铝基复合材料液相冲击扩散焊接新工艺

摘要

本发明提出的一种铝基复合材料液相冲击扩散焊接新工艺属于金属的扩散焊连接工艺技术领域。本发明的焊接新工艺要解决铝基复合材料扩散焊连接质量不高的技术问题。本发明主要包括：焊接保温温度选择在该种铝基复合材料的液、固相温度区间内、并且相应于其基体液相体积分率为20－35％的温度范围内，保温时间为30秒，首先施加初始焊接压力5MPa，冲击压力为80－120MPa，冲击速度施加于焊接温度保温开始后5－10秒内，冲击温度为350－700mm/秒。冲击度施加时间间隔为0.0001－0.01秒。本发明的焊接新工艺适用于由铝基材料6061、6063、2014、2A12、5A06、6A02、7A04、ZL101、ZL102和增强材料SiC、Al2O3、TiC、AlN组成的铝基复合材料。

说明书

技术领域

本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊接新工艺属于金属的扩散焊接工艺技术领域；特别涉及到铝基复合材料的扩散焊连接工艺。

背景技术

铝基复合材料由于其优良的综合性能而在航天、航空、军事及民用领域具有相当的应用和具有巨大的潜在应用价值，对其焊接性的研究已经引起我国和世界各国的高度重视，但是，构成铝基复合材料的两种材料—铝基材料和增强材料的物理和化学性能差别大，导致其焊接性很差。

有人利用铝基复合材料的铝合金基体做为中间层进行扩散焊接连接，例如铝基复合材料Al₂O_3p/6061Al，利用其基体材料铝合金6061做中间层进行真空扩散焊连接，结果表明可以得到铝合金中间层与上述铝基复合材料的连接，但接头强度不理想，并且由于加入铝合金中间层而在其结合面微观组织中出现了“无增强相带”，这样就破坏了焊接接头组织的整体性，从而明显降低了铝基复合材料接头的力学性能，其中特别是接头强度下降。

还有人采用Cu作中间层进行铝基复合材料的瞬时液相扩散焊，由于Cu中间层扩散不均匀，在接头区域易产生脆性相，因而极大地降低了接头强度。

针对上述铝基复合材料连接出现的问题，已授权的专利号为00107203.X的发明专利“一种铝基复合材料的扩散焊接工艺”提出了一种新的铝基复合材料的焊接连接工艺，该工艺主要包括：扩散焊连接工艺中的焊接温度应当选择在该铝基复合材料的液、固相温度区间内相应于其基体液相体积分率为20-35％的一温度范围内，扩散焊的其余规范参数为：真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa、焊接压力4-6Mpa，焊接时间30分钟。

该方法可以明显的改善铝基复合材料的焊接接头质量，增强相与基体相结合良好，接头强度明显增加。

专利号00107203.X的发明专利提出的铝基复合材料的扩散焊接方法存在的主要问题是焊接时间30分钟，焊接时间较长，长焊接时间不仅在焊接设备、能源上花费大，并且长时间的焊接对接头的组织也不利，往往容易产生有害相、影响接头质量，最终接头强度难于继续提高。

发明内容

为了克服背景技术中的上述不足，本发明的目的在于提出一种铝基复合材料的扩散焊连接的新工艺，从而进一步提高焊接质量。

本发明的目的通过以下的技术方案达到。

1、一种铝基复合材料液相冲击扩散焊连接工艺，铝基复合材料由铝基材料和弥散混合其内的增强材料组成，焊接工艺中焊接保温温度选择在该铝基复合材料的液、固相温度区间内，并且相应于其基体液相体积分率为20-35％的温度范围内，真空度为4×10^-1Pa，其特征在于，在上述焊接保温温度范围内，焊接温度保温时间为30秒，首先施加初始焊接压力为5Mpa，冲击压力为80-120Mpa，冲击速度施加于焊接温度保温开始后5-10秒内，冲击速度为350-700mm/秒，冲击速度施加时间间隔为0.0001-0.01秒。

2、当利用上述焊接工艺焊接铝基复合材料SiCp/ZL101时，焊接保温温度为568-572℃，该温度相应于该种铝基复合材料中基体液相体积分率为20-35％，焊接初始压力为5Mpa，焊接温度保温时间为30秒，冲击速度施加于焊接温度开始保温后5-10秒内，冲击压力为80-100Mpa，冲击压力施加时间间隔为0.0001-0.01秒，冲击速度为350-700mm/秒，焊毕，接头强度为179Mpa。

3、当利用上述焊接工艺焊接铝基复合材料SiCp/6061Al时，焊接保温温度为618-626℃，该温度相应于该种铝基复合材料中基体液相体积分率为20-35％，焊接初始压力为5Mpa，焊接温度保温时间为30秒，冲击速度施加于焊接温度开始保温后5-10秒内，冲击压力为82-110Mpa，冲击压力施加时间间隔为0.0001-0.01秒，冲击速度为350-700mm/秒，焊毕，接头强度为260Mpa。

4、当利用上述焊接工艺焊接铝基复合材料Al₂O_3p/6061Al时，焊接保温温度为640-647℃，该温度相应于该种铝基复合材料中基体液相体积分率为20-35％，焊接初始压力为5Mpa，焊接温度保温时间为30秒，冲击速度施加于焊接温度开始保温后5-10秒内，冲击压力为80-120Mpa，冲击压力施加时间间隔为0.0001-0.01秒，冲击速度为350-700mm/秒，焊毕，接头强度为282Mpa。

5、当利用上述1的焊接工艺方法焊接铝基复合材料SiCp/2A12时，焊接保温温度为580-623℃，该温度相应于基体液相体积分率为20-35％，焊接初始压力为5Mpa，冲击压力80-105Mpa，冲击速度施加于焊接温度保温开始后5-10秒内，冲击速度为350-700mm/秒，焊接温度保温时间为30秒，冲击速度施加时间为0.0001-0.01秒，焊毕，接头强度为335Mpa。

6、上述1的焊接工艺方法适用于由铝基材料和弥散混合其内的增强材料组成的铝基复合材料，其中，铝基材料为6061、6063、2014、2A12、5A06、6A02、7A04、ZL101、ZL104；增强材料为SiC、Al₂O₃、TiC、AlN。

本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊接新工艺实际上是专利号为00107203.X号发明专利的发展和提高，本专利仍然采用00107203.X号专利提出的焊接温度选择在该铝基复合材料的液、固相温度区间的相应于其基体液相体积分率为20-35％的温度范围内，但是，为了提高焊接质量，把原来30分钟的焊接时间明显缩短为30秒，并把原来固定施加的焊接压力改进为施加焊接初始压力和冲击压力，并对冲击压力的施加时间、施加速度都做了严格的限定。

这样，本发明提出的焊接新工艺与专利号00107203.X的发明专利提出的工艺方法相比可以明显提高接头质量和接头强度，并且明显缩短焊接时间，提高生产效率。

附图说明

图1本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊接新工艺的原理示意图；

图2焊接初始压力与接头强度的关系图；

图3铝基复合材料SiCp/ZL101焊接工艺中采用不同冲击速度施加时间的示意图；

图4最佳冲击速度施加时间(焊接温度保温后5-10秒)相对应的焊接接头的电子显微镜下的断口形貌；

图5冲击速度与接头强度的关系图；

图6焊接温度保温时间与接头强度的关系图；

首先说明，铝基复合材料是由铝基材料和弥散混合其内的增强材料组成。SiCp表示呈颗粒状的SiC。

正如图1表示的，该焊接工艺的原理在于，选择的焊接温度是在被焊的铝基复合材料的液、固相温度之间的相应于其基体液相体积分率为20-35％的温度范围内，在上述焊接温度保温的区间内施加一个冲击压力Pt，从而实现被焊铝基复合材料工件之间的良好结合。

图2表示焊接初始压力与接头强度的关系图。该关系图的试验条件是：采用铝基复合材料SiCp/ZL101作被焊工件，工件厚度δ＝1mm，焊接保温温度T＝570℃，此温度与铝基复合材料SiCp/ZL101的基体液相体积分率20-35％相应，焊接温度保温时间t＝30秒，冲击速度V₁＝560mm/秒，冲击压力为80-100Mpa，真空度为4×10^-1Pa，焊接初始压力为5Mpa。从图2可以清楚的看出，开始，随着初始压力值增加，接头强度不断增加，接头强度达最大值179Mpa，然而焊初始压力继续增加时，接头强度反而下降。

所以焊接时选择焊接初始压力为5Mpa。

图3表示了在铝基复合材料SiCp/ZL101焊接工艺中采用不同的冲击速度施加时间的示意图。

被焊工件为铝基复合材料SiCp/ZL101，焊接保温温度570℃，在保温时间为0-5秒的时间内施加冲击速度进行焊接时，即图3所示的冲击I状况，由于焊接保温时间短，被焊工件来不及形成足够的基体液相，并且基体液相分布不均匀，此时快速施加一冲击力时，接头中增强相与基体液相不能很好的结合，结果接头性能不佳。

当冲击速度是在焊接温度保温开始后的5-10秒内进行时，如图3所示的冲击II状况，此时被焊工件由于提供了充足的基体液相，在冲击速度的作用下，增强相与基体相形成良好的结合，因而接头性能良好。

当冲击速度施加时间是在焊接温度保温超过10秒时，如图3所示的冲击III的状况，这时，由于被焊工件加热区扩大，刚度下降，这时在冲击速度作用下，被焊工件变形并产生滑移，因而不能形成正常的焊缝。

因此，当冲击速度的施加时间是焊接温度开始保温后的5-10秒时，基体与增强相结合最好，接头性能最佳，接头强度最高。

图4表示采用最佳冲击速度施加时间(焊接温度保温后5-10秒)得到的焊接接头的电子显微镜断口形貌。从该断口形貌可以看出，由于被焊工件在焊接温度下较长时间的保温，工件表面具有充足的基体液相，再配合以合适的冲击速度，最终形成了良好结合的接头，基本不存在裸露的增强相颗粒，断口呈一定的韧性，并且增强相颗粒上附着有基体金属。

图5表示焊接时施加的冲击速度与接头强度的关系图。

被焊材料为铝基复合材料SiCp/ZL101，采用与基体液相体积分率为20-35％相应的焊接温度T＝570℃进行焊接，保温时间为t＝30秒，焊接初始压力P₀＝5Mpa，冲击压力为80-100Mpa，分别采用厚度δ＝0.1mm、0.5mm、1mm、和2mm的四种厚度的工件进行焊接，结果如图5所示，从图中可以清楚地看出，当冲击速度小于70mm/秒时，接头强度最低，随冲击速度的增加，接头的强度也随之大幅度提高。当冲击速度过大，大于700mm/秒时，接头强度反而明显降低，这是由于冲击速度过大时，大量基体液相被挤出焊缝，使得接头区域没有足够的基体液相浸润增强相，造成接头区域大量增强相聚集，接头强度反而明显下降。从图5可以看出，冲击速度为350-700mm/秒，接头强度最大，并且，不同厚度的四种工件显示了大致相同的规律。    

图6表示焊接保温时间与接头强度之间关系图。被焊工件为铝基复合材料SiCp/ZL101，焊接温度T＝570℃，该温度与该种铝基复合材料的基体液相体积分率20-35％相应。冲击速度V₁＝560mm/秒，焊接初始压力P₀＝5Mpa，冲击压力为80-100Mpa，工件厚度δ＝1mm。正如图6表示出的，在焊接保温时间0-30秒的区间内，接头强度随时间增加而逐渐提高，这是由于随着保温时间增加，被焊工件的原子扩散深度增加，保温到30秒时，接头强度最高，随着保温时间的进一步延长，由于工件加热部位的增大，被焊工件中出现大量液相，即所谓的“浑身是汗”现象，从而导致接头强度下降。    

因此焊接保温时间选定为30秒。

具体实施方式

1.采用本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊接新工艺焊接铝基复合材料SiCp/ZL101，工件厚度1mm，增强材料SiC颗粒平均尺寸为12mm，并呈颗粒状分布，采用对接接头，真空度4×10^-1Pa，焊接保温温度568-572℃，该温度与该铝基复合材料基体液相体积分率20-35％相应，焊接初始压力5Mpa，焊接温度保温时间为30秒，冲击压力为80-100Mpa，冲击速度施加于焊接温度开始保温后5-10秒内，冲击速度施加时间间隔为0.0001-0.01秒，焊毕，接头强度为179Mpa，接近母材强度74.6％，变形＜3％。

2.采用本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊工艺方法被焊工件为SiCp/6061Al，工件厚度为1mm，增强相SiCp颗粒平均尺寸为5μm，并呈颗粒状分布，采用对接接头，真空度4×10^-1Pa，焊接保温温度618-626℃，该保温温度相应于被焊铝基复合材料SiCp/6061Al中基体液相体积分率20-35％，焊接温度保温时间为30秒，冲击压力为82-110Mpa，冲击速度为350-700mm/秒，冲击速度施加的时间间隔为0.0001-0.01秒，焊毕，焊接接头强度为260Mpa，相当于母材强度72.2％，接头变形量＜3％。

3.采用本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊新工艺方法，被焊工件为Al₂O_3p/6061Al，厚度为1mm，增强相Al₂O₃颗粒平均尺寸为5μm，并为颗粒状分布，采用对接接头，真空度4×10^-1Pa，焊接保温温度640-647℃，该焊接保温温度相应于被焊铝基复合材料Al₂O_3p/6061Al中基体液相体积分率20-35％，焊接初始压力5Mpa，焊接保温时间为30秒，冲击压力为80-120Mpa，冲击速度施加于焊接温度保温开始后的5-10秒内，。冲击速度为350-700mm/秒，冲击速度施加时间为0.001-0.01秒，焊毕，焊接接头强度为282Mpa，相当于母材强度70.5％，接头变形量＜3％。

4.采用本发明提出的铝基复合材料液相冲击扩散焊新工艺方法，被焊工件为SiCp/2A12，厚度为1mm，增强相SiC颗粒平均尺寸为5μm，并呈颗粒状分布，焊接保温温度580-623℃，该焊接保温温度相应于被焊铝基复合材料SiCp/2A12中基体液相体积分率20-35％，焊接初始压力5Mpa，冲击压力为80-105Mpa，冲击速度施加于焊接温度保温开始后5-10秒内，冲击速度为350-700mm/秒，焊接温度保温时间为30秒，冲击速度为350-700mm/秒，冲击速度施加时间为0.0001-0.01秒。焊毕，接头强度335Mpa，为母材强度的80.5％，接头变形量＜3％。