摘要 本文以亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料为对象，研究了直接扩散焊与采用中间层扩散焊两种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理，分析了中间层对接头强度的影响规律。结果表明，在铝基复合材料液、固温度区间，存在“临界温度区域”，在此温度区域进行直接扩散焊接时，通过液相基体金属的浸润，使得在扩散接合面中增强相—增强相接触转化为增强相—基体—增强相的有机结合，获得高质量焊接接头；进一步研究发现，在扩散接合面上采用合适的基体中间层同样可以将增强相—增强相接触转化为增强相—基体—增强相的有机结合，同时增大“临界温度区域”范围，接头性能更加稳定，接头变形量进一步减小（<2%）。
关键词 铝基复合材料、直接扩散焊、中间层扩散焊
一 序言
铝基复合材料作为一种新兴材料，由于其具有高比强度、高比模量、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好等优异的综合性能而受到人们的广泛关注并将逐步取代部分传统的金属材料而广泛应用于航空、航天、汽车制造业等领域，成为当今金属基复合材料发展与研究的主流。然而铝基复合材料的焊接性差，很难形成高强度的焊接接头，成为该种材料走向实用化的严重障碍。
本文以亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料为对象，通过系列试验研究了采用直接扩散焊与基体铝合金作为中间层的扩散焊两种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理，分析了中间层对接头性能的影响，探索实现铝基复合材料优质连接的有效工艺。
二 试验材料及方法
2.1 试验材料
采用挤压铸造法制备亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料。增强相Al2O3颗粒平均尺寸为0.4μm，体积比为30%。该复合材料在扫描电镜下的显微组织见图1，在退火状态下拉伸强度为300MPa。基体6061Al的化学成分如表1所示。选取与基体相同成份的6061Al铝箔作为中间层，其厚度介于5-30μm之间。
图1 Al2O3p/6061Al铝基复合材料显微组织
表1 6061Al的化学成分（Wt%）
 2.2 试验方法
将材料加工5mm×10mm×30mm的尺寸进行对接平焊，扩散焊过程是在10-3Torr的真空室中进行，试件采用电阻法加热，通过热电偶测量温度并使其在焊接中保持恒定，焊接过程见图2。焊后利用css-2205型电子万能实验机（拉伸强度取3个试样的平均值）测试焊接接头的力学性能。采用扫描电子显微镜JSM—5600LV分析接头微观组织及断口形貌。
图2 Al2O3p/6061Al铝基复合材料扩散焊接工艺流程图
接头变形率按下式计算：
ΔS%=（S-S0）/S0
其中：S0-焊前接头截面积 S-焊后接头截面积
三. 试验结果及其讨论
分别采用直接扩散焊与中间层扩散焊两种工艺焊接Al2O3p/6061Al铝基复合材料。试验结果如图3所示，可以看到，直接扩散焊与采用6061铝合金箔中间层扩散焊两种工艺条件下均可以获得较高的接头强度，但直接扩散接头变形量较大，介于6-12%之间，而6061铝合金箔做中间层时接头变形量小于〈2%。可见采用与铝基复合材料基体金属相同的6061Al合金做中间层时可以获得更高质量的接头。从图中还可以发现，在试验范围内，直接扩散焊时接头强度随焊接规范的提高而提高，特别是当温度超过基体材料的固相线温度（855K）时，接头强度有显著提高，焊接规范参数具有明显的门槛值，较高接头强度往往伴随着较大的接头变形量（最大可达12%），同时从图3中可以发现直接扩散焊接时铝基复合材料焊接接头性能波动较大。与直接扩散焊相比，在同一焊接规范下加入6061Al合金中间层扩散焊时接头性能稳定性、波动较小。
图3 直接扩散焊、夹层扩散焊接头强度与焊接温度关系曲线
这是由于铝基复合材料对接时，在接触面上存在以下界面结合形式：增强相-增强相（R-R）； 增强相-铝合金基体（R-M）；铝合金基体-铝合金基体（M-M）。由于基体与增强相的熔点相差很大，在试验焊接规范下，（R-R）的结合几乎没有强度[1、4]，该部位不仅仅减少了载荷的传递能力，而且还为裂纹的萌生和扩展提供了场地。因此避免（R-R）接触是提高扩散焊接头强度的关键，也是铝基复合材料扩散焊接工艺研究的中心环节。
直接扩散焊时，当焊接温度超过基体合金固相线温度时，基体原子的活性和迁移率增加，并且在材料接触面上出现基体合金液态薄膜，此液膜浸润材料连接表面，基体原子通过这个液膜加速相互扩散，此时铝合金基体塑性流动性良好，借助基体的塑性流动使得接头区域增强相颗粒重新分布，导致了铝合金基体渗入增强相之间的结合处，促使了界面上的增强体—增强体(R—R)接触改为增强体—基体(R—M)接触,由于(R—R)接触几乎无结合而(R—M)接触结合强度远远大于(R—R)接触,因此可以使接头强度大大提高。可见复合材料间直接扩散焊要得到高强度的接头，一方面需要对焊接参数控制得非常严格，另一方面不可避免地接头要产生较大的变形。这对焊后尺寸要求严格的情况是不合适的。
而对于铝合金中间层扩散焊来讲，并不是通过基体材料的塑性变形使增强相重新分布来避免（R-R）接触，而是由于铝合金中间夹层的加入，将接合面上的（R-R）接触转化为（M-M）、（R-M）接触，提高了接头的强度，故其焊接过程并不需要太大的焊接规范（压力、温度）就可以实现。
另外，为比较两种焊接工艺的区别，又进一步测试了直接扩散焊与6061Al铝合金中间层扩散焊最佳焊接规范区域如图4所示，可见由于加入了Al合金中间层使得该复合材料接头最佳焊接规范区域明显增大，接头变形显著减小。
图4 两种焊接工艺最佳焊接规范示意图
图5为在图3所示试验工艺中当焊接温度Tw为853k时直接扩散焊、中间层扩散焊的断口形貌照片,直接扩散焊断口呈现出A、B两区图6（a），断口分析表明：A区断口呈韧窝状，断口呈明显的韧性断裂特征，为焊合区，B区为脆性断口，断口表面上覆盖一层氧化膜，为焊接不良区，A区面积大小决定着接头强度的高低。与直接扩散焊接头断口相比，Al合金中间层扩散焊接头整个断口均呈韧性断裂图6（b），对其表面进行能谱分析，证实断口表面均覆盖一层铝合金，表明了中间层与增强相较好的结合，接头断裂是发生在中间层Al合金中。
（a）—无中间层 （b）—Al合金中间层
图5 采用直接扩散焊、中间层扩散焊焊接铝基复合材料的断口形貌照片
下面进一步研究铝合金夹层厚度对接头强度的影响规律。图6为铝合金厚度与接头强度的关系曲线。可见中间层的厚度对接头的强度有很大的影响，当中间层厚度超过10μm时，接头强度开始明显下降。这是由于中间层过厚使得接头出现无增强相区域，导致接头强度下降，断裂首先从该区域发生，图7为该工艺条件下不同铝合金中间层厚度的接头组织SEM照片。在6061Al合金中间层为5μm时，焊接接头中观察不到明显的无增强相区域存在；而中间层为50μm时，焊接接头中观察到明显的无增强相区域（中间层区域），该区域存在将降低焊接接头性能。
图6 铝合金中间层厚度对接头强度的影响
（a）—5μm （b）—50μm
图7 铝合金中间层焊接区SEM组织照片
3 结论
通过对采用直接扩散焊与基体铝合金作为中间层的扩散焊焊接铝基复合材料的工艺研究，可得出以下结论：
1.采用直接扩散焊时，接头强度的提高是通过基体合金塑性流动，改善增强相分布，避免了(R—R)接触而实现的。为了获得高强度接头，一方面需要对焊接参数控制得非常严格，另一方面不可避免地使接头产生较大的变形。在本试验条件下，直接扩散焊接头强度可达203MPa，接头变形量为6-12%。
2.采用铝合金夹层扩散焊时，通过铝合金中间夹层的加入，将接合面上的（R-R）接触转化为（M-M）、（R-M）接触，提高了接头的强度。夹层的厚度超过一定的数值时，将使接头接合界面出现无增强相区，引起接头强度的下降。在本试验条件下，铝合金夹层扩散焊接头强度可达200MPa，接头变形量〈2%。
3.采用直接扩散焊的工艺时，需要对焊接参数控制得非常严格，与之相比，采用铝合金中间层扩散焊时最佳焊接参数变化区域大大增加。
参考文献
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2. 圆城敏男等，アルミニ短纤维强化A6063アルミニウム合金の扩散结合，溶接学会论文集，5-3（1987），317
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4. 3.广濑明夫，金属基复合材料接合. 熔接学会志，1996，65（4）：6(end)
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