將鐳射焊接技術用於碳化矽顆粒增強鋁基複合材料的焊接。鐳射能量誘發複合材料和反應新增物鈦之間的相互作用產物形成了複合材料的焊接接頭。在一定的焊接條件下該反應產物能夠完全阻止有害碳化鋁相在焊接區的形成。給出了金屬基複合材料鐳射誘發反應焊的試驗結果，並從理論上對鐳射誘發反應焊接機理進行了探討。
用常規的熔化焊焊接金屬基複合材料時，由於複合材料的增強體與熔化的基體金屬接觸時間過長，易加速增強體與基體之間的化學反應，常常導致兩者間的嚴重擴散以及增強體的分解，甚至完全破壞。此外，焊接區常出現較大的氣孔，使接頭強度有所下降。因此，這些焊接方法不宜用於結構的焊接。其他連線技術如擴散焊、摩擦焊、電子束焊和電阻焊等［1］，儘管已被證明是有效的連線方法，但由於這些方法或需要複雜的專用裝置、或要求特殊的接頭形式、或對焊件結構要求高等原因，在實際應用中受到很多限制。機械連線常常也是一種有效的方法，然而這種連線因韌性差並易形成應力集中可能導致災難性破壞。
儘管鐳射焊接具有總的熱輸入低、能量密度高、焊接速度高、變形小和熱影響區小等許多優點，但當被用於SiC增強鋁基複合材料的焊接時，仍存在著強烈的介面反應，形成Al4C3脆性相而使接頭效能變差的問題。為了解決這一難題，國內外目前主要採用改變鐳射引數來減緩介面反應［2,3］，或是選用基體含Si量高（如A356，6061）的鋁基複合材料來抑制介面反應［4］，然而這兩種方法並不能完全消除增強體（SiC）與基體金屬（Al）間的有害反應產物Al4C3。
1試驗條件及方法
試驗用的材料為2124Al＋20vol%SiCp鋁基複合材料，其熱處理狀態為“固溶處理＋人工時效”，增強體SiC顆粒的平均直徑為3μm，其金相組織如圖1所示。
焊接用的鐳射器為Nd∶YAG脈衝固體鐳射器。鐳射引數為：波長為1.06μm，平均功率小於100W，最大單脈衝能量為20J，脈衝頻率為10次／秒，脈寬為2.5ms，發散角＜6mrad，焦點位置在試樣表面上。
採用的焊接方法為：①不加填料的常規鐳射焊; ②鐳射誘發反應焊——為了排除其他元素的加入增加反應焊接的複雜性，僅在焊縫中加入純鈦。試件尺寸40mm×10mm×2mm。接頭形式為對焊。
基體及焊縫的相結構分析是在日本理學D／MAX-RA轉靶X射線衍射儀上進行的，以Cu為靶，石墨為單色器，電壓和電流隨試樣的不同而變化。
常規鐳射焊接頭熔化區主要由Al4C3和灰色塊狀顆粒Si組成，Al4C3呈針狀、性脆，會降低金屬基複合材料的機械效能［5］。Al4C3的大小和數量取決於鐳射的熱輸入，即複合材料的增強相（SiC）與基體（2124Al）之間的反應程度直接同鐳射能量成比例。因此，合理地控制鐳射引數就可能減少碳化鋁的生成。
新增鈦元素的鐳射誘發反應焊焊縫中的SiC顆粒雖然全部消失，但並沒有發現針狀的Al4C3相，替而代之生成的是細小的TiC顆粒，其形貌，如圖6所示。此外，相分析表明，在常規鐳射焊和鐳射誘發反應焊的焊接接頭中還有AlCuMg和Al7Cu3Mg6生成。Ti主要以TiC的形式存在於焊縫中，另有少量的Ti溶於Al基體中，也可能有極少量的鈦鋁化合物存在，但在相分析中沒有發現鈦鋁化合物。
所得焊縫來看，焊縫中並不存在文獻［6］發現的SiC顆粒重新分佈區。這主要是因為本試驗所用材料中SiC顆粒很細小，平均直徑僅為3μm，而文獻［6］中SiC顆粒平均直徑為10μm。而SiC顆粒愈小，其表面積愈大，愈容易與液態鋁完全發生介面反應而消失。文獻［6］中MMCs的基體材料為A356，其Si含量很高（約7%），有遊離的Si存在，根據反應式（1）可知，Si可以抑制Al4C3的形成，所以，Al4C3僅在熔化區中溫度較高的區域裡形成。而2124基體中Si含量極低，無遊離Si存在，所以，Al4C3的形成不會受到抑制，Al4C3可在整個熔化區內形成。
在常規鐳射焊和鐳射誘發反應焊中涉及的物相主要有Al，SiC，Ti。在高能鐳射的作用下，SiC熔化或熔解［2,5］能產生C。所以，在焊接過程中可能發生的化學反應主要有：
4Al+3SiC=Al4C3+3Si(1)
ΔGT=-11 260＋10.83T
Ti+SiC=TiC+Si(2)
ΔGT=-28 500＋T
Al4C3+3Ti=3TiC+4Al(3)
ΔGT=-74 120－7.83T
Ti＋C＝TiC(4)
ΔGT=-44 100＋2.902T
4Al＋3C＝Al4C3(5)
ΔGT=-58 180＋9.936T
在SiC顆粒增強2124鋁基複合材料的鐳射焊接中，Al4C3是通過反應式（1）形成的，由於Al4C3易與水反應，常導致接頭變脆。相反，如果接頭中形成了TiC，而不是Al4C3，接頭效能則可能提高，這是因為TiC的熱穩定性極高，在3343K下熔化但不分解（在這個溫度下Al4C3完全分解），而且它的密度和硬度均高於SiC和Al4C3。
由反應自由焓ΔG可以知道，在焊縫中加入Ti之後，SiC與Ti的反應比與Al的反應更容易，所以，反應更易形成TiC；儘管在焊接過程中可能有部分SiC與Al反應生成Al4C3，但是，新形成的Al4C3會立即與Ti發生反應式（3），形成TiC。反應元素Ti用作介面填料可以增加表面能，並可以通過形成穩定的TiC提高基體材料的潤溼效能。
總之，理論和試驗都證明，碳化矽增強鋁基複合材料的鐳射誘發反應焊接方法，可以完全消除Al4C3脆性相, 在熔化區形成穩定的TiC相，從而可以提高複合材料的接頭效能。