CN110142497B - 一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，以解决电子束上聚焦焊接方式对中厚板铝基复合材料进行焊接，铝基复合材料上部熔化量过大，导致增强相聚集长大、增强相分布不均及增强作用减弱的问题。方法：一、将待焊接的两块铝基复合材料母材对接面及两个过渡层进行焊前预处理；二、组装过渡层和铝基复合材料母材；三、将过渡层和铝基复合材料母材的组件装入在夹具中，并放入真空舱内进行抽真空；四、焊接采用上聚焦电子束对弯折段上表面进行往复多次加热，利用夹具向铝基复合材料母材对接面施加压力F，弯折段将热量传递至过渡层的竖直段，待铝基复合材料母材在真空舱中冷却至常温，取出焊件；五、修整焊件。本发明用于电子束焊接。

Description

一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法

技术领域

本发明涉及一种电子束焊接技术，具体涉及一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法。

背景技术

金属基复合材料一直是国防科技领域的重要材料，具有轻质、高强的特点。其中铝基复合材料制造方便，可加工性强，且兼具抗疲劳、抗腐蚀以及高耐磨等优点，在航空航天、轨道交通、电气电子等领域具有极为广泛的应用。关于铝基复合材料的焊接问题一直是研究的热点，由于在高温下铝基复合材料增强相易偏聚、长大，且易发生界面反应形成脆性相，因此铝基复合材料焊接性较差。电子束焊接时能量密度较大，瞬态熔池温度极高，更加剧了铝基复合材料增强相的长大和脆性相的生成，导致接头成形不良及性能恶化。

中国专利号为201210543547.7、公开日为2013年3月13日的发明专利公开了一种SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法，该专利属电子束上聚焦焊接方法，该专利采用上聚焦电子束加热母材，同时向母材对接面施加压力，使母材在热输入和压力共同作用下形成扩散连接，可有效减小熔化烧损区域；但是，该专利只能对薄板(2mm以下)进行焊接，该专利无法对中厚板(5mm～10mm)的铝基复合材料进行焊接，因为，该方法在焊接中厚板(5mm～10mm)的铝基复合材料时，电子束加热时间需要延长，这样就会导致铝基复合材料母材上部热输入过大，导致熔化量大，熔化区域深度超过了母材厚度的50％，高温停留时间过长，必然造成母材上部的增强相发生聚集长大，导致增强相分布不均，增强作用减弱。因而，减小母材上部熔化量，是实现电子束上聚焦焊接铝基复合材料应用价值的关键。

发明内容

本发明为了解决采用电子束上聚焦焊接方式对中厚板铝基复合材料进行焊接，铝基复合材料上部熔化量过大，导致增强相聚集长大、增强相分布不均及增强作用减弱的问题，而提供一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法。

本发明的一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、焊前预处理：将待焊接的两块铝基复合材料母材对接面及两个过渡层进行焊前预处理；

步骤二、组装过渡层和铝基复合材料母材：将两片过渡层夹在两块铝基复合材料母材对接面之间，过渡层的材质为铜，过渡层的上端应高出铝基复合材料母材上表面，其高出部分为弯折段，两个弯折段分别向外侧弯折，弯折段的弯折长度为1mm～3mm，弯折段与铝基复合材料母材的上表面之间的夹角为10°～20°，两块铝基复合材料母材之间的对接面上下的错边量不超过0.2mm；

步骤三、抽真空处理：将步骤二中的过渡层和铝基复合材料母材的组件装入在夹具中，将装夹后的过渡层、铝基复合材料母材及夹具组件放入真空舱内进行抽真空处理；

步骤四、上聚焦电子束焊接：焊接采用上聚焦电子束对弯折段上表面进行往复多次加热，上聚焦电子束作用在弯折段的时间为120s，同时利用夹具向铝基复合材料母材对接面施加压力F，弯折段将热量传递至过渡层的竖直段，直至竖直段熔化后与铝基复合材料母材熔为一体后结束焊接，待铝基复合材料母材在真空舱中冷却至常温，取出焊件；

步骤五、修整焊件：采用铣床铣掉铝基复合材料母材上表面多余的过渡层，至此，完成铝基复合材料非接触式电子束焊接。

进一步的，所述步骤一中，铝基复合材料母材为5mm～8mm厚的SiC颗粒增强铝基复合材料，所述SiC颗粒增强铝基复合材料按质量百分比由4.4％Cu、1.5％Mg、0.6％Mn、杂质≤0.15％和余量的Al组成。

进一步的，所述步骤一中，过渡层的总长度为7mm～10mm，过渡层的厚度为0.1mm，过渡层与铝基复合材料母材对接面接触的部分为5mm～8mm。

进一步的，所述步骤一中，焊前预处理采用精细机械打磨，即打磨到7000目后抛光处理，并用丙酮进行化学清洗。

进一步的，所述步骤二中，弯折段与铝基复合材料母材的上表面之间的夹角为15°。

进一步的，所述步骤二中，弯折段的弯折长度为2mm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明采用添加过渡层的方式，将过渡层的上端设计了弯折段，弯折段将铝基复合材料母材对接处上表面焊接区域遮盖，使电子束直接作用在弯折段上，避免了电子束直接作用在铝基复合材料母材上加热母材，因此可在进一步延长电子束加热时间的同时保证铝基复合材料母材不熔化，母材不熔化，使得母材中增强相不聚集长大，增强相分布更为均匀，且无脆性相生成，使接头强度较高。

二、由于弯折段与铝基复合材料母材上表面呈锐角设置，弯折段并未与铝基复合材料母材上表面贴合，受到电子束加热的过渡层弯折段与上表面不存在热量的传导,而热量是通过过渡层的弯折段传导至竖直段，从而保证了铝基复合材料母材对接面处具有足够的热输入量，避免了因控制热输入导致下部热量不足而产生扩散不充分的问题。

三、由于过渡层的材质为铜，当铜含量达到34wt％时，可与铝在548℃形成低熔共晶组织，有利于在较低温度下与铝基复合材料母材反应，在对接面处形成瞬态液膜，一方面促进了原子扩散，确保过渡层与母材形成有效连接，另一方面由于液膜及薄，不至造成增强相的粗化。

附图说明

图1是一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法示意图；

图2是过渡层的结构示意图；

图3是图2的I局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、焊前预处理：将待焊接的两块铝基复合材料母材1对接面及两个过渡层2进行焊前预处理；

步骤二、组装过渡层2和铝基复合材料母材1：将两片过渡层2夹在两块铝基复合材料母材1对接面之间，过渡层2的上端应高出铝基复合材料母材1上表面，其高出部分为弯折段2-2，两个弯折段2-2分别向外侧弯折，弯折段2-2的弯折长度b为1mm～3mm，弯折段2-2与铝基复合材料母材1的上表面之间的夹角α为10°～20°，呈10°～20°角设置的弯折段2-2将铝基复合材料母材1的焊接区域遮盖，两块铝基复合材料母材1之间的对接面上下的错边量不超过0.2mm；

步骤三、抽真空处理：将步骤二中的过渡层2和铝基复合材料母材1的组件装入在夹具3中，将装夹后的过渡层2、铝基复合材料母材1及夹具3组件放入真空舱内进行抽真空处理，其真空度为5×10^-4Pa～5×10^-2Pa，夹具3为电子束焊接领域的现有技术；

步骤四、上聚焦电子束焊接：焊接采用上聚焦电子束4对弯折段2-2上表面进行往复多次加热，其中，焊接电压为55kV～60kV，聚焦电流为2550～2650mA，电子束流为8mA～12mA，焊接速度为6mm/s～10mm/s；上聚焦电子束4作用在弯折段2-2的时间为120s，同时利用夹具3向铝基复合材料母材1对接面施加压力F，压力F为5MPa～8MPa，弯折段2-2将热量传递至过渡层2的竖直段2-1，直至竖直段2-1熔化后与铝基复合材料母材1熔为一体后结束焊接，待铝基复合材料母材1在真空舱中冷却至常温(常温为10℃～35℃)，取出焊件；由于弯折段2-2遮盖住了铝基复合材料母材1上表面的焊接区域，上聚焦电子束4实际作用在弯折段2-2的上表面，并不直接加热铝基复合材料母材1；

步骤五、修整焊件：采用铣床铣掉铝基复合材料母材1上表面多余的过渡层2，至此，完成铝基复合材料非接触式电子束焊接。

本实施方式的步骤一中，铝基复合材料母材1为5mm～8mm厚的SiC颗粒增强铝基复合材料(SiC颗粒增强铝基复合材料由2A12铝基体和SiC颗粒增强相两部分组成)，所述SiC颗粒增强铝基复合材料按质量百分比由4.4％Cu、1.5％Mg、0.6％Mn、杂质≤0.15％和余量的Al组成。

本实施方式的步骤一中，过渡层2的材质为铜，过渡层2的总长度为7mm～10mm，过渡层2的总长度为竖直段2-1+弯折段2-2，过渡层2的厚度a为0.1mm，过渡层2与铝基复合材料母材1对接面接触的部分(竖直段2-1)为5mm～8mm。由于铜的导热性较好，可向对接面下部传导较多热量，保证对接面下部具有足够的热输入。此外，当铜含量达到34wt％时，可与铝在548℃形成低熔共晶组织，在对接面处形成瞬态液膜，从而促进原子扩散，确保过渡层与母材形成有效连接。

本实施方式的步骤一中，焊前预处理采用精细机械打磨，即打磨到7000目后抛光处理，并用丙酮进行化学清洗，这样能保证铝基复合材料母材1与过渡层2紧密接触。

本实施方式的步骤二中，弯折段2-2与铝基复合材料1的上表面之间的夹角α为15°，这样设置可以避免弯折段2-2与铝基复合材料母材1上表面完全贴合。

本实施方式的步骤二中，弯折段2-2的弯折长度b为2mm。

本发明的实验实例：

对两个铝基复合材料进行焊接：

步骤一、采用精细机械打磨，对待焊接的两块铝基复合材料母材1对接面及过渡层2进行焊前预处理，即打磨到7000目后抛光处理，并用丙酮进行化学清洗，保证两块铝基复合材料母材1对接面与过渡层2紧密接触，过渡层2的总长度为7mm，其中过渡层2与铝基复合材料母材1对接面接触的部分(竖直段2-1)为5mm，高出对接面部分(弯折段2-2)为2mm，过渡层2的厚度a为0.1mm；

步骤二、将两片过渡层2夹在两块铝基复合材料母材1对接面之间，将过渡层2高出铝基复合材料母材1的部分向外弯折，该弯折部分为弯折段2-2，弯折段2-2将铝基复合材料母材1上表面焊接区域遮盖，弯折段2-2与铝基复合材料母材1上表面的夹角α为15°左右；

步骤三、将步骤二中的过渡层2和铝基复合材料母材1组件装入在夹具3中，将装夹完毕的过渡层2、铝基复合材料母材1及夹具3组件放入真空舱内进行抽真空处理，真空度为5×10^-3Pa；

步骤四、开始焊接，采用上聚焦电子束4对弯折段2-2上表面进行往复多次加热，其中，焊接电压为55kV，聚焦电流为2600mA，电子束流为10mA，焊接速度为8mm/s。同时利用夹具3向铝基复合材料母材1对接面施加压力F，压力F为6MPa。由于弯折段2-2遮盖住了铝基复合材料母材1上表面焊接区域，上聚焦电子束4实际作用在弯折段2-2的上表面，上聚焦电子束4并不直接加热铝基复合材料母材1，上聚焦电子束4作用在弯折段2-2的时间为120s(即高温停留时间)，焊接完毕后在真空舱中冷却至20℃，取出焊件；

步骤五、利用铣床铣掉铝基复合材料母材1上表面多余的过渡层2(即弯折段2-2部分)，至此，完成铝基复合材料非接触式电子束焊接。

本实例中，铝基复合材料母材1的材质为SiC颗粒增强铝基复合材料，过渡层2的材质为铜。

通过本实例得到的SiC颗粒增强铝基复合材料焊缝上部不熔化，SiC颗粒增强相聚集没有长大、增强相分布均匀，提高了SiC颗粒增强作用，从而提高了焊接接头的强度。

Claims (6)

1.一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、焊前预处理：将待焊接的两块铝基复合材料母材(1)对接面及两个过渡层(2)进行焊前预处理；

步骤二、组装过渡层(2)和铝基复合材料母材(1)：将两片过渡层(2)夹在两块铝基复合材料母材(1)对接面之间，过渡层(2)的材质为铜，过渡层(2)的上端应高出铝基复合材料母材(1)上表面，其高出部分为弯折段(2-2)，两个弯折段(2-2)分别向外侧弯折，弯折段(2-2)的弯折长度(b)为1mm～3mm，弯折段(2-2)与铝基复合材料母材(1)的上表面之间的夹角(α)为10°～20°，两块铝基复合材料母材(1)之间的对接面上下的错边量不超过0.2mm；

步骤三、抽真空处理：将步骤二中的过渡层(2)和铝基复合材料母材(1)的组件装入在夹具(3)中，将装夹后的过渡层(2)、铝基复合材料母材(1)及夹具(3)组件放入真空舱内进行抽真空处理；

步骤四、上聚焦电子束焊接：焊接采用上聚焦电子束(4)对弯折段(2-2)上表面进行往复多次加热，上聚焦电子束(4)作用在弯折段(2-2)的时间为120s，同时利用夹具(3)向铝基复合材料母材(1)对接面施加压力F，弯折段(2-2)将热量传递至过渡层(2)的竖直段(2-1)，直至竖直段(2-1)熔化后与铝基复合材料母材(1)熔为一体后结束焊接，待铝基复合材料母材(1)在真空舱中冷却至常温，取出焊件；

步骤五、修整焊件：采用铣床铣掉铝基复合材料母材(1)上表面多余的过渡层(2)，至此，完成铝基复合材料非接触式电子束焊接。

2.根据权利要求1所述的一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，其特征在于：所述步骤一中，铝基复合材料母材(1)为5mm～8mm厚的SiC颗粒增强铝基复合材料，所述SiC颗粒增强铝基复合材料按质量百分比由4.4％Cu、1.5％Mg、0.6％Mn、杂质≤0.15％和余量的Al组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，其特征在于：所述步骤一中，过渡层(2)的总长度为7mm～10mm，过渡层(2)的厚度(a)为0.1mm，过渡层(2)与铝基复合材料母材(1)对接面接触的部分为5mm～8mm。

4.根据权利要求1所述的一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，其特征在于：所述步骤一中，焊前预处理采用精细机械打磨，即打磨到7000目后抛光处理，并用丙酮进行化学清洗。

5.根据权利要求1所述的一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，其特征在于：所述步骤二中，弯折段(2-2)与铝基复合材料母材(1)的上表面之间的夹角(α)为15°。

6.根据权利要求1或5所述的一种抑制铝基复合材料上聚焦电子束焊接母材熔化的方法，其特征在于：所述步骤二中，弯折段(2-2)的弯折长度(b)为2mm。

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