SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法

摘要

SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法，本发明涉及SiCp/Al复合材料电子束辅助热源扩散焊接方法。本发明是要解决某些材料传统熔化焊接时产生的金属烧损严重、界面反应等问题，而提供了SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法。一、对待焊接的两块母材进行预处理；二、将两块母材放入焊接夹具并施加压力挤压母材；三、抽真空处理；四、采用上散焦模式进行第一次焊接；五、进行第二次焊接；六、真空冷却即完成了SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法。属于固相焊接领域。

说明书

技术领域

本发明涉及SiCp/Al复合材料电子束辅助热源扩散焊接方法，属于固相焊接领域。

背景技术

SiCp/Al复合材料是一种优良的结构材料，具有较高的比强度、比刚度和比模量，以 及其尺寸稳定性好、抗振、不老化等众多优点，在航空、航天、汽车、电子等领域具有非 常重要的应用价值。对比来说，颗粒增强材料具有成本低廉、制备工艺简单等优点，有潜 力实现工业化大批量生产，因而成为当前铝基复合材料的研究重点。若能成功实现SiCp/Al 复合材料与同种或异种材料(如钛，铝等金属)间的连接，在航空、航天、汽车、电子等 领域必将拥有广阔的应用前景。

但是，由于铝基复合材料的增强相与基体之间的物化性能差异很大，熔焊时焊缝成形 较差，且在高温下容易发生界面反应。因而，尽快解决铝基复合材料的焊接性问题是实现 其应用价值的关键。目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。

发明内容

本发明是要解决某些材料传统熔化焊接时产生的金属烧损严重、界面反应等问题，而 提供了SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法。

SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法按以下步骤实现：

一、对待焊接的两块SiCp/Al复合材料母材进行预处理；

二、将两块SiCp/Al复合材料母材放入焊接夹具中，调整两块SiCp/Al复合材料母材 的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述两块SiCp/Al复合材料母材 的相对位置为两块SiCp/Al复合材料母材的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的 缝隙0～0.1mm；

三、将固定的两块SiCp/Al复合材料母材放入真空室内，然后抽真空至真空度为 5×10^-4Pa～5×10^-2Pa；

四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到两块SiCp/Al复合材料母材的对接面处 进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV， 聚焦电流为2000～2600mA，焊接电子束流为4mA～10mA，焊接速度为3mm/s～5mm/s；

五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接 时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2600mA，电子束流为 4mA～10mA，焊接速度为3mm/s～5mm/s；

六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压 扩散连接。

发明效果：

采用常规的电子束焊接方法对SiCp/Al复合材料进行焊接焊缝成形很差，界面反应明 显，接头强度较低。本发明与常规焊接方法不同之处在于采用特殊焊接夹具固定母材，并 对母材接触面施加压力，同时利用复合焊接的方法，以散焦电子束作为加热热源对SiCp/Al 复合材料进行电子束辅助热挤压扩散连接。一方面可以使SiCp/Al复合材料焊缝形成良好 的扩散冶金结合，接头没有铝基体烧损产生的凹槽，焊缝成形好；另一方面能够减弱或消 除界面反应，获得连续分布的焊缝组织，避免了脆性相的生成和初生硅长大，从而可将接 头抗拉强度提高。

附图说明

图1是试验1中的焊接夹具的结构示意图；

图2是试验1中的焊接夹具外壳示意图；

图3是试验1中的焊接夹具中的垂直固定杆示意图；

图4是试验1中的焊接夹具中底部垫板示意图；

图5是试验1中的焊接夹具中滑动前挡板示意图；

图6是试验1中的焊接夹具中滑动后挡板示意图；

图7是试验1中焊接夹具使用示意图；

图8是试验1中的焊件宏观形貌图；

图9是试验1中的接头微观形貌图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法按 以下步骤实现：

一、对待焊接的两块SiCp/Al复合材料母材进行预处理；

二、将两块SiCp/Al复合材料母材放入焊接夹具中，调整两块SiCp/Al复合材料母材 的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述两块SiCp/Al复合材料母材 的相对位置为两块SiCp/Al复合材料母材的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的 缝隙0～0.1mm；

三、将固定的两块SiCp/Al复合材料母材放入真空室内，然后抽真空至真空度为 5×10^-4Pa～5×10^-2Pa；

四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到两块SiCp/Al复合材料母材的对接面处 进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV， 聚焦电流为2000～2600mA，焊接电子束流为4mA～10mA，焊接速度为3mm/s～5mm/s；

五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接 时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2600mA，电子束流为 4mA～10mA，焊接速度为3mm/s～5mm/s；

六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压 扩散连接。

本实施方式中的第二次焊接的方向与第一次焊接方向相反，但轨迹与第一次焊接的轨 迹相重合；

本实施方式中以步骤四第一次焊接和步骤五第二次焊接作为一个周期，可重复0～4 个周期，每完成一个周期，电子束流就相对于上一周期有所降低，每周期焊接电流大小分 别为8mA、7mA、6mA、5mA，这是为了减弱热累积作用的影响，避免热输入过大，其 他工艺参数均保持不变；

本实施方式中工艺参数与焊接电流根据焊接的母材尺寸变化而改变。

本实施方式效果：

采用常规的电子束焊接方法对SiCp/Al复合材料进行焊接焊缝成形很差，界面反应明 显，接头强度较低。本实施方式与常规焊接方法不同之处在于采用特殊焊接夹具固定母材， 并对母材接触面施加压力，同时利用复合焊接的方法，以散焦电子束作为加热热源对 SiCp/Al复合材料进行电子束辅助热挤压扩散连接。一方面可以使SiCp/Al复合材料焊缝 形成良好的扩散冶金结合，接头没有铝基体烧损产生的凹槽，焊缝成形好；另一方面能够 减弱或消除界面反应，获得连续分布的焊缝组织，避免了脆性相的生成和初生硅长大，从 而可将接头抗拉强度提高。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中预处理方法为对 待焊接的两块SiCp/Al复合材料母材对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。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或二不同的是：步骤一中所述SiCp/Al 复合材料母材由2A12铝基体和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中2Al2铝基体的成 分按重量分数为Cu：4.4％、Mg：1.5％、Mn：0.6％、杂质≤0.15％、余量为Al。其它步骤 及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中的焊接 夹具由由由夹具外壳1、夹具底座2、垂直固定装置和水平固定装置构成，其中所述夹具 外壳1固定连接在夹具底座2上，夹具外壳1的两个相对的侧壁上设置有滑动导槽1-1， 夹具外壳1的后壁上设置有限位孔1-2，所述垂直固定装置设在夹具外壳1内部前端，垂 直固定装置由垂直固定杆3和底部垫板4构成，所述垂直固定杆3两端通过紧固螺丝3-1 卡合在夹具外壳1两侧壁上，底部垫板4设在垂直固定杆3正下方，其中，底部垫板4 上设有两个凸起的固定条4-1并与垂直固定杆3相对，所述水平固定装置设在夹具外壳1 内部后端，水平固定装置由限位螺丝5、滑动前挡板6、滑动后挡板7和弹簧8构成，其 中，滑动前挡板6的两端设置有前挡板凸起6-1，滑动前挡板6侧面设有第一弹簧限位销 6-2，滑动后挡板7的两端设置有后挡板凸起7-1，滑动后挡板7侧面设有第二弹簧限位销 7-2，滑动前挡板6两端的前挡板凸起6-1与滑动后挡板7的后挡板凸起7-1都嵌入滑动导 槽1-1中，弹簧8通过第一弹簧限位销6-2与第二弹簧限位销7-2固定在滑动前挡板6与 滑动后挡板7之间，限位螺丝5穿过限位孔1-2顶靠在滑动后挡板7上。其它步骤及参数 与具体实施方式一至三之一相同。

通过以下试验验证本发明有益效果：

试验1SiCp/Al复合材料电子束辅助热挤压扩散连接方法按以下步骤实现：

一、对待焊接的两块母材进行预处理：

将待焊接的两块SiCp/Al复合材料母材的对接面及其附近区域进行机械打磨和化学 清洗；

二、将两块SiCp/Al复合材料母材放入焊接夹具中，使用焊接夹具固定挤压两块 SiCp/Al复合材料母材，使用方法如下：

A、将两块SiCp/Al复合材料母材分别放置在垂直固定装置垂直固定杆3与底部垫板 4之间，调整两块SiCp/Al复合材料母材的相对位置，使得两块SiCp/Al复合材料母材的 对接面的错边小于0.2mm，并且对接面之间的缝隙小于0.1mm，通过垂直固定装置垂直 固定杆3与底部垫板4保持两块SiCp/Al复合材料母材在垂直方向上的相对位置不变，然 后通过调节紧固螺丝3-1将垂直固定杆两端锁紧在夹具外壳1两侧；

B、通过水平固定装置限位螺丝5、滑动前挡板6、滑动后挡板7和弹簧8施加压力 进行水平挤压；首先，通过滑动导槽1-1调整滑动前挡板6与滑动后挡板7相对距离来压 缩滑动前挡板6与滑动后挡板7之间的弹簧8，然后通过限位螺丝5固定位置，当弹簧8 压缩达到固定收缩量时，便可得此时弹簧对母材接触面施加的压力，利用此压力以及已知 的接触面面积，便可知接触面上产生的压强大小，将焊接电子束流采用上散焦模式打到两 块SiCp/Al复合材料母材的对接面处进行焊接，同时添加圆形扫描，调整好各工艺参数， 在设定的压力值下进行焊接试验；

其中，所述弹簧自然长度L＝66mm，最大收缩量ΔL＝36mm，弹性系数K＝12.7N/mm， 可提供的最大弹力F＝457.2N，本夹具采用两根相同规格的弹簧，故最大可提供 Fmax＝2F＝914.4N的压力，即可以对焊接件施加的最大压强为其中L、W、H分别为焊接件的长、宽、高，尺寸范围分别为：长度L为0～280mm，宽 度W为10mm～50mm，厚度H为0～20mm；针对尺寸为2mm×20mm×70mm的焊接件， 此夹具可提供的最大接触面压强为最大压强

调整两块SiCp/Al复合材料母材的相对位置，使得两块SiCp/Al复合材料母材的对接 面的错边小于0.2mm，并且对接面之间的缝隙小于0.1mm，然后通过焊接夹具固定两块 SiCp/Al复合材料母材，同时在两块SiCp/Al复合材料母材接触面上施加固定的接触压力 3MPa；

三、在焊接夹具的弹簧处的上方加盖一块不锈钢挡板，借此消除因弹簧的铁磁性对电 子束流的偏移影响，将固定的两块放入真空室内开始抽真空，使该真空室内的真空度在 5×10-4Pa；

四、将焊接电子束流采用上散焦模式打到两块SiCp/Al复合材料母材的对接面处进行 焊接，同时添加圆形扫描，加速电压为55kV，聚焦电流为2480mA，电子束流为7mA， 焊接速度为15mm/s，此为第一次焊接过程；

五、紧接着进行第二次焊接，第二次焊接的方向与上一步骤相反，但轨迹与步骤五焊 接的轨迹相重合，焊接时加速电压为55kV，聚焦电流为2480mA，电子束流为7mA，焊 接速度为15mm/s；

六、以步骤四和步骤五作为一个周期，后面周期重复步骤四和步骤五，每下一个周期， 电子束流可以比上一周期有所降低，这样可以减弱热累积作用的影响，避免热输入过大； 其他工艺参数均保持不变；

七、真空室冷却，冷却10min，焊接完成。

本试验SiCp/Al复合材料母材尺寸为70mm*20mm*2mm和70mm*20mm*3mm，也可 为其他尺寸，只要在所给尺寸范围内均可。

图1是试验1中的焊接夹具的结构示意图；

图2是试验1中的焊接夹具外壳示意图；

图3是试验1中的焊接夹具中的垂直固定杆示意图；

图4是试验1中的焊接夹具中底部垫板示意图；

图5是试验1中的焊接夹具中滑动前挡板示意图；

图6是试验1中的焊接夹具中滑动后挡板示意图；

图7是试验1中焊接夹具使用示意图，其中，9为铜合金与铝基复合材料；

图8是试验1中的焊件宏观形貌图；

图9是试验1中的接头微观形貌图。

由图8可知，宏观：焊件连接处，成形很好，无基体Al飞溅，正面焊缝有极少量残 渣平铺，解决了熔焊时易发生的焊缝凹陷严重问题。

由图9可知，微观：焊缝处，两侧复合材料中包含的铝基体冶金连接较好，铝基体受 热扩散弥合焊缝，接头整体无气孔、裂纹等缺陷，也无熔焊时界面反应生成的脆性相Al₄C₃， 提高了接头性能。