CN101941121B

CN101941121B - 用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝

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Publication number: CN101941121B
Application number: CN 201010122787
Authority: CN
Inventors: 雷玉成; 胡文祥; 薛厚禄; 陈希章
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: CN101941121A

Abstract

本发明涉及新型焊接材料领域，特指用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊焊接的药芯焊丝。药芯焊丝由外皮和芯粉两部分组成。外皮由铝硅合金制成的铝箔，其中铝的质量占铝箔总质量的85～95％，硅的质量占铝箔总质量的为5～15％。铝箔厚度为0.15～0.55mm。芯部药粉的粉末粒度在20nm～200μm，按不同比例进行配比，应用球磨混料机将配置好的粉末充分混匀，然后将药粉装在铝箔内卷成圆筒状截面，经轧拔加工制成焊丝，药芯焊丝直径为1.5～3.0mm。本发明应用药芯铝焊丝对颗粒增强铝基复合材料的熔化焊接，能根据不同焊接要求，方便地调节包裹药粉的成分和填充率，使熔敷金属能最大程度地满足力学性能及工艺性能的要求。

Description

用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝

技术领域

本发明涉及新型焊接材料领域，特指用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊焊接的药芯焊丝。

背景技术

铝基复合材料的基体是一些塑性、韧性好的金属，其焊接性一般都比较好；但是增强相是高强度、高弹性模量、高熔点、低线膨胀系数的非金属，焊接性都很差，这种特点使铝基复合材料的焊接性能难以控制，从而阻碍了其工业化的应用。熔化焊是所有焊接方法中适应性最强、工艺最成熟、应用范围最广的焊接方法。因而铝基复合材料的熔化焊这一研究方向具有很高的研究价值。如在这方面找到突破口，将大大加快铝基复合材料的工业化进程。

颗粒增强铝基复合材料的熔化焊焊接中存在以下问题：

①增强相基体之间的浸润性差，不使用填充元素来提高它们之间的润湿性时，在强大的电弧热作用下，Al在电弧力的作用下从熔池中心推向边缘，不容易形成稳定的焊接熔池，焊接接头性能下降。②在焊接高体积分数增强颗粒的复合材料时，由于熔池的流动性差，在焊缝处容易形成偏析和气孔，影响焊接接头的力学性能。③复合材料中的基体Al是很活泼的化学元素，在高温条件下很容易与增强材料发生反应，在界面生成针状脆性化合物，如SiC_p/Al会生成Al₄C₃，分布在SiC界面，大大削弱了增强相的作用，降低了接头近缝区的强度。④熔化结晶过程中由于熔池凝固时的成分过冷现象，增强相(如SiC或Al₂O₃颗粒)被推至熔合线处或熔池的最前端，不能成为结晶核心，极易引起焊缝组织发生脆化分层，形成结晶裂纹，大大降低接头强度。⑤复合材料基体与增强相的导热系数、热膨胀系数等物理性能有显著差别，经过强大的焊接热循环后，在基体与增强体界面上产生大量微区残余应力，使接头性能下降。

目前，在熔化焊接颗粒增强铝基复合材料时，主要是通过实芯焊丝或合金片的形式向熔池内部添加合金元素，这些元素在熔池内部发生原位反应，进而抑制针状脆性化合物和气孔等焊接缺陷的形成。但是由于合金片和实心焊丝，从制备到使用的过程中经历了多次高温熔化，部分元素烧损严重，从而很难控制向焊接熔池内部加入的元素量，不利于熔池内部的原位反应的进行。且在焊接过程中直接填加合金片或实心焊丝时，焊缝成形差，焊接接头强度偏低。

药芯焊丝制备工艺简单，成分易调节，可针对焊接过程中出现的问题，及时调整药芯焊丝的药粉成分，精确控制向焊接熔池内部添加元素，抑制有害界面反应的发生，减少气孔。同时，通过调节添加成分诱发原位反应的进行，在焊缝中生成新的增强相，提高焊缝的力学性能，得到焊缝成形较好的焊接接头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊接的药芯铝焊丝，以有效抑制焊接过程中的有害界面反应，形成外观良好的焊缝，减少气孔的生成，提高焊缝组织的力学性能。

药芯焊丝由外皮和芯粉两部分组成。外皮由铝硅合金制成的铝箔，其中铝的质量占铝箔总质量的85～95％，硅的质量占铝箔总质量的为5～15％。铝箔厚度为0.15～0.55mm。芯部药粉的粉末粒度在20nm～200μm，按不同比例进行配比，应用球磨混料机将配置好的粉末充分混匀，然后将药粉装在铝箔内卷成圆筒状截面，经轧拔加工制成焊丝，药芯焊丝直径为1.5～3.0mm。

芯部粉末总质量占药芯焊丝总质量的10％～30％，芯部各个成分占药粉总比重(质量分数)应如下：

(一)金属粉末药芯：

Ti：30％～45％；从Mg、Ni、稀土(La或Yi)中任意选取一种或一种以上，各自含量应达到：Mg 10％～25％，Ni10％～25％，稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

即Ti 30％～45％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

Ti 30％～45％；Mg 10％～25％；其余Al。

Ti 30％～45％；Ni 10％～25％；其余Al。

Ti 30％～45％；Mg 10％～25％；Ni10％～25％；其余Al。

Ti 30％～45％；Mg 10％～25％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

Ti 30％～45％；Ni 10％～25％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

Ti 30％～45％；Mg 10％～25％；Ni 10％～25％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

上述焊丝中总药粉质量占药芯焊丝的质量百分比优选20％，粉末中Ti的质量分数优选40％，Mg或Ni优选20％，稀土(La或Yi)优选5％。药芯焊丝铝皮中Si的质量百分数优选7％。

(二)非金属粉末药芯

①K₂ZrF₆25％～45％；KBF₄25％～45％；其余Al。②TiO₂25％～45％；B₂O₃25％～45％；其余Al。③Zr(CO₃)₂25％～45％；KBF₄10％～18％；其余Al。其中总药粉质量占药芯焊丝的质量百分比优选30％，药芯焊丝铝皮中Si的含量优选5％。

(三)混合粉末药芯

Ti 20％～30％；K₂ZrF₆20％～35％；KBF₄20％～35％；其余Al。

Ti 20％～30％；Zr(CO₃)₂25％～45％；KBF₄10％～18％；其余Al。

Ni 10％～25％；TiO₂20％～35％；B₂O₃20％～35％；其余Al。

Ni 10％～25％；K₂ZrF₆20％～35％；KBF₄20％～35％；其余Al。

Ni 10％～25％；Zr(CO₃)₂25％～45％；KBF₄10％～18％；其余Al。

Mg 10％～25％；K₂ZrF₆20％～35％；KBF₄20％～35％；其余Al。

Mg 10％～25％；TiO₂20％～35％；B₂O₃20％～35％；其余Al。

Mg 10％～25％；Zr(CO₃)₂25％～45％；KBF₄10％～18％；其余Al。

K₂ZrF₆20％～35％；KBF₄20％～35％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

TiO₂20％～35％；B₂O₃20％～35％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al

Zr(CO₃)₂25％～45％；KBF₄10％～18％；稀土(La或Yi)3％～5％；其余Al。

混合粉末药芯焊丝中总药粉质量占焊丝的质量百分比优选30％，粉末中Ti的质量分数优选25％，Mg或Ni优选20％，稀土(La或Yi)优选3％。药芯焊丝铝皮中Si的质量百分数优选7％。

本发明具有以下优点：

①应用药芯铝焊丝对颗粒增强铝基复合材料的熔化焊接，能根据不同焊接要求，方便地调节包裹药粉的成分和填充率，使熔敷金属能最大程度地满足力学性能及工艺性能的要求。

②通过药芯焊丝向熔池内部加入的合金元素化学活性高，能够有效减少了SiC颗粒的烧损，从而抑制了脆生相的生成。

③由于熔池的温度高，加入焊缝的药芯成分能够充分反应，生成的新生增强相，有效改善了焊接接头的力学性能。

④该焊丝具有良好的焊接工艺性，可在Ar、He等气体保护熔化焊下进行焊接，焊逢金属力学性能高，而且还具有成型美观、飞溅小，无气孔和可全方位焊接等优点.

附图说明

图1实施例1的正面焊缝宏观组织图

图2实施例1的反面焊缝宏观组织图

图3实施例1的焊缝微观组织图

图4实施例1的焊缝XRD分析图

具体实施方式

实施例1

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的20％，药芯粉末为40Ti-20Ni-Al，焊丝铝皮为7Si-Al，对SiCp/6061复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，由图1、图2可以看出：通过添加药芯焊丝能够得到宏观成形良好的焊接接头。综合图3、图4可以看出：焊接接头处形成了TiC、TiN、AlN、Al₃Ti、Ni₃Al、NiTi₂和Ti₅Si₃等增强颗粒，颗粒的尺寸在4μm以下，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度为262MPa。

实施例2

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的20％，药芯粉末为40Ti-20Mg-Al，焊丝铝皮为7Si-Al，对SiCp/6061复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明：TiC、TiN、AlN、Al₃Ti、MgAl₂O₄和Mg₃N等增强颗粒，颗粒的尺寸在5μm以下，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度为267MPa。

实施例3

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的20％，药芯粉末为40Ti-20Mg-5La-Al，焊丝铝皮为7Si-Al，对SiCp/6061复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明：焊接接头处形成了TiN，TiC，Ti₅Si₃，AlN，AlTi，Al₃Ti和SiC等增强颗粒，颗粒的尺寸在0.5-3μm，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为263Mpa。

实施例4

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的30％，药芯粉末为Al-30％Zr(CO₃)₂-12％KBF₄，焊丝铝皮为5Si-Al，对SiCp/6061复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明：焊接接头处形成了ZrB₂、Al₃Zr和Al₂O₃等增强颗粒，颗粒的尺寸在0.5-4μm，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为250Mpa。

实施例5

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的30％，药芯粉末为17Ni-30TiO₂-30B₂O₃-Al，焊丝铝皮为7Si-Al，对SiCp/6061复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明：焊接接头处形成了TiB₂、Ti₅Si₃、Ni₃Al和Al₂O₃等增强颗粒，颗粒的尺寸在0.5-2μm，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为248MP。

实施例6

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的30％，药芯粉末为25Ti-30K₂ZrF₆-30KBF₄-Al，焊丝铝皮为7Si-Al，对SiCp/6061复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明：焊接接头处形成了TiC、Al₃Ti、Ti₅Si₃、TiAl和ZrB₂等增强颗粒，颗粒的尺寸在0.5-5μm，颗粒分布均匀，且小于母材增强相颗粒，焊接接头的拉伸强度约为246Mpa。

实施例7

应用药芯焊丝直径为

焊丝药粉占药芯焊丝总质量的30％，药芯粉末为35Zr(CO₃)₂-14KBF₄-4La-Al，焊丝铝皮为7Si-Al，对Al₂O₃P/A356复合材料进行焊接。焊前将药芯焊丝放入真空烘箱，保温200℃烘干三小时，待焊丝冷却后取出烘箱，用180^#砂纸打磨母材和药芯焊丝去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用Ar+25％N₂作为离子气，离子气流量为3L/min，以Ar作为保护气，保护气流量为9L/min，焊接电流为80A，焊接速度为60mm/min，药芯焊丝添加速度为40mm/min～80mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明：焊接接头处形成了ZrB₂、Al₃Zr和Al₂O₃等增强颗粒，颗粒的尺寸在0.5-3μm，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为252Mpa。

Claims

1.用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝由外皮和芯粉两部分组成；外皮由铝硅合金制成的铝箔，芯粉质量占药芯焊丝总质量的10%～30%；所述芯粉为金属粉末药芯，成分按重量百分比计算，具体为：

Ti 30%～45% ； Mg 10%～25% ；其余 Al、

Ti 30%～45% ； Ni 10%～25% ；其余 Al、

Ti 30%～45% ；Mg 10%～25% ；稀土La或Yi3%～5% ；其余Al、

或为非金属粉末药芯，成分按重量百分比计算，具体为：

TiO₂ 25%～45%；B₂O₃ 25%～45%；其余Al、

或Zr(CO₃)₂ 25%～45%；KBF₄10%～18%；其余Al；

或为混合粉末药芯，成分按重量百分比计算，具体为：

Ti 20%～30% ；K₂ZrF₆ 20%～35%；KBF₄ 20%～35%；其余Al、

或Zr(CO₃)₂ 25%～45%；KBF₄10%～18%；稀土La或Yi3%～5%；其余Al。

2.如权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：铝箔中铝的质量占铝箔总质量的85～95%，硅的质量占铝箔总质量的为5～15%，铝箔厚度为0.15～0.55mm。

3.如权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：药芯焊丝直径为1.5~3.0mm。

4.如权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：芯粉为金属粉末药芯时，芯粉质量占药芯焊丝的质量百分比为20%，芯粉中Ti的质量分数为40%，Mg为20%，稀土La或Yi为5%。

5.如权利要求2所述的用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：芯粉为金属粉末药芯或混合粉末药芯时，铝箔中中Si的质量百分数为7%。

6.如权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：芯粉为非金属粉末药芯时，芯粉质量占药芯焊丝的质量百分比为30%。

7.如权利要求2所述的用于颗粒增强铝基复合材料熔化焊的药芯焊丝，其特征在于：芯粉为非金属粉末药芯时，铝箔中中Si的质量百分数为5%。