專利名稱：鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種鋁基復(fù)合材料焊接方法。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料以其成本低、制備容易、耐磨性好、性能和功能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，成為金屬基復(fù)合材料中研究的主流，而且其在航天、航空結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱和耐磨部件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有希望的復(fù)合材料之一。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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為獲得鋁基復(fù)合材料連接問(wèn)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，很多方法在高效性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面仍有一定問(wèn)題。下面分別對(duì)各種方法進(jìn)行介紹1、熔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(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(wèn)題(1)物理相容性問(wèn)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(guò)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，成型困難；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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)程中容易使復(fù)合材料產(chǎn)生過(guò)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、釬焊早在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(lái)對(duì)該方法的研究較少，其主要問(wèn)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(lái)說(shuō)，采用釬焊方法存在如下幾個(gè)問(wèn)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(guò)程中難以熔化，嚴(yán)重影響釬料在母材上的潤(rùn)濕與鋪展，成為鋁基復(fù)合材料釬焊的主要障礙之一。
(2)焊接工藝控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致基體熔化，擴(kuò)散區(qū)增強(qiáng)相偏聚；釬縫組織中殘留無(wú)增強(qiáng)相層，無(wú)法保持母材原有的特殊組織及特殊性能。這對(duì)接頭有特殊性能要求的場(chǎng)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(rùn)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(guò)高又易引起母材的過(guò)燒熔蝕，給釬焊過(guò)程帶來(lái)很大困難。
4、摩擦焊摩擦焊過(guò)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)嗔眩虼擞眠@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(jiǎn)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(wèn)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(guò)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(zhǎng)，設(shè)備昂貴，成本很高，焊件尺寸形狀也很受限制等缺點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用受到了限制。
6、瞬間液相焊瞬間液相擴(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(guò)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(wèn)題。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)選擇較薄的中間箔層來(lái)解決了該問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用意義來(lái)看，效率較低，工程實(shí)現(xiàn)起來(lái)較難。(2)瞬間液相焊接溫度一般也都超過(guò)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(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)。
7、高效鋁基復(fù)合材料液相振動(dòng)焊接方法哈爾濱工業(yè)大學(xué)閆久春等人發(fā)明的“高效鋁基復(fù)合材料液相振動(dòng)焊接方法”(專利號(hào)ZL.03111099.1)，主要依靠振動(dòng)條件下焊件表面微觀突起相互剪切和液態(tài)釬料金屬的適當(dāng)溶解的機(jī)理，來(lái)實(shí)現(xiàn)氧化膜的破碎和焊縫的成型。氧化膜的破除與焊縫成型是同時(shí)完成的，容易出現(xiàn)釬料流失問(wèn)題，焊縫成型條件比較苛刻。
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，擴(kuò)散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)得到了令人鼓舞的結(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，更具實(shí)際應(yīng)用意義的TLP焊接工藝尚需做出進(jìn)一步的努力。另外，鋁基復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法針對(duì)專利“高效鋁基復(fù)合材料液相振動(dòng)焊接方法”焊接成型條件苛刻的問(wèn)題，通過(guò)被焊表面不接觸的條件下液態(tài)金屬的流變?nèi)ツひ约昂缚p的半固態(tài)振動(dòng)流變成型，實(shí)現(xiàn)去膜與成型的分階段控制。從而，使焊接工藝的實(shí)現(xiàn)得到較大的改善。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種容易實(shí)現(xiàn)，使焊接工藝得以改善的鋁合金及復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的將鋁合金或鋁基復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上并在兩待焊表面放置中溫焊料，加熱焊件，加熱溫度在380-400℃之間，使中間層焊料熔化，啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1-1.5mm，在振動(dòng)過(guò)程中溫度恒定不變，振動(dòng)時(shí)間為10-300秒，振動(dòng)停止后，溫度升溫至450-520℃之間，保溫時(shí)間在1-5分鐘，隨后，再次啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1-1mm，待振動(dòng)3-60秒之后，停止振動(dòng)，同時(shí)加壓力并保持恒定值，壓力范圍為0.1-2MPa，到保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。
本發(fā)明還可以包括這樣一些特征1、所述的焊料可以是片狀，箔狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面上的涂層。
2、所述的中溫焊料是Zn-Al系或Al-Si系中溫釬料中的一種。
3、所述的焊件的形狀可為棒件、厚板件或方柱件。
4、所述的振動(dòng)的振動(dòng)源為電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)或機(jī)械振動(dòng)臺(tái)。
非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，可以實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料低成本、高效、高質(zhì)量焊接。本方法主要的特點(diǎn)及達(dá)到的性能指標(biāo)為1、本方法可在大氣環(huán)境和無(wú)需釬劑條件下，實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的焊接，焊接表面無(wú)需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接頭可靠，工程意義較為理想。
2、焊接溫度低，在520℃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(lái)的不良后果，如成型不佳，增強(qiáng)相偏析，增強(qiáng)相/基體有害反應(yīng)等。
3、在整個(gè)連接過(guò)程中的第一次振動(dòng)中，上下試件表面始終不接觸，氧化膜破碎是通過(guò)熔化的液態(tài)釬料金屬對(duì)母材表面的沖刷來(lái)完成的，解決了諸如釬焊、擴(kuò)散焊中氧化膜難以去除的問(wèn)題。
4、一次振動(dòng)后的升溫及保溫階段，通過(guò)中間層中Zn在母材晶間及增強(qiáng)相與基體間界面的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致母材晶粒的局部融化。最終在母材一側(cè)形成固液共存的半固態(tài)區(qū)。
5、在焊接過(guò)程中的第二次振動(dòng)時(shí)，通過(guò)振動(dòng)流變進(jìn)程，從焊縫中擠出多余的液相、顆粒及一次振動(dòng)形成的孔洞。從而，縮短焊縫與母材成分均勻化所需的時(shí)間。而且，通過(guò)振動(dòng)的介入，使溶解的母材中的顆粒進(jìn)入焊縫，從而形成具有復(fù)合接頭的焊縫。從而，進(jìn)一步提高了接頭的性能。
6、適合精密及較大焊接表面鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的焊接。
7、此種焊接方法繼承了釬焊的焊件尺寸變形小，焊接溫度低的優(yōu)點(diǎn)，而得到了近似瞬間液相擴(kuò)散焊的接頭性能。
焊接接頭可達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)為接頭拉伸強(qiáng)度 ≥80％延伸率≥1.5％

圖1是鋁基復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接的原理圖；圖2是非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接過(guò)程示意圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述結(jié)合圖1，將鋁基復(fù)合材料焊件6裝卡在卡具2上并在兩待焊表面放置Zn-Al等中溫焊料5，焊料可以是片狀，箔狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面。通過(guò)高頻感應(yīng)線圈4加熱焊件，加熱溫度在380-400℃之間，加熱溫度通過(guò)熱點(diǎn)偶3控制，加熱使中間層焊料熔化，啟動(dòng)振動(dòng)裝置7，振幅為0.1-1.5mm，在振動(dòng)過(guò)程中溫度恒定不變，振動(dòng)時(shí)間為10-300秒。振動(dòng)停止后，溫度按一定的升溫速率上升，并且在預(yù)定的溫度下保溫，使釬料溶解一定厚度的母材，保溫溫度在450-520℃之間，保溫時(shí)間在1-5分鐘。隨后，再次啟動(dòng)振動(dòng)裝置、進(jìn)行二次振動(dòng)，振幅為0.1-1mm，待振動(dòng)3-60秒之后，停止振動(dòng)，同時(shí)通過(guò)汽缸1加壓力并保持恒定值，壓力范圍為0.1-2MPa，到保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。所述的焊料可以是片狀，箔狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面上的涂層。所述的中溫焊料是Zn-Al系或Al-Si系中溫釬料中的一種。所述的焊件的形狀可為棒件、厚板件或方柱件。所述的振動(dòng)的振動(dòng)源為電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)或機(jī)械振動(dòng)臺(tái)。
本發(fā)明的第二種實(shí)施方式是在第一種實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，振動(dòng)后的保溫溫度控制在450-480℃之間，保溫時(shí)間在2-5分鐘。隨后，再次啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1-0.5mm，待振動(dòng)30-60秒之后，停止振動(dòng)，同時(shí)加壓力并保持恒定值，壓力范圍為1-2MPa，到保溫15-30分鐘后，隨爐冷卻。
權(quán)利要求
1.一種鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，其特征是將鋁合金或鋁基復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上并在兩待焊表面放置中溫焊料，加熱焊件，加熱溫度在380-400℃之間，使中間層焊料熔化，啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1-1.5mm，在振動(dòng)過(guò)程中溫度恒定不變，振動(dòng)時(shí)間為10-300秒，振動(dòng)停止后，溫度升溫至450-520℃之間，保溫時(shí)間在1-5分鐘，隨后，再次啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1-1mm，待振動(dòng)3-60秒之后，停止振動(dòng)，同時(shí)加壓力并保持恒定值，壓力范圍為0.1-2MPa，到保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，其特征是所述的焊料可以是片狀，箔狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面上的涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，其特征是所述的中溫焊料是Zn-Al系或Al-Si系中溫釬料中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，其特征是所述的焊件的形狀可為棒件、厚板件或方柱件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，其特征是所述的振動(dòng)的振動(dòng)源為電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)或機(jī)械振動(dòng)臺(tái)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-6任何一項(xiàng)所述的鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連接方法，其特征是振動(dòng)后的保溫溫度控制在450-480℃之間，保溫時(shí)間在2-5分鐘；隨后，再次啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1-0.5mm，待振動(dòng)30-60秒之后，停止振動(dòng)，同時(shí)加壓力并保持恒定值，壓力范圍為1-2MPa，到保溫15-30分鐘后，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種鋁合金及其復(fù)合材料非真空振動(dòng)流變連接方法。其特征是將鋁合金或鋁基復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上并在兩待焊表面放置中溫焊料，加熱焊件，加熱溫度在380－400℃之間，待填加焊料熔化后，啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1－1.5mm。在振動(dòng)過(guò)程中溫度恒定不變，振動(dòng)時(shí)間為10－300秒。振動(dòng)停止后，將溫度升高至450－520℃之間，保溫1－5分鐘。隨后，再次啟動(dòng)振動(dòng)裝置，振幅為0.1－1mm，待振動(dòng)3－60秒之后，停止振動(dòng)，同時(shí)施加恒定壓力，壓力范圍為0.1－2MPa，并保溫5－30分鐘后，隨爐冷卻。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)鋁合金及鋁基復(fù)合材料低成本、高效、高質(zhì)量焊接。
文檔編號(hào)B23K20/22GK1876302SQ200610010098
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者閆久春, 許惠斌, 石磊, 李大成, 許志武, 楊士勤 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)