问题与解决：非连续增强MMC焊接中的挑战

根据非连续增强金属基复合材料的性能特点，焊接中可能会存在以下问题。

1.界面反应

大部分金属基复合材料（MMC）的基体与界面之间在高温下会发生界面反应，在界面上生成一些脆性化合物，降低复合材料的整体性能。Al₂O₃颗粒或短纤维在任何温度下均不会与Al发生反应，因此属于化学相容性较好的复合材料。固态Al中的SiC不与Al发生反应，但在液态Al中，SiC粒子与Al会发生如下反应

4Al（液）+3SiC（固）→Al₄C₃（固）+Si（固）

该反应的吉布斯由能为

DG＝11390-12.06TlnT+8.92×10^-3T²+7.53×10^-4T^-1+2.15T+3RTlnα（Si）

式中 α（Si）——Si在液态Al中的活度；

R——气体常数，R＝8.3415J/（mol·K）

上述反应不仅消耗了复合材料中的SiC增强相，而且生成的脆性相Al₄C₃使接头明显脆化。因此，防止界面反应是这类复合材料焊接中要考虑的首要问题。

防止或减弱界面反应的方法有：

1）采用Si含量较高的Al合金作基体或采用Si含量高的焊丝作填充金属，以提高熔池中的Si含量。根据反应自由能公式，Si的活度增大时，反应的驱动力（-DG）减小，界面反应减弱甚至被抑制。

2）采用低热量输入的焊接方法，严格控制焊接热输入，降低熔池的温度并缩短液态Al与SiC的接触时间。(www.xing528.com)

3）增大接头处的坡口角度（尺寸），减少从母材进入熔池中的SiC量。

4）也可采用一些特殊的填充金属，其中应含有对C的结合能力比Al强，且不生成有害碳化物的活性元素，如Ti等。当熔池中含Ti时，Ti将取代Al与SiC反应生成TiC质点，这不仅对焊接性能无害而且还能起强化相的作用。

Al₂O₃/Al、B₄C/Al等复合材料的界面较稳定，一般不易发生界面反应。

2.熔池的粘度大、流动性差

复合材料熔池中未熔化的增强相，增加了熔池的粘度，降低了熔池金属的流动性，增大了气孔、裂纹、未熔合等缺陷的敏感性。通过采用高Si焊丝或加大坡口尺寸（减少熔池中SiC或Al₂O₃增强相的含量）可改善熔池的流动性。采用高Si焊丝可改善熔池金属对SiC颗粒的润湿性；采用高Mg焊丝有利于改善熔池金属对Al₂O₃的润湿作用，并能防止颗粒集聚。

3.气孔、结晶裂纹的敏感性大

金属基复合材料，特别是用粉末冶金法制造的金属基复合材料的氢含量较高。由于熔池金属粘度大，气体难以逸出，因此气孔敏感性很高。为了避免气孔，一般焊前对材料进行真空去氢处理。

此外，焊缝与复合材料的热膨胀系数不同，焊缝中的残余应力较大，这进一步加重了结晶裂纹的敏感性。

4.增强相的偏聚、接头区的不连续性

重熔后的增强相粒子易发生偏聚，致使焊缝中的粒子分布不均匀，降低了粒子的增强效果。

目前还没有复合材料专用焊丝，电弧焊时一般根据基体金属选用焊丝，这使焊缝中增强相的含量大大下降，从而破坏了材料的连续性。即使是避免了上述几个问题，也难以实现复合材料的等强性焊接。