專利名稱：鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料的焊接方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代后期以來，鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)取得突破性的進(jìn)展，使之步入大規(guī)模生產(chǎn)和商品化發(fā)展的道路。然而，較差的焊接性成為了該種材料走向?qū)嵱没膰?yán)重障礙。國內(nèi)外許多學(xué)者為獲得鋁基復(fù)合材料焊接問題上的突破進(jìn)展，至今已經(jīng)對(duì)鋁基復(fù)合材料的熔化焊(如TIG焊、激光焊、電子束焊等)、固相焊(如擴(kuò)散焊、瞬間液相焊等)及其他一些方法(如釬焊、粘接、傳統(tǒng)的超聲波焊接等)進(jìn)行了研究。但目前絕大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，很多方法在接頭可靠性、高效性、操作實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面仍存在一定問題。下面分別對(duì)各種方法進(jìn)行介紹1、熔焊方法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(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的焊接當(dāng)中，卻面臨著如下所述的一些急待解決的問題(1)物理相容性問題液態(tài)熔池中的部分固態(tài)SiC或Al2O3嚴(yán)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(dòng)差，對(duì)氣孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔化的鋁基復(fù)合材料與外加添充材料難于混合，稀釋率低，成形困難；同時(shí)，液態(tài)金屬凝固時(shí)增強(qiáng)相的偏析破壞了它原有的分布特點(diǎn)而使接頭性能惡化；另外，當(dāng)增強(qiáng)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(yīng)力會(huì)殘留在接頭中。(2)化學(xué)相容性問題某些增強(qiáng)相(如SiC)與基體Al在較大的溫度范圍內(nèi)熱力學(xué)不穩(wěn)定，熔焊高溫下有害的界面反應(yīng)不可避免。
2、電阻焊方法電阻焊可控性好，能量高度集中，焊接時(shí)間極短，快速的冷卻(冷卻速度可達(dá)106℃/s)導(dǎo)致接頭急冷從而避免了母材過熱引起的增強(qiáng)體與基體反應(yīng)生成Al4C3脆性相，能有效的防止界面反應(yīng)，而且通過施加壓力還可防止裂紋及氣孔。但鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)相的存在使電流線的分布及電極壓力的分布復(fù)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(fù)合材料的增強(qiáng)體與基體電阻相差很大，在電阻焊過程中容易使復(fù)合材料產(chǎn)生過熔、飛濺、纖維發(fā)生粘結(jié)、破碎并產(chǎn)生空洞，接頭強(qiáng)度受到很大影響。另外，許多研究表明對(duì)于電阻焊在焊接非連續(xù)纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料時(shí)熔核中存在增強(qiáng)相嚴(yán)重偏聚，惡化了接頭性能。
3、釬焊方法早在二十世紀(jì)60年代和70年代初就被研究用于金屬基復(fù)合材料的連接。近年來對(duì)該方法的研究較少，其主要問題是接頭強(qiáng)度受釬料限制，強(qiáng)度較低。對(duì)于鋁基復(fù)合材料焊接來說，采用釬焊方法存在如下幾個(gè)問題(1)鋁基復(fù)合材料表面的氧化膜嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。由于Al2O3熔點(diǎn)很高，在焊接過程中難以熔化，嚴(yán)重影響釬料在母材上的潤濕與鋪展，成為鋁基復(fù)合材料釬焊的主要障礙之一。如果采用釬劑去除氧化膜，必需有后續(xù)的清洗工序，以避免殘留釬劑引起的腐蝕問題，焊接工藝過程繁瑣。(2)焊接工藝控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致基體過量熔化，焊縫區(qū)易出現(xiàn)增強(qiáng)相偏聚區(qū)和無增強(qiáng)相區(qū)，接頭性能不均勻，且與母材原有的特殊組織及特殊性能不一致。這對(duì)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(qiáng)相熔點(diǎn)相差很大，在釬焊溫度下基體部分熔化，而增強(qiáng)體不熔化，導(dǎo)致釬料粘滯，流動(dòng)性變差，釬料在母材上的潤濕與鋪展由于固態(tài)增強(qiáng)相的存在受到嚴(yán)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。
4、摩擦焊方法摩擦焊過程中，接頭部位產(chǎn)生較大的塑性變形，會(huì)導(dǎo)致纖維的嚴(yán)重?cái)嗔?，因此用這種方法焊接連續(xù)增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料是不合適的。焊接接頭有局部軟化現(xiàn)象，并對(duì)被連接件的形狀有較高的要求，一般為形狀簡單的棒狀零件，使該種焊接方法應(yīng)用范圍受到了一定的限制。
5、擴(kuò)散焊方法擴(kuò)散焊方法是一種比較有前途的焊接鋁基復(fù)合材料的方法，這方面的研究報(bào)道也較多。但在用擴(kuò)散焊鋁基復(fù)合材料時(shí)遇到了與擴(kuò)散焊鋁時(shí)同樣的困難。鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊存在以下主要問題(1)鋁基復(fù)合材料表面有一層致密的氧化膜，它嚴(yán)重阻礙兩個(gè)連接表面之間的擴(kuò)散結(jié)合。用機(jī)械或化學(xué)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(kuò)散。為破壞結(jié)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(diǎn)或在連接界面上施加很大的壓力。這不可避免的會(huì)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(fù)合材料接觸面上存在增強(qiáng)相/增強(qiáng)相直接接觸現(xiàn)象，在擴(kuò)散焊條件下很難實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)相之間的擴(kuò)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(kuò)展提供機(jī)遇，成為接頭強(qiáng)度不高的主要隱患。另外，該方法焊接周期較長、設(shè)備昂貴、成本很高，焊件尺寸形狀也受到限制等缺點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用受到了限制。
6、瞬間液相焊方法瞬間液相擴(kuò)散焊對(duì)破壞鋁表面的氧化膜是非常有效的，并且改善了鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)相/增強(qiáng)相的接觸狀態(tài)。該方法與釬焊及擴(kuò)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(kuò)散焊相比它還具備的優(yōu)點(diǎn)有連接條件下接頭處液體金屬原子運(yùn)動(dòng)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(shí)間短；易得到組織與母材接近的接頭；工藝過程易實(shí)現(xiàn)等。瞬間液相焊更具優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也存在一定的不足(1)增強(qiáng)相的偏聚成為該種材料TLP焊的主要問題。國內(nèi)外許多學(xué)者通過選擇較薄的中間箔層來解決該問題，但該方法對(duì)待焊表面粗糙度要求高，且需在真空環(huán)境下進(jìn)行，從實(shí)際應(yīng)用意義米看，效率較低，工程實(shí)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(gè)溫度下，母材會(huì)有不同程度的軟化，這對(duì)復(fù)合材料基體來說是個(gè)挑戰(zhàn)。
綜上所述，鋁基復(fù)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(yuǎn)比鋁合金的大。主要原因是由于增強(qiáng)相與基體物理、化學(xué)性能的巨大差異使連接工藝難以控制，增強(qiáng)相與基體之間良好界面的結(jié)合也難以得到。相比之下，固相焊接比熔化焊更具潛力。特別是瞬間液相(TLP)連接技術(shù)在連接鋁基復(fù)合材料時(shí)得到了令人滿意的結(jié)果。但目前鋁基復(fù)合材料大量的焊接工作還是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，更具應(yīng)用意義的TLP焊接工藝尚需做出進(jìn)一步的努力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，該方法具有避免鋁基復(fù)合材料在真空條件下焊接，克服焊縫成形不良及接頭界面高溫有害反應(yīng)，改善接頭組織，實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料高效、高質(zhì)量焊接的特點(diǎn)。本發(fā)明的方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的一、用400#的砂紙打磨待焊件表面，然后在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，焊件晾干后，采用搭接接頭方式將鋁基復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上，上下焊件間隙控制在10～300μm之間；二、在搭接接頭側(cè)面放置焊料；三、加熱焊件和焊料使其達(dá)到焊接溫度使焊料熔化，到達(dá)保溫時(shí)間后停止加熱；四、將超聲波導(dǎo)入桿以0.1～0.3MPa的壓力施加于焊件表面；五、向焊件施加超聲波振動(dòng)，超聲波振動(dòng)頻率范圍為15～60K赫茲，超聲振幅為3～30μm，引入超聲時(shí)間為0.5～15s；六、超聲振動(dòng)結(jié)束后，移開超聲波導(dǎo)入桿，讓焊件自然冷卻即可。本發(fā)明所述的鋁基復(fù)合材料為Al2O3；所述的焊料是Zn基釬料，該釬料由下列成分按重量百分比制成Cu3.22％、Mg0.82％、Mn0.91％、Fe0.01％、Si0.81％、Zn89.3％、Ni0.05％、Al4.2％、余量為雜質(zhì)；所述焊料是桿狀、片狀或球狀；所述的焊接溫度是380～420℃；所述的保溫時(shí)間是3～6秒鐘；所述加熱方式是采用電爐加熱或采用高頻感應(yīng)線圈或火焰加熱；所述超聲波的導(dǎo)入為從上方焊件或下方焊件導(dǎo)入。本發(fā)明主要的優(yōu)點(diǎn)及達(dá)到的性能指標(biāo)為1、本發(fā)明可在大氣環(huán)境下或惰性氣體保護(hù)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的焊接，焊接表面無需特殊清理，焊接周期短，效率高，成本低，工藝可操作性強(qiáng)，工程意義較為理想。2、焊接溫度低，一般為500℃以下，避免了復(fù)合材料的軟化，克服了熔化焊時(shí)母材熔化帶來的不良后果，如成形不佳，增強(qiáng)相偏析，增強(qiáng)相/基體有害反應(yīng)等。焊接時(shí)間短，一般小于1分鐘，避免母材溶蝕。3、焊料放置于焊縫外，不需制作成特殊形狀，可以是桿狀、片狀、球狀，其熔化后通過超聲波振動(dòng)迅速鉆縫、充形，避免了傳統(tǒng)超聲波釬焊中需將整個(gè)焊件浸入液態(tài)釬料池中導(dǎo)致的母材損傷。4、當(dāng)液態(tài)焊料鉆縫時(shí)，液態(tài)焊料中產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)，通過沖擊、摩擦，實(shí)現(xiàn)超聲波物理去除氧化膜，效果徹底，且無需焊后清洗工序，解決了諸如釬焊、擴(kuò)散焊中氧化膜難以去除的問題。5、液態(tài)焊料在超聲波振動(dòng)條件下鋪展，此種超聲波毛細(xì)焊接可以實(shí)現(xiàn)不等間隙的搭接接頭焊接，克服了常規(guī)釬焊只能實(shí)現(xiàn)均勻間隙焊接的缺點(diǎn)，擴(kuò)大了焊接范圍，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。6、超聲作用促進(jìn)焊件表面溶解層與焊縫金屬混合，還使一部分增強(qiáng)相(非連續(xù)的)過渡到了焊縫組織中，并在超聲波聲流作用下彌散、均勻分布于整個(gè)焊縫，避免了增強(qiáng)相顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，形成良好的復(fù)合材料接頭，接頭的綜合性能大為提高，目前沒有焊接方法能實(shí)現(xiàn)這一目的。鋁基復(fù)合材料接頭拉伸強(qiáng)度≥80％，接頭延伸率≥1％。


圖1是本發(fā)明焊件和焊料加熱階段示意圖，圖2是本發(fā)明超聲波導(dǎo)入初始階段示意圖，圖3是本發(fā)明液態(tài)焊料填縫階段示意圖，圖4是本發(fā)明超聲波停止階段示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一(參見圖1～圖4)本實(shí)施方式的方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的一、用400#的砂紙打磨待焊件表面，然后在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，焊件晾干后，采用搭接接頭方式將鋁基復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上，上下焊件間隙控制在10～300μm之間；二、在搭接接頭側(cè)面放置焊料；三、加熱焊件和焊料使其達(dá)到焊接溫度使焊料熔化，到達(dá)保溫時(shí)間后停止加熱；四、將超聲波導(dǎo)入桿以0.1～0.3MPa的壓力施加于焊件表面；五、向焊件施加超聲波振動(dòng)，超聲波振動(dòng)頻率范圍為15～60K赫茲，超聲振幅為3～30μm，引入超聲時(shí)間為0.5～15s；六、超聲振動(dòng)結(jié)束后，移開超聲波導(dǎo)入桿，讓焊件自然冷卻即可。本實(shí)施方式所述鋁基復(fù)合材料為Al2O3；所述的焊料是Zn基釬料，該釬料由下列成分按重量百分比制成Cu3.22％、Mg0.82％、Mn0.91％、Fe0.01％、Si0.81％、Zn89.3％、Ni0.05％、Al4.2％、余量為雜質(zhì)；所述的Zn基釬料還有PTZn95Al、PTZn90Al或PTZn70Al；所述的焊料還有Al基釬料，分別為BAI67CuSi、BAI86SiCu、BAI86SiMg、BAI88SiMg、BAI89SiMg、Al60GeSi、HLAlSi12、HLAlSiMg10-1.5、HLAlSiCu10、HL403、HL401、HLAlSiMg12-1.5或B62；所述的焊料是桿狀、片狀或球狀；所述的焊接溫度是380～420℃；所述的保溫時(shí)間是3～6秒鐘；所述加熱方式是采用電爐加熱或采用高頻感應(yīng)線圈或火焰加熱；所述超聲波的導(dǎo)入為從上方焊件或下方焊件導(dǎo)入。
對(duì)用以上方法所得到的焊接接頭進(jìn)行剪切試驗(yàn)，接頭剪切強(qiáng)度為208.6MPa，約為母材的86.9％(母材剪切強(qiáng)度為240MPa)。
權(quán)利要求
1.鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，它是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的一、用400#的砂紙打磨待焊件表面，然后在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，焊件晾干后，采用搭接接頭方式將鋁基復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上，其特征在于上下焊件間隙控制在10～300μm之間；二、在搭接接頭側(cè)面放置焊料；三、加熱焊件和焊料使其達(dá)到焊接溫度使焊料熔化，到達(dá)保溫時(shí)間后停止加熱；四、將超聲波導(dǎo)入桿以0.1～0.3MPa的壓力施加于焊件表面；五、向焊件施加超聲波振動(dòng)，超聲波振動(dòng)頻率范圍為15～60K赫茲，超聲振幅為3～30μm，引入超聲時(shí)間為0.5～15s；六、超聲振動(dòng)結(jié)束后，移開超聲波導(dǎo)入桿，讓焊件自然冷卻即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述鋁基復(fù)合材料為Al2O3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述的焊料是Zn基釬料，該釬料由下列成分按重量百分比制成Cu3.22％、Mg0.82％、Mn0.91％、Fe0.01％、Si0.81％、Zn89.3％、Ni0.05％、Al4.2％、余量為雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述的焊料是桿狀、片狀或球狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述的焊接溫度是380～420℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述的保溫時(shí)間是3～6秒鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述加熱方式是采用電爐加熱或采用高頻感應(yīng)線圈或火焰加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，其特征在于所述超聲波的導(dǎo)入為從上方焊件或下方焊件導(dǎo)入。
全文摘要
鋁基復(fù)合材料超聲波毛細(xì)焊接方法，它涉及一種鋁基復(fù)合材料的焊接方法。本發(fā)明上下焊件間隙控制在10～300μm之間；在搭接接頭側(cè)面放置焊料；加熱焊件和焊料使其達(dá)到焊接溫度使焊料熔化，到達(dá)保溫時(shí)間后停止加熱；將超聲波導(dǎo)入桿以0.1～0.3MPa的壓力施加于焊件表面；向焊件施加超聲波振動(dòng)，超聲波振動(dòng)頻率范圍為15～60K赫茲，超聲振幅為3～30μm，引入超聲時(shí)間為0.5～15s。本發(fā)明具有焊接溫度低、焊接時(shí)間短，避免鋁基復(fù)合材料在真空條件下焊接，克服焊縫成形不良及接頭界面高溫有害反應(yīng)，改善接頭組織，實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料高效、高質(zhì)量焊接的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K20/10GK1644291SQ20051000964
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月19日
發(fā)明者閆久春, 許志武, 林思文, 楊士勤 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)