本發(fā)明涉及金屬材料，特別提供一種高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，適用于利用鋁合金中間層實(shí)現(xiàn)高體分的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接。

背景技術(shù)：

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(Aluminium Matrix Composites,AMC)是由鋁合金基體與顆粒狀增強(qiáng)體(多為陶瓷顆粒)經(jīng)設(shè)計、復(fù)合而成的新材料，綜合了金屬良好的強(qiáng)度、韌性與易成型性等優(yōu)點(diǎn)與增強(qiáng)體的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。顆粒體積含量小于40％的AMC具有良好的強(qiáng)韌性綜合性能，多用作結(jié)構(gòu)材料。顆粒體積含量40-70％的AMC多用于對導(dǎo)熱性、尺寸穩(wěn)定性(低熱膨脹系數(shù))要求高的功能材料。

作為國防安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要結(jié)構(gòu)與功能材料，AMC在航空航天、電子、軍工、交通、體育及核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。AMC品種隨著工業(yè)產(chǎn)品型號的更新而不斷豐富，用量呈現(xiàn)逐年增長的態(tài)勢。其中集成電路與電子封裝行業(yè)對于熱管理類功能材料需求旺盛，特別是對于集成電路與電子封裝領(lǐng)域，需要高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率的材料做基板和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，提高器件可靠性。

傳統(tǒng)金屬材料無法滿足現(xiàn)代光電元器件高密度集成化和大功率化對散熱的要求的(純銀～412W/m·K；退火銅～390W/m·K)。尤為重要的是，金屬材料的熱膨脹系數(shù)較高，在寬溫域服役工況下與光電和精密器件等(如高分辨空間相機(jī))的不匹配問題越來越突出。這對材料的熱膨脹和導(dǎo)熱等綜合性能提出了更高的要求，亟需開發(fā)具有低熱膨脹、高導(dǎo)熱等優(yōu)異綜合性能的新型材料。

碳化硅(SiC)、金剛石等因具有優(yōu)異的熱物理性能，將一定量的SiC增強(qiáng)體顆粒添加到具有高熱導(dǎo)的鋁類金屬基體中制成復(fù)合材料，即可利用金屬易于成形、抗熱沖擊性好的特點(diǎn)，又可兼顧增強(qiáng)體的優(yōu)異的熱物理性能。

作為熱管理類功能構(gòu)件，需要通過螺釘與其它器件連接在一起。然而，需要指出的是，由于增強(qiáng)體顆粒含量高，復(fù)合材料脆性大，類似于陶瓷材料，在鉆孔、攻絲時極易開裂，是目前應(yīng)用所面臨的主要難題之一。另外，高體分復(fù)合材料之間的焊接也是難題，目前多通過釬焊方式進(jìn)行，但生產(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，應(yīng)用受到限制。

攪拌摩擦焊(FSW)是一種固相焊接技術(shù)，它的焊接工具為一個由軸肩與攪拌針組成的攪拌頭，通常由鋼質(zhì)材料制成。在高速旋轉(zhuǎn)焊接工具的摩擦與攪拌作用下，焊縫區(qū)材料發(fā)生劇烈塑性變形，通過動態(tài)再結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。FSW過程類似于機(jī)械加工，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化，具有高效、快捷、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。攪拌摩擦焊已在鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋼鐵等材料連接方面取得應(yīng)用。

目前FSW在AMC的焊接研究方面已有一些文獻(xiàn)報導(dǎo)，但主要為增強(qiáng)體體積含量小于30％的中低體分復(fù)合材料(Friction stir welding of discontinuously reinforced aluminum matrix composites:A Review,Acta Metall.Sin.(Engl.Lett.),2014,27(5),816–824)。研究表明，由于陶瓷顆粒的存在，AMC流動變差，焊縫成形能力差。而且，陶瓷顆粒對鋼質(zhì)焊接工具造成嚴(yán)重磨損，一般鋼質(zhì)工具僅能焊很短的距離，攪拌針上的螺紋就會被磨光，磨屑還會惡化接頭性能。

肖伯律等公開了一種提高不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌磨擦焊接頭強(qiáng)度的工藝(提高不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌磨擦焊接頭強(qiáng)度的工藝，專利號：ZL200910248688.4)，認(rèn)為使用該焊接工藝可明顯改善不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的可焊性，減少工具磨損，提高復(fù)合材料接頭的力學(xué)性能。姬書得等公開了一種基于攪拌工具旋轉(zhuǎn)且振動的適用于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接的超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊工藝法，以期解決現(xiàn)有常規(guī)攪拌摩擦焊技術(shù)在連接顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時存在攪拌工具磨損嚴(yán)重且攪拌工具的制造成本高等問題(一種適用于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接的超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接方法，專利號：201210060013.9)。上述兩個專利都是直接對AMC材料進(jìn)行焊接而未添加輔助材料，其發(fā)明目的是通過焊縫處材料軟化，以減輕對工具的磨損。二者都沒有說明所焊接鋁基復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)，但基于本專業(yè)研究可知，這兩種方法僅可焊接增強(qiáng)體為中低含量的AMC。

通過文獻(xiàn)分析可知，目前還未有在高體分AMC焊接方面的研究與應(yīng)用報導(dǎo)。這主要是高體分AMC含有大量陶瓷顆粒，復(fù)合材料硬而脆，常被認(rèn)為不適宜采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接。本申請結(jié)合高體分AMC構(gòu)件常常需要鉆孔、攻絲的應(yīng)用需要與技術(shù)難題，通過工藝優(yōu)化設(shè)計，基于攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高體分AMC的焊接。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，適用于增強(qiáng)體顆粒體積含量為40～80％，厚度為1-80mm的鋁基復(fù)合材料焊接與構(gòu)件制備。

本發(fā)明提供了一種高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：對兩塊高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，借助鋁合金中間層，通過攪拌摩擦焊接方法，實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的無缺陷焊接，從而克服高體分鋁基復(fù)合材料難于焊接的不足。

本發(fā)明借助鋁合金中間層實(shí)現(xiàn)兩片復(fù)合材料連接，鋁合金中間層寬度優(yōu)選為復(fù)合材料厚度的0.5-3倍。焊接時攪拌針在鋁合金中，優(yōu)化的工藝參數(shù)為：攪拌針邊緣距離兩側(cè)復(fù)合材料的距離為-1.0～1.0mm(優(yōu)選-0.5～0.5mm)，焊接工具轉(zhuǎn)速為200-1000rpm(優(yōu)選400-600rpm)、焊接速度為20-400mm/min(優(yōu)選50-150mm/min)。

具體焊接方法為：

首先將寬度為復(fù)合材料厚度0.5-3倍的鋁合金中間層放置在待焊復(fù)合材料接縫處對齊固定，然后將焊接工具偏置在鋁合金中(偏置量為-1.0～1.0mm)，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下進(jìn)行攪拌摩擦焊接。

本發(fā)明提出了一種高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其工藝流程短、成本低、易于操作，有理由相信這種新工藝將有著廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為借助鋁合金中間層實(shí)現(xiàn)兩片復(fù)合材料連接示意圖，其中，1、第一高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，2、第二高體分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，3、鋁合金中間層，4、攪拌工具。

具體實(shí)施方式

下面的實(shí)施例將對本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

對6mm厚、增強(qiáng)體顆粒體積含量為50％的高體分SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用8mm寬的等厚鋁合金中間層，按圖1所示方式進(jìn)行攪拌摩擦焊，偏置量為－0.5mm，采用轉(zhuǎn)速400rpm、焊接速度300mm/min的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者的無缺陷焊接。

對比例1

對6mm厚、增強(qiáng)體顆粒體積含量為50％的高體分SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用8mm寬的等厚鋁合金中間層，按圖1所示方式進(jìn)行攪拌摩擦焊，偏置量為1.5mm，采用采用多個攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)，均無法實(shí)現(xiàn)二者的有效焊接。

實(shí)施例2

對10mm厚、增強(qiáng)體顆粒體積含量為40％的高體分SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用15mm厚的等厚鋁合金中間層，按圖1所示方式進(jìn)行攪拌摩擦焊，偏置量為－1.0mm，采用轉(zhuǎn)速600rpm、焊接速度200mm/min的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者的無缺陷焊接。

實(shí)施例3

對20mm厚、增強(qiáng)體顆粒體積含量為60％的高體分SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用60mm厚的等厚鋁合金中間層，按圖1所示方式進(jìn)行攪拌摩擦焊，偏置量為0.2mm，采用轉(zhuǎn)速800rpm、焊接速度50mm/min的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者的無缺陷焊接。

實(shí)施例4

對50mm厚、增強(qiáng)體顆粒體積含量為45％的高體分SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用25mm厚的等厚鋁合金中間層，按圖1所示方式進(jìn)行攪拌摩擦焊，偏置量為0.5mm，采用轉(zhuǎn)速800rpm、焊接速度50mm/min的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者的無缺陷焊接。

實(shí)施例5

對80mm厚、增強(qiáng)體顆粒體積含量為40％的高體分SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用80mm厚的等厚鋁合金中間層，按圖1所示方式進(jìn)行攪拌摩擦焊，偏置量為－1.0mm，采用轉(zhuǎn)速600rpm、焊接速度30mm/min的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者的無缺陷焊接。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。