一种SiCp颗粒增强铝基复合材料电子束焊接方法与流程

本发明属于材料熔化焊接领域，特别是一种sicp颗粒增强铝基复合材料电子束焊接方法。

背景技术：

颗粒增强铝基复合材料以其基体合金可选择范围宽、成本低、易于用传统工艺方法制备和加工、能实现批量和大规模生产、制备的材料表现出良好的尺寸稳定性和各向同性而备受瞩目。其中sicp颗粒增强铝基复合材料的原材料来源充足、成本低，而且制备难度小，是最有竞争力的颗粒增强铝基复合材料品种之一。目前已经被广泛应用于航空、航天、交通运输领域。

但是由于其难于进行机械加工，特别是焊接性差等问题，依然严重制约了它在工程中的广泛使用。如：在熔化焊接过程中，sicp颗粒增强铝基复合材料的增强相sicp颗粒易与铝合金基体反应，形成针状的al4c3相，严重降低了接头力学性能；此外，由于sicp颗粒的存在，降低了熔池液态金属的流动性，使熔池中的气泡难以溢出导致焊缝中产生气孔缺陷，也降低了接头的力学性能。因此，抑制al4c3相生成、消除气孔缺陷是提升sicp颗粒增强铝基复合材料接头性能，促进sicp颗粒增强铝基复合材料在上述领域中应用的关键。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种添加含有惰性强化相中间层的sicp颗粒增强铝基复合材料电子束扫描焊接方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种sicp颗粒增强铝基复合材料电子束焊接方法，在待焊sicp颗粒增强铝基复合材料之间加入含有惰性强化相的增强铝基复合材料中间层，并在sicp颗粒增强铝基复合材料与中间层之间依次进行电子束点固焊接和扫描焊接。

进一步的，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一：制备中间层：采用线切割将含有惰性强化相的增强铝基复合材料切割为与待焊sicp颗粒增强铝基复合材料等厚、等长且宽度为0.5mm-3mm的条形中间层，将中间层与母材打磨，清洗，置于真空中干燥；

步骤二：装配：将步骤一得到的所述中间层置于两块待焊sicp颗粒增强铝基复合材料母材之间，所述中间层与母材之间不留缝隙，采用焊接夹具夹紧，放入真空室；

步骤三：点固焊接：将真空室内真空抽至2×10^-4mbar以下，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接；

步骤四：扫描焊接：采用电子束对中焊接，调整扫描波形、频率、束流、焊接速度，控制焊缝熔合比，形成惰性强化相与sicp颗粒混合共用协同强化的双强化相高强接头；

步骤五：焊接完成后在真空室中冷却后打开真空室，取出焊接构件。

进一步的，所述惰性强化相的增强铝基复合材料中间层中的惰性强化相为不与铝反应的相。

进一步的，所述惰性强化相为tib2相或al2o3相。

进一步的，所述步骤三中的点固焊接采用表面聚焦，点固束流为1-2ma，点固位置间隔为3-10mm。

进一步的，所述步骤四中的扫描焊接电子束流垂直作用于中间层中心线，且焦点位于构件上表面之下1-10mm。

进一步的，所述步骤四中的扫描焊接的具体参数为：加速电压30-60kv，焊接速度300-600mm/min，电子束流3-20ma，电子束扫描频率50-1000hz，扫描幅值2-5mm。

进一步的，所述步骤四中扫描焊接中电子束扫描波形为锯齿波、圆形波或三角波。

进一步的，所述sicp颗粒增强铝基复合材料的厚度为1-10mm，增强相体积分数为20％-40％，增强相尺寸为3um-50um。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)本申请的焊接方法，通过在sicp颗粒增强铝基复合材料之间添加含有惰性相的中间层，调整了熔合比，抑制了al4c3的生成，焊缝内部无针状al4c3相，从而大大的提高了焊接头部的力学性能。

(2)本申请中间层中的惰性强化相与sicp颗粒组成了双强化相强化效应，接头强度不低于母材80％。

(3)采用电子束扫描焊接，促进气孔溢出，焊后无表面气孔，内部气孔不大于3um。

(4)采用的熔炼技术具有较高的温度梯度，能获得单向生长的组织，沿生长方向具有高刚度。

(5)焊缝正面凹陷量小于0.2mm，背面下榻量小于0.5mm，正反面均无飞溅，具有方法简单、操作方便、工件加工精度高等优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1本发明添加含有惰性强化相中间层的焊缝形成原理示意图；其中图(a)为焊接初始状态，图(b)为焊接过程中，图(c)为焊接完成后。

图2本申请电子束扫描焊接波形示意图；其中图(a)为圆形，图(b)为三角形，图(c)为n型。

具体实施方式

本发明提供一种通过添加中间层调整焊缝熔合比抑制sicp颗粒与铝合金基体反应，采用电子束扫描消除气孔缺陷的一种添加含有惰性强化相中间层的sicp颗粒增强铝基复合材料电子束扫描焊接方法。

如图1所示，一种添加含有惰性强化相中间层的sicp颗粒增强铝基复合材料电子束扫描焊接方法，其特征在于包括含有惰性强化相的中间层焊前切割、打磨、清洗、真空干燥，sicp颗粒增强铝基复合材料与中间层的电子束点固焊接和扫描焊接2大步骤。采用含有惰性强化相的中间层调整焊缝熔合比，抑制al4c3相生成，采用电子束扫描焊接抑制气孔缺陷。

一种添加含有惰性强化相中间层的sicp颗粒增强铝基复合材料电子束扫描焊接方法，其特征在于方法步骤具体为：

第一步：采用线切割将含有惰性强化相的增强铝基复合材料切割为与待焊sicp颗粒增强铝基复合材料等厚、且宽度为0.5mm～3mm的条形中间层，并将其与母材打磨，清洗，置于真空中干燥。

第二步：将中间层置于两块待焊sicp颗粒增强铝基复合材料母材之间，采用焊接夹具夹紧，并放入真空室。中间层与母材之间不留缝隙。

第三步：将真空室内真空抽至2×10^-4mbar时，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接。

第四步：采用电子束对中焊接，调整扫描波形、频率、束流、焊接速度等参数，控制焊缝熔合比。形成惰性强化相与sicp颗粒混合共用协同强化的双强化相高强接头。

第五步：焊接完成后在真空室中冷却后打开真空室，取出焊接构件。

本发明所述的第一步中可采用200号水砂纸对sicp颗粒增强铝基复合材料与中间层打磨，再用超声清洗打磨后的中间层与母材，放置于真空室中干燥，反正再次被氧化。

本发明所述的第三步中点固束流ib＝1-2ma，点固位置间隔t＝3-10mm，表面聚焦。

本发明所述的第四步中电子束流垂直作用于中间层中心线，正式焊接时采用加速电压30-60kv，焦点位于构件上表面之下1-10mm，焊接速度v＝300-600mm/min，电子束流ib＝3-20ma，电子束扫描频率f＝50-1000hz，扫描幅值vx＝vy＝2-5mm。

本发明所述的第四步中电子束扫描波形为锯齿波，或者为圆形波，或者为三角波，如图2所示。

本发明的原理是：基于热力学计算可知，sicp颗粒与铝合金基体的反应发生的条件为环境温度超过1000℃，而且此反应进程是与时间相关变量。因此，如果将sicp颗粒所处的环境控制在1000℃以下可以避免al4c3的生成。通过添加含有惰性强化相的中间层，调整熔合比，将sicp颗粒所在区域控制在1000℃以下，可抑制al4c3的生成。电子束扫描焊接具有搅拌熔池的功能，能促进气孔的溢出，可消除气孔缺陷。

实施例1，对厚度为2mm的含20％sicp的颗粒增强铝基复合材料进行电子束对接试验，焊前采用线切割将sicp颗粒增强铝基复合材料切为50mm×25mm×2mm的板，将含有tib2惰性相的中间层切为50mm×1.5mm×2mm的条形，采用200号砂纸分别打磨母材及中间层，直至光亮状态。采用超声清洗设备在工业酒精中清洗去除油污。在清洁干燥柜中干燥后进行，将中间层置于母材中间，如图1a所示，采用夹具加紧，放入真空室等待焊接。点固焊时采用表面聚焦，点固束流1ma，点固位置间隔8mm，正式焊接时采用加速电压60kv，焦点位于构件上表面之下3mm，焊接速度420mm/min，电子束流6ma，电子束扫描频率300hz，扫描幅值3mm，扫描波形为圆形波，接完成后在真空室中冷却5min，打开真空室，取出焊接构件。构件表面光亮，经拉伸力学性能测试强度为226mpa，达到母材的82％，满足强度要求。随机切割横截面，统计气孔尺寸，气孔最大直径1.7um，满足要求.

实施例2，对厚度为4mm的含20％sicp的颗粒增强铝基复合材料进行电子束对接试验，焊前采用线切割将sicp颗粒增强铝基复合材料切为50mm×25mm×4mm的板，将含有tib2惰性相的中间层切为50mm×2.5mm×4mm的条形，采用200号砂纸分别打磨母材及中间层，直至光亮状态。采用超声清洗设备在工业酒精中清洗去除油污。在清洁干燥柜中干燥后进行，将中间层置于母材中间，如图1a所示，采用夹具加紧，放入真空室等待焊接。点固焊时采用表面聚焦，点固束流1ma，点固位置间隔8mm，正式焊接时采用加速电压60kv，焦点位于构件上表面之下1mm，焊接速度480mm/min，电子束流12ma，电子束扫描频率300hz，扫描幅值3mm，扫描波形为圆形波，接完成后在真空室中冷却5min，打开真空室，取出焊接构件。构件表面光亮，经拉伸力学性能测试接头平均强度为221.5mpa，达到母材的80.1％，满足强度要求。随机切割横截面，统计气孔尺寸，气孔最大直径2.5um，满足要求。