一种高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法，属于焊接技术领域。该方法设计了加强搅拌针边缘材料流动的H13钢搅拌针，焊接时选用宽度大于搅拌针直径的铝条作为填充材料，焊接时搅拌针不接触两侧的复合材料板材，依靠搅拌针在铝条中的搅拌作用带动铝合金与两侧复合材料流动实现焊接。由于搅拌针边缘材料流动性加强，焊缝区铝夹条与复合材料实现均匀混合，成为具有增强相的复合材料，该区增强相体积分数略有降低。该方法解决了高体积增强相复合材料无法焊接的难题，且可显著提高铝基复合材料的焊接速度，所涉及的焊接方法具有简单、便捷和高效的优点。便捷和高效的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接方法


[0001]本专利技术涉及金属焊接
，具体涉及一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的焊接方法。

技术介绍

[0002]铝基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀等单一金属材料不具备的优势，目前已经发展成为航空航天、核电、交通运输、兵器和电子等多个高新
的重要甚至关键材料。SiC颗粒增强的铝基复合材料是目前应用最广泛的陶瓷颗粒增强的复合材料。但是SiC颗粒与铝合金基体存在着较大的物理和化学属性差异，使得复合材料的连接要比铝合金困难得多，阻碍了铝基复合材料的进一步发展。目前复合材料的焊接方法有熔化焊、扩散焊以及钎焊等方法。使用TIG、MIG以及LW对复合材料进行焊接时易产生气孔、夹渣、裂纹以及Al4C3脆性相等缺陷，接头焊接效果较差，强度系数较低。在采用扩散焊对SiCp/Al复合材料时，往往因为氧化膜阻碍原子扩散以及颗粒间无法扩散连接严重影响焊接强度。而在钎焊时，一方面颗粒影响钎料润湿铺展，易在颗粒聚集处产生未焊合与弱连接缺陷，另一方面焊接温度较高，母材软化严重。
[0003]然而，搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固相连接方法，具有优质、高效、节能无污染、强度高等诸多优点，可有效避免熔化缺陷的产生，是铝基复合材料材料的理想焊接方法。例如，Wang等人通过采用金属陶瓷搅拌针对17％SiCp/2009Al进行FSW，金属陶瓷搅拌针在高焊速情况下仍能带动材料充分流动，并获得了无缺陷的焊接接头，在焊后热处理后，接头的强度系数达到了母材的97％。然而，随着SiC颗粒含量的增加，复合材料的塑性急剧下降，焊接工艺窗口变窄，焊接难度增加。另一方面，随着SiC颗粒含量增加，搅拌针的磨损情况逐渐加重。目前国内外的文献报道中，最高可对SiC体积分数40％的复合材料进行焊接，其接头抗拉强度为166MPa，仅为母材的50％。对于更高体积分数的铝基复合材料材料几乎无法进行FSW，文献中暂无相关报道。
[0004]综上所述，高体积分数的颗粒增强铝基复合材料焊接难度高，现有的熔化焊很难避免颗粒界面反应以及熔化凝固缺陷，而FSW焊接则无法避免工具磨损，也无法对高体分颗粒增强铝基复合材料进行焊接。因此，十分有必要对现有的FSW工艺进行改进，急需开发一种简单、便捷和成本较低的焊接方法，以解决高体积分数铝基复合材料焊接难题，进一步扩展铝基复合材料材料的工业化应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是在于提供一种高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，该方法能够降低搅拌针磨损，并可获得高性能的焊接接头，同时，本专利技术的工艺简单，生产成本低，适用性强，适合工业化推广应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，该方法是采用搅拌摩擦焊接，并同时使用无针焊接工具Ⅰ和普通H13钢焊接工具Ⅱ进行，以实现颗粒增强铝基复合材料材料的焊接。该方法具体包括以下步骤：
[0008](1)根据待焊板材厚度确定焊接工具Ⅰ的工具尺寸，焊接工具Ⅰ为无针焊接工具；
[0009](2)根据待焊接的板材的厚度设计焊接工具Ⅱ，焊接工具Ⅱ包括轴肩和搅拌针，轴肩直径为板厚的3～5倍，搅拌针为能够加强横向材料流动的异形圆柱螺纹针，搅拌针根部直径为板厚的1.0～1.5倍；
[0010](3)根据被焊板材厚度以及搅拌针直径确定铝合金夹条的宽度与厚度；
[0011](4)将被焊板材与夹条的表面进行机械打磨，并用酒精或丙酮清洗干净，利用夹具将铝合金夹条放于两块复合材料板材之间，铝合金夹条与复合材料板材紧密放置后进行刚性固定；
[0012](5)采用焊接工具Ⅰ对铝合金夹条与复合材料板材进行焊接封边定形处理：采用无针焊接工具Ⅰ沿铝合金夹条的中心线前进，将铝合金夹条密封在焊缝内，其中焊接下压量为0.05～0.1mm，工具旋转速度为100～300转/分钟，焊接速度为200～500毫米/分钟；
[0013](6)采用焊接工具Ⅱ进行焊接，焊接工具Ⅱ与焊接工具Ⅰ的前进方向相同，且沿第一道焊缝的中心行进，直至焊接完成；其中：焊接下压量为0.1～0.2mm，工具旋转速度为500
‑
2000转/分钟，焊接速度为100～1000毫米/分钟。
[0014]优选地，所述焊接工具Ⅱ的搅拌针材质选用低成本的普通工具钢(H13钢)，结构为异形圆柱形螺纹针，搅拌针直径略小于铝合金夹条宽度，相比金属陶瓷搅拌针，H13钢搅拌针工具成本降低了一个数量级，该焊接工艺可显著提高铝基复合材料的焊接速度。
[0015]优选地，所述异形圆柱螺纹针包括圆柱母体和母体侧面的螺纹，且圆柱母体侧面上均布三个条状凸起，条状凸起平行于圆柱母体轴向并与圆柱母体等高；该条状凸起的外侧具有尖角(如将该条状凸起的横截面(沿圆柱母体径向的截面)设计为三角形或弧形边三角形)。
[0016]优选地，步骤(3)中，夹条与被焊板材等厚。上述步骤(5)中，采用焊接工具Ⅰ进行第一道焊接，以保证铝合金夹条密封在焊缝内，避免在后续焊接过程中飞出。
[0017]上述步骤(6)中焊接工具Ⅱ搅拌针直径外沿距离两侧的复合材料的距离为L，L为搅拌针Ⅱ根部直径的0.05
‑
0.1倍；焊接搅拌针不与两侧复合材料接触。
[0018]上述步骤(6)中，最终形成焊缝的焊核区组织为均匀细晶组织，由于材料流变，复合材料与铝合金达到一定程度混合，焊核区也为具有一定增强相的复合材料。
[0019]本专利技术焊接方法适用于高体积分数(大于40％)颗粒增强复合材料的焊接，所用搅拌摩擦焊的工具Ⅱ的搅拌针材料为普通的H13钢。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021]1、本专利技术所涉及到的搅拌摩擦搭接工艺属于固相焊接技术，焊接过程中材料无熔化和凝固过程，避免了熔化焊会出现的偏析、气孔、热裂纹、冶金缺陷等局部缺陷，相对常规FSW，本专利技术所涉及的焊接方法可以有效实现高体积分数复合材料的焊接，并可获得优异的力学性能。
[0022]2、本专利技术所涉及到的焊接工具为普通H13钢工具，成本低廉，加工难度低，焊接工序简单。
[0023]3、本专利技术所设计的焊接工具Ⅱ的搅拌针为异形圆柱形螺纹针，所述异形圆柱螺纹针的圆柱母体侧面上均布三个条状凸起，该特殊结构的焊接工具能够实现高体积分数复合材料的焊接，并可获得优异的力学性能。
[0024]4、采用本专利技术所涉及焊接方法可以显著扩展高体积分数铝基复合材料材料的焊接窗口，对各种陶瓷增强相的复合材料的适用性较广，可在更宽的焊接窗口内调节焊接参数，以提高焊接效率或改善接头质量。
[0025]5、本专利技术适用于各种搅拌摩擦焊机，采用传统搅拌摩擦焊机就可实现高效FSW，该方法提高了生产效率、大大节省了能耗与生产成本，对扩展铝基复合材料材料的工业化应用具有重要意义。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的高体积分数复合材料FSW示意图。
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：该方法采用H13钢焊接工具对铝合金夹条进行焊接，并同时实现与两侧铝基复合材料的焊接；所述H13钢焊接工具包括焊接工具Ⅰ与焊接工具Ⅱ。2.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：(1)根据待焊板材厚度确定焊接工具Ⅰ的工具尺寸，焊接工具Ⅰ为无针焊接工具；(2)根据待焊接的板材的厚度设计焊接工具Ⅱ，焊接工具Ⅱ包括轴肩和搅拌针，轴肩直径为板厚的3～5倍，搅拌针为能够加强横向材料流动的异形圆柱螺纹针，搅拌针根部直径为板厚的1.0～1.5倍；(3)根据被焊板材厚度以及搅拌针直径确定铝合金夹条的宽度与厚度；(4)将被焊板材与夹条的表面进行机械打磨，并用酒精或丙酮清洗干净，利用夹具将铝合金夹条放于两块复合材料板材之间，铝合金夹条与复合材料板材紧密放置后进行刚性固定；(5)采用焊接工具Ⅰ对铝合金夹条与复合材料板材进行焊接封边定形处理：采用无针焊接工具Ⅰ沿铝合金夹条的中心线前进，将铝合金夹条密封在焊缝内，其中焊接下压量为0.05～0.1mm，工具旋转速度为100～300转/分钟，焊接速度为200～500毫米/分钟；(6)采用焊接工具Ⅱ进行焊接，焊接工具Ⅱ与焊接工具Ⅰ的前进方向相同，且沿第一道焊缝的中心行进，直至焊接完成；其中：焊接下压量为0.1～0.2mm，工具旋转速度为500
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2000转/分钟，焊接速度为100～1000毫米/分钟。3.根据权利要求2所述的高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贝贝，倪丁瑞，薛鹏，刘峰超，肖伯律，马宗义，贾娈娈，董其娟，牌君君，
申请(专利权)人：滨州魏桥国科高等技术研究院，
类型：发明
国别省市：