[發明專利]鋁合金及其復合材料非真空半固態攪拌釬焊方法

無效

• 申請號: 200910104027.4
• 申請日: 2009-06-08
• 公開（公告）號: CN101596630A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 許惠斌;杜長華;羅怡;伍光鳳;李春天
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00
• 代理公司: 重慶華科專利事務所
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及的是一種鋁合金及其復合材料焊接方法。

背景技術

高比強度、高尺寸穩定性的新型航天結構材料是減輕航天器重量、提高航天器發射能力和提高武器裝備瞬時應急特性的基礎。鋁基復合材料具有高比強度、高比彈性模量、高尺寸穩定性、較好的耐磨性能等優點，在航天領域和武器裝備領域具有重大潛在的使用價值，同時也是當前我國新材料基礎研究的重點。但是，鋁基復合材料欲在航天、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，特別是一些復雜構件的焊接技術遠遠落后于其它技術的研究，成為該種材料走向實用化的瓶頸，因此深入研究鋁基復合材料焊接中的科學問題是非常必要的。

鋁基復合材料的焊接研究之所以遠遠落后于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焊接的主要難點。目前，美國、俄羅斯、英國等西方工業發達國家在鋁基復合材料焊接方面開展了大量的研究工作，但也僅限于連續長纖維增強鋁基復合材料的焊接得到了應用，而國內外顆粒增強鋁基復合材料的焊接還僅是在實驗室里進行研究，如電弧焊、激光焊、釬焊、擴散焊、瞬時液相焊等，其中釬焊和瞬時液相焊由于可將焊接溫度控制在基體與增強相不發生反應的范圍內，避免了熔化焊高溫帶來的增強相燒損和界面反應的問題，被認為較適于該種材料的焊接的方法，近幾年國內外關于這方面研究的報道也最多。

但是，在上述的連接工藝過程中，為了使得復合材料的基體與基體或填充材料與基體形成冶金連接，焊前必須清理焊件表面氧化膜，焊接過程必須在真空環境下進行，而且依靠壓力變形破碎表面新生氧化膜。從實際應用角度來看，焊接效率低，對于工程上采用的尺寸稍大一點或壁薄的構件來說，在真空條件下實現起來幾乎是不可能的，因此研究探索在非真空環境下能夠進行連接技術是該類材料工程實際應用的一條可行之路。另外，在常規的過渡液相連接和反應釬焊過程中，等溫凝固過程和自由狀態下的結晶過程往往造成焊縫中增強體的推移，最后導致接頭中出現增強相偏聚區及無增強相區，嚴重影響了接頭的力學性能。國內外許多學者試圖通過選擇較薄的中間箔層來控制焊接過程中生成的液相共晶層厚度的方法來改善偏聚，其難點是焊接過程對中間層厚度及待焊表面粗糙度要求較高；也有人采用增加增強體顆粒尺寸的方法，減小顆粒偏聚的程度，但從復合材料性能來看，一般都追求微米、亞微米甚至是納米級的顆粒作為增強體制備復合材料，這兩方面的要求是相互矛盾的，同樣也不可行。

本發明提出的連接原理如圖1所示，在半固態連接過程中通過施加適當的攪拌力場使半固態合金中固相部分擠壓、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，使得半固態合金中液相部分與復合材料基體發生適當的擴散溶解和同時增強對復合材料顆粒潤濕性，而且通過機械攪拌均勻化焊縫中的增強體顆粒，并攪拌細化焊縫固相晶粒使顆粒在凝固時被現有固液界面所捕獲，實現增強體均勻分布的復合焊縫。

與已經實現的振動液相摩擦、旋轉液相摩擦去除氧化膜工藝相比，此焊接過程中高粘度的半固態合金釬料始終保持在待焊表面，既為釬料與母材的擴散溶解提供了合適的濃度梯度，而且還在整個焊接過程中保護了待焊表面不被二次氧化，同時半固態機械攪拌連接下無氣孔和非枝晶焊縫組織的獲得，也是此工藝非常突出的一個特點。

現有的無中間夾層的半固態連接工藝，通常是先加熱到母材的固液區間，然后對待焊表面直接施加瞬間壓力(中國專利：ZL200510040070.0)或施加攪拌力來實現連接的。與以上工藝相比，此工藝具有以下兩個突出特點。其一，半固態中間夾層的引入，使連接可在母材的固相線溫度以下進行，進一步降低了焊接溫度，同時也減少了母材軟化傾向。其二，在連接過程中只對半固態釬料層進行攪拌，而母材無明顯的形變，可實現母材的精密連接。

與現有的在真空條件下添加半固態中間層進行加壓來完成連接的工藝(中國專利：00107491.1)相比，此工藝中由于引入攪拌進程大大提高了連接過程中動態去膜能力，降低工藝對焊接表面和焊接氛圍的嚴格要求，最終可實現材料的非真空條件下高效連接。另外，申請人在專利號為200610010098.4的“鋁合金及其復合材料非真空半固態振動流變連接方法”，提出通過半固態釬料的振動流變的方式，成功地破碎基體表面的氧化膜。然而進一步的結果表明連接過程中振動引起的周期性壓縮-拉伸效應容易使焊縫產生氣孔，極大地限制了焊縫強度的提高。此工藝中攪拌頭僅進行平行于焊縫的直線運動無明顯的橫向位移，大大避免了空氣的卷入，提高了焊縫的致密性。縱上所述，同時具有以上特征的半固態連接技術國內外未見有報道。

發明內容