高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基復合材料焊接技術領域，具體涉及一種高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法。
【背景技術】
[0002]鋁基復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，其應用日益廣泛。對于顆粒增強相復合材料而言，不同體積分數(shù)增強相含量對復合材料的性能影響較大，低體積分數(shù)(10?20%)增強相復合材料力學性能較好，多用于承載結構材料；而高體積分數(shù)(40?70%)增強相復合材料多用于電子封裝等功能材料。
[0003]高體積分數(shù)(40?70%)SiCp/Al復合材料兼具陶瓷SiC和金屬Al的優(yōu)異特性，可通過調整增強相SiC尺寸、Al合金成分、兩相比例和復合材料的熱處理狀態(tài)，對復合材料熱物理性能和力學性能進行設計，使其具有較低熱膨脹系數(shù)、較高的熱導率、較低的密度、較好的尺寸穩(wěn)定性和合理的成本等優(yōu)點，在電子器件及模塊的封裝、航天航空無慣性導航系統(tǒng)、敏感衛(wèi)星光機結構等領域備受關注，展示出較大的應用前景，高體積分數(shù)增強相SiCp/Al復合材料已成為金屬基復合材料中研宄的熱點。
[0004]然而，鋁基復合材料的基體與增強相之間熱物理性能如熔點(鋁合金約650°C，碳化硅熔融點2200°C)、導熱系數(shù)(鋁合金的熱傳導系數(shù)約為237W/ Cm.K)，碳化硅約為83.6W/ (111*10)、熱膨脹系數(shù)(鋁合金(18~25) X 10—7 K，碳化硅4.7X 10_6 / K)以及化學相容性相差較大，使其焊接成形要比單相均質材料復雜得多，導致其焊接性較差，嚴重限制此類材料的應用。尤其對于高體積分數(shù)(40?70%) SiCp/Al復合材料而言，如附圖1所示55%SiCp/Al復合材料微觀組織形貌，大量的高熔點SiC陶瓷顆粒彌散分布在鋁基體上，使其連接比較困難，形成高強度的焊接接頭更難，主要原因如下:
(I)界面反應:
采用電弧焊、閃光對焊等方法連接高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料時，因增強相體積分數(shù)較高，焊接時當溫度大于727°C時，增強相SiC和基體Al之間極易發(fā)生界面反應:
4A1 (L)+3SiC (s)— Al4C3+3Si0
[0005]界面反應生成針狀脆性物Al4C3,增加接頭脆性；A14C3在空氣中自動水解，造成焊接接頭產生低應力腐蝕開裂；界面反應減少SiC顆粒數(shù)量，改變增強相SiC與基體Al之間的結合機理，消弱增強相的作用，降低接頭的力學性能，對工件穩(wěn)定性和使用性能造成極大破壞。界面反應是高體積分數(shù)顆粒增強型鋁基復合材料焊接時的主要難題，界面反應產物Al4C3形貌如附圖2所示。
[0006](2)焊接熔池黏度大、流動性差:
在采用熔化焊方法連接高體積分數(shù)顆粒增強型鋁基復合材料時，熔池內有大量難熔的顆粒增強相，造成熔池粘度很高，影響焊接時熔池中的傳熱及傳質過程，降低金屬的流動性，易產生氣孔、裂紋等缺陷。
(3)焊縫成形差: 焊接過程中易發(fā)生鋁基體飛濺，焊縫處形成凹槽，且顆粒增強相殘渣附著在焊縫兩側，不易與填充金屬混合，焊縫成形差。
[0007](4)高體積分數(shù)顆粒增強型鋁基復合材料焊接相關方面的報道較少，現(xiàn)有工藝復雜O
[0008]目前，顆粒增強型鋁基復合材料的焊接多采用擴散焊、摩擦焊以及釬焊的方法，且主要是用于低體積分數(shù)(10%_20%) SiCp/Al復合材料的連接。同時，擴散焊、釬焊需要在真空爐中進行，摩擦焊的焊件形狀尺寸受到很大限制，焊接工藝復雜化。而對于高體積分數(shù)的SiC顆粒增強的鋁基復合材料的連接很少報道，所以高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的焊接問題一直阻礙著該種材料的迅速發(fā)展，成為該材料走向實用化的障礙。
[0009]電阻點焊是一種主要用于薄板連接的制造工藝，因其具有工藝簡單靈活、焊接質量好、成本低等特點，廣泛應用于汽車制造及航空航天等部門。另外，對于高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料電阻點焊而言，利用電阻熱成型，點焊過程加熱時間極短(零點幾秒)，能有效抑制增強相SiC與基體Al間的界面反應，并且在壓力作用下成形，接頭更致密。對于一種綜合性能良好、焊接性較差的新材料，應嘗試用各種焊接方法對其連接，為此類材料的推廣應用提供實驗依據(jù)。鑒于此，本發(fā)明經過大量的實驗研宄，研制出一種解決高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料焊接的新技術。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術問題是:為實現(xiàn)高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料的焊接，本發(fā)明提供一種高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法。本發(fā)明采用電阻點焊的方法，對高體積分數(shù)增強型鋁基復合材料進行電阻點焊連接實驗，實現(xiàn)在易操作、可控制的簡單電阻點焊工藝下，獲得具有較高接頭強度和較好微觀成型的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料電阻點焊接頭，解決了高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料焊接這一技術難題；本發(fā)明電阻點焊方法是一種簡單有效的焊接方法，具有重要的應用價值。
[0011]為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術方案為:
本發(fā)明提供一種高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，鋁基復合材料采用點焊機進行電阻點焊連接時，其預壓時間為0.2?0.8秒，維持時間為0.3?0.9秒，電極壓力為1000?2000牛頓，焊接時間為0.1?0.5秒，焊接電流為15.4?19.4千安；
所述高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的增強相為碳化硅顆粒或碳化硅晶須，增強相在鋁基復合材料中所占的體積分數(shù)為40?70%。
[0012]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述鋁基復合材料的基體為 2A12、2A11、2A14、6A02、2A50、2B50 和 3A21 中的任一種。
[0013]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料中增強相的平均粒徑為10?50 μπι。
[0014]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數(shù)增強相銷基復合材料加工成試樣，試樣兩邊等厚，其厚度為I?2_ (優(yōu)選1.5mm)O
[0015]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料加工成的試樣規(guī)格為60 X 20 X 1.5mm，鋁基復合材料試樣焊接時搭接長度為10?20mm (優(yōu)選20mm)。
[0016]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述在鋁基復合材料電阻點焊過程中冷卻水流量為I?5升/分。
[0017]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述點焊機的電極材料為紫銅，電極直徑為12?28_，電極端部形狀為球面電極、圓頂電極或平面電極。
[0018]根據(jù)上述的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料在電阻點焊開始前將鋁基復合材料表面、背面和點焊電極端面均采用砂紙打磨，去除表面氧化膜，再用丙酮清理并風干。
[0019]本發(fā)明的積極有益效果:
1、本發(fā)明采用電阻點焊的方法，對高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料進行電阻點焊連接實驗，實現(xiàn)在易操作、可控制的簡單電阻點焊工藝下，獲得具有較高接頭強度和較好微觀成型的高體積分數(shù)增強相鋁基復合材料電阻點焊接頭，解決了高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料焊接這一技術難題；本發(fā)明電阻點焊方法是一種簡單有效的焊接方法，具有重要的應用價值。
[0020]2、本發(fā)明工藝簡單，點焊接頭的宏觀和微觀成型均良好、強度高，是高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料連接的新工藝方法。
[0021]3、在本發(fā)明中，采用電阻點焊的方法對高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料進行連接，在電阻熱和電極壓力共同作用下，采用最佳工藝參數(shù)焊接，接頭成型良好，所形成的熔核平均直徑為7.4mm，接頭的平均抗剪力為1994.8牛。
[0022]4、從附圖4點焊接頭微觀形貌可以看出，點焊接頭的熔核區(qū)、過渡區(qū)、焊接母材區(qū)，無增強相SiC顆粒偏聚，均呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，同時基體Al連接致密；附圖5點焊接頭顯微硬度分析表明:母材區(qū)、熔核過渡區(qū)、熔核中心區(qū)的顯微硬度數(shù)值波動較小，進一步說明增強相SiC在點焊接頭各個區(qū)域的分布密度均勻一致，使得接頭各區(qū)域力學性能和熱物理性能也呈均勻分布。
[0023]5、從附圖4可以看出，點焊接頭區(qū)無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，而在增強型復合材料常規(guī)熔化焊中，極易出現(xiàn)此類缺陷。
[0024]6、本發(fā)明點焊連接無明顯界面反應:
附圖6為本發(fā)明所形成的的點焊接頭SEM微觀形貌圖，可以看出點焊熔核區(qū)SiC顆粒形態(tài)與母材中的SiC顆粒形態(tài)一樣，均呈棱角分明的多邊形狀，SiC顆粒與Al基體間界面清晰、平直，無過渡層和其它附加物，沒有發(fā)現(xiàn)界面反應物Al4C3針狀析出及其它的異常組織，說明焊縫沒有出現(xiàn)界面反應。平直且無反應的界面可充分發(fā)揮復合材料的高導熱特性，減少電阻點焊過程中熱量在界面處的聚集，散熱性好。另外在電阻點焊過程中，焊接時間短，僅有0.3秒，冷卻速度快，可控性好，能夠顯著抑制SiC顆粒與Al基體間界面反應，克服了高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料焊接時易發(fā)生界面反應的難題，從而提高接頭質量，獲得優(yōu)質的焊接接頭。
[0025]7、本發(fā)明點焊熔核區(qū)界面結合良好:
附圖7為本發(fā)明點焊接頭的斷口 SEM及能譜分析圖，點焊接頭斷口形貌呈混合型斷裂特征，大量的SiC顆粒存在使得復合材料的脆性增加。在韌性斷裂區(qū)，顆粒表面不是裸露的光滑狀態(tài)，而是有一些Al液包覆在顆粒上，表明在電阻點焊熱源作用下，形成SiC和Al基體之間的潤濕連接，增強相和基體間的界面結合良好。
[0026]8、本發(fā)明在焊接過程中無需特殊的保護措施，無需添加焊材，工藝簡單、焊接效率高，接頭成型好。
[0027]綜上所述，本發(fā)明采用電阻點焊的方法對高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料進行連接，在電阻熱和電極壓力共同作用下，能夠形成良好的焊接接頭，形成的熔核直徑為7.4mm，接頭強度較高，點焊接頭的拉剪力為1994.8牛；點焊接頭微觀成型良好，SiC顆粒均勻分布，無氣孔、裂紋等缺陷；在極短的焊接時間(0.3秒)下，避免基體和增強相之間的界面反應，獲得良好的點焊接頭。操作方法簡單(易操作，可控性高)。因而，本發(fā)明是一種簡單有效的高體積分數(shù)(40?70%)增強相鋁基復合材料電阻點焊新技術，具有重要的應用價值。
[0028]【附圖說明】:
圖1現(xiàn)有55%SiCp/Al復合