大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法
2023-06-02 09:48:51 1
專利名稱：大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法
技術領域：
本發明涉及是一種鋁合金及鋁基複合材料焊接方法。
背景技術：
鋁基複合材料以其成本低、製備容易、耐磨性好、性能和功能可設計性強等突出優點脫穎而出，成為金屬基複合材料中研究的主流，而且其在航天、航空結構件、發動機耐熱和耐磨部件等方面有著廣闊的應用前景，被認為是二十一世紀最有希望的複合材料之一。 但是，鋁基複合材料欲在航天、武器裝備及民品上進一步推廣應用，就必須解決其二次加工技術問題，特別是一些複雜構件的連接技術遠遠落後於其它技術的研究，成為該種材料走向實用化的瓶頸，因此深入研究鋁基複合材料焊接中的科學問題是非常必要的。鋁基複合材料的焊接研究之所以遠遠落後於其它二次加工技術是因為該材料的特殊結構特點導致其焊接性很差，增強相與基體在物理和化學性質方面的差異是當前焊接的主要難點。目前，國內外在鋁基複合材料焊接方面開展了大量的研究工作，如電弧焊、雷射焊、釺焊、擴散焊、瞬時液相焊等。下面分別對各種方法進行介紹 1、熔化焊
熔化焊(如TIG焊、雷射焊等)是金屬材料連接最常用的焊接方法之一，但將其應用於鋁基複合材料的焊接中，卻面臨著如下問題
(1)物理相容性問題液態熔池中的部分固態SiC等增強相嚴重地影響到了熔池中的傳熱及傳質過程，使熔池表現為粘度高、流動差，對氣孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔池中的鋁基複合材料與添充材料難於混合均勻，且稀釋率低、成型困難；同時，液態金屬凝固時增強相的偏聚破壞了它原有的分布特點從而使接頭性能惡化；另外，由於增強相與基體線脹係數相差較大，在焊接的加熱和冷卻過程中較大的內應力會殘留在接頭中， 需要進一步的熱處理。(2)化學相容性問題某些增強相(如SiC)與基體Al在較大的溫度範圍內熱力學不穩定，在熔化焊的高溫下有害的界面反應不可避免。2、釺焊
近年來對該方法的研究較少，其主要問題是接頭強度較低。對於鋁基複合材料焊接來說，採用釺焊方法存在如下幾個問題
(1)鋁基複合材料表面緻密的氧化膜嚴重影響焊接質量。由於Al2O3熔點很高，嚴重影響釺料在母材上的潤溼與鋪展，成為鋁基複合材料釺焊的主要障礙之一。(2)鋁合金基體和增強相(如SiC)熔點相差很大，在釺焊溫度下增強體不熔化，導致釺料流動性變差，由於固態增強相的存在釺料在母材上的潤溼與鋪展受到嚴重阻礙；加入某些合金元素及提高釺焊溫度在某種程度上可得到改善，但溫度過高又易引起母材的過燒熔蝕，給釺焊過程帶來很大困難。3、擴散焊擴散焊方法是一種比較有前途的焊接鋁基複合材料的方法，這方面的研究報導也較多。但鋁基複合材料擴散焊存在以下主要問題
(1)鋁基複合材料表面有一層緻密的Al2O3氧化膜，它嚴重阻礙兩個連接表面之間的擴散結合。用機械或化學清理後又立即生成，即使在高真空條件下，這層氧化膜也難於破碎，影響原子間擴散。為破壞基體連接表面的氧化膜的連續性就需要將連接溫度提高到接近鋁的熔點或在連接界面上施加很大的壓力。這會使連接件產生較大的塑性變形。(2)在不採用中間層的情況下，鋁基複合材料接觸面上存在增強相一增強相直接接觸現象，在擴散焊條件下很難實現增強相之間的擴散連接。該部位不僅減少了載荷的傳遞能力，而且加強了裂紋的萌生和擴展，是造成接頭強度不高的主要原因之一。另外，該方法焊接周期較長，設備昂貴，成本高，焊件尺寸形狀也很受限制等缺點， 使其應用受到了限制。4、瞬間液相焊
瞬間液相擴散焊對破壞鋁表面的氧化膜是非常有效的，並且改善了鋁基複合材料中增強相與增強相的接觸狀態。該方法與釺焊及擴散焊既有相似又有差別，既加壓又有中間層 (或者稱為釺料)，是一種較新的焊接方法。與釺焊及固態擴散焊相比它還具備的優點有 連接條件下接頭處液體金屬原子運動較為自由，易於在母材表面形成穩定的原子排列而凝固；連接溫度低，時間短；易得到組織與母材接近的接頭；工藝過程易實現等。瞬間液相焊更具優勢的同時也存在一定的不足(1)增強相的偏聚成為該種材料 TLP焊的主要問題。(2)瞬間液相焊接溫度一般也都超過了 550°C，母材會有不同程度的軟化。5、高效鋁基複合材料液相振動焊接方法
哈爾濱工業大學閆久春等人發明的「高效鋁基複合材料液相振動焊接方法」(批准號 ZL. 03111099. 1)，主要依靠振動條件下焊件表面微觀突起相互剪切和液態釺料金屬的適當溶解的機理，來實現氧化膜的破碎和焊縫的成型。氧化膜的破除與焊縫成型是同時完成的。正是由於氧化膜的破除與焊縫成型是同時進行的，致使整個過程的出現釺料易流失， 焊縫成型較差的問題。6、鋁合金及其複合材料非真空半固態振動流變連接方法
哈爾濱工業大學閆久春等人發明的「鋁合金及其複合材料非真空半固態振動流變連接方法」(公開號1876302A)，棒料焊件要依靠振動條件下釺料中的固相顆粒去擠壓機破碎基體氧化膜和釺料金屬中液態部分的適當溶解的機理，來實現氧化膜的破碎和焊縫的成型。 焊接過程中需要較高的對中精度與焊接間隙，對被連接件的形狀有較高的要求，並且由于振動引起的周期性壓縮一拉伸效應使焊縫極易產生氣孔，極大地限制了焊縫強度的提高， 使該種焊接方法應用範圍受到了一定的限制。7、一種無保護低溫焊接鋁基複合材料的方法
哈爾濱工業大學呂世雄等人發明的「一種無保護低溫焊接鋁基複合材料的方法」(公開號CN1M6836A)，該方法主要是依靠不鏽鋼鋼絲刮磨塗有Si-Al基釺料的工件表面，使鋁基複合材料表面氧化層破壞，從而使熔化的釺料滲入母材中而實現連接。焊接過程中需要鋼絲對工件表面進行刮磨，破除氧化層不徹底且不易實現自動化，同時刮磨的過程中容易捲入氣體，使焊縫極易產生氣孔。
綜上所述，鋁基複合材料的焊接性比較特殊，各種連接方法都在一定程度上適合於該種材料的連接，但連接難度遠比鋁合金的大。主要原因是由於增強相與基體物理、化學性能的巨大差異使連接工藝難以控制，增強相與基體之間良好界面的結合也難以得到。相比之下，擴散焊接比熔化焊更具潛力。特別是瞬間液相(TLP)連接技術在連接鋁基複合材料時得到了令人鼓舞的結果。但目前鋁基複合材料大量的焊接工作還是在實驗室中進行， 更具實際應用意義的TLP焊接工藝尚需做出進一步的努力。
發明內容
本發明的目的在於根據現有技術存在的不足和需要，提供一種大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法，在被焊表面不接觸的條件下，通過半固態金屬的流變去膜以及焊縫的半固態旋轉流變成型，在旋轉過程中實現去膜與成型，從而使接頭的性能得到較大的改善。本發明的技術方案如下
一種大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法，其步驟如下
(1)將鋁合金及其複合材料待焊件裝卡在卡具上並在兩個待焊件的焊接表面處放置、 鍍或噴塗釺料；
(2)對待焊件加壓並保持恆定值，壓力範圍為0.廣2Mpa，並同時加熱待焊件，加熱溫度在40(T48(TC之間，使釺料處於半固態狀態，其釺料固相率的範圍在10、0%。(3)通過旋轉裝置使待焊件旋轉，轉速為65 1500r/min，在旋轉過程中溫度恆定不變，旋轉時間為1(Γ300秒；旋轉停止後，使溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率在 0.廣5°C /S，使釺料溶解一定厚度(5 ΙΟΟμπι)的母材，並保溫，保溫溫度在48(T520°C之間， 保溫時間在廣5分鐘。(4)再加壓，壓力範圍為0.廣IMPa，再次啟動旋轉裝置進行二次旋轉，轉速為 65飛OOr/min，待旋轉3飛0秒之後，停止旋轉，保溫廣30分鐘，後隨爐冷卻。本方法使用的釺料是Si-Al系或Al-Si系的中溫釺料(中溫釺料是指熔化溫度在 45(T600°C的釺料，釺料的液相線溫度應小於待焊件材料的固相線溫度。待焊件的形狀可為棒件、厚板件和方柱件。釺料是片狀、箔狀、鍍層或事先噴塗在待焊表面。待焊件的旋轉方式為單一待焊件旋轉或是兩個待焊件相對旋轉。加壓方式可採用氣壓加壓或液壓加壓。加熱待焊件採用高頻感應線圈或火焰加熱。本發明方法可以解決現有技術的各種方法所存在的主要關鍵問題，實現鋁基複合材料低成本、高效、高質量焊接。本方法主要的優點及達到的性能指標如下
1、本方法可在大氣環境和無需釺劑條件下，實現鋁合金及其複合材料的焊接，焊接表面無需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接頭可靠，工程意義較為理想。2、焊接溫度低，在550°C以下，避免了鋁合金及其複合材料的軟化，克服了熔化焊時母材熔化帶來的不良後果，如成型不佳，增強相偏析，增強相/基體有害反應等。3、在整個連接過程中的第一次旋轉中，上下試件表面始終不接觸，氧化膜破碎是通過熔化的半固態釺料金屬對母材表面的衝刷及固態顆粒對母材表面的擠壓來完成的，解決了諸如釺焊、擴散焊中氧化膜難以去除的問題。
4、一次旋轉後的升溫及保溫階段，通過中間層中Si在母材晶間及增強相與基體間界面的擴散，從而導致母材晶粒的局部融化。最終在母材一側形成固液共存的半固態區。5、在焊接過程中的第二次旋轉時，通過旋轉流變進程，從焊縫中擠出多餘的釺料金屬、顆粒及一次旋轉形成的孔洞。從而，縮短焊縫與母材成分均勻化所需的時間。而且， 通過旋轉的介入，使溶解的母材中的顆粒進入焊縫，從而形成具有複合接頭的焊縫。從而， 進一步提高了接頭的性能。6、適合精密及較大焊接表面鋁基複合材料構件的焊接。7、此種焊接方法繼承了釺焊的焊件尺寸變形小，焊接溫度低的優點，而得到了近似瞬間液相擴散焊的接頭性能。應用本方法焊接鋁合金及其複合材料能達到的性能和指標為 接頭拉伸強度》80%
延伸率彡1. 5%ο
圖1是鋁基複合材料非真空半固態旋轉輔助釺焊的方法過程示意圖， 圖2A是焊件相對旋轉方式示意圖，
圖m是焊件單件旋轉方式示意圖3是鋁基複合材料非真空半固態旋轉輔助釺焊連接原理示意圖； 圖4是非真空半固態旋轉輔助釺焊過程示意圖。
具體實施例方式實施例1
參見圖1和圖2A，將SiCp/ZL101A鋁基複合材料待焊件6裝卡在卡具5上，待焊件6間的間隙為500μπι。並在兩待焊件6的焊接表面放置&1-Α127中溫釺料3，釺料為片狀直接放置在待焊表面。利用氣缸1對待焊件6間加壓力並保持恆定值，加載壓力為0. 3MPa,同時利用高頻線圈4加熱待焊件，加熱溫度在450°C之間，使中間層釺料3熔化。啟動旋轉平臺 2，旋轉方式為雙焊件旋轉，旋轉方向相反，轉速為300r/min，在旋轉過程中溫度恆定不變， 旋轉時間為30秒。旋轉停止後，溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率為0. 5°C /s，並且在預定的溫度下保溫，使釺料溶解厚度為5(Γ300 μ m的母材，保溫溫度在480°C，保溫時間在1 分鐘。隨後，加載壓力為0.2MPa，再次啟動旋轉平臺2裝置(二次旋轉)，轉速為150r/min， 待旋轉20秒之後，停止旋轉，隨後保溫5分鐘後，隨爐冷卻。實施例2
參見圖1和圖2B，將2A12鋁合金待焊件6裝卡在卡具5上，焊件間的間隙為600 μ m。 並在兩待焊表面放置&1-A112中溫釺料3，釺料為片狀直接放置待焊表面。利用氣缸1向焊件間加壓力並保持恆定值，加載壓力為0. 2MPa,同時加熱焊件6，加熱溫度在415°C，使中間層釺料3處於半固體。啟動旋轉平臺2裝置，旋轉方式為單焊件旋轉，轉速為300r/min，在旋轉過程中溫度恆定不變，旋轉時間為40秒。旋轉停止後，溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率為1°C /s，並且在預定的溫度下保溫，使釺料溶解厚度為3(Γ300μπι的母材，保溫溫度在430°C之間，保溫時間在1分鐘。隨後，加載壓力為0. IMPa，再次啟動旋轉平臺2裝置(二次旋轉)，轉速為200r/min，待旋轉10秒之後，停止旋轉，到保溫5分鐘後，隨爐冷卻。本發明的工作原理見附圖3，在兩個圓棒待焊件6中間放置半固態釺料3，通過施加適當的旋轉力場使半固態合金中固相顆粒B擠壓、破碎以至去除焊件基體氧化膜D，使得半固態合金的晶間液相E與基體發生適當的擴散溶解，以至在鋁基複合材料基體表面形成溶解液相A，從而形成溶解層C，此時在溶解層中的SiC顆粒F在攪拌頭的作用下進入焊縫中。本發明的工藝過程見附圖4，當焊接溫度達到所設溫度時，開啟氣缸，使得焊件之間保持一定的壓力，啟動旋轉裝置，保持一定時間後，停止旋轉裝置及加載壓力；隨後按照一定升溫速率進行升溫，當達到所設溫度時，開啟氣缸，使得焊件之間保持一定的壓力，再次啟動旋轉裝置，保持一定時間後，停止旋轉裝置及加載壓力，並進行一定時間的保溫，隨後將焊件空冷。
權利要求
1.大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法，其特徵在於其步驟如下(1)將鋁合金及其複合材料待焊件裝卡在卡具上並在兩待焊件的焊接面的表面放置、 鍍或塗覆釺料；(2)對待焊件加壓，並保持恆定壓力值，壓力範圍為0.廣2Mpa，並同時加熱待焊件，加熱溫度在40(T48(TC之間，使釺料處於半固態狀態，其釺料固相率的範圍在1(Γ80% ；(3)通過旋轉裝置使待焊件旋轉，轉速為65 1500r/min，在旋轉過程中溫度恆定不變， 旋轉時間為1(Γ300秒；旋轉停止後，使溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率在0.廣5°C / s,使釺料溶解厚度5 100 μ m的母材即待焊件材料，並保溫；(4)待保溫時間結束後，施加壓力，壓力範圍為0.廣IMPa，此時啟動旋轉裝置進行二次旋轉，轉速為65飛OOr/min，待旋轉3飛O秒之後，停止旋轉，進行保溫廣30分鐘後，隨爐冷卻。
2.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於釺料是&1-A1系或Al-Si系的中溫釺料，釺料的液相線溫度應小於待焊件材料的固相線溫度。
3.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於所述步驟(3)的保溫溫度在48(T520°C之間，保溫時間在廣5分鐘。
4.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於所述步驟(4)的保溫時間廣30分鐘。
5.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於焊件的形狀可為棒件、厚板件和方柱件。
6.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於釺料是片狀、箔狀、鍍層或事先噴塗在待焊表面。
7.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於所述待焊件的旋轉方式為單一待焊件旋轉或是兩個待焊件相對旋轉。
8.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於加壓採用氣壓加壓或液壓加壓。
9.根據權利要求1所述的大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法， 其特徵在於加熱待焊件採用高頻感應線圈或火焰加熱。
全文摘要
大氣環境下鋁合金及其複合材料機械旋轉半固態焊接方法，將鋁合金及其複合材料焊件裝卡在卡具上並在兩個待焊表面處放置Zn-Al等中溫釺料，加熱焊件，加熱溫度在400~480℃之間,同時加壓力，壓力範圍為0.1~2MPa，使中間層釺料處於半固態狀態，啟動旋轉裝置，轉速為65~1500r/min，在旋轉過程中溫度恆定不變，旋轉時間為10~300秒。旋轉停止後，溫度按一定的升溫速率上升，並且在預定的溫度下保溫，使釺料溶解一定厚度的母材，保溫溫度在480~520℃之間，保溫時間在1~5分鐘。隨後，加壓力，壓力範圍為0.1~1MPa，再次啟動旋轉裝置(二次旋轉)，轉速為65~600r/min，待旋轉3~60秒之後，停止旋轉，然後保溫1~30分鐘後，隨爐冷卻。本發明可實現鋁合金及其複合材料的高效率、高質量、經濟的連接。
文檔編號B23K20/22GK102284759SQ20111018826
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者周博芳, 孫匯彬, 昌霞, 曾友亮, 杜長華, 羅泉祥, 許惠斌 申請人:重慶理工大學