焊接特点分析：连续纤维增强金属基复合材料

1.2.1.1 连续纤维增强金属基复合材料的分类

连续纤维增强金属基复合材料一般根据所用的纤维及基体金属进行分类。例如，SiC纤维增强铝基（记做SiC_f/Al）、SiC纤维增强钛基（SiC_f/Ti）、硼纤维增强铝基（B_f/Al）等。所用的纤维大多数是直径几到几十微米的非晶体材料，例如，硼纤维、石墨纤维、SiC纤维、Al₂O₃纤维、B₄C纤维等；也有少量的金属纤维，例如，钨纤维、不锈钢丝等。这些纤维具有很高的强度、弹性模量和较低的密度，用于增强金属时，可以使其强度显著提高，而密度变化不大。表1-5给出了常用的增强纤维及其性能。

表1-5 常用的增强纤维及其性能

1.2.1.2 连续纤维增强金属基复合材料的性能

1.硼纤维增强铝基复合材料的性能

硼纤维是在钨丝或碳芯表面化学气相沉积一层硼元素而制成的一种高性能的增强纤维，具有很高的比强度和比模量，是最早采用的高性能纤维。由于其性能好，且单丝较粗（直径是100～140μm），因此易于制造，性能稳定。表1-6给出了硼纤维增强铝基复合材料的性能。

表1-6 硼纤维增强铝基复合材料的性能

（续）

① 纤维直径为140μm。

② 纤维直径为950μm。

2.碳（石墨）纤维增强金属基复合材料

碳（石墨）纤维密度小，具有非常优异的力学性能，是现有连续纤维增强金属基复合材料中性价比最高的一种。它可与很多金属复合成高性能的碳纤维增强金属基复合材料，其中用得最多的是碳（石墨）纤维增强铝基复合材料。表1-7给出了几种碳（石墨）纤维增强金属基复合材料的性能。

表1-7 几种碳（石墨）纤维增强金属基复合材料的性能

3.碳化硅纤维增强金属基复合材料

与碳（石墨）纤维及硼纤维相比，碳化硅纤维在较高温度下与铝仍具有较好的相容性。因此，这种纤维被广泛用作铝及其合金的增强相。碳化硅纤维分为有芯和无芯两种：有芯碳化硅纤维以钨丝或碳丝做底丝；无芯碳化硅纤维由聚碳硅烷有机物转换而得。表1-8给出了几种碳化硅纤维增强金属基复合材料的性能。

表1-8 几种碳化硅纤维增强金属基复合材料的性能

4.Al₂O₃纤维增强铝基复合材料

Al₂O₃纤维增强铝基复合材料具有高的刚度和强度，而且在氧化性气氛中稳定，能在高温下保持其高硬度、强度和耐磨性。表1-9给出了Al₂O₃纤维增强铝基复合材料的性能。

表1-9 Al₂O₃纤维增强铝基复合材料的性能

（续）

5.钢丝纤维增强铝基复合材料

由于钢的密度高，因此钢丝纤维增强铝基复合材料的比强度和比刚度不如高性能纤维增强铝基复合材料。但是这种复合材料具有成本低、工艺性能好等优点，因此是一种实用的结构材料。基体材料可用工业纯铝1100（L4），非热处理铝合金5052、5054、5056（LD2、LD3、LD6）和热处理强化铝合金6061、2024、2219、7075（LD2、LD12、LD16、LD4）及其他LD4铝合金。增强相常用耐蚀钢丝，主要为冷变形时有亚稳奥氏体，并在冷拉时发生马氏体相变的钢丝。表1-10给出了不锈钢增强铝基复合材料的性能。

表1-10 不锈钢增强铝基复合材料的性能(https://www.xing528.com)

6.碳化硅纤维增强钛基复合材料

与纤维增强铝基复合材料相比，纤维增强钛基复合材料可用于更高的工作温度下。表1-11给出了碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能。

表1-11 碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能

1.2.1.3 连续纤维增强金属基复合材料的焊接性

连续纤维增强金属基复合材料是由基体金属及增强纤维组成，这类材料的焊接不仅涉及基体金属之间的焊接，还涉及基体金属与纤维增强相之间以及纤维增强相之间的焊接。金属基体通常是一些塑性和韧性较好的金属，其焊接性一般都较好；而纤维增强相一般为高强度、高弹性模量、高熔点、低密度和低线胀系数的非金属，其焊接性一般都很差。因此，连续纤维增强金属基复合材料的焊接性也都很差。除其焊接性很差之外，焊接时还会遇到下列一些问题。

1.界面反应

由于焊接产生高温，在连续纤维增强金属基复合材料的金属基体与连续纤维增强相的接触界面上容易发生化学反应，生成对材料性能不利的脆性相。

（1）C_f/Al复合材料（f表示连续纤维增强）碳在固态和液态铝中的溶解度都很小。在800℃、1000℃、1100℃与1200℃的溶解度分别为0.10%、0.14%、0.16%与0.32%（质量分数）。C与Al在从室温到1670℃的温度范围内都能发生化学反应，生成Al₄C₃。但是两者明显发生化学反应的温度约为400～500℃。因此，在焊接温度范围内都能发生化学反应，生成Al₄C₃。

Al₄C₃为脆性针状组织，可使基体与增强纤维之间的界面强度大大下降。另外，Al₄C₃能与水反应，生成Al₂O₃放出CH₄，易使焊接接头发生低应力破坏。

（2）B_f/Al复合材料 硼在铝中的溶解度很小，最大固溶度为0.025%（质量分数），730℃与1300℃时硼在液态铝中的溶解度分别为0.09%与2.0%。在熔化焊接过程中，硼与铝发生化学反应，生成AlB₂或AlB₁₀，使基体与增强纤维之间的界面强度下降。如果与基体1100Al反应，生成AlB₂；与基体6060Al反应，则生成AlB₁₀。

（3）SiC_f/Al复合材料SiC_f/Al复合材料中的SiC与Al在固态下不会发生化学反应，但当基体铝熔化后可发生化学反应，生成Al₄C₃。

4Al+3SiC＝Al₄C₃+3Si （1-1）

（4）Al₂O_3f/Al复合材料Al₂O_3f/Al复合材料在1000℃以下时，Al对Al₂O₃的润湿性很差，虽然Al对Al₂O₃不会发生化学反应，但铝合金中的Mg却极易与Al₂O₃发生化学反应。向铝基体中添加Li（＜3%），既可抑制这种反应，又可改善Al对Al₂O₃的润湿性。

（5）钢丝增强铝基复合材料 铁在铝中的溶解度也很小，460℃以下铁在铝中不固溶，500℃、600℃、655℃时铁在铝中的溶解度分别为0.006%、0.025%、0.052%（质量分数）。

在熔化状态下，铁与铝可生成多种金属间化合物，其中，大多数在室温下是稳定的。因此，在用熔化焊焊接钢丝增强铝基复合材料时，这些金属间化合物都有可能生成。钢丝中加入C、Cr、Cu、Ni、Mo、Si等可抑制铁与铝的反应，其中，Si最有效。

（6）SiC_f/Ti复合材料 在熔化状态下，SiC与Ti可以发生化学反应，生成TiC、Ti₅ Si₃、TiSi₂及更复杂的化合物，这些化合物对焊接接头的性能是不利的。

由于在连续纤维增强金属基复合材料的焊接中发生界面反应对焊接接头的性能不利，因此防止或减轻界面反应对焊接接头的性能改善就很重要。该问题如同金属的焊接一样，可以从冶金及工艺两个方面来克服。

在冶金方面，可以加入亲力比基体金属更大或能够阻止界面反应，而又不损害基体金属性能的元素来防止或减轻界面反应。例如，在焊接SiC_f/Al复合材料时，可以加入Ti，Ti能够取代Al而与SiC发生反应。这样，不仅避免了有害化合物Al₄C₃的产生，而且形成的TiC还能起到强化的作用。此外，提高基体金属Al中的Si含量或利用Si含量高的焊接材料，还可以抵制Al与SiC发生反应。

在工艺方面，通过控制使用Si含量高的焊接材料，还可以抵制Al与SiC发生反应，通过控制加热温度和加热时间来避免或限制反应的进行。例如，采用固相焊接或低热输入的熔化焊焊接工艺来限制SiC_f/Al复合材料的界面反应。

2.熔池的流动性差

由于基体金属与纤维的熔点相差较大，采用熔化焊时基体金属熔池中存在大量的固体纤维，因而流动性差，易于形成气孔、未焊透和未熔合等缺陷，并且加重了基体金属的裂纹敏感性。

3.接头残余应力大

由于基体金属与纤维的线胀系数相差较大，在焊接的加热和冷却过程中，会发生很大的内应力，甚至于使基体金属与纤维的接合面脱开。

4.纤维的分布状态被破坏

压力焊时，如果压力过大，增强纤维将发生断裂；如果压力过小，接头接合不良。电弧焊时，在电弧力的作用下，纤维会发生偏聚或断裂。

5.接头纤维不连续

由于焊接接头纤维不可能是连续的，因此焊接接头的强度及刚度比母材低。