專利名稱：鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種鎂合金及其復(fù)合材料焊接方法。
背景技術(shù)：
鎂合金及其復(fù)合材料是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，鎂合金及其復(fù)合材料不僅有 較高的比強度和比剛度,而且具有優(yōu)良的散熱性能、電磁屏蔽性能、減震性能和機械加工性 能，尤其在航空、汽車、電子工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。由于鎂合金具有熔點較低，氧 化性極強以及結(jié)晶溫度區(qū)間寬等特點，在焊接加熱過程中容易氧化、燃燒，而且容易產(chǎn)生 裂紋、氣孔、空穴、夾渣及變形等，所以鎂合金的焊接成形是當今的研究熱點之一。目前 鎂合金及其復(fù)合材料的焯接主要是集中在電子束、激光、TIG電弧熔焊以及攪拌摩擦半固態(tài) 焊等方面的試驗研究，并且有些焊接方法己進入實用階段，然而在釬焊方面的研究很少。 由于釬焊對于精密尺寸結(jié)構(gòu)件的焊接具有較大優(yōu)勢，因此研究鎂合金及其復(fù)合材料的釬焯
工藝無疑具有重要意義。在鎂合金及其復(fù)合材料的釬焊過程中，基體表面的氧化膜的有效 去除是鎂合金釬焊成功的關(guān)鍵因素。鎂合金的表面氧化膜厚度通常可達到幾百個納米，在 釬焊溫度時氧化膜的厚度會明顯增厚，所以嚴重阻礙了釬料合金在基體表面的潤濕和鋪展， 最終導致釬料合金與基體合金冶金結(jié)合的失敗。在傳統(tǒng)的釬焊過程中，通常采用釬劑來去 除基體表面的氧化膜。然而，釬劑的使用往往會接頭產(chǎn)生嚴重的腐蝕問題。
另外，由于鎂基復(fù)合材料的特殊結(jié)構(gòu)特點導致其焊接性很差，增強相與基體在物理和 化學性質(zhì)方面的差異是焊接的主要難點。由于釬焊和瞬時液相焊可將焊接溫度控制在基體 與增強相不發(fā)生反應(yīng)的范圍內(nèi)，避免了熔化焊高溫帶來的增強相燒損和界面反應(yīng)的問題， 被認為較適于該種材料的焊接的方法，近幾年國內(nèi)外關(guān)于這方面研究的報道也最多。
但是，在上述的連接工藝過程中，為了使得復(fù)合材料的基體與基體或填充材料與基體形 成冶金連接,焊前必須清理焊件表面氧化膜，焊接過程必須在真空環(huán)境下進行，而且依靠壓 力變形破碎表面新生氧化膜。從實際應(yīng)用角度來看，焊接效率低，對于工程上采用的尺寸 稍大一點或壁薄的構(gòu)件來說，在真空條件下實現(xiàn)起來幾乎是不可能的，因此研究探索在非 真空環(huán)境下能夠進行連接技術(shù)是該類材料工程實際應(yīng)用的一條可行之路。另外，在常規(guī)的 過渡液相連接和反應(yīng)釬焊過程中，等溫凝固過程和自由狀態(tài)下的結(jié)晶過程往往造成焊縫中 增強體的推移，最后導致接頭中出現(xiàn)增強相偏聚區(qū)及無增強相區(qū)，嚴重影響了接頭的力學 性能。國內(nèi)外許多學者試圖通過選擇較薄的中間箔層來控制焊接過程中生成的液相共晶層 厚度的方法來改善偏聚，其難點是焊接過程對中間層厚度及待焊表面粗糙度要求較高；也有人采用增加增強體顆粒尺寸的方法，減小顆粒偏聚的程度，但從復(fù)合材料性能來看，一 般都追求微米、亞微米甚至是納米級的顆粒作為增強體制備復(fù)合材料，這兩方面的要求是 相互矛盾的，同樣也不可行。
本發(fā)明提出的連接原理如圖1所示，在半固態(tài)連接過程中通過施加適當?shù)臄嚢枇鍪?半固態(tài)合金中固相部分擠壓、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，使得半固態(tài)合金中液相部 分與復(fù)合材料基體發(fā)生適當?shù)臄U散溶解和同時增強對復(fù)合材料顆粒潤濕性，而且通過機械 攪拌均勻化焊縫中的增強體顆粒，并攪拌細化焊縫固相晶粒使顆粒在凝固時被現(xiàn)有固液界 面所捕獲，實現(xiàn)增強體均勻分布的復(fù)合焊縫。
與巳經(jīng)實現(xiàn)的振動液相摩擦、旋轉(zhuǎn)液相摩擦去除氧化膜工藝相比，此焊接過程中高粘 度的半固態(tài)合金釬料始終保持在待焊表面，既為釬料與母材的擴散溶解提供了合適的濃度 梯度，而且還在整個焊接過程中保護了待焊表面不被二次氧化，同時半固態(tài)機械攪拌連接 下無氣孔和非枝晶焊縫組織的獲得，也是此工藝非常突出的一個特點。
現(xiàn)有的無中間夾層的半固態(tài)連接工藝，通常是先加熱到母材的固液區(qū)間，然后對待焊 表面直接施加瞬間壓力(中國專利ZL200510040070.0)或施加攪拌力來實現(xiàn)連接的。與 以上工藝相比，此工藝具有以下兩個突出特點。其一，半固態(tài)中間夾層的引入，使連接可 在母材的固相線溫度以下進行，進一步降低了焊接溫度，同時也減少了母材軟化傾向。其 二，在連接過程中只對半固態(tài)釬料層進行攪拌，而母材無明顯的形變，可實現(xiàn)母材的精密 連接。
與現(xiàn)有的在真空條件下添加半固態(tài)中間層進行加壓來完成連接的工藝(中國專利
00107491.1)相比，此工藝中由于引入攪拌進程大大提高了連接過程中動態(tài)去膜能力，降 低工藝對焊接表面和焊接氛圍的嚴格要求，最終可實現(xiàn)材料的非真空條件下高效連接。另 外，申請人在專利號為200610010098.4的"鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動流變連 接方法"，提出通過半固態(tài)釬料的振動流變的方式，成功地破碎基體表面的氧化膜。然而進 一步的結(jié)果表明連接過程中振動引起的周期性壓縮一拉伸效應(yīng)容易使焊縫產(chǎn)生氣孔，極大 地限制了焊縫強度的提高。此工藝中攪拌頭僅進行平行于焊縫的直線運動無明顯的橫向位 移，大大避免了空氣的巻入，提高了焊縫的致密性?？v上所述，同時具有以上特征的半固 態(tài)連接技術(shù)國內(nèi)外未見有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種容易實現(xiàn)，使焊接工藝得以改善的鎂合金及其復(fù)合材料非 真空半固態(tài)攪拌釬焊方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其按以下步驟進行 (1)將以鎂合金或其復(fù)合材料為母材的焊件裝卡在焊接平臺上并在兩待焊表面放置
中溫釬料，加熱焊件，加熱溫度在380—43(TC之間，使所述釬料局部熔化,其中釬料固相率介于50 — 80%，即釬料處于高固相率的固液共存狀態(tài)；
(2) 隨即通過旋轉(zhuǎn)滑動裝置帶動攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為150—300轉(zhuǎn)/分鐘， 在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變，同時讓攪拌頭平行于焊縫的縱向滑動，滑動速度0.5—2cm/ 分鐘；
(3) 當攪拌頭滑動到焊縫終端，停止旋轉(zhuǎn)滑動，保溫時間在1一5分鐘，使焊件進一 步溶解；
(4) 隨后，再次啟動旋轉(zhuǎn)滑動裝置帶動攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為20—150轉(zhuǎn)/ 分鐘，并反方向滑動，滑動速度l一2cm/分鐘。當攪拌頭滑動到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)， 提起攪拌頭，保溫5—30分鐘后，隨爐冷卻。
所述的釬料可以是片狀，方柱狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面上的涂層。 所述的中溫釬料是Mg-Zn系或Mg-Zn-Al系中溫釬料中的一種。 所述的焊件的形狀可為方柱件或板件。 所述的旋轉(zhuǎn)源為電動旋轉(zhuǎn)電機或機械旋轉(zhuǎn)裝置。 所述的加熱方式可為電阻式加熱或電弧式加熱。 本發(fā)明提出的非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法可以實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料低成本、高效、 高質(zhì)量焊接，主要的優(yōu)點及達到的性能指標如下(參見圖1和圖3):
1、 本方法可在大氣環(huán)境和無需釬劑條件下，實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料的焊接，焊接表 面無需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接頭可靠，工程意義較為理想。
2、 在焊接過程中的第一次旋轉(zhuǎn)時，基體表面氧化膜破碎是通半固態(tài)釬料中的固相晶粒 對母材表面的摩擦來完成的，解決了諸如釬焊、擴散焊中氧化膜難以破碎的問題。
3、 一次旋轉(zhuǎn)后的升溫和保溫，使半固態(tài)釬料層進一步液化和提高了釬料中Zn在母材 中的擴散，從而導致母材進一步溶解，最終在母材一側(cè)形成一定寬度的溶解層。
4、 在焊接過程中的第二次旋轉(zhuǎn)時，通過攪拌流變進程，增強對復(fù)合材料顆粒潤濕性， 而且通過機械攪拌均勻化焊縫中的增強體顆粒，實現(xiàn)增強體均勻分布的復(fù)合焊縫，最終有 利于進一步提高了接頭的性能。
5、 在整個連接過程中只需釬料局部熔化，所以焊接溫度低，在45(TC以下，避免了鎂 基體燃燒及其復(fù)合材料的軟化，克服了熔化焊時母材熔化帶來的不良后果，如成型不佳， 增強相偏析，增強相/基體有害反應(yīng)等。
6、 適合精密及較大焊接表面鎂合金及其復(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，而得到了高強度
的接頭性能。


圖1是鎂合金非真空半固態(tài)攪拌釬焊原理示意圖； 圖2是非真空半固態(tài)攪拌釬焊設(shè)備示意圖；圖3是非真空半固態(tài)攪拌釬焊連接過程示意圖。
圖中l(wèi)焊件、2釬料、3電阻加熱器、4焊接平臺、5攪拌頭、6熱電偶、7軌道式 滑動平臺、8旋轉(zhuǎn)電機、9電機支架、IO氬氣
具體實施例方式
下面結(jié)合參見圖l、圖2和圖3對本發(fā)明作更詳細的描述
實施例l:將鎂合金焊件1裝卡在焊接平臺4上，并在兩待焊表面放置Mg-Zn中溫 釬料2，釬料2可以是片狀、方柱狀、鍍層或事先噴涂在待焊表面。通過電阻加熱器3加 熱焊件，加熱溫度在380—43(TC之間，如38(TC、 400°C、 420°C、 430°C，使釬料2局部熔 化。隨即啟動旋轉(zhuǎn)滑動裝置，由軌道式滑動平臺7帶動攪拌頭5移動，由安裝在電機支架 9上的旋轉(zhuǎn)電機8帶動其旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為150_300轉(zhuǎn)/分鐘，如150轉(zhuǎn)/分鐘、180轉(zhuǎn)/分 鐘、230轉(zhuǎn)/分鐘、280轉(zhuǎn)/分鐘、300轉(zhuǎn)/分鐘，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變，攪拌頭5平行 于焊縫的縱向移動速度0.5—2cm/分鐘，如0.5cm/分鐘、l.Ocm/分鐘、1.5cm/分鐘、2.0 cm/ 分鐘。當攪拌頭5移動到焊縫終端，旋轉(zhuǎn)滑動停止，保溫時間在1一5分鐘，l分鐘、3分 鐘、5分鐘，使焊件1進一步溶解。隨后，再次啟動旋轉(zhuǎn)滑動裝置，旋轉(zhuǎn)速度為20—150 轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭5反方向滑動，移動速度l一2cm/分鐘，1 cm/分鐘、1.5 cm/分鐘、2 cm/ 分鐘。當攪拌頭5移動到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭5，保溫5—30分鐘后，5 分鐘、IO分鐘、15分鐘、20分鐘、25分鐘、30分鐘，隨爐冷卻。
實施例2，本發(fā)明的第二種實施方式是在第一種實施方式的基礎(chǔ)上，在一次旋轉(zhuǎn)后， 保溫時間在1一2分鐘，如1分鐘、1.5分鐘、1.8分鐘或2分鐘，使焊件l進一步溶解。隨 后，再次啟動旋轉(zhuǎn)滑動裝置(二次旋轉(zhuǎn))，旋轉(zhuǎn)速度為100—150轉(zhuǎn)/分鐘，如100轉(zhuǎn)/分鐘、 120轉(zhuǎn)/分鐘、140轉(zhuǎn)/分鐘或150轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭反方向滑動，移動速度l一1.5cm/分鐘， 如lcm/分鐘、1.2cm/分鐘或1.5cm/分鐘。當攪拌頭移動到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起 攪拌頭，保溫15—30分鐘后，如15分鐘、20分鐘、25分鐘或30分鐘，隨爐冷卻。
權(quán)利要求
1、一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征在于其按以下步驟進行(1)將以鎂合金或其復(fù)合材料為母材的焊件裝卡在焊接平臺上并在兩待焊表面放置中溫釬料，加熱焊件，加熱溫度在380-430℃之間，使所述中溫釬料局部熔化，其中中溫釬料固相率介于50-80％，即中溫釬料處于高固相率的固液共存狀態(tài)；(2)隨即通過旋轉(zhuǎn)滑動裝置帶動攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為150-300轉(zhuǎn)/分鐘，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變，同時讓攪拌頭平行于焊縫的縱向滑動，滑動速度0.5-2cm/分鐘；(3)當攪拌頭滑動到焊縫終端，停止旋轉(zhuǎn)滑動，保溫時間在1-5分鐘，使焊件進一步溶解；(4)隨后，再次啟動旋轉(zhuǎn)滑動裝置帶動攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為20-150轉(zhuǎn)/分鐘，并反方向滑動，滑動速度1-2cm/分鐘；當攪拌頭滑動到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述中溫釬料是片狀、方柱狀、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所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述中溫釬料是Mg-Zn系或Mg-Zn-Al系中溫釬料中的一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述焊件的形狀為方柱件或板件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述攪拌頭的旋轉(zhuǎn)動力源為電動旋轉(zhuǎn)電機或機械旋轉(zhuǎn)裝置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述對焊件的加熱方式為電阻式加熱或電弧式加熱。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6之任何一項所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征在于所述步驟(3)，保溫時間在1一2分鐘，使焊件進一步溶解；所述步驟(4)，再次啟動旋轉(zhuǎn)裝置帶動攪拌頭，旋轉(zhuǎn)速度為100—150轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭反方向滑動，滑動速度l一1.5cm/分鐘，當攪拌頭滑動到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，保溫15 — 30分鐘后，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其先將以鎂合金或其復(fù)合材料為母材的焊件裝卡在焊接平臺上并在兩待焊表面放置中溫釬料，加熱焊件，溫度380-430℃，使釬料固相率介于50-80％；隨即啟動旋轉(zhuǎn)滑動裝置，旋轉(zhuǎn)速度150-300轉(zhuǎn)/分鐘，溫度恒定不變，攪拌頭平行于焊縫的縱向移動速度0.5-2cm/min；當攪拌頭移動到焊縫終端，旋轉(zhuǎn)滑動停止，保溫時間1-5分鐘，使焊件進一步溶解；再次啟動旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)速度20-150轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭反方向滑動，移動速度1-2cm/min。當攪拌頭移動到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。本發(fā)明可以實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料低成本、高效、高質(zhì)量焊接。
文檔編號B23K1/00GK101579767SQ200910104028
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者伍光鳳, 宏 葉, 暉 李, 李春天, 許惠斌 申請人:重慶理工大學