[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

下面分别对各种方法进行介绍：

1、熔化焊

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：

（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。

（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。

2、钎焊

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：

（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。

（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。

3、扩散焊

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：

 （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。

 （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。

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。

4、瞬间液相焊

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。

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。

5、高效铝基复合材料液相振动焊接方法