铝基复合材料超声波毛细焊接方法 技术领域：
本发明涉及一种铝基复合材料的焊接方法。
背景技术：
进入二十世纪八十年代后期以来，铝基复合材料制备技术取得突破性的进展，使之步入大规模生产和商品化发展的道路。然而，较差的焊接性成为了该种材料走向实用化的严重障碍。国内外许多学者为获得铝基复合材料焊接问题上的突破进展，至今已经对铝基复合材料的熔化焊(如TIG焊、激光焊、电子束焊等)、固相焊(如扩散焊、瞬间液相焊等)及其他一些方法(如钎焊、粘接、传统的超声波焊接等)进行了研究。但目前绝大多数的研究还处于实验室阶段，很多方法在接头可靠性、高效性、操作实用性、经济性等方面仍存在一定问题。下面分别对各种方法进行介绍：
1、熔焊方法：熔化焊是金属材料连接最通用的焊接方法之一，但是将其应用于铝基复合材料的焊接当中，却面临着如下所述的一些急待解决的问题：(1)物理相容性问题：液态熔池中的部分固态SiC或Al2O3严重地影响到了熔池中的传热及传质过程，使熔池表现为粘度高、流动差，对气孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔化的铝基复合材料与外加添充材料难于混合，稀释率低，成形困难；同时，液态金属凝固时增强相的偏析破坏了它原有的分布特点而使接头性能恶化；另外，当增强相与基体线胀系数相差较大，在焊接的加热和冷却过程中较大的内应力会残留在接头中。(2)化学相容性问题：某些增强相(如SiC)与基体Al在较大的温度范围内热力学不稳定，熔焊高温下有害的界面反应不可避免。
2、电阻焊方法：电阻焊可控性好，能量高度集中，焊接时间极短，快速的冷却(冷却速度可达106℃/s)导致接头急冷从而避免了母材过热引起的增强体与基体反应生成Al4C3脆性相，能有效的防止界面反应，而且通过施加压力还可防止裂纹及气孔。但铝基复合材料中增强相的存在使电流线地分布及电极压力的分布复杂化，给焊接参数的选择及焊接质量的控制带来了困难。而且复合材料的增强体与基体电阻相差很大，在电阻焊过程中容易使复合材料产生过熔、飞溅、纤维发生粘结、破碎并产生空洞，接头强度受到很大影响。另外，许多研究表明对于电阻焊在焊接非连续纤维增强的铝基复合材料时熔核中存在增强相严重偏聚，恶化了接头性能。
3、钎焊方法：早在二十世纪60年代和70年代初就被研究用于金属基复合材料的连接。近年来对该方法的研究较少，其主要问题是接头强度受钎料限制，强度较低。对于铝基复合材料焊接来说，采用钎焊方法存在如下几个问题：(1)铝基复合材料表面的氧化膜严重影响焊接质量。由于Al2O3熔点很高，在焊接过程中难以熔化，严重影响钎料在母材上的润湿与铺展，成为铝基复合材料钎焊的主要障碍之一。如果采用钎剂去除氧化膜，必需有后续的清洗工序，以避免残留钎剂引起的腐蚀问题，焊接工艺过程繁琐。(2)焊接工艺控制不当会导致基体过量熔化，焊缝区易出现增强相偏聚区和无增强相区，接头性能不均匀，且与母材原有的特殊组织及特殊性能不一致。这对接头有特殊性能要求的场合不适合，如需接头保持良好的抗阻尼特性及尺寸稳定性等。(3)铝合金基体和增强相熔点相差很大，在钎焊温度下基体部分熔化，而增强体不熔化，导致钎料粘滞，流动性变差，钎料在母材上的润湿与铺展由于固态增强相的存在受到严重阻碍，加入某些合金元素、提高钎焊温度在某种程度上可得到改善，而温度过高又易引起母材的过烧熔蚀，给钎焊过程带来很大困难。
4、摩擦焊方法：摩擦焊过程中，接头部位产生较大的塑性变形，会导致纤维的严重断裂，因此用这种方法焊接连续增强型铝基复合材料是不合适的。焊接接头有局部软化现象，并对被连接件的形状有较高的要求，一般为形状简单的棒状零件，使该种焊接方法应用范围受到了一定的限制。
5、扩散焊方法：扩散焊方法是一种比较有前途的焊接铝基复合材料的方法，这方面的研究报道也较多。但在用扩散焊铝基复合材料时遇到了与扩散焊铝时同样的困难。铝基复合材料扩散焊存在以下主要问题：(1)铝基复合材料表面有一层致密的氧化膜，它严重阻碍两个连接表面之间的扩散结合。用机械或化学清理后又立即生成，即使在高真空条件下，这层氧化膜也难于分解，影响原子扩散。为破坏结合界面上的氧化膜就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或在连接界面上施加很大的压力。这不可避免的会使连接件产生过量的塑性变形。(2)在不采用中间层的情况下，铝基复合材料接触面上存在增强相/增强相直接接触现象，在扩散焊条件下很难实现增强相之间的扩散连接。该部位不仅减少了载荷的传递能力，而且还为裂纹的萌生和扩展提供机遇，成为接头强度不高的主要隐患。另外，该方法焊接周期较长、设备昂贵、成本很高，焊件尺寸形状也受到限制等缺点，使其广泛应用受到了限制。
6、瞬间液相焊方法：瞬间液相扩散焊对破坏铝表面的氧化膜是非常有效的，并且改善了铝基复合材料中增强相/增强相的接触状态。该方法与钎焊及扩散焊既有相似又有差别，既加压又有中间层(或者称为焊料)，是一种较新的焊接方法。与钎焊及固态扩散焊相比它还具备的优点有：连接条件下接头处液体金属原子运动较为自由，易于在母材表面形成稳定的原子排列而凝固；连接温度低，时间短；易得到组织与母材接近的接头；工艺过程易实现等。瞬间液相焊更具优势的同时也存在一定的不足：(1)增强相的偏聚成为该种材料TLP焊的主要问题。国内外许多学者通过选择较薄的中间箔层来解决该问题，但该方法对待焊表面粗糙度要求高，且需在真空环境下进行，从实际应用意义米看，效率较低，工程实现起来较难。(2)瞬间液相焊接温度一般也都超过了550℃，在这个温度下，母材会有不同程度的软化，这对复合材料基体来说是个挑战。
综上所述，铝基复合材料的焊接性比较特殊，各种连接方法都在一定程度上适合于该种材料的连接，但连接难度远比铝合金的大。主要原因是由于增强相与基体物理、化学性能的巨大差异使连接工艺难以控制，增强相与基体之间良好界面的结合也难以得到。相比之下，固相焊接比熔化焊更具潜力。特别是瞬间液相(TLP)连接技术在连接铝基复合材料时得到了令人满意的结果。但目前铝基复合材料大量的焊接工作还是在实验室中进行，更具应用意义的TLP焊接工艺尚需做出进一步的努力。
发明内容：
本发明的目的是提供一种铝基复合材料超声波毛细焊接方法，该方法具有避免铝基复合材料在真空条件下焊接，克服焊缝成形不良及接头界面高温有害反应，改善接头组织，实现铝基复合材料高效、高质量焊接的特点。本发明的方法是按如下步骤实现的：一、用400#的砂纸打磨待焊件表面，然后在丙酮中进行超声波清洗，焊件晾干后，采用搭接接头方式将铝基复合材料焊件装卡在卡具上，上下焊件间隙控制在10～300μm之间；二、在搭接接头侧面放置焊料；三、加热焊件和焊料使其达到焊接温度使焊料熔化，到达保温时间后停止加热；四、将超声波导入杆以0.1～0.3MPa的压力施加于焊件表面；五、向焊件施加超声波振动，超声波振动频率范围为15～60K赫兹，超声振幅为3～30μm，引入超声时间为0.5～15s；六、超声振动结束后，移开超声波导入杆，让焊件自然冷却即可。本发明所述的铝基复合材料为Al2O3；所述的焊料是Zn基钎料，该钎料由下列成分按重量百分比制成：Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质；所述焊料是杆状、片状或球状；所述的焊接温度是380～420℃；所述的保温时间是3～6秒钟；所述加热方式是采用电炉加热或采用高频感应线圈或火焰加热；所述超声波的导入为从上方焊件或下方焊件导入。本发明主要的优点及达到的性能指标为：1、本发明可在大气环境下或惰性气体保护环境下实现铝基复合材料的焊接，焊接表面无需特殊清理，焊接周期短，效率高，成本低，工艺可操作性强，工程意义较为理想。2、焊接温度低，一般为500℃以下，避免了复合材料的软化，克服了熔化焊时母材熔化带来的不良后果，如成形不佳，增强相偏析，增强相/基体有害反应等。焊接时间短，一般小于1分钟，避免母材溶蚀。3、焊料放置于焊缝外，不需制作成特殊形状，可以是杆状、片状、球状，其熔化后通过超声波振动迅速钻缝、充形，避免了传统超声波钎焊中需将整个焊件浸入液态钎料池中导致的母材损伤。4、当液态焊料钻缝时，液态焊料中产生超声空化效应，通过冲击、摩擦，实现超声波物理去除氧化膜，效果彻底，且无需焊后清洗工序，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以去除的问题。5、液态焊料在超声波振动条件下铺展，此种超声波毛细焊接可以实现不等间隙的搭接接头焊接，克服了常规钎焊只能实现均匀间隙焊接的缺点，扩大了焊接范围，具有很强的实用性。6、超声作用促进焊件表面溶解层与焊缝金属混合，还使一部分增强相(非连续的)过渡到了焊缝组织中，并在超声波声流作用下弥散、均匀分布于整个焊缝，避免了增强相颗粒团聚现象，形成良好的复合材料接头，接头的综合性能大为提高，目前没有焊接方法能实现这一目的。铝基复合材料接头拉伸强度：≥80％，接头延伸率：≥1％。
附图说明：
图1是本发明焊件和焊料加热阶段示意图，图2是本发明超声波导入初始阶段示意图，图3是本发明液态焊料填缝阶段示意图，图4是本发明超声波停止阶段示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：(参见图1～图4)本实施方式的方法是按如下步骤实现的：一、用400#的砂纸打磨待焊件表面，然后在丙酮中进行超声波清洗，焊件晾干后，采用搭接接头方式将铝基复合材料焊件装卡在卡具上，上下焊件间隙控制在10～300μm之间；二、在搭接接头侧面放置焊料；三、加热焊件和焊料使其达到焊接温度使焊料熔化，到达保温时间后停止加热；四、将超声波导入杆以0.1～0.3MPa的压力施加于焊件表面；五、向焊件施加超声波振动，超声波振动频率范围为15～60K赫兹，超声振幅为3～30μm，引入超声时间为0.5～15s；六、超声振动结束后，移开超声波导入杆，让焊件自然冷却即可。本实施方式所述铝基复合材料为Al2O3；所述的焊料是Zn基钎料，该钎料由下列成分按重量百分比制成：Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质；所述的Zn基钎料还有PTZn95Al、PTZn90Al或PTZn70Al；所述的焊料还有Al基钎料，分别为BAI67CuSi、BAI86SiCu、BAI86SiMg、BAI88SiMg、BAI89SiMg、Al60GeSi、HLAlSi12、HLAlSiMg10-1.5、HLAlSiCu10、HL403、HL401、HLAlSiMg12-1.5或B62；所述的焊料是杆状、片状或球状；所述的焊接温度是380～420℃；所述的保温时间是3～6秒钟；所述加热方式是采用电炉加热或采用高频感应线圈或火焰加热；所述超声波的导入为从上方焊件或下方焊件导入。
对用以上方法所得到的焊接接头进行剪切试验，接头剪切强度为208.6MPa，约为母材的86.9％(母材剪切强度为240MPa)。