CN102229022A - 超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，其中机械部分的超声波发生器依次通过电声换能器、传送杆、振动头连接，振动头下端与上电极连接；其中的电路部分的交流电源与可调变压器连接，可调变压器的输入端还连接有总电源开关和电阻串联构成的支路；可调变压器的输出端与桥式整流器的两个输入端连接，桥式整流器的两个输出端之间依次串联有开关、三向开关、电容和电阻，三向开关的位置III与上电极连接，电容与电阻的接点与下电极连接。本发明还公开了一种进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，包括将待焊亚稳合金件进行搭接装配、超声波介入及加压、进行焊接操作三个步骤。本发明的装置及方法实现了亚稳合金的快速凝固焊接。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，本发明还涉及利用该装置进行亚稳合金快速凝固焊接的方法。
背景技术
新型亚稳材料如非晶、微晶合金以其优异的物理化学和力学性能，在微电子、机械、化工和国防工业领域具有广阔的应用前景，随着该类材料的研发与应用，其相互之间的连接问题也日渐突出。亚稳合金具有与传统金属材料截然不同的亚稳相结构和组织形态，常规焊接方法或因输入热能高，或因焊接时间长，不可避免地造成焊接区金属的过烧、组织粗化、亚稳相分解及非晶晶化等问题，不能达成接头组织与基体金属的一致性，很难应用于亚稳合金的可靠连接。
实现亚稳合金微连接的关键技术是采用内生高能热源，在保障材料外观不受损伤，焊点定位准确的前提条件下，即时获得与基体组织相一致的连接接头，避免组织粗化和晶化。为此，必须增大接头的加热及冷却速率，缩短焊接时间。现有的电容储能放电焊是一种快速凝固连接方法，该法焊接热能集中，热循环时间极短，接头冷却速率高达106k/s，特别适于亚稳合金的连接。然而，由于受硬规范储能焊强感应磁场驱动的液相流动的影响，在焊接接头中极易产生气孔和夹杂物偏聚等缺陷，降低接头力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，解决了现有技术无法逾越的组织粗化、亚稳相分解、非晶晶化及焊接缺陷的问题。
本发明的另一目的是提供一种利用上述焊接装置进行亚稳合金快速凝固焊接的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，包括机械部分和电路部分，
所述机械部分的结构是，包括超声波发生器，超声波发生器通过电声换能器与传送杆连接，传送杆与振动头连接，振动头的上端设置有加压块，振动头的下端与储能焊机的上电极连接，上电极的下方间隔设置有储能焊机的下电极，
所述电路部分的结构是，交流电源与可调变压器T的输入端连接，可调变压器T的输入端还连接有总电源开关SB和电阻R1串联构成的支路；可调变压器T的输出端与桥式整流器ZLQ的两个输入端连接，桥式整流器ZLQ的两个输出端之间依次串联有开关K、三向开关KM、电容C和电阻R2，开关K与三向开关KM的位置I连接，三向开关KM的位置III与储能焊机的上电极连接，电容C和电阻R2的接点与储能焊机的下电极连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，利用一种超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，包括机械部分和电路部分，
所述机械部分的结构是，包括超声波发生器，超声波发生器通过电声换能器与传送杆连接，传送杆与振动头连接，振动头的上端设置有加压块，振动头的下端与储能焊机的上电极连接，上电极的下方间隔设置有储能焊机的下电极，
所述电路部分的结构是，交流电源与可调变压器T的输入端连接，可调变压器T的输入端还连接有总电源开关SB和电阻R1串联构成的支路；可调变压器T的输出端与桥式整流器ZLQ的两个输入端连接，桥式整流器ZLQ的两个输出端之间依次串联有开关K、三向开关KM、电容C和电阻R2，开关K与三向开关KM的位置I连接，三向开关KM的位置III与储能焊机的上电极连接，电容C和电阻R2的接点与储能焊机的下电极连接，
依赖上述装置，该方法按照以下步骤具体实施：
步骤1、将待焊亚稳合金板进行搭接装配
将需要焊接的亚稳合金件一和亚稳合金件二用丙酮进行清洗，然后对焊接部位进行搭接装配，使得亚稳合金件一和亚稳合金件二的搭接区域中心部位位于储能焊机的上电极和下电极的轴线上；
步骤2、超声波介入及加压
将超声波发生器的振动头固定在储能焊机的上电极上，在振动头的上方安装加压块；
步骤3、进行焊接操作
3.1)先给储能焊机和超声波发生器供电；然后合上焊接电路开关K；同时将三向开关KM接通位置I，给电容器C充电；
3.2)打开超声波发生器的开关，超声波发生器开始工作，超声波发生器依次通过电声换能器与传送杆后，控制振动头将产生的机械振动传导到上电极上；
3.3)将三向开关KM接通位置III，电容器C放电，上电极和下电极瞬间完成亚稳合金件一和亚稳合金件二之间的焊接，即成。
本发明的装置及方法，对亚稳合金板焊接区金属辅以超声波机械振动，借助超声波的“声风”效应，加大熔核金属的搅拌和对流，促使熔核组织细化和均匀化；“超声空化”和弹性振动有利于夹杂物破碎及气体逸出，在消除熔核气孔和夹杂物偏聚的同时，还能减小焊接变形，降低接头残余应力。
附图说明
图1为本发明焊接装置中的机械部分的结构示意图；
图2为本发明焊接装置中的电路部分的结构示意图。
图中，1.亚稳合金件一，2.亚稳合金件二，3.上电极，4.下电极，5.振动头，6.加压块，7.传送杆，8.电声换能器，9.超声波发生器，10.绝缘层，11.熔核。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，包括机械部分和电路部分。
如图1，本发明装置中的机械部分结构是，包括超声波发生器9，超声波发生器9通过电声换能器8与传送杆7连接，传送杆7与振动头5(声极)连接，振动头5的上端设置有加压块6，振动头5的下端设置有绝缘层10，绝缘层10的下端与储能焊机的上电极3连接，上电极3的下方间隔设置有储能焊机的下电极4，上电极3与下电极4之间用于放置需要焊接的亚稳合金件一1和亚稳合金件二2，亚稳合金件一1和亚稳合金件二2的焊接点处为熔核11，是上电极3与下电极4共同进行超声波辅助储能焊接的位置。
如图2，本发明装置中的电路部分的电路结构是，SB为总电源开关，K为焊接电路开关，KM为充放电电路三向开关，ZLQ是桥式整流器，T为可调变压器，R1、R2为电阻；220V、50Hz的交流电源与可调变压器T的输入端连接，可调变压器T的输入端还连接有总电源开关SB和电阻R1串联构成的支路；可调变压器T的输出端与桥式整流器ZLQ的两个输入端连接，桥式整流器ZLQ的两个输出端之间依次串联有开关K、三向开关KM、电容C和电阻R2，开关K与三向开关KM的位置I连接，三向开关KM的位置III与储能焊机的上电极3连接，电容C与电阻R2的接点与储能焊机的下电极4连接。
当KM接通位置I时，充电电路接通，电容器C处于充电状态；当KM接通位置III时，充电电路断开，放电电路接通，电流流经两个焊件(亚稳合金件一1和亚稳合金件二2)，实现该两个焊件的焊接；当KM接通位置II时，处于空挡，充放电电路均断开。
本发明的进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，使用上述的超声波辅助储能焊接装置，对低维亚稳合金箔材实施超声波辅助的快速凝固焊接，获得与亚稳合金基体组织相匹配的连接接头，超声波的导入和接头冷却速率的控制是两个关键性环节。
超声波的导入方式是，将超声波发生器9的振动头5固定在储能焊机的上电极3上，振动头5上方直接与加压块6相连，通过上电极3的振动将超声波导入焊接区，对低维亚稳合金实施超声波作用下的快速凝固连接。超声波发生器9的参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝80-100kHz，振幅A＝0.1-1μm，持续时间t＝8-10s。
储能焊机的参数设置为：直流电容器电容C＝3300-10000μF，焊接电压U＝60-100V，电极力F＝10-25N，焊接时间t＝10-50ms。
接头冷却速率控制是获得非晶、微晶合金接头的关键，通过精细控制焊接能量、调整焊接电路的放电波形和对接头部位实施强制冷却的方法，综合控制接头冷速，将强制气冷作为辅助手段，更易实现亚稳合金的高性能焊接。
本发明的进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，利用上述焊接装置，按照以下步骤具体实施：
步骤1、将两个待焊接的亚稳合金件进行搭接装配：
将需要焊接的亚稳合金件一1和亚稳合金件二2用丙酮进行清洗，然后对焊接部位进行搭接装配，使得亚稳合金件一1和亚稳合金件二2的搭接区域中心部位位于储能焊机的上电极3和下电极4的轴线上，如图2所示；
步骤2、超声波介入及加压：
将超声波发生器9的振动头5固定在储能焊机的上电极3上，在振动头5的上方安装加压块6；
步骤3、进行焊接操作：
(3.1)先给储能焊机和超声波发生器9供电；然后合上焊接电路开关K；同时将三向开关KM接通位置I，给电容器C充电；
(3.2)打开超声波发生器9的开关，超声波发生器9开始工作，超声波发生器9依次通过电声换能器8与传送杆7后，控制振动头5将产生的机械振动传导到上电极3上；
(3.3)将三向开关KM接通位置III，电容器C放电，上电极3和下电极4瞬间完成亚稳合金件一1和亚稳合金件二2之间的焊接，即成。
焊好后断开超声波发生器9的电源开关，并将KM开关打向空挡。
实施例1
超声波发生器参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝80kHz，振幅A＝0.2μm，持续时间t＝10s；储能焊参数设置为：C＝3300μF，焊接电压U＝90V，电极力F＝11N，焊接时间t＝15ms。实现了厚度40-60μm的Cu-7％Sn微晶合金箔带的快速凝固焊接，连接接头的剪切强度达到608MPa。
实施例2
超声波发生器参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝90kHz，振幅A＝0.5μm，持续时间t＝8s；储能焊参数设置为：C＝4500μF，焊接电压U＝85V，电极力F＝11.5N，焊接时间t＝45ms。实现了厚度40-60μm的Cu-13.5％Sn微晶合金箔带的快速凝固焊接，连接接头的剪切强度达730MPa。
实施例3
超声波发生器参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝100kHz，振幅A＝0.8μm，持续时间t＝9s；储能焊参数设置为：电容C＝8500μF、电极力F＝20N、焊接电压U＝75V，焊接时间t＝25ms。实现了厚度40-60μm的急冷Cu-13.5％Sn/Ni-19.8％Sn异质合金箔材的焊接，接头抗剪强度达到590MPa。
实施例4
超声波发生器参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝80kHz，振幅A＝1.0μm，持续时间t＝10s；储能焊参数设置为：焊接能量W＝16.8-25.83J，充电电压U＝30-50V，电容C＝3300μF，电极力F＝12N，焊接时间t＝35ms。实现了厚度厚度为35-45μm的Fe-60wt％Cu合金急冷箔材的焊接，接头抗剪强度达到241MPa。
实施例5
超声波发生器参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝90kHz，振幅A＝0.2μm，持续时间t＝10s；储能焊参数设置为：焊接能量W＝6.0-9.5J，充电电压U＝60-75V，电容C＝3300μF，电极力F＝15N，焊接时间t＝40ms。实现了厚度50-70μm的急冷高熵合金Cu25Al10Ni25Fe20Co20的焊接，接头抗剪强度为440MPa，伸长率达21％。
实施例6
超声波发生器参数设置为：功率P＝20W，谐振频率f＝80kHz，振幅A＝0.2μm，持续时间t＝10s；储能焊参数设置为：焊接电压U＝40-70V，电容C＝3300μF，电极力F＝20N，焊接时间t＝30ms。实现了厚度为25-35μm的Zr55Cu30Al12Ni3非晶箔材的快速凝固连接，接头剪切强度高达1141MPa。
本发明的进行超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接的方法，对超薄合金的焊接区金属辅以超声波机械振动，借助超声波的“声风”效应，加大熔核金属的搅拌和对流，促使熔核组织细化和均匀化；“超声空化”和弹性振动有利于夹杂物破碎及气体逸出，在消除熔核气孔和夹杂物偏聚的同时，还能减小焊接变形，降低接头残余应力。
Claims (4)
1.一种超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，其特点在于：包括机械部分和电路部分，
所述机械部分的结构是，包括超声波发生器(9)，超声波发生器(9)通过电声换能器(8)与传送杆(7)连接，传送杆(7)与振动头(5)连接，振动头(5)的上端设置有加压块(6)，振动头(5)的下端与储能焊机的上电极(3)连接，上电极(3)的下方间隔设置有储能焊机的下电极(4)，上电极(3)与下电极(4)的轴心同轴，
所述电路部分的结构是，交流电源与可调变压器T的输入端连接，可调变压器T的输入端还连接有总电源开关SB和电阻R1串联构成的支路；可调变压器T的输出端与桥式整流器ZLQ的两个输入端连接，桥式整流器ZLQ的两个输出端之间依次串联有开关K、三向开关KM、电容C和电阻R2，开关K与三向开关KM的位置I连接，三向开关KM的位置III与储能焊机的上电极(3)连接，电容C和电阻R2的接点与储能焊机的下电极(4)连接。
2.一种进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，其特点在于，利用一种超声波辅助亚稳合金快速凝固焊接装置，包括机械部分和电路部分，
所述机械部分的结构是，包括超声波发生器(9)，超声波发生器(9)通过电声换能器(8)与传送杆(7)连接，传送杆(7)与振动头(5)连接，振动头(5)的上端设置有加压块(6)，振动头(5)的下端与储能焊机的上电极(3)连接，上电极(3)的下方间隔设置有储能焊机的下电极(4)，
所述电路部分的结构是，交流电源与可调变压器T的输入端连接，可调变压器T的输入端还连接有总电源开关SB和电阻R1串联构成的支路；可调变压器T的输出端与桥式整流器ZLQ的两个输入端连接，桥式整流器ZLQ的两个输出端之间依次串联有开关K、三向开关KM、电容C和电阻R2，开关K与三向开关KM的位置I连接，三向开关KM的位置III与储能焊机的上电极(3)连接，电容C和电阻R2的接点与储能焊机的下电极(4)连接，
依赖上述装置，该方法按照以下步骤具体实施：
步骤1、将待焊亚稳合金件进行搭接装配
将需要焊接的亚稳合金件一(1)和亚稳合金件二(2)用丙酮进行清洗，然后对焊接部位进行搭接装配，使得亚稳合金件一(1)和亚稳合金件二(2)的搭接区域中心部位位于储能焊机的上电极(3)和下电极(4)的轴线上；
步骤2、超声波介入及加压
将超声波发生器(9)的振动头(5)固定在储能焊机的上电极(3)上，在振动头(5)的上方安装加压块(6)；
步骤3、进行焊接操作
3.1)先给储能焊机和超声波发生器(9)供电；然后合上焊接电路开关K；同时将三向开关KM接通位置I，给电容器C充电；
3.2)打开超声波发生器(9)的开关，超声波发生器(9)开始工作，超声波发生器(9)依次通过电声换能器(8)与传送杆(7)后，控制振动头(5)将产生的机械振动传导到上电极(3)上；
3.3)将三向开关KM接通位置III，电容器C放电，上电极(3)和下电极(4)瞬间完成亚稳合金件一(1)和亚稳合金件二(2)之间的焊接，即成。
3.根据权利要求2所述的进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，其特点在于：所述的超声波发生器(9)的设置参数为：谐振频率为80-100kHz，振幅为0.1-1μm，持续时间为8-10秒。
4.根据权利要求2所述的进行亚稳合金快速凝固焊接的方法，其特点在于：所述的储能焊机的参数设置为：直流电容器电容C＝3300-10000μF，焊接电压U＝60-100V，电极力F＝10-25N，焊接时间t＝10-50ms。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20111102 |