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1、低真空条件下铝基复合材料扩散焊接工艺第26卷第5期焊接v.I.26No.52005年5月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONMay2005低真空条件下铝基复合材料扩散焊接工艺高振坤(I.大连理工大学材料工程系.辽宁大连金属精密热加国家级重点实验室,刘黎明16024;2.哈尔滨工业大学摘要:以AI0/6061l铝基复台材科为对象.研究接和6061AI铝箔作为中问层的扩散焊接工艺.分析了工艺所得接头微观组织及强度的关系.同时分析了日响试验结果表明.两种焊接工艺所得接头强度随温为界分为三个阶段.并且随保温时间的延长有所提高属的作用促使氧化膜破碎,有利于接头
2、强度的提高:关键词:铝基复台材料;直接扩散焊接;中间层扩散焊中图分类号:rG4539文献标识码:A文章编号0序言铝基复合材料由于具有高比强度,高比刚度耐磨性和耐热-性等优异的综合性能而在航空航:汽车工业,机械产业及体育用品等领域具有巨大应用潜力,是当今材料学利?正在探索与开发的高术领域.目前,国内外已经采用铝基复台材料加成曲轴,气缸,自行车架,望远镜架以及飞机的起架等产品但是由于这种材料特殊的组织结构,其采用普通的焊接方法很难获得良好的接头性l焊接难度极大.从公开发表的技术资料来看,迄为止国内外关于这种材料的焊接性与焊接工艺究进展非常缓慢.严重制约了这种材料在生产宴中的应用.作者以AI:O/6
3、061AI铝基复合材料为对象,在低真空条件下,通过一系列试验研究了通过直接扩散焊与基体铝合金作为中间层的扩散焊两种工艺焊接铝基复台材料的特点和机理,分析了不同焊接工艺对接头性能及微观组织的影响,探索实现铝基复合材料优质连接的有效工艺1试验材料及方法1.1试验材料采用挤压铸造法制备u0/6061铝基复合材料.增强相AIO,的体积比为30%.该复合材收j骞日期:200406(Y2囤1AIO3D/6061AI铝基复合材料显微组织Fig1MicrostructureofaluminummatrixcompositeAI2O3p/6061AI表16061AI的化学成分f质量分数,%】Table1Chem
4、icalcompositionsof6061AIalloy(:uMgMnFeSlZnTIN】10340750.22036】.26(0I5<005(005余壁1.2试验方法1.2l接头处理方法将材料加工成10mrn20mmx50ln1的尺寸进行对接平焊,并对接头表面进行处理,处理过程为,先用丙酮清洗表面油污,再分别用20%NaOH溶液和20%硝酸溶液浸泡3mitt.最后用清水冲洗并74焊接第26卷吹干1.22焊接过程扩散焊接过程是在1Pa左右的真空室中进行,通过热电偶和可控硅来测量并控制温度.焊接过程中试件通过自制夹具施加压力,如图2所示.:制作夹具的材料为高温台金钢,并且在700进行调质
5、.主轴用来调节夹持试件空间范围的大小,当试件固定后,通过旋转螺母加压,.焊接过程中工件和央具随炉升温.在室温下.夹具对接头的初始压力为2c)MPa左右在升温过程中,由于夹具受到热膨胀,使其对工件的压力逐渐降低,这恰好弥朴了铝基复合材料在液,固温度区间强度非常低,并在稍大的压力下极易发生破碎的缺点.到保温阶段.热胀冷缩现象停止,使接头压力保持在一定数值.保温结束后.工件和夹具在真空状态下自然冷却,夹具收缩使得此过程中接头压力有所升高,主轴螺秆工件螺母圉2试验夹具结构示意图Fig2Sketchofclampstructureinexperiment1.2.3试验温度的选取铝基复合材料加热到液,固丽
6、相温度区间时仍具有一定刚度.并且存在一个临界温度区间.该区间内焊接结合面上基体,增强相微观连接行为发生了变化+使得接头强度有很大改善.因此.作者也对高于和低于临界温度的情况进行了比较.所以试验中以10oc为间隔分别在600上下选取了一系列温度点怍为试验参数.大量试验表明,当温度超过临界温度时,在焊缝和试件表面会有少量液态金属挤出,如图3所示,为640条件下焊后试件的一固3640条件下焊后试件照片Fig.3Pureofspecimenweldedat640oc图片从图中可以看出在焊缝处出现较多的液滴,而在试件的裘面也有少量小液滴出现.1.24拉伸试验及微观纽织观察焊后利用css-2205型电子万
7、能实验机(抗拉强度取3个试样的平均值)测试焊接接头的力学性能(图4a,b为焊后试样和拉伸试样).采用扫描电子显微镜JSM一5600LV分析接头微观组织及断E1形貌.E目a)焊后试样(b)拉伸试样图4焊后试样和拉伸试样Fig4Weldedspecimenandtensilespecimen2试验结果及讨论2.1温度对接头性能的影响分别采用直接扩散焊和铝箔作为中间层扩散焊两种工艺焊接AI:03P/6061AI铝基复台材料.试验结果见图5:=乜矧=l若温度t图5温度与接头抗拉强度的关系曲线Fig5Relationshipbetweenweldingparameterandtensile8treegt
8、hofJoint从图5中可以看出,在温度低于600和高于640时直接扩散焊接的接头强度相对较低,采用铝箔中间层扩散焊接的接头强度较高.当温度高于600,低于640时,直接焊接的接头强度较高,如周5所示.接头的强度随温度的变化可以分为三个阶段:第一阶段,在温度低于600的情况下,基体没有出现液相.在这个阶段的扩散焊接过程与普通的固态扩散焊接没有什么区别,在一定压力的作用下,相互接触的基体表面材料产生局部的塑性变形,从第5期高振坤,等:低真空条件下铝基复合材料扩散焊接工艺75而达到紧密接触,并通过表面原子的扩散和键合实现连接的目的.但是,由于固态金属基体的扩散能力有限,使得直接扩散焊接不能改善接头
9、区域的增强相/增强相接触,很难得到较高强度的接头;而采用铝箔为中间层扩散焊接时,不存在增强相/增强相接触,这在很大程度上有利于接头强度的提高第二阶段,温度上升到600640区间时,基体金属开始出现少量液相.这个阶段,由于液态金属的出现使金属基体的扩散能力得到很大程度的提高.并且液态金属还可以渗透到增强相和增强相接触的部位,使增强相/增强相接触转变为增强相/基体/增强相的结合.直接扩散焊接接头强度得到很大程度提高.采用铝箔为中间层的扩散焊接过程中,基体金属的扩散能力也同样有很大程度的提高,接头强度有所改善.但是由于中间层引人多余的金属.使得焊缝处增强相的浓度降低甚至出现没有增强相的铝带,这就是造
10、成这个阶段采用铝箔作为中问层的接头强度低于直接焊接接头强度的原因:第三阶段,温度高于640时基体金属出现较多的液相.这时.随着温度的提高和液态金属的增加,基体金属的扩散能力得到进一步的提高,直接扩散焊接的接头区域会有更多的增强相/增强相接触转化为增强相/基体/增强相的结合.接头强度也会相应得到一定提高采用铝箔作为中间层的扩散焊接接头区域中,铝箔引入的多余金属逐渐扩散到母材中或被挤出焊缝,使得接头的微观组织与母材相似.进一步提高了接头的强度由于直接扩散焊接的接头区域不能完全消除增强相/增强相的接触(如图6n所示),而采用中间层扩散焊接的过程中液态金属能够很好浸润增强相,减少了裂纹源(如图6b所示
11、).所在这个阶段采用中间层扩散焊接的接头强度高于直接扩散焊接的接头强度一2.2保温时间对接头性能的影响根据试验结果可知,时问对接头性能的影响并不是一个独立的参数它是随温度以及其它焊接参数的改变而变化的.图7所示为两种扩散焊接工艺在620oc时,接头强度与焊接时间之间的关系曲线.l从图中可以看出,在保温时间较短的情况下,接头强度随保温时间的增加而提高;当保温时间达到3Onlin以后.接头强度趋于稳定.这是由于保温时间短,不利于基体金属的充分扩散,导致焊缝金属不能均匀分布以及充分润湿增强相,所以接头强度会有所降低如图8所示.为620下铝箔中间层扩散焊接保温10m和40rain所得焊缝组织.可见保温
12、10rain的情况下焊缝存在较多的金属,而保温40rain时焊缝中的金属得到了充分的扩散.b】铝箔中间层扩散焊接田6不同焊接工艺接头区域SEM组织Fig6SEMmicrographsofweldedlointatvariousweldingtechnology世趣20ryJ806040l0时日f/ntln图7接头性能与焊接时间的关系曲线Fig7RelationshipbetweenpropertiesofweldedJointandweldingtime2.3真空度影响程度随温度的变化试验全部是在低真空加热炉中进行的试验环境的真空度为1Pa左右,所以焊接过程中氧化现象比较明显.氧化现象的影响可
13、以分为两个阶段进行讨论.在温度低于600的情况下,由于没有液态金属的出现,接头变形也不充分表面与空气接触较多,氧化最严重.氧化膜对固态金属的扩散也有很大的阻碍作用,这也是该阶段接头强度很低的一个重要原因,如图9a所示断口以脆性断裂为主.当温度高于600时,达到基体的液固温度区间,液态金属的生成和挤出促进了氧化膜的破碎,较大的塑性变形造成接头的紧密接触.这就减轻了焊接处的氧76焊接第26卷(b40(T=620福叶】)图8不同保温时间下焊缝组织照片Fig8Micrographsofweldedjointatvariousweldingtime化程度所以在这个阶段,真空度的影响程度有所降低.如图9h
14、所示为620下焊接试件的拉伸断13,有部分区域在母材处发生韧性断裂随着温度的继续升高,液态金属不断增多,并在压力作用下挤出运动的液态金属促使更多氧化膜破碎,并扩散到基体中另外,更大的塑性变形进一步减轻了接头的氧化程度.所以这个阶段真空度的影响降低到更低的程度,如图9c所示为650一F焊接试件的拉伸断13,断口的大部分区域为在母材处的韧性断裂,使得接头强度得到很大提高所以在试验过程中真空度的影响程度是随着温度的升高而降低,3结论(1)在不同温度下,两种扩散焊接工艺的接头强度的变化可以分为三个阶段,在温度低于6OO的情况下,焊接工艺的机理为基体的固态扩散焊接,不能改善增强相/增强相接触;在6O05
15、40温度区问内,接头区域有少量液态金属析出,有效地改善了部分增强相/增强相的接触,使直接扩散焊接接头强度超过了采用铝箔为中间层扩散焊接接头强度;当温度高于640的时候,液态金属的增多,使得基体的扩散能力大大增强,采用中间层扩散焊接的接头区域多余的金属得到充分的扩散,使接头区域得到与基体相似的组织,从而有效地提高了其接头强度.图9不同温度下中间层扩散焊接试件断口形貌SEM照片Fig.9SEMmicrographsofinterlayerweldedspecimensfractureatvariousweldingtemperature一材灶韧性断裂:B一接头表面的脆性断裂(2)焊接时间对接头强度
16、有一定影响,但其影响规律随温度等其它焊接条件的改变而变化.通常在保温时间较短的情况下接头强度随保温时间的增加而提高;当保温时间达到某一数值后,接头强度趋于稳定.(3)低真空的试验环境使得接头表面有氧化现象,但是随温度的升高有液态金属析出,并且基体金属在一定压力下发生较大的塑性变形,造成接头紧密接触,减轻了焊接处的氧化程度.另外,液态金属的运动又促使了氧化膜的破碎,也会降低真空度对接头性能的影响.下转第80页】80焊接第26卷术,OLE技术是通过把在某个应用程序中创建的信息,传递到在另一个应用程序中创建的文档,从而在应用程序之间传输和共享信息的方法,将AutoCAD中的工艺略图文件装入CAPP的
17、OLE容器中,并据此生成工艺略图卡片,保存至数据库.数据库工艺卡wmf文件dwg文件(a)CAPP至AutoCAD(b)AutoCAD至CAPP图6CAPP和AutoCAD的接口Fig.6InterfacebetweenCAPPandAutoCAD4结论(1)通过分析国内外焊接CAPP系统的研究现状和国内多家大型制造企业的实际需求,总结了表格化焊接CAPP的特征,选定Client/Server体系结构.(2)将组织结构分为三层,分别为产品层,部件层和卡片层,据此建立了SQLServer网络数据库.(3)提出了将工艺内容和工艺卡格式分离的设计方法;将图片存人数据库,实现了文本卡片和工艺略图卡片的
18、同时管理;采用文件格式转换和对象链接嵌入技术,实现了同AutoCAD之间的双向接口.参考文献:王先逵.计算机辅助制造M.北京:清华大学出版社,l999.8687.1haraT.Visionandresearchofcomputer-aidedprocessplanning(CAPP)withaknowledgebaseformachiningJ.JSMEIntema-tionalJournal,1990,33(2):125130.WangLihui.DPP:adistributedprocessplanningapproachusingfunctionblocksA.Proceedingsof
19、theASMEdesignengineeringtechnicalconferenceC.2002.387394.GrabowikC,KnesalaR.ThemhedofknowledgerepresentationforaCAPPsystemJ.JournalofMaterialsProcessingTechnolo-gY.2003,133(12):9098.邵小英,温秋生.CAPP基础及基本原理,目前企业应用CAPP技术的现状J.计算机辅助设计与制造,2000,(3):8283.杨运强,李俊岳,刘奇能,等.计算机辅助焊接工艺设计焊接CAPPJ.焊接技术,2000,29(4):34.张崇轲,
20、袁崇福,陈丙森,等.计算机辅助装配焊接工艺设计J.焊接,2001,(6):2225.朱志平.基于Client/Server的焊接工艺文件编制与管理系统D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001.3042.YoungMichaelJ.MasteringVisualC+6.AlamedaCAM.USA:SYBEXInc,1999.787789.作者简介:刘丰,男,1981年9月出生,工学硕士.主要从事焊接工程数据库及专家系统,激光焊方面的研究工作,发表论文5篇.Email:liu_上接第76页参考文献:1刘黎明.铝基复合材料非夹层液相扩散焊接机理研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000.2uuLimin
21、g,GaoZhenkun.DongChangfu,et.Diffusionweld-ingprocessofsubmicronaluminiummatrixcompositeAl203p/6061A1J.TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2004,25(5j:8588.刘黎明,高振坤,董长富,等.亚微米级AI2O3p/6061A1铝基复合材料扩散焊接工艺J.焊接,2004,25(5):8588.3卡扎柯夫HQ.材料的扩散焊接M.北京:国防工业出版社.1984.作者简介:高振坤,男,1980年11月出生,硕士研究生.研究方向为金属基复合材料的扩散焊接工艺,发表论文2篇.EmaiI:1J1J1J1J1J1j1J二|.