專利名稱：顆粒增強鋁基復(fù)合材料等離子弧原位焊接技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁基復(fù)合材料的二次加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種顆粒增強鋁基復(fù)合材料的等離子弧原位焊接方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強鋁基復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的物理、力學(xué)綜合性能，而廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車和制造業(yè)等領(lǐng)域，被認(rèn)為是一種具有廣泛潛在應(yīng)用前景的新結(jié)構(gòu)材料。其中，SiCp/Al基復(fù)合材料是一類重要的顆粒增強鋁基復(fù)合材料。同其它結(jié)構(gòu)材料一樣，SiCp/Al基復(fù)合材料的實際應(yīng)用，往往受到二次加工工藝性能的限制。由于該材料增強相與基體間物理化學(xué)性能存在巨大差異，在高溫下極易發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性相Al4C3，不僅很難形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，而且使焊縫力學(xué)性能嚴(yán)重降低，嚴(yán)重制約了SiCp/Al基復(fù)合材料的應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代金屬基復(fù)合材料問世以來，顆粒增強鋁基復(fù)合材料的連接就一直是國內(nèi)外該領(lǐng)域研究的熱點之一。在這方面，國內(nèi)已經(jīng)有不少相關(guān)的專利申請，其中有代表性的包括牛濟泰申請了專利“非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料鎢極氬弧焊焊縫原位增強方法”(專利號CN200510010266.5)。該專利通過填充原位合金化元素，在焊槍上安裝電磁攪拌裝置，采用一定的焊接工藝參數(shù)和焊后熱處理工藝，來解決鋁基復(fù)合材料的焊接接頭強度低、焊接接頭與母材性能相差甚遠(yuǎn)的問題。該專利的優(yōu)點是操作簡便、焊接接頭強度高、焊接接頭與母材強度接近。據(jù)介紹，通過該工藝，鋁基復(fù)合材料的焊接接頭強度可達母材強度的85％。
許志武、閆久春、葉廣郁等申請了專利“鋁基復(fù)合材料超聲—電阻焊接方法”(專利號CN200510009958.8)。該方法克服了鋁基復(fù)合材料必需在真空環(huán)境下焊接的缺點，提高了填充焊料與鋁基復(fù)合材料的潤濕性、實現(xiàn)了增強相在整個焊縫中的合理分布，顆粒獲得無增強相偏聚的焊縫，提高了接頭綜合性能。
黃繼華、萬云、張建綱申請了專利“一種碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料連接方法”(專利號CN200510011191.2)，涉及到SiCp/Al復(fù)合材料的瞬時液相擴散連接技術(shù)。該發(fā)明不僅避開了高溫熔化焊接SiCp/Al復(fù)合材料時所面臨的困難，而且和現(xiàn)有的瞬時液相擴散連接相比具有可連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SiCp/Al復(fù)合材料、連接溫度低、對母材損害小、對被連接母材的表面預(yù)處理要求不高等特點。
從已有的研究工作和專利分析，顆粒增強鋁基復(fù)合材料的連接技術(shù)應(yīng)具備這樣幾個條件1)能形成良好的連接接頭，界面反應(yīng)少；2)必須有效避免鋁合金基體的氧化；3)盡量減少連接接頭處增強顆粒的偏聚；4)操作簡單，盡可能避免使用外加材料?？傮w來看，目前提出的各種方法尚不能很好地達到以上條件，因此開發(fā)新型顆粒增強鋁基復(fù)合材料連接技術(shù)具有特別重要的意義。本發(fā)明提出一種利用等離子弧原位焊接顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，目前還沒有相關(guān)的文獻報道和專利申請。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種顆粒增強鋁基復(fù)合材料等離子弧原位焊接新工藝，即通過在等離子弧焊接過程中添加在高溫下與鋁或增強顆粒反應(yīng)形成增強相的金屬元素實現(xiàn)原位合成的新技術(shù)。
實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是對顆粒增強鋁基復(fù)合材料母材進行常規(guī)表面處理，去除表面氧化膜和附著物，以氬氣+0～30％的氮氣作為離子氣，實現(xiàn)對顆粒增強鋁基復(fù)合材料實現(xiàn)等離子弧焊接，其特征在于在焊接過程中，添加能夠在高溫下與鋁、氮或增強顆粒反應(yīng)形成增強相的元素Ti、Zr、B、Si等及其合金，其能夠在高溫下與鋁、氮或增強顆粒反應(yīng)形成增強相，并抑制有害相如Al4C3的生成，實現(xiàn)顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接接頭的原位合成。其利用等離子弧焊接過程形成的高溫熔池，生成新的增強相。
所添加的元素，可以以純金屬的形式加入，也可以Al基中間合金或者金屬氧化物、鹽的形式加入；合金元素加入時可以以絲狀、條塊狀或粉末狀加入；加入方式可以是機械式或自動化方式；為了保證原位合成顆粒的均勻分散和避免顆粒粗大，根據(jù)2～4mm的母材厚度控制焊接電流80～150A、離子氣流量2～5L/min、焊接速度100～200mm/min，合金元素的加入量在12％以下。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)由于加入的合金元素化學(xué)活性高，能夠減少增強顆粒(如SiC等)的燒損，從而有效地抑制了脆性相的形成。
2)由于熔池溫度高，加入的合金化元素能充分反應(yīng)，生成新的增強相，彌補了原有增強相燒損引起的增強作用損失，有效地改善了焊接接頭的性能。
3)合理選擇合金化元素便于控制增強相種類、大小以及數(shù)量。由于新生成的顆粒是原位生成，與基體合金相容性好、界面潔凈，因而結(jié)合強度高。
4)新生成的顆粒尺寸較小、分布均勻，從而保證了接頭有很高的強度和彈性模量。
總之，采用本工藝可以很好地抑制焊接缺陷的形成，有效地提高焊接接頭的性能。


圖1實施例1的焊縫微觀組織2實施例1的焊縫XRD分析圖具體實施方式
實施例1對SiCp/6061復(fù)合材料，焊前用150#砂紙打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮進行清洗。試樣經(jīng)150℃干燥后，采用氬氣+30％的氮氣作為離子氣，離子氣流量為3L/min，以純氬氣保護，焊接電流為100A，焊接速度為150mm/min。在焊接過程中向焊接熔池中添加直徑2mm的Al-10％Ti合金絲。焊接后對焊接接頭取樣分析，結(jié)果表明焊接接頭處形成了TiC、TiN、AlN和Al3Ti等增強顆粒，顆粒的尺寸在5μm以下，顆粒分布均勻，焊接接頭的拉伸強度約為230MPa，滿足焊接接頭的強度要求。成分分析表明，焊接接頭部分Ti元素的平均含量為2.12％。
實施例2對SiCp/6061復(fù)合材料，焊前用150#砂紙打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮進行清洗。試樣經(jīng)150℃干燥后，采用氬氣+20％氮氣作為離子氣，離子氣流量為1.5L/min，以純氬氣保護，焊接電流為100A，焊接速度為120mm/min。在焊接過程中向焊接熔池中添加直徑1mm的Al-10％Ti-1％B合金絲，添加速度為120mm/min。焊接后對焊接接頭取樣分析，結(jié)果表明焊接接頭處形成了TiN、TiB2、AlN和Al3Ti等增強顆粒，顆粒的尺寸在0.2-3μm，顆粒分布均勻，焊接接頭的拉伸強度約為250MPa，滿足焊接接頭的強度要求。成分分析表明，焊接接頭部分Ti、B元素的平均含量為4.02％和0.41％。
實施例3對SiCp/6061復(fù)合材料，焊前用150#砂紙打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮進行清洗。試樣經(jīng)150℃干燥后，采用氬氣作為離子氣，離子氣流量為3L/min，以純氬氣保護，焊接電流為150A，焊接速度為100mm/min。在焊接過程中，通過氬氣混合送粉裝置，向焊接熔池中添加平均粒徑為0.2mm的ZrO粉末。焊接后對焊接接頭取樣分析，結(jié)果表明焊接接頭處形成了ZrC、Al3Zr和Al2O3增強顆粒，顆粒的尺寸在0.1-5μm，顆粒分布比較均勻，焊接接頭的拉伸強度約為235MPa，滿足焊接接頭的強度要求。成分分析表明，焊接接頭部分Zr元素的平均含量為6.10％。
實施例4對Al2O3P/A356復(fù)合材料，焊前用150#砂紙打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮進行清洗。試樣經(jīng)150℃干燥后，采用氬氣+20％氮氣作為離子氣，離子氣流量為4L/min，以純氬氣保護，焊接電流為100A，焊接速度為210mm/min。在焊接過程中向焊接熔池中添加直徑1.2mm的Ti合金絲。焊接后對焊接接頭取樣分析，結(jié)果表明焊接接頭處形成了TiN、Al3Ti增強顆粒，顆粒的尺寸在0.2-2μm，顆粒分布均勻，焊接接頭的拉伸強度約為240MPa，滿足焊接接頭的強度要求。成分分析表明，焊接接頭部分Ti元素的平均含量為5.21％。
實施例5對Al2O3P/A356復(fù)合材料，焊前用150#砂紙打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮進行清洗。試樣經(jīng)150℃干燥后，以純氬氣作為保護氣，同時作為離子氣，離子氣流量為2L/min，焊接電流為120A，焊接速度為100mm/min。在焊接過程中向焊接熔池中添加平均粒徑約0.1mm的ZrCO3粉末。焊接后對焊接接頭取樣分析，結(jié)果表明焊接接頭處形成了Al3Zr和Al2O3增強顆粒，顆粒的尺寸在0.1-5μm，顆粒分布均勻，焊接接頭的拉伸強度約為260MPa，滿足焊接接頭的強度要求。成分分析表明，焊接接頭部分Zr元素的平均含量為8.14％。
實施例6對SiCp/6061復(fù)合材料，焊前用150#砂紙打磨母材去除氧化膜，然后用丙酮進行清洗。試樣經(jīng)150℃干燥后，采用氬氣+15％氮氣作為離子氣，離子氣流量為3L/min，以純氬氣保護，焊接電流為100A，焊接速度為120mm/min。在焊接過程中向焊接熔池中添加直徑0.8mm的Ti-15％Si合金絲。焊接后對焊接接頭取樣分析，結(jié)果表明焊接接頭處存在SiC、TiN、AlN等增強顆粒，顆粒的尺寸在0.2-4μm，顆粒分布較均勻，焊接接頭的拉伸強度約為247MPa，滿足焊接接頭的強度要求。成分分析表明，焊接接頭部分Ti、Si元素的平均含量為4.59％和2.22％。
權(quán)利要求
1.顆粒增強鋁基復(fù)合材料等離子弧原位焊接方法，其首先對顆粒增強鋁基復(fù)合材料母材進行常規(guī)表面處理，去除表面氧化膜和附著物，然后以氬氣+0～30％的氮氣作為離子氣，以純氬氣作為保護氣，實現(xiàn)對顆粒增強鋁基復(fù)合材料的等離子弧焊接，其特征在于在焊接過程中，添加元素Ti、Zr、B、Si及其合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強鋁基復(fù)合材料等離子弧原位焊接方法，其特征在于所添加的元素，以純金屬的形式加入，或以Al基中間合金或者金屬氧化物、鹽的形式加入；合金元素加入時以絲狀、條塊狀或粉末狀加入；加入方式為機械式或自動化方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強鋁基復(fù)合材料等離子弧原位焊接方法，其特征在于根據(jù)2～4mm的母材厚度控制焊接電流80～150A、離子氣流量2～5L/min、焊接速度100～200mm/min，控制合金元素的加入量在12％以下。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒增強鋁基復(fù)合材料等離子弧原位焊接方法，其采取對顆粒增強鋁基復(fù)合材料母材進行常規(guī)表面處理，去除表面氧化膜和附著物，根據(jù)母材尺寸調(diào)節(jié)焊接電流和離子氣流量，在一定的焊接速度下對顆粒增強鋁基復(fù)合材料實現(xiàn)等離子弧焊接，其特征在于在焊接過程中，添加Ti、Zr、B、Si等元素，其能夠在高溫下與鋁、氮或增強顆粒反應(yīng)形成增強相，并抑制有害相如Al
文檔編號B23K10/02GK1895830SQ200610085570
公開日2007年1月17日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者雷玉成, 陳剛, 李賢 , 袁為進, 張建會, 朱飛 申請人:江蘇大學(xué)