CN111151923B - 碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接辅助试剂及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种焊接辅助试剂及其应用和一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料激光填粉焊接方法。本发明提供了一种焊接辅助试剂，以质量百分数计，包括以下组分：5～8％氟锆酸钾，1～3％Na2O·4SiO2，8～10％硅粉，3～5％铜粉，4～6％镁粉和余量的乙醇。将本发明所提供的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件焊接坡口表面，然后进行焊接，得到焊接工件的抗拉强度高达223.51MPa，相对于不喷涂所述焊接辅助试剂的焊接的抗拉强度提高了9.39～11.10％。

Description

碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接辅助试剂及焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种焊接辅助试剂及其应用和一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料激光填粉焊接方法。
背景技术
铝基复合材料由于具有密度小、熔化温度低、高导热性且成本低等特性，已经得到世界范围内的广泛研究并日趋工业化。同时铝基复合材料具有不吸潮、不老化、气密性好、耐有机液体侵蚀等一系列优点，在航空航天、汽车、电子技术等领域得到了广泛的应用。
铝基复合材料中加入碳化硅颗粒，形成了SiC颗粒增强Al基(SiCp/Al) 复合材料，该复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、热膨胀系数低，热稳定性和导热、导电性能良好，以及耐磨、耐蚀性能优异等一系列优点。但SiCp/Al复合材料的SiC增强相与Al基体之间的物化性能差异很大，且铝基复合材料氧化后表面形成的氧化物有三氧化二铝和二氧化硅。这两种氧化物在焊接过程中的润湿性呈现出不同趋势，在焊接过程中三氧化二铝的存在降低了界面的润湿性，不利于工件的焊接，而二氧化硅的存在却提高了界面的润湿性，改善了焊接接头的性能，因此，通常在焊接前需要去除三氧化二铝氧化膜，以改善界面润湿性。目前常采用机械打磨法和化学试剂清洗法去除三氧化二铝氧化膜，虽然这两种方法都能去除复合材料中的三氧化二铝，但是由于铝极容易氧化，所以清洗完之后的工件在焊接前又被氧化，很难完全清理掉材料表面的铝氧化物，从而影响焊接质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接辅助试剂及其应用，本发明提供的焊接辅助试剂能够清除铝基复合材料表面的三氧化二铝薄膜，同时活化碳化硅表面，改善铝和碳化硅的界面润湿性从而提高焊接质量。
本发明的目的还在于提供一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接方法，按照本发明的焊接方法对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行焊接，得到焊接工件的抗拉强度提高了9.39～11.10％。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种焊接辅助试剂，包括以下质量百分数的组分：氟锆酸钾5～8％，硅酸盐1～3％，硅粉8～10％，铜粉3～5％，镁粉4～6％和余量的乙醇；所述硅酸盐包括Na2O·4SiO2。
优选的，所述硅粉的粒径为20～33μm。
优选的，所述铜粉的粒径为35～75μm。
优选的，所述镁粉的粒径为44～74μm。
本发明还提供了上述方案所述焊接辅助试剂在碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接中的应用。
本发明还提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
1)将上述技术方案所述的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面；
2)进行焊接。
优选的，步骤2)中所述焊接为激光填粉焊接。
优选的，所述激光填粉焊接的焊接坡口为30～90°的V形倒角。
优选的，所述激光填粉焊接的送粉量为6～9g/min，焊接功率为 1500～1900W。
优选的，所述激光填粉焊接的焊接速度为200～300mm/min。
本发明提供了一种焊接辅助试剂，以质量百分数计，包括以下组分： 5～8％氟锆酸钾，1～3％硅酸盐，8～10％硅粉，3～5％铜粉，4～6％镁粉和余量的乙醇；所述硅酸盐包括Na2O·4SiO2。本发明所提供的焊接辅助试剂以乙醇为分散介质，在用于碳化硅颗粒增强基复合材料的焊接时乙醇可溶解碳化硅表面的油污，在焊接时乙醇的蒸发能够带走碳化硅颗粒表面的油污，使焊接过程中产生的铝液与碳化硅表面更好的接触；同时乙醇作为分散介质能够将氟锆酸钾、硅酸盐和硅、铜、镁元素均匀的铺展在待焊接工件的焊接坡口表面；氟锆酸钾与铝的氧化物反应生成氟化铝，除去焊接坡口表面的三氧化二铝，改善铝表面的润湿性；氟锆酸钾与铝的氧化物反应过程中会生成中间产物氟化氢，氟化氢能够活化碳化硅的表面，使碳化硅表面更容易生成二氧化硅，提高碳化硅的润湿性；Na2O·4SiO2在焊接提供的高温条件下能够催化SiC的氧化，使SiC的氧化速率提高100倍，碳化硅氧化后生成二氧化硅，进而提高碳化硅的润湿性；在焊接过程中，熔池温度升高，镁和氧化铝发生反应生成MgAlO4尖晶石，破除表面氧化铝，从而改变了碳化硅和铝基体之间的润湿性；在本发明中，硅与铝形成Al-Si共晶组织，Al-Si共晶液相具有良好的流动性，有效的提高液态铝合金的流动性从而改善铝的润湿性；同时，铜与铝会发生润湿反应生成Al2Cu化合物，在反应过程中提高了铝的润湿性。本发明的焊接辅助试剂在各元素的协同作用下改善了铝和碳化硅的界面润湿性，进而提高了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接质量。
本发明提供的碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接方法，包括如下步骤，将本发明提供的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面，进行焊接。由实施例可知，按照本发明的焊接方法对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行焊接，得到焊接工件的抗拉强度高达223.51MPa，相对于不喷涂所述焊接辅助试剂的焊接的抗拉强度提高了9.39～11.10％。
附图说明
图1为碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接流程图；
图2为焊接工件示意图；
图3为激光填粉焊接示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种焊接辅助试剂，包括以下质量百分数的组分：氟锆酸钾5～8％，硅酸盐1～3％，硅粉8～10％，铜粉3～5％，镁粉4～6％和余量的乙醇；所述硅酸盐包括Na2O·4SiO2。
在本发明中，如无特殊说明，所用原料均为本领域所熟知的市售商品。
在本发明中，以质量百分数计，所述焊接辅助试剂包括5～8％的氟锆酸钾，优选为5.8～7％。在本发明中，所述氟锆酸钾与铝的氧化物反应生成氟化铝，除去焊接坡口表面的三氧化二铝，改善铝表面的润湿性；氟锆酸钾与铝的氧化物反应过程中会生成中间产物氟化氢，氟化氢能够活化碳化硅的表面，使碳化硅表面的硅更容易生成二氧化硅，提高碳化硅的润湿性。氟锆酸钾与三氧化二铝反应的方程式如式(1)～式(3)所示：
3K2ZrF6→2K3ZrF7+ZrF4 (1)
ZrF4+2H2O→ZrO2+4HF↑ (2)
Al2O3+6HF→2AlF3+3H2O (3)
氟锆酸钾与三氧化二铝反应会放热，使焊接坡口的局部温度升高，降低了铝材料的表面张力，提高了铝液表面的润湿性。
在本发明中，以质量百分数计，所述连接辅助试剂包括1～3％的硅酸盐，优选为1.5～2.4％，所述硅酸盐包括Na2O·4SiO2。在本发明中，所述Na2O·4SiO2起催化作用能够催化SiC的氧化，使SiC的氧化速率提高100倍，碳化硅氧化后生成二氧化硅，进而提高碳化硅的润湿性；SiC在Na2O·4SiO2催化作用下的氧化反应的方程式如式(4)所示：
SiC+2O2→SiO2+CO2 (4)
在本发明中，以质量百分数计，所述焊接辅助试剂包括8～10％的硅粉，优选为8.5～9.3％；所述硅粉的粒径优选为20～33μm，进一步优选为24～30μm。在本发明中，所述硅与铝形成Al-Si共晶组织，Al-Si共晶液相具有良好的流动性，有效的提高液态铝合金的流动性从而改善铝的润湿性。
在本发明中，以质量百分数计，所述焊接辅助试剂包括3～5％的铜粉，优选为3.6～4.3％，所述铜粉的粒径优选为35～75μm，进一步优选为40～58μm。在本发明中，所述铜粉与铝会发生润湿反应生成Al2Cu化合物，在反应过程中提高了铝的润湿性。
在本发明中，以质量百分数计，所述焊接辅助试剂包括4～6％的镁粉，优选为4.6～5.3％，所述镁粉的粒径优选为44～74μm，进一步优选为56～63μm。在本发明中，所述镁粉具有较强的表面活性作用，焊接过程中，镁元素富集于铝液表面大大降低了铝的表面张力，明显改善SiC和Al液之间的润湿性。同时所述镁粉与铝在焊接过程的高温条件下反应生成了MgAlO4尖晶石，该反应的发生有效的破除了铝表面的氧化物，氧化铝的去除能够改善了碳化硅和铝基体之间的润湿性。镁粉与铝发生化学反应的方程式如式(5)：
4Al2O3+3Mg→3MgAl2O4+2Al (5)
在本发明中，以质量百分数计，所述焊接辅助试剂包括余量的乙醇。在本发明中，所述乙醇优选为无水乙醇。碳化硅颗粒表面容易吸附水、气体、油污，从而在焊接过程阻碍铝液与碳化硅颗粒的直接接触，乙醇可溶解碳化硅表面的油污和水，减小油污和水与碳化硅表面的吸附力，在焊接中，乙醇快速蒸发能够带走碳化硅颗粒表面的油污和水，使铝液与碳化硅表面更好的接触；同时乙醇作为分散介质能够将氟锆酸钾、硅酸盐和硅、铜、镁元素均匀的铺展在焊接坡口表面。
本发明对所述焊接辅助试剂的制备方法没有特殊限定，按照上述配比将各组分混合即可获得焊接辅助试剂，所述焊接辅助试剂在特定含量的各元素的协同作用下改善了铝基体和碳化硅的界面润湿性，进而提高了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接质量。
本发明还提供了上述方案所述焊接辅助试剂在碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接中的应用。将本发明提供的焊接辅助试剂喷涂在碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接坡口表面然后进行焊接，能够改善碳化硅与铝之间的润湿性，进而提高焊接质量。
本发明还提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
1)将上述技术方案所述的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面；
2)进行焊接。
本发明将上述技术方案所述的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面。
本发明优选对待焊接工件依次进行焊接坡口制备和清洗，然后再喷涂辅助焊接试剂；所述焊接坡口制备的方式优选为线切割；所述焊接坡口优选为 V形倒角(如图2所示)，所述V形倒角的角度优选为30～90°，进一步优选为50～70°；所述焊接坡口的单边倒角的角度优选为15～45°，进一步优选为25～35°，V形倒角太大会增大填充面积，粉末难以填满V形倒角，倒角太小，则V形倒角顶端间距太小，粉末难以填充到V形槽的顶端。在本发明中，所述清洗优选为超声波清洗。在本发明中，优选将预处理后的待焊接工件放在有机溶剂中，以隔绝空气中的氧，防止工件进一步被氧化，所述有机溶剂优选为无水乙醇。
本发明对所述喷涂的量无具体要求，只要焊接辅助试剂均匀覆盖在待焊接工件的焊接坡口表面即可。
将所述焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面后，进行焊接。
在本发明中，将焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面后优选静置2～4min后进行焊接，进一步优选静置2～3min，以使乙醇充分溶解焊接坡口表面的污物。
在本发明中，所述焊接优选为激光填粉焊接。如图3所示为激光填粉焊接的示意图，焊接时激光器产生的激光在待焊接工件的焊接坡口表面聚焦，同时送粉器通过激光送粉头将粉末输送到焊接坡口表面，在激光的作用下，粉末和工件同时融化，所述粉末优选为混合粉末，所述混合粉末优选包括体积分数为90％的6061铝合金粉末和体积分数为10％的SiC粉末，所述6061 铝合金粉末粒度优选为50～100μm，所述SiC粉末粒度优选为10～20μm。随着焊接的移动，工件逐渐冷却，熔池逐渐凝固将两个待焊接工件焊接在一起。
在本发明中，所述激光填粉焊接的送粉量优选为6～9g/min，进一步优选为7～8g/min；焊接功率优选为1500～1900W，进一步优选为1650～1800W；所述激光填粉焊接的速度优选为200～300mm/min，进一步优选为 220～260mm/min。
在本发明中，所述焊接辅助试剂在各元素的协同作用下改善了铝基体和碳化硅界面之间的润湿性，进而提高了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接质量。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的焊接辅助试剂及其应用和一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照质量百分数计，将5.8％的氟锆酸钾，1.5％的Na2O·4SiO2，8％的硅粉，3％铜粉，4.6％镁粉和余量的乙醇混合，得到焊接辅助试剂；
采用线切割的方式将材质为碳化硅颗粒增强铝基复合材料的工件切割成两个规格为40(长)*30(宽)*2.5(厚)mm的薄片，将两片薄片的长度为30mm的一边采用线切割的方式加工出角度为15°的单边倒角，作为待焊接工件，然后置于无水乙醇中进行超声清洗，清洗之后放到无水乙醇中备用；
将两片备用的待焊接工件取出，按照图2所示安装在工作台上，形成角度为30°的V形倒角(即焊接坡口)，然后将焊接辅助试剂摇匀，喷涂在焊接坡口表面；
静置2min后，以6g/min送粉量向喷涂有焊接辅助试剂的待焊接工件表面送粉，采用1500W的功率和200mm/min的焊接速度进行激光填粉焊接，焊接结束后，得到焊接工件。
用拉伸试验机测量本实施例所得焊接工件的抗拉强度，其抗拉强度为189.32MPa。
实施例2
按照质量百分数计，将6.5％的氟锆酸钾，2.1％的Na2O·4SiO2，9.2％的硅粉，4.1％铜粉，5.0％镁粉和余量的乙醇混合获得焊接辅助试剂；
采用线切割的方式将材质为碳化硅颗粒增强铝基复合材料的工件切割成两个规格为40(长)*30(宽)*2.5(厚)mm的薄片，将两片薄片的长度为30mm的一边采用线切割的方式加工出角度为30°的单边倒角，作为待焊接工件，然后置于无水乙醇中进行超声清洗，清洗之后放到无水乙醇备用；
将两片备用的焊接工件取出，按照图2所示安装在工作台上，形成角度为60°的V形倒角(即焊接坡口)，然后将焊接辅助试剂摇匀，喷涂在焊接坡口表面；
静置3min后，以8g/min送粉量向喷涂有焊接辅助试剂的待焊接工件表面送粉，采用1700W的功率和240mm/min的焊接速度进行焊接，焊接结束后，得到焊接工件。
用拉伸试验机测量本实施例所得焊接工件的抗拉强度，其抗拉强度为223.51MPa。
实施例3
按照质量百分数计，将7％氟锆酸钾，2.4％的Na2O·4SiO2，10％硅粉， 5％铜粉，5.3％镁粉和余量的乙醇混合获得焊接辅助试剂；
采用线切割的方式将材质为碳化硅颗粒增强铝基复合材料的工件切割成两个规格为40(长)*30(宽)*2.5(厚)mm的薄片，将两片薄片的长度为30mm的一边采用线切割的方式加工出角度为45°的单边倒角，作为待焊接工件，然后置于无水乙醇中进行超声清洗，清洗之后放到无水乙醇中备用；
将两片备用的焊接工件取出，按照图2所示安装在工作台上，形成角度为90°的V形倒角(即焊接坡口)，然后将焊接辅助试剂摇匀，喷涂在焊接坡口表面；
静置2min后，以9g/min送粉量向喷涂有焊接辅助试剂的待焊接工件表面送粉，采用1900W的功率和300mm/min的焊接速度进行焊接，焊接结束后，得到焊接工件。
用拉伸试验机测量本实施例所得焊接工件的抗拉强度，其抗拉强度为201.38MPa。
对比例1
按照实施例1的方法制备焊接工件，不同之处在于，省略在焊接坡口表面喷涂辅助焊接试剂的步骤。
用拉伸试验机测量本对比例所得焊接工件的抗拉强度，其抗拉强度为168.31MPa。
对比例2
按照实施例2的方法制备焊接工件，不同之处在于，省略在焊接坡口表面喷涂辅助焊接试剂的步骤。
用拉伸试验机测量本对比例所得焊接工件的抗拉强度，其抗拉强度为204.31MPa。
对比例3
按照实施例3的方法制备焊接工件，不同之处在于，省略在焊接坡口表面喷涂辅助焊接试剂的步骤。
用拉伸试验机测量本对比例所得焊接工件的抗拉强度，其抗拉强度为182.54MPa。
由实施例1和对比例1得到焊接工件的抗拉强度可知，焊接过程中喷涂焊接辅助试剂将抗拉强度提高11.10％；由实施例2和对比例2得到焊接工件的抗拉强度可知，焊接过程中喷涂焊接辅助试剂将抗拉强度提高9.39％；由实施例3和对比例3得到焊接工件的抗拉强度可知，焊接过程中喷涂焊接辅助试剂将抗拉强度提高10.32％。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接辅助试剂，由以下质量百分数的组分组成：氟锆酸钾5~8%，Na2O·4SiO2 1~3%，硅粉8~10%，铜粉3~5%，镁粉4~6%和余量的乙醇；
所述硅粉的粒径为20~33μm，所述铜粉的粒径为35~75μm，所述镁粉的粒径为44~74μm。
2.一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
将权利要求1所述的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件的焊接坡口表面；
进行焊接。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，步骤2）中所述焊接为激光填粉焊接。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述激光填粉焊接的焊接坡口为30~90°的V形倒角。
5.根据权利要求3或4所述的焊接方法，其特征在于，所述激光填粉焊接的送粉量为6~9g/min，焊接功率为1500~1900W。
6.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述激光填粉焊接的焊接速度为200~300mm/min。
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