一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，包括以下步骤：首先将铝合金和铝基复合材料待焊工件进行打磨清洗；将清洗后的工件安装在搅拌摩擦焊平台上，安装搅拌摩擦焊工具头，并调整搅拌头的倾角；进行焊接路径编程；开启预热装置将工件预热至一定温度；按照预先编制的程序和设定的参数启动搅拌头进行搅拌摩擦扩散焊；焊接完成从搅拌摩擦焊平台上卸下工件。本发明专利技术不对焊缝直接进行机械搅拌形成连接，而是将直接搅拌区域引入到铝合金上，提高了铝基复合材料的完整性和可靠性，借助摩擦产热和另外辅以外部预热，提高界面温度，破除界面氧化膜，促进元素扩散，提高冶金结合效果。

【技术实现步骤摘要】
一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺
本专利技术涉及铝合金焊接
，特别是一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺。
技术介绍
随着工业经济的快速发展，对铝合金焊接结构件的需求也日益增多，人们对铝合金焊接性研究也随之深入，并且取得了显著的成就。伴随着功能性的多样化，结构性的复杂化，受限于铝合金本身的性质，单纯的铝合金构件在某些领域已经不能满足要求。为此使用铝基复合材料代替单纯的铝合金，例如硅颗粒增强的铝基复合材料(硅铝合金)、碳化硅颗粒增强的铝基复合材料、碳纤维或石墨烯增强的铝基复合材料、氧化铝颗粒增强的铝基复合材料、硼酸铝晶须增强的铝基复合材料等等，这些铝基复合材料在提升铝合金单一性能或多方面综合性能方面表现出巨大的潜力和优势，但是这些材料成本都比较高，加工性比较差，部分种类的铝基复合材料还会大幅度降低原铝合金基体的其他性能。目前，制备铝合金和铝基复合材料一体化复合构件的方法主要是采用粉末冶金工艺以及部分采用喷射成型工艺的方法。粉末冶金工艺是在制备复合材料时，在不同的区域放置不同的粉末或在预定区域预置块体材料，经过高压压制，高温烧结等工序来形成复合结构。对于硅颗粒膨胀铝基复合材料可采用喷射成型工艺，同样是改变喷射原料的成分来制备毛坯件，并且通过等静压致密化、高温烧结等工序来制备。然而这两种工艺都存在位置精度控制差、铝合金种类受限、工艺复杂、结构受限等问题。若采用焊接的方法，则具有可设计性强、灵活度高、质量较容易控制、制造成本低等优势，但是目前关于铝合金与复合材料焊接的方法较少，熔化焊会使得铝基复合材料发生熔化，熔化后的复合材料流动性非常差，且严重影响材料和接头性能，甚至会发生有害的化学反应，往往不被选取。钎焊具有较高的灵活性，但是针对铝合金来说，常用钎料为铝硅系列钎料，钎焊温度高达600℃，大多数铝基复合材料经历过该温度循环后，性能会出现大幅度下降，且该钎料难以润湿大部分铝基复合材料，特别是增强相体积分数较高的铝基复合材料。锌基钎料在采用超声波钎焊工艺时可以实现两者钎焊连接的，但是锌基钎料耐腐蚀性较差，大多数环境不被允许。锡基钎料由于其熔点低，后续连接器焊接时，该钎料可能被重新熔化，且该钎料焊接铝合金可靠性较差，常需要在母材表面预置镀层，因此不被工程化采用。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，实现铝合金与铝基复合材料高效、灵活的连接，提高连接的可靠性。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下。一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，包括以下步骤：A.将铝合金和铝基复合材料待焊工件的焊接面进行化学清洗和物理打磨，经过打磨后的工件进行超声波丙酮清洗或酒精清洗；B.将清洗后的铝合金和铝基复合材料固定安装在搅拌摩擦焊平台的垫板上，搅拌区域位于靠近铝基复合材料的铝合金一侧，然后将焊接用的搅拌摩擦焊工具头装入摩擦焊设备，调整搅拌头倾角；C.在搅拌摩擦焊设备上对装配好的工件进行焊接路径编程；D.开启预热装置，通过加热垫板对垫板上的工件进行加热，加热至一定温度；E.按照预先编制的程序和设定的参数进行搅拌摩擦扩散焊，首先启动搅拌头旋转，搅拌头下扎插入母材中停留数秒后，搅拌头按设定的轨迹前进进行焊接，焊接完成后，搅拌头在母材内停留数秒后回抽，最后停止搅拌头旋转；F.焊接完成从搅拌摩擦焊平台上卸下工件。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，步骤A中的化学清洗的步骤为碱液清洗2mm，清水冲洗，酸液清洗2mm，清水冲洗，最后100℃烘干。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，所述碱液为温度65℃的7％氢氧化钠水溶液，酸液为常温的20％硝酸水溶液。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，步骤B中搅拌头的倾角为±5°。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，步骤D中主轴旋转速度100～5000r/min，搅拌头下扎入母材的速度1～20mm/min，搅拌头插入停留时间5～60s，轴肩压入母材量为0.05～0.3mm，前进焊接速度8～300mm/min,，搅拌针最大直径处距界面的距离-0.2～1mm，搅拌头从母材回抽停留时间5～20s，搅拌头从母材回抽速度10～60mm/min。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，步骤D中所述工件焊接前的预热温度为150～300℃。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，所述预热方式为电阻加热和感应加热。上述一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，所述铝基复合材料为硅颗粒增强铝基复合材料、碳化硅颗粒增强铝基复合材料和石墨烯增强铝基复合材料。由于采用了以上技术方案，本专利技术所取得技术进步如下。本专利技术不对焊缝直接进行机械搅拌形成连接，而是将直接搅拌区域引入到铝合金上，提高了铝基复合材料的完整性和可靠性，并能够借助摩擦产热和另外辅以外部预热，以及采用垂直待焊接面预设倾角的焊接方式，可以提高搅拌焊接过程中对两种材料接触面的挤压和摩擦，提高界面温度，破除界面氧化膜，促进元素扩散，提高冶金结合效果。附图说明图1为本专利技术的焊接原理图；图2为本专利技术所述焊接接头的示意图；图3为铝合金与硅颗粒增强铝基复合材料通过搅拌摩擦扩散焊接后的组织结构。其中：1.垫板，2.铝合金，3.铝基复合材料，4.搅拌棒摩擦焊工具头，5.焊缝，6.体积分数50％的硅颗粒增强铝基复合材料。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本专利技术进行进一步详细说明。一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，使用搅拌摩擦焊设备，并采用专门针对结构和材料设计的专用搅拌摩擦焊工具头，对铝合金和铝基复合材料进行焊接，如图1所示。铝合金为常品牌号铝合金或者是用于搅拌摩擦焊的铝合金，例如：6061，6063，3A21，5A06，2A12，7075等。铝基复合材料为硅颗粒增强铝基复合材料、碳化硅颗粒增强铝基复合材料和石墨烯增强铝基复合材料。将铝合金和铝基复合材料放置在搅拌摩擦焊设备上，采用对接的方式进行焊接，搅拌区域位于靠近铝基复合材料的铝合金一侧，借助搅拌针和搅拌头轴肩的摩擦热使得铝合金和铝基复合材料界面产生足够的温升，并在大变形能的作用下破除界面氧化膜等阻碍，并借助预热，以及改变倾角方向增强对接触面的挤压和摩擦，进而促使铝合金和铝基复合材料之间发生扩散，进而实现铝合金与铝基复合材料的扩散型冶金连接。本专利技术具体包括以下几个步骤：A.焊前准备：将机械加工好或其他工艺方式准备好的铝合金和铝基复合材料待焊工件的焊接面进行化学清洗和物理打磨，经过物理打磨的构件需要进行超声波丙酮或酒精清洗，去除焊接面打磨的金属碎屑和杂质。其中，化学清洗为常规的酸碱洗，碱液为温度65℃的7％氢氧化钠水溶液，酸液为常温的20％硝酸水溶液，清洗时，先碱液清2mm，清洗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，其特征在于：包括以下步骤：/nA.将铝合金和铝基复合材料待焊工件的焊接面进行化学清洗和物理打磨，经过打磨后的工件进行超声波丙酮清洗或酒精清洗；/nB.将清洗后的工件固定安装在搅拌摩擦焊平台的垫板上，搅拌区域位于靠近铝基复合材料的铝合金一侧，然后将焊接用的搅拌摩擦焊工具头装入摩擦焊设备，调整搅拌头倾角；/nC.在搅拌摩擦焊设备上对装配好的工件进行焊接路径编程；/nD.开启预热装置，通过加热垫板对垫板上的工件进行加热，加热至一定温度；/nE.按照预先编制的程序和设定的参数进行搅拌摩擦扩散焊，首先启动搅拌头旋转，搅拌头下扎插入母材中停留数秒后，搅拌头按设定的轨迹前进进行焊接，焊接完成后，搅拌头在母材内停留数秒后回抽，最后停止搅拌头旋转；/nF.焊接完成从搅拌摩擦焊平台上卸下工件。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，其特征在于：包括以下步骤：
A.将铝合金和铝基复合材料待焊工件的焊接面进行化学清洗和物理打磨，经过打磨后的工件进行超声波丙酮清洗或酒精清洗；
B.将清洗后的工件固定安装在搅拌摩擦焊平台的垫板上，搅拌区域位于靠近铝基复合材料的铝合金一侧，然后将焊接用的搅拌摩擦焊工具头装入摩擦焊设备，调整搅拌头倾角；
C.在搅拌摩擦焊设备上对装配好的工件进行焊接路径编程；
D.开启预热装置，通过加热垫板对垫板上的工件进行加热，加热至一定温度；
E.按照预先编制的程序和设定的参数进行搅拌摩擦扩散焊，首先启动搅拌头旋转，搅拌头下扎插入母材中停留数秒后，搅拌头按设定的轨迹前进进行焊接，焊接完成后，搅拌头在母材内停留数秒后回抽，最后停止搅拌头旋转；
F.焊接完成从搅拌摩擦焊平台上卸下工件。


2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，其特征在于：步骤A中的化学清洗的步骤为碱液清洗2mm，清水冲洗，酸液清洗2mm，清水冲洗，最后100℃烘干。


3.根据权利要求2所述的一种用于铝合金与铝基复合材料的搅拌摩擦扩散焊工艺，其特征在于：所述碱液为温度65℃的7％氢氧化钠水溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓光，
申请(专利权)人：河北宇天材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13