CN102266995B

CN102266995B - 铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置

Info

Publication number: CN102266995B
Application number: CN 201110188257
Authority: CN
Inventors: 许惠斌; 罗泉祥; 周博芳; 曾友亮; 杜长华; 孙汇彬; 刘云浩; 戴不亚
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102266995A

Abstract

铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，由工作平台、测温及控制系统和搅拌头转速控制系统组成。所述工作平台包括焊接平台、X-Y滑动工作平台、气缸、压板、加热管、X-Y移动变速控制器。所述测温及控制系统包括安装在控制箱中的温度控制模块、接线柱及控制按钮、温度显示板及在焊接平台上焊接时测温的热电偶。搅拌头转速控制系统包括机头角度旋转装置、转速控制器、齿轮箱、电机、搅拌头安装夹具。搅拌头安装夹具在齿轮箱变速箱下，通过更换不同的搅拌头来实现不同板厚和材料的钎焊。本装置可在大气环境和无需钎剂条件下，实现铝合金及铝基复合材料的焊接，焊接表面无需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接头可靠。

Description

铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置

技术领域

本发明术语焊接技术领域，具体涉及一种焊接设置。

背景技术

铝基复合材料以其成本低、制备容易、耐磨性好、性能和功能可设计性强等突出优点脱颖而出，成为金属基复合材料中研究的主流，而且其在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景，被认为是二十一世纪最有希望的复合材料之一。但铝合金及其复合材料表面存在一层致密的氧化膜（Al₂O₃），钎焊过程中如去除不彻底，钎料对母材的润湿铺展能力将被大大降低，严重影响接头的成形及最终性能。特别是铝基复合材料的焊接研究远远落后于其它二次加工技术，是因为该材料的特殊结构特点导致其焊接性很差，增强相与基体在物理和化学性质方面的差异是焊接的主要难点。目前这些材料的钎焊采用钎剂，通过化学反应去除氧化膜，或者采用真空的焊接环境以避免厚且致密的氧化膜的生成来实现焊接，或者提高钎焊温度，基体部分软化甚至熔化在某种程度上可得到改善。然而，钎剂的使用一方面是增加了成本，另一方面钎剂一般都具有腐蚀性，如焊后清洗不完全，接头在服役过程中容易出现腐蚀破坏问题；真空环境的焊接限制了焊接的灵活性，结构稍复杂、尺寸稍大的构件的焊接变得困难，且该方法焊接周期长、成本高；钎焊温度过高易引起母材的过烧熔蚀，影响钎焊质量。

焊接工艺控制不当会导致基体熔化，扩散区中增强相偏聚；钎缝组织中存在无增强相层，无法保持母材原有的特殊组织及性能。这对接头有特殊性能要求的场合不适合，如需接头保持良好的抗阻尼特性及尺寸稳定性等。为了使得复合材料的基体与基体或填充材料与基体形成冶金连接,焊前必须清理焊件表面氧化膜，焊接过程必须在真空环境下进行，而且依靠压力变形破碎表面新生氧化膜。很多种焊接方法都达不到期望的结果，而人们常用的钎焊方法也存在有接头强度受钎料限制的问题，使得铝基复合材料的焊接性能达不到预期效果。

此外，对于含合金元素较高的铝合金系列，如铝镁系、铝铜系，铝锌系，液态钎料容易和母材中的合金元素相互作用而降低钎料的流动及铺展性，从而使接头的钎透率降低，性能下降。若通过提高钎焊温度来提高钎料的流动性及铺展性，这很有可能使母材软化甚至熔化，因为这些铝合金的固相线一般都比较低。特别的是，铝基复合材料的增强相往往是陶瓷纤维、晶须或者颗粒，一般钎料在正常钎焊条件下与增强相的润湿性及铺展性非常差，因而钎料在母材表面的润湿铺展势必是个问题。

利用半固态机械辅助搅拌可以解决低温下钎料在母材表面的润湿铺展，半固态连接过程中通过施加适当的搅拌力场使半固态合金中固相部分挤压、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，使得半固态合金中液相部分与复合材料基体发生适当的扩散溶解和同时增强对复合材料颗粒润湿性，而且通过机械搅拌均匀化焊缝中的增强体颗粒，并搅拌细化焊缝固相晶粒使颗粒在凝固时被现有固液界面所捕获，实现增强体均匀分布的复合焊缝。

而目前，还没有一种合适的钎焊装置可以实现这种半固态机械辅助搅拌钎焊。

发明内容

本发明旨在提供一种半固态机械辅助搅拌钎焊装置，实现铝合金及其复合材料在大气环境下焊接，克服这些材料在钎焊时使用钎剂或在真空环境下进行的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提出的铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置包括如下几部分组成：工作平台、测温及控制系统和搅拌头转速控制系统。

所述工作平台包括焊接平台、X-Y滑动工作平台、气缸、压板、加热管、X-Y移动变速控制器；其中焊接平台和气缸安装在X-Y滑动工作平台上，X-Y滑动工作平台由两个滑动方向垂直的平台组成，与X-Y移动变速控制器连接，气缸的工作端连接压板，压板位于焊接平台上方，加热管设置在焊接平台下；X-Y滑动工作平台的一侧设置有一丝杠导轨立柱。其中通过X-Y滑动工作平台可以实现工作平台X、Y方向的移动，移动速度为15mm/min~150mm/min；气缸、压板、气压表是一个整体，其作用是固定焊件，避免焊件在焊接过程中移动，其压力为0.01~5Mpa；加热管为石英加热管，单根加热管功率为300~800W。

所述测温及控制系统包括安装在控制箱中的温度控制模块、接线柱及控制按钮、温度显示板及在焊接平台上焊接时测温的热电偶；温度显示板显示的是焊接过程中热电偶检测位置的温度，热电偶一端与被检测工件相连，另一端通过控制面板上的接线柱与温度控制模块连接，温度控制模块与温度显示面板相连，温度从温度显示面板显示；其中温度控制模块通过调节输出电流从而实现对加热管发热功率的控制，同时温度控制模块有三个温度控制器分别通过在焊缝边缘中部、焊缝边缘两侧三点位置热电偶对三点的温度进行实时的测温及控温。

所述搅拌头转速控制系统包括机头角度旋转装置、转速控制器、齿轮箱、电机、搅拌头安装夹具；齿轮箱的外壳通过机头角度旋转装置与丝杠导轨立柱相连；电机的输出端连接齿轮箱，齿轮箱的输出端连接搅拌头安装夹具，搅拌头安装夹具位于焊接平台的上方。其中通过机头角度旋转装置可以实现搅拌头以非垂直的角度焊接，实现角度为-60°~60°；通过转速控制器可以实现不同转速的控制，转速为65r/min~6000r/min。

发明的优点如下：

1、运用本焊接设备可在大气环境和无需钎剂条件下，实现铝合金及铝基复合材料的焊接，焊接表面无需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接头可靠，工程意义较为理想。

2、适合精密及较大焊接表面铝合金及其复合材料构件的焊接。

3、此种焊接方法继承了钎焊的焊件尺寸变形小，焊接温度低的优点，而得到了高强度的接头性能。

4、在温度控制模块内设有3个温度控制器，从而拥有三路温度检测通道，可同时检测焊缝边缘中部、焊缝边缘两侧三个不同部位的温度变化。

5、拥有气压固定焊件，可降低劳动强度。

采用本装置焊接的材料，其性能指标可以达到：接头钎透率：≥85%，接头拉伸强度：≥75%。

附图说明

图1为本焊接装置的结构示意图；

图2为本焊接装置地焊接平台放大图。

图中：1控制箱、2X-Y移动速度控制器、3支座、4温度控制模块、5接线柱及控制按钮、6温度显示面板、7导轨立柱、8机头角度旋转装置、9搅拌头、10焊料、11母材、12加热管、13电机、14转速控制器、15齿轮箱、16搅拌头安装夹具、17热电偶、18气压表、19气缸、20压板、21焊接平台、22加热管、23X-Y滑动工作平台。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明焊接装置的详细结构组成以及使用过程。

参见图1和图2，本装置底部为控制箱1，温度控制模块4在控制箱内部，X-Y移动变速控制器2、温度显示板6、加热等控制按钮及各种接线柱分布在控制箱面板上。X-Y移动变速控制器2控制的是工作平台在X、Y轴的移动速度，通过控制X-Y滑动工作平台23的移动速度来实现对焊接速度的控制。温度显示板6显示的是焊接过程中热电偶检测位置的温度，热电偶17在焊接平台21上，一端与被检测工件相连，分别设置于焊缝边缘中部、焊缝边缘两侧三点位置，热电偶17的另一端通过控制面板上的接线柱与控制箱内的温度控制模块4连接，尤其控制。温度控制模块4与温度显示面板6相连，温度从温度显示面板显示。控制箱1的上面安装有X-Y滑动工作平台23，其由两个滑动方向垂直的平台组成，分别控制X、Y方向进行滑动。丝杠导轨立柱7安装在控制箱上，齿轮箱15的外壳通过机头角度旋转装置8与丝杠导轨立柱7相连，机头角度旋转装置8安装在丝杠导轨立柱7上，可上下移动。电机13的输出端连接带动齿轮箱15中的齿轮，齿轮箱15的输出端连接搅拌头安装夹具16，搅拌头安装夹具16位于焊接平台的上方。通过转速控制器14调整齿轮箱内齿轮的传动比来控制搅拌头旋转速度，通过更换夹持在搅拌头安装夹具16上的不同直径及类型的搅拌头9来实现不同板厚和材料的钎焊。在X-Y滑动工作平台安装有气缸19及气压表18，气缸19连接压板20，压板20在焊接过程中及冷却的过程中起到固定焊件的作用。压板位于焊接平台21上方，压在焊接平台上母材11上，搅拌头9对准母材之间的焊料10，加热管12设置在焊接平台下，焊接平台设在X-Y滑动工作平台23上。

本装置的使用过程如下：

焊接之前用180＃砂纸打磨铝基复合材料，如15％SiCp/ZAl101试件的待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗，待试件晾干后将其以对接接头形式装卡在卡具上并将Zn基或者Al基焊料片放置在两待焊表面之间。通过电阻加热使焊料处于半固态区间，固液分数范围是30-85%，加热温度范围是410℃-500℃，并通过热电偶控制、保持焊接温度。设置搅拌头转速为1500r/min，然后施加搅拌，焊接速度为15mm/min。当搅拌头移动到焊缝终端，停止旋转，提起搅拌头，对试件继续保温或者冷却，完成焊接。

所焊接的材料可以是工业纯Al或铝合金系，如Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Mg 系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系、Al-Si系、Al-Si -Cu系、Al-Si-Mg系合金中的一种；铝基复合材料的增强相可以是Al₂O₃、SiC连续纤维或短纤维（体积分数为2~25%）；SiC、Mg₂B₂O₅（硼酸镁）、Al₁₈B₄O₃₃（硼酸铝）晶须（体积分数为5~40%）；SiC、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN、TiN、ZrO₂颗粒（平均粒度0.01~50μm，体积分数5~50%）中的一种，其基体可以是工业纯Al及铝合金系，如如Al-Cu系、Al-Mn系、、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg 系Al-Si系、Al-Si-C系、Al-Si-Mg系合金中的一种。

所用的焊料可以是Zn基焊料Zn-Al-Cu（Zn：83.0％、Al:11.2%、Cu：3.22%、Mg:0.8%、Si:0.8%、Mn:0.9%、Fe:0.01%、Ni:0.05%、余量为杂质）、Zn95Al、Zn88Al、Zn70Al、Zn73Al、Zn60Cd、Zn58SnCu或者铝基焊料BAl67CuSi、Al60GeSi、HL401或B62中的一种。焊料可以是棒状、条状、片状及颗粒状。它的填充方式可以是预先涂敷于待焊表面或者焊接时放置于两待焊表面之间或者以半固态浆料填充。

所述的焊接接头形式可以是对接、搭接、T形接头的形式。

所用的加热方式可以是火焰加热、高频感应加热、电阻加热，焊接温度范围是380~600℃，保温时间为0~10分钟，搅拌头转速为65~4500r/min，焊接速度为15-72mm/min。

所用的X-Y移动速度控制器可以是齿轮变速器也可以是电子无级变速器。

Claims

1.铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，其特征在于：所述装置包括工作平台、测温及控制系统和搅拌头转速控制系统；

所述工作平台包括焊接平台、X-Y滑动工作平台、气缸、压板、加热管、X-Y移动变速控制器；其中焊接平台和气缸安装在X-Y滑动工作平台上，X-Y滑动工作平台由两个滑动方向垂直的平台组成，与X-Y移动变速控制器连接，气缸的工作端连接压板，压板位于焊接平台上方，加热管设置在焊接平台下；X-Y滑动工作平台的一侧设置有一丝杠导轨立柱；

所述测温及控制系统包括安装在控制箱中的温度控制模块、接线柱及控制按钮、温度显示板及在焊接平台上焊接时测温的热电偶；温度显示板显示的是焊接过程中热电偶检测位置的温度，热电偶一端与被检测工件相连，另一端通过控制面板上的接线柱与温度控制模块连接，温度控制模块与温度显示面板相连，温度从温度显示面板显示；其中温度控制模块通过调节输出电流从而实现对加热管发热功率的控制，同时温度控制模块对焊件工件进行实时的测温及控温；

所述搅拌头转速控制系统包括机头角度旋转装置、转速控制器、齿轮箱、电机、搅拌头安装夹具；齿轮箱的外壳通过机头角度旋转装置与丝杠导轨立柱相连；电机的输出端连接带动齿轮箱中的齿轮，齿轮箱的输出端连接搅拌头安装夹具，搅拌头安装夹具位于焊接平台的上方。

2.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，其特征在于：所述机头角度旋转装置的旋转角度为-60°~60°；转速控制器控制电机的转速为65r/min~6000r/min。

3.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，其特征在于：所述X-Y滑动工作平台的移动速度为15mm/min~150mm/min；气缸施加给压板的压力为0.01~5Mpa。

4.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，其特征在于：所述加热管为石英加热管，单根加热管功率为300~800W。

5.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，其特征在于：所述热电偶分别分布在焊缝边缘中部、焊缝边缘两侧，温度控制模块通过三个温度控制器对焊缝边缘中部、焊缝边缘两侧三点的温度进行实时的测温及控温。

6.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料半固态机械辅助搅拌钎焊装置，其特征在于：所述X-Y移动变速控制器是齿轮变速器或是电子无级变速器。