CN1686659A - 铝基复合材料超声－电阻焊接方法 - Google Patents

Abstract

铝基复合材料超声－电阻焊接方法，它涉及一种铝基复合材料的焊接工艺。本发明的目的是克服铝基复合材料必需在真空环境下焊接的缺点，它是这样实现的：打磨铝基复合材料待焊表面，进行超声波清洗；将焊料置于铝基复合材料待焊表面之间，电阻加热；减小两试件间的液相薄膜厚度；施加超声振动；对试件施加焊接压力，随后让试件自然冷却。电阻加热简便快捷、控制方便，施加的超声波振动可去除待焊表面的氧化膜，提高填充焊料与铝基复合材料的润湿性、改善二者结合性能，同时能均匀化液态焊缝合金中的增强相分布，实现增强相在整个焊缝中的合理分布，以获得无增强相偏聚的理想焊缝，提高接头综合性能，接头钎透率≥85％、接头拉伸强度≥80％、延伸率≥1％。

Description

铝基复合材料超声—电阻焊接方法

技术领域：

本发明涉及一种金属基复合材料的焊接工艺，具体涉及一种铝基复合材料超声—电阻焊接工艺。

背景技术：

金属基复合材料具有比强度、比刚度高、耐磨、抗蠕变、热膨胀系数小、高温性能好等特性，在航空航天、国防领域，如导弹、坦克、装甲车等，以及民用工业中得到了广泛的应用，如汽车发动机活塞、连杆刹车器和自行车零部件等。由于复合材料是由成分、结构和性能相差很大的金属和非金属材料复合而成的，通常它们之间的物理、化学相容性较差，所以在其制造过程中需采取特殊的复杂工艺，这给随后的加工带来了很大的困难。焊接就是难题之一，较差的焊接性成了该种材料走向实用化的严重障碍。虽然从60年代金属基复合材料问世以来，美国、俄罗斯曾报道过已经成功地解决了航天飞机桁架、自行车部件的铝基复合材料的焊接问题，但在如何简化工艺、提高效率、优化性能、降低成本和扩大应用领域等方面仍有待进一步研究，而我国在该领域尚处于起步阶段。

铝基复合材料的基体是一些塑性、韧性好的金属，而增强相往往是一些高强度、高模量、高熔点、低密度和低热膨胀系数的非金属相，如C纤维、SiC、Al₂O₃、TiC等晶须或颗粒。所以焊接这类材料时，除了要解决金属基体的结合外，还要涉及到金属与非金属的结合，有时甚至会遇到非金属之间的结合问题。这种情况下，关键问题是非金属增强相在焊接过程中的行为和影响。另外，铝基复合材料特殊的复合结构使其本身拥有了优异的性能，焊缝的组织结构很大程度上决定了该种材料焊接接头的性能。因而，为了保证焊接后材料本身及其接头性能的一致性，在铝基复合材料现有的各种焊接方法中，如熔化焊(TIG焊、激光焊)、固相焊(扩散焊、瞬间液相焊)及其它一些方法(电阻焊、钎焊)，国内外许多焊接工作者力图通过各种措施优化焊接工艺，在保证焊缝成形良好、无大缺陷基础上，使焊缝组织中包含增强相，并改善增强相在其中的分布，以达到焊缝区域的组织及综合性能与母材保持一致的目的，满足特殊使用场合的需要。然而，各种方法在实现这一目的过程中仍存在着一定的问题，如：

熔焊：熔化焊接(TIG、MIG焊、激光、电子束焊等)铝基复合材料时，所用焊丝常是焊接铝合金时所用的填充材料，如ER4043、ER4047等。这些焊丝和焊接工艺在焊接铝合金时很成功，但是将其应用到铝基复合材料的焊接时，却面临着如下一些急待解决的问题：一方面，从物理相容性考虑，铝基复合材料基体与增强相的熔点相差较大，熔池中存在大量未熔增强相而使其流动性变差，这将导致气孔、未焊透和未熔合等缺陷的产生；另外，在熔池凝固过程中，未熔增强相质点在凝固前沿集中偏聚，破坏了原有分布特点而使性能恶化，更重要的是，在化学相容性方面，熔化焊接产生的高温使基体与增强相之间易发生如下界面反应： 或 ，造成增强相烧损，反应生成物Al₄C₃是一种脆性相，严重降低了焊缝力学性能和抗裂性能，它在含水环境下能与水反应放出CH₄气体，引起接头低应力破坏。因而，在最终的熔焊接头中既存在无增强相区域，又存在增强相偏聚区域，焊缝组织与母材的差别很大，接头性能很不理想。解决以上两个问题，一方面要选择润湿性、流动性好的填充金属，并采取工艺措施，减少复合材料的熔化，如加大坡口、采用热输入低的TIG焊等；另一方面为避免和抑制焊接时基体金属和增强相之间的反应，可以通过降低熔池的热输入，同时向基体中添加适当的合金成分加以抑制。人们发现，向基体中添加Si尤其有效。然而，这有可能损害基体强度，造成复合材料的强度损失。一些学者还利用高能激光束，配以氮气筛的冷却和温度场调节，在一定程度上诱导和改善铝基复合材料增强相和基体的界面反应，从而提高接头强度，但问题并没有得到彻底解决。另外，熔化焊接适当的工艺措施对于增强相体积分数较低(＜20％)时还能适用，对于更高体积分数的复合材料(如电子封装器件用复合材料增强相体积分数一般大于30％)便是无能为力。

电阻焊：电阻焊接一般无需填充材料，由于其加热时间短，能抑制增强相与基体间的界面反应，并在压力作用下接头区不易产生裂纹及气孔。特别是通过采用搭接接头可把FRM(连续增强铝基复合材料)间的连接在很大程度上变为Al与Al间的连接，因此这种方法很适于焊接纤维增强型复合材料。但对于非连续纤维增强的铝基复合材料来说却遇到了挑战，主要是熔核中存在严重的增强相偏聚。另外，铝基复合材料中增强相的存在使电流线的分布及电极压力的分布复杂化，给焊接参数的选择及焊接质量的控制带来了困难，而且复合材料的增强体与基体电阻相差很大，在电阻焊过程中容易使复合材料产生过熔、飞溅、纤维发生粘结、破碎并产生空洞，接头强度受到很大影响。

钎焊：铝基复合材料钎焊常用的钎料也是铝合金钎焊中常用的钎料，如BAlSi-1、BAlSi-4以及Zn-Al钎料等。近年来对该方法的研究较少，其主要问题是接头强度受原始钎料强度的限制，抗拉强度较低。对于铝基复合材料焊接来说，采用钎焊方法存在如下几个问题：

(1)铝基复合材料表面的氧化膜严重影响焊接质量。由于Al₂O₃熔点很高，在焊接过程中难以熔化，严重影响钎料在母材上的润湿与铺展，成为铝基复合材料钎焊的主要障碍之一。

(2)焊接工艺控制不当会导致基体熔化，扩散区增强相偏聚；钎缝组织中残留无增强相层，无法保持母材原有的特殊组织及特殊性能。这对接头有特殊性能要求的场合不适合，如需要接头保持良好的抗阻尼特性及尺寸稳定性等。

(3)铝合金基体和增强相熔点相差很大，在钎焊温度下基体部分熔化，而增强体不熔化，导致钎料粘滞，流动性变差，钎料在母材上的润湿与铺展由于固态增强相的存在受到严重阻碍，加入某些合金元素、提高钎焊温度在某种程度上可得到改善，而温度过高又易引起母材的过烧熔蚀，给钎焊过程带来很大困难。

摩擦焊：摩擦焊过程中，接头部位产生较大的塑性变形，会导致纤维的严重断裂，因此用这种方法焊接连续增强型铝基复合材料是不合适的。摩擦焊接头有局部软化现象，在焊态和时效处理后，其强度均较低，接头需重新固溶、时效处理后，并对被连接件的形状有较高的要求，一般为形状简单的棒状零件，使该种焊接方法应用范围受到了一定的限制。

扩散焊：扩散焊方法是一种比较有前途的焊接铝基复合材料的方法，但在用扩散焊铝基复合材料时遇到了与扩散焊铝合金时同样的困难，具体表现为：

(1)铝基复合材料表面有一层致密的氧化膜，它严重阻碍两个连接表面之间的扩散结合，用机械或化学清理后又立即生成，即使在高真空条件下，这层氧化膜也难于分解，影响原子扩散。为破坏结合界面上的氧化膜就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或在连接界面上施加很大的压力，这不可避免的会使连接件产生过量的塑性变形。

(2)在不采用中间层的情况下，铝基复合材料接触面上存在增强相与增强相直接接触现象，在扩散焊条件下很难实现增强相之间的扩散连接。该部位不仅减少了载荷的传递能力，而且还为裂纹的萌生和扩展提供机遇，成为接头强度不高的主要隐患。

(3)采用中间夹层，如Cu、Al-Si-Mg、Ag箔等直接改变增强相/增强相的接触方式，减少或消除了增强相/增强相的微连接，接头性能得到了改善。但接头仍容易出现无增强相区域，接头质量不够稳定。

(4)另外，该方法存在焊接周期较长、设备昂贵、成本很高、焊件尺寸形状也很受限制等缺点，使其广泛应用受到了限制。

瞬间液相扩散焊：瞬间液相扩散焊对破坏铝表面的氧化膜是非常有效的，并且改善了铝基复合材料中增强相/增强相的接触状态。该方法与钎焊及扩散焊既有相似又有差别，既加压又有中间层(或者称为焊料)，是一种较新的焊接方法。与钎焊及固态扩散焊相比它还具备的优点有：连接条件下接头处液体金属原子运动较为自由，易于在母材表面形成稳定的原子排列而凝固，连接温度低，时间短，易得到组织与母材接近的接头，工艺过程易实现等。瞬间液相焊更具优势的同时也存在一定的不足：

(1)液相共晶区凝固过程中增强相的偏聚成为该种材料TLP焊的主要问题。国内外许多学者通过选择较薄的中间箔层以控制焊接过程中生成的液相共晶层厚度来解决该问题，焊接过程对中间层厚度及待焊表面粗糙度要求较高，从实际应用意义来看，效率较低，工程实现起来较难。另外，复合材料包含的颗粒尺寸较大时也可减小颗粒偏聚的程度，但从复合材料性能来看，制备复合材料一般都追求微米、亚微米甚至是纳米级的颗粒作为增强相。

(2)瞬间液相焊接温度一般也都超过了550℃，在这个温度下，母材会有不同程度的软化，这对复合材料基体来说是个挑战。

铝基复合材料特殊的组织结构使其焊接性也变得特殊，基体与增强相物理、化学性能的巨大差异使其连接工艺难以控制。基于前面的分析，固态焊接和钎焊明显优于熔化焊。首先，它避免了复合材料的熔化；其次，还可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内。瞬间液相焊还可获得带增强相的复合焊缝，接头性能可靠，但它们的缺点是需要在真空环境下施焊，焊接工艺复杂，生产率较低。对摩擦焊来说，界面温度虽很高，但时间很短，所以不会影响接头性能。但因为摩擦焊接施加很大的压力，能耗大，试件变形很大，而且接头形式比较单一。采用软钎焊时，温度可以很低，但接头强度也低。随着铝基复合材成本的降低、产量的增大，焊接对其在复杂构件中的大量应用所起的限制日渐突出，因而开发一种能在大气环境下进行、工艺过程简便、焊接温度低、且能形成复合结构焊缝的焊接方法迫在眉睫。它的出现将为铝基复合材料的实用化迈出较有意义的一步。

发明内容：

本发明为了克服铝基复合材料必需在真空环境下焊接的问题，提供一种铝基复合材料超声—电阻焊接方法，它是这样实现的：a、焊接之前用砂纸打磨铝基复合材料待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗；b、待试件晾干后，将焊料置于铝基复合材料待焊表面之间，将试件加热到焊接温度400～600℃，保温0～60秒；c、停止加热，减小两试件间的液相薄膜厚度，控制液相薄膜厚度为30～300μm；d、施加超声振动，其中超声波振动频率为15～60K赫兹，振幅为5～50μm，引入超声时间为0.1～30s；e、超声振动结束后，对试件施加0.1～20MPa焊接压力，随后让试件自然冷却。本方法无需使用钎剂，电阻加热方式简便快捷、控制方便，施加的超声波振动可去除待焊表面的氧化膜，提高填充焊料与铝基复合材料的润湿性，改善二者结合性能，同时能均匀化液态焊缝合金中的增强相分布，实现增强相在整个焊缝中的合理分布，以获得无增强相偏聚的理想焊缝，提高接头综合性能。

本方法主要的优点及达到的性能指标为：

(1)本方法可在大气环境下或惰性气体保护环境下实现铝基复合材料的焊接，焊接表面无需特殊清理，工艺可操作性、设计强，焊接效率高；工程意义较为理想。

(2)焊接温度可控制在600℃以下，克服了熔化焊时母材熔化带来的不良后果，如增强相偏析、增强相/基体有害反应等，焊接时间短，避免了母材的溶蚀。

(3)可选焊料范围广，通过中间焊料的作用，避免了铝基复合材料扩散焊以及常规电阻焊不采用中间层时接头中出现的增强相—增强相的弱连接问题。

(4)所采用的电阻加热系统可避免过多热量传导到声导杆、变幅杆等声学部件中，以致改变这些部件的声学性能，影响超声波振动参数。

(5)施加的超声波振动可在液态焊料中产生超声空化效应，通过冲击、摩擦实现超声波物理去除氧化膜，效果彻底，且无需焊后清洗工序，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以去除的问题。

(6)窄间隙条件下，液态焊料在超声波振动条件下铺展，填缝、充型更加彻底。

(7)外加超声能量的作用促进了焊接试件表面溶解层与焊缝金属混合，对于非连续增强的铝基复合材料，可使一部分增强相过渡到了焊缝组织中，并在超声波声流作用下弥散、均匀分布于整个焊缝，避免了增强相颗粒团聚现象；施加的焊接压力可以控制焊缝最终的厚度，并可避免焊缝中出现疏松、缩孔等缺陷。

(8)铝基复合材料的焊接接头性能指标：

接头钎透率：      ≥85％

接头拉伸强度：    ≥80％

延伸率：          ≥1％

附图说明：

图1为铝基复合材料超声—电阻焊接过程示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式按照下述步骤进行：a、焊接之前用砂纸打磨铝基复合材料待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗；b、待试件晾干后，将焊料置于铝基复合材料待焊表面之间，将试件加热到焊接温度400～600℃，保温0～60秒；c、停止加热，减小两试件间的液相薄膜厚度，控制液相薄膜厚度为30～300μm；d、施加超声振动，其中超声波振动频率为15～60K赫兹，振幅为5～50μm，引入超声时间为0.1～30s；e、超声振动结束后，对试件施加0.1～20MPa焊接压力，随后让试件自然冷却。所用的铝基复合材料可以是C纤维增强型铝基复合材料、SiC、硼酸铝等晶须增强型铝基复合材料，也可以是SiC、Al₂O₃等颗粒增强型铝基复合材料；焊料可以是Zn基焊料，如Zn-Al-Cu钎料(重量百分比：Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质)，所述的Zn基钎料还有PTZn90Al、PTZn90Al或PTZn70Al，也可以是A1基焊料，如HLAlSi10、HLAlSi12、HLAlSiCu10、Al12SiSrLa、HL403、HL401、B62、A160GeSi、HlAlSiMg7.5-1.5、HLAlSiMg10-1.5或HLAlSiMg12-1.5。

具体实施方式二：参见图1，气压装置的柱型加压杆穿过超声振动输出杆中，并与之紧密连接；气压装置加压杆最下端为钨极材料，其与上试件直接接触，基座最上端也为钨极，和下试件直接接触；加压杆与基座中引出接线柱，使电流通过两端钨极。本实施方式是这样实现的：a、焊接之前用400^#砂纸打磨铝基复合材料待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗；b、待试件晾干后，将薄片状的焊料置于铝基复合材料待焊表面之间，启动电阻加热装置将试件加热到预先设置的焊接温度，到达保温时间后停止加热，其中焊接温度控制在400～600℃，这个温度区间可以避免增强相与基体合金的化学反应，保温时间为0～60秒；c、启动气压装置减小两试件间的液相薄膜到预先设置厚度，液相薄膜厚度范围为30～300μm；d、施加超声振动，施加的超声波振动频率为15～60K赫兹，振幅为5～50μm；引入超声时间为0.1～30s，超声波振动可以实现焊料充型、填缝，去除待焊表面氧化膜以及均匀化焊缝组织；e、超声振动结束后，再次启动气压装置，对试件施加预先设置的焊接压力，焊接压力范围在0.1～20MPa，随后让试件自然冷却即可。本实施方式中铝基复合材料的接头形式可以是搭接接头形式也可以是对接接头形式；所用的气压装置可以是液压装置或者丝杠传载等机械加压装置。

工作原理：通过电阻加热控制器调节通过待焊表面/焊料的电流大小以控制该区域的温升速率及温度范围；当焊料熔化并达到焊接温度后，利用超声波振动在液态焊料中产生的空化作用实现物理去除待焊表面氧化膜，并使液态钎料在振动机制下快速填缝、充型；超声振动促进了母材的溶解，使一部分增强相进入到液态焊缝金属中，超声的空化效应可产生瞬时高温，提高液态焊缝金属对增强相的润湿性，使之形成冶金结合，超声的声流效应可起到有效的搅拌作用，使增强相在液态焊缝合金中均匀分布；焊缝组织在最终施加的焊接压力下可保持致密。

Claims (9)

1、铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于它按照下述步骤进行：

a、焊接之前用砂纸打磨铝基复合材料待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗；b、待试件晾干后，将焊料置于铝基复合材料待焊表面之间，将试件加热到焊接温度400～600℃，保温0～60秒；c、停止加热，减小两试件间的液相薄膜厚度，控制液相薄膜厚度为30～300μm；d、施加超声振动，其中超声波振动频率为15～60K赫兹，振幅为5～50μm，引入超声时间为0.1～30s；e、超声振动结束后，对试件施加0.1～20MPa焊接压力，随后让试件自然冷却。

2、根据权利要求1所述的铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于所述铝基复合材料为C纤维增强型铝基复合材料、SiC和/或硼酸铝晶须增强型铝基复合材料、SiC和/或Al₂O₃颗粒增强型铝基复合材料中的一种。

3、根据权利要求1所述的铝基复合材料超声—电阻焊接方法，其特征在于所述焊料为Zn基焊料或Al基焊料。

4、根据权利要求3所述的铝基复合材料超声—电阻焊接方法，其特征在于所述Zn基焊料为Zn-Al-Cu钎料、PTZn90Al、PTZn90Al或PTZn70Al。

5、根据权利要求4所述的铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于所述Zn-Al-Cu钎料中各成分的重量百分比为：Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质。

6、根据权利要求3所述的铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于所述Al基焊料为HLAlSi10、HLAlSi12、HLAlSiCu10、All2SiSrLa、HL403、HL401、B62、Al60GeSi、HlAlSiMg7.5-1.5、HLAlSiMg10-1.5或HLAlSiMg12-1.5。

7、根据权利要求1所述的铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于铝基复合材料的接头形式为搭接接头形式或对接接头形式。

8、根据权利要求1所述的铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于加热方式为电阻加热。

9、根据权利要求1所述的铝基复合材料超声-电阻焊接方法，其特征在于加压方式为气压、液压或者丝杠传载机械加压。