高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁基復合材料焊接技術領域，具體涉及一種高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法。
【背景技術】
[0002]鋁基復合材料具有優異的綜合性能，其應用日益廣泛。對于顆粒增強相復合材料而言，不同體積分數增強相含量對復合材料的性能影響較大，低體積分數(10?20%)增強相復合材料力學性能較好，多用于承載結構材料；而高體積分數(40?70%)增強相復合材料多用于電子封裝等功能材料。
[0003]高體積分數(40?70%)SiCp/Al復合材料兼具陶瓷SiC和金屬Al的優異特性，可通過調整增強相SiC尺寸、Al合金成分、兩相比例和復合材料的熱處理狀態，對復合材料熱物理性能和力學性能進行設計，使其具有較低熱膨脹系數、較高的熱導率、較低的密度、較好的尺寸穩定性和合理的成本等優點，在電子器件及模塊的封裝、航天航空無慣性導航系統、敏感衛星光機結構等領域備受關注，展示出較大的應用前景，高體積分數增強相SiCp/Al復合材料已成為金屬基復合材料中研宄的熱點。
[0004]然而，鋁基復合材料的基體與增強相之間熱物理性能如熔點(鋁合金約650°C，碳化硅熔融點2200°C)、導熱系數(鋁合金的熱傳導系數約為237W/ Cm.K)，碳化硅約為83.6W/ (111*10)、熱膨脹系數(鋁合金(18~25) X 10—7 K，碳化硅4.7X 10_6 / K)以及化學相容性相差較大，使其焊接成形要比單相均質材料復雜得多，導致其焊接性較差，嚴重限制此類材料的應用。尤其對于高體積分數(40?70%) SiCp/Al復合材料而言，如附圖1所示55%SiCp/Al復合材料微觀組織形貌，大量的高熔點SiC陶瓷顆粒彌散分布在鋁基體上，使其連接比較困難，形成高強度的焊接接頭更難，主要原因如下:
(I)界面反應:
采用電弧焊、閃光對焊等方法連接高體積分數增強相鋁基復合材料時，因增強相體積分數較高，焊接時當溫度大于727°C時，增強相SiC和基體Al之間極易發生界面反應:
4A1 (L)+3SiC (s)— Al4C3+3Si0
[0005]界面反應生成針狀脆性物Al4C3,增加接頭脆性；A14C3在空氣中自動水解，造成焊接接頭產生低應力腐蝕開裂；界面反應減少SiC顆粒數量，改變增強相SiC與基體Al之間的結合機理，消弱增強相的作用，降低接頭的力學性能，對工件穩定性和使用性能造成極大破壞。界面反應是高體積分數顆粒增強型鋁基復合材料焊接時的主要難題，界面反應產物Al4C3形貌如附圖2所示。
[0006](2)焊接熔池黏度大、流動性差:
在采用熔化焊方法連接高體積分數顆粒增強型鋁基復合材料時，熔池內有大量難熔的顆粒增強相，造成熔池粘度很高，影響焊接時熔池中的傳熱及傳質過程，降低金屬的流動性，易產生氣孔、裂紋等缺陷。
(3)焊縫成形差: 焊接過程中易發生鋁基體飛濺，焊縫處形成凹槽，且顆粒增強相殘渣附著在焊縫兩側，不易與填充金屬混合，焊縫成形差。
[0007](4)高體積分數顆粒增強型鋁基復合材料焊接相關方面的報道較少，現有工藝復雜O
[0008]目前，顆粒增強型鋁基復合材料的焊接多采用擴散焊、摩擦焊以及釬焊的方法，且主要是用于低體積分數(10%_20%) SiCp/Al復合材料的連接。同時，擴散焊、釬焊需要在真空爐中進行，摩擦焊的焊件形狀尺寸受到很大限制，焊接工藝復雜化。而對于高體積分數的SiC顆粒增強的鋁基復合材料的連接很少報道，所以高體積分數增強相鋁基復合材料的焊接問題一直阻礙著該種材料的迅速發展，成為該材料走向實用化的障礙。
[0009]電阻點焊是一種主要用于薄板連接的制造工藝，因其具有工藝簡單靈活、焊接質量好、成本低等特點，廣泛應用于汽車制造及航空航天等部門。另外，對于高體積分數增強相鋁基復合材料電阻點焊而言，利用電阻熱成型，點焊過程加熱時間極短(零點幾秒)，能有效抑制增強相SiC與基體Al間的界面反應，并且在壓力作用下成形，接頭更致密。對于一種綜合性能良好、焊接性較差的新材料，應嘗試用各種焊接方法對其連接，為此類材料的推廣應用提供實驗依據。鑒于此，本發明經過大量的實驗研宄，研制出一種解決高體積分數增強相鋁基復合材料焊接的新技術。

【發明內容】

[0010]本發明要解決的技術問題是:為實現高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料的焊接，本發明提供一種高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法。本發明采用電阻點焊的方法，對高體積分數增強型鋁基復合材料進行電阻點焊連接實驗，實現在易操作、可控制的簡單電阻點焊工藝下，獲得具有較高接頭強度和較好微觀成型的高體積分數增強相鋁基復合材料電阻點焊接頭，解決了高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料焊接這一技術難題；本發明電阻點焊方法是一種簡單有效的焊接方法，具有重要的應用價值。
[0011]為了解決上述問題，本發明采用的技術方案為:
本發明提供一種高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，鋁基復合材料采用點焊機進行電阻點焊連接時，其預壓時間為0.2?0.8秒，維持時間為0.3?0.9秒，電極壓力為1000?2000牛頓，焊接時間為0.1?0.5秒，焊接電流為15.4?19.4千安；
所述高體積分數增強相鋁基復合材料的增強相為碳化硅顆粒或碳化硅晶須，增強相在鋁基復合材料中所占的體積分數為40?70%。
[0012]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述鋁基復合材料的基體為 2A12、2A11、2A14、6A02、2A50、2B50 和 3A21 中的任一種。
[0013]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數增強相鋁基復合材料中增強相的平均粒徑為10?50 μπι。
[0014]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數增強相銷基復合材料加工成試樣，試樣兩邊等厚，其厚度為I?2_ (優選1.5mm)O
[0015]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數增強相鋁基復合材料加工成的試樣規格為60 X 20 X 1.5mm，鋁基復合材料試樣焊接時搭接長度為10?20mm (優選20mm)。
[0016]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述在鋁基復合材料電阻點焊過程中冷卻水流量為I?5升/分。
[0017]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述點焊機的電極材料為紫銅，電極直徑為12?28_，電極端部形狀為球面電極、圓頂電極或平面電極。
[0018]根據上述的高體積分數增強相鋁基復合材料的電阻點焊方法，所述高體積分數增強相鋁基復合材料在電阻點焊開始前將鋁基復合材料表面、背面和點焊電極端面均采用砂紙打磨，去除表面氧化膜，再用丙酮清理并風干。
[0019]本發明的積極有益效果:
1、本發明采用電阻點焊的方法，對高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料進行電阻點焊連接實驗，實現在易操作、可控制的簡單電阻點焊工藝下，獲得具有較高接頭強度和較好微觀成型的高體積分數增強相鋁基復合材料電阻點焊接頭，解決了高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料焊接這一技術難題；本發明電阻點焊方法是一種簡單有效的焊接方法，具有重要的應用價值。
[0020]2、本發明工藝簡單，點焊接頭的宏觀和微觀成型均良好、強度高，是高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料連接的新工藝方法。
[0021]3、在本發明中，采用電阻點焊的方法對高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料進行連接，在電阻熱和電極壓力共同作用下，采用最佳工藝參數焊接，接頭成型良好，所形成的熔核平均直徑為7.4mm，接頭的平均抗剪力為1994.8牛。
[0022]4、從附圖4點焊接頭微觀形貌可以看出，點焊接頭的熔核區、過渡區、焊接母材區，無增強相SiC顆粒偏聚，均呈現均勻分布狀態，同時基體Al連接致密；附圖5點焊接頭顯微硬度分析表明:母材區、熔核過渡區、熔核中心區的顯微硬度數值波動較小，進一步說明增強相SiC在點焊接頭各個區域的分布密度均勻一致，使得接頭各區域力學性能和熱物理性能也呈均勻分布。
[0023]5、從附圖4可以看出，點焊接頭區無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，而在增強型復合材料常規熔化焊中，極易出現此類缺陷。
[0024]6、本發明點焊連接無明顯界面反應:
附圖6為本發明所形成的的點焊接頭SEM微觀形貌圖，可以看出點焊熔核區SiC顆粒形態與母材中的SiC顆粒形態一樣，均呈棱角分明的多邊形狀，SiC顆粒與Al基體間界面清晰、平直，無過渡層和其它附加物，沒有發現界面反應物Al4C3針狀析出及其它的異常組織，說明焊縫沒有出現界面反應。平直且無反應的界面可充分發揮復合材料的高導熱特性，減少電阻點焊過程中熱量在界面處的聚集，散熱性好。另外在電阻點焊過程中，焊接時間短，僅有0.3秒，冷卻速度快，可控性好，能夠顯著抑制SiC顆粒與Al基體間界面反應，克服了高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料焊接時易發生界面反應的難題，從而提高接頭質量，獲得優質的焊接接頭。
[0025]7、本發明點焊熔核區界面結合良好:
附圖7為本發明點焊接頭的斷口 SEM及能譜分析圖，點焊接頭斷口形貌呈混合型斷裂特征，大量的SiC顆粒存在使得復合材料的脆性增加。在韌性斷裂區，顆粒表面不是裸露的光滑狀態，而是有一些Al液包覆在顆粒上，表明在電阻點焊熱源作用下，形成SiC和Al基體之間的潤濕連接，增強相和基體間的界面結合良好。
[0026]8、本發明在焊接過程中無需特殊的保護措施，無需添加焊材，工藝簡單、焊接效率高，接頭成型好。
[0027]綜上所述，本發明采用電阻點焊的方法對高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料進行連接，在電阻熱和電極壓力共同作用下，能夠形成良好的焊接接頭，形成的熔核直徑為7.4mm，接頭強度較高，點焊接頭的拉剪力為1994.8牛；點焊接頭微觀成型良好，SiC顆粒均勻分布，無氣孔、裂紋等缺陷；在極短的焊接時間(0.3秒)下，避免基體和增強相之間的界面反應，獲得良好的點焊接頭。操作方法簡單(易操作，可控性高)。因而，本發明是一種簡單有效的高體積分數(40?70%)增強相鋁基復合材料電阻點焊新技術，具有重要的應用價值。
[0028]【附圖說明】:
圖1現有55%SiCp/Al復合