CN101259567A - 采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法 - Google Patents

Abstract

采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，它涉及铝基复合材料塞焊方法。它解决了现有多孔结构焊接接头多，操作复杂，扩散焊需要高真空大压力的方法也不适用，采用常规熔焊的方法高温加热会使增强相陶瓷与基体铝合金发生有害反应，使增强相严重烧损，降低接头的强度的问题。本发明的方法为：一、首先对合金柱(1)表面进行预处理；二、将铝基复合材料(4)预热、施加超声波振动；三、将表面涂有钎料的合金柱(1)放入铝基复合材料(4)的孔(5)中，将铝基复合材料(4)预热，向孔(5)壁加热，钎料环(8)熔化后施加超声波振动，将间隙填满，即完成焊接。本发明焊接的接头的抗剪强度大、接头的强度高、性能可靠。

Description

采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料塞焊方法。

背景技术

对于在面板上设计多个紧固配件用的螺纹孔的结构件有着广泛的应用，但当面板材料采用难于机械加工的材料，如含有陶瓷颗粒的体积分数高达20～55％的铝基复合材料，则不能进行直接钻孔套螺纹，只能钻孔后镶嵌可以套螺纹的合金柱。采用粘接技术镶嵌合金柱时粘结的强度较低，在攻丝过程有些合金柱会与复合材料粘接界面剥离脱粘，无法保证连接质量。由于铝基复合材料孔内壁加工后很光滑，所以采用纯机械连接只能采用过盈配合的方式，但是铝基复合材料弹性模量高，塑性很低，所以过盈配合有可能引起复合材料的开裂，造成面板的破坏。目前，铝基复合材料采用常规熔焊的方法如TIG、MIG、激光焊、电子束焊、等离子焊等焊接，高温加热会使增强相陶瓷与基体铝合金发生有害反应，使增强相严重烧损，降低接头的强度，甚至破坏面板的结构，这些问题使熔化焊进行塞焊不可行。由于多孔结构焊接接头多，操作复杂，扩散焊等需要高真空大压力的方法也不适用，因为孔与柱的焊接是无法施加压力实现焊接的。而真空钎焊虽然可以焊接复杂结构的试件，但是由于复合材料本身含有陶瓷增强相，使得钎料与复合材料之间润湿困难，而且只能实现铝合金柱与铝基复合材料孔壁的焊接，焊后的接头也会出现未连接等缺陷，不能形成可靠的连接。另外，在真空环境下所使用的钎料只能采用铝基钎料，但如Al-Si钎料会使得焊接温度要达到600℃左右，而对于铝基复合材料来说，超过500℃就会降低材料的性能。所以，采用真空钎焊的方法也不适用。非真空条件下钎焊方法陶瓷增强相的铝基复合材料表面存在的增强体与填充钎料之间难于润湿的问题，使采用传统的钎剂不能实现钎料和母材完全润湿的作用，焊后会出现气孔、未连接等缺陷，如果增强相的含量较高时液态钎料甚至不能在复合材料表面铺展。

发明内容

本发明为了解决现有多孔结构焊接接头多，操作复杂，扩散焊需要高真空大压力的方法也不适用，采用常规熔焊的方法高温加热会使增强相陶瓷与基体铝合金发生有害反应，使增强相严重烧损，降低接头的强度，甚至破坏铝基复合材料的结构，非真空条件下钎焊方法在陶瓷增强相的铝基复合材料表面存在的增强体与填充钎料之间难于润湿；使采用传统的钎剂不能实现钎料和母材完全润湿的作用，焊后会出现气孔、未连接等缺陷，如果增强相的含量较高时液态钎料甚至不能在复合材料表面铺展；而且只能实现铝合金柱与铝基复合材料孔壁的焊接，焊后的接头也会出现未连接等缺陷，不能形成可靠的连接的问题，提供了一种采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊方法的步骤如下：

步骤一、首先对合金柱表面进行预处理，将合金柱先镀、注入或热浸一层铝，使合金柱表面形成金属间化合物层；

步骤二、将钎料池中的钎料加热至400～500℃，将步骤一经表面进行预处理后的合金柱放入钎料池中，采用超声超声波频率为20～100kHz、振幅为5～30μm的装置，向钎料施加超声波振动5～60s，使合金柱表面涂覆一钎料层；

步骤三、将步骤二涂有钎料层的合金柱进行机械加工，使钎料层的厚度控制在50～200μm；

步骤四、将已加工带有孔的铝基复合材料预热至150～250℃；

步骤五、将铝基复合材料上加工的孔用火焰加热并使温度控制在400～500℃，铝基复合材料的底部用钢板垫封，将液态钎料注入孔中，向钎料施加超声波振动5～60s，撤掉钢板使液态钎料流出，撤掉火焰，降温至预热温度，在铝基复合材料孔内壁涂覆一钎料层；

步骤六、将步骤二表面涂有钎料的合金柱放入铝基复合材料的孔中，合金柱与铝基复合材料孔壁之间的间隙为50～300μm，并在合金柱与铝基复合材料相邻的上平面间隙处放置钎料环，将孔内壁涂好钎料的铝基复合材料预热至150～250℃，用火焰对施加塞焊的孔壁加热，加热温度控制在400～500℃，钎料环熔化后向其施加超声波振动，使液态钎料在超声波振动的作用下渗入铝基复合材料的孔壁与合金柱之间的间隙内，将间隙填满，超声波振动2～10s，撤掉火焰，降温至室温，即完成焊接。

本发明采用上述塞焊方法焊接铝基复合材料孔/7A09铝合金柱、铝基复合材料孔/40Cr钢合金柱或铝基复合材料孔/TC4钛合金柱时，接头的抗剪强度最大分别可达207MPa、195MPa、204MPa，抗剪强度的最小值分别为160MPa、111MPa、114MPa，本发明方法焊接的接头强度高、性能可靠。由于焊接过程中液态钎料能与母材形成良好润湿，所以焊后所得到复合材料与钎料形成良好结合，并且在焊缝中没有气孔、没有未连接等缺陷。

附图说明

图1是本发明步骤二中合金柱1涂覆一层钎料的示意图，图2是本发明具体实施方式二中合金柱1另一种方式涂覆一层钎料的示意图，图3是步骤五中对铝基复合材料4的底部用钢板6垫封和将液态钎料3注入孔5中的示意图，图4是步骤五中在铝基复合材料4的孔5内壁涂覆一层钎料的示意图，图5是步骤六中将步骤二涂钎料的合金柱1放入孔5并在合金柱1与铝基复合材料4相邻顶部间隙处放置钎料环8的示意图，图6是焊接完成后的产品结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图3、图4、图5和图6描述本实施方式。

本实施方式方法的步骤为：

步骤一、首先对合金柱1表面进行预处理，将合金柱1先镀、注入或热浸一层铝，使合金柱1表面形成金属间化合物层；

合金柱1采用钛合金、铝合金或钢质材料。

步骤二、将钎料池2中的钎料加热至400～500℃，将经表面进行预处理的合金柱1放入钎料池2中，采用超声装置7，超声波频率为20～100kHz、振幅为5～30μm，向钎料3施加超声波振动5～60s，使合金柱1表面涂覆一钎料层；

由于合金柱1润湿性差，界面结合强度不理想，本步骤在涂钎料之前要对钛合金表面进行预处理，使表面形成金属间化合物层，使合金柱1的润湿性大大改善。将超声波作用于钎料池中可实现合金柱表面涂覆钎料，此方法优点是简便效率高；另一种是采用钎料棒将先在合金柱上涂上钎料并同时施加超声波振动(如图2)，涂钎料与加超声波振动同步进行，也可实现合金柱1表面的涂覆钎料，此方法优点是涂覆质量高，钎料与合金柱结合可靠。

步骤三、将步骤二涂好钎料层的合金柱进行机械加工，使钎料层的厚度控制在50～200μm；

步骤四、将已加工带有孔的铝基复合材料4(铝基复合材料4采用板材)预热至150～250℃；

步骤五、将铝基复合材料4上加工好的孔5用火焰加热并使温度控制在400～500℃，铝基复合材料4的底部用钢板6垫封，将液态钎料3注入孔5中，施加超声波振动5～60s，撤掉钢板使液态钎料3流出，撤掉火焰，降温至预热温度，在铝基复合材料板4孔内壁涂覆一钎料层3-1；

步骤六、将步骤二表面涂有钎料的合金柱1放入铝基复合材料4的孔5中，合金柱1与铝基复合材料4孔壁之间的间隙为50～300μm，并在合金柱1与铝基复合材料4相邻的上平面间隙处放置钎料环8，将孔5内壁涂有钎料层3-1的铝基复合材料4预热至150～250℃，用火焰对施加塞焊的孔壁加热，加热温度控制在400～500℃，钎料环8熔化后向其施加超声波振动，使液态钎料在超声波振动的作用下渗入铝基复合材料4的孔壁与合金柱1之间的间隙内，将间隙填满，超声波振动2～10s，撤掉火焰，降温至室温，即完成焊接。

钎料环8是为了解决在大气环境下装配必然会使钎料中夹进气孔(如图5)。需要在结合处顶部放置一个钎料环8以补充去除气孔后所需要补充的钎料。

焊后焊缝处“凸出”的钎料采用机械加工的方法(如铣、磨、线切割加工方式)去除，表面粗糙度为1.6～12.8μm。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中合金柱1表面涂覆钎料的另一种方式是采用钎料棒将先在合金柱上涂上钎料并同时施加超声波振动(如图2)，涂钎料与加超声波振动同步进行，实现合金柱1表面涂覆钎料3。此方法优点是涂覆质量高，钎料与合金柱表面结合可靠。涂好钎料3后的合金柱1表面要进行机械加工；光洁度1.6-12.8。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式步骤二中钎料池2中的钎料加热至420℃。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式步骤二中超声装置7的超声波频率为20kHz、振幅为20μm，施加超声波振动20s，使合金柱1表面涂覆一层钎料3。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式步骤三中对步骤二涂好钎料层的合金柱1表面进行机械加工，钎料层的厚度为100μm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式步骤四中对已加工带有孔5的铝基复合材料4预热至200℃。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式步骤五中对铝基复合材料4上的孔5壁用火焰加热并使温度控制在420℃，施加超声波振动20s。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式步骤六中合金柱1与铝基复合材料4孔壁之间的间隙为200μm，将孔5内壁涂好钎料的铝基复合材料4预热至200℃，用火焰对施加塞焊的孔5壁加热，加热温度控制在420℃，施加超声波振动3s。其它步骤与具体实施方式一相同。

另外，在步骤五中除了将多个孔内壁都涂覆好钎料后再开始进行步骤六施加焊接外，也可以将靠近的一组孔采用步骤五中将孔内壁涂覆好钎料后直接进行步骤六实施焊接(钎料层仍为液相，铝基复合材料4不需重新加热)，再对下一组孔进行步骤五和步骤六往复的操作，直到全部孔的焊接完成。此方式应根据所需焊件的结构以及孔的数量进行选择，例如铝基复合材料4结构较复杂而孔较多时应尽量选择此方式以减小多次热循环带来的变形。但此方式与前面提到的方式比工作强度大，操作复杂，因此对焊缝质量的控制难度加大。

Claims (10)

1、采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤一、首先对合金柱(1)表面进行预处理，将合金柱(1)先镀、注入或热浸一层铝，使合金柱(1)表面形成金属间化合物层；

步骤二、将钎料池(2)中的钎料加热至400～500℃，将经表面进行预处理的合金柱(1)放入钎料池(2)中，采用超声波频率为20～100kHz、振幅为5～30μm的超声装置(7)，施加超声波振动的时间为5～60s，使合金柱(1)表面涂覆一层钎料；

步骤三、将步骤二涂有钎料层的合金柱(1)表面进行机械加工，使钎料层的厚度控制在50～200μm；

步骤四、将已加工带有孔(5)的铝基复合材料(4)预热至150～250℃；

步骤五、将铝基复合材料(4)上加工好的孔(5)用火焰加热并使温度控制在400～500℃，铝基复合材料(4)的底部用钢板(6)垫封，将液态钎料(3)注入孔(5)中，施加超声波振动5～60s，撤掉钢板使液态钎料(3)流出，撤掉火焰，降温至预热温度，在铝基复合材料(4)的孔(5)的壁上涂覆一钎料层(3-1)；

步骤六、将步骤二表面涂有钎料的合金柱(1)放入铝基复合材料(4)的孔(5)中，合金柱(1)与铝基复合材料(4)孔壁之间的间隙为50～300μm，并在合金柱(1)与铝基复合材料(4)相邻的上平面间隙处放置钎料环(8)，将孔(5)内壁涂好钎料的铝基复合材料(4)预热至150～250℃，用火焰对施加塞焊的孔(5)壁加热，加热温度控制在400～500℃，钎料环(8)熔化后向其施加超声波振动，使液态钎料在超声波振动的作用下渗入铝基复合材料(4)孔壁与合金柱(1)之间的间隙内，将间隙填满，超声波振动时间为2～10s，撤掉火焰，降温至室温，即完成焊接。

2、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于步骤二中合金柱(1)表面涂覆钎料的另一种方式是采用钎料棒将先在合金柱(1)上涂钎料并同时施加超声波振动，涂钎料与加超声波振动同步进行，完成合金柱(1)表面涂覆钎料(3)。

3、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于合金柱(1)采用钛合金、铝合金或钢质材料。

4、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于步骤二中钎料池(2)中的钎料加热至420℃。

5、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于步骤二中超声装置(7)的超声波频率为20kHz、振幅为20μm，超声波振动20s。

6、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于对步骤三中涂好钎料层的合金柱(1)进行机械加工，钎料层的厚度为100μm。

7、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于对步骤四中已加工带有孔(5)的铝基复合材料(4)预热至200℃。

8、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于对步骤五中的铝基复合材料(4)上的孔(5)用火焰加热并使温度控制在450℃，超声波振动25s。

9、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于步骤六中合金柱(1)与铝基复合材料(4)孔壁之间的间隙为200μm，将孔(5)壁涂好钎料的铝基复合材料(4)预热至200℃，用火焰对施加塞焊的孔(5)壁加热，加热温度控制在420℃，超声波振动3s。

10、根据权利要求1所述的采用超声波振动进行多孔结构铝基复合材料塞焊的方法，其特征在于对焊后焊缝处凸出的钎料采用机械加工的方法去除，表面粗糙度为1.6～12.8μm。

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