專利名稱：鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法
技術領域：
本發明涉及鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的電子束輔助熱源擴散焊接方法，屬于加壓輔助焊接領域。
背景技術：
鋁在制作復合材料上有許多特點，如質量輕、密度小、可塑性好，鋁基復合技術容易掌握，易于加工等。同其他復合材料一樣，它能組合特定的力學和物理性能，以滿足產品的需要。因此，鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、最重要的材料之一。顆粒增強鋁基復合材料可用來制造衛星及航天用結構材料、飛機零部件、金屬鏡光學系統、汽車零部件；此外還可以用來制造微波電路插件、慣性導航系統的精密零件、渦輪增壓推進器、電子封裝器件等。若能成功實現顆粒增強鋁基復合材料與鋁合金的連接，必將以其獨特優勢在工業領域占據重要位置。但是，由于鋁基復合材料的顆粒增強相與基體之間的物化性能差異很大，在與異種金屬進行傳統熔焊時焊縫成形較差，且在高溫下容易發生界面反應，尤其在與鋁合金焊接時，易在鋁合金一側產生氣孔，影響接頭性能。因而，盡快解決鋁基復合材料與鋁合金的焊接性問題是實現其應用價值的關鍵。目前國內外解決這一問題的合理方法尚未見報道。

發明內容
本發明是要解決顆粒增強鋁基復合材料進行傳統熔化焊接技術時產生的金屬燒損嚴重、界面反應等問題，而提供的鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法。鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法按以下步驟實現—、對待焊接的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金進行預處理；二、將碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金放入焊接夾具中，調整碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的相對位置，在接觸面上施加I 5MPa接觸壓力；其中，所述碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的相對位置為碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的對接面的錯邊為0 0. 2mm,并且對接面之間的縫隙 0 0.1mm ;三、將固定的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金放入真空室內，然后抽真空至真空度為5 X KT4Pa 5 X KT2Pa ；四、然后將焊接電子束流采用上散焦模式打到碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的對接面處進行加圓形掃描焊接，此為第一次焊接；其中，所述焊接電子束流加速電壓為50 60kV，聚焦電流為2000 2800mA，焊接電子束流為2mA 8mA，焊接速度為 4mm/s 1Omm/s ;五、完成第一次焊接后，電子束調轉方向，進行第二次焊接；其中，所述第二次焊接時焊接電子束流加速電壓為50 60kV，聚焦電流為2000 2800mA，電子束流為2mA 8mA，焊接速度為4mm/s 10mm/s ；
六、焊接后真空室冷卻Smin 12min，即完成了鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法。發明效果本發明與常規焊接方法不同之處在于采用特殊焊接夾具固定母材，并對母材接觸面施加壓力，同時利用復合焊接的方法，以散焦電子束作為加熱熱源對鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料進行電子束輔助熱擠壓擴散連接，通過進行圓形掃描，往復掃描多次并控制焊接速度，進而實現增加焊接溫度和保溫時間的效果。本發明一方面可以使鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料焊縫形成良好的擴散冶金結合，接頭沒有鋁基體燒損產生的凹槽，焊縫成形好；另一方面能夠減弱或消除界面反應，獲得連續分布的焊縫組織，避免了脆性相的生成和初生硅長大，同時還可減弱鋁合金中氣孔的產生，從而改善接頭微觀組織，繼而提高接頭抗拉強度。


圖1是試驗I中的焊接夾具的結構示意圖；圖2是試驗I中的焊接夾具外殼示意圖；圖3是試驗I中的焊接夾具中的垂直固定桿示意圖；圖4是試驗I中的焊接夾具中底部墊板示意圖；圖5是試驗I中的焊接夾具中滑動前擋板示意圖；圖6是試驗I中的焊接夾具中滑動后擋板示意圖；圖7是試驗I中焊接夾具使用示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法按以下步驟實現一、對待焊接的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金進行預處理；二、將碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金放入焊接夾具中，調整碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的相對位置，在接觸面上施加I 5MPa接觸壓力；其中，所述碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的相對位置為碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的對接面的錯邊為0 0. 2mm,并且對接面之間的縫隙 0 0.1mm ;三、將固定的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金放入真空室內，然后抽真空至真空度為5 X KT4Pa 5 X KT2Pa ；四、然后將焊接電子束流采用上散焦模式打到碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的對接面處進行加圓形掃描焊接，此為第一次焊接；其中，所述焊接電子束流加速電壓為50 60kV，聚焦電流為2000 2800mA，焊接電子束流為2mA 8mA，焊接速度為 4mm/s 1Omm/s ;五、完成第一次焊接后，電子束調轉方向，進行第二次焊接；其中，所述第二次焊接時焊接電子束流加速電壓為50 60kV，聚焦電流為2000 2800mA，電子束流為2mA 8mA，焊接速度為4mm/s 10mm/s ；
六、焊接后真空室冷卻Smin 12min，即完成了鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法。其中鋁合金材料采用7系鋁合金為Al-Zn-Mg系合金；本實施方式中的第二次焊接的方向與第一次焊接方向相反，但軌跡與第一次焊接的軌跡相重合；本實施方式中以步驟四第一次焊接和步驟五第二次焊接作為一個周期，可重復0 4個周期，每完成一個周期，電子束流就相對于上一周期有所降低，每周期焊接電流大小分別為6mA、5mA、4mA、4mA,這是為 了減弱熱累積作用的影響，避免熱輸入過大，其他工藝參數均保持不變；本實施方式中工藝參數與焊接電流根據焊接的母材尺寸變化而改變。本實施方式效果本實施方式與常規焊接方法不同之處在于采用特殊焊接夾具固定母材，并對母材接觸面施加壓力，同時利用復合焊接的方法，以散焦電子束作為加熱熱源對鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料進行電子束輔助熱擠壓擴散連接，通過進行圓形掃描，往復掃描多次并控制焊接速度，進而實現增加焊接溫度和保溫時間的效果。本實施方式一方面可以使鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料焊縫形成良好的擴散冶金結合，接頭沒有鋁基體燒損產生的凹槽，焊縫成形好；另一方面能夠減弱或消除界面反應，獲得連續分布的焊縫組織，避免了脆性相的生成和初生硅長大，同時還可減弱鋁合金中氣孔的產生，從而改善接頭微觀組織，繼而提高接頭抗拉強度。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中預處理方法為對待焊接的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金對接面及其附近區域進行機械打磨和化學清洗。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟一中所述顆粒增強鋁基復合材料由2A12鋁基體和SiC陶瓷顆粒增強相兩部分組成，其中，其中2A12鋁基體的成分按重量分數為Cu :4. 4%、Mg :1. 5%、Mn :0. 6%、雜質彡0. 15%、余量為Al。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二中的焊接夾具由由由夾具外殼1、夾具底座2、垂直固定裝置和水平固定裝置構成，其中所述夾具外殼I固定連接在夾具底座2上，夾具外殼I的兩個相對的側壁上設置有滑動導槽1-1，夾具外殼I的后壁上設置有限位孔1-2，所述垂直固定裝置設在夾具外殼I內部前端，垂直固定裝置由垂直固定桿3和底部墊板4構成，所述垂直固定桿3兩端通過緊固螺絲3-1卡合在夾具外殼I兩側壁上，底部墊板4設在垂直固定桿3正下方,其中，底部墊板4上設有兩個凸起的固定條4-1并與垂直固定桿3相對，所述水平固定裝置設在夾具外殼I內部后端，水平固定裝置由限位螺絲5、滑動前擋板6、滑動后擋板7和彈簧8構成，其中，滑動前擋板6的兩端設置有前擋板凸起6-1，滑動前擋板6側面設有第一彈簧限位銷6-2，滑動后擋板7的兩端設置有后擋板凸起7-1，滑動后擋板7側面設有第二彈簧限位銷7-2，滑動前擋板6兩端的前擋板凸起6-1與滑動后擋板7的后擋板凸起7-1都嵌入滑動導槽1-1中，彈簧8通過第一彈簧限位銷6-2與第二彈簧限位銷7-2固定在滑動前擋板6與滑動后擋板7之間，限位螺絲5穿過限位孔1-2頂靠在滑動后擋板7上。其它步驟及參數與具體實施方式
一至三之一相同。通過以下試驗驗證本發明有益效果試驗I鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法按以下步驟實現一、對待焊接的兩塊母材進行預處理將待焊接的鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的對接面及其附近區域進行機械打磨和化學清洗；二、將鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料放入焊接夾具中，使用焊接夾具固定擠壓鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料，使用方法如下A、將鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料分別放置在垂直固定裝置垂直固定桿3與 底部墊板4之間，調整鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的相對位置，使得鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的對接面的錯邊小于0. 2mm,并且對接面之間的縫隙小于0. 1_，通過垂直固定裝置垂直固定桿3與底部墊板4保持鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料在垂直方向上的相對位置不變，然后通過調節緊固螺絲3-1將垂直固定桿兩端鎖緊在夾具外殼I兩側；B、通過水平固定裝置限位螺絲5、滑動前擋板6、滑動后擋板7和彈簧8施加壓力進行水平擠壓；首先，通過滑動導槽1-1調整滑動前擋板6與滑動后擋板7相對距離來壓縮滑動前擋板6與滑動后擋板7之間的彈簧8，然后通過限位螺絲5固定位置，當彈簧8壓縮達到固定收縮量時，便可得此時彈簧對母材接觸面施加的壓力，利用此壓力以及已知的接觸面面積，便可知接觸面上產生的壓強大小，將焊接電子束流采用上散焦模式打到鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的對接面處進行焊接，同時添加圓形掃描，調整好各工藝參數，在設定的壓力值下進行焊接試驗；其中，所述彈簧自然長度L = 66mm,最大收縮量AL = 36mm,彈性系數K = 12. 7N/
mm,可提供的最大彈力F = 457. 2N,本夾具采用兩根相同規格的彈簧,故最大可提供Fmax
Fm.,、— 2F _2KxM,
=2F = 914. 4N的壓力，即可以對焊接件施加的最大壓強為17xh= /xh 其中
L、W、H分別為焊接件的長、寬、高，尺寸范圍分別為長度L為0 280臟，寬度W為IOmm 50mm,厚度H為0 20mm ;針對尺寸為2mm X 20mm X 70mm的焊接件，此夾具可提供的最大接
TT 9p 2x457 2N
觸面壓強為最大壓強L調整鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的相對位置，使得鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的對接面的錯邊小于0. 2mm,并且對接面之間的縫隙小于0. 1_，然后通過焊接夾具固定鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料，同時在鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料接觸面上施加固定的接觸壓力3MPa;三、在焊接夾具的彈簧處的上方加蓋一塊不銹鋼擋板，借此消除因彈簧的鐵磁性對電子束流的偏移影響，將固定的兩塊放入真空室內開始抽真空，使該真空室內的真空度在 5X10-4Pa ；四、將焊接電子束流采用上散焦模式打到鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的對接面處進行焊接，同時添加圓形掃描，加速電壓為55kV，聚焦電流為2600mA，電子束流為6mA，焊接速度為5mm/s，此為第一次焊接過程；五、緊接著進行第二次焊接，第二次焊接的方向與上一步驟相反，但軌跡與步驟五焊接的軌跡相重合，焊接時加速電壓為55kV，聚焦電流為2600mA，電子束流為6mA，焊接速度為5mm/s ；六、以步驟四和步驟五作為一個周期，后面周期重復步驟四和步驟五，每下一個周期，電子束流可以比上一周期有所降低，這樣可以減弱熱累積作用的影響，避免熱輸入過大；其他工藝參數均保持不變；七、真空室冷卻，冷卻lOmin，焊接完成。本試驗招合金與顆粒增強招基復合材料尺寸為70mm*20mm*2mm和70mm*20mm*3mm，也可為其他尺寸，只要在所給尺寸范圍內均可。圖1是試驗I中的焊接夾具的結構示意圖；圖2是試驗I中的焊接夾具外殼示意圖；圖3是試驗I中的焊接夾具中的垂直固定桿示意圖；圖4是試驗I中的焊接夾具中底部墊板示意圖；圖5是試驗I中的焊接夾具中滑動前擋板示意圖；圖6是試驗I中的焊接夾具中滑動后擋板示意圖；圖7是試驗I中焊接夾具使用示意圖，其中，9為銅合金與鋁基復合材料。
權利要求
1.鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法，其特征在于鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法按以下步驟實現 一、對待焊接的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金進行預處理； 二、將碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金放入焊接夾具中，調整碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的相對位置，在接觸面上施加I 5MPa接觸壓力；其中，所述碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的相對位置為碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的對接面的錯邊為O O. 2mm,并且對接面之間的縫隙O O.1mm ； 三、將固定的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金放入真空室內，然后抽真空至真空度為5X 10_4Pa 5X 10_2Pa ； 四、然后將焊接電子束流采用上散焦模式打到碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金的對接面處進行加圓形掃描焊接，此為第一次焊接；其中，所述焊接電子束流加速電壓為50 60kV，聚焦電流為2000 2800mA，焊接電子束流為2mA 8mA，焊接速度為4mm/s 1Omm/s ; 五、完成第一次焊接后，電子束調轉方向，進行第二次焊接；其中，所述第二次焊接時焊接電子束流加速電壓為50 60kV，聚焦電流為2000 2800mA，電子束流為2mA 8mA，焊接速度為4mm/s 10mm/s ； 六、焊接后真空室冷卻8min 12min，即完成了鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法。
2.根據權利要求1所述的鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法，其特征在于步驟一中預處理方法為對待焊接的碳化硅陶瓷顆粒增強鋁基復合材料和7系鋁合金對接面及其附近區域進行機械打磨和化學清洗。
3.根據權利要求1所述的鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法，其特征在于步驟一中所述顆粒增強鋁基復合材料由2A12鋁基體和SiC陶瓷顆粒增強相兩部分組成，其中，其中2A12鋁基體的成分按重量分數為Cu :4. 4%、Mg :1. 5%、Mn :0. 6%、雜質(O. 15%、余量為 Al。
4.根據權利要求1所述的鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法，其特征在于步驟二中所述焊接夾具由夾具外殼(I)、夾具底座(2)、垂直固定裝置和水平固定裝置構成，其中所述夾具外殼(I)固定連接在夾具底座(2)上，夾具外殼(I)的兩個相對的側壁上設置有滑動導槽(1-1)，夾具外殼(I)的后壁上設置有限位孔(1-2)，所述垂直固定裝置設在夾具外殼(I)內部前端，垂直固定裝置由垂直固定桿(3)和底部墊板(4)構成，所述垂直固定桿(3)兩端通過緊固螺絲(3-1)卡合在夾具外殼(I)兩側壁上，底部墊板(4)設在垂直固定桿(3)正下方，其中，底部墊板(4)上設有兩個凸起的固定條(4-1)并與垂直固定桿(3)相對，所述水平固定裝置設在夾具外殼(I)內部后端，水平固定裝置由限位螺絲(5)、滑動前擋板￠)、滑動后擋板(7)和彈簧(8)構成，其中，滑動前擋板(6)的兩端設置有前擋板凸起￠-1)，滑動前擋板(6)側面設有彈簧限位銷￠-2)，滑動后擋板(7)的兩端設置有后擋板凸起(7-1)，滑動后擋板(7)側面設有彈簧限位銷(7-2)，滑動前擋板(6)兩端的前擋板凸起(6-1)與滑動后擋板(7)的后擋板凸起(7-1)都嵌入滑動導槽(1-1)中，彈簧(8)通過彈簧限位銷(6-2)與彈簧限位銷(7-2)設在滑動前擋板(6)與滑動后擋板(7)之間，限位螺絲(5)穿過限位孔(1-2)頂靠在滑動后擋板(7)上 。
全文摘要
鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法，本發明涉及鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料的電子束輔助熱源擴散焊接方法。本發明是要解決顆粒增強鋁基復合材料進行傳統熔化焊接技術時產生的金屬燒損嚴重、界面反應、氣孔等問題。一、對待焊接的兩塊母材進行預處理；二、將兩塊母材放入焊接夾具并施加壓力擠壓母材；三、抽真空處理；四、采用上散焦模式進行第一次焊接；五、進行第二次焊接；六、真空冷卻即完成了鋁合金與顆粒增強鋁基復合材料電子束加壓連接方法。屬于加壓輔助焊接領域。
文檔編號B23K15/06GK103008869SQ201210543298
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者張秉剛, 陳國慶, 王廷, 馮吉才, 甄公博 申請人:哈爾濱工業大學