In-situ strengthening mechanism of glass brazing Al2O3 ceramics joints
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摘要:
针对Al2O3陶瓷可加工性差、复杂结构及大尺寸构件制备困难等问题，文中提出采用具有优异力学性能且与Al2O3陶瓷原位形成增强相的48.5%SiO2-48.5%B2O3-3%Na2O硼硅酸盐玻璃钎料钎焊连接Al2O3陶瓷. 结果表明，在钎焊连接过程中，Al2O3陶瓷向玻璃钎料内部扩散溶解，焊缝区域由SiO2-B2O3-Na2O玻璃转变为SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O，Al2O3的融入强化了玻璃基体，同时在玻璃基体内部以及玻璃钎料与Al2O3陶瓷界面结合处均原位生成了大量弥散分布的硼酸铝晶须，形成了Al2O3陶瓷的硼酸铝晶须增强硼硅酸盐玻璃复合接头，晶须通过拔出效应、裂纹偏转、裂纹桥联、吸收效应等不仅进一步强化玻璃基体，对连接界面处更是起到了钉扎、缝合的作用，实现了Al2O3陶瓷高强度、高可靠连接. 当连接温度为
1 250 ℃，保温时间为60 min时，接头剪切强度达到136 MPa.Abstract:In view of the problems of poor machinability, difficult preparation of complex structure and large-size components of Al2O3 ceramics, 48.5%SiO2-48.5%B2O3-3%Na2O borosilicate glass was used to obtain reliable bonding of Al2O3 ceramic which not only had excellent mechanical properties, but also can form an in-situ reinforced phase with Al2O3 ceramics. It was shown that during the brazing process, as Al2O3 ceramics diffusing and dissolving into the glass braze, SiO2-B2O3-Na2O glass transformed to SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O glass in the seam. The integration of Al2O3 strengthened the glass matrix. Furthermore, a large number of dispersed aluminum borate whiskers were in-situ generated not only inside the glass matrix but also at the interface between glass braze and Al2O3 ceramics, forming the in-situ aluminum borate whiskers reinforced composite Al2O3/Al2O3 joints brazed by borosilicate glass. The whiskers not only further strengthened the glass matrix through pull-out effect, crack deflection, crack bridging, absorption effect, etc., but also played the role of nailing and suturing at the interface, realizing a high-strength and high-reliability connection of Al2O3 ceramics. When temperature is
1 250 ℃ and time is 60 min, the joint strength reached the highest value of 136 MPa.-
Keywords:
- Al2O3 cramic /
- borosilicate glass /
- aluminum borate whiskers /
- in situ strengthening
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0. 序言
铝合金在密度、强度和耐蚀上有综合优势，激光焊有能量集中、变形小、焊接质量高等优点，铝合金激光焊在国防、军工、航空航天、铁道等重要工业部门获得了广泛应用，例如其可应用于高速列车车厢等重要焊接结构的连接[1]. 但铝合金激光焊时由于保护不良等易在焊缝中产生气孔等缺陷，这些缺陷的存在将会形成重大的安全隐患，因此为保障高速列车的安全运行，亟需开展铝合金激光焊件的快速无损检测及缺陷空间定位研究，从而为重要焊接结构的焊接工艺制订和接头完整性评价奠定良好基础.
国内外开展焊件射线图像缺陷分割、识别和分类方面的研究较多，而开展焊件缺陷空间定位和空间分布特征方面的研究较少[2-4]. 一般情况下，利用X射线成像技术对焊件内部缺陷进行定位，普遍采用两次曝光以获得缺陷深度方向的位置信息[5]. 平移视差法由于采用移动射线源或工件等方式，存在射线源或工件移动困难，且平移距离难以准确测量等状况，使其缺陷定位的操作难度大，误差传递亦大[6-7]. 在平移视差法基础上，迟大钊等人[8]利用旋转视差法对普通对接接头焊件内部人工缺陷进行了深度定位，其精度比平移视差法有较大提高，但在缺陷深度定位中仍需借助铅标记点. 石端虎等人[9-12]利用多视角成像方法，实现了工字形焊件内部缺陷的空间定位和可视化. 该法不需借助铅标记点，而是利用被检焊接结构的几何特点确定定位特征点，实现了批量缺陷的空间定位，且提高了定位精度和检测效率. 目前T形接头角焊缝中缺陷空间定位及空间分布特征的研究尚未见报道，因此开展该方面的研究具有极为重要的理论研究意义和实际应用价值.
1. 缺陷空间定位模型建立
图1为T形接头铝合金激光焊件结构示意图. 翼板厚度和腹板宽度均为2.0 mm，焊脚尺寸为1.5 mm.
采用225 kV微焦点X射线检测系统对T形接头焊件左右旋转45°进行射线检测，获得了其左右旋转的X射线检测图像，见图2，其中图2a和图2b中的白色影像为焊件中的气孔缺陷. 图像大小为1 024像素 × 1 024像素.
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图 2 焊件检测图像Figure 2. Detection images of weldment. (a) right-turning image; (b) left-turning image选用角焊缝直角的角平分线(面)为定位特征点，根据射线检测图像中各部分之间的几何关系，建立了T形接头焊件角焊缝中缺陷深度和偏移量的数学模型. 图3和图4分别为缺陷深度和偏移量数学模型建立的示意图.
缺陷深度数学模型，即
$$h = \sqrt 2 {d_{\rm{l}}} - \left(x + \frac{W}{2}\right) + \delta $$ (1) 缺陷偏移量数学模型，即
$$x = \frac{{{d_{\rm{l}}} - {d_{{r}}}}}{{\sqrt 2 }}$$ (2) 式中：h为缺陷深度，即缺陷到T形接头焊件翼板下表面的距离(mm)；d
l为焊件右转时缺陷到定位特征点的投影距离(mm)；dr为焊件左转时缺陷到定位特征点的投影距离(mm)；W为腹板宽度(mm)；δ为翼板厚度(mm)；x为缺陷偏移量，即缺陷偏移焊件腹板中心线的距离(mm). 当x > 0时缺陷位于焊件腹板中心线的右侧；当x = 0时缺陷位于焊件腹板中心线上；当x < 0时缺陷位于焊件腹板中心线的左侧.
2. 缺陷空间位置数据提取及可视化
2.1 缺陷分割
图2中标出了焊缝所在区域，该区域中的白色影像为气孔缺陷. 采用形态学方法对小波去噪后的射线检测图像进行了背景模拟，而后结合背景相减和阈值分割等操作实现了射线检测图像的缺陷分割，分割结果见图5，图5中的白色影像为分割出的气孔缺陷.
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图 5 缺陷分割结果Figure 5. Segmentation result of defects. (a) right-turning image; (b) left-turning image2.2 定位特征点获取
根据射线衰减规律，射线检测图像上灰度分布与射线穿透焊件的厚度变化规律应相符，因此可通过射线检测图像的线灰度分布特征分析获取定位特征点的位置.图6为射线穿透焊件的厚度变化示意图，图中O点为焊件缺陷定位数学模型中的定位特征点位置. 位置1、位置3是厚度变化最为明显位置，分别为射线穿透焊件最薄处和最厚处，相应地在射线检测图像的线灰度分布曲线上表现为灰度值最大处和最小处. 根据焊件各部分间的几何关系，可通过位置1或位置3与定位特征点之间的水平距离获取定位特征点位置. 因为检测图像上位置1处灰度值较高，且受射线检测工艺参数的影响较大，所以选择位置3获取定位特征点位置. 该方法先搜寻出射线检测图像中灰度值最小处(位置3)，由几何关系可知，从位置3向左平移
$3.5\Big/\sqrt 2$ mm即可获取定位特征点位置.![]()
图 6 穿透厚度变化示意图Figure 6. Schematic of penetration thickness changing. (a) ray path; (b) thickness changing2.3 缺陷自动对应
在缺陷分割基础上，需对焊件右左转射线检测图像中的批量缺陷进行自动对应，而后方可实现缺陷空间位置数据的自动提取. 确定的缺陷自动对应准则如下：提取出焊件右左转射线检测图像中缺陷的中心位置，并分别计算出右左转射线检测图像中缺陷的中心位置距图像上端的距离d1，d2. 右左转图像中缺陷距图像上端距离之差|d1 − d2|不超过3个像素点，即可判定为同一缺陷.
2.4 缺陷空间位置数据自动提取
图7为T形接头焊件射线检测图像中某行通过气孔缺陷的线灰度分布曲线，定位特征点(O处)至灰度值突变位置(缺陷)之间距离为投影距离[10]. 将自动提取的投影距离代入缺陷偏移量和深度的数学模型，可计算得出缺陷偏移量和深度. 缺陷沿焊缝纵向分布可通过对检测图像的处理获得，从而可自动提取缺陷的空间位置数据.
采用提出的方法自动提取了T形接头焊件角焊缝内部缺陷的深度、偏移量及距焊缝一端距离等空间位置数据. 图8为自动提取的焊件内部缺陷的空间位置数据( mm)，图中对各列数据进行了标注. 该焊件中共自动提取了27个气孔缺陷.
2.5 缺陷可视化
为了直观地显示T形接头焊件角焊缝内部缺陷的空间位置，在建立焊件三维模型的基础上，对自动提取的缺陷空间位置数据进行了可视化，见图9.
3. 缺陷空间分布特征
对多个实际焊件进行了射线检测，并自动提取了84个缺陷的空间位置数据. 统计了缺陷偏移量、缺陷深度、缺陷沿焊缝纵向分布和缺陷半径等空间位置信息，进而可确定缺陷的空间分布特征. 石端虎等人[12]采用破坏性试验方法对穿透型T形接头焊件中缺陷深度、偏移量数学模型进行了验证，验证结果适用于文中研究，但缺陷深度的验证误差约为5%，下一步将考虑通过焊件X射线检测图像模拟开展缺陷空间定位模型的无损伤验证.
缺陷空间分布特征见图10. 图10a为缺陷偏移量及频数统计，缺陷偏移量在[−1.5 1] mm范围内，缺陷偏移量小于0的频数为62次，占总样本的73.8%，即缺陷大多分布在腹板中心线左侧，且在[−0.5 0] mm范围内气孔密集出现；图10b为缺陷深度及频数统计，缺陷深度大多位于[1.8 2.5] mm范围内，此范围内缺陷频数为72次，占总样本的85.7%，这表明有近86%的缺陷集中分布在翼板与腹板的结合面位置，其对焊接接头的性能影响较大；图10c为缺陷半径及频数统计，缺陷半径在[0 0.51] mm范围内；由图10d可知缺陷沿焊缝纵向呈随机分布.
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图 10 缺陷空间分布特征Figure 10. Spatial distribution feature of defects. (a) defects deviation and frequency; (b) defects depth and frequency; (c) defects radius and frequency; (d) defects longitudinal distribution and frequency4. 结论
(1) 基于多视角成像方法，通过左右旋转焊件45°，获得了焊件左右转的两幅X射线检测图像. 借助检测图像中各部分间的几何关系，建立了T形接头焊件角焊缝中缺陷深度和偏移量的数学模型.
(2) 提出了X射线检测图像中缺陷分割、缺陷自动对应准则和投影距离自动提取算法，自动提取了批量缺陷空间位置数据，实现了缺陷空间位置数据的可视化.
(3) 统计分析了自动提取的84个缺陷的空间分布特征，可为该类焊件的快速无损检测和结构完整性评价奠定良好基础，并可推广至对接接头及其它接头类型，工程应用前景广阔.
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图 2 Al2O3陶瓷母材连接工艺.
Figure 2. Bonding method of Al2O3 ceramics. (a) diagram of Al2O3/Al2O3 joints assembly; (b) temperature curve for the brazing process
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图 4 玻璃钎料的网格结构
Figure 4. Network structure of glass. (a) Infrared absorption spectrum of glass braze; (b) [BO3] units; (c) [SiO4] units; (d) transformation of B2O3 network structure
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图 6 连接接头形貌及面扫描(T = 1 250 ℃, t = 60 min).
Figure 6. Microstructure and map scanning of joint. (a) microstructure of joint brazed by 48.5SiO2-48.5B2O3-3Na2O glass and map scanning of Al, Si, and Na of the Al2O3 join；(b) microstructure of joint and the the illustration of interface line scanning and the variation of element content
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图 7 经酸腐蚀的连接接头形貌(T =
1250 ℃, t = 60min)Figure 7. Microstructures of the corroded joints. (a) microstructures of the corroded joints; (b-d) Cross section morphology of parallel weld direction; (b) magnify 40 times; (c) magnify 200 times; (d) magnify
2000 time![]()
图 9 不同连接温度下接头组织形貌(t = 60 min)
Figure 9. FE-SEM morphologies of the joints brazed at different temperatures. (a) 1 200 ℃；(b) 1 225 ℃；(c) 1 250 ℃；(d) 1 275 ℃
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图 10 不同连接温度下经腐蚀之后的接头组织形貌(t = 60 min)
Figure 10. Microstructures of the corroded joints brazed at different joining temperature. (a) 1 200 ℃；(b) 1 225 ℃；(c) 1 250 ℃；(d) 1 275 ℃
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图 11 玻璃网格结构转变示意图
Figure 11. Transformation diagram of glass grid structure. (a) affection of Al for network structure of [SiO4] units; (b) affection of Al for network structure of [BO4] units
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图 13 连接温度对接头力学性能的影响规律
Figure 13. Shear strength of the joints brazed at different temperatures
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图 14 不同连接温度下的断口形貌(t = 60 min)
Figure 14. Representative fracture morphologies of the joints brazed at (a)
1200 ℃; (b)1225 ℃; (c)1250 ℃; (d)1275 ℃![]()
图 16 晶须强化机制
Figure 16. Mechanism of in-situ strengthening of whiskers. (a) crack-bridging; (b) absorption effect
表 1 试验试剂及生产厂家
Table 1 Reagents and manufacturers
中文名称 分子式 分子量Mr/(g·mol−1) 纯度 生产厂家 石英砂 SiO2 60.08 AR 天津石英钟厂霸州市化学分工 无水碳酸钠 Na2CO3 105.99 AR 天津市光复科技发展有限公司 硼酸 H3BO3 61.83 AR 天津市大茂化学试剂厂 
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表 2 玻璃钎料组分及其热膨胀系数
Table 2 Composition of glass fillers and their coefficient of thermal expansion
编号 元素 摩尔比
n(SiO2: B2O3)热膨胀系数
α/℃−1SiO2 B2O3 Na2O 1 32.3 64.7 3 1∶2 7.8 × 10−6 2 48.5 48.5 3 1∶1 5.5 × 10−6 3 64.7 32.3 3 2∶1 4.3 × 10−6
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表 3 玻璃钎料中测得的红外光谱吸收峰及其对应的特征振动类型
Table 3 Infrared absorption peaks and corresponding characteristic vibrational types of glass
波数v/cm 振动类型 460 [SiO4]四面体单元中Si-O-Si的弯曲振动 650 ~ 700 [BO3]三角体中B-O-B弯曲振动 800 [SiO4]四面体单元中O-Si-O的伸缩振动 940 ~ 1020 [BO4]四面体单元中B-O的伸缩振动 1020 ~1080 [SiO4]四面体单元中Si-O和Si-O-Si的伸缩振动 1400 ~1500 [BO3]三角体单元中B-O的伸缩振动
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表 4 图6(a)中各点的EDS能谱分析结果（质量分数，%）
Table 4 EDS analysis results of the points in Figs. 6(a)
位置 Si B Al Na O A 23.72 19.13 10.42 4.59 42.14 B 20.98 16.20 14.57 5.22 43.02 C 20.14 22.67 13.00 4.24 39.94 D — 14.17 43.83 0.43 41.57 E 20.52 17.92 14.64 5.08 41.85
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