大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法

摘要

大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，将铝合金及其复合材料焊件装卡在卡具上并在两个待焊表面处放置Zn-Al等中温钎料，加热焊件，加热温度在400~480℃之间,同时加压力，压力范围为0.1~2MPa，使中间层钎料处于半固态状态，启动旋转装置，转速为65~1500r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为10~300秒。旋转停止后，温度按一定的升温速率上升，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解一定厚度的母材，保温温度在480~520℃之间，保温时间在1~5分钟。随后，加压力，压力范围为0.1~1MPa，再次启动旋转装置（二次旋转），转速为65~600r/min，待旋转3~60秒之后，停止旋转，然后保温1~30分钟后，随炉冷却。本发明可实现铝合金及其复合材料的高效率、高质量、经济的连接。

权利要求

1.大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于其步骤如下：（1）将铝合金及其复合材料待焊件装卡在卡具上并在两待焊件的焊接面的表面放置、镀或涂覆钎料；

（2）对待焊件加压，并保持恒定压力值，压力范围为0.1~2Mpa，并同时加热待焊件，加热温度在400~480℃之间，使钎料处于半固态状态，其钎料固相率的范围在10~80%；

（3）通过旋转装置使待焊件旋转，转速为65~1500r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为10~300秒；旋转停止后，使温度按一定的升温速率上升，升温速率在0.1~5℃/s，使钎料溶解厚度5~100μm的母材即待焊件材料，并保温；

（4）待保温时间结束后，施加压力，压力范围为0.1~1MPa，此时启动旋转装置进行二次旋转，转速为65~600r/min，待旋转3~60秒之后，停止旋转，进行保温1~30分钟后，随炉冷却。

2.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于钎料是Zn-Al系或Al-Si系的中温钎料，钎料的液相线温度应小于待焊件材料的固相线温度。

3.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于所述步骤（3）的保温温度在480~520℃之间，保温时间在1~5分钟。

4.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于焊件的形状为棒件、厚板件或方柱件。

5.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于钎料是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。

6.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于所述待焊件的旋转方式为单一待焊件旋转或是两个待焊件相对旋转。

7.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于加压采用气压加压或液压加压。

8.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其特征在于加热待焊件采用高频感应线圈或火焰加热。

说明书

大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及是一种铝合金及铝基复合材料焊接方法。

背景技术

[0002] 铝基复合材料以其成本低、制备容易、耐磨性好、性能和功能可设计性强等突出优点脱颖而出，成为金属基复合材料中研究的主流，而且其在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景，被认为是二十一世纪最有希望的复合材料之一。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连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。

[0003] 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当前焊接的主要难点。目前，国内外在铝基复合材料焊接方面开展了大量的研究工作，如电弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊、瞬时液相焊等。

[0004] 下面分别对各种方法进行介绍：

[0005] 1、熔化焊

[0006] 熔化焊（如TIG焊、激光焊等）是金属材料连接最常用的焊接方法之一，但将其应用于铝基复合材料的焊接中，却面临着如下问题：

[0007] （1）物理相容性问题：液态熔池中的部分固态SiC等增强相严重地影响到了熔池中的传热及传质过程，使熔池表现为粘度高、流动差，对气孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔池中的铝基复合材料与添充材料难于混合均匀，且稀释率低、成型困难；同时，液态金属凝固时增强相的偏聚破坏了它原有的分布特点从而使接头性能恶化；另外，由于增强相与基体线胀系数相差较大，在焊接的加热和冷却过程中较大的内应力会残留在接头中，需要进一步的热处理。

[0008] （2）化学相容性问题：某些增强相（如SiC）与基体Al在较大的温度范围内热力学不稳定，在熔化焊的高温下有害的界面反应不可避免。

[0009] 2、钎焊

[0010] 近年来对该方法的研究较少，其主要问题是接头强度较低。对于铝基复合材料焊接来说，采用钎焊方法存在如下几个问题：

[0011] （1）铝基复合材料表面致密的氧化膜严重影响焊接质量。由于Al2O3熔点很高，严重影响钎料在母材上的润湿与铺展，成为铝基复合材料钎焊的主要障碍之一。

[0012] （2）铝合金基体和增强相（如SiC）熔点相差很大，在钎焊温度下增强体不熔化，导致钎料流动性变差，由于固态增强相的存在钎料在母材上的润湿与铺展受到严重阻碍；加入某些合金元素及提高钎焊温度在某种程度上可得到改善，但温度过高又易引起母材的过烧熔蚀，给钎焊过程带来很大困难。

[0013] 3、扩散焊

[0014] 扩散焊方法是一种比较有前途的焊接铝基复合材料的方法，这方面的研究报道也较多。但铝基复合材料扩散焊存在以下主要问题：

[0015] （1）铝基复合材料表面有一层致密的Al2O3氧化膜，它严重阻碍两个连接表面之间的扩散结合。用机械或化学清理后又立即生成，即使在高真空条件下，这层氧化膜也难于破碎，影响原子间扩散。为破坏基体连接表面的氧化膜的连续性就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或在连接界面上施加很大的压力。这会使连接件产生较大的塑性变形。

[0016] （2）在不采用中间层的情况下，铝基复合材料接触面上存在增强相—增强相直接接触现象，在扩散焊条件下很难实现增强相之间的扩散连接。该部位不仅减少了载荷的传递能力，而且加强了裂纹的萌生和扩展，是造成接头强度不高的主要原因之一。

[0017] 另外，该方法焊接周期较长，设备昂贵，成本高，焊件尺寸形状也很受限制等缺点，使其应用受到了限制。

[0018] 4、瞬间液相焊

[0019] 瞬间液相扩散焊对破坏铝表面的氧化膜是非常有效的，并且改善了铝基复合材料中增强相与增强相的接触状态。该方法与钎焊及扩散焊既有相似又有差别，既加压又有中间层（或者称为钎料），是一种较新的焊接方法。与钎焊及固态扩散焊相比它还具备的优点有：连接条件下接头处液体金属原子运动较为自由，易于在母材表面形成稳定的原子排列而凝固；连接温度低，时间短；易得到组织与母材接近的接头；工艺过程易实现等。

[0020] 瞬间液相焊更具优势的同时也存在一定的不足：（1）增强相的偏聚成为该种材料TLP焊的主要问题。（2）瞬间液相焊接温度一般也都超过了550℃，母材会有不同程度的软化。

[0021] 5、高效铝基复合材料液相振动焊接方法

[0022] 哈尔滨工业大学闫久春等人发明的“高效铝基复合材料液相振动焊接方法”(批准号：ZL.03111099.1),主要依靠振动条件下焊件表面微观突起相互剪切和液态钎料金属的适当溶解的机理,来实现氧化膜的破碎和焊缝的成型。氧化膜的破除与焊缝成型是同时完成的。正是由于氧化膜的破除与焊缝成型是同时进行的,致使整个过程的出现钎料易流失,焊缝成型较差的问题。

[0023] 6、铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法

[0024] 哈尔滨工业大学闫久春等人发明的“铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法”(公开号：1876302A)，棒料焊件要依靠振动条件下钎料中的固相颗粒去挤压机破碎基体氧化膜和钎料金属中液态部分的适当溶解的机理,来实现氧化膜的破碎和焊缝的成型。焊接过程中需要较高的对中精度与焊接间隙，对被连接件的形状有较高的要求，并且由于振动引起的周期性压缩－拉伸效应使焊缝极易产生气孔，极大地限制了焊缝强度的提高，使该种焊接方法应用范围受到了一定的限制。

[0025] 7、一种无保护低温焊接铝基复合材料的方法

[0026] 哈尔滨工业大学吕世雄等人发明的“一种无保护低温焊接铝基复合材料的方法”(公开号：CN1326836A)，该方法主要是依靠不锈钢钢丝刮磨涂有Zn-Al基钎料的工件表面，使铝基复合材料表面氧化层破坏，从而使熔化的钎料渗入母材中而实现连接。焊接过程中需要钢丝对工件表面进行刮磨，破除氧化层不彻底且不易实现自动化，同时刮磨的过程中容易卷入气体，使焊缝极易产生气孔。

[0027] 综上所述，铝基复合材料的焊接性比较特殊，各种连接方法都在一定程度上适合于该种材料的连接，但连接难度远比铝合金的大。主要原因是由于增强相与基体物理、化学性能的巨大差异使连接工艺难以控制，增强相与基体之间良好界面的结合也难以得到。相比之下，扩散焊接比熔化焊更具潜力。特别是瞬间液相（TLP）连接技术在连接铝基复合材料时得到了令人鼓舞的结果。但目前铝基复合材料大量的焊接工作还是在实验室中进行，更具实际应用意义的TLP焊接工艺尚需做出进一步的努力。

发明内容

[0028] 本发明的目的在于根据现有技术存在的不足和需要，提供一种大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，在被焊表面不接触的条件下，通过半固态金属的流变去膜以及焊缝的半固态旋转流变成型,在旋转过程中实现去膜与成型，从而使接头的性能得到较大的改善。

[0029] 本发明的技术方案如下：

[0030] 一种大气环境下铝合金及其复合材料机械旋转半固态焊接方法，其步骤如下：

[0031] （1）将铝合金及其复合材料待焊件装卡在卡具上并在两个待焊件的焊接表面处放置、镀或喷涂钎料；

[0032] （2）对待焊件加压并保持恒定值，压力范围为0.1~2Mpa，并同时加热待焊件，加热温度在400~480℃之间，使钎料处于半固态状态，其钎料固相率的范围在10~80%。

[0033] （3）通过旋转装置使待焊件旋转，转速为65~1500r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为10~300秒；旋转停止后，使温度按一定的升温速率上升，升温速率在0.1~5℃/s，使钎料溶解一定厚度（5~100μm）的母材，并保温，保温温度在480~520℃之间，保温时间在1~5分钟。

[0034] （4）再加压，压力范围为0.1~1MPa，再次启动旋转装置进行二次旋转，转速为65~600r/min，待旋转3~60秒之后，停止旋转，保温1~30分钟，后随炉冷却。

[0035] 本方法使用的钎料是Zn-Al系或Al-Si系的中温钎料（中温钎料是指熔化温度在450~600℃的钎料，钎料的液相线温度应小于待焊件材料的固相线温度。

[0036] 待焊件的形状可为棒件、厚板件和方柱件。钎料是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。

[0037] 待焊件的旋转方式为单一待焊件旋转或是两个待焊件相对旋转。加压方式可采用气压加压或液压加压。加热待焊件采用高频感应线圈或火焰加热。

[0038] 本发明方法可以解决现有技术的各种方法所存在的主要关键问题，实现铝基复合材料低成本、高效、高质量焊接。本方法主要的优点及达到的性能指标如下：

[0039] 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。

[0040] 2、焊接温度低，在550℃以下，避免了铝合金及其复合材料的软化，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。

[0041] 3、在整个连接过程中的第一次旋转中，上下试件表面始终不接触，氧化膜破碎是通过熔化的半固态钎料金属对母材表面的冲刷及固态颗粒对母材表面的挤压来完成的，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以去除的问题。

[0042] 4、一次旋转后的升温及保温阶段，通过中间层中Zn在母材晶间及增强相与基体间界面的扩散，从而导致母材晶粒的局部融化。最终在母材一侧形成固液共存的半固态区。

[0043] 5、在焊接过程中的第二次旋转时，通过旋转流变进程，从焊缝中挤出多余的钎料金属、颗粒及一次旋转形成的孔洞。从而，缩短焊缝与母材成分均匀化所需的时间。而且，通过旋转的介入，使溶解的母材中的颗粒进入焊缝，从而形成具有复合接头的焊缝。从而，进一步提高了接头的性能。

[0044] 6、适合精密及较大焊接表面铝基复合材料构件的焊接。

[0045] 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,而得到了近似瞬间液相扩散焊的接头性能。

[0046] 应用本方法焊接铝合金及其复合材料能达到的性能和指标为：

[0047] 接头拉伸强度： ≥80%

[0048] 延伸率： ≥1.5%。

附图说明

[0049] 图1是铝基复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊的方法过程示意图，[0050] 图2A是焊件相对旋转方式示意图，

[0051] 图2B是焊件单件旋转方式示意图；

[0052] 图3是铝基复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊连接原理示意图；

[0053] 图4是非真空半固态旋转辅助钎焊过程示意图。

具体实施方式

[0054] 实施例1:

[0055] 参见图1和图2A，将SiCp/ZL101A铝基复合材料待焊件6装卡在卡具5上，待焊件6间的间隙为500μm。并在两待焊件6的焊接表面放置Zn-Al27中温钎料3，钎料为片状直接放置在待焊表面。利用气缸1对待焊件6间加压力并保持恒定值，加载压力为0.3MPa，同时利用高频线圈4加热待焊件，加热温度在450℃之间,使中间层钎料3熔化。启动旋转平台2，旋转方式为双焊件旋转，旋转方向相反，转速为300r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为30秒。旋转停止后，温度按一定的升温速率上升，升温速率为0.5℃/s，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解厚度为50~300μm的母材，保温温度在480℃，保温时间在1分钟。随后，加载压力为0.2MPa，再次启动旋转平台2装置（二次旋转），转速为
150r/min，待旋转20秒之后，停止旋转，随后保温5分钟后，随炉冷却。

[0056] 实施例2：

[0057] 参见图1和图2B，将2A12铝合金待焊件6装卡在卡具5上，焊件间的间隙为600μm。并在两待焊表面放置Zn-Al12中温钎料3，钎料为片状直接放置待焊表面。利用气缸1向焊件间加压力并保持恒定值，加载压力为0.2MPa，同时加热焊件6，加热温度在
415℃，使中间层钎料3处于半固体。启动旋转平台2装置，旋转方式为单焊件旋转，转速为
300r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为40秒。旋转停止后，温度按一定的升温速率上升，升温速率为1℃/s，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解厚度为30~300μm的母材，保温温度在430℃之间，保温时间在1分钟。随后，加载压力为0.1MPa，再次启动旋转平台2装置（二次旋转），转速为200r/min，待旋转10秒之后，停止旋转，到保温5分钟后，随炉冷却。

[0058] 本发明的工作原理见附图3，在两个圆棒待焊件6中间放置半固态钎料3，通过施加适当的旋转力场使半固态合金中固相颗粒B挤压、破碎以至去除焊件基体氧化膜D,使得半固态合金的晶间液相E与基体发生适当的扩散溶解，以至在铝基复合材料基体表面形成溶解液相A，从而形成溶解层C，此时在溶解层中的SiC颗粒F在搅拌头的作用下进入焊缝中。

[0059] 本发明的工艺过程见附图4，当焊接温度达到所设温度时，开启气缸，使得焊件之间保持一定的压力，启动旋转装置，保持一定时间后，停止旋转装置及加载压力；随后按照一定升温速率进行升温，当达到所设温度时，开启气缸，使得焊件之间保持一定的压力，再次启动旋转装置，保持一定时间后，停止旋转装置及加载压力，并进行一定时间的保温，随后将焊件空冷。