专利名称：焊接铝基复合材料使焊缝区域增强相均匀分布的方法
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Al203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一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 40拜的条件下 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 40,的条件下进行超声 处理l 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一 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。
图l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。
具体实施例方式
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 40nm的条件下超声处理l 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 40pm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一液界面严重推移，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、 2A12A1、 2014A1、 2024A1、 6061A1、 6063Al、 7075Al、 ZL101A1或ZL102A1。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 50pm的SiC、 A1203、 TiC、 TiB2、 A1N、 TiN或Zr02 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 100pm的SiC、 Mg2B205或Al^B4033 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 30pm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25pm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 30pm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25pm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/2024Ai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10pm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。/a，再在频 率为20KHz、振幅为10^im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:0.43Q/o、 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Zri-Al钎料成为液相的温度为410°C。 本实施方式步骤二中Zn-Al钎料的固相占Zn-Ai钎料总体积的45%时冷却
至温度37(TC，其中Zn-Al钎料的固一液相线为366 376。C。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200 MPa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10,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10pm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,ll%、 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/Zri-Al复合钎料成为液相的温度为385°C 。
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°C,其中SiCp/Zn-Al复合钎料的固一液相线为 368 380。C。
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。
权利要求
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A1、2A12A1、2014A1、 2024Al、 6061A1、 6063Al、 7075Al、 ZL101A1或ZU02A1。
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 50pm的SiC、 A1203、 TiC、 TiB2、 A1N、 TiN或Zr02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1 100^m 的SiC、Mg2B205或A118B4033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 30pim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悍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 30pm的 条件下进行超声处理2 4s。
全文摘要
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。
文档编号C22F3/02GK101285160SQ20081006457
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者洋 张, 杨士勤, 许志武, 赵维巍, 闫久春 申请人:哈尔滨工业大学