專利名稱：鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)機械輔助旋轉(zhuǎn)釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及是一種鎂合金及鋁基復(fù)合材料焊接方法。
背景技術(shù)：
鎂合金及其復(fù)合材料以其成本低、制備容易、耐磨性好、性能和功能可設(shè)計性強等突出優(yōu)點脫穎而出，成為金屬基復(fù)合材料中研究的主流之一，而且其在航天、航空結(jié)構(gòu)件、 發(fā)動機耐熱和耐磨部件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有希望的復(fù)合材料之一。但是，鎂合金及其復(fù)合材料欲在航天、武器裝備及民品上進(jìn)一步推廣應(yīng)用，就必須解決其二次加工技術(shù)問題，特別是一些復(fù)雜構(gòu)件的連接技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它技術(shù)的研究，成為該種材料走向?qū)嵱没钠款i，因此深入研究鎂合金及其復(fù)合材料焊接中的科學(xué)問題是非常必要的。鎂合金及其復(fù)合材料的焊接研究之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它二次加工技術(shù)是因為該材料的特殊結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致其焊接性很差，增強相與基體在物理和化學(xué)性質(zhì)方面的差異是當(dāng)前焊接的主要難點。目前，國內(nèi)外在鎂合金及鎂基復(fù)合材料焊接方面開展了大量的研究工作，如電弧焊、激光焊、釬焊、擴散焊、瞬時液相焊等。存在以下的一些問題
(1)物理相容性問題液態(tài)熔池中的部分固態(tài)SiC等增強相嚴(yán)重地影響到了熔池中的傳熱及傳質(zhì)過程，使熔池表現(xiàn)為粘度高、流動差，對氣孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔池中的鎂基復(fù)合材料與添充材料難于混合均勻，且稀釋率低、成型困難；同時，液態(tài)金屬凝固時增強相的偏聚破壞了它原有的分布特點從而使接頭性能惡化；另外，由于增強相與基體線脹系數(shù)相差較大，在焊接的加熱和冷卻過程中較大的內(nèi)應(yīng)力會殘留在接頭中， 需要進(jìn)一步的熱處理；同時鎂合金基體和增強相(如SiC)熔點相差很大，在釬焊溫度下增強體不熔化，導(dǎo)致釬料流動性變差，由于固態(tài)增強相的存在釬料在母材上的潤濕與鋪展受到嚴(yán)重阻礙；加入某些合金元素及提高釬焊溫度在某種程度上可得到改善，但溫度過高又易引起母材的過燒熔蝕，給釬焊過程帶來很大困難。(2)鎂合金及其復(fù)合材料表面易生成氧化膜，且MgO熔點很高，嚴(yán)重影響釬料在母材上的潤濕與鋪展，成為鎂基復(fù)合材料釬焊的主要障礙之一。同時它嚴(yán)重阻礙兩個連接表面之間的擴散結(jié)合。用機械或化學(xué)清理后又立即生成，即使在高真空條件下，這層氧化膜也難于破碎，影響原子間擴散。為破壞基體連接表面的氧化膜的連續(xù)性就需要將連接溫度提高到接近鋁的熔點或在連接界面上施加很大的壓力。這會使連接件產(chǎn)生較大的塑性變形。與現(xiàn)有的在真空條件下添加半固態(tài)中間層進(jìn)行加壓來完成連接的工藝(中國專利00107491. 1)相比，此工藝中由于引入旋轉(zhuǎn)進(jìn)程大大提高了連接過程中動態(tài)去膜能力， 降低工藝對焊接表面和焊接氛圍的嚴(yán)格要求，最終可實現(xiàn)材料的非真空條件下高效連接。 另外，申請人在專利號為200610010098.4的“鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動流變連接方法”，提出通過半固態(tài)釬料的振動流變的方式，成功地破碎基體表面的氧化膜。然而進(jìn)一步的結(jié)果表明連接過程中振動引起的周期性壓縮一拉伸效應(yīng)容易使焊縫產(chǎn)生氣孔， 極大地限制了焊縫強度的提高。申請人在專利“一種無保護(hù)低溫焊接鋁基復(fù)合材料的方法”(公開號CN1M6836A)，該方法主要是依靠不銹鋼鋼絲刮磨涂有Si-Al基釬料的工件表面，使焊件表面氧化層破壞，從而使熔化的釬料滲入母材中而實現(xiàn)連接。焊接過程中需要鋼絲對工件表面進(jìn)行刮磨，破除氧化層不徹底且不易實現(xiàn)自動化，同時刮磨的過程中容易卷入氣體，使焊縫極易產(chǎn)生氣孔。與已經(jīng)實現(xiàn)的振動液相摩擦、旋轉(zhuǎn)液相摩擦去除氧化膜工藝相比，此焊接過程中高粘度的半固態(tài)合金釬料始終保持在待焊表面，既為釬料與母材的擴散溶解提供了合適的濃度梯度，而且還在整個焊接過程中保護(hù)了待焊表面不被二次氧化，同時半固態(tài)機械旋轉(zhuǎn)連接下無氣孔和非枝晶焊縫組織的獲得，也是此工藝非常突出的一個特點。鎂合金及其復(fù)合材料的焊接性比較特殊，各種連接方法都在一定程度上適合于該種材料的連接，但連接難度大。主要原因是由于增強相與基體物理、化學(xué)性能的巨大差異使連接工藝難以控制，增強相與基體之間良好界面的結(jié)合也難以得到。相比之下，擴散焊接比熔化焊更具潛力。特別是瞬間液相(TLP)連接技術(shù)在連接鎂合金及其復(fù)合材料時得到了令人鼓舞的結(jié)果。但目前鎂合金及其復(fù)合材料大量的焊接工作還是在實驗室中進(jìn)行，更具實際應(yīng)用意義的TLP焊接工藝尚需做出進(jìn)一步的努力。與以上工藝相比，此工藝具有以下兩個突出特點。其一，半固態(tài)中間夾層的引入，使連接可在母材的固相線溫度以下進(jìn)行，進(jìn)一步降低了焊接溫度，同時也減少了母材軟化傾向。其二，在連接過程中只對半固態(tài)釬料層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攪拌，而母材無明顯的形變，可實現(xiàn)母材的精密連接。綜上所述，此工藝的將鎂合金及其復(fù)合材的半固態(tài)焊接引入機械旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材的經(jīng)濟、高效的，同時具有以上特征的半固態(tài)連接技術(shù)國內(nèi)外未見有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和需要，提供一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，在被焊表面不接觸的條件下，通過半固態(tài)金屬的流變?nèi)ツひ约昂缚p的半固態(tài)旋轉(zhuǎn)流變成型，在旋轉(zhuǎn)過程中實現(xiàn)去膜與成型，從而使接頭的性能得到較大的改善。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其步驟如下
(1)將鎂合金或其復(fù)合材料待焊件裝卡在卡具上并在兩個待焊件的焊接表面處放置、 鍍或噴涂釬料；
(2)對待焊件加壓力并保持恒定值，壓力范圍為0.廣IMpa，并同時加熱待焊件，加熱溫度在35(T450°C之間，使中間層釬料處于半固態(tài)狀態(tài)，其釬料固相率的范圍在1(Γ80% ；
(3)通過旋轉(zhuǎn)裝置使待焊件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為65 1500r/min，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變， 旋轉(zhuǎn)時間為1(Γ300秒；旋轉(zhuǎn)停止后，使溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率在0.廣5°C / s，使釬料溶解一定厚度(5 200 μ m)的母材即待焊件材料，并保溫，保溫溫度在40(T48(TC 之間，保溫時間在廣5分鐘。(4)再加壓力，壓力范圍為0.廣IMPa，再次啟動旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為 65飛OOr/min，待旋轉(zhuǎn)3飛O秒之后，停止旋轉(zhuǎn)，保溫廣30分鐘，后隨爐冷卻。 本方法使用的釬料是ai-Sn系或Si-Al-Sn系的釬料，釬料的液相線溫度應(yīng)小于待焊件材料的固相線溫度。
4
待焊件的形狀可為棒件、厚板件和方柱件。釬料是片狀、箔狀、鍍層或事先噴涂在待焊表面。待焊件的旋轉(zhuǎn)方式為單一待焊件旋轉(zhuǎn)或是兩個待焊件相對旋轉(zhuǎn)。加壓方式可采用氣壓加壓或液壓加壓。加熱待焊件采用高頻感應(yīng)線圈或火焰加熱。本發(fā)明方法可以解決現(xiàn)有技術(shù)的各種方法所存在的主要關(guān)鍵問題，實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料低成本、高效、高質(zhì)量焊接。本方法主要的優(yōu)點及達(dá)到的性能指標(biāo)如下
1、本方法可在大氣環(huán)境和無需釬劑條件下，實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料的焊接，焊接表面無需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接頭可靠，工程意義較為理想。2、焊接溫度低，在500°C以下，避免了鎂合金及其復(fù)合材料的軟化，克服了熔化焊時母材熔化帶來的不良后果，如成型不佳，增強相偏析，增強相/基體有害反應(yīng)等。3、在整個連接過程中的第一次旋轉(zhuǎn)中，上下試件表面始終不接觸，氧化膜破碎是通過熔化的半固態(tài)釬料金屬對母材表面的沖刷及固態(tài)顆粒對母材表面的擠壓來完成的，解決了諸如釬焊、擴散焊中氧化膜難以去除的問題。4、一次旋轉(zhuǎn)后的升溫及保溫階段，通過中間層中Si在母材晶間及增強相與基體間界面的擴散，從而導(dǎo)致母材晶粒的局部融化。最終在母材一側(cè)形成固液共存的半固態(tài)區(qū)。5、在焊接過程中的第二次旋轉(zhuǎn)時，通過旋轉(zhuǎn)流變進(jìn)程，從焊縫中擠出多余的釬料金屬、顆粒及一次旋轉(zhuǎn)形成的孔洞。從而，縮短焊縫與母材成分均勻化所需的時間。而且， 通過旋轉(zhuǎn)的介入，使溶解的母材中的顆粒進(jìn)入焊縫，從而形成具有復(fù)合接頭的焊縫。從而， 進(jìn)一步提高了接頭的性能。6、適合精密及較大焊接表面鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的焊接。7、此種焊接方法繼承了釬焊的焊件尺寸變形小，焊接溫度低的優(yōu)點，而得到了近似瞬間液相擴散焊的接頭性能。


圖1是鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊的方法過程示意圖， 圖2A是焊件相對旋轉(zhuǎn)方式示意圖，
圖m是焊件單件旋轉(zhuǎn)方式示意圖3是鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊連接原理示意圖， 圖4是非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊過程示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合圖
實施例1
參見圖1和圖2A，將AZ31B鎂合金待焊件6裝卡在卡具5上，待焊件間的間隙為 500 μ m。并在兩待焊件6的焊接表面放置ai-Sn系釬料3，釬料可以是片狀、箔狀、鍍層或事先噴涂在待焊表面。利用氣缸1對待焊件6加壓力并保持恒定值，加載壓力為0. 3MPa，同時利用高頻線圈4加熱待焊件，加熱溫度在350°C之間，使中間層釬料3熔化。啟動旋轉(zhuǎn)平臺 2，旋轉(zhuǎn)方式為雙焊件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速為300r/min，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變， 旋轉(zhuǎn)時間為30秒。旋轉(zhuǎn)停止后，溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率為0. 5°C /s，并且在預(yù)定的溫度下保溫，使釬料溶解厚度為2(Γ200 μ m的母材，保溫溫度在400°C，保溫時間在1 分鐘。隨后，加載壓力為0.2MPa，再次啟動旋轉(zhuǎn)平臺2裝置(二次旋轉(zhuǎn))，轉(zhuǎn)速為150r/min， 待旋轉(zhuǎn)20秒之后，停止旋轉(zhuǎn)，到保溫5分鐘后，隨爐冷卻。實施例2
參見圖1和圖2B，將AZ91D鋁合金待焊件6裝卡在卡具5上，焊件間的間隙為600 μ m。 并在兩待焊表面放置Si-Al-Sn釬料3，釬料可以是片狀，箔狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面。利用氣缸1向焊件加壓力并保持恒定值，加載壓力為0. 2MPa，同時加熱焊件6，加熱溫度在360°C，使中間層釬料3處于半固體。啟動旋轉(zhuǎn)平臺2裝置，旋轉(zhuǎn)方式為單焊件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為300r/min，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變，旋轉(zhuǎn)時間為40秒。旋轉(zhuǎn)停止后，溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率為1°C /s，并且在預(yù)定的溫度下保溫，使釬料溶解厚度為2(Γ200μπι 的母材，保溫溫度在410°C之間，保溫時間在1分鐘。隨后，加載壓力為0. IMPa，再次啟動旋轉(zhuǎn)平臺2裝置(二次旋轉(zhuǎn))，轉(zhuǎn)速為200r/min，待旋轉(zhuǎn)10秒之后，停止旋轉(zhuǎn)，到保溫5分鐘后， 隨爐冷卻。本發(fā)明的工作原理見附圖3，在兩個圓棒待焊件6中間放置半固態(tài)釬料3，通過施加適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)力場使半固態(tài)合金中固相顆粒B擠壓、破碎以至去除焊件基體氧化膜D，使得半固態(tài)合金的晶間液相E與基體發(fā)生適當(dāng)?shù)臄U散溶解，以至在鎂合金及其復(fù)合材料基體表面形成溶解液相A，從而形成溶解層C，此時在溶解層中的SiC顆粒F在攪拌頭的作用下進(jìn)入焊縫中。本發(fā)明的工藝過程見附圖4，當(dāng)焊接溫度達(dá)到所設(shè)溫度時，開啟氣缸，使得焊件之間保持一定的壓力，啟動旋轉(zhuǎn)裝置，保持一定時間后，停止旋轉(zhuǎn)裝置及加載壓力；隨后按照一定升溫速率進(jìn)行升溫，當(dāng)達(dá)到所設(shè)溫度時，開啟氣缸，使得焊件之間保持一定的壓力，啟動旋轉(zhuǎn)裝置，保持一定時間后，停止旋轉(zhuǎn)裝置及加載壓力，并進(jìn)行一定時間的保溫，隨后將焊件空冷。
權(quán)利要求
1.鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于其步驟如下(1)將鎂合金或其復(fù)合材料待焊件裝卡在卡具上并在兩個待焊件的焊接表面處放置、 鍍或噴涂釬料；(2)對待焊件施加壓力并保持恒定值，壓力范圍為0.廣IMpa，并同時加熱待焊件，加熱溫度在35(T450°C之間，使釬料處于半固態(tài)狀態(tài)，其釬料固相率的范圍在1(Γ80% ；(3)通過旋轉(zhuǎn)裝置使待焊件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為65 1500r/min，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變， 旋轉(zhuǎn)時間為1(Γ300秒；旋轉(zhuǎn)停止后，使溫度按一定的升溫速率上升，升溫速率在0.廣5°C / s,使釬料溶解厚度5 200 μ m的母材即待焊件材料，并保溫；(4)待保溫時間結(jié)束后，對焊件施加壓力，壓力范圍為0.廣IMPa，再次啟動旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為65飛OOr/min，待旋轉(zhuǎn)3飛O秒之后，停止旋轉(zhuǎn)，并保溫廣30后，隨爐冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于釬料是Si-Al-Sn系或Si-Sn系的釬料，釬料的液相線溫度應(yīng)小于待焊件材料的固相線溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于所述步驟(3)的保溫溫度在40(T48(TC之間，保溫時間在廣5分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于所述步驟(4)的保溫時間廣30分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于焊件的形狀可為棒件、厚板件和方柱件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于釬料是片狀、箔狀、鍍層或事先噴涂在待焊表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，其特征在于所述待焊件的旋轉(zhuǎn)方式為單一待焊件旋轉(zhuǎn)或是兩個待焊件相對旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊，其特征在于所述加壓采用氣壓加壓或液壓加壓。
9.根據(jù)權(quán)力要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊，其特征在于加熱待焊件采用高頻感應(yīng)線圈或火焰加熱。
全文摘要
鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)旋轉(zhuǎn)輔助釬焊方法，將鎂合金或其復(fù)合材料焊件裝卡在卡具上并在兩個待焊表面處放置Zn-Sn系或Zn-Al-Sn等釬料，加熱焊件，加熱溫度在350~450℃之間,同時加壓力，壓力范圍為0.1~1MPa，使中間層釬料處于半固態(tài)狀態(tài)，啟動旋轉(zhuǎn)裝置，轉(zhuǎn)速為65~1500r/min，在旋轉(zhuǎn)過程中溫度恒定不變，旋轉(zhuǎn)時間為10~300秒。旋轉(zhuǎn)停止后，溫度按一定的升溫速率上升，并且在預(yù)定的溫度下保溫，使釬料溶解一定厚度的母材，保溫溫度在400~480℃之間，保溫時間在1~5分鐘。隨后，加壓力，壓力范圍為0.1~1MPa，再次啟動旋轉(zhuǎn)裝置(二次旋轉(zhuǎn))，轉(zhuǎn)速為65~600r/min，待旋轉(zhuǎn)3~60秒之后，停止旋轉(zhuǎn)，到保溫5~30分鐘后，隨爐冷卻。本發(fā)明可實現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料的高效率、高質(zhì)量、經(jīng)濟的連接。
文檔編號B23K1/19GK102284760SQ201110188268
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者周博芳, 孫匯彬, 曾友亮, 李春天, 杜長華, 羅泉祥, 許惠斌 申請人:重慶理工大學(xué)