CN1876302A

CN1876302A - 铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法

Info

Publication number: CN1876302A
Application number: CN 200610010098
Authority: CN
Inventors: 闫久春; 许惠斌; 石磊; 李大成; 许志武; 杨士勤
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: CN100408243C

Abstract

本发明提供的是一种铝合金及其复合材料非真空振动流变连接方法。其特征是：将铝合金或铝基复合材料焊件装卡在卡具上并在两待焊表面放置中温焊料，加热焊件，加热温度在380－400℃之间，待填加焊料熔化后，启动振动装置，振幅为0.1－1.5mm。在振动过程中温度恒定不变，振动时间为10－300秒。振动停止后，将温度升高至450－520℃之间，保温1－5分钟。随后，再次启动振动装置，振幅为0.1－1mm，待振动3－60秒之后，停止振动，同时施加恒定压力，压力范围为0.1－2MPa，并保温5－30分钟后，随炉冷却。本发明可以实现铝合金及铝基复合材料低成本、高效、高质量焊接。

Description

铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种铝基复合材料焊接方法。

(二)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。然而，较差的焊接性成为了该种材料走向实用化的严重障碍。国内外许多学者为获得铝基复合材料连接问题上的突破进展，至今已经对铝基复合材料的熔化焊(如TIG焊、激光焊、电子束焊等)、固相焊(如扩散焊、瞬间液相焊等)及其他一些方法(如钎焊、粘接等)进行了研究。但目前绝大多数的研究还处于实验室阶段，很多方法在高效性、实用性、经济性等方面仍有一定问题。下面分别对各种方法进行介绍：

1、熔焊

熔化焊是金属材料连接最通用的焊接方法之一，但是将其应用于铝基复合材料的焊接当中，却面临着如下所述的一些急待解决的问题：

(1)物理相容性问题：液态熔池中的部分固态SiC或Al₂O₃严重地影响到了熔池中的传热及传质过程，使熔池表现为粘度高、流动差，对气孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔化的铝基复合材料与外加添充材料难于混合，稀释率低，成型困难；同时，液态金属凝固时增强相的偏析破坏了它原有的分布特点而使接头性能恶化；另外，当增强相与基体线胀系数相差较大，在焊接的加热和冷却过程中较大的内应力会残留在接头中。

(2)化学相容性问题：某些增强相(如SiC)与基体Al在较大的温度范围内热力学不稳定，熔焊高温下有害的界面反应不可避免。

2、电阻焊

电阻焊可控性好，能量高度集中，焊接时间极短，快速的冷却(冷却速度可达10⁶℃/s)导致接头急冷从而避免了母材过热引起的增强体与基体反应生成Al₄C₃脆性相，能有效的防止界面反应，而且通过施加压力还可防止裂纹及气孔。但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。

另外，许多研究表明对于电阻焊在焊接非连续纤维增强的铝基复合材料时熔核中存在增强相严重偏聚，恶化了接头性能。

3、钎焊

早在60年代和70年代初就被研究用于金属基复合材料的连接。近年来对该方法的研究较少，其主要问题是接头强度受钎料限制，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。

4、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。焊接接头有局部软化现象，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。

5、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，这方面的研究报道也较多。但在用扩散焊铝基复合材料时遇到了与扩散焊铝时同样的困难。铝基复合材料扩散焊存在以下主要问题：

(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—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。

另外，该方法焊接周期较长，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。

6、瞬间液相焊

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)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来解决了该问题，但在实际应用意义来看，效率较低，工程实现起来较难。(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。

7、高效铝基复合材料液相振动焊接方法

哈尔滨工业大学闫久春等人发明的“高效铝基复合材料液相振动焊接方法”(专利号：ZL.03111099.1)，主要依靠振动条件下焊件表面微观突起相互剪切和液态钎料金属的适当溶解的机理，来实现氧化膜的破碎和焊缝的成型。氧化膜的破除与焊缝成型是同时完成的，容易出现钎料流失问题，焊缝成型条件比较苛刻。

综上所述，铝基复合材料的焊接性比较特殊，各种连接方法都在一定程度上适合于该种材料的连接，但连接难度远比铝合金的大。主要原因是由于增强相与基体物理、化学性能的巨大差异使连接工艺难以控制，增强相与基体之间良好界面的结合也难以得到。相比之下，扩散焊接比熔化焊更具潜力。特别是瞬间液相(TLP)连接技术在连接铝基复合材料时得到了令人鼓舞的结果。但目前铝基复合材料大量的焊接工作还是在实验室中进行，更具实际应用意义的TLP焊接工艺尚需做出进一步的努力。另外，铝基复合材料非真空半固态振动流变连接方法针对专利“高效铝基复合材料液相振动焊接方法”焊接成型条件苛刻的问题，通过被焊表面不接触的条件下液态金属的流变去膜以及焊缝的半固态振动流变成型，实现去膜与成型的分阶段控制。从而，使焊接工艺的实现得到较大的改善。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种容易实现，使焊接工艺得以改善的铝合金及复合材料非真空半固态振动流变连接方法。

本发明的目的是这样实现的：将铝合金或铝基复合材料焊件装卡在卡具上并在两待焊表面放置中温焊料，加热焊件，加热温度在380-400℃之间，使中间层焊料熔化，启动振动装置，振幅为0.1-1.5mm，在振动过程中温度恒定不变，振动时间为10-300秒，振动停止后，温度升温至450-520℃之间，保温时间在1-5分钟，随后，再次启动振动装置，振幅为0.1-1mm，待振动3-60秒之后，停止振动，同时加压力并保持恒定值，压力范围为0.1-2MPa，到保温5-30分钟后，随炉冷却。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的焊料可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面上的涂层。

2、所述的中温焊料是Zn-Al系或Al-Si系中温钎料中的一种。

3、所述的焊件的形状可为棒件、厚板件或方柱件。

4、所述的振动的振动源为电动振动台或机械振动台。

非真空半固态振动流变连接方法，可以实现铝基复合材料低成本、高效、高质量焊接。本方法主要的特点及达到的性能指标为：

1、本方法可在大气环境和无需钎剂条件下，实现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、焊接温度低，在520℃以下，避免了复合材料的软化，克服了熔化焊时母材熔化带来的不良后果，如成型不佳，增强相偏析，增强相/基体有害反应等。

3、在整个连接过程中的第一次振动中，上下试件表面始终不接触，氧化膜破碎是通过熔化的液态钎料金属对母材表面的冲刷来完成的，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以去除的问题。

4、一次振动后的升温及保温阶段，通过中间层中Zn在母材晶间及增强相与基体间界面的扩散，从而导致母材晶粒的局部融化。最终在母材一侧形成固液共存的半固态区。

5、在焊接过程中的第二次振动时，通过振动流变进程，从焊缝中挤出多余的液相、颗粒及一次振动形成的孔洞。从而，缩短焊缝与母材成分均匀化所需的时间。而且，通过振动的介入，使溶解的母材中的颗粒进入焊缝，从而形成具有复合接头的焊缝。从而，进一步提高了接头的性能。

6、适合精密及较大焊接表面铝基复合材料构件的焊接。

7、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，而得到了近似瞬间液相扩散焊的接头性能。

焊接接头可达到的力学性能指标为：

接头拉伸强度： ≥80％

延伸率： ≥1.5％

(四)附图说明

图1是铝基复合材料非真空半固态振动流变连接的原理图；

图2是非真空半固态振动流变连接过程示意图。

(五)具体实施方式

下面举例对本发明作更详细的描述：

结合图1，将铝基复合材料焊件6装卡在卡具2上并在两待焊表面放置Zn-Al等中温焊料5，焊料可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面。通过高频感应线圈4加热焊件，加热温度在380-400℃之间，加热温度通过热点偶3控制，加热使中间层焊料熔化，启动振动装置7，振幅为0.1-1.5mm，在振动过程中温度恒定不变，振动时间为10-300秒。振动停止后，温度按一定的升温速率上升，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解一定厚度的母材，保温温度在450-520℃之间，保温时间在1-5分钟。随后，再次启动振动装置、进行二次振动，振幅为0.1-1mm，待振动3-60秒之后，停止振动，同时通过汽缸1加压力并保持恒定值，压力范围为0.1-2MPa，到保温5-30分钟后，随炉冷却。所述的焊料可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面上的涂层。所述的中温焊料是Zn-Al系或Al-Si系中温钎料中的一种。所述的焊件的形状可为棒件、厚板件或方柱件。所述的振动的振动源为电动振动台或机械振动台。

本发明的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，振动后的保温温度控制在450-480℃之间，保温时间在2-5分钟。随后，再次启动振动装置，振幅为0.1-0.5mm，待振动30-60秒之后，停止振动，同时加压力并保持恒定值，压力范围为1-2MPa，到保温15-30分钟后，随炉冷却。

Claims

1、一种铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法，其特征是：将铝合金或铝基复合材料焊件装卡在卡具上并在两待焊表面放置中温焊料，加热焊件，加热温度在380-400℃之间，使中间层焊料熔化，启动振动装置，振幅为0.1-1.5mm，在振动过程中温度恒定不变，振动时间为10-300秒，振动停止后，温度升温至450-520℃之间，保温时间在1-5分钟，随后，再次启动振动装置，振幅为0.1-1mm，待振动3-60秒之后，停止振动，同时加压力并保持恒定值，压力范围为0.1-2MPa，到保温5-30分钟后，随炉冷却。

2、根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法，其特征是：所述的焊料可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面上的涂层。

3、根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法，其特征是：所述的中温焊料是Zn-Al系或Al-Si系中温钎料中的一种。

4、根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法，其特征是：所述的焊件的形状可为棒件、厚板件或方柱件。

5、根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法，其特征是：所述的振动的振动源为电动振动台或机械振动台。

6、根据权利要求1-6任何一项所述的铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法，其特征是：振动后的保温温度控制在450-480℃之间，保温时间在2-5分钟；随后，再次启动振动装置，振幅为0.1-0.5mm，待振动30-60秒之后，停止振动，同时加压力并保持恒定值，压力范围为1-2MPa，到保温15-30分钟后，随炉冷却。