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1 前言
铝基复合材料（简称SiCp/Al）因其制造工艺简单、成本低，适于批量生产，且可用常规金属加工方法——铸造、挤压、轧制、焊接等制造各种形状的零件和型材。铝基复合材料凭借其优良的性能及各方面的优势，在航天领域和武器装备领域表现出重大潜在的使用价值，逐渐成为各国发展战略的主要研究方向。但是，铝基复合材料欲在航天、武器装备及民品上进一步推广应用，就必须解决其二次加工技术问题，特别是一些复杂构件的焊接技术远远落后于其它技术的研究，成为该种材料走向实用化的瓶颈，因此深入研究铝基复合材料焊接中的科学问题是非常必要的，本文提供了一种新的焊接方法——非真空下半固态搅拌钎焊。
2 颗粒增强铝基复合材料焊接研究现状
铝基复合材料的焊接研究之所以远远落后于其它二次加工技术是因为铝及铝合金表面稳定的氧化膜和材料的特殊结构特点导致其焊接性很差，增强相与基体在物理和化学性质方面的差异是焊接的主要难点。目前，美国、俄罗斯、英国等西方工业发达国家在铝基复合材料焊接方面开展了大量的研究工作，但也仅限于连续长纤维增强铝基复合材料的焊接得到了应用，而国内外颗粒增强铝基复合材料的焊接还仅是在实验室里进行研究，如电弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊、瞬时液相焊等，其中钎焊和瞬时液相焊由于可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内，避免了熔化焊高温带来的增强相烧损和界面反应的问题，被认为较适于该种材料的焊接的方法，近几年国内外关于这方面研究的报道也最多。
但是， 在上述的连接工艺过程中，为了使得复合材料的基体与基体或填充材料与基体形成冶金连接，焊前必须清理焊件表面氧化膜，焊接过程必须在真空环境下进行，而且依靠压力变形破碎表面新生氧化膜。从实际应用角度来看，焊接效率低，对于工程上采用的尺寸稍大一点或壁薄的构件来说，在真空条件下实现起来几乎是不可能的，因此研究探索在非真空环境下能够进行连接技术是该类材料工程实际应用的一条可行之路。另外，在常规的过渡液相连接和反应钎焊过程中，等温凝固过程和自由状态下的结晶过程往往造成焊缝中增强体的推移，最后导致接头中出现增强相偏聚区及无增强相区，严重影响了接头的力学性能。国内外许多学者试图通过选择较薄的中间箔层来控制焊接过程中生成的液相共晶层厚度的方法来改善偏聚，其难点是焊接过程对中间层厚度及待焊表面粗糙度要求较高；也有人采用增加增强体颗粒尺寸的方法，减小颗粒偏聚的程度，但从复合材料性能来看，一般都追求微米、亚微米甚至是纳米级的颗粒作为增强体制备复合材料，这两方面的要求是相互矛盾的，同样也不可行。总之，在铝基复合材料的各种焊接方法中，都存在着一定的困难，下面将做分别论述。
2.1 熔化焊
焊接A1.MMCS的熔化焊分为TIG焊（钨极惰性气体保护电弧焊）、MIG焊（熔化极惰性气体保护电弧焊）和高能束焊。TIG、MIG作为应用范围广、使用成本低的理想焊接方法应用于铝合金焊接，取得了令人满意的焊接质量，但应用于铝基复合材料的焊接结果却很不理想，主要问题在于：熔池温度难以控制；基体一增强相之间反映生成脆性相。高能束流具有高单色性、高方向性和高能量密度等优点，因此，从尽量减小熔化区和热影响区出发，似乎高能束激光焊对铝基复合材料连接更有利，但由于其能量密度很高.并且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，使反应更加剧烈。采用激光焊接并附以合适的填充材料等措施后可有所改善，但其又不能克服过量的界面反应问题。近年来的研究结果表明，采用通常的熔化焊方法连接铝基复合材料存在的主要问题：高漏焊接熔池中增强相与基体铝合盒易发生反应生成脆性化合物：熔池粘度高、流动性若增加了对气孔、未熔合等缺陷的敏感性；焊接熔池凝固时增强相偏析影响接头性能；高温下材料（尤其足粉末冶金法制备的铝基复合材料）吸留气体折出，造成焊接热影响区裂纹或焊缝气孔等。
2.2 固相焊
与熔焊相比，固相连接不存在基体金属与颗粒增强相之间的界面反应，避免了脆性相的生成，因此是铝基复合材料最理想的连接方法。多年来，国内外在此方面开展了大量的研究工作，比较集中的是扩散连接和摩擦焊接。扩散连接主要包括固相扩散连接和瞬间液相扩敝连接。直接固相扩散连接面临的主要问题是铝基体表面致密的氧化膜影响扩散，增强相的存在也加大了扩散连接的难度。原因是在复合材料表面有一层致密的氧化膜，用机械或化学方法清理后，它又立刻生成，即使在高真空条件下，这层氧化膜也难于分解，影响原子扩散；另外在接触而上存在增强相颗粒直接接触的现象.在扩散焊条件下，很难实现增强相之间的扩散连接。该部位不仅降低了载荷的传递能力，而且还为裂纹的萌生和扩展提供机遇，成为接头强度不商的主要隐患。加中问层的固相扩散连接，是通过活性中间层的化学机制破除氧化膜，可改善接头的性能，但目前尚不够成熟。瞬间液相扩散焊连接利用中间层形成瞬间液相通过等温凝固和均匀化实现连接，是一种被普遍看好的铝基复合材料的连接方法。目前铝基复合材料采用的中间层主要为cu和Ag，Ag、Cu都能和Al形成共晶，共晶温度分别是566℃和548℃，A12Ag、Al2Cu台金会形成脆性金属间化合物。目前，铝基复合材料TLP（液相瞬间扩散焊）连接所面临的主要问题是合适的中间层及其厚度、合理的工艺参数的选择。
2.3 钎焊
钎焊加热温度低，不涉及基体金属的熔化，可减轻基体与增强相界面反应，降低增强体的破坏程度，显著减少热变形，是一种有重要应用前景的焊接方法。对于连续纤维增强的铝基复合材料实际上将复合材料的焊接转化为基体材料焊接问题，比较容易实现。而非连续增强铝基复合材料钎焊难度较大，主要原因如下：
（1） 增强相的存在，严重阻碍了钎料在母材表面的润湿与铺展，使得基体与基体、基体与增强相、增强相与增强相之间的连接难以实现；
（2） 铝合金本身钎焊性不良，铝基复合材料采用的铝合金基体中，除LD2的软、硬钎焊性良好外，其他铝合金的软、硬钎焊性均较差； （3） 钎焊温度必须严格控制，低于最佳温度值，接头剪切强度低。高于该温度，则发生界面反应，损伤时效硬化基体的性能；
（4） 氧化膜是钎焊 SiCP 增强的铝基复合材料的一大障碍。焊前的氧化膜去除，以及焊接过程中去膜保护对于成功地连接铝基复合材料起到非常关键的作用。
2.4 其他焊接方法
电阻焊由于加热时问短，能抑制增强相与基体间的界面反应，并在压力作用下接头区不易产生气孔、疏松、裂纹等缺陷，所以有不少关于采用电阻焊成功焊接铝基复合材料的报道。普遍认为这种工艺的关键是控制焊接热输入和焊接压力，焊接热输入过大使得熔化的基体金属发生飞溅，在接合界面上露出增强相纤维，降低材料的焊接性能；过大的压力使得接头区发生明显变形并破坏增强相纤维；压力过小使得接合界面上熔融金属发生飞溅，大大降低接头强度。
3 半固态搅拌连接
3.1工艺原理
当钎料温度处于固相线与液相线之间时，钎料处于一种半固态状态，此时利用搅拌头的搅拌力的作用，带动固相与固相、固相与液相的相互作用力，一方面固相颗粒挤压并摩擦母材金属表面的氧化膜，最终破除氧化膜；另一方面液相迅速的覆盖在破膜处，隔绝空气，形成一种真空状态，保证钎料的扩散溶解和润湿性，达到焊接的目的。以下是原理示意图。
3.2 优点
a）焊接温度处于半固态温度，减少热输入，降低了工件应力变形，并避免了脆性相生成；
b）不采用钎剂，保证接头的耐蚀性，并避免工件表面的残渣；
c）有效地破除氧化膜；
d）液相可以隔绝空气，可以在非真空的环境下焊接；
3.3 未来研究方向
a）因焊接温度过低，固相颗粒的比例加大，焊缝成型不佳；焊接温度过高，固相颗粒比例降低，破除氧化膜的效果不佳，焊接强度达不到。所以可以改变半固态温度，改变固相颗粒在钎料中比例，可以取得一个适中值，达到成型与强度的有效结合。
b）搅拌力的转速大小可以决定破除的力度，转速快可能产生飞溅，转速慢可能达不到彻底破除的效果。所以可以改变搅拌头的转速达到一个适中值。
c）可以经过二次或多次搅拌并升温，促进钎料的扩散和润湿，从而提高焊接强度。■
作者简介：李杉（1991-），湖北黄梅人，武昌工学院机械工程学院机械设计制造及其自动化，本科。
铝基复合材料（简称SiCp/Al）因其制造工艺简单、成本低，适于批量生产，且可用常规金属加工方法——铸造、挤压、轧制、焊接等制造各种形状的零件和型材。铝基复合材料凭借其优良的性能及各方面的优势，在航天领域和武器装备领域表现出重大潜在的使用价值，逐渐成为各国发展战略的主要研究方向。但是，铝基复合材料欲在航天、武器装备及民品上进一步推广应用，就必须解决其二次加工技术问题，特别是一些复杂构件的焊接技术远远落后于其它技术的研究，成为该种材料走向实用化的瓶颈，因此深入研究铝基复合材料焊接中的科学问题是非常必要的，本文提供了一种新的焊接方法——非真空下半固态搅拌钎焊。
2 颗粒增强铝基复合材料焊接研究现状
铝基复合材料的焊接研究之所以远远落后于其它二次加工技术是因为铝及铝合金表面稳定的氧化膜和材料的特殊结构特点导致其焊接性很差，增强相与基体在物理和化学性质方面的差异是焊接的主要难点。目前，美国、俄罗斯、英国等西方工业发达国家在铝基复合材料焊接方面开展了大量的研究工作，但也仅限于连续长纤维增强铝基复合材料的焊接得到了应用，而国内外颗粒增强铝基复合材料的焊接还仅是在实验室里进行研究，如电弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊、瞬时液相焊等，其中钎焊和瞬时液相焊由于可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内，避免了熔化焊高温带来的增强相烧损和界面反应的问题，被认为较适于该种材料的焊接的方法，近几年国内外关于这方面研究的报道也最多。
但是， 在上述的连接工艺过程中，为了使得复合材料的基体与基体或填充材料与基体形成冶金连接，焊前必须清理焊件表面氧化膜，焊接过程必须在真空环境下进行，而且依靠压力变形破碎表面新生氧化膜。从实际应用角度来看，焊接效率低，对于工程上采用的尺寸稍大一点或壁薄的构件来说，在真空条件下实现起来几乎是不可能的，因此研究探索在非真空环境下能够进行连接技术是该类材料工程实际应用的一条可行之路。另外，在常规的过渡液相连接和反应钎焊过程中，等温凝固过程和自由状态下的结晶过程往往造成焊缝中增强体的推移，最后导致接头中出现增强相偏聚区及无增强相区，严重影响了接头的力学性能。国内外许多学者试图通过选择较薄的中间箔层来控制焊接过程中生成的液相共晶层厚度的方法来改善偏聚，其难点是焊接过程对中间层厚度及待焊表面粗糙度要求较高；也有人采用增加增强体颗粒尺寸的方法，减小颗粒偏聚的程度，但从复合材料性能来看，一般都追求微米、亚微米甚至是纳米级的颗粒作为增强体制备复合材料，这两方面的要求是相互矛盾的，同样也不可行。总之，在铝基复合材料的各种焊接方法中，都存在着一定的困难，下面将做分别论述。
2.1 熔化焊
焊接A1.MMCS的熔化焊分为TIG焊（钨极惰性气体保护电弧焊）、MIG焊（熔化极惰性气体保护电弧焊）和高能束焊。TIG、MIG作为应用范围广、使用成本低的理想焊接方法应用于铝合金焊接，取得了令人满意的焊接质量，但应用于铝基复合材料的焊接结果却很不理想，主要问题在于：熔池温度难以控制；基体一增强相之间反映生成脆性相。高能束流具有高单色性、高方向性和高能量密度等优点，因此，从尽量减小熔化区和热影响区出发，似乎高能束激光焊对铝基复合材料连接更有利，但由于其能量密度很高.并且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，使反应更加剧烈。采用激光焊接并附以合适的填充材料等措施后可有所改善，但其又不能克服过量的界面反应问题。近年来的研究结果表明，采用通常的熔化焊方法连接铝基复合材料存在的主要问题：高漏焊接熔池中增强相与基体铝合盒易发生反应生成脆性化合物：熔池粘度高、流动性若增加了对气孔、未熔合等缺陷的敏感性；焊接熔池凝固时增强相偏析影响接头性能；高温下材料（尤其足粉末冶金法制备的铝基复合材料）吸留气体折出，造成焊接热影响区裂纹或焊缝气孔等。
2.2 固相焊
与熔焊相比，固相连接不存在基体金属与颗粒增强相之间的界面反应，避免了脆性相的生成，因此是铝基复合材料最理想的连接方法。多年来，国内外在此方面开展了大量的研究工作，比较集中的是扩散连接和摩擦焊接。扩散连接主要包括固相扩散连接和瞬间液相扩敝连接。直接固相扩散连接面临的主要问题是铝基体表面致密的氧化膜影响扩散，增强相的存在也加大了扩散连接的难度。原因是在复合材料表面有一层致密的氧化膜，用机械或化学方法清理后，它又立刻生成，即使在高真空条件下，这层氧化膜也难于分解，影响原子扩散；另外在接触而上存在增强相颗粒直接接触的现象.在扩散焊条件下，很难实现增强相之间的扩散连接。该部位不仅降低了载荷的传递能力，而且还为裂纹的萌生和扩展提供机遇，成为接头强度不商的主要隐患。加中问层的固相扩散连接，是通过活性中间层的化学机制破除氧化膜，可改善接头的性能，但目前尚不够成熟。瞬间液相扩散焊连接利用中间层形成瞬间液相通过等温凝固和均匀化实现连接，是一种被普遍看好的铝基复合材料的连接方法。目前铝基复合材料采用的中间层主要为cu和Ag，Ag、Cu都能和Al形成共晶，共晶温度分别是566℃和548℃，A12Ag、Al2Cu台金会形成脆性金属间化合物。目前，铝基复合材料TLP（液相瞬间扩散焊）连接所面临的主要问题是合适的中间层及其厚度、合理的工艺参数的选择。
2.3 钎焊
钎焊加热温度低，不涉及基体金属的熔化，可减轻基体与增强相界面反应，降低增强体的破坏程度，显著减少热变形，是一种有重要应用前景的焊接方法。对于连续纤维增强的铝基复合材料实际上将复合材料的焊接转化为基体材料焊接问题，比较容易实现。而非连续增强铝基复合材料钎焊难度较大，主要原因如下：
（1） 增强相的存在，严重阻碍了钎料在母材表面的润湿与铺展，使得基体与基体、基体与增强相、增强相与增强相之间的连接难以实现；
（2） 铝合金本身钎焊性不良，铝基复合材料采用的铝合金基体中，除LD2的软、硬钎焊性良好外，其他铝合金的软、硬钎焊性均较差； （3） 钎焊温度必须严格控制，低于最佳温度值，接头剪切强度低。高于该温度，则发生界面反应，损伤时效硬化基体的性能；
（4） 氧化膜是钎焊 SiCP 增强的铝基复合材料的一大障碍。焊前的氧化膜去除，以及焊接过程中去膜保护对于成功地连接铝基复合材料起到非常关键的作用。
2.4 其他焊接方法
电阻焊由于加热时问短，能抑制增强相与基体间的界面反应，并在压力作用下接头区不易产生气孔、疏松、裂纹等缺陷，所以有不少关于采用电阻焊成功焊接铝基复合材料的报道。普遍认为这种工艺的关键是控制焊接热输入和焊接压力，焊接热输入过大使得熔化的基体金属发生飞溅，在接合界面上露出增强相纤维，降低材料的焊接性能；过大的压力使得接头区发生明显变形并破坏增强相纤维；压力过小使得接合界面上熔融金属发生飞溅，大大降低接头强度。
3 半固态搅拌连接
3.1工艺原理
当钎料温度处于固相线与液相线之间时，钎料处于一种半固态状态，此时利用搅拌头的搅拌力的作用，带动固相与固相、固相与液相的相互作用力，一方面固相颗粒挤压并摩擦母材金属表面的氧化膜，最终破除氧化膜；另一方面液相迅速的覆盖在破膜处，隔绝空气，形成一种真空状态，保证钎料的扩散溶解和润湿性，达到焊接的目的。以下是原理示意图。
3.2 优点
a）焊接温度处于半固态温度，减少热输入，降低了工件应力变形，并避免了脆性相生成；
b）不采用钎剂，保证接头的耐蚀性，并避免工件表面的残渣；
c）有效地破除氧化膜；
d）液相可以隔绝空气，可以在非真空的环境下焊接；
3.3 未来研究方向
a）因焊接温度过低，固相颗粒的比例加大，焊缝成型不佳；焊接温度过高，固相颗粒比例降低，破除氧化膜的效果不佳，焊接强度达不到。所以可以改变半固态温度，改变固相颗粒在钎料中比例，可以取得一个适中值，达到成型与强度的有效结合。
b）搅拌力的转速大小可以决定破除的力度，转速快可能产生飞溅，转速慢可能达不到彻底破除的效果。所以可以改变搅拌头的转速达到一个适中值。
c）可以经过二次或多次搅拌并升温，促进钎料的扩散和润湿，从而提高焊接强度。■
作者简介：李杉（1991-），湖北黄梅人，武昌工学院机械工程学院机械设计制造及其自动化，本科。