CN103008869A - 铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法 - Google Patents
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Abstract
铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法，本发明涉及铝合金与颗粒增强铝基复合材料的电子束辅助热源扩散焊接方法。本发明是要解决颗粒增强铝基复合材料进行传统熔化焊接技术时产生的金属烧损严重、界面反应、气孔等问题。一、对待焊接的两块母材进行预处理；二、将两块母材放入焊接夹具并施加压力挤压母材；三、抽真空处理；四、采用上散焦模式进行第一次焊接；五、进行第二次焊接；六、真空冷却即完成了铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法。属于加压辅助焊接领域。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金与颗粒增强铝基复合材料的电子束辅助热源扩散焊接方法，属于加压辅助焊接领域。
背景技术
铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌握，易于加工等。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。
颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。若能成功实现颗粒增强铝基复合材料与铝合金的连接，必将以其独特优势在工业领域占据重要位置。
但是，由于铝基复合材料的颗粒增强相与基体之间的物化性能差异很大，在与异种金属进行传统熔焊时焊缝成形较差，且在高温下容易发生界面反应，尤其在与铝合金焊接时，易在铝合金一侧产生气孔，影响接头性能。因而，尽快解决铝基复合材料与铝合金的焊接性问题是实现其应用价值的关键。目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。
发明内容
本发明是要解决颗粒增强铝基复合材料进行传统熔化焊接技术时产生的金属烧损严重、界面反应等问题，而提供的铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法。
铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金进行预处理；
二、将碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金放入焊接夹具中，调整碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的相对位置为碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的缝隙0～0.1mm；
三、将固定的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金放入真空室内，然后抽真空至真空度为5×10-4Pa～5×10-2Pa；
四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的对接面处进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2800mA，焊接电子束流为2mA～8mA，焊接速度为4mm/s～10mm/s；
五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2800mA，电子束流为2mA～8mA，焊接速度为4mm/s～10mm/s；
六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法。
发明效果：
本发明与常规焊接方法不同之处在于采用特殊焊接夹具固定母材，并对母材接触面施加压力，同时利用复合焊接的方法，以散焦电子束作为加热热源对铝合金与颗粒增强铝基复合材料进行电子束辅助热挤压扩散连接，通过进行圆形扫描，往复扫描多次并控制焊接速度，进而实现增加焊接温度和保温时间的效果。本发明一方面可以使铝合金与颗粒增强铝基复合材料焊缝形成良好的扩散冶金结合，接头没有铝基体烧损产生的凹槽，焊缝成形好；另一方面能够减弱或消除界面反应，获得连续分布的焊缝组织，避免了脆性相的生成和初生硅长大，同时还可减弱铝合金中气孔的产生，从而改善接头微观组织，继而提高接头抗拉强度。
附图说明
图1是试验1中的焊接夹具的结构示意图；
图2是试验1中的焊接夹具外壳示意图；
图3是试验1中的焊接夹具中的垂直固定杆示意图；
图4是试验1中的焊接夹具中底部垫板示意图；
图5是试验1中的焊接夹具中滑动前挡板示意图；
图6是试验1中的焊接夹具中滑动后挡板示意图；
图7是试验1中焊接夹具使用示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金进行预处理；
二、将碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金放入焊接夹具中，调整碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的相对位置为碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的缝隙0～0.1mm；
三、将固定的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金放入真空室内，然后抽真空至真空度为5×10-4Pa～5×10-2Pa；
四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的对接面处进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2800mA，焊接电子束流为2mA～8mA，焊接速度为4mm/s～10mm/s；
五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2800mA，电子束流为2mA～8mA，焊接速度为4mm/s～10mm/s；
六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法。
其中铝合金材料采用7系铝合金为Al-Zn-Mg系合金；
本实施方式中的第二次焊接的方向与第一次焊接方向相反，但轨迹与第一次焊接的轨迹相重合；
本实施方式中以步骤四第一次焊接和步骤五第二次焊接作为一个周期，可重复0～4个周期，每完成一个周期，电子束流就相对于上一周期有所降低，每周期焊接电流大小分别为6mA、5mA、4mA、4mA，这是为了减弱热累积作用的影响，避免热输入过大，其他工艺参数均保持不变；
本实施方式中工艺参数与焊接电流根据焊接的母材尺寸变化而改变。
本实施方式效果：
本实施方式与常规焊接方法不同之处在于采用特殊焊接夹具固定母材，并对母材接触面施加压力，同时利用复合焊接的方法，以散焦电子束作为加热热源对铝合金与颗粒增强铝基复合材料进行电子束辅助热挤压扩散连接，通过进行圆形扫描，往复扫描多次并控制焊接速度，进而实现增加焊接温度和保温时间的效果。本实施方式一方面可以使铝合金与颗粒增强铝基复合材料焊缝形成良好的扩散冶金结合，接头没有铝基体烧损产生的凹槽，焊缝成形好；另一方面能够减弱或消除界面反应，获得连续分布的焊缝组织，避免了脆性相的生成和初生硅长大，同时还可减弱铝合金中气孔的产生，从而改善接头微观组织，继而提高接头抗拉强度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中预处理方法为对待焊接的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述颗粒增强铝基复合材料由2A12铝基体和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中，其中2A12铝基体的成分按重量分数为Cu：4.4％、Mg：1.5％、Mn：0.6％、杂质≤0.15％、余量为Al。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中的焊接夹具由由由夹具外壳1、夹具底座2、垂直固定装置和水平固定装置构成，其中所述夹具外壳1固定连接在夹具底座2上，夹具外壳1的两个相对的侧壁上设置有滑动导槽1-1，夹具外壳1的后壁上设置有限位孔1-2，所述垂直固定装置设在夹具外壳1内部前端，垂直固定装置由垂直固定杆3和底部垫板4构成，所述垂直固定杆3两端通过紧固螺丝3-1卡合在夹具外壳1两侧壁上，底部垫板4设在垂直固定杆3正下方，其中，底部垫板4上设有两个凸起的固定条4-1并与垂直固定杆3相对，所述水平固定装置设在夹具外壳1内部后端，水平固定装置由限位螺丝5、滑动前挡板6、滑动后挡板7和弹簧8构成，其中，滑动前挡板6的两端设置有前挡板凸起6-1，滑动前挡板6侧面设有第一弹簧限位销6-2，滑动后挡板7的两端设置有后挡板凸起7-1，滑动后挡板7侧面设有第二弹簧限位销7-2，滑动前挡板6两端的前挡板凸起6-1与滑动后挡板7的后挡板凸起7-1都嵌入滑动导槽1-1中，弹簧8通过第一弹簧限位销6-2与第二弹簧限位销7-2固定在滑动前挡板6与滑动后挡板7之间，限位螺丝5穿过限位孔1-2顶靠在滑动后挡板7上。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
通过以下试验验证本发明有益效果：
试验1铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的两块母材进行预处理：
将待焊接的铝合金与颗粒增强铝基复合材料的对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗；
二、将铝合金与颗粒增强铝基复合材料放入焊接夹具中，使用焊接夹具固定挤压铝合金与颗粒增强铝基复合材料，使用方法如下：
A、将铝合金与颗粒增强铝基复合材料分别放置在垂直固定装置垂直固定杆3与底部垫板4之间，调整铝合金与颗粒增强铝基复合材料的相对位置，使得铝合金与颗粒增强铝基复合材料的对接面的错边小于0.2mm，并且对接面之间的缝隙小于0.1mm，通过垂直固定装置垂直固定杆3与底部垫板4保持铝合金与颗粒增强铝基复合材料在垂直方向上的相对位置不变，然后通过调节紧固螺丝3-1将垂直固定杆两端锁紧在夹具外壳1两侧；
B、通过水平固定装置限位螺丝5、滑动前挡板6、滑动后挡板7和弹簧8施加压力进行水平挤压；首先，通过滑动导槽1-1调整滑动前挡板6与滑动后挡板7相对距离来压缩滑动前挡板6与滑动后挡板7之间的弹簧8，然后通过限位螺丝5固定位置，当弹簧8压缩达到固定收缩量时，便可得此时弹簧对母材接触面施加的压力，利用此压力以及已知的接触面面积，便可知接触面上产生的压强大小，将焊接电子束流采用上散焦模式打到铝合金与颗粒增强铝基复合材料的对接面处进行焊接，同时添加圆形扫描，调整好各工艺参数，在设定的压力值下进行焊接试验；
其中，所述弹簧自然长度L＝66mm，最大收缩量ΔL＝36mm，弹性系数K＝12.7N/mm，可提供的最大弹力F＝457.2N，本夹具采用两根相同规格的弹簧，故最大可提供Fmax＝2F＝914.4N的压力，即可以对焊接件施加的最大压强为
其中L、W、H分别为焊接件的长、宽、高，尺寸范围分别为：长度L为0～280mm，宽度W为10mm～50mm，厚度H为0～20mm；针对尺寸为2mm×20mm×70mm的焊接件，此夹具可提供的最大接触面压强为最大压强
调整铝合金与颗粒增强铝基复合材料的相对位置，使得铝合金与颗粒增强铝基复合材料的对接面的错边小于0.2mm，并且对接面之间的缝隙小于0.1mm，然后通过焊接夹具固定铝合金与颗粒增强铝基复合材料，同时在铝合金与颗粒增强铝基复合材料接触面上施加固定的接触压力3MPa；
三、在焊接夹具的弹簧处的上方加盖一块不锈钢挡板，借此消除因弹簧的铁磁性对电子束流的偏移影响，将固定的两块放入真空室内开始抽真空，使该真空室内的真空度在5×10-4Pa；
四、将焊接电子束流采用上散焦模式打到铝合金与颗粒增强铝基复合材料的对接面处进行焊接，同时添加圆形扫描，加速电压为55kV，聚焦电流为2600mA，电子束流为6mA，焊接速度为5mm/s，此为第一次焊接过程；
五、紧接着进行第二次焊接，第二次焊接的方向与上一步骤相反，但轨迹与步骤五焊接的轨迹相重合，焊接时加速电压为55kV，聚焦电流为2600mA，电子束流为6mA，焊接速度为5mm/s；
六、以步骤四和步骤五作为一个周期，后面周期重复步骤四和步骤五，每下一个周期，电子束流可以比上一周期有所降低，这样可以减弱热累积作用的影响，避免热输入过大；其他工艺参数均保持不变；
七、真空室冷却，冷却10min，焊接完成。
本试验铝合金与颗粒增强铝基复合材料尺寸为70mm*20mm*2mm和70mm*20mm*3mm，也可为其他尺寸，只要在所给尺寸范围内均可。
图1是试验1中的焊接夹具的结构示意图；
图2是试验1中的焊接夹具外壳示意图；
图3是试验1中的焊接夹具中的垂直固定杆示意图；
图4是试验1中的焊接夹具中底部垫板示意图；
图5是试验1中的焊接夹具中滑动前挡板示意图；
图6是试验1中的焊接夹具中滑动后挡板示意图；
图7是试验1中焊接夹具使用示意图，其中，9为铜合金与铝基复合材料。
Claims (4)
1.铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法，其特征在于铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金进行预处理；
二、将碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金放入焊接夹具中，调整碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的相对位置为碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的缝隙0～0.1mm；
三、将固定的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金放入真空室内，然后抽真空至真空度为5×10-4Pa～5×10-2Pa；
四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金的对接面处进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2800mA，焊接电子束流为2mA～8mA，焊接速度为4mm/s～10mm/s；
五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2800mA，电子束流为2mA～8mA，焊接速度为4mm/s～10mm/s；
六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法。
2.根据权利要求1所述的铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法，其特征在于步骤一中预处理方法为对待焊接的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料和7系铝合金对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
3.根据权利要求1所述的铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法，其特征在于步骤一中所述颗粒增强铝基复合材料由2A12铝基体和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中，其中2A12铝基体的成分按重量分数为Cu：4.4％、Mg：1.5％、Mn：0.6％、杂质≤0.15％、余量为Al。
4.根据权利要求1所述的铝合金与颗粒增强铝基复合材料电子束加压连接方法，其特征在于步骤二中所述焊接夹具由夹具外壳(1)、夹具底座(2)、垂直固定装置和水平固定装置构成，其中所述夹具外壳(1)固定连接在夹具底座(2)上，夹具外壳(1)的两个相对的侧壁上设置有滑动导槽(1-1)，夹具外壳(1)的后壁上设置有限位孔(1-2)，所述垂直固定装置设在夹具外壳(1)内部前端，垂直固定装置由垂直固定杆(3)和底部垫板(4)构成，所述垂直固定杆(3)两端通过紧固螺丝(3-1)卡合在夹具外壳(1)两侧壁上，底部垫板(4)设在垂直固定杆(3)正下方，其中，底部垫板(4)上设有两个凸起的固定条(4-1)并与垂直固定杆(3)相对，所述水平固定装置设在夹具外壳(1)内部后端，水平固定装置由限位螺丝(5)、滑动前挡板(6)、滑动后挡板(7)和弹簧(8)构成，其中，滑动前挡板(6)的两端设置有前挡板凸起(6-1)，滑动前挡板(6)侧面设有弹簧限位销(6-2)，滑动后挡板(7)的两端设置有后挡板凸起(7-1)，滑动后挡板(7)侧面设有弹簧限位销(7-2)，滑动前挡板(6)两端的前挡板凸起(6-1)与滑动后挡板(7)的后挡板凸起(7-1)都嵌入滑动导槽(1-1)中，弹簧(8)通过弹簧限位销(6-2)与弹簧限位销(7-2)设在滑动前挡板(6)与滑动后挡板(7)之间，限位螺丝(5)穿过限位孔(1-2)顶靠在滑动后挡板(7)上。
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