[发明专利]一种纯Zn作为中间反应材料层的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的超声辅助焊接方法

摘要

本发明公开了一种纯Zn作为中间反应材料层的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的超声辅助焊接方法，待焊接母材为40％‑55％碳化硅颗粒增强铝基复合材料，根据中间反应材料层的设计条件筛选出纯锌箔为中间反应材料层，选用纯锌箔作为中间反应材料层有利于降低焊接温度，更易于获得全SiC颗粒增强的α‑Al固溶体接头。在合适超声时间和连接温度的情况下，结合本发明“一次超声连接，二次超声保温”的工艺方法，获得全SiC颗粒增强的α‑Al固溶体接头，无需钎料辅助在大气环境下完成焊接，绿色环保，本焊接时间短，接头力学性能高，焊接效果好。

主权项

1.一种纯Zn作为中间反应材料层的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的超声辅助焊接方法，包括待焊接母材和中间反应材料层，待焊接母材选用40％‑55％碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：包括以下步骤，中间反应材料层筛选步骤，条件一，中间反应材料层的熔化温度低于待焊接母材熔点195‑205℃，或中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的共晶温度低于待焊接母材熔点150‑300℃，条件二，中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的固溶度最大值至少达到10％，条件三，中间反应材料层主要元素的原子半径与待焊接母材中的原子半径差最大不超过50pm，条件四，中间反应材料层主要元素与待焊接母材之间的电极电位差至多在‑0.8V以内，中间反应材料层至少满足以上四个条件中的三个条件，根据以上条件，选用中间反应材料层为纯锌箔，选用膜状或片状的纯锌箔作为中间反应材料层；表面处理步骤，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，将中间反应材料层夹持在两个待焊接母材的焊接界面之间，中间反应材料层与待焊接母材的焊接界面接触，待焊接组件组装完成；上机固定步骤，将待焊接组件放置在超声焊接设备的加工平台，并使超声工具头压紧在待焊接组件的上部；将超声工具头向待焊接组件纵向方向施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa；破除氧化膜与增强相释放步骤，通过超声工具头将焊接超声传导至待焊接组件，对待焊接组件进行加载超声及感应加热，焊接超声的功率控制在200‑500W，焊接超声的频率控制在10‑30kHz，同时通过感应加热设备升温中间反应材料层，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz，将中间反应材料层的反应温度控制在395‑405℃，超声工具头对待焊接组件施加焊接超声，待焊接母材的氧化膜发生破碎，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的物理状态为半固态，待焊接母材与中间反应材料层发生溶解，待焊接母材与中间反应材料层之间形成固液界面，生成液相形成连接区，待焊接母材与中间反应材料层发生共晶反应，反应式为L→α‑Al+η‑Zn，生成α‑Al固溶体，待焊接母材发生溶解，使待焊接母材中的SiC颗粒发生脱离，SiC颗粒进入连接区，待焊接母材的氧化膜在焊接超声作用下被挤出所述待焊接组件，待焊接母材与中间反应材料层的实现初步焊接；增强相的再分布步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200‑500W，焊接超声的频率控制在10‑30kHz，同时通过感应加热设备升温中间反应材料层，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度控制在425‑465℃，中间反应材料层的物理状态为液态，α‑Al固溶体生长于连接层，中间反应材料层全部转化为连接层，待焊接母材中的SiC颗粒分布于连接层，得到全SiC颗粒增强的α‑Al固溶体接头，待焊接组件等温凝固完成；其中，在破除氧化膜与增强相释放步骤中，对待焊接组件施加焊接超声作用时间为8‑12秒，在增强相的再分布步骤中，对待焊接组件施加焊接超声的时间为115‑215秒；完成焊接组件步骤，对中间反应材料层取消保温和对待焊接组件取消焊接超声波，保持对待焊接组件施加压力，在大气环境中冷却至室温，得到焊接成品。