SiCp_101铝基复合材料TIG焊研究.pdf

第5 5 卷第3 期 20 03 年8 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V o l ，5 5 ．N o3 A u g u s t 200 3 S i C p ／1 0 1 铝基复合材料T I G 焊研究 冀国娟1 ，谢建刚1 ，薛文涛1 ，牛济泰2 1 北京矿冶研究总院金属材料所，北京1 0 0 0 4 4 ； 2 ．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨15 0 0 0 1 摘要研究S i C p ／l O l 铝基复合材料T I G 法焊接。研究表明，接头强度的主要影响菌素是焊接热输人影响熔池流动性和界 面反应。热输人小．焙池温度低，流动性差，气孔多，未熔台明显．但界面匣应程度较小。当热输人较小时．焙池流动性困隶对接头 强度的影响较大。随塌接电流升高，接头强度表现出升高的趋势。热精 太，熔池温度高，流动性好，气孔、未熔合辞缺陷较步，但 界面反应剧烈。当热输入增大到一定程度时。继续增大热辅人对接头带来有害影响，此时随焊接电流增大．界面反应加剧，生成大 量有害相A h 巳，降低接头强度。 美键词复合材科；S i c D ／1 0 1 ；T I G 焊；仙岛 中圈分类号T G l 4 6 ．2 I ；T G l l 3 ．1 2 ；T G I l 32 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 0 3 0 3 0 0 0 1 0 4 目前对铝基复合材料的焊接性研究多集中在扩 散焊，钎焊等固相焊上，这是由铝基复合材料的特性 决定的，因为增强相的加入使得铝基复合材料的熔 化焊存在很大困难，如熔池黏度高，易产生气孔和未 熔合现象，增强相与基体间易发生界面反应生成有 害相等。但是，熔化焊特别是T I G 焊，是工程应用 最为普遍的焊接方法，具有操作灵活，效率高，成本 低，对试件的形状和尺寸适应性强等优点，因此，尽 管研究铝基复合材料的T I G 焊困难很大，但具有十 分重要的意义。 1实验方法 试验所用材料为搅拌铸造法制备的微米级颗粒 增强铝基复合材料S i C p ／1 0 1 A I ，增强颗粒平均粒径 为1 2 p i i l ，增强相体积分数为2 0 ％，拉伸强度为 1 7 0 M P a ，显微组织如图l 所示。 焊接材料线切割加工成9 0 r a m 5 0 r a m 3 m m 的试件，用1 2 0 砂纸打磨去除加工淬硬层，然后用 丙酮清洗。接头力学性能测试在美国I n s t r o n 公司 生产的电子万能试验机上进行，拉伸速度为1 t o n i ／ r a i n 。采用日本产的O L Y M P U S - P M G 3 万能金相显 微镜观察接头的宏观形貌。对焊缝微观组织的观察 采用日本日立公司生产的S 一5 7 0 线性扫描电子显 微镜，仪器二次电子分辨率3 ．5 r i m ，放大倍数2 0 ～ 2 0 0 0 0 倍。 收稿日期2 0 0 2 一u l l 作者简介冀国娟 1 9 7 5 一 ．女，内蒙古赤峰市人．助理工程师，硕士 图lS i C p ／1 0 1 显微组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fS i C p ／1 0 1 由图1 可见，由于制备方法的原因，增强颗粒在 基体中分布不均，存在偏聚现象及一定的铸造缺陷， 这是母材强度较低的原因。S i C p 的物理性能及基 体i 0 1 铝合金的化学成分分别见表i 和表2 。 表1S i C p 的物理性能 T a h t el P l x y s i c dp r o p e r t i e sd s i C D 弹性模，密‰热鉴要散 导热W ．m 率／- L 泊橙比 婴／，．I ／G P a g ’一。 ／K 。、K 一1 ⋯“。铃 4 2 0 - - 4 5 03 ．2 4 ．3 1 0 ～ 6 501 78 4 0 表2 基体1 0 1 铝台金的化学成分／％ 坐生 竺 坠竺墨竺堕竺堕 型 苎 堕坌些堡望塑里 垒垦生型 舍量6 7 i0 。．3 5 - - ≤o Ⅲ≤0 ，2 ≤0 1 3 5 卿．“锄t ≤0 ．2 剐 万方数据 2 有色金属 第5 5 卷 2 试验结果及分析 度低盏誓誉；套怨显微T 镜I G 墨嚣耄篆喜薯霁嘉冀 采用交流T I G 焊方法进行直接对焊试验，得到复合材料的T I G 焊接头组织。 图2 所示的接头强度与焊接电流之间的关系曲线。 图4 为接头宏观照片。由图4 可知，接头区域 当焊接电流低于1 2 0 A 时，试件不能熔透，超过 组织不致密，存在微小孔洞，同时在对接处存在明显 1 7 0 A 时，试件变形严重，因此图中焊接电流取在 未熔合现象。这是因为S i C p 熔点高，在熔池中不熔 1 2 0 - - 1 7 0 A 。由图2 可知，在熔透的情况下，接头强化，使得熔池中出现液固相共存状态，熔池黏度增 度整体上不高。开始随焊接电流增加，接头强度增 大，流动性差，焊缝成型差，因而接头强度普遍较低。 大，在焊接电流为1 6 0 A 时，接头强度达到最大值 1 0 6 M P a ，为母材强度的6 2 ％，此后随着焊接电流的 继续增大，接头变形严重，强度开始降低。进行拉伸 试验时，试件均断在焊缝处。 图2 接头强度与焊接电流的关系 F i g ．2R d a 6 0 m h i po fj o i n tn f e n 舒h a n dw e l d i n gc u r r e n t 图3 为直接T l G 焊时典型拉伸断口形貌照片， 可以看出，断口中存在一些撕裂棱，表现出一些韧性 特征。但是，由于熔池流动性差，使得焊缝中存在大 量的微观孔洞，在拉伸断口中表现的很明显。同时， 断日表面可以观察到很多裸露的颗粒以及颗粒被拔 出后留下的空穴，这表明增强颗粒与基体未实现良 好的结合，这些都是接头强度低的原因。 圈3T I G 焊典型拉伸断口形貌 F i g ．3 F r a c t u r eo fT I Gw e l d i n gj o i n t 图4T I G 焊接头宏观照片 F i g4M a c r o g r a p h0 fT I Gw d d i n gj o i n t 同时，S i C p ／A 1 复合材料熔化焊的一个主要问 题，是焊缝中易发生有害界面反应，生成脆性不稳定 的A k C ，相，这种针状的A h C 3 易于水解，严重劣化 焊缝的机械性能。界面反应式为 S i C s m L 一A h q f s l S i s 该反应初始温度为8 0 0 ℃，随温度的升高，反应 加剧。反应进行的程度与熔池中硅的活度有关，硅 活度越大，抑制界面反应的作用越明显。图5 为不 同硅活度下熔池中反应自由能与温度的关系曲 线[ 1 』。图5 表明，反应自由能随温度升高而降低，在 相同温度下，随硅活度增加明显升高，降低温度和提 高熔池中硅活度可抑制界面反应。 3 5 1 。f 8 4 4 1a 2 “k 8 3 S i ” 一 蕊 图5 不同硅活度值下熔池中反应 自由能与温度的关系⋯ F i g5R e l a t i o r t s b 2 po ff r e ee a e r g ya u dt 口n 口e r a n l r e [ ￡{簧晕蒙鞯 啪 。 删 枷 枷 万方数据 第3 期 冀国娟等S i C p ／I O I 铝基复台材料T I G 焊研究 3 提高熔池中硅活度的主要方法之一是增加硅含 量．试验所选1 0 1 铝合金中含硅量相对来说很高，对 界面反应起到了抑制作用，因此焊缝中仍然存在一 定数量的S i C 颗粒。如图6 所示，在焊缝中心，由于 日 焊缝中心 温度较高，熔池存在时间较长，生成较多的舢。C 3 ， 其无序排列使得焊缝组织不致密。在焊缝边缘，生 成的A 1 4 岛很细小，即由焊缝中心向边缘A k 岛的 数量变少，尺寸变小。 国6T I G 焊接头典型微观组织 F i g6T y p i c a lm k F o s t r u c t u r eo fT I Gw e 【d i r l g ，o i n t b 焊缝边缘 图7 不同焊接电流下焊缝的微观组织 F i g7M i c r o s t r u c t u r eo fw e l d i n gj o i n tw i t hd i f f e r e n tw e l d i n gc u r r e n t 原因在于熔池中各点反应程度是由该点的温度 及热循环时间所决定的，由于铝基复合材料焊接熔 池为液固共存，流动性差，熔池中温度呈梯形分布。 焊缝中心温度很高且熔池存在时间长，因此反应剧 烈，而焊缝边缘温度相对较低，熔池存在时间短，反 应明显减弱。 圈7 为不同焊接电流时焊缝微观组织照片。在 焊接电流较低时 1 5 0 A ，焊缝中S i C 颗粒虽然烧 损，但由于热输入较低，仍存在一定数量的S i C 颗 粒，且生成的A k G 细而短，平均长度为3 0 ～4 0 9 m 。 而在图7 b 中，由于焊接电流较大 1 7 0 A ，热输入 较高，焊缝中的增强颗粒几乎完全烧损，生成粗大的 反应产物，平均长度达7 0 ～8 0 t m ，粗大的A k G 颗 粒在拉伸时往往成为微裂纹源，降低接头强度。 3 结论 研究表明，影响接头强度的主要因素是焊接热 输入。热输人影响熔池流动性和界面反应。熔池温 度高，流动性好，气孔未熔舍等缺陷较少，但界面反 应剧烈。熔池温度低，流动性差，气孔多，未熔合明 显，但界面反应程度较小。当热输人较小时，熔池流 动性因素对焊缝强度的影响较大，随焊接电流升高， 接头强度表现出升高的趋势。当热输入增大到一定 程度时，继续增大热输入对焊缝带来有害影响，此时 随焊接电流增大即焊接热输人的增加，界面反应加 剧，生成大量有害相，降低接头强度。 万方数据 4 有色金属 第5 5 卷 参考文献 [ 1 ] I s e t dT ．K a m e d a T ，M a r u y a m aTI n t e r r a c i a lr e a c t i o nb e t w e e nS i C a n da l u m i n u md u r i n g j o i n i n g 【J ] J o u r n a lo f M a t e r i a l sS c i e n c e ，1 9 8 4 1 9 1 6 9 2 T I GW e l d i n gf o rS i C p ／1 0 1A l u m i n u mM a t r i xC o m p o s i t e 2 ／G u o j u a n l ，X I EJ i a n g a n 9 1 ，X U EW e n t a 0 1 ，N I U J i t a i 2 1B e i j i n g G e r m l R e s e a r c h I n s t i t u t eo f M i n i n ga n d M e t a l l u r g y ，B e l j i n 9 1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2H a r b i nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，H a r b i n1 5 0 0 0 1 ，C h i n a A B S T R A C T T I Gw e l d i n gp r o c e s so fS i C p ／1 0 1a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t ei si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fT I Gw e l d i n gj o i n ts t r e n g t ho ft h eS i C p ／1 0 1a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t ea r e ．t h ef l u i d i t yo fm o l t e np o o la n dt h e i n t e r f a c er e a c t i o n ，w h i c hr e l a t et Ot h eh e a ti n p u t ．W h i l et h eh e a ti n p u ti sl O W ．t h e t e m p e r a t u r ea n dn u i d i t y0 ft h em o l t e np o o la r el o w ，a n dt h ep o r e sa n di n c o m p l e t ef u s i o na l - eo b v i o u s ，h u tt h ei n t e r r a c er e a c t i o ni sw e a k ．I nt h ec o n d i t i o no ft h el o wh e a ti n p u t ，t h ei n f l u e n c eo ft h ef l u i d i t yo fm o l t e np o o li s d o m i n a n t ，a n dt h ej o i n ts t r e n g t hi si nt h et r e n d so fi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fw e l d i n gc u r r e n t ．W h i l et h eh e a t i n p u ti sh i g b ，t h et e m p e r a t u r ea n df l u i d i t yo ft h em o l t e np o o la r eh i g h ，a n dt h ep o r e sa n di n c o m p l e t ef u s i o na y e r e d u c e d ，b u tt h e i n t e r f a c er e a c t i o ni ss t r o n g I ft h eh e a ti n p u ti sg r e a te n o u g h ，m u c hh a r m f u lp h a s eA h qi s f o r m e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e a ti n p u t ，∞t h es t r e n g t ho ft h eT I Gw e l d i n gj o I n t 诗d e c r e a s e d ． K E YW O R D S c o m p o s i t e ；S i C p ／1 0 1 ；T I Gw e l d i n g ；A k c 3 露天采矿技术杂志征订、征稿启事 露天采矿技术物。本刊是中国期刊网、中国学术期刊 光盘版 、万方数据～数字化期刊群、中文科 技期刊数据库全文收录期刊，中国学术期刊综合评价数据库来源期刊。主要报道国内外露天矿山行业在科 研、设计、生产、管理、信息等方面的先进技术及经验。 本刊设有经济与管理、采矿工程、选矿工程、边坡工程、爆破工程、防排水工程、地质与测量、机电与自动 化、安全与环保、计算机应用等栏目。 读者对象为煤炭、冶金、有色、化工和建材等行业的露天矿山及露天矿山设备生产厂家的各级领导、科研 与设计人员、工程技术人员及大专院校师生。 本刊热诚欢迎科研、设计、生产、管理等方面的专家、学者和广大工程技术人员在本刊发表有关国内外露 天矿山方面的最新科技动态、生产实践等方面的学术论文和先进经验以及研究成果和考察报告等。 本刊为双月刊，大1 6 开4 8 页，刊号为I S S N l 6 7 1 9 8 1 6 ，C N2 1 1 4 7 7 ／T D 。每期定价7 ．0 0 元，全年价 4 2 元。 通讯地址1 1 3 0 0 1 辽宁省抚顺市望花区丹东路西段1 0 号 露天采矿技术编辑部 电话 0 4 1 3 6 8 8 3 2 8 5传真 0 4 1 3 6 8 8 3 2 8 5 电子邮件l t c m i s 1 6 3 ．c o r n 网址h t t p ／／L T C Mc h i n a i o u m a ln e tc n 万方数据