一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法技术

一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：对于增强体颗粒体积含量为40～80％，厚度为1‑80mm的铝基复合材料，借助铝合金中间层，通过搅拌摩擦焊接方法实现无缺陷焊接，从而克服高体分铝基复合材料难于焊接的不足。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料，特别提供一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，适用于利用铝合金中间层实现高体分的颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接。
技术介绍
颗粒增强铝基复合材料(AluminiumMatrixComposites,AMC)是由铝合金基体与颗粒状增强体(多为陶瓷颗粒)经设计、复合而成的新材料，综合了金属良好的强度、韧性与易成型性等优点与增强体的独特优点。颗粒体积含量小于40％的AMC具有良好的强韧性综合性能，多用作结构材料。颗粒体积含量40-70％的AMC多用于对导热性、尺寸稳定性(低热膨胀系数)要求高的功能材料。作为国防安全和国民经济发展的重要结构与功能材料，AMC在航空航天、电子、军工、交通、体育及核工业领域应用前景广泛。AMC品种随着工业产品型号的更新而不断丰富，用量呈现逐年增长的态势。其中集成电路与电子封装行业对于热管理类功能材料需求旺盛，特别是对于集成电路与电子封装领域，需要高导热、低热膨胀、高导电率的材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。传统金属材料无法满足现代光电元器件高密度集成化和大功率化对散热的要求的(纯银～412W/m·K；退火铜～390W/m·K)。尤为重要的是，金属材料的热膨胀系数较高，在宽温域服役工况下与光电和精密器件等(如高分辨空间相机)的不匹配问题越来越突出。这对材料的热膨胀和导热等综合性能提出了更高的要求，亟需开发具有低热膨胀、高导热等优异综合性能的新型材料。碳化硅(SiC)、金刚石等因具有优异的热物理性能，将一定量的SiC增强体颗粒添加到具有高热导的铝类金属基体中制成复合材料，即可利用金属易于成形、抗热冲击性好的特点，又可兼顾增强体的优异的热物理性能。作为热管理类功能构件，需要通过螺钉与其它器件连接在一起。然而，需要指出的是，由于增强体颗粒含量高，复合材料脆性大，类似于陶瓷材料，在钻孔、攻丝时极易开裂，是目前应用所面临的主要难题之一。另外，高体分复合材料之间的焊接也是难题，目前多通过钎焊方式进行，但生产周期长，工艺复杂，应用受到限制。搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相焊接技术，它的焊接工具为一个由轴肩与搅拌针组成的搅拌头，通常由钢质材料制成。在高速旋转焊接工具的摩擦与搅拌作用下，焊缝区材料发生剧烈塑性变形，通过动态再结晶，实现冶金结合。FSW过程类似于机械加工，易于实现机械化、自动化，具有高效、快捷、易于控制等优点。搅拌摩擦焊已在铝合金、镁合金、钛合金、钢铁等材料连接方面取得应用。目前FSW在AMC的焊接研究方面已有一些文献报导，但主要为增强体体积含量小于30％的中低体分复合材料(Frictionstirweldingofdiscontinuouslyreinforcedaluminummatrixcomposites:AReview,ActaMetall.Sin.(Engl.Lett.),2014,27(5),816–824)。研究表明，由于陶瓷颗粒的存在，AMC流动变差，焊缝成形能力差。而且，陶瓷颗粒对钢质焊接工具造成严重磨损，一般钢质工具仅能焊很短的距离，搅拌针上的螺纹就会被磨光，磨屑还会恶化接头性能。肖伯律等公开了一种提高不连续增强铝基复合材料搅拌磨擦焊接头强度的工艺(提高不连续增强铝基复合材料搅拌磨擦焊接头强度的工艺，专利号：ZL200910248688.4)，认为使用该焊接工艺可明显改善不连续增强铝基复合材料的可焊性，减少工具磨损，提高复合材料接头的力学性能。姬书得等公开了一种基于搅拌工具旋转且振动的适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊工艺法，以期解决现有常规搅拌摩擦焊技术在连接颗粒增强铝基复合材料时存在搅拌工具磨损严重且搅拌工具的制造成本高等问题(一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，专利号：201210060013.9)。上述两个专利都是直接对AMC材料进行焊接而未添加辅助材料，其专利技术目的是通过焊缝处材料软化，以减轻对工具的磨损。二者都没有说明所焊接铝基复合材料的体积分数，但基于本专业研究可知，这两种方法仅可焊接增强体为中低含量的AMC。通过文献分析可知，目前还未有在高体分AMC焊接方面的研究与应用报导。这主要是高体分AMC含有大量陶瓷颗粒，复合材料硬而脆，常被认为不适宜采用搅拌摩擦焊技术焊接。本申请结合高体分AMC构件常常需要钻孔、攻丝的应用需要与技术难题，通过工艺优化设计，基于搅拌摩擦焊技术实现了高体分AMC的焊接。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，适用于增强体颗粒体积含量为40～80％，厚度为1-80mm的铝基复合材料焊接与构件制备。本专利技术提供了一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：对两块高体分颗粒增强铝基复合材料，借助铝合金中间层，通过搅拌摩擦焊接方法，实现铝基复合材料的无缺陷焊接，从而克服高体分铝基复合材料难于焊接的不足。本专利技术借助铝合金中间层实现两片复合材料连接，铝合金中间层宽度优选为复合材料厚度的0.5-3倍。焊接时搅拌针在铝合金中，优化的工艺参数为：搅拌针边缘距离两侧复合材料的距离为-1.0～1.0mm(优选-0.5～0.5mm)，焊接工具转速为200-1000rpm(优选400-600rpm)、焊接速度为20-400mm/min(优选50-150mm/min)。具体焊接方法为：首先将宽度为复合材料厚度0.5-3倍的铝合金中间层放置在待焊复合材料接缝处对齐固定，然后将焊接工具偏置在铝合金中(偏置量为-1.0～1.0mm)，在优化的工艺参数下进行搅拌摩擦焊接。本专利技术提出了一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其工艺流程短、成本低、易于操作，有理由相信这种新工艺将有着广阔的工业应用前景。附图说明图1为借助铝合金中间层实现两片复合材料连接示意图，其中，1、第一高体分颗粒增强铝基复合材料，2、第二高体分颗粒增强铝基复合材料，3、铝合金中间层，4、搅拌工具。具体实施方式下面的实施例将对本专利技术予以进一步的说明，但并不因此而限制本专利技术。实施例1对6mm厚、增强体颗粒体积含量为50％的高体分SiC增强铝基复合材料，采用8mm宽的等厚铝合金中间层，按图1所示方式进行搅拌摩擦焊，偏置量为－0.5mm，采用转速400rpm、焊接速度300mm/min的工艺参数，实现二者的无缺陷焊接。对比例1对6mm厚、增强体颗粒体积含量为50％的高体分SiC增强铝基复合材料，采用8mm宽的等厚铝合金中间层，按图1所示方式进行搅拌摩擦焊，偏置量为1.5mm，采用采用多个搅拌摩擦焊接工艺参数，均无法实现二者的有效焊接。实施例2对10mm厚、增强体颗粒体积含量为40％的高体分SiC增强铝基复合材料，采用15mm厚的等厚铝合金中间层，按图1所示方式进行搅拌摩擦焊，偏置量为－1.0mm，采用转速600rpm、焊接速度200mm/min的工艺参数，实现二者的无缺陷焊接。实施例3对20mm厚、增强体颗粒体积含量为60％的高体分SiC增强铝基复合材料，采用60mm厚的等厚铝合金中间层，按图1所示方式进行搅拌摩擦焊，偏置量为0.2mm，采用转速800rpm、焊接速度50mm/min的工艺参数，实现二者的无缺陷焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：对两块高体分颗粒增强铝基复合材料，借助铝合金中间层通过搅拌摩擦焊接方法实现无缺陷连接。

【技术特征摘要】
1.一种高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：对两块高体分颗粒增强铝基复合材料，借助铝合金中间层通过搅拌摩擦焊接方法实现无缺陷连接。2.按照权利要求1所述高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：所述铝基复合材料的增强体颗粒体积含量为40～80％。3.按照权利要求1所述高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：所述铝基复合材料的厚度为1-80mm。4.按照权利要求1所述高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：所述铝合金中间层宽度为高体分颗粒增强铝基复合材料厚度的0.5-3倍。5.按照权利要求1所述高体分颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：焊接时搅拌针在铝...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪丁瑞，马宗义，王全兆，肖伯律，王东，薛鹏，张星星，刘振宇，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21