專利名稱：鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種焊接方法，特別是一種針對鋁基復合材料的焊接方法。
背景技術：
九十年代以來，國內(nèi)外學者對于鋁基復合材料焊接的研究主要集中在熔化焊、電阻焊、擴散焊、瞬間液相焊以及釬焊等技術。
1、熔化焊熔化焊是金屬材料連接最通用的焊接方法之一，但是將其應用于鋁基復合材料的焊接當中，卻面臨著如下所述的一些急待解決的問題(1)物理相容性問題基體與增強相的熔點相差較大，基體金屬Al的液態(tài)熔池中的部分固態(tài)SiC或Al2O3嚴重地影響到了熔池中的傳熱及傳質(zhì)過程，使熔池表現(xiàn)為粘度高、流動差，增加了對氣孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性。；熔化的鋁基復合材料與外加添充材料難于混合，稀釋率低，最終難以得到滿意的接頭成分與外觀成型。同時，液態(tài)金屬凝固時增強相的偏析破壞了它原有的分布特點而使性能惡化。另外，當增強相與基體線脹系數(shù)相差較大，在焊接的加熱和冷卻過程中較大的內(nèi)應力會殘留在接頭中。(2)化學相容性問題某些增強相(如SiC)與基體Al在較大的溫度范圍內(nèi)熱力學不穩(wěn)定，在熔焊的高溫下有害的界面反應不可避免。，ΔG/J·mol-1＝113900-12.06TlnT+8.92×10-3T2+7.53×10-4T1+21.5T+3RTlnα[Si]，當溫度超過1000℃時，熱驅(qū)動力如此之大，Al4C3的形成不可避免。
2、電阻焊電阻焊可控性好，能量高度集中，幾乎可視為點熱源，焊接時間極短，快速的冷卻(冷卻速度可達106℃/s)導致接頭急冷從而避免了母材過熱引起的增強體與基體反應生成Al4C3脆性相，能有效的防止界面反應，而且通過施加壓力還可防止裂紋及氣孔。特別是通過采用搭接接頭可把FRM間的連接在很大程度上變?yōu)锳l與Al間的連接，因此這種方法很適于焊接纖維增強型復合材料。但增強物的存在使電流線的分布及電極壓力的分布復雜化，給焊接參數(shù)的選擇及焊接質(zhì)量的控制帶來了困難。而且復合材料的增強體與基體電阻相差很大，在電阻焊過程中容易使復合材料產(chǎn)生過熔、飛濺、纖維發(fā)生粘結、破碎并產(chǎn)生空洞，接頭強度受到很大影響。另外，許多研究表明對于電阻焊在焊接非連續(xù)纖維增強的鋁基復合材料時熔核中存在增強相嚴重偏聚，惡化了接頭性能。
3、擴散焊擴散焊方法是一種比較有前途的焊接鋁基復合材料的方法，這方面的研究報道也較多。但在用擴散焊鋁基復合材料時遇到了與擴散焊鋁時同樣的困難。鋁基復合材料擴散焊存在以下主要問題(1)鋁基復合材料表面有一層致密的氧化膜，它嚴重阻礙兩個連接表面之間的擴散結合。用機械或化學清理后又立即生成，即使在高真空條件下，這層氧化膜也難于分解，影響原子擴散。為破壞結合界面上的氧化膜就需要將連接溫度提高到接近鋁的熔點或在連接界面上施加很大的壓力。這不可避免的會使連接件產(chǎn)生過量的塑性變形。(2)在不采用中間層的情況下，鋁基復合材料接觸面上存在增強相—增強相直接接觸現(xiàn)象，在擴散焊條件下很難實現(xiàn)增強相之間的擴散連接。該部位不僅減少了載荷的傳遞能力，而且還為裂紋的萌生和擴展提供機遇，成為接頭強度不高的主要隱患。另外，該方法焊接周期較長，設備昂貴，成本很高，焊件尺寸形狀也要受限制等缺點，使其廣泛應用受到了限制。
4、瞬間液相焊瞬間液相擴散焊對破壞鋁表面的氧化膜是非常有效的，并且改善了鋁基復合材料中增強相/增強相的接觸狀態(tài)。因此無須施加壓力或施加很小的壓力就可實現(xiàn)連接，與采用中間層的固態(tài)擴散焊連接相比瞬間液相擴散焊更適合于Al基復合材料的連接。該方法與釬焊及擴散焊既有相似又有差別，既加壓又有中間層(或者稱為焊料)，是一種較新的焊接方法。與釬焊及固態(tài)擴散焊相比它還具備的優(yōu)點有連接條件下接頭處游人子運動較為自由，易于在母材表面形成穩(wěn)定的原子排列而凝固；連接溫度低，時間短；易得到組織與母材接近的接頭；工藝過程易實現(xiàn)等。瞬間液相焊更具優(yōu)勢的同時也存在一定的不足(1)增強相的偏聚成為該種材料TLP焊的主要問題。國內(nèi)外許多學者通過選擇較薄的中間箔層來解決了該問題，但在實際應用意義來看，效率較低，工程實現(xiàn)起來較難。(2)瞬間液相焊接溫度一般也都超過了550℃，在這個溫度下，母材會有不同程度的軟化，這對復合材料基體來說是個挑戰(zhàn)。綜上所述，鋁基復合材料的焊接性比較特殊，各種連接方法都在一定程度上適合于該種材料的連接，但連接難度遠比鋁合金大。主要原因是由于增強相與基體物理、化學性能的巨大差異使連接工藝難以控制，增強相與基體之間良好界面的結合也難以得到。相比之下，固相焊接比精密儀器化焊更具潛力。特別是瞬間液相(TLP)連接技術在連接鋁基復合材料時得到了令人鼓舞的結果。但目前鋁基復合材料大量的焊接工作還是在實驗室中進行，更具應用意義的TLP焊接工藝尚需做出進一步的努力。
5、釬焊早在60年代和70年代初就被研究用于金屬基復合材料的連接。近年來對該方法的研究較少，其主要問題是接頭強度受釬料限制，強度較低。研究焊接方法，如熔化焊、電阻焊，在多種焊接方法中釬焊是比較合適的復合材料的焊接。但對于鋁基復合材料焊接來說，采用釬焊方法存在如下幾個問題(1)鋁基復合材料表面的氧化膜嚴重影響焊接質(zhì)量。由于Al2O3熔點很高，在焊接過程中難以熔化，嚴重影響釬料在母材上的潤濕與鋪展，成為鋁基復合材料釬焊的主要障礙之一。(2)焊接工藝控制不當會導致基體熔化，擴散區(qū)增強相偏聚；釬縫組織中殘留無增強相層，無法保持母材原有的特殊組織及特殊性能。這對接頭有特殊性能要求的場合不適合，如需接頭保持良好的抗阻尼特性及尺寸穩(wěn)定性等。(3)鋁合金基體和增強相熔點相差很大，在釬焊溫度下基體部分熔化，而增強體不熔化，導致釬料粘滯，流動性變差，釬料在母材上的潤濕與鋪展由于固態(tài)增強相的存在受到嚴重阻礙，加入某些合金元素、提高釬焊溫度在某種程度上可得到改善，而溫度過高又易引起母材的過燒熔蝕，給釬焊過程帶來很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前鋁基復合材料焊接難的問題，本發(fā)明研制一種鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法。本發(fā)明的焊接方法是按如下步驟進行的a、裝卡將下被焊件3安裝在釬液槽1上，將上被焊件4置于下被焊件的上方，向釬液槽1中加入液態(tài)釬料，并使液態(tài)釬料沒過上、下被焊件的對接縫；b、旋轉(zhuǎn)摩擦將液態(tài)釬料加熱至380℃～500℃，并保溫，將上下被焊件對接，并使兩被焊件產(chǎn)生接觸式相對旋轉(zhuǎn)；c、釬料回填使上下被焊件分開，并旋轉(zhuǎn)上被焊件4，使液態(tài)釬料回流，d、加壓緩冷對被焊件施壓，使焊縫對接，并保持壓力緩冷。在上述過程中，焊件第一次接觸時采用旋轉(zhuǎn)的目的是為了有效的去除復合材料表面的氧化膜和促進釬料在復合材料表面的潤濕和鋪展。由于在旋轉(zhuǎn)的過程中需要焊件接觸，釬料被擠出去了，所以要在焊件充分的相互旋轉(zhuǎn)之后，將焊件分離，以重新填充釬料，再加壓焊接，采用釬液槽的目的是為了使液態(tài)釬料重新填充被擠掉釬料的焊縫處，以便在重新分離焊件時，有足夠的釬料能及時回流，潤濕被去除氧化膜的復合材料的表面，氧化膜也能在液態(tài)釬料中上浮，有助于去除焊縫處的氧化膜。同時，焊件端部完全浸入液態(tài)釬料池也可防止焊接過程中的焊縫氧化。本發(fā)明的焊接方法有效的解決了復合材料釬焊過程中釬料很難在母材上鋪展和潤濕的問題，同時解決了旋轉(zhuǎn)去除氧化膜后釬料被擠掉流失的問題。可實現(xiàn)多次旋轉(zhuǎn)和分離重新填料以達到去膜潤濕的作用。而且得到的焊縫因為得到很好的保護，具有缺陷少，強度高的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式本實施方式的被焊件為棒型鋁件；所用的設備有立式鉆床、加熱保溫爐和釬液槽；所用的液態(tài)釬料為Zn-Al釬料，Zn和Al的質(zhì)量比為1∶(0.1～1)。工藝步驟是a、裝卡將下被焊件3安裝在釬液槽1底部的通孔1-1內(nèi)，并使下被焊件3與通孔1-1的內(nèi)壁保持密封，所用的釬液槽1是由不銹鋼制成，將上被焊件4置于下被焊件3的上方，向釬料槽1中加入液態(tài)釬料，并使液態(tài)釬料沒過上下被焊件的對接縫；b、旋轉(zhuǎn)摩擦將液態(tài)釬料加熱至460℃，并保溫，將上下被焊件對接在一起，并接觸式順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)上被焊件，其轉(zhuǎn)速為0.5rad/s-20rad/s，轉(zhuǎn)動時間為20s-200s；c、釬料回填使上下被焊件分開，并順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)上被焊件4，使液態(tài)釬料回流，其轉(zhuǎn)速為0.5rad/s-5rad/s，旋轉(zhuǎn)的時間為3s-30s；d、加壓緩冷對被焊件施加0.5-200MPa的壓力，使焊縫對接，并以100-2000℃/h的冷卻速度緩冷；取出焊件，焊接過程結束。在工作時用立式鉆床的傳動軸帶動上被焊件轉(zhuǎn)動，用加熱保溫爐對釬液槽中的液態(tài)釬料進行加熱和保溫。
權利要求
1.鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，其特征在于它是按如下步驟進行的a、裝卡將下被焊件(3)安裝在釬液槽(1)上，將上被焊件(4)置于下被焊件的上方，向釬液槽(1)中加入液態(tài)釬料，并使液態(tài)釬料沒過上、下被焊件的對接縫b、旋轉(zhuǎn)摩擦將液態(tài)釬料加熱至380℃～500℃，并保溫，將上下被焊件對接，并使兩被焊件產(chǎn)生接觸式相對旋轉(zhuǎn)；c、釬料回填使上下被焊件分開，并旋轉(zhuǎn)上被焊件(4)，使液態(tài)釬料回流，d、加壓緩冷對被焊件施壓，使焊縫對接，并保持壓力緩冷。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，其特征在于所用的液態(tài)釬料為Zn-Al釬料，Zn和Al的質(zhì)量比為1∶(0.1～1)。
3.根據(jù)權利要求1所述的鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，其特征在于釬液槽(1)是由不銹鋼制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，其特征在于在b、旋轉(zhuǎn)摩擦步驟中上被焊件(4)轉(zhuǎn)速為0.5rad/s-20rad/s，轉(zhuǎn)動時間為20s-200s。
5.根據(jù)權利要求1所述的鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，其特征在于在c、釬料回填步驟中上被焊件(4)的轉(zhuǎn)速為0.5rad/s-5rad/s，旋轉(zhuǎn)的時間為3s-30s。
6.根據(jù)權利要求1所述的鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，其特征在于在d、加壓緩冷步驟中對被焊件施加0.5-200MPa的壓力，并以100-2000℃/h的冷卻速度緩冷。
全文摘要
鋁基復合材料液相旋轉(zhuǎn)焊料回填式焊接新方法，它涉及一種焊接方法，特別是一種針對鋁基復合材料的焊接方法。它是按如下步驟進行的a、裝卡將下被焊件(3)安裝在釬液槽(1)上，將上被焊件(4)置于下被焊件的上方，向釬液槽(1)中加入液態(tài)釬料，并使液態(tài)釬料沒過上、下被焊件的對接縫；b、旋轉(zhuǎn)摩擦將液態(tài)釬料加熱至380℃～500℃，并保溫，將上下被焊件對接，并使兩被焊件產(chǎn)生接觸式相對旋轉(zhuǎn)；c、釬料回填使上下被焊件分開，并旋轉(zhuǎn)上被焊件(4)，使液態(tài)釬料回流，d、加壓緩冷對被焊件施壓，使焊縫對接，并保持壓力緩冷。本發(fā)明的焊接方法有效的解決了復合材料釬焊過程中釬料很難在母材上鋪展和潤濕的問題，同時解決了旋轉(zhuǎn)去除氧化膜后釬料被擠掉流失的問題。
文檔編號B23K3/06GK1442268SQ03111098
公開日2003年9月17日 申請日期2003年2月27日 優(yōu)先權日2003年2月27日
發(fā)明者閻久春, 呂世雄, 楊士勤, 趙維巍, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業(yè)大學