专利名称：铝合金及其复合材料非真空半固态搅拌钎焊方法
技术领域：
本发明涉及的是一种铝合金及其复合材料焊接方法。
背景技术：
高比强度、高尺寸稳定性的新型航天结构材料是减轻航天器重量、提高航天器发射 能力和提高武器装备瞬时应急特性的基础。铝基复合材料具有高比强度、高比弹性模量、 高尺寸稳定性、较好的耐磨性能等优点，在航天领域和武器装备领域具有重大潜在的使用 价值，同时也是当前我国新材料基础研究的重点。但是，铝基复合材料欲在航天、武器装 备及民品上进一步推广应用，就必须解决其二次加工技术问题，特别是一些复杂构件的焊 接技术远远落后于其它技术的研究，成为该种材料走向实用化的瓶颈，因此深入研究铝基 复合材料焊接中的科学问题是非常必要的。
铝基复合材料的焊接研究之所以远远落后于其它二次加工技术是因为该材料的特殊结 构特点导致其焊接性很差，增强相与基体在物理和化学性质方面的差异是焊接的主要难点。 目前，美国、俄罗斯、英国等西方工业发达国家在铝基复合材料焊接方面开展了大量的研 究工作，但也仅限于连续长纤维增强铝基复合材料的焊接得到了应用，而国内外颗粒增强 铝基复合材料的焊接还仅是在实验室里进行研究，如电弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊、瞬 时液相焊等，其中钎焊和瞬时液相焊由于可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的 范围内，避免了熔化焊高温带来的增强相烧损和界面反应的问题，被认为较适于该种材料 的焊接的方法，近几年国内外关于这方面研究的报道也最多。
但是，在上述的连接工艺过程中，为了使得复合材料的基体与基体或填充材料与基体形 成冶金连接,焊前必须清理焊件表面氧化膜,焊接过程必须在真空环境下进行，而且依靠压 力变形破碎表面新生氧化膜。从实际应用角度来看，焊接效率低，对于工程上采用的尺寸 稍大一点或壁薄的构件来说，在真空条件下实现起来几乎是不可能的，因此研究探索在非 真空环境下能够进行连接技术是该类材料工程实际应用的一条可行之路。另外，在常规的 过渡液相连接和反应钎焊过程中，等温凝固过程和自由状态下的结晶过程往往造成焊缝中 增强体的推移，最后导致接头中出现增强相偏聚区及无增强相区，严重影响了接头的力学 性能。国内外许多学者试图通过选择较薄的中间箔层来控制焊接过程中生成的液相共晶层 厚度的方法来改善偏聚，其难点是焊接过程对中间层厚度及待焊表面粗糙度要求较高；也 有人采用增加增强体颗粒尺寸的方法，减小颗粒偏聚的程度，但从复合材料性能来看，一 般都追求微米、亚微米甚至是纳米级的颗粒作为增强体制备复合材料，这两方面的要求是相互矛盾的，同样也不可行。
本发明提出的连接原理如图1所示，在半固态连接过程中通过施加适当的搅拌力场使 半固态合金中固相部分挤压、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，使得半固态合金中液相部 分与复合材料基体发生适当的扩散溶解和同时增强对复合材料颗粒润湿性，而且通过机械 搅拌均匀化焊缝中的增强体颗粒，并搅拌细化焊缝固相晶粒使颗粒在凝固时被现有固液界 面所捕获，实现增强体均匀分布的复合焊缝。
与已经实现的振动液相摩擦、旋转液相摩擦去除氧化膜工艺相比，此焊接过程中高粘 度的半固态合金钎料始终保持在待焊表面，既为钎料与母材的扩散溶解提供了合适的浓度 梯度，而且还在整个焊接过程中保护了待焊表面不被二次氧化，同时半固态机械搅拌连接 下无气孔和非枝晶焊缝组织的获得，也是此工艺非常突出的一个特点。
现有的无中间夹层的半固态连接工艺，通常是先加热到母材的固液区间，然后对待焊 表面直接施加瞬间压力(中国专利ZL200510040070.0)或施加搅拌力来实现连接的。与 以上工艺相比，此工艺具有以下两个突出特点。其一，半固态中间夹层的引入，使连接可 在母材的固相线温度以下进行，进一步降低了焊接温度，同时也减少了母材软化倾向。其 二，在连接过程中只对半固态钎料层进行搅拌，而母材无明显的形变，可实现母材的精密 连接。
与现有的在真空条件下添加半固态中间层进行加压来完成连接的工艺(中国专利
00107491.1)相比，此工艺中由于引入搅拌进程大大提高了连接过程中动态去膜能力，降 低工艺对焊接表面和焊接氛围的严格要求，最终可实现材料的非真空条件下高效连接。另 外，申请人在专利号为200610010098.4的"铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连 接方法"，提出通过半固态钎料的振动流变的方式，成功地破碎基体表面的氧化膜。然而进 一步的结果表明连接过程中振动引起的周期性压缩一拉伸效应容易使焊缝产生气孔，极大 地限制了悍缝强度的提高。此工艺中搅拌头仅进行平行于焊缝的直线运动无明显的横向位 移，大大避免了空气的巻入，提高了焊缝的致密性。纵上所述，同时具有以上特征的半固 态连接技术国内外未见有报道。
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其复合材料非 真空半固态搅拌钎焊方法。
本发明的目的是这样实现的
一种铝合金及其复合材料非真空半固态搅拌钎焊方法，其按以下步骤进行
(1) 将以铝合金或其复合材料为母材的焊件装卡在焊接平台上并在两待焊表面放置
中温钎料，加热焊件，加热温度在390—42(TC之间，使所述中温钎料局部熔化，其中钎料固 相率介于50—80%，即中温钎料处于高固相率的固液共存状态；
(2) 随即通过旋转滑动装置带动搅拌头，搅拌头的旋转速度为150—300转/分钟，在旋转过程中温度恒定不变，同时让搅拌头平行于焊缝的纵向滑动，滑动速度0.5—2cm/ 分钟；
(3) 当搅拌头滑动到焊缝终端，停止旋转滑动，继续加热焊件，使温度升温至430 一45(TC之间，保温时间在1一5分钟，使钎料进一步熔化,其中钎料固相率介于10—40%， 即钎料处于低固相率的固液共存状态；
(4) 随后，再次启动旋转滑动装置带动搅拌头，搅拌头的旋转速度为20—150转/ 分钟，并反方向滑动，滑动速度1—2cm/分钟。当搅拌头滑动到焊缝初始端，停止旋转， 提起搅拌头，保温5—30分钟后，随炉冷却。
所述的钎料可以是片状，方柱状，镀层或事先喷涂在待焊表面上的涂层。 所述的中温钎料是Zn-Al系或Zn-Al-Cu系中温钎料中的一种。 所述的焊件的形状可为方柱件或板件。 所述的旋转源为电动旋转电机或机械旋转装置。 所述的加热方式可为电阻式加热或电弧式加热。 本发明提出的非真空半固态搅拌钎焊方法可以实现铝合金及其复合材料低成本、高效、 高质量焊接，主要的优点及达到的性能指标如下(参见图1和图3):
1、 本方法可在大气环境和无需钎剂条件下，实现铝合金及其复合材料的焊接，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、 在焊接过程中的第一次旋转时，基体表面氧化膜破碎是通半固态钎料中的固相晶粒 对母材表面的摩擦来完成的，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以破碎的问题。
3、 一次旋转后的升温和保温，使半固态钎料层进一步液化和提高了钎料中Zn在母材 中的扩散，从而导致母材进一步溶解，最终在母材一侧形成一定宽度的溶解层。
4、 在焊接过程中的第二次旋转时，通过搅拌流变进程，增强对复合材料颗粒润湿性， 而且通过机械搅拌均匀化焊缝中的增强体颗粒，实现增强体均匀分布的复合焊缝，最终有 利于进一步提高了接头的性能。
5、 在整个连接过程中只需钎料局部熔化，所以焊接温度低，在450'C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。
6、 适合精密及较大焊接表面铝合金及其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，而得到了高强度
的接头性能。
图1是铝基复合材料非真空半固态搅拌钎焊原理示意图2是非真空半固态搅拌钎焊设备示意图3是非真空半固态搅拌钎焊连接过程示意图。图中l焊件、2钎料、3电阻加热器、4焊接平台、5搅拌头、6热电偶、7轨道式 滑动平台、8旋转电机、9电机支架、10氩气
具体实施例方式
下面结合参见图l、图2和图3对本发明作更详细的描述
实施例h将铝基复合材料焊件1装卡在焊接平台4上并在两待焊表面放置Zn-Al中 温钎料2，钎料2可以是片状、方柱状、镀层或事先喷涂在待焊表面。通过电阻加热器3 加热焊件，加热温度在3卯一420。C之间，如390。C、 400°C、 410°C、 420'C,使钎料2局部 熔化。随即启动旋转滑动装置，由轨道式滑动平台7带动搅拌头5移动，由安装在电机支 架9上的旋转电机8带动其旋转，旋转速度为150—300转/分钟，如150转/分钟、180转/ 分钟、200转/分钟、230转/分钟、250转/分钟、280转/分钟或300转/分钟，在旋转过程中 温度恒定不变，搅拌头5平行于焊缝的纵向移动速度0.5—2cm/分钟，如0.5 cm/分钟、1 cm/ 分钟、1.5cm/分钟或2cm/分钟。当搅拌头5移动到焊缝终端，旋转滑动停止，随后温度升 温至430—45(TC之间，如43(TC、 440°C、 450°C，保温时间在1一5分钟，如1分钟、3分 钟、5分钟，使中间层钎料进一步熔化。随后，再次启动旋转滑动装置，旋转速度为20— 150转/分钟，搅拌头5反方向滑动，移动速度l一2cm/分钟。当搅拌头5移动到焊缝初始 端，停止旋转，提起搅拌头5，保温5—30分钟后，如5分钟、IO分钟、16分钟、20分钟、 25分钟、30分钟，随炉冷却。
实施例2，本发明的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，在一次旋转后， 保温温度在430—440。C之间，如430'C、 435°C、 440°C，保温时间在2—5分钟，使中间的 钎料2进一步熔化。随后，再次启动旋转滑动装置(二次旋转)，旋转速度为100—150转/ 分钟，如100转/分钟、120转/分钟、150转/分钟，搅拌头反方向滑动，移动速度l一1.5cm/ 分钟。当搅拌头移动到焊缝初始端，停止旋转，提起搅拌头，保温15—30分钟后，如15 分钟、22分钟、27分钟、30分钟，随炉冷却。
权利要求
1、一种铝合金及其复合材料非真空机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征在于其按以下步骤进行(1)将以铝合金或其复合材料为母材的焊件装卡在焊接平台上并在两待焊表面放置中温钎料，加热焊件，加热温度在390-420℃之间，使所述中温钎料局部熔化，其中中温钎料固相率介于50-80％，即中温钎料处于高固相率的固液共存状态；(2)随即通过旋转滑动装置带动搅拌头，搅拌头的旋转速度为150-300转/分钟，在旋转过程中温度恒定不变，同时让搅拌头平行于焊缝的纵向滑动，滑动速度0.5-2cm/分钟；(3)当搅拌头滑动到焊缝终端，停止旋转滑动，继续加热焊件，使温度升温至430-450℃之间，保温时间在1-5分钟，使钎料进一步熔化，其中钎料固相率介于10-40％，即钎料处于低固相率的固液共存状态；(4)随后，再次启动旋转滑动装置带动搅拌头，搅拌头的旋转速度为20-150转/分钟，并反方向滑动，滑动速度1-2cm/分钟；当搅拌头滑动到焊缝初始端，停止旋转，提起搅拌头，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机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征是所述中温钎料是片状、方柱状、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机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征是所述中温钎料是Zn-Al系或Zn-Al-Cu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机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征是所述焊件的形状为方柱件或板件。
5、 根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料非真空机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征是所述搅拌头的旋转动力源为电动旋转电机或机械旋转装置。
6、 根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料非真空机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征是所述对焊件的加热方式为电阻式加热或电弧式加热。
7、 根据权利要求1-6之任何一项所述的铝合金及其复合材料非真空机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其特征在于所述步骤(3)，保温温度在430—44(TC之间，保温时间在2—5分钟，使钎料进 一步熔化，其中钎料固相率介于20—40%，即钎料处于低固相率的固液共存状态；所述步骤(4)，再次启动旋转装置带动搅拌头，旋转速度为100—150转/分钟， 搅拌头反方向滑动，滑动速度l一1.5cm/分钟，当搅拌头滑动到焊缝初始端，停止旋 转，提起搅拌头，保温15—30分钟后，随炉冷却。
全文摘要
本发明提供的是一种铝合金及其复合材料的非真空机械搅拌辅助下半固态钎焊方法，其先将以铝合金或其复合材料为母材的焊件装卡在焊接平台上并在两待焊表面放置中温钎料，加热焊件，温度390-420℃，使钎料固相率介于50-80％；随即启动旋转滑动装置，旋转速度150-300转/分钟，温度恒定不变，搅拌头平行于焊缝的纵向移动速度0.5-2cm/分钟；当搅拌头移动到焊缝终端，旋转滑动停止，升温至430-450℃，保温时间1-5分钟，使钎料固相率介于10-40％；再次启动旋转装置，旋转速度20-150转/分钟，搅拌头反方向滑动，移动速度1-2cm/分钟。当搅拌头移动到焊缝初始端，停止旋转，提起搅拌头，保温5-30分钟后，随炉冷却。本发明可以实现铝合金及其复合材料低成本、高效、高质量焊接。
文档编号B23K1/00GK101596630SQ20091010402
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月8日 优先权日2009年6月8日
发明者伍光凤, 李春天, 杜长华, 怡 罗, 许惠斌 申请人:重庆理工大学