一种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料加工成型制造领域，特别是一种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法。
【背景技术】
[0002]材料的高强、可靠焊接与连接，在汽车、船舶、航空航天、石油化工和日用产品等领域有着广泛的应用前景。然而，在工程应用实践中，实现材料的高强、可靠焊接存在很多困难，例如:异种金属焊接接头中容易存在脆性金属间化合物层、残余热应力较大和界面结合薄弱等问题，陶瓷材料焊接接头容易产生结合薄弱、残余应力大等问题。这些问题严重影响材料产生高强、可靠的连接。从目前国内外研究现状来看，通过改善工艺等思路，能够一定程度缓解这些问题，考虑到接头形式、生产柔性、焊接成本等因素，在诸多场合，这些方法适用性受到一定程度的限制，效果有待进一步提高。
[0003]以异种金属材料的焊接与连接为例，异种金属焊接是利用焊接技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合而形成可靠连接。尽管各金属仍然保持各自原有特性，但其性能比单一金属优越，因此，异种金属连接结合一直受到普遍重视。
[0004]异种金属的焊接与连接方法，主要包括钎焊、熔化焊和固相焊等。钎焊的基本工艺是:按照要求准备母材和钎料，然后使用外加热源，将钎料熔化，钎料凝固后实现界面结合。该方法需要使用钎剂或气氛，破除母板表面的氧化膜。熔化焊的基本工艺是:按照要求准备母材和钎料，然后使用外加热源，将母材或母材和填充材料熔化，焊缝凝固后实现界面结合。压力焊的基本工艺是:按照要求准备母材和钎料，然后使用外加热源，母材不熔化，通过施加压力促使界面实现结合。
[0005]上述工艺中存在的主要问题是:焊接过程中，异种金属反应迅速、剧烈、难以避免，生成的脆性金属间化合物难以承受应力作用，容易造成开裂，降低了焊接接头的力学性能。目前减少异种材料金属间化合物影响的思路普遍是调整焊接参数、优化工艺、降低热输入、进而减少金属间化合物的生成，但是异种金属反应迅速，彻底避免较为困难。异种材料互溶性差，在熔化焊时，液相分离，冷却结晶时造成焊缝成份不均，容易发生开裂;热膨胀系数不同，焊缝易产生应力，造成焊接变形，导致裂纹萌生;热导率不同，结晶条件恶化，易造成晶粒粗化;金属材料表面二次氧化膜生长迅速，可产生夹杂、裂纹，影响界面结合;焊前金属表面清理工艺繁琐，焊接过程中使用钎剂会对人员造成毒副作用，焊后钎剂清理困难，易对对结合界面的产生不良影响。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，该方法在超声场条件下，加压、加热并用，焊接与连接母材焊缝形成增强相强化的复合焊缝结构，结合界面反应可控，结合强度高，残余热应力小。
[0007]本发明的技术方案:
[0008]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤如下:
[0009]I)将待焊母材表面清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；
[0010]2)将复合材料表面打磨、抛光、清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；
[0011]3)将钎料表面打磨、抛光、清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；
[0012]4)将上述处理后的待焊母材、钎料金属合金和复合材料，按照“母材/钎料/复合材料/钎料/母材”的结构组装，然后放入超声波辅助焊接装置中，加热至50-2000°C并保温1-60min，同时施加超声波0.l-120s，超声波的振动频率为I X 14-1 X 19Hz，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，在达到预定温度、超声场条件下，开启加压装置进行焊接，工具头输出振幅为0.01-20μπι，工作压力0.01-5.0Mpa，焊接完成后待温度下降至室温，关闭超声作用，取出焊件，得到增强相强化复合焊缝结构材料。
[0013]所述待焊母材为铝、钢、Al2O3或陶瓷。
[0014]所述复合材料为硅颗粒增强复合材料或碳化硅纤维增强复合材料。
[0015]所述奸料为Zn-xAl(x = 0_50)、Sn-xZn(x = 0_80)、Sn-1n、Sn-B1、Sn_Ag-Cu、Sn-Pb或 BA188Si(9-10.5)Mg(l-2)(熔点 591)。
[0016]本发明的优点和积极效果是:
[0017]该方法通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料，能够进行金属、非金属的焊接，结合界面反应可控、残余热应力较小、结合强度较高。
【附图说明】
[0018]图1是采用颗粒增强复合材料的焊接示意图。
[0019]图2是单颗粒增强复合焊缝结构。
[0020]图3采用两种颗粒增强复合材料的焊接示意图。
[0021 ]图4是双颗粒增强复合焊缝结构。
[0022]图5是采用短纤维增强复合材料的焊接示意图。
[0023]图6是短纤维增强复合焊缝结构。
[0024]图7是采用短纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料的焊接示意图。
[0025]图8是短纤维-颗粒联合增强复合焊缝结构。
【具体实施方式】
[0026]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的组合。
[0027]实施例1:
[0028]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤如下:
[0029]I)将待焊母材铝和钢表面清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；
[0030]2)将硅颗粒增强复合材料表面打磨、抛光、清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；
[0031]3)将钎料Sn-9Zn表面打磨、抛光、清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；
[0032]4)将上述处理后的待焊母材、钎料金属合金和复合材料，按照“铝/钎料/复合材料/钎料/钢”的结构组装，如图1所示，然后放入超声波辅助焊接装置中，加热至260°c并保温60min，同时施加超声波，超声波的振动频率为100kHz、振幅为20μπι，超声波处理时间为30s，超声波电源的输出功率为5kW，在达到预定温度、超声场条件下，开启加压装置进行焊接，工具头输出振幅为10M，工作压力3.5MPa，焊接完成后待温度下降至室温，关闭超声作用，取出焊件，得到增强相强化复合焊缝结构材料。
[0033]单颗粒增强复合焊缝结构如图2所示。
[0034]实施例2:
[0035]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:所使用的母材为钛和氧化铝陶瓷。
[0036]实施例3:
[0037]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:所使用的钎料为锡基、锌基、银基、铜基或铝基合金钎料。
[0038]实施例4:
[0039]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:超声频率为2X 14-1 X 19Hz,工具头输出振幅为0.01-20μπι，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，工作压力0.01-5.0Mpa。
[0040]实施例5:
[0041]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:工作压力大小为0.0001-100Mpa。
[0042]实施例6:
[0043]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:加热温度为50-2000 0C。
[0044]实施例7:
[0045]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:采用了硅颗粒和碳化硅两种颗粒增强复合材料作为中间层进行焊接，如图3所示，得到了双颗粒增强复合焊缝结构，如图4所示。
[0046]实施例8:
[0047]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:采用碳化硅短纤维增强复合材料作为中间层进行焊接，如图5所示，得到了短纤维增强复合焊缝结构，如图6所示。
[0048]实施例9:
[0049]—种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:采用了碳化硅短纤维增强复合材料和硅颗粒增强复合材料作为中间层进行焊接，如图7所示，得到了短纤维-颗粒联合增强复合焊缝结构，如图8所示。
【主权项】
1.一种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，其特征在于步骤如下: 1)将待焊母材表面清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用； 2)将复合材料表面打磨、抛光、清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用； 3)将钎料表面打磨、抛光、清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用； 4)将上述处理后的待焊母材、钎料金属合金和复合材料，按照“母材/钎料/复合材料/钎料/母材”的结构组装，然后放入超声波辅助焊接装置中，加热至50-2000°C并保温1-60min，同时施加超声波0.l-120s，超声波的振动频率为I X 14-1 X 19Hz，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，在达到预定温度、超声场条件下，开启加压装置进行焊接，工具头输出振幅为0.01-20μπι，工作压力0.01-5.0Mpa，焊接完成后待温度下降至室温，关闭超声作用，取出焊件，得到增强相强化复合焊缝结构材料。2.根据权利要求1所述通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，其特征在于:所述待焊母材为铝、钢、Al2O3或陶瓷。3.根据权利要求1所述通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，其特征在于:所述复合材料为硅颗粒增强复合材料或碳化硅纤维增强复合材料。4.根据权利要求1所述通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，其特征在于:所述奸料为Zn-xAl (x = 0_50)、Sn-xZn(x = 0_80)、Sn-1n、Sn-B1、Sn-Ag-Cu、Sn-Pb或BA188Si(9-10.5)Mg( 1-2)(熔点 591)。
【专利摘要】一种通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料的方法，步骤如下：首先将待焊母材、复合材料和钎料的表面分别清洗，去除氧化膜、污渍和油脂，烘干备用；然后将上述材料按照“母材/钎料/复合材料/钎料/母材”的结构组装，然后放入超声波辅助焊接装置中，加热、保温同时施加超声波，在达到预定温度、超声场条件下，开启加压装置进行焊接，焊接完成后待温度下降至室温，关闭超声作用，取出焊件，得到增强相强化复合焊缝结构材料。本发明的优点和积极效果是：该方法通过调控形成增强相强化复合焊缝结构材料，能够进行金属、非金属的焊接，结合界面反应可控、残余热应力较小、结合强度较高。
【IPC分类】B23K1/14, B23K1/20, B23K1/06, B23K103/18
【公开号】CN105618885
【申请号】CN201610180155
【发明人】周小玉, 朱琳, 王谦, 梁悦, 张兆芃, 万朝辉, 周琳, 宋丽新, 王思佳, 郭大伟
【申请人】天津理工大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月25日