CN100427259C - 一种铝锂合金的快速、低温、温差焊接方法 - Google Patents

一种铝锂合金的快速、低温、温差焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种利用控制波形脉冲电流热加工工艺升温过程中的非均匀温度场的方法来快速焊接铝锂合金材料。这种方法不仅能在较低温度、较短保温时间内完成锂铝合金材料的焊接，同时通过对电流脉冲和热扩散环境的控制，在焊接材料中形成一个焊面相对高温而基体处于一个整体低温的温度场，有效地避免了通常整体高温扩散过程对基体材料性能的破坏。与已有的制备方法相比，该方法焊接温度低、温区可控，焊接时间短，是一种简单、经济且效率高的制造层状金属复合材料的方法，在航空、航天和能源工业等方面具有重大的应用价值。

Description

一种铝锂合金的快速、低温、温差焊接方法
技术领域
本发明涉及铝锂合金的温差快速焊接方法。
背景技术
铝锂合金具有较小的原子间隙和高的比强度、优良的耐热、耐蚀性，在航空、航天领域有着非常重要的应用价值。它可用于轻质燃料的储备箱和空间飞行器的结构部件等。但是由于铝锂是一种低熔点的合金，焊接时存在着很大的困难。当前对铝锂合金焊接技术主要集中在钎焊和扩散焊接方面，从相关的研究结果看，铝锂合金的焊接温度一般在450℃以下，基体温度应控制在200℃以下，但采用上述传统焊接方法很难达到上述要求。
扩散焊[如专利CN1517169]，扩散焊利用辐射、热传导传热，焊接时间长；同时在一体化的均匀加热源作用下，焊接界面与基体都处于基本一致的温度场中，基体性能劣化明显。
电阻焊接方法[如专利CN1517169]，电阻焊利用一个大的冲击电流，将工件夹持定位，将两电极与工件压紧，放电实现焊接；在冲击电流作用下，利用瞬间的界面熔化来实现焊接。由于在界面处温度变化大，工件会出现较大变形。
因此降低材料的焊接温度，或控制基体变形和整体材料性能劣化成为铝锂合金焊接的一个主要问题。
快速低温、差温焊接方法主要利用焊接界面的电阻效应、脉冲电流对扩散过程的促进作用，通过控制脉冲电流的波形、大小，达到在低温下形成一个焊接面温度较高而基体温度较低的温度场，实现铝锂合金的快速焊接。
发明内容
本发明的目的是解决上述焊接过程中的熔化，焊接变形及基体性能劣化等问题，得到焊接性能优良而基体性能变化不大的铝锂合金结构。
本发明提出利用控制脉冲电流热加工工艺来快速焊接铝锂合金材料。脉冲电流热加工工艺，利用电流本身的焦耳热效应加热和界面上的放电活化效应促进焊接。由于界面电阻比基体电阻大很多，在大电流的驱动下会在界面处很快形成一个高温活化区，而基体的温度仍处于较低的水平；同时由于在焊接界面的接触间隙处，在焊接过程中会产生部分放电现象，焊接材料的界面原子被激活和净化，这使得焊接过程中界面上的原子在较低的温度下也能快速扩散形成焊合。
本发明的工艺流程具体实现过程详述如下：
①原料准备。
将加工好的不同尺寸铝锂合金样件或材料进行表面处理，对接触面采用不同级别水砂纸打磨；采用无水乙醇浸泡3～6h，除去表面有机物，置于0.5～1mol·l-1盐酸中浸泡1h，去除表面氧化物层，清水洗净，真空快速干燥，涂上保护剂(如煤油)并加压5～10Mpa，并保持30分钟；
②焊接准备。
将试样放入脉冲大电流加热装置中，将装置腔体抽真空小于5Pa，然后将腔体中通入纯Ar进行保护；
③保护剂除去。
以20～100℃/min的速度快速升温，加热界面温度至100～200℃，保温3～5分钟，去除样件表面保护剂；
④焊接温度控制。
控制电流大小(50～1500A)和波形(波宽0.5～60sec)，脉冲比为5∶25～10∶250；将试样界面加热到设定的温度，焊接过程中施加3～30Mpa，焊接时间为5～15分钟。由于铝锂合金熔点一般在560℃左右，因此在焊接过程中界面处温度控制在300～450℃。
⑤成品。
自然降温至80℃以下，停止Ar通入，得到成品。
本发明的特点是：
1、发明利用电流焦耳热进行体加热，升温速度快，同时具有沿界面温度高，而离开界面温度减小等特性。
2、本发明中，电流是一种波形、大小可控的周期性电流，因而在焊接过程中温度及其分布是可以调节的。
3、利用界面电阻效应和脉冲电流促进扩散的作用，使工件在不熔化的有利条件下实现焊接，并最大限度减小了界面应力。
与已有制备方法相比，本发明焊接温度低，温区可控，焊接时间短，是一种简单、经济且效率高的焊接铝锂合金的方法，在航空、航天和能源工业等方面具有重大的应用价值。
附图说明
图1：焊接工艺流程图。
图2：可控脉冲电流温差、低温快速焊接装置示意图。
图3：焊接过程中的试样温度分布控制原理图。
图4：焊接过程中的试样温度沿纵向分布示意图。
具体实施方式
实施例1：将直径为φ50mm铝锂合金1420(Al92％ Li2.0％ Mg5.1％ 0.08％Zr，熔点560℃)样件焊接面采用粗砂纸水磨、金相砂纸打磨；然后用无水乙醇浸泡3h除去表面有机物，置于1mol·l-1盐酸中浸泡1h，去除表面氧化物层，清水清洗干净，真空快速干燥，涂上保护剂煤油并加压10MPa并保持30分钟；将脉冲比为5∶25、波宽10sec的500A电流导入样品中，高纯Ar气保护，在界面温度为150℃时循环5分钟，去除表面保护剂，界面升温至400℃，加压10MPa，循环10分钟，Ar气保护降温。得到材料焊缝处强度为基体材料强度90％。
实施例2：将直径为φ100mm铝锂合金1420(熔点560℃)的棒材表面采用粗砂纸水磨、金相砂纸打磨；然后用无水乙醇浸泡6h除去表面有机物，置于1mol·l-1盐酸中浸泡1h，去除表面氧化物层，清水清洗干净，真空快速干燥，涂上保护剂并加压5MPa并保持30分钟；将脉冲比为10∶150、波宽30sec的1000A电流导入样品中，高纯Ar气保护，在界面温度为200℃时循环5分钟，去除表面保护剂煤油，界面升温至350℃，加压30MPa，循环15分钟，Ar气保护降温。得到材料焊缝处强度为基体材料强度90％。
实施例3：将直径为φ10mm铝锂合金1420(熔点560℃)的棒材表面采用粗砂纸水磨、金相砂纸打磨；然后用无水乙醇浸泡3h除去表面有机物，置于1mol·l-1盐酸中浸泡1h，去除表面氧化物层，清水清洗干净，真空快速干燥，涂上保护剂并加压5MPa并保持30分钟；将脉冲比为10∶200、波宽10sec的100A电流导入样品中，高纯Ar气保护，在界面温度为200℃时循环3分钟，去除表面保护剂煤油，界面升温至450℃，加压5MPa，循环5分钟，Ar气保护降温。得到材料焊缝处强度为基体材料强度92％。
实施例4：将直径为φ50mm铝锂合金2091(熔点530℃)样件焊接面采用粗砂纸水磨、金相砂纸打磨；然后用无水乙醇浸泡3h除去表面有机物，置于1mol·l-1盐酸中浸泡1h，去除表面氧化物层，清水清洗干净，真空快速干燥，涂上保护剂并加压10MPa并保持30分钟；将脉冲比为5∶25、波宽10sec的400A电流导入样品中，高纯Ar气保护，在界面温度为150℃时循环5分钟，去除表面保护剂煤油，界面升温至400℃，加压10MPa，循环5分钟，Ar气保护降温。得到材料焊缝处强度为基体材料强度93％。
实施例5：将直径为φ50mm铝锂合金2195(熔点500℃)的棒材表面采用粗砂纸水磨、金相砂纸打磨；然后用无水乙醇浸泡6h除去表面有机物，置于1mol·l-1盐酸中浸泡1h，去除表面氧化物层，清水清洗干净，真空快速干燥，涂上保护剂煤油并加压5MPa并保持30分钟；将脉冲比为10∶250、波宽10sec的600A电流导入样品中，高纯Ar气保护，在界面温度为200℃时循环5分钟，去除表面保护剂，界面升温至380℃，加压30MPa，循环15分钟，Ar气保护降温。得到材料焊缝处强度为基体材料强度92％。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1、一种铝锂合金材料脉冲大电流加热的快速、温差焊接方法，包括合金表面处理、可控脉冲大电流加热过程的动态非均匀温度场控制及加压焊接等步骤，其特征为将首先经过表面处理后的样品置入焊接装置中，将装置腔体抽真空小于5Pa，将50～1500A的脉冲大电流导入样品中，充入高纯Ar气保护，在100～200℃下保温3～5分钟，以去除表面保护剂；然后，控制电流大小50～1500A和波形，波宽0.5～60sec，脉冲比为5∶25～10∶250，将试样界面升温至300～450℃，加3～30Mpa压力，多个脉冲循环，焊接时间为5～15分钟，自然降温至室温，全过程Ar气保护。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在本方法中利用调节电流大小通电时间间隔及根据样品中电阻分布对样品中的温度进行设计，实现对脉冲大电流加热升温过程的非均匀温度场控制。
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