CN100584501C - 采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于泡沫金属的焊接领域，公开了一种采用可发泡钎料进行焊接泡沫铝及铝合金的方法，步骤为：1.通过熔体发泡法制备球形孔泡沫铝合金坯料作为可发泡的焊接钎料；2.选择将要焊接的泡沫铝及铝合金，加工为合适尺寸并洗净烘干；3.按照将要焊接的泡沫铝及铝合金的外形尺寸设计钢制密封模具；4.切割3～10mm厚的钎料与待焊接泡沫铝及铝合金接头置入密封模具中固定，并在两端施加0.5～4MPa压力；5.加热密封模具中泡沫铝及合金之间的可发泡钎料层钎料开始二次发泡，钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接；6.拆除钢制模具并将溢出的可发泡钎料清除，得到泡沫铝及合金焊接结构件。
Description
技术领域
本发明涉及泡沫铝及铝合金的焊接领域，特别涉及采用一种可发泡钎料进行泡沫铝及铝合金焊接的方法。
背景技术
泡沫铝是以铝或铝合金为基体，包含大量孔隙的一种新型超轻型多孔金属，结构(孔径、孔隙率、基体合金)可调，闭孔泡沫铝孔隙率可以在50％-95％很大范围内变化。，具有轻质ρ＜1、高比强度、高阻尼及高能量吸收等突出性能，同时又具备隔声、隔热、阻燃、阻尼、冲击能量吸收和电磁屏蔽等多种特性，实现了结构材料的轻质多功能化，因而具有广泛的应用前景。特别在航天航空等高技术领域，高孔隙率泡沫铝及合金作为超轻材料已成为国际材料研究的前沿热点。随着应用的日益广泛，泡沫铝及铝合金的连接技术特别是焊接技术重要性凸显。以孔隙为特征的泡沫金属采用常规的焊接方法难以完成连接，因此必须发展新的工艺方法来进行焊接。
发明内容
针对现有焊接泡沫铝及铝合金的方法存在的缺点，本发明公开了一种采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，本方法可以焊接不可二次发泡的各种泡沫铝及铝合金，焊接强度好。
本发明的技术方案为：
一种采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，步骤为：第一步：制备可发泡钎料：将相当于铝合金重量的0.2～9％的钙和1～6％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入670～720℃铝合金熔体中通过搅拌桨在600～1200rpm下进行6～15min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1～1.0％的可发泡钎料。所述的可发泡钎料采用的铝合金为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金中的一种。
第二步：将待焊接的泡沫铝及铝合金，加工为需要尺寸并洗净烘干；待焊泡沫铝及和铝合金表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20～40％HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干。待焊接泡沫铝及铝合金的成分是纯铝、铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金中的一种或者几种。
第三步：按照待焊接的泡沫铝及铝合金的外形尺寸制作钢制密封模具，确保可以完全密闭包覆可发泡钎料及待焊接泡沫铝及铝合金接头部分；
第四步：切割尺寸为3～10mm厚度的可发泡钎料与待焊接泡沫铝及铝合金接头置入密封模具中固定，并在两端施加0.5～4Mpa的压力；
第五步：采用氧乙炔或液化石油气火焰加热温度为700～900℃，加热密封模具中泡沫铝及合金间的可发泡钎料层2～4min，当钎料成为半固态时逐渐铺展，同时开始二次发泡，钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接。当钎料溢出时停止加热。
第六步：拆除钢制模具并将溢出的可发泡钎料清除，得到泡沫铝及合金焊接结构件。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用增黏发泡剂的方法制备可发泡钎料，将钙和氢化钛粉混合并搅拌均匀制成增黏发泡剂，由于铝合金熔体未提前进行增黏，氢化钛粉末极易在670～720℃熔体中均匀分散。采用合适的工艺参数：600～1200rpm下进行6～15min的增黏发泡，既保证了有适当的黏度防止氢化钛下沉至底部，又能保证氢化钛粉均匀分散在铝合金熔体中，形成可发泡钎料。
2.本发明采用增黏发泡剂的方法制备可发泡钎料，简化了工艺步骤，将增黏和发泡通过一次搅拌同步完成，而现有熔体发泡技术要采用低速增黏，高速搅拌发泡二个步骤，同时可以将制备可发泡钎料时间缩短，降低成本。
3.本发明采用可钎料成分为铝合金，与本体成分相同或者相近，钎焊最高温度为870℃，因此钎缝可以耐受较高温度。与常规粘接和低温钎焊连接相比，具有耐高温的优势。
4.本发明采用可发泡钎料，通过调整火焰状态可以使钎料充分二次泡沫化，利用钎料的熔化铺展，最终冷却使可发泡钎料在泡沫铝及铝合金之间凝固，从而实现了泡沫铝及铝合金之间的冶金结合。
5.本发明采用可发泡钎料进行泡沫铝及铝合金的焊接，形成的焊缝同样具有孔隙结构，保持了泡沫铝及铝合金多孔结构的一致性，未形成其他焊接方法连接造成的不同厚度界面层，对泡沫铝合金导电，传热等性能影响较小。
6.采用本发明的方法可以焊接具有不同孔隙率，梯度孔隙率或不同孔径的泡沫铝及铝合金。
7.本发明由于实现了泡沫铝及铝合金的冶金接合，钎缝化学性质与泡沫铝本体极为相近，钎缝宽度可根据实际需要任意调整，表面在高温作用下仍可以形成致密氧化膜，因此具有耐腐蚀，耐油浸的特点。
8.本发明是金属间的接合，与粘接相比，不存在紫外线等空间射线条件下的老化问题，连接可靠，可直接应用于工作环境。
9.本发明的焊接工艺简单、成本低，容易实现自动化、效率高。
附图说明
图1为超轻泡沫铝及铝合金的采用可发泡钎料进行了焊接的示意图，其中1为可发泡钎料，2为待焊接泡沫铝，3为钢制模具。
图2为焊接件的机械连接方式。
图3为焊接件的扩散连接方式。
图4为X-CT观察下的焊接接头，由图可见接头无明显过渡界面。
图5为不同孔隙率焊接件与本体的抗拉强度对比
具体实施方式
发明原理：
本发明是利用可发泡钎料中含有的未分解的TiH2在加热焊接过程中二次分解产生驱动力，通过固、液、气三相的共同作用完成焊接。
泡沫铝及铝合金焊接界面反应层结合机理：①泡沫铝或铝合金相互机械连接。如图2所示，由于泡沫金属材料界面特殊的孔洞结构，在二次发泡过程中，界面处的泡沫在挤压的作用下移动，胞壁变形、运动相互重叠，快速冷却后表现为相互咬合的机械连接方式。②泡沫铝合金相互扩散溶解连接。泡沫铝或铝合金二次发泡过程中，通过固、液、气三相的复合作用，含有大量无序气泡的半固态铝或铝合金体积膨胀，在有限的密闭空间挤压作用下钎料与泡沫铝或合金开始充分接触，界面的冶金结合是通过界面层上固体的局部熔化和原子扩散的物理冶金过程实现的，由于泡沫铝或铝合金坯料属于铝基合金，只需较短时间的高温扩散便能在泡沫铝合金坯料接触表面两侧进行充分润湿迅速铺展，如图3所示，随着二次发泡时间增长，扩散熔解更为明显。
如图4所示，随着保温的进行，界面孔洞的相互咬合连接，液相的对流，迁移促使焊接区域成分继续均匀化，激冷后形成无明显界面的泡沫铝合金焊接结合件。通过CMT5105电子万能试验机上测试焊接件的室温抗拉强度，拉伸速率0.5mm/s，室温20℃。如图5所示，结果显示泡沫铝合金界面焊接强度理想，并随着孔隙率的升高而更接近本体强度，当焊接件孔隙率为75.3％时，接头强度达到本体强度的81％。
本发明的实现是：一种采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，步骤为：第一步：制备可发泡钎料：将相当于铝合金重量的0.2～9％的钙和1～6％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入670～720℃铝合金熔体中通过搅拌桨在600～1200rpm下进行6～15min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1～1.0％的可发泡钎料。所述的可发泡钎料采用的铝合金为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金中的一种。
第二步：将待焊接的泡沫铝及铝合金，加工为需要尺寸并洗净烘干；待焊泡沫铝及和铝合金表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20～40％HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干。待焊接泡沫铝及铝合金的成分是纯铝、铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金中的一种或者几种。
第三步：按照待焊接的泡沫铝及铝合金的外形尺寸制作钢制密封模具，如图1所示，确保钢制模具3可以完全可以完全密闭包覆可发泡钎料1及待焊接泡沫铝或铝合金2的接头部分；
第四步：切割尺寸为3～10mm厚度的可发泡钎料与待焊接泡沫铝及铝合金接头置入密封模具中固定，并在两端施加0.5～4Mpa的压力；
第五步：采用氧乙炔或液化石油气火焰加热温度为700～900℃，加热密封模具中泡沫铝及合金间的可发泡钎料层2～4min，当钎料成为半固态时逐渐铺展，同时开始二次发泡，钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接。当钎料溢出时停止加热。
第六步：拆除钢制模具并将溢出的可发泡钎料清除，得到泡沫铝及合金焊接结构件。
实施例1一种泡沫纯铝的焊接
第一步：将相当于铝硅合金重量的0.2％的钙和1％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入670℃铝硅合金熔体中通过搅拌桨在600rpm下进行6min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1％的可发泡钎料。
第二步：采用线切割将孔隙率为67.8％，孔径为2.1mm的泡沫铝加工出两个直径为6cm的泡沫铝圆棒，将其表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20％的HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干；
第三步：加工内径为6cm，长度为4cm的钢制套筒，
第四步：将制备好的可发泡钎料切割为直径6cm，厚度为5mm的圆片状；将切割好的可发泡钎料置入待焊接泡沫铝圆棒接头之间并用套筒密封固定并在两端施加0.5Mpa的压力；
第五步：采用氧乙炔或者液化石油气火焰加热套筒内待焊接泡沫铝的前缘和泡沫铝圆棒间的钎料层，当钎料的温度达到700～900℃时，当钎料成为半固态时逐渐铺展，同时开始二次发泡，钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接。当钎料溢出时停止加热，整个过程约为2～4min。
第六步：将步骤五焊接好的泡沫铝棒从钢制套筒中取中，最后切割去除溢出的可发泡钎料则完成泡沫铝圆棒焊接。
实施例2一种泡沫铝硅合金的焊接
第一步：将相当于铝硅合金重量的9％的钙和6％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入720℃铝铜合金熔体中通过搅拌桨在1200rpm下进行15min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为1％的可发泡钎料。
第二步：采用线切割将孔隙率为77.6％，孔径为2.5mm的泡沫铝硅合金加工两个截面为5×5cm的泡沫铝硅合金长方体，将其表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为40％HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干；
第三步：加工内截面为5×5cm，长度为4cm的钢制套筒，
第四步：将制备好的可发泡钎料切割成截面为5×5cm，厚度为6mm的小方块状；将切割好的可发泡钎料置入待焊接泡沫铝硅合金接头之间并用套筒密封固定并在两端施加4Mpa的压力；
第五步：采用氧乙炔或者液化石油气火焰加热套筒内待焊接泡沫铝硅合金的前缘和泡沫铝硅合金间的钎料层，当钎料的温度达到700～900℃，钎料开始二次发泡并熔化铺展，钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接。当钎料溢出时停止加热，整个过程约为2～4min。
第六步：将步骤五焊接好的泡沫铝硅合金从钢制套筒中取中，最后切割去除溢出的可发泡钎料则完成泡沫铝硅合金的焊接。
实施例3一种泡沫铝镁合金板的焊接
第一步：将相当于铝锌合金重量的3.2％的钙和3％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入700℃铝硅合金熔体中通过搅拌桨在1000rpm下进行10min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.6％的可发泡钎料。
第二步：采用线切割将孔隙率为80.7％，孔径为2.9mm的泡沫铝镁合金加工两块截面为3×20cm的泡沫铝镁合金板，将其表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20～40％HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干；
第三步：加工内截面为3×20cm，长度为4cm的钢制套筒
第四步：将制备好的可发泡钎料切割为截面为3×20cm，厚度为10mm的长方块状；，将切割好的可发泡钎料置入待焊接泡沫铝镁合金板接头之间并用套筒密封固定并在两端施加的2Mpa压力；
第五步：采用氧乙炔或者液化石油气火焰加热套筒内待焊接泡沫铝镁合金板的前缘和泡沫铝镁合金板间的钎料层，当钎料的温度达到770℃，钎料开始发泡并熔化铺展钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接。当钎料溢出时停止加热，整个过程约为2～4min。
第六步：将步骤五焊接好的泡沫铝合金板从钢制套筒中取中，最后切割去除溢出的可发泡钎料则完成泡沫铝镁合金板的焊接。
实施例4一种梯度孔隙率泡沫铝的焊接
第一步：将相当于铝铜合金重量的0.2％的钙和1％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入670℃铝硅合金熔体中通过搅拌桨在600rpm下进行6min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1％的可发泡钎料。
第二步：采用线切割将平均孔隙率78.7％，孔径为2.4mm的梯度孔隙率泡沫铝加工两个直径为35cm，长为10cm的泡沫铝合金圆棒，将其表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20～40％HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干；
第三步：加工内径为35cm，长度为4cm的钢制套筒，
第四步：将制备好的可发泡钎料切割直径为35cm，厚度为6mm的圆片状；将切割好的可发泡钎料置入待焊接泡沫铝合金板接头之间并用套筒密封固定并在两端施加4Mp的压力；
第五步：采用氧乙炔或者液化石油气火焰加热套筒内待焊接泡沫铝圆棒的前缘和泡沫铝间的可发泡钎料层，当钎料的温度达到700～900℃，钎料开始发泡并熔化铺展直至完全焊接好；
第六步：将步骤五焊接好的泡沫铝合金板从钢制套筒中取中，最后切割去除溢出的可发泡钎料则完成泡沫铝合金板的焊接。
实施例5一种不同孔隙泡沫铝及合金的焊接
第一步：将相当于铝铜合金重量的0.2％的钙和1％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入670℃铝铜合金熔体中通过搅拌桨在600rpm下进行6min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1％的可发泡钎料；
第二步：采用线切割设备分别将孔隙率为67.8％，孔径为2.1mm的泡沫铝和孔隙率为76.9％，孔径为2.4mm的泡沫铝铜合金加工成直径为6cm的泡沫铝及合金圆棒，将其表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20％的HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干；
第三步：加工内径为6cm，长度为4cm的钢制套筒；
第四步：将制备好的可发泡钎料切割为直径6cm，厚度为5mm的圆片状；将切割好的可发泡钎料置入待焊接泡沫铝及泡沫铝合金圆棒接头之间并用套筒密封固定并在两端施加0.5Mpa的压力；
第五步：采用氧乙炔或者液化石油气火焰加热套筒内待焊接泡沫铝及合金的前缘和泡沫铝圆棒间的钎料层，当钎料的温度达到700～900℃时，当钎料成为半固态时逐渐铺展，同时开始二次发泡，钎料与母材相互浸润扩散并且通过相互咬合的孔洞实现连接。当钎料溢出时停止加热，整个过程约为2～4min；
第六步：将步骤五焊接好的泡沫铝及合金棒从钢制套筒中取中，最后切割去除溢出的可发泡钎料则完成不同孔隙率，不同孔隙及不同铝基体泡沫铝及合金圆棒焊接。
Claims (5)
1.一种采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，其特征在于步骤为：
第一步：制备可发泡钎料：通过熔体发泡法制备孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1～1.0％的球形孔泡沫铝合金坯料作为可发泡钎料；
第二步：将待焊接的泡沫铝及铝合金加工为需要尺寸并洗净烘干；
第三步：按照待焊接的泡沫铝及铝合金的外形尺寸制作钢制密封模具；
第四步：切割尺寸为3～10mm厚度的可发泡钎料与待焊接泡沫铝及铝合金接头置入密封模具中，固定钢制密封模具包裹可发泡钎料及待焊接泡沫铝及铝合金接头，并在两端施加0.5～4Mpa的压力；
第五步：在700～900℃下加热密封模具中泡沫铝及铝合金间的可发泡钎料层2～4min直至液态可发泡钎料从模具缝隙中溢出，焊接结束；
第六步：拆除钢制密封模具并将溢出的可发泡钎料清除，得到泡沫铝及铝合金焊接结构件。
2.根据权利要求1所述的采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，其特征在于所述的制备可发泡钎料的步骤为：将相当于铝合金重量的0.2～9％的钙和1～6％的氢化钛粉混合并搅拌均匀制成混合增黏发泡剂，将铝合金加热至完全熔化，再将混合增黏发泡剂加入670～720℃铝合金熔体中在600～1200rpm下搅拌进行6～15min的增黏发泡，并使未分解的氢化钛粉均匀分布在熔体中，将其进行水冷，40s内冷却至室温，获得孔隙率为35～70％、未分解的氢化钛的质量分数为0.1～1.0％的可发泡钎料。
3.根据权利要求2所述的采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，其特征在于所述的可发泡钎料采用的铝合金为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，其特征在于待焊泡沫铝及铝合金表面先用煤油清洗，然后用水洗净后再用质量浓度为20～40％HNO3溶液清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，烘干。
5.根据权利要求1所述的采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法，其特征在于待焊接泡沫铝及铝合金的成分是纯铝、铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金中的一种或者几种。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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