CN101285160A - 焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法 - Google Patents
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Abstract
焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，它涉及铝基复合材料焊接的方法。它解决了现有焊接铝基复合材料时焊缝区域的增强相分布不均且难以控制的问题。方法：一、对铝基复合材料进行加热，然后将填充材料填充到焊缝中，并加热至成为液相，超声处理后冷却；二、冷却至焊缝金属的固相占焊缝金属总体积的30％～60％再进行超声处理，空冷至室温，即得焊缝区域增强相均匀分布的铝基复合材料的焊接接头。本发明得到的铝基复合材料接头的焊缝区域增强相分布均匀，界面结合良好，而且具有良好的力学、物理性能，为焊接铝基复合材料开辟了一条新的途径，为铝基复合材料在工业领域的广泛应用打下了良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料焊接的方法。
背景技术
近年来，由于对环境和能源的关注，铝基复合材料因为具有高的比强度、比刚度，良好的阻尼性、减震性，并且极小的污染，所以越来越多在航空航天业、计算机制造业、汽车制造业、网络通讯工程等领域被广泛的应用。目前在焊接铝基复合材料时，常加入带颗粒或晶须增强相的填充材料来增强铝基复合材料的接头性能。但填充带增强相的材料，或者由于母材的熔化或者由于填充材料的溶解作用，增强相往往存在于液态焊缝金属当中。如果焊缝中的这些增强相凝固之后能够均匀分布，则它们将起到强化相的作用，使接头的性能提高。相反，增强相发生偏聚或者团聚，将使接头的性能将大大降低。当前，铝基复合材料采用常规的焊接方法都是高温将母材熔化，导致液态熔池中含有大量固态的增强相，如SiC或Al2O3颗粒等，在熔池金属凝固过程中，由于先结晶的固相组织无法以这些增强相为形核基底，因而增强相往往被固-液界面推移到焊缝最后凝固的区域，形成偏聚。另外，由于与焊缝金属比重的差别，增强相也容易出现上浮或者沉降现象。最终，焊缝中出现有的区域贫增强相，有的区域增强相密集，接头性能恶化。
而采用钎焊和瞬间液相扩散焊方法焊接铝基复合材料时，钎料或者中间层材料往往与母材的基体Al发生液相共晶，致使母材中的颗粒进入到液态焊缝中，在凝固时往往也出现类似于熔化焊过程中颗粒的推移及偏聚情况。特别是这两个方法中凝固速率一般比较慢，颗粒的偏聚倾向及程度更大。
为了提高接头的综合性能，显然，必需改善增强相在焊缝中的最终分布。目前，熔化焊方法主要是通过加快凝固速率，以减小焊缝基体金属的生长，从而降低增强相被推移的程度，然而这种方法所具有的焊接高温往往还是使基体金属的组织比较粗大，焊缝中的增强相偏聚没有得到根本地解决；钎焊与瞬间液相扩散焊通过减少液态焊缝中包含的增强相，以达到降低其偏聚程度的目的。然而，这两种方法将无法得到带增强相的复合焊缝，而且接头强度不高。
发明内容
本发明目的是为了解决现有焊接铝基复合材料时焊缝区域的增强相分布不均且难以控制的问题，而提出的一种焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法。
焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法按以下步骤实现：一、对铝基复合材料进行加热，然后将填充材料填充到铝基复合材料的焊缝中，加热至填充材料成为液相，在频率为16～60KHz、振幅为10～40μm的条件下超声处理1～10s，随后冷却；二、冷却至焊缝金属的固相占焊缝金属总体积的30％～60％，再在频率为16～60KHz、振幅为10～40μm的条件下进行超声处理1～6s，空冷至室温，即得焊缝区域增强相均匀分布的铝基复合材料的焊接接头。
本发明中液相与固相的形成温度与待焊铝基复合材料的填充材料的固-液相线温度有关，根据焊接材料的物理性质通过控制形成温度可以调控液相与固相之间的体积比。
本发明利用超声波在液相焊缝中产生的声空化及声流作用快速、彻底地分散增强相；在焊缝凝固过程中细化基体组织，避免增强相被大规模推移，从而达到原位凝固，使铝基复合材料焊缝区域增强相能够分布均匀。本发明工艺简单、设备简单、过程周期短。
附图说明
图1是具体实施方式十四中SiCp/ZL101Al铝基复合材料焊接接头的横截面背散射电子扫描图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法按以下步骤实现：一、对铝基复合材料进行加热，然后将填充材料填充到铝基复合材料的焊缝中，加热至填充材料成为液相，在频率为16～60KHz、振幅为10～40μm的条件下超声处理1～10s，随后冷却；二、冷却至焊缝金属的固相占焊缝金属总体积的30％～60％，再在频率为16～60KHz、振幅为10～40μm的条件下进行超声处理1～6s，空冷至室温，即得焊缝区域增强相均匀分布的铝基复合材料的焊接接头。
本实施方式中第一次对液相焊缝金属进行超声处理的目的是使增强相分布均匀；第二次对液相焊缝金属进行超声处理，是通过对焊缝基体组织的细化，可以避免增强相被固-液界面严重推移，这样将使得增强相依然保持原有的均匀分布状态。
本实施方式中的超声振动均是通过声导杆从铝基复合材料施加，可以只从一侧铝基复合材料施加，也可以从两侧铝基复合材料同时施加。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铝基复合材料的铝基体为纯Al、2A12Al、2014Al、2024Al、6061Al、6063Al、7075Al、ZL101Al或ZL102Al。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中填充材料为钎料或焊丝。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中填充材料都是由Al基、Zn基或者Sn基合金及其复合材料组成。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中增强相为平均粒度为0.01～50μm的SiC、Al2O3、TiC、TiB2、AlN、TiN或ZrO2颗粒，颗粒增强相占铝基复合材料总体积的5％～70％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铝基复合材料中增强相为平均尺寸为1～100μm的SiC、Mg2B2O5或Al18B4O33晶须，晶须增强相占铝基复合材料总体积的5％～30％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铝基复合材料中增强相为按体积比为1∶1混合的颗粒与晶须的混合物，颗粒与晶须的混合物占铝基复合材料总体积的10％～50％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中在频率为20～40KHz、振幅为20～30μm的条件下进行超声处理2～8s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中对下试件在频率为30KHz、振幅为25μm的条件下进行超声处理5s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中冷却至焊缝金属的固相占焊缝金属总体积的40％～50％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中冷却至焊缝金属的固相占焊缝金属总体积的45％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中再在频率为20～40KHz、振幅为20～30μm的条件下进行超声处理2～4s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中再在频率为30KHz、振幅为25μm的条件下进行超声处理3s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法按以下步骤实现：一、对Al2O3p/2024Al的铝基复合材料进行加热，然后将Zn-Al钎料涂覆在Al2O3p/2024Al的铝基复合材料的焊缝上，加热至Zn-Al钎料成为液相，在频率为20KHz、振幅为10μm的条件下超声处理3s，随后冷却；二、冷却至Zn-Al钎料的固相占Zn-Al钎料总体积的45％，再在频率为20KHz、振幅为10μm的条件下进行超声处理3s，空冷至室温，即得焊缝区域增强相均匀分布的铝基复合材料的焊接接头；其中Zn-Al钎料由重量百分比为Al：5.24％、Cu：2.96％、Mg：0.39％、Ag：0.43％、Si：0.11％、Ni：0.1％、余量为Zn组成。
本实施方式步骤一中对Al2O3p/2024Al的铝基复合材料进行升温是采用超声波毛细焊接方式进行处理的。
本实施方式步骤一中Zn-Al钎料成为液相的温度为410℃。
本实施方式步骤二中Zn-Al钎料的固相占Zn-Al钎料总体积的45％时冷却至温度370℃，其中Zn-Al钎料的固-液相线为366～376℃。
本实施方式得到的焊件，经测得接头剪切强度高可达238MPa，而不采取本发明处理的接头一般在200MPa左右。
具体实施方式十四：本实施方式焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法按以下步骤实现：一、对SiCp/ZL101Al的铝基复合材料进行加热，然后将SiCp/Zn-Al复合钎料涂覆在SiCp/ZL101Al的铝基复合材料的焊缝上，加热至SiCp/Zn-Al复合钎料成为液相，然后在频率为20KHz、振幅为10μm的条件下超声处理3s，随后冷却；二、冷却至SiCp/Zn-Al复合钎料的固相占SiCp/Zn-Al复合钎料总体积的45％，再在频率为20KHz、振幅为10μm的条件下进行超声处理3s，空冷至室温，即得焊缝区域增强相均匀分布的铝基复合材料的焊接接头；其中SiCp/Zn-Al复合钎料由重量百分比为Al：5.24％、Cu：2.96％、Mg：0.39％、Ag：0.43％、Si：0.11％、Ni：0.1％、余量为Zn组成。
本实施方式步骤一中对SiCp/ZL101Al的铝基复合材料进行升温是采用预置钎料式的振动液相焊接的方式进行处理的。
本实施方式步骤一中SiCp/Zn-Al复合钎料成为液相的温度为385℃。
本实施方式步骤二中SiCp/Zn-Al复合钎料的固相占SiCp/Zn-Al复合钎料总体积的40％时冷却至温度374℃，其中SiCp/Zn-Al复合钎料的固-液相线为368～380℃。
通过本实施方式得到的焊件，对焊接接头横截面进行背散射电子扫描(如图1所示)，从图1中可以看出SiC颗粒分布均匀，且焊缝的基体合金得到了细化。经测得接头剪切强度高可达120MPa，与母材的强度相当。
Claims (9)
1、焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法按以下步骤实现：一、对铝基复合材料进行加热，然后将填充材料填充到铝基复合材料的焊缝中，加热至填充材料成为液相，在频率为16～60KHz、振幅为10～40μm的条件下超声处理1～10s，随后冷却；二、冷却至焊缝中金属的固相占焊缝金属总体积的30％～60％，再在频率为16～60KHz、振幅为10～40μm的条件下进行超声处理1～6s，空冷至室温，即得焊缝区域增强相均匀分布的铝基复合材料的焊接接头。
2、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤一中铝基复合材料的铝基体为纯Al、2A12Al、2014Al、2024Al、6061Al、6063Al、7075Al、ZL101Al或ZL102Al。
3、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤一中填充材料为钎料或焊丝。
4、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤一中铝基复合材料中增强相为平均粒度为0.01～50μm的SiC、Al2O3、TiC、TiB2、AlN、TiN或ZrO2颗粒，颗粒增强相占铝基复合材料总体积的5％～70％。
5、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤一中铝基复合材料中增强相为平均尺寸为1～100μm的SiC、Mg2B2O5或Al18B4O33晶须，晶须增强相占铝基复合材料总体积的5％～30％。
6、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤一中铝基复合材料中增强相为按体积比为1∶1混合的颗粒与晶须的混合物，颗粒与晶须的混合物占铝基复合材料总体积的10％～50％。
7、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤一中在频率为20～40KHz、振幅为20～30μm的条件下进行超声处理2～8s。
8、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤二中冷却至焊缝中的金属的固相占焊缝金属总体积的40～50％。
9、根据权利要求1所述的焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法，其特征在于步骤二中再在频率为20～40KHz、振幅为20～30μm的条件下进行超声处理2～4s。
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