1、第四章 复合材料的焊接第一节 金属基复合材料的焊接材料种类材料种类特性特性金属材料金属材料强度大，易腐蚀强度大，易腐蚀无机非金属材料无机非金属材料硬度大，脆性大硬度大，脆性大高分子材料高分子材料质量轻，易老化质量轻，易老化 复合材料复合材料Composite material无处不在的复合材料无处不在的复合材料土房-草增强泥基复合材料 钢筋混凝土建筑框架玻璃钢撑杆复合材料在航天领域中的应用复合材料在航天领域中的应用主货舱门主货舱门- 碳纤维碳纤维/环氧树脂环氧树脂压力容器压力容器- 凯芙拉纤维凯芙拉纤维/环氧树脂环氧树脂主机隔框和翼梁主机隔框和翼梁- 硼硼/铝复合材料铝复合材料“哥伦比亚号哥伦
2、比亚号”航天飞机航天飞机发动机的喷管发动机的喷管- 碳碳/碳复合材料碳复合材料发动机组传力架发动机组传力架- 钛基复合材料钛基复合材料机身防热瓦机身防热瓦- 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 1、复合材料基本概念、复合材料基本概念要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑，或偏重于考虑，或偏重于考虑 FL. Matthews和和DRawlings认为，复合材料认为，复合材料是两个或两个以上是两个或两个以上，并应满足下面，并应满足下面三个条件：三个
3、条件： (1) 组元含量大于组元含量大于5； (2) 复合材料的性能显著不同于各组元的性能，复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3) 通过各种方法混合而成。通过各种方法混合而成。 按按Matthews和和Rawlings给出的定义，钢铁及其合金给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如不应属于复合材料，如Co-Cr-Mo-Si合金不属于复合材合金不属于复合材料，因为这种合金经过料，因为这种合金经过过程；而仅有像过程；而仅有像SiC颗粒强化的颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合材料。合金这种混合而成的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为因此有人认为可将复合材料划分
4、为广义复合材料广义复合材料和和狭义狭义复合材料复合材料。从广义上讲，复合材料是由从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同两种或两种以上不同的组分的组分组合而成的材料。组合而成的材料。复合材料可定义为：复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是
5、出复合材料是“”和和“”材材料，而且还指明了复合材料的料，而且还指明了复合材料的及及（如简单混合物、化合物、合金）（如简单混合物、化合物、合金）。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。多相合金。 满足下列条件的材料称为满足下列条件的材料称为复合材料复合材料： （1 1）复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料；造的材料； （2 2）复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质复合材料
6、必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在；各组分之间有明显的界面存在； （3 3）复合材料保持各组分材料性能的优点，并增加单复合材料保持各组分材料性能的优点，并增加单一组成材料所不能达到的综合性能。一组成材料所不能达到的综合性能。复合材料的组成基体基体Matrix增强相增强相Reinforcement界面界面Interface 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为；而；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连另一相
7、是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为强，故常称为 ( (也称为增强材料、增强相等也称为增强材料、增强相等) )。复合材料的基体复合材料的基体 连续相连续相 起到将增强体黏结成整体，并赋予复合材料一定起到将增强体黏结成整体，并赋予复合材料一定的形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界的形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。环境侵蚀的作用。 基体主要有聚合物、金属、陶瓷、水泥基体主要有聚合物、金属、陶瓷、水泥复合材料的界面复合材料的界面是指基体与增强物之间
8、是指基体与增强物之间化学成分化学成分有显著变化的、有显著变化的、构成构成彼此结合的、能起彼此结合的、能起载荷传递作载荷传递作用用的微小的微小区域区域。1 1、外力场、外力场2 2、基体、基体3 3、基体表面区基体表面区4 4、相互渗透区相互渗透区 5 5、增强剂表面区增强剂表面区 6 6、增强剂、增强剂 复合材料的界面示意图复合材料的界面示意图界面的特点界面的特点性能和结构上不同于基体和增强材料性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度具有一定的厚度连接基体与增强体材料连接基体与增强体材料能够传递载荷能够传递载荷复合材料的性能取决于：复合材料的性能取决于： （1 1）基体和增强体的性能；基
9、体和增强体的性能； （2 2）增强体的含量、分布、形态及尺寸大小；增强体的含量、分布、形态及尺寸大小； （3 3）基体和增强体的界面结合强度。基体和增强体的界面结合强度。 以下面五点概括了以下面五点概括了：1、复合材料的、复合材料的组分和相对含量组分和相对含量是由是由人工选择和设计人工选择和设计的；的；2、复合材料是以、复合材料是以人工制造人工制造而非天然形成的（区别于具有而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；某些复合材料形态特征的天然物质）；3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有保持其固有的物理和化学性质的物理和化学性质（区
10、别于化合物和合金）；（区别于化合物和合金）；4、复合材料的、复合材料的性能性能取决于取决于各组成相性能的协同各组成相性能的协同。复合。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间、复合材料是各组分之间被明显界面区分被明显界面区分的多相材料。的多相材料。1234比强度与比强度与比模量高比模量高化学稳定性化学稳定性优良（管道）优良（管道）减摩、耐磨、减摩、耐磨、自润滑性好自润滑性好（掺入纤维）（掺入纤维）耐热性高、耐热性高、高抗冲击性高抗冲击性 、增强剂增强剂或者
11、或者基体基体是比重小的物质，或两者的比重都是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；不高，且都不是完全致密的； 、增强剂多是强度很高的纤维。、增强剂多是强度很高的纤维。（指（指强度强度与与密度密度的比值）和的比值）和是各类材是各类材料中最高的。料中最高的。例如，例如，的密度为的密度为7.8 g/cm3。复合材料的密度为复合材料的密度为1.52.0 g/cm3，只有普通碳钢的只有普通碳钢的1/41/5，比铝合金还要轻比铝合金还要轻1/左右，而左右，而却能超过普通碳钢的却能超过普通碳钢的水平。水平。 对于有对于有要求的产品，设计时可以选用耐腐要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的蚀
12、性能好的和和； 聚合物基复合材料具有优异的聚合物基复合材料具有优异的、也能也能、和和。因此它是一种优良的耐腐蚀材。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的料，用其制造的化工管道化工管道、贮罐贮罐、塔器塔器等具有较长的使用寿等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。命、极低的维修费用。 陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性。设计时可选用耐陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性。设计时可选用耐磨性好的陶瓷基体和增强材料。磨性好的陶瓷基体和增强材料。金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温但是聚合物基复合材料不
13、能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300 左左右。右。 复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据比较共同的趋势是根据来命名，通常来命名，通常有以下三种情况：有以下三种情况：2、复合材料的命名、复合材料的命名（1 1）强调基体时强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2 2）强调增强体时强调增强体时以增强体材料的名称为主。如
14、玻璃纤以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。复合材料等。（3 3）基体材料基体材料名称与名称与增强体材料增强体材料并用。这种命名方法并用。这种命名方法常用来表示某一种常用来表示某一种具体的复合材料具体的复合材料，习惯上把，习惯上把增强体材增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。例如：例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简，或简称为称为“玻璃纤维玻璃纤维/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料或或玻璃纤维玻璃纤维/环氧
15、环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢玻璃钢”。碳纤维。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也，也可写为可写为“碳金属复合材料碳金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合。碳纤维和碳构成的复合材料叫材料叫“碳碳复合材料碳碳复合材料”。复合材料表示方法复合材料表示方法1 1）增强材料）增强材料/ /基体材料。基体材料。 如如WC/CoWC/Co（读作：由碳化钨增强的钴基复合材料）；（读作：由碳化钨增强的钴基复合材料）； SiCSiC（P P）/Al/Al（读作：由碳化硅颗粒增强的铝基复合材料）；（读作：由碳化
16、硅颗粒增强的铝基复合材料）； C C（f f）/EP/EP（读作：由碳纤维增强的环氧树脂复合材料）。（读作：由碳纤维增强的环氧树脂复合材料）。2 2）英文编号的缩写。）英文编号的缩写。 如如FRPFRP：纤维增强塑料（：纤维增强塑料（Fiber Reinforced PlasticsFiber Reinforced Plastics）；）； PMCPMC：聚合物基复合材料；：聚合物基复合材料； MMCMMC：金属基复合材料；：金属基复合材料； CMCCMC：陶瓷基复合材料；：陶瓷基复合材料； FRCFRC：纤维增强复合材料；：纤维增强复合材料；按照按照基体基体分类分类按照按照增强体增强体分类分
17、类、复合材料的分类、复合材料的分类复合材料的复合材料的可表示为：可表示为：古代古代近代近代先进复合材料先进复合材料学术界开始使用学术界开始使用“复合复合材料材料”（composite materials ）一词大约一词大约是在是在20世纪世纪40年代，当年代，当时出现了时出现了玻璃纤维增强玻璃纤维增强不饱和聚酯不饱和聚酯，开辟了，开辟了的新纪元。的新纪元。天然复合材料天然复合材料20世纪世纪80年代以后，年代以后，设计设计、制造制造和和测试测试等方面的知识等方面的知识和经验的丰富，加上各类和经验的丰富，加上各类作为复合材料基体的材料作为复合材料基体的材料的使用和改进，使的使用和改进，使的发展达
18、到了更高的发展达到了更高的水平，即进入的水平，即进入的发展阶段。的发展阶段。、复合材料发展概况、复合材料发展概况人类很早就人类很早就各种天然复合材料，并各种天然复合材料，并自然自然界制作各种各样的复合材料。例如界制作各种各样的复合材料。例如 陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今； 漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年； 敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。古代古代天然复合材料天然复合材料近代近代，复合材料的发展始于，复合材料的发展始于20世纪世纪40年代，第二次世
19、界大战中，年代，第二次世界大战中，复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。算起。近现代近现代复合材料复合材料第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料；年，玻璃纤维增强塑料；第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料的发展时期年，先进复合材料的发展时期 1965年英国科学家研制出碳纤维；年英国科学家研制出碳纤维； 1971年美国杜邦公司开发出年美国杜邦公司开发出Kevler-49 （开芙拉（开芙拉-49 ）； 1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及碳纤维增强、及Kevler纤维增强环氧树脂复合纤维增强环氧树
20、脂复合材料材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。已用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：第三代：1980年到年到1990年，纤维增强金属基复合材料年，纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛以铝基复合材料的应用最为广泛第四代：第四代：1990年以后，年以后，主要发展多功能复合材料，如机敏（智能）复合材料主要发展多功能复合材料，如机敏（智能）复合材料和梯度功能材料和梯度功能材料 纵观复合材料的发展过程，可以看到：纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为量大，使用面广，可称之为
21、。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的高的。（）玻璃钢和树脂基复合材料（）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 （）金属基复合材料（）金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 （）陶瓷基复合材料及功能复合材料等（）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决5、增强材料、增强材料 在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质均在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质均称为称为增强材料增强材料。
22、增强材料在复合材料中起增强作用，是主要的增强材料在复合材料中起增强作用，是主要的承力承力组分，组分，还能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度。还能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度。 复合材料的性能很大程度上取决于增强材料的复合材料的性能很大程度上取决于增强材料的性能性能、含含量量及及处理方法处理方法。颗粒增强型颗粒增强型非连续纤维增强型非连续纤维增强型板状板状(层片状层片状)增强型增强型连续纤维增强型连续纤维增强型 将熔化的玻璃以极快的速度抽拉将熔化的玻璃以极快的速度抽拉成细微的丝，即成为玻璃纤维。成细微的丝，即成为玻璃纤维。 细度在细度在3.821.6m, 脆性与直径脆性与直径的四次
23、方成正比。的四次方成正比。玻璃纤维的特点：玻璃纤维的特点：l 质地柔软，可以织成质地柔软，可以织成玻璃布，玻玻璃布，玻璃带璃带。l 玻璃纤维增强复合材料的机械强玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性能、电性能及化学性度、物理性能、电性能及化学性能与能与玻璃的成分玻璃的成分，直径直径，细度细度有有直接关系。直接关系。 碳纤维特点碳纤维特点 将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在9090以上的纤维。以上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。为硼纤维的十分之一。 制备方法制备方法
24、原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨化烧结等原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨化烧结等工艺过程。工艺过程。 航空航天领域中，为获航空航天领域中，为获得得高比强度和高比弹性高比强度和高比弹性模量模量，开发新型增强纤，开发新型增强纤维维-硼纤维。硼纤维。 硼的熔点在硼的熔点在20002000以上，以上，硬度仅次于金刚石。硬度仅次于金刚石。纤维类型纤维类型拉伸强度拉伸强度弹性模量弹性模量比重比重硼纤维硼纤维3.6GPa3.6GPa400GPa400GPa2.572.57碳纤维碳纤维3.53GPa3.53GPa370GPa370GPa3 3 晶须晶须：截面积小于：截面积小于5.25.21
25、010-4-42 2，长径比在，长径比在101010001000单单晶体晶体。 晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整晶体材料的理论值，是目前发现的固体的整晶体材料的理论值，是目前发现的固体的最强形式最强形式。 是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶液、熔液、固体中生成并生长，也可以通过气相反应来液、熔液、固体中生成并生长，也可以通过气相反应来制取。制取。1、金属基复合材料 是以金属及其合金为基体，与是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。其增
26、一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。其增强材料主要为无机非金属，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。强材料主要为无机非金属，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金属基复合材料制备过程是在高温下进行的，有的还在金属基复合材料制备过程是在高温下进行的，有的还在高温下工作较长时间，因此界面的结合强度起到重要作用。高温下工作较长时间，因此界面的结合强度起到重要作用。为什么会产生金属基复合材料？为什么会产生金属基复合材料？对材料的强韧性，导电、导热性、耐高温性、耐磨性等性对材料的强韧性，导电、导热性、耐高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求能都提出了越来越高的要求 要求材料具有更高的比强度和比模量要求材料
27、具有更高的比强度和比模量(刚度刚度) 纤维增强聚合物基复合材料不能在纤维增强聚合物基复合材料不能在300以上温度下工作以上温度下工作 聚合物基复合材料耐磨性差，不导电，不导热，在使用期聚合物基复合材料耐磨性差，不导电，不导热，在使用期间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。（1）铝基复合材料的性能和应用纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能好等一系列优异性能 ，目前主要用于航天领域，作为航天飞，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。机、人造卫星、空间站等的结构
28、材料。 （2）镁基复合材料的性能和应用镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，但镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，但由于价格昂贵目前只用于航空航天部门。由于价格昂贵目前只用于航空航天部门。 含硼纤维含硼纤维4045的硼的硼/镁复合材料的拉伸强度为镁复合材料的拉伸强度为11001200MPa，弹性，弹性模量模量220GPa，断裂伸长，断裂伸长0.5，泊松比，泊松比0.25。 加入少量的加入少量的SiC或或Al2O3颗粒在镁或镁合金中，明显提高其耐磨性颗粒在镁或镁合金中，明显提高其耐磨性 ，可，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零部件用于制造油泵
29、的泵壳体、止推板、安全阀等零部件 。 石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比模量、最好的抗石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比模量、最好的抗热变形阻力，成为理想的航天结构材料，已被用于制造卫星的热变形阻力，成为理想的航天结构材料，已被用于制造卫星的10m直径直径的抛物面天线及其支架的抛物面天线及其支架 。 具有零膨胀系数的石墨具有零膨胀系数的石墨/镁复合材料可用于航天飞机的大面积蜂窝结构镁复合材料可用于航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮材料。蒙皮材料。2、金属基复合材料的焊接性 基体：基体：金属金属(塑性、韧性好塑性、韧性好) 焊接性较好焊接性较好 增强相：增强相：非金属非金属
30、(高强度、高熔点、低线胀系数高强度、高熔点、低线胀系数) 焊接性较差焊接性较差 金属基复合材料焊接的关键：金属基复合材料焊接的关键：非金属增强相与金属基体以及非非金属增强相与金属基体以及非金属增强相之间的结合问题金属增强相之间的结合问题基体与增强相热力学不稳定基体与增强相热力学不稳定易发生化学反应易发生化学反应脆性相生产脆性相生产内因：二者的化学相容性内因：二者的化学相容性外因：温度外因：温度 例如：例如：Bf/Al复合材料复合材料 430左右，左右，B+AlAlB2 脆性脆性，导致界面强度下降，导致界面强度下降 例如：例如：Cf/Al复合材料复合材料 580左右，左右，C+AlAl4C3 脆
31、性脆性，导致界面强度下降，导致界面强度下降 例如：例如：SiCf/Al复合材料复合材料 SiC+AlAl4C3+Si Al4C3+H2OC2H2+Al(OH)3 导致低应力腐蚀开裂导致低应力腐蚀开裂 综上，界面反应降低连接质量，要避免和抑制连接时基体和综上，界面反应降低连接质量，要避免和抑制连接时基体和增强相之间的反应。增强相之间的反应。加入活性比基体金属更强的元素加入活性比基体金属更强的元素(目的：代替基体与增强相发目的：代替基体与增强相发生反应生反应) 例如：例如： SiCf/Al复合材料，加入复合材料，加入Ti元素元素 原来：原来：SiC+AlAl4C3+Si 加入加入Ti后：后：SiC
32、(固固)+Ti+Al(液液)TiC(固固)+Si+(Ti3Al+TiAl) TiC作为强化相存在；作为强化相存在；Si增加使反应向逆方向进行增加使反应向逆方向进行瞬时液相扩散焊时，选用能与基体生成低熔点共晶或熔点低瞬时液相扩散焊时，选用能与基体生成低熔点共晶或熔点低于基体金属的合金作为中间层。于基体金属的合金作为中间层。 控制加热温度和焊接时间控制加热温度和焊接时间 例如：降低热输入例如：降低热输入 固态焊固态焊 采用非活性的材料作为增强相采用非活性的材料作为增强相 例如：用例如：用Al2O3、B4C取代取代SiC增强增强Al基复合材料基复合材料物理相容性：基体与增强相熔点相差大物理相容性：基
33、体与增强相熔点相差大大量未熔增强相大量未熔增强相熔池流动性变差熔池流动性变差气孔、未焊透、未熔合缺陷产生气孔、未焊透、未熔合缺陷产生未熔质点偏聚，性能恶化未熔质点偏聚，性能恶化金属基体熔化：熔焊机制金属基体熔化：熔焊机制金属基体与增强相：钎焊机制金属基体与增强相：钎焊机制要求良好的要求良好的润湿性解决措施解决措施l 采用流动性好的填充金属，例如：高采用流动性好的填充金属，例如：高Si焊丝焊丝l 采取相应的工艺措施减少复合材料的熔化，如加大坡口和采采取相应的工艺措施减少复合材料的熔化，如加大坡口和采用热输入小的用热输入小的TIG焊焊 基体与增强相线胀系数相差大基体与增强相线胀系数相差大较大的内应
34、力较大的内应力 焊缝中增强相体积分数小且不连续焊缝中增强相体积分数小且不连续焊缝与母材线胀系数相焊缝与母材线胀系数相差大差大较大的内应力较大的内应力 电弧焊时，电弧力电弧焊时，电弧力纤维偏移、断裂纤维偏移、断裂 扩散焊时，压力过大扩散焊时，压力过大增强纤维挤压破坏增强纤维挤压破坏 对接接头，纤维无法对接对接接头，纤维无法对接 对于连续纤维增强金属基复合材料，由于在纤维方向上具有对于连续纤维增强金属基复合材料，由于在纤维方向上具有很高的强度和模量，保证纤维的连续性是提高纤维增强金属很高的强度和模量，保证纤维的连续性是提高纤维增强金属基复合材料焊接接头性能的重要措施，故必须基复合材料焊接接头性能的
35、重要措施，故必须合理设计接头形式。 熔池粘度大熔池粘度大气孔难以逸出气孔难以逸出存在气孔存在气孔 措施：措施：焊前母材和填充材料真空去氢处理焊前母材和填充材料真空去氢处理 熔池流动性差熔池流动性差颗粒增强相的偏聚颗粒增强相的偏聚结晶最后阶段液态金结晶最后阶段液态金属的增强相含量较大属的增强相含量较大结晶裂纹结晶裂纹 冷却速度快冷却速度快增强相被液增强相被液/固界面推移固界面推移偏聚偏聚3、各种连接工艺对金属基复合材料的适应性分析 固态焊和钎焊明显优于熔焊。固态焊和钎焊明显优于熔焊。 首先，这些方法避免了复合材料的熔化。首先，这些方法避免了复合材料的熔化。 其次，可将连接温度控制在基体与增强相不
36、发生反应的其次，可将连接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内。范围内。 这些方法的共同缺点是接头形式的局限性较大；且工艺这些方法的共同缺点是接头形式的局限性较大；且工艺复杂，生产率低，尤其是扩散焊。复杂，生产率低，尤其是扩散焊。 对于固态焊中的摩擦焊来说，界面温度虽很高，但时间短，所以对于固态焊中的摩擦焊来说，界面温度虽很高，但时间短，所以对接头性能不会有显著影响。但它不适用于连接纤维增强的复合对接头性能不会有显著影响。但它不适用于连接纤维增强的复合材料，因为摩擦焊时需施加很大的压力，而使纤维受损。这一现材料，因为摩擦焊时需施加很大的压力，而使纤维受损。这一现象在电阻焊时同样存在。象在电阻
37、焊时同样存在。 采用软钎焊可使温度降得很低，但接头强度也很低。采用软钎焊可使温度降得很低，但接头强度也很低。 用熔焊连接金属基复合材料时，虽存在很多问题，但由于其高效、用熔焊连接金属基复合材料时，虽存在很多问题，但由于其高效、简便而具有很大的吸引力。如连接简便而具有很大的吸引力。如连接Al2O3颗粒增强铝基复合材料的颗粒增强铝基复合材料的自行车架。从尽量减小熔化区和热影响区出发，似乎高能束激光自行车架。从尽量减小熔化区和热影响区出发，似乎高能束激光焊对连接复合材料有利。但由于其能量密度高，熔池局部温度很焊对连接复合材料有利。但由于其能量密度高，熔池局部温度很高，并由于增强相对激光束的吸收率高而
38、导致增强相过热，甚至高，并由于增强相对激光束的吸收率高而导致增强相过热，甚至熔化，而使反应更为激烈。采用脉冲激光焊和控制激光束位置等熔化，而使反应更为激烈。采用脉冲激光焊和控制激光束位置等措施后可有所改善，但并不能完全抑制反应的产生。措施后可有所改善，但并不能完全抑制反应的产生。4.1 4.1 连续纤维增强连续纤维增强MMCMMC焊接中的问题焊接中的问题 界面反应界面反应 熔池的流动性差、基体金属对纤维的润湿性熔池的流动性差、基体金属对纤维的润湿性 接头残余应力大接头残余应力大 纤维的分布状态被破坏纤维的分布状态被破坏4、连续纤维增强金属基复合材料的连接4.2 4.2 连续纤维增强连续纤维增强
39、MMCMMC材料接头设计材料接头设计4.3 4.3 纤维增强纤维增强MMCMMC的焊接工艺特点的焊接工艺特点 适用于纤维增强适用于纤维增强MMC的焊接方法主要有电弧焊、激光焊、的焊接方法主要有电弧焊、激光焊、扩散连接、钎焊等。扩散连接、钎焊等。 由于摩擦焊需要在结合界面处发生较大的塑性变形，因由于摩擦焊需要在结合界面处发生较大的塑性变形，因此这种方法不适用于纤维增强此这种方法不适用于纤维增强MMC的焊接。的焊接。5.1 5.1 非连续增强非连续增强MMCMMC焊接中的问题焊接中的问题 界面反应界面反应 熔池的粘度大、流动性差熔池的粘度大、流动性差 气孔、结晶裂纹的敏感性大气孔、结晶裂纹的敏感性大 增强相的偏聚、接头区的不连续性增强相的偏聚、接头区的不连续性5、非连续纤维增强金属基复合材料的连接5.2 5.2 非连续增强非连续增强MMCMMC焊接的工艺特点焊接的工艺特点
