专利名称：非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法
技术领域：
本发明涉及一种铝基复合材料焊缝的增强工艺。
背景技术：
铝基复合材料由于具有高的比强度、比刚度、尺寸稳定性以及抗振、耐高温、不老化、抗宇宙射线等优点，在航天、航空、汽车、电子等工业领域具有广泛的应用价值，而成为当前金属基复合材料发展与研究工作的主流。国家自然科学基金委员会《“十五”优先资助领域论证报告集》中还指出“新材料的使用(如复合材料)使得现有的制造技术面临考验，需要产生相应的新的制造技术”。当前，铝基复合材料的制备工艺、塑性成型工艺、冷机械加工工艺以及热处理工艺、表面处理工艺等已开展了大量的研究工作，但唯有其焊接性和焊接工艺的研究远远落后于其他方面的研究，成为该种材料走向实用化的严重障碍和瓶颈。众所周知，任何先进材料只有被加工成结构件才真正具有使用价值，而焊接往往是形成结构件必不可少、有时甚至是唯一的加工手段。铝基复合材料在焊接领域的研究之所以落后的主要原因是由于增强相与基体在物理和化学性能方面的巨大差异而导致其焊接性太差。目前比较成熟的也仅仅是连续长纤维增强金属基复合材料的焊接，而这种复合材料的所谓焊接，实际上主要是复合材料外层基体与基体之间的连接，并非复合材料之间的焊接。而对于工程中使用量相对比较大的、低成本的非连续(颗粒或晶须)增强铝基复合材料的连接，在进行该类材料的熔化焊时，却遇到极大的难度，钨极氩弧焊(TIG)时若不加焊丝或直接使用母材作为填充材料，由于熔池的粘度很大，将焊得“一塌糊涂”，即不但焊缝难以光滑成形，发“渣”，而且内部有大量的疏松、气孔、裂纹、夹杂等缺陷，根本形不成起码意义上的焊接接头。文献查询也表明，至今，美、俄、日等国家在进行铝基复合材料的TIG、熔化极惰性气体保护焊(MIG)时，采用的是铝合金，而不是铝基复合材料作为焊丝，虽然在外观上形成了焊缝，但焊缝的成分和组织基本上是铝合金而不是铝基复合材料，焊接接头与母材性能相差甚远，达不到使用要求。此外，目前国外工业先进国家还在铝基复合材料的扩散焊、摩擦焊、电阻焊、钎焊等方面进行大量研究，有的还从外观上焊成了接头，但增强相及其界面破坏严重，接头强度低，至今还没有成功应用于工业批量生产的报道。而且，在所有的焊接方法中，唯TIG焊因其对接头形式、焊件尺寸、焊接位置等工艺适应性强，焊接设备成本低，最具有推广应用价值。
发明内容
本发明的目的是为解决铝基复合材料的焊接接头强度低、焊接接头与母材性能相差甚远的问题，提供一种非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法。本发明具有操作简便、焊接接头强度高、焊接接头与母材强度接近的特点。本发明的步骤如下一、准备焊缝的填充材料；二、在焊枪上安装电磁搅拌装置；三、平焊位置，焊接电流为140～170安培的脉冲电流，焊接电压为16伏；纯氩气或氮-氩混合气体保护，气体流量为0.5～1.2立方米/小时；焊接速度为180～210毫米/分钟；四、焊后处理；将焊件加热至510～550℃并保温0.7～1.3小时，然后将焊件放入水中冷却，再加热到150～200℃并保温40～55小时，保温结束后将焊件空冷至室温即可。本发明具有操作简便、焊接接头强度高、焊接接头与母材强度接近的优点。本发明铝基复合材料的焊接接头可达母材强度的85％。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的步骤如下一、准备焊缝的填充材料；二、在焊枪上安装电磁搅拌装置用于对熔池进行搅拌；三、平焊位置，焊接电流为140～170安培的脉冲电流，焊接电压为16伏；纯氩气或氮-氩混合气体保护，气体流量为0.5～1.2立方米/小时；焊接速度为180～210毫米/分钟；四、焊后处理；将焊件加热至510～550℃并保温0.7～1.3小时，然后将焊件放入水中冷却，再加热到150～200℃并保温40～55小时，保温结束后将焊件空冷至室温即可。
具体实施例方式
二本实施方式步骤三中所述氮-氩混合气体的体积百分比为氮气为20～50％、氩气为50～80％。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施例方式
三本实施方式所述焊缝的填充材料为管状药芯焊丝，管状焊丝的外径为1.2～1.6mm，管材为纯Al制成，药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(钇)0.3～0.5％、Sc(钪)0.2～0.25％、SiCp2％、KCl0.5％、LiCl0.8％、AlF1％，余量为Al粉。本实施方式的管状药芯焊丝适用于焊接ZL101A/SiCp/20p复合材料。粉末的粒径，对于Φ1.2mm的焊丝，粒径为75～180μm；对于Φ1.6mm的焊丝，粒径为75～250μm。采用拉拔式有缝药芯焊丝制造工艺。
具体实施例方式
四本实施方式所述焊缝的填充材料为管状药芯焊丝，管状焊丝的外径为1.2～1.6mm，管材为纯Al制成，药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％，余量为Al粉。本实施方式的管状药芯焊丝适用于焊接ZL101A/SiCp/20p复合材料。粉末粒径及焊丝制造工艺同实施方式三。
具体实施例方式
五本实施方式所述焊缝的填充材料为管状药芯焊丝，管状焊丝的外径为1.2～1.6mm，管材为纯Al制成，药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％，余量为Al粉。本实施方式的管状药芯焊丝适用于焊接ZL101A/SiCp/20p复合材料。粉末粒径及焊丝制造工艺同实施方式三。
具体实施例方式
六本实施方式所述焊缝的填充材料为管状药芯焊丝，管状焊丝的外径为1.2～1.6mm，管材为纯Al制成，药芯由下列成分的粉末按重量百分比制成钛粉40％、铝粉55％和硅粉5％，其中钛粉成分为(Wt％)Fe0.11％、Ni0.07％、C0.03％、N0.06％、O0.1％、H0.3％、Ca0.02％、Si0.05％、Cl0.004％，余量为Ti。本实施方式的管状药芯焊丝适用于焊接SiCp碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/6061Al。粉末粒径及焊丝制造工艺同实施方式三。
具体实施例方式
七本实施方式所述焊缝的填充材料为Al-Si实心焊丝加涂敷材料制成，涂敷材料为占Al-Si实心焊丝重量2～15％的含稀土钇的金属颗粒和占Al-Si实心焊丝重量3～5％的SiC颗粒或Al2O3颗粒，用粘接剂混合，涂敷在Al-Si实心焊丝表面上。所述含稀土钇的金属颗粒为钇硅或钇铝颗粒等。外涂颗粒的直径为75～100μm，用聚苯乙烯(PS)+乙酸乙脂稀释剂，或502胶+丙酮稀释剂，与颗粒混合搅拌均匀后，将实芯焊丝(直径2～3mm)涂蘸0.3～0.5mm厚涂层，然后自然风干。此工艺主要用于手工填丝TIG焊。
具体实施例方式
八本实施方式所述焊缝的填充材料为金属钛片或稀土金属钇片，金属钛片或稀土金属钇片的厚度为0.2～0.4mm。
具体实施例方式
九本实施方式对SiCp碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/6061Al进行TIG焊，焊接厚度为3毫米，平焊位置，使用焊接电流为140安培，焊接电压为16伏，焊接速度为210毫米/分钟，氩气流量为8升/分钟。其它步骤与具体实施方式
一相同。在焊后处理前的状态下，接头强度为母材的64％。
具体实施例方式
十本实施方式对SiCp/ZL101铝基复合材料进行TIG焊，采用0.3毫米厚的TB2钛片做填充材料，焊接电流为170安培，焊接速度为180毫米/分钟，纯氩气保护。其它步骤与具体实施方式
一相同。在焊后处理前的状态下，接头强度可达母材强度的76％。金相分析结果表明，焊缝中生成一定量的块状TiC取代SiCp起增强作用。
具体实施例方式
十一本实施方式加0.3毫米厚度的钇片做填充材料，焊接SiCp/6061Al复合材料，焊接电流为140安培，焊接速度为180毫米/分钟，纯氩气保护。其它步骤与具体实施方式
一相同。在焊后处理前的状态下，接头强度可达母材强度的68％。金相分析结果表明，焊缝中生成一定量的块状YAl取代SiCp起增强作用。
具体实施例方式
十二本实施方式采用氮—氩混合气体联合保护，对3毫米厚的SiCp/ZL101铝基复合材料进行TIG焊，焊接电流为160安培，焊接速度为180毫米/分钟，气体流量为0.8m3/h。其它步骤与具体实施方式
一相同。当氮气占40％时，在焊后处理前的状态下，焊缝强度可达母材强度的71％。金相分析结果表明，焊缝中生成一定量的AlN取代SiCp起增强作用。
具体实施例方式
十三上述具体实施方式
九、十、十一、十二在焊后进行时效处理，即将焊件加热至510～550℃并保温0.7～1.3小时，然后将焊件放入水中冷却，再加热到150～200℃并保温40～55小时，保温结束后将焊件空冷至室温，接头强度可进一步提高，最高可达母材强度的85％。
权利要求
1.一种非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于它的步骤如下一、准备焊缝的填充材料；二、在焊枪上安装电磁搅拌装置；三、平焊位置，焊接电流为140～170安培的脉冲电流，焊接电压为16伏；纯氩气或氮-氩混合气体保护，气体流量为0.5～1.2立方米/小时；焊接速度为180～210毫米/分钟；四、焊后处理；将焊件加热至510～550℃并保温0.7～1.3小时，然后将焊件放入水中冷却，再加热到150～200℃并保温40～55小时，保温结束后将焊件空冷至室温即可。
2.根据权利要求1所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于所述氮-氩混合气体的体积百分比为氮气为20～50％、氩气为50～80％。
3.根据权利要求1所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于所述焊缝的填充材料为管状药芯焊丝，管状焊丝的外径为1.2～1.6mm，管材为纯Al制成，药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％，余量为Al粉。
4.根据权利要求3所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于药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％，余量为Al粉。
5.根据权利要求3所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于药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％，余量为Al粉。
6.根据权利要求3所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于药芯由下列成分的粉末按重量百分比制成钛粉40％、铝粉55％和硅粉5％，其中钛粉成分为Wt％Fe0.11％、Ni0.07％、C0.03％、N0.06％、O0.1％、H0.3％、Ca0.02％、Si0.05％、Cl0.004％，余量为Ti。
7.根据权利要求1所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于所述焊缝的填充材料为Al-Si实心焊丝加涂敷材料制成，涂敷材料为占Al-Si实心焊丝重量2～15％的含稀土钇的金属颗粒和占Al-Si实心焊丝重量3～5％的SiC颗粒或Al2O3颗粒，用粘接剂混合，涂敷在Al-Si实心焊丝表面上。
8.根据权利要求7所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于所述含稀土钇的金属颗粒为钇硅或钇铝颗粒。
9.根据权利要求1所述的非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，其特征在于所述焊缝的填充材料为金属钛片或稀土金属钇片，金属钛片或稀土金属钇片的厚度为0.2～0.4mm。
全文摘要
非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法，它涉及一种铝基复合材料焊缝的增强工艺。本发明的目的是为解决铝基复合材料的焊接接头强度低、焊接接头与母材性能相差甚远的问题。本发明的步骤如下制备焊缝的填充材料；在焊枪上安装电磁搅拌装置；焊接电流为140～170安培的脉冲电流，焊接电压为16伏；纯氩气或氮－氩混合气体保护，气体流量为0.5～1.2立方米/小时；焊接速度为180～210毫米/分钟；焊后处理；将焊件加热至510～550℃并保温0.7～1.3小时，然后将焊件放入水中冷却，再加热到150～200℃并保温40～55小时，保温结束后将焊件空冷至室温即可。本发明具有操作简便、焊接接头强度高、焊接接头与母材强度接近的优点。本发明铝基复合材料的焊接接头强度可达母材强度的85％。
文档编号B23K37/00GK1730219SQ20051001026
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月17日 优先权日2005年8月17日
发明者牛济泰 申请人:哈尔滨工业大学