile strength and extension of the welded joint increased at the same time. When" performing SiCp/6061Al laser filler welding， adding Ti to CoCrNi reinforced AlSi12 mixed filler can effectively improve the quality of welded joints and improve mechanical properties.

Key words： SiCp/6061Al; laser welding with powder filling; Ti addition; welding joint organization; mechanical property

Citation format： ZHAO M J， WANG G Y， ZHAO L Z， et al. Effect of Ti in the welding filler on laser powder-filled welded joints of SiCp/6061Al[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2025， 42（1）： 113-119.

SiCp/Al復合材料是一類優良的結構材料，具有高比強度、高比剛度、優異的耐磨性和高溫穩定性等特性，廣泛應用于航空航天、汽車、造船、電子等領域[1-2]。但是SiCp/Al復合材料中SiC增強體與基體之間的物理性能差異較大，且熔化焊接時SiC容易與基體發生反應，生成Al4C3脆性相，降低了復合材料的可焊性，限制了復合材料的應用。因此研究SiCp/Al復合材料的焊接具有重要意義[3-4]。

近期研究發現，激光填粉焊接充分應用激光的高能量密度，可以降低焊接熱輸入，降低焊接母材中SiC增強體與Al基體的反應程度，可以最大限度減少焊接接頭中的脆性相[5-7]；同時，該方法中的焊接填料粉末可設計性強，可以根據需要靈活改變粉末填料的成分，消除焊接熔池中脆性相的形成條件，進一步消除焊接接頭中的脆性相，實現SiCp/Al復合材料的高強焊接[8]。

目前，鋁基復合材料激光填粉焊接的研究主要集中在焊接填料的成分優化和焊接界面的控制等方面。通過在焊接母材之間添加純鈦片、鎳箔等容易與碳反應的活潑元素，減少碳與鋁的反應，具有顯著的效果，但是焊接接頭受箔材本身強度的影響，焊接接頭強度很難大幅度提高[9-11]。有必要對焊接填料進行合理設計，以提高復合材料焊接接頭強度。

近年來，科學家研究發現，多主元高熵合金具有良好的高熵效應，可以有效抑制傳統合金中化合物的生成[12]。因此，激光填粉焊接中對填料粉末進行多主元設計，有望抑制焊接中的金屬間化合物脆性相的生成，同時提升焊接接頭強度[13]。因此，本文在前期研究基礎上[14]，充分利用AlSi12共晶合金液態良好的流動性，提出以10%CoCrNi增強體AlSi12混合粉末為主要填料，同時添加Ti元素，實現填料的多主元設計，研究填料中Ti元素添加對焊接接頭的影響。

1 材料與方法

試驗焊接填料主要為CoCrNi和AlSi12混合粉末，其中CoCrNi質量分數為10%，粉末粒徑在-140目到+320目之間，并在此基礎上向填料內添加Ti，Ti原子與CoCrNi的原子比為0.25，純Ti粉末和CoCrNi粉末通過球磨混合，轉速300 r/min，時間為3 h。最終將CoCrNiTi0.25和AlSi12通過V形自動混料機混合而成，混料速率為100 r/min，混合時間為2 h。焊接母材SiCp/6061Al復合材料板材，其中SiCp增強體體積分數為17%，母材尺寸為50 mm×20 mm×2 mm，鋁基復合材料基體化學成分如表1所示，板材焊接坡口角度為30°。焊前處理包括母材表面及坡口的砂紙打磨、丙酮擦拭、酒精溶液超聲清洗。采用長沙天辰激光有限公司生產的激光焊接機器人進行焊接，焊接參數選擇功率為1 400 W，焊接速度為3 mm/min，送粉速率為15 g/min，離焦距離30 mm。為了減少母材和焊接填料的氧化，在焊接中采用氬氣對激光頭部位、送粉過程及固定基板底部等進行全方位保護。

采用線切割沿垂直焊接方向切取8 mm×10 mm× 2 mm的金相試樣，經研磨、拋光后在蔡司金相顯微鏡下觀察其微觀組織，使用維氏硬度計測試焊接接頭硬度，載荷為200 g，保壓時間為10 s。焊接接頭的微觀形貌通過日立SU8010型場發射掃描電子顯微鏡觀察分析，拉伸試驗在68TM-50型萬能力學試驗機上進行，拉伸速度為1 mm/min。使用島津XRD-6100衍射儀器進行XRD物相分析，掃描角度范圍為20°～80°，掃描速度為1°/min。

2 結果與討論

2.1 組織形貌

圖1為焊接接頭宏觀形貌。從圖中可以看出，焊接接頭可以分成焊縫區、熔合界面區、母材微熔半固態區、熱影響區。與傳統的焊接相比，本研究焊接接頭熱影響區為母材基體鋁合金微熔熱影響區，這主要和激光填粉焊接的工藝特性有關。實驗采用離焦法焊接，利用激光能量的高斯分布特點，使激光能量主要集中在焊接填料和坡口表面，同時使少部分能量作用于母材，從而使焊接過程中填料完全熔化，母材的基體鋁合金微熔，但SiC增強體保持固態。母材的基體鋁合金微熔，有效保障了焊縫填料和基體融為一體，實現了良好的熔合區界面結合。同時母材中SiC增強體完整性的保持，有效阻礙了SiC與鋁合金的化學反應，避免了脆性相的產生，可以提升焊接接頭質量。焊接頭填料添加Ti時，焊接接頭基本沒有氣孔等焊接缺陷，焊接熔合區界面清晰光滑，焊接接頭質量較好。

圖2為焊縫的微觀組織，從圖中可以看出添加Ti以后，焊縫組織中粗大的CoCrNi枝晶逐漸變成細小的三角形顆粒。這是由于焊接填料中Ti的存在改變了凝固條件，Ti與焊接填料中的Ni元素之間具有較小的混合焓，且絕對值較大，因此Ti原子與Ni原子之間具有較大的結合力，從而導致Ti與Ni原子容易形成Ti-Ni富聚相TiNi3（圖3）。根據焊縫面掃描可知（圖4），焊縫中Ti分布均勻，CoCrNi聚集形成三角形狀顆粒，同時Ti-Ni相分布在CoCrNi相周圍，增加了CoCrNi相周圍的溫度均勻性，降低了該相周圍的溫度梯度，從而降低了形成樹枝晶的概率。另外，Ti-Ni相屬于金屬間化合物有序相，先于CoCrNi相形成，在液相中優先形成固態顆粒，這些固態相在主要分布在CoCrNi相附近，減少了原子擴散通道，阻礙了CoCrNi相長大，形成釘扎效應，所以焊縫中添加Ti以后，CoCrNi相有利于形成尺寸稍小的三角形顆粒，有利于獲得高性能焊接接頭。

圖5為焊縫填料添加Ti元素的焊接接頭界面及元素線掃描，從圖中可以看出，焊接接頭的母材坡口表面材料與焊縫填料均實現了熔化，母材和填料形成了良好的冶金結合，確保焊接接頭具有良好的性能。同時，在界面附近沒有針狀的Al4C3脆性相生成，進一步提高了焊接接頭的力學性能。激光在離焦狀態下，激光中心的能量主要作用于焊縫填料，使填料熔化并有效地填充焊縫。由于激光能量符合高斯分布特征，即激光大部分能量集中在激光中心，沿著激光光斑直徑的外圍能量很低，因此在離焦狀態下的激光光斑外圍作用下的母材溫度較低，該溫度高于鋁合金的熔化溫度，低于鋁合金與SiC的反應溫度，所以坡口附近的母材中基體鋁合金會部分熔化，與焊縫金屬形成原子狀態下的冶金結合，形成良好的物理界面。而且，界面處不會出現因反應導致的脆性相，保障了焊接接頭性能。

從焊接接頭界面處的線掃描（圖5）可以看出，沿垂直于界面從母材向焊縫中心方向進行元素線掃描，Al，Si和C在母材一側震蕩均較大，Si和C變化趨勢相似，Al變化趨勢相反，在焊縫一側Al仍然保持大幅度震蕩，Si小幅震蕩，Al和Si的變化趨勢相同。這主要是因為在母材一側材料的主要組成為鋁合金基體和SiC增強體，電子束通過SiC顆粒時，Si和C為峰值，Al為波谷。相反，電子束通過鋁合金時，Al為峰值，Si和C為波谷。在焊縫一側，焊縫材料主要由AlSi12合金、CoCrNi和少量的Ti-Ni相構成。由于焊縫中的Al和Si均來自鋁合金，因此焊縫一側Al和Si的變化趨勢均和鋁硅合金保持一致，電子束通過鋁合金時，Al和Si均表現為峰值。界面兩側，Co，Cr，Ni的均保持相同的振蕩趨勢，這主要是因為它們主要形成CoCrNi合金相，同時少量的Ni會與Ti形成Ti-Ni相，因此Ti的峰值會與Ni保持一致。另外，激光填粉焊接時，熔池會產生強烈的對流擴散，因此母材中的少量SiC會被卷入熔池中，導致焊縫中部分區域C濃度增加。同時，焊縫填料中Co，Cr和Ni也會擴散到母材坡口表層，從而使得在界面兩側均有Co，Cr，Ni峰值出現。綜上所述，熔池的強烈對流和離焦激光能量的再分配，使得焊接接頭具有良好的界面結合，同時又避免了脆性相生成，有效保障了焊接接頭的力學性能。

2.2 焊接接頭力學性能

圖6為焊接接頭顯微硬度，從圖中可以看出，焊縫填料中添加Ti可以使焊接接頭焊縫處硬度大幅度增加，從370 HV增加到485 HV，增幅超過30%；母材熱影響區部分的硬度基本沒有變化。這主要和焊接接頭的微觀組織有關，在焊縫中添加Ti后，焊縫中的Ti主要以固溶的形式彌散分布在焊縫中，形成了良好的固溶強化；同時由于Ti與Ni親和力比較強，一部分Ti與Ni形成了TiNi3相，分布在CoCrNi相附近，形成了良好的彌散強化，因此焊縫中心的硬度顯著增加。焊接接頭母材熱影響區部分焊接過程中處于固態，焊縫成分對該區域的成分和組織影響較小，因此熱影響區組織沒有變化，硬度基本保持不變。

圖7為焊接接頭的拉伸性能，從圖中可以看出，焊縫中添加Ti后，焊接接頭的拉伸強度和延伸率均上升。焊接接頭的力學性能主要決定于焊接接頭的組織形貌，在鋁基復合材料的焊接接頭中，焊縫成分的變化對母材熱影響區的作用較小，熱影響區的組織幾乎保持不變，因此焊縫填料成分變化時，熱影響區對焊接接頭拉伸性能的作用可以忽略不計。另外，在焊接填料成分不同時，焊接接頭的熔合區界面均沒有發生明顯的界面反應，且焊接過程中坡口表層母材發生了局部熔化，熔合區界面為典型的物理冶金結合，焊接熔池的對流擴散對界面影響不大。因此，鋁基復合材料焊接接頭力學性能主要取決于焊接接頭中焊縫的組織。焊接填料中添加Ti后，焊縫組織中存在Ti原子的固溶強化、TiNi3金屬間化合物的彌散強化和CoCrNi相的細晶強化，其中固溶強化和彌散強化都會使焊接接頭強度上升、延伸率下降，只有細晶強化可以同時提高強度和延伸率，因此焊接接頭中細晶強化起主要作用，焊接接頭的拉伸強度和延伸率同時上升。

3 結論

在SiCp/6061Al復合材料的激光填粉焊接時，在焊縫填料CoCrNi10%/AlSi12中添加Ti，獲得良好的焊接接頭，主要結論如下。

1） Ti均勻分布在焊縫中，并在CoCrNi相周圍形成TiNi3相，CoCrNi相由粗大的樹枝狀轉變成細小的三角形狀，形成了固溶強化、彌散強化和細晶強化。

2） 焊接接頭熔合區界面清晰，界面沒有反應物生成，形成了良好的物理冶金結合界面。

3） 焊接填料中添加Ti后，焊縫硬度提高了30%，焊接接頭的拉伸強度和延伸率同時上升，強化機制主要為細晶強化。

參考文獻：

[1]" "SENTHIL S， RAGURAMAN M， THAMARAI MANALAN D. Manufacturing processes amp; recent applications of aluminum metal matrix composite materials： A review[J]. Materials Today： Proceedings. 2021， 45： 5934-5938.

[2]" "MOKTAR M S， GHANDVAR H， BAKAR T A. Development and Characterization of Aluminum Hybrid Metal Matrix Composites Used in Automotive Applications[M]. Encyclopedia of Renewable and Sustainable Materials. 2020， 54-63.

[3]" "牛濟泰， 程東鋒， 高增， 等. SiC顆粒增強鋁基復合材料的連接現狀[J]. 焊接學報. 2019， 40（3）： 155-160.

NIU J T， CHENG D F， GAO Z， et al. Reviews on welding method of SiC particle reinforced aluminum matrix composites[J]. Transactions of the China Welding Institution. 2019， 40（3）： 155-160.

[4]" "朱超， 馬琳， 周長壯， 等. SiC顆粒增強鋁基復合材料焊接研究現狀[J]. 熱加工工藝. 2021， 50（7）： 1-6.

ZHU C， MA L， ZHOU C Z， et al. Research status of welding of SiC particle-reinforced aluminum matrix composites[J]. Hot Working Technology. 2021， 50（7）： 1-6.

[5]" "劉彥強， 馬自力， 魏少華， 等. 硅顆粒增強鋁基復合材料的制備與激光焊接行為[J]. 稀有金屬. 2019， 43（12）： 1251-1259.

LIU Y Q，MA Z L，WEI S H， et al. Fabrication and laser-beam welding behavior of silicon particle reinforced al matrix composites[J]. Chinese Journal of Rare Metals. 2019， 43（12）： 1251-1259.

[6]" "張恒泉. Sip/6063鋁基復合材料激光熔化沉積連接特性與組織性能調控[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2016.

ZHANG H Q. Research on joining characteristics and property control of Sip/6063 amc with laser melting deposited method[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2016.

[7]" "KHODABAKHSHI F， GERLICH A P. On the stability， microstructure， and mechanical property of powder metallurgy Al-SiC nanocomposites during similar and dissimilar laser welding[J]. Materials Science and Engineering： A. 2019， 759： 688-702.

[8]" "TAO W， LI L Q， WANG Y S， et al. Study on welding process and microstructure of laser welding high volume fraction SiCp/2024Al matrix composite with Ti-6Al-4V filler[J]. Materials Science， Engineering， 2012， 39（1）： 104-108.

[9]" "曹雪龍， 王剛， 邢昌， 等. 銅/鎳箔中間層對鋁/鋼激光焊接接頭組織與力學性能的影響[J]. 航空材料學報， 2020， 40（2）： 70-78.

CAO X L， WANG G， XING C， et al. Effect of Cu/Ni foil interlayer on microstructure and mechanical properties of laser welded aluminum/steel joints[J]. Journal of Aeronautical Materials， 2020， 40（2）： 70-78.

[10]" 張建， 羅國強， 沈強， 等. 添加Ni箔中間層的Mg-Al擴散焊接接頭界面結構和力學性能[J]. 材料工程， 2015， 43（1）： 13-17.

ZHANG J， LUO G Q， SHEN Q， et al. Interfacial structure and mechanical properties of Mg-Al diffusion bonded joint with Ni foil interlayer[J]. Journal of Materials Engineering， 2015， 43（1）： 13-17.

[11]" WANG F， WANG S T， CHEN B H， et al. Effect of Ti addition on the microstructure and mechanical properties of Al-SiC composite joints welded by friction stir welding[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2011， 211（7）： 1175-1181.

[12]" 余倩， 陳雨潔， 方研. 高熵合金中的元素分布規律及其作用[J]. 金屬學報， 2021， 57（4）： 393-402.

YU Q， CHEN Y J， FANG Y. Heterogeneity in chemical distribution and its impact in high-entropy alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica， 2021， 57（4）： 393-402.

[13]" 周正， 丁云龍， 孫巖， 等. 鎂/鋁異種金屬焊接技術的研究進展[J]. 焊接， 2024（12）： 33-46.

ZHOU Z， DING Y L， SUN Y， et al. Research progress on welding technology of Mg/Al dissimilar metal[J]. Welding amp; Joining， 2024（12）： 33-46.

[14]" 趙明娟， 程梓威， 趙龍志， 等. Ti5Si3含量對SiCp/2009Al激光填粉焊接頭組織性能的影響[J]. 華東交通大學學報， 2023， 40（6）： 79-85.

ZHAO M J， CHENG Z W， ZHAO L Z， et al. Effect of Ti 5Si 3 content in filler powder on the microstructure and properties of SiCp/2009Al laser filler welding joint[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2023， 40（6）： 79-85.

通信作者：趙明娟（1976—），女，教授，研究方向為金屬基復合材料。E-mail：zhaomingjuan100@163.com。