摘要：將激光焊接技術用於(yu) 碳化矽顆粒增強鋁基複合 材料的焊接。激光能量誘發複合材料和反應添加物鈦之間的相互作用產(chan) 物形成了複合材料的焊接接頭。在一定的焊接條件下該反應產(chan) 物能夠完全阻止有害碳化鋁相在 焊接區的形成。給出了金屬基複合材料激光誘發反應焊的試驗結果，並從(cong) 理論上對激光誘發反應焊接機理進行了探討。  

用常規的熔化焊焊接金屬基複合材料時，由於(yu) 複合材料的增強體(ti) 與(yu) 熔化的基體(ti) 金屬接觸時間過長，易加速增強體(ti) 與(yu) 基體(ti) 之間的化學反應，常常導致兩(liang) 者 間的嚴(yan) 重擴散以及增強體(ti) 的分解，甚至完全破壞。此外，焊接區常出現較大的氣孔，使接頭強度有所下降。因此，這些焊接方法不宜用於(yu) 結構的焊接。其他連接技術 如擴散焊、摩擦焊、電子束焊和電阻焊等［1］，盡管已被證明是有效的連接方法，但由於(yu) 這些方法或需要複雜的專(zhuan) 用設備、或要求特殊的接頭形式、或對焊件結構 要求高等原因，在實際應用中受到很多限製。機械連接常常也是一種有效的方法，然而這種連接因韌性差並易形成應力集中可能導致災難性破壞。  

盡管激光焊接具有總的熱輸入低、能量密度高、焊接速度高、變形小和熱影響區小等許多優(you) 點，但當被用於(yu) SiC增強鋁基複合材料的焊接時，仍存在 著強烈的界麵反應，形成Al4C3脆性相而使接頭性能變差的問題。為(wei) 了解決(jue) 這一難題，國內(nei) 外目前主要采用改變激光參數來減緩界麵反應［2,3］，或是選用 基體(ti) 含Si量高（如A356，6061）的鋁基複合材料來抑製界麵反應［4］，然而這兩(liang) 種方法並不能完全消除增強體(ti) （SiC）與(yu) 基體(ti) 金屬（Al）間的有害 反應產(chan) 物Al4C3。  

1試驗條件及方法  

試驗用的材料為(wei) 2124Al＋20vol%SiCp鋁基複合材料，其熱處理狀態為(wei) “固溶處理＋人工時效”，增強體(ti) SiC顆粒的平均直徑為(wei) 3μm，其金相組織如圖1所示。  

焊接用的激光器為(wei) Nd∶YAG脈衝(chong) 固體(ti) 激光器。激光參數為(wei) ：波長為(wei) 1.06μm，平均功率小於(yu) 100W，最大單脈衝(chong) 能量為(wei) 20J，脈衝(chong) 頻率為(wei) 10次／秒，脈寬為(wei) 2.5ms，發散角＜6mrad，焦點位置在試樣表麵上。  

采用的焊接方法為(wei) ：①不加填料的常規激光焊; ②激光誘發反應焊——為(wei) 了排除其他元素的加入增加反應焊接的複雜性，僅(jin) 在焊縫中加入純鈦。試件尺寸40mm×10mm×2mm。接頭形式為(wei) 對焊。  

基體(ti) 及焊縫的相結構分析是在日本理學D／MAX-RA轉靶X射線衍射儀(yi) 上進行的，以Cu為(wei) 靶，石墨為(wei) 單色器，電壓和電流隨試樣的不同而變化。
  
    常規激光焊接頭熔化區主要由Al4C3和灰色塊狀顆粒Si組成，Al4C3呈針狀、性脆，會(hui) 降低金屬基複合材料的機械性能［5］。 Al4C3的大小和數量取決(jue) 於(yu) 激光的熱輸入，即複合材料的增強相（SiC）與(yu) 基體(ti) （2124Al）之間的反應程度直接同激光能量成比例。因此，合理地控製 激光參數就可能減少碳化鋁的生成。  

添加鈦元素的激光誘發反應焊焊縫中的SiC顆粒雖然全部消失，但並沒有發現針狀的Al4C3相，替而代之生成的是細小的TiC顆粒，其形貌， 如圖6所示。此外，相分析表明，在常規激光焊和激光誘發反應焊的焊接接頭中還有AlCuMg和Al7Cu3Mg6生成。Ti主要以TiC的形式存在於(yu) 焊縫 中，另有少量的Ti溶於(yu) Al基體(ti) 中，也可能有極少量的鈦鋁化合物存在，但在相分析中沒有發現鈦鋁化合物。

所得焊縫來看，焊縫中並不存在文獻［6］發現的 SiC顆粒重新分布區。這主要是因為(wei) 本試驗所用材料中SiC顆粒很細小，平均直徑僅(jin) 為(wei) 3μm，而文獻［6］中SiC顆粒平均直徑為(wei) 10μm。而SiC顆粒 愈小，其表麵積愈大，愈容易與(yu) 液態鋁完全發生界麵反應而消失。文獻［6］中MMCs的基體(ti) 材料為(wei) A356，其Si含量很高（約7%），有遊離的Si存在， 根據反應式（1）可知，Si可以抑製Al4C3的形成，所以，Al4C3僅(jin) 在熔化區中溫度較高的區域裏形成。而2124基體(ti) 中Si含量極低，無遊離Si存 在，所以，Al4C3的形成不會(hui) 受到抑製，Al4C3可在整個(ge) 熔化區內(nei) 形成。  

在常規激光焊和激光誘發反應焊中涉及的物相主要有Al，SiC，Ti。在高能激光的作用下，SiC熔化或熔解［2,5］能產(chan) 生C。所以，在焊接過程中可能發生的化學反應主要有：  

4Al+3SiC=Al4C3+3Si(1)  

ΔGT=-11 260＋10.83T  
Ti+SiC=TiC+Si(2)  

ΔGT=-28 500＋T  
Al4C3+3Ti=3TiC+4Al(3)  

ΔGT=-74 120－7.83T  
Ti＋C＝TiC(4)  

ΔGT=-44 100＋2.902T  
4Al＋3C＝Al4C3(5)  

ΔGT=-58 180＋9.936T  

在SiC顆粒增強2124鋁基複合材料的激光焊接中，Al4C3是通過反應式（1）形成的，由於(yu) Al4C3易與(yu) 水反應，常導致接頭變脆。相 反，如果接頭中形成了TiC，而不是Al4C3，接頭性能則可能提高，這是因為(wei) TiC的熱穩定性極高，在3343K下熔化但不分解（在這個(ge) 溫度下 Al4C3完全分解），而且它的密度和硬度均高於(yu) SiC和Al4C3。  

由反應自由焓ΔG可以知道，在焊縫中加入Ti之後，SiC與(yu) Ti的反應比與(yu) Al的反應更容易，所以，反應更易形成TiC；盡管在焊接過程中可 能有部分SiC與(yu) Al反應生成Al4C3，但是，新形成的Al4C3會(hui) 立即與(yu) Ti發生反應式（3），形成TiC。反應元素Ti用作界麵填料可以增加表麵 能，並可以通過形成穩定的TiC提高基體(ti) 材料的潤濕性能。  

總之，理論和試驗都證明，碳化矽增強鋁基複合材料的激光誘發反應焊接方法，可以完全消除Al4C3脆性相, 在熔化區形成穩定的TiC相，從(cong) 而可以提高複合材料的接頭性能。