[发明专利]采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料塞焊方法。

背景技术

对于在面板上设计多个紧固配件用的螺纹孔的结构件有着广泛的应用，但当面板材料采用难于机械加工的材料，如含有陶瓷颗粒的体积分数高达20～55％的铝基复合材料，则不能进行直接钻孔套螺纹，只能钻孔后镶嵌可以套螺纹的合金柱。采用粘接技术镶嵌合金柱时粘结的强度较低，在攻丝过程有些合金柱会与复合材料粘接界面剥离脱粘，无法保证连接质量。由于铝基复合材料孔内壁加工后很光滑，所以采用纯机械连接只能采用过盈配合的方式，但是铝基复合材料弹性模量高，塑性很低，所以过盈配合有可能引起复合材料的开裂，造成面板的破坏。目前，铝基复合材料采用常规熔焊的方法如TIG、MIG、激光焊、电子束焊、等离子焊等焊接，高温加热会使增强相陶瓷与基体铝合金发生有害反应，使增强相严重烧损，降低接头的强度，甚至破坏面板的结构，这些问题使熔化焊进行塞焊不可行。由于多孔结构焊接接头多，操作复杂，扩散焊等需要高真空大压力的方法也不适用，因为孔与柱的焊接是无法施加压力实现焊接的。而真空钎焊虽然可以焊接复杂结构的试件，但是由于复合材料本身含有陶瓷增强相，使得钎料与复合材料之间润湿困难，而且只能实现铝合金柱与铝基复合材料孔壁的焊接，焊后的接头也会出现未连接等缺陷，不能形成可靠的连接。另外，在真空环境下所使用的钎料只能采用铝基钎料，但如Al-Si钎料会使得焊接温度要达到600℃左右，而对于铝基复合材料来说，超过500℃就会降低材料的性能。所以，采用真空钎焊的方法也不适用。非真空条件下钎焊方法陶瓷增强相的铝基复合材料表面存在的增强体与填充钎料之间难于润湿的问题，使采用传统的钎剂不能实现钎料和母材完全润湿的作用，焊后会出现气孔、未连接等缺陷，如果增强相的含量较高时液态钎料甚至不能在复合材料表面铺展。

发明内容

本发明为了解决现有多孔结构焊接接头多，操作复杂，扩散焊需要高真空大压力的方法也不适用，采用常规熔焊的方法高温加热会使增强相陶瓷与基体铝合金发生有害反应，使增强相严重烧损，降低接头的强度，甚至破坏铝基复合材料的结构，非真空条件下钎焊方法在陶瓷增强相的铝基复合材料表面存在的增强体与填充钎料之间难于润湿；使采用传统的钎剂不能实现钎料和母材完全润湿的作用，焊后会出现气孔、未连接等缺陷，如果增强相的含量较高时液态钎料甚至不能在复合材料表面铺展；而且只能实现铝合金柱与铝基复合材料孔壁的焊接，焊后的接头也会出现未连接等缺陷，不能形成可靠的连接的问题，提供了一种采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊方法的步骤如下：

步骤一、首先对合金柱表面进行预处理，将合金柱先镀、注入或热浸一层铝，使合金柱表面形成金属间化合物层；

步骤二、将钎料池中的钎料加热至400～500℃，将步骤一经表面进行预处理后的合金柱放入钎料池中，采用超声超声波频率为20～100kHz、振幅为5～30μm的装置，向钎料施加超声波振动5～60s，使合金柱表面涂覆一钎料层；

步骤三、将步骤二涂有钎料层的合金柱进行机械加工，使钎料层的厚度控制在50～200μm；

步骤四、将已加工带有孔的铝基复合材料预热至150～250℃；

步骤五、将铝基复合材料上加工的孔用火焰加热并使温度控制在400～500℃，铝基复合材料的底部用钢板垫封，将液态钎料注入孔中，向钎料施加超声波振动5～60s，撤掉钢板使液态钎料流出，撤掉火焰，降温至预热温度，在铝基复合材料孔内壁涂覆一钎料层；

步骤六、将步骤二表面涂有钎料的合金柱放入铝基复合材料的孔中，合金柱与铝基复合材料孔壁之间的间隙为50～300μm，并在合金柱与铝基复合材料相邻的上平面间隙处放置钎料环，将孔内壁涂好钎料的铝基复合材料预热至150～250℃，用火焰对施加塞焊的孔壁加热，加热温度控制在400～500℃，钎料环熔化后向其施加超声波振动，使液态钎料在超声波振动的作用下渗入铝基复合材料的孔壁与合金柱之间的间隙内，将间隙填满，超声波振动2～10s，撤掉火焰，降温至室温，即完成焊接。