專利名稱：采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞焊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料塞焊方法。
技術(shù)背景對(duì)于在面板上設(shè)計(jì)多個(gè)緊固配件用的螺紋孔的結(jié)構(gòu)件有著廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)面板材料采用難于機(jī)械加工的材料，如含有陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)20 55%的鋁基復(fù)合材料，則不能進(jìn)行直接鉆孔套螺紋，只能鉆孔后鑲嵌可以套螺 紋的合金柱。采用粘接技術(shù)鑲嵌合金柱時(shí)粘結(jié)的強(qiáng)度較低，在攻絲過程有些合 金柱會(huì)與復(fù)合材料粘接界面剝離脫粘，無法保證連接質(zhì)量。由于鋁基復(fù)合材料 孔內(nèi)壁加工后很光滑，所以采用純機(jī)械連接只能采用過盈配合的方式，但是鋁 基復(fù)合材料彈性模量高，塑性很低，所以過盈配合有可能引起復(fù)合材料的開裂， 造成面板的破壞。目前，鋁基復(fù)合材料采用常規(guī)熔焊的方法如TIG、 MIG、激 光焊、電子束焊、等離子焊等焊接，高溫加熱會(huì)使增強(qiáng)相陶瓷與基體鋁合金發(fā) 生有害反應(yīng)，使增強(qiáng)相嚴(yán)重?zé)龘p，降低接頭的強(qiáng)度，甚至破壞面板的結(jié)構(gòu)，這 些問題使熔化焊進(jìn)行塞焊不可行。由于多孔結(jié)構(gòu)焊接接頭多，操作復(fù)雜，擴(kuò)散 焊等需要高真空大壓力的方法也不適用，因?yàn)榭着c柱的焊接是無法施加壓力實(shí) 現(xiàn)焊接的。而真空釬焊雖然可以焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)的試件，但是由于復(fù)合材料本身 含有陶瓷增強(qiáng)相，使得釬料與復(fù)合材料之間潤(rùn)濕困難，而且只能實(shí)現(xiàn)鋁合金柱 與鋁基復(fù)合材料孔壁的焊接，焊后的接頭也會(huì)出現(xiàn)未連接等缺陷，不能形成可 靠的連接。另外，在真空環(huán)境下所使用的釬料只能采用鋁基釬料，但如A1-Si 釬料會(huì)使得焊接溫度要達(dá)到60(TC左右，而對(duì)于鋁基復(fù)合材料來說，超過500°C 就會(huì)降低材料的性能。所以，采用真空釬焊的方法也不適用。非真空條件下釬 焊方法陶瓷增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料表面存在的增強(qiáng)體與填充釬料之間難于潤(rùn) 濕的問題，使采用傳統(tǒng)的釬劑不能實(shí)現(xiàn)釬料和母材完全潤(rùn)濕的作用，悍后會(huì)出 現(xiàn)氣孔、未連接等缺陷，如果增強(qiáng)相的含量較高時(shí)液態(tài)釬料甚至不能在復(fù)合材 料表面鋪展。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有多孔結(jié)構(gòu)焊接接頭多，操作復(fù)雜，擴(kuò)散焊需要高真空 大壓力的方法也不適用，采用常規(guī)熔焊的方法高溫加熱會(huì)使增強(qiáng)相陶瓷與基體 鋁合金發(fā)生有害反應(yīng)，使增強(qiáng)相嚴(yán)重?zé)龘p，降低接頭的強(qiáng)度，甚至破壞鋁基復(fù) 合材料的結(jié)構(gòu)，非真空爭(zhēng)件下釬焊方法在陶瓷增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料表面存在的增強(qiáng)體與填充釬料之間難于潤(rùn)濕；使采用傳統(tǒng)的釬劑不能實(shí)現(xiàn)釬料和母材完 全潤(rùn)濕的作用，焊后會(huì)出現(xiàn)氣孔、未連接等缺陷，如果增強(qiáng)相的含量較高時(shí)液 態(tài)釬料甚至不能在復(fù)合材料表面鋪展；而且只能實(shí)現(xiàn)鋁合金柱與鋁基復(fù)合材料 孔壁的焊接，焊后的接頭也會(huì)出現(xiàn)未連接等缺.陷，不能形成可靠的連接的問題，提供了一種采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁 基復(fù)合材料塞焊的方法，解決上述問題的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞焊方法的步驟如下步驟一、首先對(duì)合金柱表面進(jìn)行預(yù)處理，將合金柱先鍍、注入或熱浸一層鋁，使合金柱表面形成金屬間化合物層；步驟二、將釬料池中的釬料加熱至400 500°C，將步驟一經(jīng)表面進(jìn)行預(yù) 處理后的合金柱放入釬料池中，采用超聲超聲波頻率為20 100kHz、振幅為 5 30pm的裝置，向釬料施加超聲波振動(dòng)5 60s，使合金柱表面涂覆一釬料 層；步驟三、將步驟二涂有釬料層的合金柱進(jìn)行機(jī)械加工，使釬料層的厚度控 制在50 200拜；步驟四、將已加工帶有孔的鋁基復(fù)合材料預(yù)熱至150 250°C;步驟五、將鋁基復(fù)合材料上加工的孔用火焰加熱并使溫度控制在400 500°C，鋁基復(fù)合材料的底部用鋼板墊封，將液態(tài)釬料注入孔中，向釬料施加 超聲波振動(dòng)5 60s，撤掉鋼板使液態(tài)釬料流出，撤掉火焰，降溫至預(yù)熱溫度， 在鋁基復(fù)合材料孔內(nèi)壁涂覆一釬料層；步驟六、將步驟二表面涂有釬料的合金柱放入鋁基復(fù)合材料的孔中，合金 柱與鋁基復(fù)合材料孔壁之間的間隙為50 300拜，并在合金柱與鋁基復(fù)合材料 相鄰的上平面間隙處放置釬料環(huán)，將孔內(nèi)壁涂好釬料的鋁基復(fù)合材料預(yù)熱至 150 250°C,用火焰對(duì)施加塞焊的孔壁加熱，加熱溫度控制在400 500。C， 釬料環(huán)熔化后向其施加超聲波振動(dòng)，使液態(tài)釬料在超聲波振動(dòng)的作用下滲入鋁基復(fù)合材料的孔壁與合金柱之間的間隙內(nèi)，將間隙填滿，超聲波振動(dòng)2 10s, 撤掉火焰，降溫至室溫，即完成焊接。本發(fā)明采用上述塞焊方法焊接鋁基復(fù)合材料孔/7A09鋁合金柱、鋁基復(fù)合材料孔/ 40Cr鋼合金柱或鋁基復(fù)合材料孔/ TC4鈦合金柱時(shí)，接頭的抗剪 強(qiáng)度最大分別可達(dá)207MPa、 195MPa、 204 MPa ，抗剪強(qiáng)度的最小值分別為 160MPa、 lllMPa、 114MPa，本發(fā)明方法焊接的接頭強(qiáng)度高、性能可靠。由于 焊接過程中液態(tài)釬料能與母材形成良好潤(rùn)濕，所以焊后所得到復(fù)合材料與釬料 形成良好結(jié)合，并且在焊縫中沒有氣孔、沒有未連接等缺陷。


圖1是本發(fā)明步驟二中合金柱1涂覆一層釬料的示意圖，圖2是本發(fā)明具 體實(shí)施方式二中合金柱1另一種方式涂覆一層釬料的示意圖，圖3是步驟五中 對(duì)鋁基復(fù)合材料4的底部用鋼板6墊封和將液態(tài)釬料3注入孔5中的示意圖， 圖4是步驟五中在鋁基復(fù)合材料4的孔5內(nèi)壁涂覆一層釬料的示意圖，圖5 是步驟六中將步驟二涂釬料的合金柱1放入孔5并在合金柱1與鋁基復(fù)合材料 4相鄰頂部間隙處放置釬料環(huán)8的示意圖，圖6是焊接完成后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖l、圖3、圖4、圖5和圖6描述本實(shí)施方式。 本實(shí)施方式方法的步驟為步驟一、首先對(duì)合金柱1表面進(jìn)行預(yù)處理，將合金柱1先鍍、注入或熱浸一層鋁，使合金柱1表面形成金屬間化合物層； 合金柱1采用鈦合金、鋁合金或鋼質(zhì)材料。步驟二、將釬料池2中的釬料加熱至400 500°C，將經(jīng)表面進(jìn)行預(yù)處理 的合金柱1放入釬料池2中，采用超聲裝置7，超聲波頻率為20 100kHz、 振幅為5 30拜，向釬料3施加超聲波振動(dòng)5 60s,使合金柱1表面涂覆一 釬料層；由于合金柱1潤(rùn)濕性差，界面結(jié)合強(qiáng)度不理想，本步驟在涂釬料之前要對(duì) 鈦合金表面進(jìn)行預(yù)處理，使表面形成金屬間化合物層，使合金柱1的潤(rùn)濕性大 大改善。將超聲波作用于釬料池中可實(shí)現(xiàn)合金柱表面涂覆釬料，此方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便效率高；另一種是采用釬料棒將先在合金柱上涂上釬料并同時(shí)施加超聲波 振動(dòng)(如圖2)，涂釬料與加超聲波振動(dòng)同步進(jìn)行，也可實(shí)現(xiàn)合金柱1表面的 涂覆釬料，此方法優(yōu)點(diǎn)是涂覆質(zhì)量高，釬料與合金柱結(jié)合可靠。步驟三、將步驟二涂好釬料層的合金柱進(jìn)行機(jī)械加工，使釬料層的厚度控 制在50 200阿；步驟四、將已加工帶有孔的鋁基復(fù)合材料4 (鋁基復(fù)合材料4采用板材) 預(yù)熱至150 250°C;步驟五、將鋁基復(fù)合材料4上加工好的孔5用火焰加熱并使溫度控制在 400 500°C,鋁基復(fù)合材料4的底部用鋼板6墊封，將液態(tài)釬料3注入孔5 中，施加超聲波振動(dòng)5 60s，撤掉鋼板使液態(tài)釬料3流出，撤掉火焰，降溫 至預(yù)熱溫度，在鋁基復(fù)合材料板4孔內(nèi)壁涂覆一釬料層3-l;步驟六、將步驟二表面涂有釬料的合金柱1放入鋁基復(fù)合材料4的孔5 中，合金柱l與鋁基復(fù)合材料4孔壁之間的間隙為50 300nm，并在合金柱1 與鋁基復(fù)合材料4相鄰的上平面間隙處放置釬料環(huán)8，將孔5內(nèi)壁涂有釬料層 3-1的鋁基復(fù)合材料4預(yù)熱至150 250'C，用火焰對(duì)施加塞焊的孔壁加熱，加 熱溫度控制在400 50(TC，釬料環(huán)8熔化后向其施加超聲波振動(dòng)，使液態(tài)釬 料在超聲波振動(dòng)的作用下滲入鋁基復(fù)合材料4的孔壁與合金柱1之間的間隙 內(nèi)，將間隙填滿，超聲波振動(dòng)2 10s，撤掉火焰，降溫至室溫，即完成焊接。釬料環(huán)8是為了解決在大氣環(huán)境下裝配必然會(huì)使釬料中夾進(jìn)氣孔(如圖 5)。需要在結(jié)合處頂部放置一個(gè)釬料環(huán)8以補(bǔ)充去除氣孔后所需要補(bǔ)充的釬 料。焊后焊縫處"凸出"的釬料采用機(jī)械加工的方法(如銑、磨、線切割加工方 式)去除，表面粗糙度為1.6 12.8^im。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟二中合 金柱1表面涂覆釬料的另一種方式是采用釬料棒將先在合金柱上涂上釬料并 同時(shí)施加超聲波振動(dòng)(如圖2)，涂釬料與加超聲波振動(dòng)同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)合金 柱1表面涂覆釬料3。此方法優(yōu)點(diǎn)是涂覆質(zhì)量高，釬料與合金柱表面結(jié)合可靠。 涂好釬料3后的合金柱1表面要進(jìn)行機(jī)械加工；光潔度1.6-12.8。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式步驟二中釬料池2中的釬料加熱至420'C 。 其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式步驟二中超聲裝置7的超聲波頻率為20kHz、 振幅為20拜，施加超聲波振動(dòng)20s，使合金柱1表面涂覆一層釬料3。其它步 驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式步驟三中對(duì)步驟二涂好釬料層的合金柱1 表面進(jìn)行機(jī)械加工，釬料層的厚度為100拜。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式步驟四中對(duì)已加工帶有孔5的鋁基復(fù)合材料 4預(yù)熱至20(TC。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七:本實(shí)施方式步驟五中對(duì)鋁基復(fù)合材料4上的孔5壁用火 焰加熱并使溫度控制在42(TC，施加超聲波振動(dòng)20s。其它步驟與具體實(shí)施方 式一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式步驟六中合金柱1與鋁基復(fù)合材料4孔壁之 間的間隙為200拜，將孔5內(nèi)壁涂好釬料的鋁基復(fù)合材料4預(yù)熱至200'C，用 火焰對(duì)施加塞焊的孔5壁加熱，加熱溫度控制在420°C ，施加超聲波振動(dòng)3s。 其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。另外，在步驟五中除了將多個(gè)孔內(nèi)壁都涂覆好釬料后再開始進(jìn)行步驟六施 加焊接外，也可以將靠近的一組孔采用步驟五中將孔內(nèi)壁涂覆好釬料后直接進(jìn) 行步驟六實(shí)施焊接(釬料層仍為液相，鋁基復(fù)合材料4不需重新加熱)，再對(duì) 下一組孔進(jìn)行步驟五和步驟六往復(fù)的操作，直到全部孔的焊接完成。此方式應(yīng) 根據(jù)所需焊件的結(jié)構(gòu)以及孔的數(shù)量進(jìn)行選擇，例如鋁基復(fù)合材料4結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 而孔較多時(shí)應(yīng)盡量選擇此方式以減小多次熱循環(huán)帶來的變形。但此方式與前面 提到的方式比工作強(qiáng)度大，操作復(fù)雜，因此對(duì)焊縫質(zhì)量的控制難度加大。
權(quán)利要求
1. 采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞焊的方法，其特征在于該方法的步驟如下步驟一、首先對(duì)合金柱(1)表面進(jìn)行預(yù)處理，將合金柱(1)先鍍、注入或熱浸一層鋁，使合金柱(1)表面形成金屬間化合物層；步驟二、將釬料池(2)中的釬料加熱至400～500℃，將經(jīng)表面進(jìn)行預(yù)處理的合金柱(1)放入釬料池(2)中，采用超聲波頻率為20～100kHz、振幅為5～30μm的超聲裝置(7)，施加超聲波振動(dòng)的時(shí)間為5～60s，使合金柱(1)表面涂覆一層釬料；步驟三、將步驟二涂有釬料層的合金柱(1)表面進(jìn)行機(jī)械加工，使釬料層的厚度控制在50～200μm；步驟四、將已加工帶有孔(5)的鋁基復(fù)合材料(4)預(yù)熱至150～250℃；步驟五、將鋁基復(fù)合材料(4)上加工好的孔(5)用火焰加熱并使溫度控制在400～500℃，鋁基復(fù)合材料(4)的底部用鋼板(6)墊封，將液態(tài)釬料(3)注入孔(5)中，施加超聲波振動(dòng)5～60s，撤掉鋼板使液態(tài)釬料(3)流出，撤掉火焰，降溫至預(yù)熱溫度，在鋁基復(fù)合材料(4)的孔(5)的壁上涂覆一釬料層(3-1)；步驟六、將步驟二表面涂有釬料的合金柱(1)放入鋁基復(fù)合材料(4)的孔(5)中，合金柱(1)與鋁基復(fù)合材料(4)孔壁之間的間隙為50～300μm，并在合金柱(1)與鋁基復(fù)合材料(4)相鄰的上平面間隙處放置釬料環(huán)(8)，將孔(5)內(nèi)壁涂好釬料的鋁基復(fù)合材料(4)預(yù)熱至150～250℃，用火焰對(duì)施加塞焊的孔(5)壁加熱，加熱溫度控制在400～500℃，釬料環(huán)(8)熔化后向其施加超聲波振動(dòng)，使液態(tài)釬料在超聲波振動(dòng)的作用下滲入鋁基復(fù)合材料(4)孔壁與合金柱(1)之間的間隙內(nèi)，將間隙填滿，超聲波振動(dòng)時(shí)間為2～10s，撤掉火焰，降溫至室溫，即完成焊接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于步驟二中合金柱(1)表面涂覆釬料的另一種方式是采 用釬料棒將先在合金柱(1)上涂釬料并同時(shí)施加超聲波振動(dòng)，涂釬料與加超 聲波振動(dòng)同步進(jìn)行，完成合金柱(1)表面涂覆釬料(3)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于合金柱(1)采用鈦合金、鋁合金或鋼質(zhì)材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于步驟二中釬料池(2)中的釬料加熱至42(TC。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于步驟二中超聲裝置(7)的超聲波頻率為20kHz、振幅 為20nm，超聲波振動(dòng)20s。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于對(duì)步驟三中涂好釬料層的合金柱(1)進(jìn)行機(jī)械加工， 釬料層的厚度為100^im。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于對(duì)步驟四中己加工帶有孔(5)的鋁基復(fù)合材料(4)預(yù) 熱至200°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于對(duì)步驟五中的鋁基復(fù)合材料(4)上的孔(5)用火焰加 熱并使溫度控制在450°C ，超聲波振動(dòng)25s。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于步驟六中合金柱(1)與鋁基復(fù)合材料(4)孔壁之間的 間隙為200Mm，將孔(5)壁涂好釬料的鋁基復(fù)合材料(4)預(yù)熱至20(TC，用 火焰對(duì)施加塞焊的孔(5)壁加熱，加熱溫度控制在420°C ，超聲波振動(dòng)3s。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞 焊的方法，其特征在于對(duì)焊后焊縫處凸出的釬料采用機(jī)械加工的方法去除，表 面粗糙度為1.6 12.8nm。
全文摘要
采用超聲波振動(dòng)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料塞焊的方法，它涉及鋁基復(fù)合材料塞焊方法。它解決了現(xiàn)有多孔結(jié)構(gòu)焊接接頭多，操作復(fù)雜，擴(kuò)散焊需要高真空大壓力的方法也不適用，采用常規(guī)熔焊的方法高溫加熱會(huì)使增強(qiáng)相陶瓷與基體鋁合金發(fā)生有害反應(yīng)，使增強(qiáng)相嚴(yán)重?zé)龘p，降低接頭的強(qiáng)度的問題。本發(fā)明的方法為一、首先對(duì)合金柱(1)表面進(jìn)行預(yù)處理；二、將鋁基復(fù)合材料(4)預(yù)熱、施加超聲波振動(dòng)；三、將表面涂有釬料的合金柱(1)放入鋁基復(fù)合材料(4)的孔(5)中，將鋁基復(fù)合材料(4)預(yù)熱，向孔(5)壁加熱，釬料環(huán)(8)熔化后施加超聲波振動(dòng)，將間隙填滿，即完成焊接。本發(fā)明焊接的接頭的抗剪強(qiáng)度大、接頭的強(qiáng)度高、性能可靠。
文檔編號(hào)B23K20/22GK101259567SQ200810064378
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者葉廣郁, 李大成, 趙維巍, 閆久春, 陳端良, 馬志鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)