[發(fā)明專利]一種碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910456736.2
• 申請日: 2019-05-29
• 公開（公告）號: CN110216365B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張成聰;夏佩云;宿國友;陳長江
• 申請（專利權(quán)）人: 上海航天設(shè)備制造總廠有限公司
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 余岢

本發(fā)明公開一種碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊方法，包括如下步驟：S1、攪拌針采用常規(guī)工具鋼制作，在攪拌針表面制備高耐磨、高摩擦系數(shù)的涂層；S2、軸肩采用常規(guī)工具鋼制作，在軸肩端面制備高耐磨、低摩擦系數(shù)的涂層；S3、在靜止軸肩攪拌摩擦焊接過程中，首先將旋轉(zhuǎn)的攪拌針插入待焊碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料試板，使靜止軸肩與試板表面緊密接觸，旋轉(zhuǎn)的攪拌針與周圍材料進行摩擦并在兩者界面處產(chǎn)生熱量，在摩擦熱下攪拌針周圍的材料發(fā)生軟化呈塑性狀態(tài)，隨后，攪拌針沿焊接方向移動且靜止軸肩在試板表面滑動而形成焊縫。該方法采用靜止軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)，實現(xiàn)碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及攪拌摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊方法。

背景技術(shù)

SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al復(fù)合材料)以其低的線膨脹系數(shù)、低密度與高比強度的特點，在航天器有效載荷中，對于結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性、減重要求高的空間遙感相機殼體、框架等結(jié)構(gòu)中有重要的應(yīng)用，其可靠連接也是工程應(yīng)用必須解決的重要問題。顆粒增強鋁基復(fù)合材料的基體與增強相之間由于物理、化學(xué)性能差異較大，給焊接帶來了較大的難度。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是英國焊接研究所(TWI)發(fā)明的一種新型的固相連接技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、焊接變形小、無污染等特點，被廣泛用于鋁合金、鎂合金等同種及異種材料的連接。由于其焊接過程中材料不發(fā)生熔化，同時焊接過程對氧化膜不敏感，使其成為一種理想的連接SiCp/Al復(fù)合材料的方法。

攪拌工具是攪拌摩擦焊的核心部件，對焊接熱過程和材料的塑性流動行為有重要影響，進而影響焊縫質(zhì)量。而在SiCp/Al復(fù)合材料的攪拌摩擦焊過程中，由于攪拌工具與增強相間發(fā)生強烈的相互作用而發(fā)生磨損，使得用于SiCp/Al復(fù)合材料的攪拌工具壽命大大降低，成為制約攪拌摩擦焊技術(shù)在SiCp/Al復(fù)合材料焊接制造中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

一方面，對于SiCp/Al復(fù)合材料的攪拌摩擦焊，采用常規(guī)的工具鋼等材料制作攪拌工具，由于材料的耐磨性較差而難以實現(xiàn)有效焊接；而采用硬度更高、耐磨性更好的高速鋼、高溫合金、W-Re合金和立方氮化硼(PCBN)等材料制作攪拌工具，由于成本高、可加工性差，限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

另一方面，在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊中，焊接過程中的70-80％的摩擦熱產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)軸肩與試板表面的摩擦界面，攪拌針產(chǎn)生20-30％的焊接熱量。被焊材料表面熱輸入較大，過多的熱輸入將會導(dǎo)致強化相粒子與母材基體之間發(fā)生有害的冶金反應(yīng)。而且，在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊過程中，由于軸肩和攪拌針對材料的摩擦作用不同，使得材料流動不均勻，軸肩影響區(qū)的材料流動速度大于攪拌針影響區(qū)。在常規(guī)方法焊接SiCp/Al復(fù)合材料時，由于這種材料流動不均勻會導(dǎo)致強化相粒子的偏聚，降低接頭的力學(xué)性能。有關(guān)靜止軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)，詳見中國專利CN 106077946 A、CN 205798685 U、CN 106001905 A、CN 106624337 A、CN203843367 U。

綜上所述，雖然攪拌摩擦焊技術(shù)是SiCp/Al復(fù)合材料理想的焊接方法，但是由于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接SiCp/Al復(fù)合材料時存在攪拌工具壽命低、成本高、熱輸入過大和強化相粒子偏聚等問題，因此亟需開發(fā)針對SiCp/Al復(fù)合材料高質(zhì)量、低成本攪拌摩擦焊新方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的攪拌摩擦焊制造，能夠解決傳統(tǒng)攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接SiCp/Al復(fù)合材料時存在攪拌工具壽命低、成本高、熱輸入過大和強化相粒子偏聚等問題。