CN101497148A

CN101497148A - 一种准热等静压扩散连接装置及方法

Info

Publication number: CN101497148A
Application number: CNA2009100713474A
Authority: CN
Inventors: 曹健; 崔红军; 冯吉才; 何鹏; 李卓然; 张丽霞
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-01-24
Filing date: 2009-01-24
Publication date: 2009-08-05

Abstract

一种准热等静压扩散连接装置及方法，它涉及一种扩散连接装置及方法。本发明的目的为解决传统扩散连接不易控制连接精度，现有热等静压扩散连接需要在热等静压设备上完成的问题。装置：顶滑块和底滑块分别设置在筒体上端和下端，筒体内腔装有粉末。方法：将待连接构件的表面精加工、超声清洗；将待连接面相对叠加，用50－100μm的金属箔将对接后的侧表面包覆，用金属丝缠绕在金属箔上将其固定后埋入筒体内腔的粉末中；将装置放入扩散焊机的炉膛内，焊机上的压头直接作用在顶滑块上，加热→保温→冷却到室温。本发明采用流动粉末作为加压介质代替单一轴向加压，构件受热均匀、变形小；利用普通扩散焊机可实现复杂构件的热等静压精密扩散连接。

Description

一种准热等静压扩散连接装置及方法

技术领域

本发明涉及一种扩散连接装置及方法。

背景技术

传统扩散连接是一种精密的连接方法，是指相互接触的表面，在高温下利用轴向压力使被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散形成整体的可靠连接，为实现一次成功连接多组精密构件，需将压头7拓展为平板8，见图2，而且对平板表面平面度要求较高，构件不同区域受热不均，易引起内部应力产生焊后变形，并且单一轴向加压容易使构件产生变形(墩粗)，难以实现构件的精密连接，而现有热等静压扩散连接的方法需将待连接材料密封在包套内，用某种液体或气体介质在各个方向加力将两种材料紧密地压在一起，通过加热体的直接辐射构件进行加热，加热到熔点以下的某个温度，并保温保压一段时间，使材料通过原子间相互扩散实现连接；尽管液静压法和气静压法可用面广，优越性大，但它仍有不足之处，这种方法需要在特殊的热等静压设备上完成，在普通的扩散焊机上无法实现，并且在焊接前需要将待连接材料密封在包套内，工艺复杂，难以广泛地应用于企业的大规模生产中。

发明内容

本发明的目的是为解决传统扩散连接需将压头拓展为高精度平板，并且单一轴向加压容易使构件产生墩粗，不易控制连接精度，构件不同区域受热不均，易引起内部应力产生焊后变形，现有热等静压扩散连接需要在热等静压设备上完成，在普通的扩散焊机上无法实现的问题，提供一种准热等静压扩散连接装置及方法。

本发明的准热等静压扩散连接装置包括筒体、顶滑块、底滑块和粉末，底滑块设置在筒体的下端，顶滑块设置在筒体的上端且顶滑块的上端至少一半外露在筒体的上端面外，筒体的内腔装有粉末。

本发明的准热等静压扩散连接方法是通过以下步骤实现：一、将两个待连接构件的表面精加工、超声清洗；二、将步骤一中的两个待连接构件的表面相对叠加，用50-100μm的金属箔将对接后的侧表面包覆，并用金属丝缠绕在金属箔上将其固定后埋入筒体内腔的粉末中；三、将装有待连接构件的准热等静压扩散连接装置放入扩散焊机的炉膛内，焊机上的压头直接作用在顶滑块上，连接温度为两个待连接构件熔点的0.5～0.8倍，保温20分钟到4小时，冷却到室温，即完成两个构件的扩散连接。

本发明的优点是：一、本发明相对于传统扩散连接而言，本发明的装置在压头上省去了扩展平板，采用流动粉末作为加压介质代替单一轴向加压，将压力均匀的施加在待连接构件的各个表面，构件接头连接质量高、连接过程中构件受热均匀、连接引起的变形小、生产率高等特点；二、本发明的方法相对于通过液相或者气相加压的热等静压扩散连接而言，本发明利用普通扩散焊设备可以实现热等静压扩散连接工艺，以实现复杂构件的热等静压精密扩散连接；省去了待连接构件必须密封在包套内的工艺，从而使得工艺简单、设备成本低，扩散连接的效果接近于热等静压。三、本发明的装置和方法适用于实现多种金属自身及相互间的高效精密扩散连接，尤其适合于具有复杂结构的金属件的扩散连接。

附图说明

图1是本发明准热等静压扩散连接装置的结构示意图，图2是现有热等静压扩散连接时需要在压头上外延刚性平板的结构示意图，图3是镀银试件采用本发明准热等静压扩散连接方法所获得的连接接头微观组织形貌图，图4是镀银试件采用现有扩散连接方法所获得的连接接头微观组织形貌图，图5是镀金试件采用本发明准热等静压扩散连接方法所获得的连接接头微观组织形貌图，图6是镀金试件采用现有扩散连接方法所获得的连接接头微观组织形貌图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括筒体1、顶滑块2、底滑块3和粉末4，底滑块3设置在筒体1的下端，顶滑块2设置在筒体1的上端且顶滑块2的上端至少一半外露在筒体1的上端面外，筒体1的内腔装有粉末4。采用粉末颗粒作为加压介质，代替热等静压机的液体或气体加压，从而在普通扩散焊机上辅助相应装置利用粉末流动施加均压，实现构件的精密连接。筒体1的大小根据扩散焊机的内腔尺寸确定；使用时，首先在筒体1内放置底滑块，之后放入一定量的粉末4，放入包覆好的待连接构件，再撒入粉末4至筒体1的上沿，放置顶滑块2，轻轻压下顶滑块2使之进入筒体1内且进入的高度为顶滑块2的1/5即可。顶滑块2与底滑块3在扩散连接时保持刚性，因此沿压头轴向压实粉末4。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的筒体1、顶滑块2和底滑块3的材质为高温合金。高温合金能保证该装置在连接过程中的强度；当待连接构件所需的连接压力和温度要求的条件下，筒体1、顶滑块2和底滑块3的材质可以选用高强石墨，以节约成本。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的准热等静压扩散连接方法是通过以下步骤实现：一、将两个待连接构件的表面精加工、超声清洗；二、将步骤一中的两个待连接构件的表面相对叠加，用50-100μm的金属箔将对接后的侧表面包覆(这样是为防止粉末4在压力作用下渗入待连接面)，并用金属丝缠绕在金属箔上将其固定后埋入筒体1内腔的粉末4中；三、将装有待连接构件的准热等静压扩散连接装置放入扩散焊机的炉膛内，焊机上的压头直接作用在顶滑块2上，连接温度为两个待连接构件熔点的0.5～0.8倍，保温20分钟到4小时，冷却到室温，即完成两个构件的扩散连接。步骤二中的金属箔和金属丝的选材要考虑到不能使其在构件连接时与构件产生扩散或互溶等化学反应，同时也不能使其在构件连接时与粉末4产生扩散或互溶等化学反应。步骤三中的粉末4在轴向加压的作用下产生流动，从而实现接近于热等静压的效果；步骤三中的两个待连接构件为异种材料时，连接温度按熔点低的材料作为连接温度的取值。粉末4在填充时不可能保证其在空间上的均匀一致，不同位置的粉末颗粒松散状态的密度并不相同，这样粉末4致密的部位会受到较多的挤压，从而向松散部位流动，当粉末4的致密度基本一致时，就会将压力均匀的施加在待连接构件的各个表面，从而实现“等静压”的效果，由于粉末4在连接条件下的流动必然受到粉末颗粒自身的黏附作用以及与装置内壁的摩擦的影响，难以完全达到液体加压或者气体加压时所达到的各处压力完全相等的等静压效果，所以我们称其为“准热等静压”方式，这种方式显然要比传统扩散连接中的单一轴向加压更能保证连接精度，并且更适于制造复杂结构的构件，对于没有平齐端面或者是难于保证待连接面与压力轴垂直的构件一样可以实现高质量的连接。另外，在准热等静压装置内能够按照各种姿态放置待连接构件，并且数量上也可以较多(只要不影响到粉末的正常流动即可，见图1，第一试件5和第二试件6为采用各种姿态放置的各种复杂形状的待连接构件)，粉末颗粒作为加压介质的同时，可以同时作为导热介质，通过构件与其接触产生热传导，进而缓解温度的空间不均匀性。本发明运用粉末颗粒在轴向压力的作用下产生流动的效果，实现了对待连接构件的三向加压，摒除了由于单一轴向加压所产生的各种弊端。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的粉末4粒径在30-50μm，粉末4粒径在上述范围内能使粉末4流动均匀，从而使构件获得的轴向压力均匀。粒径过大则会导致待连接构件表面粗糙，甚至影响到构件的正常使用；粒径过小则会引起在加压过程中的颗粒粘附，影响流动性能，削弱连接效果。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的粉末4采用SiO₂、SiC、Si₃N₄或B₄C陶瓷颗粒。上述材质的陶瓷颗粒其化学性能稳定，且在构件连接时粉末4不会与构件及筒体1内壁发生化学反应。

下面举例说明步骤三中两个待连接构件的连接温度的取值：

1、当两个待连接构件为相同的金属时：如铝与铝，因铝的熔点为660℃，因此，铝与铝的连接温度为330-550℃；铜与铜，因铜的熔点为1083℃，因此，铜与铜的连接温度为540-900℃；钛与钛，因钛的熔点为1670℃，因此，钛与钛的连接温度为800-1300℃。

2、当两个待连接构件为异种金属时：其连接温度按熔点低的金属作为连接温度来取值，如铝与铜进行扩散连接时，因铝的熔点为660℃、铜的熔点为1083℃，按铝的熔点来确定连接温度，因此，铝与铜的扩散连接温度应为330-550℃。

下面结合图1举例说明本发明的准热等静压扩散连接实施过程：

1、镀银H62黄铜构件的准热等静压扩散连接：

将待连接的两H62黄铜合金表面精加工、超声清洗后进行电镀银；将待连接的两个镀银H62黄铜表面相对叠加后用镍箔将接头侧表面包覆，用钼丝将镍箔缠绕固定。首先在准热等静压装置内放置底滑块3，之后放入一定量的SiO₂粉末颗粒，颗粒度为50μm；再放入包覆好的待连接的两个镀银H62黄铜构件，再撒入SiO₂粉末颗粒至筒体1的上沿，放置顶滑块2，轻轻压下少许高度；将整个装置放入扩散焊机的炉膛内，用焊机压头压住顶滑块2进行扩散连接，连接温度为500℃，保温时间30min，连接压力1Mpa，冷却到室温，即完成两个镀银H62黄铜构件的扩散连接。将上述两个镀银H62黄铜构件的扩散连接与相同参数下进行传统扩散连接的试验相对比：两种不同方式得到的接头微观形貌见图3和图4，图4中焊缝界面存在较多的未焊合孔洞，图3中焊缝界面未发现未焊合缺陷，组织致密；可见准热等静压方式获得的接头比传统扩散连接方式获得的接头更光滑，界面焊接结合率更高。采用准热等静压方式(粉体流动的方式)进行连接获得的接头试件变形小于0.11％，抗剪强度可达到175Mpa，而现有单一轴向加压方式进行连接获得的接头试件变形小于0.13％(之所以变形不大是因为连接压力较小，但此时的界面结合率并未达到100％)，抗剪强度仅达到78Mpa。

2、镀金H62黄铜构件的准热等静压扩散连接：

将待连接的两H62黄铜合金表面精加工、超声清洗后进行电镀金；将待连接的两个镀金H62黄铜表面相对叠加后用镍箔将接头侧表面包覆，用钼丝将镍箔缠绕固定。首先在准热等静压装置内放置底滑块3，之后放入一定量的SiO₂粉末颗粒，颗粒度为50μm；再放入包覆好的待连接的两个镀金H62黄铜构件，再撒入SiO₂粉末颗粒至筒体1的上沿，放置顶滑块2，轻轻压下少许高度；将整个装置放入扩散焊机的炉膛内，用焊机压头压住顶滑块2进行扩散连接，连接温度为500℃，保温时间20min，连接压力1Mpa，冷却到室温，即完成两个镀金H62黄铜构件的扩散连接。将上述两个镀金H62黄铜构件的扩散连接与相同参数下进行传统扩散连接的试验相对比：两种不同方式得到的接头微观形貌见图5和图6，图6中焊缝界面存在较多的未焊合孔洞，图5中焊缝界面未发现未焊合缺陷，组织致密；可见准热等静压方式获得的接头比传统扩散连接方式获得的接头更光滑，界面焊接结合率更高。采用准热等静压方式(粉体流动的方式)进行连接获得的接头试件变形小于0.14％，抗剪强度可达到205Mpa，而现有单一轴向加压方式进行连接获得的接头试件变形小于0.17％，抗剪强度仅达到84Mpa。

Claims

1、一种准热等静压扩散连接装置，它包括筒体(1)、顶滑块(2)和底滑块(3)，底滑块(3)设置在筒体(1)的下端，顶滑块(2)设置在筒体(1)的上端且顶滑块(2)的上端至少一半外露在筒体(1)的上端面外，其特征在于：它还包括粉末(4)，筒体(1)的内腔装有粉末(4)。

2、根据权利要求1所述的一种准热等静压扩散连接装置，其特征在于：所述的筒体(1)、顶滑块(2)和底滑块(3)的材质为高温合金。

3、一种利用权利要求1所述装置的准热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：一、将两个待连接构件的表面精加工、超声清洗；二、将步骤一中的两个待连接构件的表面相对叠加，用50-100μm的金属箔将对接后的侧表面包覆，并用金属丝缠绕在金属箔上将其固定后埋入筒体(1)内腔的粉末(4)中；三、将装有待连接构件的准热等静压扩散连接装置放入扩散焊机的炉膛内，焊机上的压头直接作用在顶滑块(2)上，连接温度为两个待连接构件熔点的0.5～0.8倍，保温20分钟到4小时，冷却到室温，即完成两个构件的扩散连接。

4、根据权利要求3所述的一种准热等静压扩散连接方法，其特征在于：步骤二中的粉末(4)粒径在30-50μm之间。

5、根据权利要求3或4所述的一种准热等静压扩散连接方法，其特征在于：步骤二中的粉末(4)采用SiO₂、SiC、Si₃N₄或B₄C陶瓷颗粒。