專利名稱：非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁基復合材料焊縫的增強工藝。
背景技術：
鋁基復合材料由于具有高的比強度、比剛度、尺寸穩定性以及抗振、耐高溫、不老化、抗宇宙射線等優點，在航天、航空、汽車、電子等工業領域具有廣泛的應用價值，而成為當前金屬基復合材料發展與研究工作的主流。國家自然科學基金委員會《“十五”優先資助領域論證報告集》中還指出“新材料的使用(如復合材料)使得現有的制造技術面臨考驗，需要產生相應的新的制造技術”。當前，鋁基復合材料的制備工藝、塑性成型工藝、冷機械加工工藝以及熱處理工藝、表面處理工藝等已開展了大量的研究工作，但唯有其焊接性和焊接工藝的研究遠遠落后于其他方面的研究，成為該種材料走向實用化的嚴重障礙和瓶頸。眾所周知，任何先進材料只有被加工成結構件才真正具有使用價值，而焊接往往是形成結構件必不可少、有時甚至是唯一的加工手段。鋁基復合材料在焊接領域的研究之所以落后的主要原因是由于增強相與基體在物理和化學性能方面的巨大差異而導致其焊接性太差。目前比較成熟的也僅僅是連續長纖維增強金屬基復合材料的焊接，而這種復合材料的所謂焊接，實際上主要是復合材料外層基體與基體之間的連接，并非復合材料之間的焊接。而對于工程中使用量相對比較大的、低成本的非連續(顆粒或晶須)增強鋁基復合材料的連接，在進行該類材料的熔化焊時，卻遇到極大的難度，鎢極氬弧焊(TIG)時若不加焊絲或直接使用母材作為填充材料，由于熔池的粘度很大，將焊得“一塌糊涂”，即不但焊縫難以光滑成形，發“渣”，而且內部有大量的疏松、氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，根本形不成起碼意義上的焊接接頭。文獻查詢也表明，至今，美、俄、日等國家在進行鋁基復合材料的TIG、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)時，采用的是鋁合金，而不是鋁基復合材料作為焊絲，雖然在外觀上形成了焊縫，但焊縫的成分和組織基本上是鋁合金而不是鋁基復合材料，焊接接頭與母材性能相差甚遠，達不到使用要求。此外，目前國外工業先進國家還在鋁基復合材料的擴散焊、摩擦焊、電阻焊、釬焊等方面進行大量研究，有的還從外觀上焊成了接頭，但增強相及其界面破壞嚴重，接頭強度低，至今還沒有成功應用于工業批量生產的報道。而且，在所有的焊接方法中，唯TIG焊因其對接頭形式、焊件尺寸、焊接位置等工藝適應性強，焊接設備成本低，最具有推廣應用價值。

發明內容
本發明的目的是為解決鋁基復合材料的焊接接頭強度低、焊接接頭與母材性能相差甚遠的問題，提供一種非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法。本發明具有操作簡便、焊接接頭強度高、焊接接頭與母材強度接近的特點。本發明的步驟如下一、準備焊縫的填充材料；二、在焊槍上安裝電磁攪拌裝置；三、平焊位置，焊接電流為140～170安培的脈沖電流，焊接電壓為16伏；純氬氣或氮-氬混合氣體保護，氣體流量為0.5～1.2立方米/小時；焊接速度為180～210毫米/分鐘；四、焊后處理；將焊件加熱至510～550℃并保溫0.7～1.3小時，然后將焊件放入水中冷卻，再加熱到150～200℃并保溫40～55小時，保溫結束后將焊件空冷至室溫即可。本發明具有操作簡便、焊接接頭強度高、焊接接頭與母材強度接近的優點。本發明鋁基復合材料的焊接接頭可達母材強度的85％。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的步驟如下一、準備焊縫的填充材料；二、在焊槍上安裝電磁攪拌裝置用于對熔池進行攪拌；三、平焊位置，焊接電流為140～170安培的脈沖電流，焊接電壓為16伏；純氬氣或氮-氬混合氣體保護，氣體流量為0.5～1.2立方米/小時；焊接速度為180～210毫米/分鐘；四、焊后處理；將焊件加熱至510～550℃并保溫0.7～1.3小時，然后將焊件放入水中冷卻，再加熱到150～200℃并保溫40～55小時，保溫結束后將焊件空冷至室溫即可。
具體實施例方式
二本實施方式步驟三中所述氮-氬混合氣體的體積百分比為氮氣為20～50％、氬氣為50～80％。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施例方式
三本實施方式所述焊縫的填充材料為管狀藥芯焊絲，管狀焊絲的外徑為1.2～1.6mm，管材為純Al制成，藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成Si8～8.5％、Mg0.5～0.8％、Ti0.8～1.05、Y(釔)0.3～0.5％、Sc(鈧)0.2～0.25％、SiCp2％、KCl0.5％、LiCl0.8％、AlF1％，余量為Al粉。本實施方式的管狀藥芯焊絲適用于焊接ZL101A/SiCp/20p復合材料。粉末的粒徑，對于Φ1.2mm的焊絲，粒徑為75～180μm；對于Φ1.6mm的焊絲，粒徑為75～250μm。采用拉拔式有縫藥芯焊絲制造工藝。
具體實施例方式
四本實施方式所述焊縫的填充材料為管狀藥芯焊絲，管狀焊絲的外徑為1.2～1.6mm，管材為純Al制成，藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成Si6.5～7.5％、Mg0.5～0.6％、Y0.2～0.3％、Sc0.4％、SiCp3％、Y2O35％、Ti0.5％，余量為Al粉。本實施方式的管狀藥芯焊絲適用于焊接ZL101A/SiCp/20p復合材料。粉末粒徑及焊絲制造工藝同實施方式三。
具體實施例方式
五本實施方式所述焊縫的填充材料為管狀藥芯焊絲，管狀焊絲的外徑為1.2～1.6mm，管材為純Al制成，藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成Si7％、Mg6％、Y2％、Sc0.3％、SiCp5％、KCl0.5％、LiCl0.8％、AlF 1％，余量為Al粉。本實施方式的管狀藥芯焊絲適用于焊接ZL101A/SiCp/20p復合材料。粉末粒徑及焊絲制造工藝同實施方式三。
具體實施例方式
六本實施方式所述焊縫的填充材料為管狀藥芯焊絲，管狀焊絲的外徑為1.2～1.6mm，管材為純Al制成，藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成鈦粉40％、鋁粉55％和硅粉5％，其中鈦粉成分為(Wt％)Fe0.11％、Ni0.07％、C0.03％、N0.06％、O0.1％、H0.3％、Ca0.02％、Si0.05％、Cl0.004％，余量為Ti。本實施方式的管狀藥芯焊絲適用于焊接SiCp碳化硅顆粒增強鋁基復合材料SiCp/6061Al。粉末粒徑及焊絲制造工藝同實施方式三。
具體實施例方式
七本實施方式所述焊縫的填充材料為Al-Si實心焊絲加涂敷材料制成，涂敷材料為占Al-Si實心焊絲重量2～15％的含稀土釔的金屬顆粒和占Al-Si實心焊絲重量3～5％的SiC顆粒或Al2O3顆粒，用粘接劑混合，涂敷在Al-Si實心焊絲表面上。所述含稀土釔的金屬顆粒為釔硅或釔鋁顆粒等。外涂顆粒的直徑為75～100μm，用聚苯乙烯(PS)+乙酸乙脂稀釋劑，或502膠+丙酮稀釋劑，與顆粒混合攪拌均勻后，將實芯焊絲(直徑2～3mm)涂蘸0.3～0.5mm厚涂層，然后自然風干。此工藝主要用于手工填絲TIG焊。
具體實施例方式
八本實施方式所述焊縫的填充材料為金屬鈦片或稀土金屬釔片，金屬鈦片或稀土金屬釔片的厚度為0.2～0.4mm。
具體實施例方式
九本實施方式對SiCp碳化硅顆粒增強鋁基復合材料SiCp/6061Al進行TIG焊，焊接厚度為3毫米，平焊位置，使用焊接電流為140安培，焊接電壓為16伏，焊接速度為210毫米/分鐘，氬氣流量為8升/分鐘。其它步驟與具體實施方式
一相同。在焊后處理前的狀態下，接頭強度為母材的64％。
具體實施例方式
十本實施方式對SiCp/ZL101鋁基復合材料進行TIG焊，采用0.3毫米厚的TB2鈦片做填充材料，焊接電流為170安培，焊接速度為180毫米/分鐘，純氬氣保護。其它步驟與具體實施方式
一相同。在焊后處理前的狀態下，接頭強度可達母材強度的76％。金相分析結果表明，焊縫中生成一定量的塊狀TiC取代SiCp起增強作用。
具體實施例方式
十一本實施方式加0.3毫米厚度的釔片做填充材料，焊接SiCp/6061Al復合材料，焊接電流為140安培，焊接速度為180毫米/分鐘，純氬氣保護。其它步驟與具體實施方式
一相同。在焊后處理前的狀態下，接頭強度可達母材強度的68％。金相分析結果表明，焊縫中生成一定量的塊狀YAl取代SiCp起增強作用。
具體實施例方式
十二本實施方式采用氮—氬混合氣體聯合保護，對3毫米厚的SiCp/ZL101鋁基復合材料進行TIG焊，焊接電流為160安培，焊接速度為180毫米/分鐘，氣體流量為0.8m3/h。其它步驟與具體實施方式
一相同。當氮氣占40％時，在焊后處理前的狀態下，焊縫強度可達母材強度的71％。金相分析結果表明，焊縫中生成一定量的AlN取代SiCp起增強作用。
具體實施例方式
十三上述具體實施方式
九、十、十一、十二在焊后進行時效處理，即將焊件加熱至510～550℃并保溫0.7～1.3小時，然后將焊件放入水中冷卻，再加熱到150～200℃并保溫40～55小時，保溫結束后將焊件空冷至室溫，接頭強度可進一步提高，最高可達母材強度的85％。
權利要求
1.一種非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于它的步驟如下一、準備焊縫的填充材料；二、在焊槍上安裝電磁攪拌裝置；三、平焊位置，焊接電流為140～170安培的脈沖電流，焊接電壓為16伏；純氬氣或氮-氬混合氣體保護，氣體流量為0.5～1.2立方米/小時；焊接速度為180～210毫米/分鐘；四、焊后處理；將焊件加熱至510～550℃并保溫0.7～1.3小時，然后將焊件放入水中冷卻，再加熱到150～200℃并保溫40～55小時，保溫結束后將焊件空冷至室溫即可。
2.根據權利要求1所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于所述氮-氬混合氣體的體積百分比為氮氣為20～50％、氬氣為50～80％。
3.根據權利要求1所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于所述焊縫的填充材料為管狀藥芯焊絲，管狀焊絲的外徑為1.2～1.6mm，管材為純Al制成，藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成Si8～8.5％、Mg0.5～0.8％、Ti0.8～1.05、Y0.3～0.5％、Sc0.2～0.25％、SiCp2％、KCl0.5％、LiCl0.8％、AlF1％，余量為Al粉。
4.根據權利要求3所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成Si6.5～7.5％、Mg0.5～0.6％、Y0.2～0.3％、Sc0.4％、SiCp3％、Y2O35％、Ti0.5％，余量為Al粉。
5.根據權利要求3所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成Si7％、Mg6％、Y2％、Sc0.3％、SiCp5％、KCl0.5％、LiCl0.8％、AlF 1％，余量為Al粉。
6.根據權利要求3所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于藥芯由下列成分的粉末按重量百分比制成鈦粉40％、鋁粉55％和硅粉5％，其中鈦粉成分為Wt％Fe0.11％、Ni0.07％、C0.03％、N0.06％、O0.1％、H0.3％、Ca0.02％、Si0.05％、Cl0.004％，余量為Ti。
7.根據權利要求1所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于所述焊縫的填充材料為Al-Si實心焊絲加涂敷材料制成，涂敷材料為占Al-Si實心焊絲重量2～15％的含稀土釔的金屬顆粒和占Al-Si實心焊絲重量3～5％的SiC顆粒或Al2O3顆粒，用粘接劑混合，涂敷在Al-Si實心焊絲表面上。
8.根據權利要求7所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于所述含稀土釔的金屬顆粒為釔硅或釔鋁顆粒。
9.根據權利要求1所述的非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，其特征在于所述焊縫的填充材料為金屬鈦片或稀土金屬釔片，金屬鈦片或稀土金屬釔片的厚度為0.2～0.4mm。
全文摘要
非連續增強鋁基復合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法，它涉及一種鋁基復合材料焊縫的增強工藝。本發明的目的是為解決鋁基復合材料的焊接接頭強度低、焊接接頭與母材性能相差甚遠的問題。本發明的步驟如下制備焊縫的填充材料；在焊槍上安裝電磁攪拌裝置；焊接電流為140～170安培的脈沖電流，焊接電壓為16伏；純氬氣或氮－氬混合氣體保護，氣體流量為0.5～1.2立方米/小時；焊接速度為180～210毫米/分鐘；焊后處理；將焊件加熱至510～550℃并保溫0.7～1.3小時，然后將焊件放入水中冷卻，再加熱到150～200℃并保溫40～55小時，保溫結束后將焊件空冷至室溫即可。本發明具有操作簡便、焊接接頭強度高、焊接接頭與母材強度接近的優點。本發明鋁基復合材料的焊接接頭強度可達母材強度的85％。
文檔編號B23K37/00GK1730219SQ20051001026
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月17日 優先權日2005年8月17日
發明者牛濟泰 申請人:哈爾濱工業大學