专利名称：用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊填充焊剂的焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及新型焊接材料领域，特指颗粒增强铝基复合材料熔化焊接用合金焊丝，主要用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊接，采用本发明可有效抑制焊缝中针状脆性相的形成，形成形状完好的焊缝，并减少气孔的生成，获得良好的力学性能。
背景技术：
熔化焊是所用焊接方法中应用范围最广、适应性最强、操作最简便、工艺最成熟的焊接方法，铝基复合材料的熔化焊这一研究方向具有很高的研究价值。如在这方面找到突破口，将大大加快铝基复合材料的工业化进程，对于促进我国科技的发展、实现“十一五”科技目标、国防现代化建设有着重要的意义。
目前，颗粒增强铝基复合材料的熔化焊焊接中存在以下问题1)大量的增强相如SiC颗粒存在于熔融液态基体中，发生粘滞，使基体材料与填充焊丝材料不熔合在一起，特别是在SiC含量高时更严重，产生夹杂，影响正常成形；另外，粘滞的熔池金属不利于氢的扩散逸出，焊缝中形成大量的气孔。
2)增强相SiC和Al基体之间的浸润性差，不用填充金属时，在强大的电弧热作用下，Al在电弧力的作用下从熔池中心推向边缘，不容易形成稳定的焊接熔池，焊接接头性能下降。
2)复合材料中的基体Al是很活泼的化学元素，在高温条件下很容易与增强材料发生反应，在界面生成脆性化合物，如SiCp/Al会生成Al4C3，分布在SiC界面，大大削弱了增强相的作用，降低了接头近缝区的强度。
3)熔化结晶过程中增强相SiC不能成为结晶核心，被焊缝中的结晶排斥于中心或熔合线处，极易引起焊缝中心及焊趾形成结晶裂纹，并使得焊缝组织发生脆化分层，大大降低接头强度。
4)复合材料基体与增强相的导热系数、热膨胀系数等物理性能有显著差别，经过强大的焊接热循环后，在基体与增强体界面上产生大量微区残余应力，使接头性能下降。
焊缝原位合金化方法焊接颗粒增强铝基复合材料是最近提出的一种可行性比较高的方法，通过添加合金焊丝，而不是直接焊接或加铝合金的方法，针对焊接过程中出现的问题，添加相应的界面反应抑制元素、减少气孔率的活性元素等，抑制了有害界面反应的发生，在焊缝中重新生成新的增强相，大大减少了焊缝凝固区的气孔数量，细化了增强颗粒，提高了焊缝的抗拉强度，得到了力学性能良好的焊接接头。
焊缝原位合金化焊接颗粒增强铝基复合材料需要一种焊丝做填充材料，因此针对上述问题，发明一种焊丝是实现铝基复合材料关键。
经对现有技术的文献检索发现，目前国内尚未出现相关的专利申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊接的焊丝，以有效抑制焊接过程中的有害界面反应，形成形状良好的焊缝，减少气孔的生成，提高焊缝组织的力学性能。本发明是将有效的合金元素按配比制成合金焊丝。
颗粒增强铝基复合材料熔化焊用焊丝中，各个成分的相对比重(质量分数)应如下Ti5％～20％；从Si、Mg、稀土Ce或La中任意选取一种或一种以上，各自含量应达到Si3％～7％，Mg3％～7％，稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al。
即Ti5％～20％；Si3％～7％；其余Al。
Ti5％～20％；Mg3％～7％，其余Al。
Ti5％～20％；稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余AlTi5％～20％；Si3％～7％；Mg3％～7％；其余Al。
Ti5％～20％；Si3％～7％；稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al。
Ti5％～20％；Mg3％～7％；稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al。
Ti5％～20％；Si3％～7％；Mg3％～7％，稀土Ce或La0.5％～1.5％，其余Al。
上述焊丝中Ti的质量分数优选10％，Si，Mg优选5％，稀土Ce或La优选1％.
本发明具有以下优点1)该焊丝具有良好的焊接工艺性，可在Ar、He等气体保护熔化焊下进行焊接，焊逢金属力学性能高，而且还具有成型美观、飞溅小，无气孔和可全方位焊接等优点。
2)该焊丝充分利用了我国富有的稀土金属，立足于国内，原料供应充足，因此，成本低廉，能得到良好的社会经济效益。
图1对比例1的焊缝微观组织2对比例1的焊缝XRD分析3实施例1的焊缝微观组织4实施例1的焊缝XRD分析图具体实施方式
采用本发明作为SiCp/Al复合材料的熔化焊焊接的焊丝，可以有效抑制焊接过程中的有害界面反应，形成形状完好的焊缝，减少气孔的生成，提高焊缝组织的力学性能。
为了获得这些特性，本发明把能够提高铝基复合材料的焊接性的上述元素按配比制成合金焊丝。针对铝基复合材料的熔化焊焊接中存在的诸多问题，需要添加具有相应抑制作用的不同元素，不仅需要调整好焊丝的组成成分，还要控制好各成分之间的比例。
对比例1对SiCp/6061复合材料，焊前用150#砂纸打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用氩气+30％的氮气作为离子气，离子气流量为3L/min，以纯氩气保护，焊接电流为50A，焊接速度为150mm/min。对复合材料进行直接对焊。焊接后对焊接接头取样分析，综合分析图1、图2，可以看出，焊缝熔池中的增强相SiC颗粒在等离子弧直接熔化焊接过程中已完全溶解，并在随后的凝固过程中析出了大量细小的Al4C3，在焊缝半熔化区中有大量粗大气孔生成，在电子万能试验机上进行焊接接头拉伸强度测试，焊接接头的拉伸强度仅为130MPa。
实施例1对SiCp/6061复合材料，焊前用150#砂纸打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用氩气+30％的氮气作为离子气，离子气流量为3L/min，以纯氩气保护，焊接电流为100A，焊接速度为150mm/min。在焊接过程中向焊接熔池中添加直径1mm的Al-10％Ti-5％Mg合金丝，添加速度为200mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，综合图3、图4可以看出焊接接头处形成了TiC、TiN、AlN、Al3Ti、MgAl2O4和Mg3N2等增强颗粒，颗粒的尺寸在4μm以下，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为250MPa，满足焊接接头的强度要求。从图4可以看出，成分分析表明，焊接接头部分Ti、Mg元素的平均含量为3.12％和1.62％。
实施例2对SiCp/6061复合材料，焊前用150#砂纸打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用氩气+30％的氮气作为离子气，离子气流量为3L/min，以纯氩气保护，焊接电流为100A，焊接速度为150mm/min。在焊接过程中向焊接熔池中添加直径1mm的Al-20％Ti-5％Si合金丝，添加速度为200mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明焊接接头处形成了TiC、TiN、AlN和Al3Ti等增强颗粒，颗粒的尺寸在5μm以下，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为230MPa，满足焊接接头的强度要求。成分分析表明，焊接接头部分焊接接头部分Ti、Si元素的平均含量为6.2％和1.51％。
实施例3对SiCp/6061复合材料，焊前用150#砂纸打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用氩气+30％氮气作为离子气，离子气流量为3L/min，以纯氩气保护，焊接电流为100A，焊接速度为120mm/min。在焊接过程中向焊接熔池中添加直径1mm的Al-10％Ti-5％Si-5％Mg-1％Ce合金丝，添加速度为200mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明焊接接头处形成了TiC、TiN、AlN、Al3Ti、MgAl2O4和Mg3N等增强颗粒，颗粒的尺寸在0.2-3μm，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为250MPa，满足焊接接头的强度要求。成分分析表明，焊接接头部分焊接接头部分焊接接头部分Ti、Si、Mg、Ce元素的平均含量为3.2％、2.2％、1.5％、0.21％。
实施例4对Al2O3P/A356复合材料，焊前用150#砂纸打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。试样经150℃干燥后，采用氩气+20％氮气作为离子气，离子气流量为4L/min，以纯氩气保护，焊接电流为100A，焊接速度为120mm/min。在焊接过程中向焊接熔池中添加直径1mm的Al-10％Ti-5％Si-1％Ce合金丝，添加速度为220mm/min。焊接后对焊接接头取样分析，结果表明焊接接头处形成了TiN、Al3Ti增强颗粒，颗粒的尺寸在0.5-2μm，颗粒分布均匀，焊接接头的拉伸强度约为240MPa，满足焊接接头的强度要求。成分分析表明，焊接接头部分Ti、Si、Ce元素的平均含量为2.51％、2.3％、0.16％。
权利要求
1.用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊填充焊剂的焊丝，其特征在于各组分以质量百分数计算Ti5％～20％；Si、Mg、稀土Ce或La中任意选取一种或一种以上，各自含量应达到Si 3％～7％，Mg 3％～7％，稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al；即Ti5％～20％；Si 3％～7％；其余Al；Ti5％～20％；Mg 3％～7％；其余Al；Ti5％～20％；稀土Ce或La0.5％～1.5％，其余Al；Ti5％～20％；Si 3％～7％；Mg3％～7％；其余Al；Ti5％～20％；Si 3％～7％；稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al；Ti5％～20％；Mg 3％～7％；稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al；Ti5％～20％；Si 3％～7％；Mg 3％～7％，稀土Ce或La0.5％～1.5％，其余Al。
2.根据权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊填充焊剂的焊丝，其特征在于焊丝中Ti的质量分数为10％，Si，Mg为5％，稀土Ce或La为1％。
全文摘要
用于颗粒增强铝基复合材料的熔化焊填充焊剂的焊丝，涉及新型焊接材料领域，各个成分的相对比重(质量分数)应如下Ti5％～20％；Si、Mg、稀土Ce或La中任意选取一种或一种以上，各自含量应达到Si 3％～7％，Mg 3％～7％，稀土Ce或La0.5％～1.5％；其余Al。本发明具有良好的焊接工艺性，可在Ar、He等气体保护熔化焊下进行焊接，焊逢金属力学性能高，而且还具有成型美观、飞溅小，无气孔和可全方位焊接等优点。
文档编号B23K35/28GK101073860SQ20071002319
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月8日 优先权日2007年6月8日
发明者雷玉成, 张振, 聂家俊, 李贤 , 程晓农, 陈希章 申请人:江苏大学