專(zhuān)利名稱(chēng)：鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明術(shù)語(yǔ)焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種焊接設(shè)置。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料以其成本低、制備容易、耐磨性好、性能和功能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，成為金屬基復(fù)合材料中研究的主流，而且其在航天、航空結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱和耐磨部件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有希望的復(fù)合材料之一。 但鋁合金及其復(fù)合材料表面存在一層致密的氧化膜(Al2O3),釬焊過(guò)程中如去除不徹底，釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕鋪展能力將被大大降低，嚴(yán)重影響接頭的成形及最終性能。特別是鋁基復(fù)合材料的焊接研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它二次加工技術(shù)，是因?yàn)樵摬牧系奶厥饨Y(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)。目前這些材料的釬焊采用釬劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)去除氧化膜，或者采用真空的焊接環(huán)境以避免厚且致密的氧化膜的生成來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接，或者提高釬焊溫度，基體部分軟化甚至熔化在某種程度上可得到改善。然而，釬劑的使用一方面是增加了成本，另一方面釬劑一般都具有腐蝕性，如焊后清洗不完全，接頭在服役過(guò)程中容易出現(xiàn)腐蝕破壞問(wèn)題；真空環(huán)境的焊接限制了焊接的靈活性，結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜、尺寸稍大的構(gòu)件的焊接變得困難，且該方法焊接周期長(zhǎng)、成本高；釬焊溫度過(guò)高易引起母材的過(guò)燒熔蝕，影響釬焊質(zhì)量。焊接工藝控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致基體熔化，擴(kuò)散區(qū)中增強(qiáng)相偏聚；釬縫組織中存在無(wú)增強(qiáng)相層，無(wú)法保持母材原有的特殊組織及性能。這對(duì)接頭有特殊性能要求的場(chǎng)合不適合，如需接頭保持良好的抗阻尼特性及尺寸穩(wěn)定性等。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。很多種焊接方法都達(dá)不到期望的結(jié)果，而人們常用的釬焊方法也存在有接頭強(qiáng)度受釬料限制的問(wèn)題，使得鋁基復(fù)合材料的焊接性能達(dá)不到預(yù)期效果。此外，對(duì)于含合金元素較高的鋁合金系列，如鋁鎂系、鋁銅系，鋁鋅系，液態(tài)釬料容易和母材中的合金元素相互作用而降低釬料的流動(dòng)及鋪展性，從而使接頭的釬透率降低， 性能下降。若通過(guò)提高釬焊溫度來(lái)提高釬料的流動(dòng)性及鋪展性，這很有可能使母材軟化甚至熔化，因?yàn)檫@些鋁合金的固相線一般都比較低。特別的是，鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相往往是陶瓷纖維、晶須或者顆粒，一般釬料在正常釬焊條件下與增強(qiáng)相的潤(rùn)濕性及鋪展性非常差， 因而釬料在母材表面的潤(rùn)濕鋪展勢(shì)必是個(gè)問(wèn)題。利用半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌可以解決低溫下釬料在母材表面的潤(rùn)濕鋪展，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。而目前，還沒(méi)有一種合適的釬焊裝置可以實(shí)現(xiàn)這種半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，實(shí)現(xiàn)鋁合金及其復(fù)合材料在大氣環(huán)境下焊接，克服這些材料在釬焊時(shí)使用釬劑或在真空環(huán)境下進(jìn)行的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提出的鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置包括如下幾部分組成工作平臺(tái)、測(cè)溫及控制系統(tǒng)和攪拌頭轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。所述工作平臺(tái)包括焊接平臺(tái)、X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)、氣缸、壓板、加熱管、X-Y移動(dòng)變速控制器；其中焊接平臺(tái)和氣缸安裝在X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)上，X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)由兩個(gè)滑動(dòng)方向垂直的平臺(tái)組成，與X-Y移動(dòng)變速控制器連接，氣缸的工作端連接壓板，壓板位于焊接平臺(tái)上方，加熱管設(shè)置在焊接平臺(tái)下；X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)的一側(cè)設(shè)置有一絲杠導(dǎo)軌立柱。其中通過(guò)X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)X、Y方向的移動(dòng)，移動(dòng)速度為15mm/mirTl50mm/ min;氣缸、壓板、氣壓表是一個(gè)整體，其作用是固定焊件，避免焊件在焊接過(guò)程中移動(dòng)，其壓力為0. 01飛Mpa ；加熱管為石英加熱管，單根加熱管功率為30(T800W。所述測(cè)溫及控制系統(tǒng)包括安裝在控制箱中的溫度控制模塊、接線柱及控制按鈕、 溫度顯示板及在焊接平臺(tái)上焊接時(shí)測(cè)溫的熱電偶；溫度顯示板顯示的是焊接過(guò)程中熱電偶檢測(cè)位置的溫度，熱電偶一端與被檢測(cè)工件相連，另一端通過(guò)控制面板上的接線柱與溫度控制模塊連接，溫度控制模塊與溫度顯示面板相連，溫度從溫度顯示面板顯示；其中溫度控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱管發(fā)熱功率的控制，同時(shí)溫度控制模塊有三個(gè)溫度控制器分別通過(guò)在焊縫邊緣中部、焊縫邊緣兩側(cè)三點(diǎn)位置熱電偶對(duì)三點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)溫及控溫。所述攪拌頭轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置、轉(zhuǎn)速控制器、齒輪箱、電機(jī)、 攪拌頭安裝夾具；齒輪箱的外殼通過(guò)機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置與絲杠導(dǎo)軌立柱相連；電機(jī)的輸出端連接齒輪箱，齒輪箱的輸出端連接攪拌頭安裝夾具，攪拌頭安裝夾具位于焊接平臺(tái)的上方。其中通過(guò)機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置可以實(shí)現(xiàn)攪拌頭以非垂直的角度焊接，實(shí)現(xiàn)角度為-60° 60° ；通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的控制，轉(zhuǎn)速為65r/mirT6000r/min。發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下
1、運(yùn)用本焊接設(shè)備可在大氣環(huán)境和無(wú)需釬劑條件下，實(shí)現(xiàn)鋁合金及鋁基復(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、適合精密及較大焊接表面鋁合金及其復(fù)合材料構(gòu)件的焊接。3、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。4、在溫度控制模塊內(nèi)設(shè)有3個(gè)溫度控制器，從而擁有三路溫度檢測(cè)通道，可同時(shí)檢測(cè)焊縫邊緣中部、焊縫邊緣兩側(cè)三個(gè)不同部位的溫度變化。5、擁有氣壓固定焊件，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度。采用本裝置焊接的材料，其性能指標(biāo)可以達(dá)到接頭釬透率> 85%，接頭拉伸強(qiáng)度彡75%。


圖1為本焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本焊接裝置地焊接平臺(tái)放大圖。圖中1控制箱、2X-Y移動(dòng)速度控制器、3支座、4溫度控制模塊、5接線柱及控制按鈕、6溫度顯示面板、7導(dǎo)軌立柱、8機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置、9攪拌頭、10焊料、11母材、12加熱管、13電機(jī)、14轉(zhuǎn)速控制器、15齒輪箱、16攪拌頭安裝夾具、17熱電偶、18氣壓表、19氣缸、 20壓板、21焊接平臺(tái)、22加熱管、23X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明焊接裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成以及使用過(guò)程。參見(jiàn)圖1和圖2，本裝置底部為控制箱1，溫度控制模塊4在控制箱內(nèi)部，X-Y移動(dòng)變速控制器2、溫度顯示板6、加熱等控制按鈕及各種接線柱分布在控制箱面板上。X-Y移動(dòng)變速控制器2控制的是工作平臺(tái)在X、Y軸的移動(dòng)速度，通過(guò)控制X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)23的移動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接速度的控制。溫度顯示板6顯示的是焊接過(guò)程中熱電偶檢測(cè)位置的溫度，熱電偶17在焊接平臺(tái)21上，一端與被檢測(cè)工件相連，分別設(shè)置于焊縫邊緣中部、焊縫邊緣兩側(cè)三點(diǎn)位置，熱電偶17的另一端通過(guò)控制面板上的接線柱與控制箱內(nèi)的溫度控制模塊4連接，尤其控制。溫度控制模塊4與溫度顯示面板6相連，溫度從溫度顯示面板顯示。 控制箱1的上面安裝有X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)23，其由兩個(gè)滑動(dòng)方向垂直的平臺(tái)組成，分別控制X、Y方向進(jìn)行滑動(dòng)。絲杠導(dǎo)軌立柱7安裝在控制箱上，齒輪箱15的外殼通過(guò)機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置8與絲杠導(dǎo)軌立柱7相連，機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置8安裝在絲杠導(dǎo)軌立柱7上，可上下移動(dòng)。電機(jī)13的輸出端連接帶動(dòng)齒輪箱15中的齒輪，齒輪箱15的輸出端連接攪拌頭安裝夾具16，攪拌頭安裝夾具16位于焊接平臺(tái)的上方。通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器14調(diào)整齒輪箱內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比來(lái)控制攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)更換夾持在攪拌頭安裝夾具16上的不同直徑及類(lèi)型的攪拌頭9來(lái)實(shí)現(xiàn)不同板厚和材料的釬焊。在X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)安裝有氣缸19及氣壓表 18，氣缸19連接壓板20，壓板20在焊接過(guò)程中及冷卻的過(guò)程中起到固定焊件的作用。壓板位于焊接平臺(tái)21上方，壓在焊接平臺(tái)上母材11上，攪拌頭9對(duì)準(zhǔn)母材之間的焊料10，加熱管12設(shè)置在焊接平臺(tái)下，焊接平臺(tái)設(shè)在X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)23上。本裝置的使用過(guò)程如下
焊接之前用180 #砂紙打磨鋁基復(fù)合材料，如15% SiCp/ZAllOl試件的待焊表面，并在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，待試件晾干后將其以對(duì)接接頭形式裝卡在卡具上并將Si基或者 Al基焊料片放置在兩待焊表面之間。通過(guò)電阻加熱使焊料處于半固態(tài)區(qū)間，固液分?jǐn)?shù)范圍是30-85%，加熱溫度范圍是410°C -500°C，并通過(guò)熱電偶控制、保持焊接溫度。設(shè)置攪拌頭轉(zhuǎn)速為1500r/min，然后施加攪拌，焊接速度為15mm/min。當(dāng)攪拌頭移動(dòng)到焊縫終端，停止旋轉(zhuǎn)，提起攪拌頭，對(duì)試件繼續(xù)保溫或者冷卻，完成焊接。所焊接的材料可以是工業(yè)純Al或鋁合金系，如Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Mg系、 Al-Mg-Si系、Al-Si-Mg系、Al-Si系、Al-Si -Cu系、Al-Si-Mg系合金中的一種；鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相可以是Al203、SiC連續(xù)纖維或短纖維(體積分?jǐn)?shù)為2 25%);SiC、Mg2B205(硼酸鎂)、 Al18B4O33 (硼酸鋁)晶須(體積分?jǐn)?shù)為 5 40%) ；SiC, A1203、TiC、TiB2, A1N、TiN、ZrO2 顆粒(平均粒度0. 0Γ50 μ m,體積分?jǐn)?shù)5 50%)中的一種，其基體可以是工業(yè)純Al及鋁合金系，如如 Al-Cu 系、Al-Mn 系、、Al-Mg 系、Al-Mg-Si 系、Al-Zn-Mg 系 Al-Si 系、Al-Si-C 系、Al-Si-Mg系合金中的一種。所用的焊料可以是Si 基焊料 Si-Al-Cu (Zn :83. 0 %、Al 11. 2%、Cu :3. 22%、 Mg :0. 8%、Si :0. 8%, Mn :0. 9%、Fe :0. 01%、Ni :0. 05%、余量為雜質(zhì))、Ζη95Α1、Ζη88Α1、Ζη70Α1、 Zn73Al、Zn60Cd、Zn58SnCu 或者鋁基焊料 BA167CuSi、A160GeSi、HL401 或 B62 中的一種。焊料可以是棒狀、條狀、片狀及顆粒狀。它的填充方式可以是預(yù)先涂敷于待焊表面或者焊接時(shí)放置于兩待焊表面之間或者以半固態(tài)漿料填充。所述的焊接接頭形式可以是對(duì)接、搭接、T形接頭的形式。所用的加熱方式可以是火焰加熱、高頻感應(yīng)加熱、電阻加熱，焊接溫度范圍是 380^6000C，保溫時(shí)間為(TlO分鐘，攪拌頭轉(zhuǎn)速為65 4500r/min，焊接速度為15-72mm/min。所用的X-Y移動(dòng)速度控制器可以是齒輪變速器也可以是電子無(wú)級(jí)變速器。
權(quán)利要求
1.鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，其特征在于所述裝置包括工作平臺(tái)、測(cè)溫及控制系統(tǒng)和攪拌頭轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；所述工作平臺(tái)包括焊接平臺(tái)、X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)、氣缸、壓板、加熱管、X-Y移動(dòng)變速控制器；其中焊接平臺(tái)和氣缸安裝在X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)上，X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)由兩個(gè)滑動(dòng)方向垂直的平臺(tái)組成，與X-Y移動(dòng)變速控制器連接，氣缸的工作端連接壓板，壓板位于焊接平臺(tái)上方，加熱管設(shè)置在焊接平臺(tái)下；X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)的一側(cè)設(shè)置有一絲杠導(dǎo)軌立柱；所述測(cè)溫及控制系統(tǒng)包括安裝在控制箱中的溫度控制模塊、接線柱及控制按鈕、溫度顯示板及在焊接平臺(tái)上焊接時(shí)測(cè)溫的熱電偶；溫度顯示板顯示的是焊接過(guò)程中熱電偶檢測(cè)位置的溫度，熱電偶一端與被檢測(cè)工件相連，另一端通過(guò)控制面板上的接線柱與溫度控制模塊連接，溫度控制模塊與溫度顯示面板相連，溫度從溫度顯示面板顯示；其中溫度控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱管發(fā)熱功率的控制，同時(shí)溫度控制模塊對(duì)焊件工件進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)溫及控溫；所述攪拌頭轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置、轉(zhuǎn)速控制器、齒輪箱、電機(jī)、攪拌頭安裝夾具；齒輪箱的外殼通過(guò)機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置與絲杠導(dǎo)軌立柱相連；電機(jī)的輸出端連接帶動(dòng)齒輪箱中的齒輪，齒輪箱的輸出端連接攪拌頭安裝夾具，攪拌頭安裝夾具位于焊接平臺(tái)的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，其特征在于所述機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)角度為-60°飛0° ；轉(zhuǎn)速控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 65r/min 6000r/mino
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，其特征在于所述X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)的移動(dòng)速度為15mm/mirTl50mm/min ；氣缸施加給壓板的壓力為 0.01 5Mpa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，其特征在于所述加熱管為石英加熱管，單根加熱管功率為30(T800W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，其特征在于所述熱電偶分別分布在焊縫邊緣中部、焊縫邊緣兩側(cè)，溫度控制模塊通過(guò)三個(gè)溫度控制器對(duì)焊縫邊緣中部、焊縫邊緣兩側(cè)三點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)溫及控溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，其特征在于所述X-Y移動(dòng)速度控制器是齒輪變速器或是電子無(wú)級(jí)變速器。
全文摘要
鋁合金及其復(fù)合材料半固態(tài)機(jī)械輔助攪拌釬焊裝置，由工作平臺(tái)、測(cè)溫及控制系統(tǒng)和攪拌頭轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)組成。所述工作平臺(tái)包括焊接平臺(tái)、X-Y滑動(dòng)工作平臺(tái)、氣缸、壓板、加熱管、X-Y移動(dòng)變速控制器。所述測(cè)溫及控制系統(tǒng)包括安裝在控制箱中的溫度控制模塊、接線柱及控制按鈕、溫度顯示板及在焊接平臺(tái)上焊接時(shí)測(cè)溫的熱電偶。攪拌頭轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)裝置、轉(zhuǎn)速控制器、齒輪箱、電機(jī)、攪拌頭安裝夾具。攪拌頭安裝夾具在齒輪箱變速箱下，通過(guò)更換不同的攪拌頭來(lái)實(shí)現(xiàn)不同板厚和材料的釬焊。本裝置可在大氣環(huán)境和無(wú)需釬劑條件下，實(shí)現(xiàn)鋁合金及鋁基復(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。
文檔編號(hào)B23K103/10GK102266995SQ20111018825
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者劉云浩, 周博芳, 孫匯彬, 戴不亞, 曾友亮, 杜長(zhǎng)華, 羅泉祥, 許惠斌 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)