CN101954540A - 一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泡沫铝的焊接方法，首先对泡沫铝材料进行除锈去油处理，然后对泡沫铝焊接界面和Al4004箔材打磨露出新鲜金属，并在超声波仪器中除去杂质后烘干，将Al4004箔材置于两块泡沫铝连接界面之间，用固定夹具夹紧，夹紧压力为10MPa，再把结构为泡沫铝，Al4004箔材，泡沫铝的连接件放入无需真空环境和气体保护气氛的加热炉内加热，在580-700℃时保温20-90分钟，最后随炉冷却20-180分钟，温度降至220-560℃取出空冷，去掉夹具即得到连接良好的泡沫铝结构件。本发明具有焊接界面组织均匀、抗剪强度可达8-10MPa、耐热性好、焊接面热影响区小、无残余应力等优点；且工序简单，成本较低。

Description

一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种泡沫铝材料的焊接方法。

背景技术

闭孔泡沫铝作为一种新型的功能材料，以其独特的结构和性能，而具有广阔的应用前景。由于泡沫铝的孔隙率高，比表面积大，密度很低，具有吸音、隔热、减震、吸能如屏蔽电磁波等特性，可以用于制作低重量、高硬度和抗弯曲的结构稳定的构件；缓冲性能好，可以用于汽车保险杠、前身、行李箱以及高速公路的护栏等；用于装饰材料可以阻燃，还可用于过滤或透气，如压缩空气的过滤、各种气体、水溶液、油类及金属熔体的过滤，也可用于散热器。

目前，国内外已有的泡沫铝连接技术，主要采用钎焊技术或二次发泡技术。

钎焊法连接泡沫铝，首先要采用自制的中间层钎料，在加热过程中，第一阶段在低温时抽真空，第二阶段在充满氮气保护下加热至595-605℃保温3-6分钟，该方法连接的泡沫铝（孔隙率为75%）接头抗剪强度在 0.9MPa左右。如东南大学的何德坪等采用自制中间钎料和钎剂，在带氮气保护的真空炉内焊接闭孔泡沫铝，其工序复杂，成本较高。

二次发泡法连接泡沫铝，不需要中间层材料，加热过程分为两步：在300-650℃预热一段时间，然后升至高温650-1200℃保温5-50分钟进行二次泡沫化连接，该方法焊接后的抗剪强度大约是泡沫铝基体材料的90%。如何德坪等人采用高温二次发泡技术来连接泡沫铝，但由于连接界面孔隙率对焊接影响较大，使得该技术应用受到限制。

以上两种方法各有缺陷，第一种保温时间过短，不利于界面层成分扩散和均匀化凝固；第二种方法将泡沫铝基体加热至高温时，对材料自身强度和塑性造成很大破坏。但到目前为止，尚未见关于泡沫铝瞬间液相扩散焊接技术的文献。

发明内容

本发明针对当前存在的技术问题，提供了一种泡沫铝材料焊接方法的技术方案：

选用与泡沫铝材料成分相似的Al4004金属箔材作为连接中间层，加热至Al4004金属箔熔化的温度，使其首先发生活化反应，分解出活性Si原子迅速扩散到与泡沫铝相接触的界面，一方面激活该界面上泡沫铝的Si、Ti、Mg等原子，另一方面，促进上述各原子间相互扩散反应，生成新相，从而使泡沫铝与中间层金属箔界面形成扩散反应层，实现泡沫铝的冶金结合。在保温过程中，随扩散反应的进行，中间层液相成分改变，熔点不断提高，此时中间层液相开始等温凝固。在后续过程中，各元素进一步扩散，结合面成分趋于均匀化，最后完成泡沫铝之间的连接。

该方案无需自制钎焊材料，因而简单易行、加工成本低廉，即可获得规格多样，且结合强度高、力学性能优良的焊接泡沫铝产品。

 本发明所提供的泡沫铝的焊接方法，其特征在于按如下步骤进行：

（1）材料处理：对上、下泡沫铝材料界面进行去除油渍及氧化皮处理，然后对上、下泡沫铝材料焊接界面和中间层铝箔进行打磨，之后用超声波振荡清除杂质，烘干；再将上、下泡沫铝材料和中间层铝箔，用夹具固定，形成结构为：上泡沫铝材料，中间层铝箔和下泡沫铝材料的连接件，并对连接件施加10MPa的压力；

（2）等温加热：将上述连接件放置在加热炉内温度升至580-700℃，保温20-90分钟；

（3）冷却：将上述等温加热的连接件随炉冷却20-180分钟后取出，温度降至220-560℃，放置于空气中冷却至室温，去掉夹具。

上述的中间层箔为铝合金Al4004，其组成按重量百分比为：Al：86～88.5%、Si：9.0～10.5%、Mg：1.0～2.0%、Cu：0.50～1.3%、Fe：0.8%，其厚度为50μm。上述的泡沫铝的组成按重量百分比为：Al：87.5%、Si：12.5%。上述的去除油渍采用10%体积分数的NaOH溶液浸泡1分钟，然后用10%体积分数的HCl溶液浸泡1分钟中和。上述的烘干是在温度为80℃真空度为负0.09MPa的真空箱中对上、下泡沫铝材料及中间层铝箔烘干100分钟。 

本发明与现有技术相比较，具有的特点和产生的有益效果是：

 （1）本发明由于采用与待连接泡沫铝成分相近的中间层材料以及低温瞬间液相连接技术，连接后中间界面过渡区成分与基体一致；

（2）泡沫铝瞬间液相扩散焊接温度较钎焊熔化温度低，焊接过程中对待连接泡沫铝基体的组织和性能影响小，焊接面热影响区小；

（3）在瞬间液相扩散焊连接等温凝固中因扩散效果，泡沫铝基体与中间层之间显微组织均匀，因此，其连接界面的结合强度比一般钎焊界面高

（4）由于中间层熔化，在多孔隙连接界面上铺展，起到良好的过渡界面层作用，使得连接的孔隙壁面积增大，有效避免了泡沫铝多孔隙的不利影响；

（5）本发明无需对焊接界面进行精加工，只要去除油污及氧化层即可，简化了工序；

（6）本发明无需对扩散焊接过程充氮气保护气氛，不需要真空环境，设备简单，成本较低；

（7）本发明采用商业Al4004金属箔，无需自制焊接材料，显著减少了工作量；

（8）本发明将待连接泡沫铝材料整体加热，受热均匀，且冷却过程缓慢，有效避免了焊后材料的残余应力；

（9）本发明是将泡沫铝材料整体加热至Al-Si共晶温度左右，因此连接后的结构件具有耐高温性能。

附图说明

图1为模具装卡示意图，其中，1上夹板，2螺栓，3下夹板，4夹紧螺母，5下泡沫铝材料，6中间层Al4004金属箔，7上泡沫铝材料；

图2为泡沫铝材料的连接界面SEM组织形貌图。

具体实施方式

实施例1：本发明的泡沫铝材料瞬间液相扩散焊连接方法是：

中间层箔为铝合金Al4004，其组成按重量百分比为：Al：86～88.5%、Si：9.0～10.5%、Mg：1.0～2.0%、Cu：0.50～1.3%、Fe：0.8%，其厚度为50μm。泡沫铝的组成按重量百分比为：Al：87.5%、Si：12.5%；

（1）将待连接泡沫铝表面进行除锈去油处理，用10%体积分数的NaOH溶液浸泡1分钟除氧化物及杂质，然后用10%体积分数的HCl溶液浸泡1分钟中和，用砂纸打磨待连接泡沫铝的焊接界面和中间层材料Al4004箔材（市销产品），将处理好的泡沫铝和Al4004箔材放置超声波仪器中震荡30分钟除去杂质，最后放置真空度为负0.09MPa的真空箱中在80℃下干燥100分钟；

（2）将Al4004金属箔材置于两块泡沫铝的待焊表面之间，组合成泡沫铝，Al4004金属箔和泡沫铝夹层结构后，在焊接卡具中固定夹紧，并对连接件施加10MPa的压力，此压力通过扳手扭矩确定（如图1所示）；

（3）将加热炉温度升至580℃，然后将焊接试样放置炉内，保温20分钟，随后在炉内冷却20分钟，温度降至500℃，再取出空冷至室温；

（4）取下螺栓等卡具，即可得到瞬间液相连接的泡沫铝材料。

经检测连接的泡沫铝材料界面抗剪强度达到8MPa。

实施例2：本发明的泡沫铝材料瞬间液相扩散焊连接方法是：

中间层箔为铝合金Al4004，其组成按重量百分比为：Al：86～88.5%、Si：9.0～10.5%、Mg：1.0～2.0%、Cu：0.50～1.3%、Fe：0.8%，其厚度为50μm。泡沫铝的组成按重量百分比为：Al：87.5%、Si：12.5%； 

（1）将待连接泡沫铝表面进行除锈去油处理，用10%体积分数的NaOH溶液浸泡1分钟除氧化物及杂质，然后用10%体积分数的HCl溶液浸泡1分钟中和，用砂纸打磨待连接泡沫铝的焊接界面和中间层材料Al4004箔材（市销产品），将处理好的泡沫铝和Al4004箔材放置超声波仪器中震荡30分钟除去杂质，最后放置真空度为负0.09MPa的真空箱中在80℃下干燥100分钟；

（2）将Al4004金属箔材置于两块泡沫铝的待焊表面之间，组合成泡沫铝，Al4004金属箔和泡沫铝夹层结构后，在焊接卡具中固定夹紧，并对连接件施加10MPa的压力，此压力通过扳手扭矩确定（如图1所示）；

（3）将加热炉温度升至700℃，然后将焊接试样放置炉内，保温90分钟，随后在炉内冷却180分钟，温度降至360℃，再取出空冷至室温；

（4）取下螺栓等卡具，即可得到瞬间液相连接的泡沫铝材料。

经检测连接的泡沫铝材料界面抗剪强度达到9MPa。

实施例3：本发明的泡沫铝材料瞬间液相扩散焊连接方法是：

中间层箔为铝合金Al4004，其组成按重量百分比为：Al：86～88.5%、Si：9.0～10.5%、Mg：1.0～2.0%、Cu：0.50～1.3%、Fe：0.8%，其厚度为50μm。泡沫铝的组成按重量百分比为：Al：87.5%、Si：12.5%；

（1）将待连接泡沫铝表面进行除锈去油处理，用10%体积分数的NaOH溶液浸泡1分钟除氧化物及杂质，然后用10%体积分数的HCl溶液浸泡1分钟中和，用砂纸打磨待连接泡沫铝的焊接界面和中间层材料Al4004箔材（市销产品），将处理好的泡沫铝和Al4004箔材放置超声波仪器中震荡30分钟除去杂质，最后放置真空度为负0.09MPa的真空箱中在80℃下干燥100分钟；

（2）将Al4004金属箔材置于两块泡沫铝的待焊表面之间，组合成泡沫铝，Al4004金属箔和泡沫铝夹层结构后，在焊接卡具中固定夹紧，并对连接件施加10MPa的压力，此压力通过扳手扭矩确定（如图1所示）；

（3）将加热炉温度升至650℃，然后将焊接试样放置炉内，保温50分钟，随后在炉内冷却80分钟，温度降至430℃，再取出空冷至室温；

（4）取下螺栓等卡具，即可得到瞬间液相连接的泡沫铝材料。

经检测连接的泡沫铝材料界面抗剪强度达到10MPa。

Claims (4)

1.一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法，其特征在于按如下步骤进行：

步骤一：材料处理：对上、下泡沫铝材料界面进行去除油渍及氧化皮处理，然后对上、下泡沫铝材料焊接界面和中间层铝箔进行打磨，之后用超声波振荡清除杂质，烘干；再将上、下泡沫铝材料和中间层铝箔，用夹具固定，形成结构为：上泡沫铝材料，中间层铝箔和下泡沫铝材料的连接件，并对连接件施加10MPa的压力；

步骤二：等温加热：将上述连接件放置在加热炉内，在温度升为580-700℃的条件下，保温20-90分钟；

步骤三：冷却：将上述等温加热的连接件随炉冷却20-180分钟后取出，温度降至220-560℃，放置于空气中冷却至室温，去掉夹具。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法，其特征在于所述的中间层铝箔为Al4004，其组成按重量百分比为：Al：86～88.5%、Si：9.0～10.5%、Mg：1.0～2.0%、Cu：0.50～1.3%、Fe：0.8%，其厚度为50μm。

3.根据权利要求1所述的一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法，其特征在于所述的去除油渍采用10%体积分数的NaOH溶液浸泡1分钟，然后用10%体积分数的HCl溶液浸泡1分钟中和。

4.根据权利要求1所述的一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法，其特征在于所述的烘干是在温度为80℃，真空度为负0.09MPa的真空箱中对上、下泡沫铝材料及中间层铝箔烘干100分钟。

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