專利名稱：鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種鎂合金及其復(fù)合材料焊接方法。
背景技術(shù)：
鎂合金及其復(fù)合材料是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，鎂合金及其復(fù)合材料不僅有 較高的比強(qiáng)度和比剛度,而且具有優(yōu)良的散熱性能、電磁屏蔽性能、減震性能和機(jī)械加工性 能，尤其在航空、汽車、電子工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。由于鎂合金具有熔點(diǎn)較低，氧 化性極強(qiáng)以及結(jié)晶溫度區(qū)間寬等特點(diǎn)，在焊接加熱過(guò)程中容易氧化、燃燒，而且容易產(chǎn)生 裂紋、氣孔、空穴、夾渣及變形等，所以鎂合金的焊接成形是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。目前 鎂合金及其復(fù)合材料的焯接主要是集中在電子束、激光、TIG電弧熔焊以及攪拌摩擦半固態(tài) 焊等方面的試驗(yàn)研究，并且有些焊接方法己進(jìn)入實(shí)用階段，然而在釬焊方面的研究很少。 由于釬焊對(duì)于精密尺寸結(jié)構(gòu)件的焊接具有較大優(yōu)勢(shì)，因此研究鎂合金及其復(fù)合材料的釬焯
工藝無(wú)疑具有重要意義。在鎂合金及其復(fù)合材料的釬焊過(guò)程中，基體表面的氧化膜的有效 去除是鎂合金釬焊成功的關(guān)鍵因素。鎂合金的表面氧化膜厚度通?？蛇_(dá)到幾百個(gè)納米，在 釬焊溫度時(shí)氧化膜的厚度會(huì)明顯增厚，所以嚴(yán)重阻礙了釬料合金在基體表面的潤(rùn)濕和鋪展， 最終導(dǎo)致釬料合金與基體合金冶金結(jié)合的失敗。在傳統(tǒng)的釬焊過(guò)程中，通常采用釬劑來(lái)去 除基體表面的氧化膜。然而，釬劑的使用往往會(huì)接頭產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。
另外，由于鎂基復(fù)合材料的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致其焊接性很差，增強(qiáng)相與基體在物理和 化學(xué)性質(zhì)方面的差異是焊接的主要難點(diǎn)。由于釬焊和瞬時(shí)液相焊可將焊接溫度控制在基體 與增強(qiáng)相不發(fā)生反應(yīng)的范圍內(nèi)，避免了熔化焊高溫帶來(lái)的增強(qiáng)相燒損和界面反應(yīng)的問(wèn)題， 被認(rèn)為較適于該種材料的焊接的方法，近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面研究的報(bào)道也最多。
但是，在上述的連接工藝過(guò)程中，為了使得復(fù)合材料的基體與基體或填充材料與基體形 成冶金連接,焊前必須清理焊件表面氧化膜，焊接過(guò)程必須在真空環(huán)境下進(jìn)行，而且依靠壓 力變形破碎表面新生氧化膜。從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，焊接效率低，對(duì)于工程上采用的尺寸 稍大一點(diǎn)或壁薄的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，在真空條件下實(shí)現(xiàn)起來(lái)幾乎是不可能的，因此研究探索在非 真空環(huán)境下能夠進(jìn)行連接技術(shù)是該類材料工程實(shí)際應(yīng)用的一條可行之路。另外，在常規(guī)的 過(guò)渡液相連接和反應(yīng)釬焊過(guò)程中，等溫凝固過(guò)程和自由狀態(tài)下的結(jié)晶過(guò)程往往造成焊縫中 增強(qiáng)體的推移，最后導(dǎo)致接頭中出現(xiàn)增強(qiáng)相偏聚區(qū)及無(wú)增強(qiáng)相區(qū)，嚴(yán)重影響了接頭的力學(xué) 性能。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者試圖通過(guò)選擇較薄的中間箔層來(lái)控制焊接過(guò)程中生成的液相共晶層 厚度的方法來(lái)改善偏聚，其難點(diǎn)是焊接過(guò)程對(duì)中間層厚度及待焊表面粗糙度要求較高；也有人采用增加增強(qiáng)體顆粒尺寸的方法，減小顆粒偏聚的程度，但從復(fù)合材料性能來(lái)看，一 般都追求微米、亞微米甚至是納米級(jí)的顆粒作為增強(qiáng)體制備復(fù)合材料，這兩方面的要求是 相互矛盾的，同樣也不可行。
本發(fā)明提出的連接原理如圖1所示，在半固態(tài)連接過(guò)程中通過(guò)施加適當(dāng)?shù)臄嚢枇?chǎng)使 半固態(tài)合金中固相部分?jǐn)D壓、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，使得半固態(tài)合金中液相部 分與復(fù)合材料基體發(fā)生適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散溶解和同時(shí)增強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料顆粒潤(rùn)濕性，而且通過(guò)機(jī)械 攪拌均勻化焊縫中的增強(qiáng)體顆粒，并攪拌細(xì)化焊縫固相晶粒使顆粒在凝固時(shí)被現(xiàn)有固液界 面所捕獲，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體均勻分布的復(fù)合焊縫。
與巳經(jīng)實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)液相摩擦、旋轉(zhuǎn)液相摩擦去除氧化膜工藝相比，此焊接過(guò)程中高粘 度的半固態(tài)合金釬料始終保持在待焊表面，既為釬料與母材的擴(kuò)散溶解提供了合適的濃度 梯度，而且還在整個(gè)焊接過(guò)程中保護(hù)了待焊表面不被二次氧化，同時(shí)半固態(tài)機(jī)械攪拌連接 下無(wú)氣孔和非枝晶焊縫組織的獲得，也是此工藝非常突出的一個(gè)特點(diǎn)。
現(xiàn)有的無(wú)中間夾層的半固態(tài)連接工藝，通常是先加熱到母材的固液區(qū)間，然后對(duì)待焊 表面直接施加瞬間壓力(中國(guó)專利ZL200510040070.0)或施加攪拌力來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的。與 以上工藝相比，此工藝具有以下兩個(gè)突出特點(diǎn)。其一，半固態(tài)中間夾層的引入，使連接可 在母材的固相線溫度以下進(jìn)行，進(jìn)一步降低了焊接溫度，同時(shí)也減少了母材軟化傾向。其 二，在連接過(guò)程中只對(duì)半固態(tài)釬料層進(jìn)行攪拌，而母材無(wú)明顯的形變，可實(shí)現(xiàn)母材的精密 連接。
與現(xiàn)有的在真空條件下添加半固態(tài)中間層進(jìn)行加壓來(lái)完成連接的工藝(中國(guó)專利
00107491.1)相比，此工藝中由于引入攪拌進(jìn)程大大提高了連接過(guò)程中動(dòng)態(tài)去膜能力，降 低工藝對(duì)焊接表面和焊接氛圍的嚴(yán)格要求，最終可實(shí)現(xiàn)材料的非真空條件下高效連接。另 外，申請(qǐng)人在專利號(hào)為200610010098.4的"鋁合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)振動(dòng)流變連 接方法"，提出通過(guò)半固態(tài)釬料的振動(dòng)流變的方式，成功地破碎基體表面的氧化膜。然而進(jìn) 一步的結(jié)果表明連接過(guò)程中振動(dòng)引起的周期性壓縮一拉伸效應(yīng)容易使焊縫產(chǎn)生氣孔，極大 地限制了焊縫強(qiáng)度的提高。此工藝中攪拌頭僅進(jìn)行平行于焊縫的直線運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯的橫向位 移，大大避免了空氣的巻入，提高了焊縫的致密性?？v上所述，同時(shí)具有以上特征的半固 態(tài)連接技術(shù)國(guó)內(nèi)外未見有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種容易實(shí)現(xiàn)，使焊接工藝得以改善的鎂合金及其復(fù)合材料非 真空半固態(tài)攪拌釬焊方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其按以下步驟進(jìn)行 (1)將以鎂合金或其復(fù)合材料為母材的焊件裝卡在焊接平臺(tái)上并在兩待焊表面放置
中溫釬料，加熱焊件，加熱溫度在380—43(TC之間，使所述釬料局部熔化,其中釬料固相率介于50 — 80%，即釬料處于高固相率的固液共存狀態(tài)；
(2) 隨即通過(guò)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置帶動(dòng)攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為150—300轉(zhuǎn)/分鐘， 在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度恒定不變，同時(shí)讓攪拌頭平行于焊縫的縱向滑動(dòng)，滑動(dòng)速度0.5—2cm/ 分鐘；
(3) 當(dāng)攪拌頭滑動(dòng)到焊縫終端，停止旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，保溫時(shí)間在1一5分鐘，使焊件進(jìn)一 步溶解；
(4) 隨后，再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置帶動(dòng)攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為20—150轉(zhuǎn)/ 分鐘，并反方向滑動(dòng)，滑動(dòng)速度l一2cm/分鐘。當(dāng)攪拌頭滑動(dòng)到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)， 提起攪拌頭，保溫5—30分鐘后，隨爐冷卻。
所述的釬料可以是片狀，方柱狀，鍍層或事先噴涂在待焊表面上的涂層。 所述的中溫釬料是Mg-Zn系或Mg-Zn-Al系中溫釬料中的一種。 所述的焊件的形狀可為方柱件或板件。 所述的旋轉(zhuǎn)源為電動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)或機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置。 所述的加熱方式可為電阻式加熱或電弧式加熱。 本發(fā)明提出的非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法可以實(shí)現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料低成本、高效、 高質(zhì)量焊接，主要的優(yōu)點(diǎn)及達(dá)到的性能指標(biāo)如下(參見圖1和圖3):
1、 本方法可在大氣環(huán)境和無(wú)需釬劑條件下，實(shí)現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料的焊接，焊接表 面無(wú)需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接頭可靠，工程意義較為理想。
2、 在焊接過(guò)程中的第一次旋轉(zhuǎn)時(shí)，基體表面氧化膜破碎是通半固態(tài)釬料中的固相晶粒 對(duì)母材表面的摩擦來(lái)完成的，解決了諸如釬焊、擴(kuò)散焊中氧化膜難以破碎的問(wèn)題。
3、 一次旋轉(zhuǎn)后的升溫和保溫，使半固態(tài)釬料層進(jìn)一步液化和提高了釬料中Zn在母材 中的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致母材進(jìn)一步溶解，最終在母材一側(cè)形成一定寬度的溶解層。
4、 在焊接過(guò)程中的第二次旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)攪拌流變進(jìn)程，增強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料顆粒潤(rùn)濕性， 而且通過(guò)機(jī)械攪拌均勻化焊縫中的增強(qiáng)體顆粒，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體均勻分布的復(fù)合焊縫，最終有 利于進(jìn)一步提高了接頭的性能。
5、 在整個(gè)連接過(guò)程中只需釬料局部熔化，所以焊接溫度低，在45(TC以下，避免了鎂 基體燃燒及其復(fù)合材料的軟化，克服了熔化焊時(shí)母材熔化帶來(lái)的不良后果，如成型不佳， 增強(qiáng)相偏析，增強(qiáng)相/基體有害反應(yīng)等。
6、 適合精密及較大焊接表面鎂合金及其復(fù)合材料構(gòu)件的焊接。
7、 此種焊接方法繼承了釬焊的焊件尺寸變形小，焊接溫度低的優(yōu)點(diǎn)，而得到了高強(qiáng)度
的接頭性能。


圖1是鎂合金非真空半固態(tài)攪拌釬焊原理示意圖； 圖2是非真空半固態(tài)攪拌釬焊設(shè)備示意圖；圖3是非真空半固態(tài)攪拌釬焊連接過(guò)程示意圖。
圖中l(wèi)焊件、2釬料、3電阻加熱器、4焊接平臺(tái)、5攪拌頭、6熱電偶、7軌道式 滑動(dòng)平臺(tái)、8旋轉(zhuǎn)電機(jī)、9電機(jī)支架、IO氬氣
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合參見圖l、圖2和圖3對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
實(shí)施例l:將鎂合金焊件1裝卡在焊接平臺(tái)4上，并在兩待焊表面放置Mg-Zn中溫 釬料2，釬料2可以是片狀、方柱狀、鍍層或事先噴涂在待焊表面。通過(guò)電阻加熱器3加 熱焊件，加熱溫度在380—43(TC之間，如38(TC、 400°C、 420°C、 430°C，使釬料2局部熔 化。隨即啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置，由軌道式滑動(dòng)平臺(tái)7帶動(dòng)攪拌頭5移動(dòng)，由安裝在電機(jī)支架 9上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)8帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為150_300轉(zhuǎn)/分鐘，如150轉(zhuǎn)/分鐘、180轉(zhuǎn)/分 鐘、230轉(zhuǎn)/分鐘、280轉(zhuǎn)/分鐘、300轉(zhuǎn)/分鐘，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度恒定不變，攪拌頭5平行 于焊縫的縱向移動(dòng)速度0.5—2cm/分鐘，如0.5cm/分鐘、l.Ocm/分鐘、1.5cm/分鐘、2.0 cm/ 分鐘。當(dāng)攪拌頭5移動(dòng)到焊縫終端，旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)停止，保溫時(shí)間在1一5分鐘，l分鐘、3分 鐘、5分鐘，使焊件1進(jìn)一步溶解。隨后，再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置，旋轉(zhuǎn)速度為20—150 轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭5反方向滑動(dòng)，移動(dòng)速度l一2cm/分鐘，1 cm/分鐘、1.5 cm/分鐘、2 cm/ 分鐘。當(dāng)攪拌頭5移動(dòng)到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭5，保溫5—30分鐘后，5 分鐘、IO分鐘、15分鐘、20分鐘、25分鐘、30分鐘，隨爐冷卻。
實(shí)施例2，本發(fā)明的第二種實(shí)施方式是在第一種實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，在一次旋轉(zhuǎn)后， 保溫時(shí)間在1一2分鐘，如1分鐘、1.5分鐘、1.8分鐘或2分鐘，使焊件l進(jìn)一步溶解。隨 后，再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置(二次旋轉(zhuǎn))，旋轉(zhuǎn)速度為100—150轉(zhuǎn)/分鐘，如100轉(zhuǎn)/分鐘、 120轉(zhuǎn)/分鐘、140轉(zhuǎn)/分鐘或150轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭反方向滑動(dòng)，移動(dòng)速度l一1.5cm/分鐘， 如lcm/分鐘、1.2cm/分鐘或1.5cm/分鐘。當(dāng)攪拌頭移動(dòng)到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起 攪拌頭，保溫15—30分鐘后，如15分鐘、20分鐘、25分鐘或30分鐘，隨爐冷卻。
權(quán)利要求
1、一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征在于其按以下步驟進(jìn)行(1)將以鎂合金或其復(fù)合材料為母材的焊件裝卡在焊接平臺(tái)上并在兩待焊表面放置中溫釬料，加熱焊件，加熱溫度在380-430℃之間，使所述中溫釬料局部熔化，其中中溫釬料固相率介于50-80％，即中溫釬料處于高固相率的固液共存狀態(tài)；(2)隨即通過(guò)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置帶動(dòng)攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為150-300轉(zhuǎn)/分鐘，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度恒定不變，同時(shí)讓攪拌頭平行于焊縫的縱向滑動(dòng)，滑動(dòng)速度0.5-2cm/分鐘；(3)當(dāng)攪拌頭滑動(dòng)到焊縫終端，停止旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，保溫時(shí)間在1-5分鐘，使焊件進(jìn)一步溶解；(4)隨后，再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置帶動(dòng)攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為20-150轉(zhuǎn)/分鐘，并反方向滑動(dòng)，滑動(dòng)速度1-2cm/分鐘；當(dāng)攪拌頭滑動(dòng)到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述中溫釬料是片狀、方柱狀、鍍層或事先噴涂在待焊表面上的涂層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述中溫釬料是Mg-Zn系或Mg-Zn-Al系中溫釬料中的一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述焊件的形狀為方柱件或板件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述攪拌頭的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源為電動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)或機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征是所述對(duì)焊件的加熱方式為電阻式加熱或電弧式加熱。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6之任何一項(xiàng)所述的鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其特征在于所述步驟(3)，保溫時(shí)間在1一2分鐘，使焊件進(jìn)一步溶解；所述步驟(4)，再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)攪拌頭，旋轉(zhuǎn)速度為100—150轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭反方向滑動(dòng)，滑動(dòng)速度l一1.5cm/分鐘，當(dāng)攪拌頭滑動(dòng)到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，保溫15 — 30分鐘后，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種鎂合金及其復(fù)合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊方法，其先將以鎂合金或其復(fù)合材料為母材的焊件裝卡在焊接平臺(tái)上并在兩待焊表面放置中溫釬料，加熱焊件，溫度380-430℃，使釬料固相率介于50-80％；隨即啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)裝置，旋轉(zhuǎn)速度150-300轉(zhuǎn)/分鐘，溫度恒定不變，攪拌頭平行于焊縫的縱向移動(dòng)速度0.5-2cm/min；當(dāng)攪拌頭移動(dòng)到焊縫終端，旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)停止，保溫時(shí)間1-5分鐘，使焊件進(jìn)一步溶解；再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)速度20-150轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭反方向滑動(dòng)，移動(dòng)速度1-2cm/min。當(dāng)攪拌頭移動(dòng)到焊縫初始端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，保溫5-30分鐘后，隨爐冷卻。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)鎂合金及其復(fù)合材料低成本、高效、高質(zhì)量焊接。
文檔編號(hào)B23K1/00GK101579767SQ200910104028
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者伍光鳳, 宏 葉, 暉 李, 李春天, 許惠斌 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)