專利名稱：焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料焊接的方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于對環(huán)境和能源的關(guān)注，鋁基復(fù)合材料因為具有高的比強度、比剛度， 良好的阻尼性、減震性，并且極小的污染,所以越來越多在航空航天業(yè)、計算 機制造業(yè)、汽車制造業(yè)、網(wǎng)絡(luò)通訊工程等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。目前在焊接鋁基 復(fù)合材料時，常加入帶顆?；蚓ы氃鰪娤嗟奶畛洳牧蟻碓鰪婁X基復(fù)合材料的 接頭性能。但填充帶增強相的材料，或者由于母材的熔化或者由于填充材料的 溶解作用，增強相往往存在于液態(tài)焊縫金屬當(dāng)中。如果焊縫中的這些增強相凝 固之后能夠均勻分布，則它們將起到強化相的作用，使接頭的性能提高。相反， 增強相發(fā)生偏聚或者團(tuán)聚，將使接頭的性能將大大降低。當(dāng)前，鋁基復(fù)合材料 采用常規(guī)的焊接方法都是高溫將母材熔化，導(dǎo)致液態(tài)熔池中含有大量固態(tài)的增
強相，如SiC或Al203顆粒等，在熔池金屬凝固過程中，由于先結(jié)晶的固相組
織無法以這些增強相為形核基底，因而增強相往往被固一液界面推移到焊縫最 后凝固的區(qū)域，形成偏聚。另外，由于與焊縫金屬比重的差別，增強相也容易 出現(xiàn)上浮或者沉降現(xiàn)象。最終，焊縫中出現(xiàn)有的區(qū)域貧增強相，有的區(qū)域增強 相密集，接頭性能惡化。
而采用釬焊和瞬間液相擴散焊方法焊接鋁基復(fù)合材料時，釬料或者中間層
材料往往與母材的基體Al發(fā)生液相共晶，致使母材中的顆粒進(jìn)入到液態(tài)焊縫 中，在凝固時往往也出現(xiàn)類似于熔化焊過程中顆粒的推移及偏聚情況。特別是 這兩個方法中凝固速率一般比較慢，顆粒的偏聚傾向及程度更大。
為了提高接頭的綜合性能，顯然，必需改善增強相在焊縫中的最終分布。 目前，熔化焊方法主要是通過加快凝固速率，以減小焊縫基體金屬的生長，從 而降低增強相被推移的程度,然而這種方法所具有的焊接高溫往往還是使基體
金屬的組織比較粗大,焊縫中的增強相偏聚沒有得到根本地解決；釬焊與瞬間 液相擴散焊通過減少液態(tài)焊縫中包含的增強相，以達(dá)到降低其偏聚程度的目的。然而，這兩種方法將無法得到帶增強相的復(fù)合焊縫，而且接頭強度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有焊接鋁基復(fù)合材料時焊縫區(qū)域的增強相分布 不均且難以控制的問題，而提出的一種焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均 勻分布的方法。
焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布的方法按以下步驟實現(xiàn): 一、對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加熱，然后將填充材料填充到鋁基復(fù)合材料的焊縫中， 加熱至填充材料成為液相，在頻率為16 60KHz、振幅為10 40拜的條件下 超聲處理1 10s,隨后冷卻；二、冷卻至焊縫金屬的固相占焊縫金屬總體積 的30% 60%，再在頻率為16 60KHz、振幅為10 40,的條件下進(jìn)行超聲 處理l 6s，空冷至室溫，即得焊縫區(qū)域增強相均勻分布的鋁基復(fù)合材料的焊 接接頭。
本發(fā)明中液相與固相的形成溫度與待焊鋁基復(fù)合材料的填充材料的固一 液相線溫度有關(guān)，根據(jù)焊接材料的物理性質(zhì)通過控制形成溫度可以調(diào)控液相與 固相之間的體積比。
本發(fā)明利用超聲波在液相焊縫中產(chǎn)生的聲空化及聲流作用快速、徹底地分 散增強相；在焊縫凝固過程中細(xì)化基體組織，避免增強相被大規(guī)模推移，從而 達(dá)到原位凝固，使鋁基復(fù)合材料焊縫區(qū)域增強相能夠分布均勻。本發(fā)明工藝簡 單、設(shè)備簡單、過程周期短。


圖l是具體實施方式
十四中SiCp/ZL101Al鋁基復(fù)合材料焊接接頭的橫截
面背散射電子掃描圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分 布的方法按以下步驟實現(xiàn) 一、對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加熱，然后將填充材料填 充到鋁基復(fù)合材料的焊縫中，加熱至填充材料成為液相，在頻率為16 60KHz、 振幅為10 40nm的條件下超聲處理l 10s，隨后冷卻；二；冷卻至焊縫金屬 的固相占焊縫金屬總體積的30% 60%，再在頻率為16 60KHz、振幅為10 40pm的條件下進(jìn)行超聲處理1 6s，空冷至室溫，即得焊縫區(qū)域增強相均勻分布的鋁基復(fù)合材料的焊接接頭。
本實施方式中第一次對液相焊縫金屬進(jìn)行超聲處理的目的是使增強相分
布均勻；第二次對液相焊縫金屬進(jìn)行超聲處理，是通過對焊縫基體組織的細(xì)化， 可以避免增強相被固一液界面嚴(yán)重推移，這樣將使得增強相依然保持原有的均 勻分布狀態(tài)。
本實施方式中的超聲振動均是通過聲導(dǎo)桿從鋁基復(fù)合材料施加，可以只從 一側(cè)鋁基復(fù)合材料施加，也可以從兩側(cè)鋁基復(fù)合材料同時施加。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中鋁
基復(fù)合材料的鋁基體為純Al、 2A12A1、 2014A1、 2024A1、 6061A1、 6063Al、 7075Al、 ZL101A1或ZL102A1。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中填 充材料為釬料或焊絲。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
本實施方式中填充材料都是由Al基、Zn基或者Sn基合金及其復(fù)合材料 組成。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中增
強相為平均粒度為0.01 50pm的SiC、 A1203、 TiC、 TiB2、 A1N、 TiN或Zr02 顆粒，顆粒增強相占鋁基復(fù)合材料總體積的5% 70%。其它步驟及參數(shù)與具 體實施方式一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中鋁
基復(fù)合材料中增強相為平均尺寸為1 100pm的SiC、 Mg2B205或Al^B4033 晶須，晶須增強相占鋁基復(fù)合材料總體積的5% 30%。其它步驟及參數(shù)與具 體實施方式一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中鋁 基復(fù)合材料中增強相為按體積比為1:1混合的顆粒與晶須的混合物，顆粒與晶 須的混合物占鋁基復(fù)合材料總體積的10% 50%。其它步驟及參數(shù)與具體實施 方式一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中
在頻率為20 40KHz、振幅為20 30pm的條件下進(jìn)行超聲處理2 8s。其它 步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一的不同點是.步驟一中
對下試件在頻率為30KHz、振幅為25pm的條件下進(jìn)行超聲處理5s。其它步驟 及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟二中
冷卻至焊縫金屬的固相占焊縫金屬總體積的40% 50%。其它步驟及參數(shù)與具
體實施方式一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟二中
冷卻至焊縫金屬的固相占焊縫金屬總體積的45%。其它步驟及參數(shù)與具體實
施方式一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟二
中再在頻率為20 40KHz、振幅為20 30pm的條件下進(jìn)行超聲處理2 4s。 其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟二 中再在頻率為30KHz、振幅為25pm的條件下進(jìn)行超聲處理3s。其它步驟及參 數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十三本實施方式焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻 分布的方法按以下步驟實現(xiàn) 一、對Al2O3p/2024Al的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加熱， 然后將Zn-Al釬料涂覆在Al2O3p/2024Ai的鋁基復(fù)合材料的焊縫上，加熱至 Zn-Al釬料成為液相，在頻率為20KHz、振幅為10pm的條件下超聲處理3s， 隨后冷卻；二、冷卻至Zn-Al釬料的固相占Zn-Al釬料總體積的45。/a，再在頻 率為20KHz、振幅為10^im的條件下進(jìn)行超聲處理3s，空冷至室溫，即得焊縫 區(qū)域增強相均勻分布的鋁基復(fù)合材料的焊接接頭；其中Zn-Al釬料由重量百分 比為Al:5.24%、 Cu:2.96°/。、 Mg:0.39%、 Ag:0.43Q/o、 Si:0.11%、 Ni:0.1%、余量 為Zn組成。
本實施方式步驟一中對Al2O3p/2024Al的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行升溫是采用超
聲波毛細(xì)焊接方式進(jìn)行處理的。
本實施方式步驟一中Zri-Al釬料成為液相的溫度為410°C。 本實施方式步驟二中Zn-Al釬料的固相占Zn-Ai釬料總體積的45%時冷卻
至溫度37(TC，其中Zn-Al釬料的固一液相線為366 376。C。本實施方式得到的焊件，經(jīng)測得接頭剪切強度高可達(dá)238MPa，而不采取 本發(fā)明處理的接頭一般在200 MPa左右。
具體實施方式
十四本實施方式焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻 分布的方法按以下步驟實現(xiàn) 一、對SiCp/ZL101Al的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加熱， 然后將SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料涂覆在SiCp/ZL101Al的鋁基復(fù)合材料的焊縫上， 加熱至SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料成為液相，然后在頻率為20KHz、振幅為10,的 條件下超聲處理3s，隨后冷卻；二、冷卻至SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料的固相占 SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料總體積的45%,再在頻率為20KHz、振幅為10pm的條件 下進(jìn)行超聲處理3s，空冷至室溫，即得焊縫區(qū)域增強相均勻分布的鋁基復(fù)合 材料的焊接接頭；其中SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料由重量百分比為Al:5.24%、 Cu: 2.96%、 Mg:0.39%、 Ag:0.43%、 Si:0,ll%、 Ni:0.1%、余量為Zn組成。
本實施方式步驟一中對SiCp/ZL101Al的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行升溫是采用預(yù) 置釬料式的振動液相焊接的方式進(jìn)行處理的。
本實施方式步驟一中SiCp/Zri-Al復(fù)合釬料成為液相的溫度為385°C 。
本實施方式步驟二中SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料的固相占SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料總 體積的40%時冷卻至溫度374°C,其中SiCp/Zn-Al復(fù)合釬料的固一液相線為 368 380。C。
通過本實施方式得到的焊件，對焊接接頭橫截面進(jìn)行背散射電子掃描(如 圖1所示)，從圖1中可以看出SiC顆粒分布均勻，且焊縫的基體合金得到了 細(xì)化。經(jīng)測得接頭剪切強度高可達(dá)120MPa，與母材的強度相當(dāng)。
權(quán)利要求
1. 焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布的方法，其特征在于焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布的方法按以下步驟實現(xiàn)一、對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加熱，然后將填充材料填充到鋁基復(fù)合材料的焊縫中，加熱至填充材料成為液相，在頻率為16～60KHz、振幅為10～40μm的條件下超聲處理1～10s，隨后冷卻；二、冷卻至焊縫中金屬的固相占焊縫金屬總體積的30％～60％，再在頻率為16～60KHz、振幅為10～40μm的條件下進(jìn)行超聲處理1～6s，空冷至室溫，即得焊縫區(qū)域增強相均勻分布的鋁基復(fù)合材料的焊接接頭。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟一中鋁基復(fù)合材料的鋁基體為純A1、2A12A1、2014A1、 2024Al、 6061A1、 6063Al、 7075Al、 ZL101A1或ZU02A1。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟一中填充材料為釬料或焊絲。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟一中鋁基復(fù)合材料中增強相為平均粒度為0.01 50pm的SiC、 A1203、 TiC、 TiB2、 A1N、 TiN或Zr02顆粒，顆粒增強相占鋁基 復(fù)合材料總體積的5% 70%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟一中鋁基復(fù)合材料中增強相為平均尺寸為1 100^m 的SiC、Mg2B205或A118B4033晶須，晶須增強相占鋁基復(fù)合材料總體積的5% 30%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟一中鋁基復(fù)合材料中增強相為按體積比為1:1混合的 顆粒與晶須的混合物，顆粒與晶須的混合物占鋁基復(fù)合材料總體積的10% 50 %。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟一中在頻率為20 40KHz、振幅為20 30pim的條 件下進(jìn)行超聲處理2 8s。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟二中冷卻至焊縫中的金屬的固相占焊縫金屬總體積的 40 50%。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋁基復(fù)合材料使悍縫區(qū)域增強相均勻分布 的方法，其特征在于步驟二中再在頻率為20 40KHz、振幅為20 30pm的 條件下進(jìn)行超聲處理2 4s。
全文摘要
焊接鋁基復(fù)合材料使焊縫區(qū)域增強相均勻分布的方法，它涉及鋁基復(fù)合材料焊接的方法。它解決了現(xiàn)有焊接鋁基復(fù)合材料時焊縫區(qū)域的增強相分布不均且難以控制的問題。方法一、對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行加熱，然后將填充材料填充到焊縫中，并加熱至成為液相，超聲處理后冷卻；二、冷卻至焊縫金屬的固相占焊縫金屬總體積的30％～60％再進(jìn)行超聲處理，空冷至室溫，即得焊縫區(qū)域增強相均勻分布的鋁基復(fù)合材料的焊接接頭。本發(fā)明得到的鋁基復(fù)合材料接頭的焊縫區(qū)域增強相分布均勻，界面結(jié)合良好，而且具有良好的力學(xué)、物理性能，為焊接鋁基復(fù)合材料開辟了一條新的途徑，為鋁基復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
文檔編號C22F3/02GK101285160SQ20081006457
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者洋 張, 楊士勤, 許志武, 趙維巍, 閆久春 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)