CN102275023B

CN102275023B - 一种半固态振动辅助钎焊设备

Info

Publication number: CN102275023B
Application number: CN 201110203108
Authority: CN
Inventors: 李晖; 罗泉祥; 许惠斌; 陈勇; 李欣; 邢希学; 刘新; 周亮
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: CN102275023A

Abstract

本发明提供一种半固态振动辅助钎焊设备，其包括焊接部分、机械振动部分、电磁振动部分和控制部分。本设备将激振器安装在振动平台中间位置的下方，同时将焊接平台安装在振动平台中间位置的上方；将电磁线圈安装在焊接平台周围，且电磁线圈与振动平台及焊接平台不接触。通过激振器带动振动平台及在振动平台上的焊接平台的振动，电磁线圈产生电磁搅拌和振动，通过电磁搅拌与振动作用，改变熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变晶粒的结晶方向，细化一次组织，减小偏析，提高焊缝的力学性能，降低气孔、裂纹等焊接缺陷的敏感性，从而实现铝合金与镁合金的高效、高质量焊接，同时可以实现镁合金及铝合金同质的焊接。

Description

一种半固态振动辅助钎焊设备

技术领域：

本发明涉及是一种半固态振动辅助钎焊设备。

背景技术：

异种金属焊接构件的特点是能够最大限度地利用材料的各自优点，收到“物尽其用”的效果，而且又可获得更好的经济效益。由于异种金属的焊接性相差较大时，其焊接质量及焊接效率较低，特别是镁铝异种金属的焊接。由于Mg的比刚度高，导热、导电性能好，电磁屏蔽、阻尼性能好且价格低廉，因此成为新世纪最有发展潜力的非铁金属材料之一。而铝镁异种材料焊接将镁的高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度与铝的良好的机械强度、良好的耐蚀性能相结合起来。又由于镁和铝在地壳中的含量都很丰富，因此镁铝异种材料若能牢固焊接在一起，将具有十分广阔的应用前景。

下面分别对各种已有的焊接方法进行介绍：

1、熔化焊

熔化焊（如TIG焊、激光焊等）是金属材料连接最常用的焊接方法之一，但将其应用于铝镁异种材料的焊接中，在接头熔合区附近存在大量连续的Mg₁₇Al₂₁，Mg₂Al₃等脆性金属间化合物相，这些脆性金属间化合物使得在镁和铝接合处施加很小的力也会开裂，而不能获得性能较好的Mg/Al异种金属焊接接头。

2、钎焊

铝合金表面存在一层致密的氧化膜（Al₂O₃），钎焊过程中如去除不彻底，钎料对表面的润湿铺展能力将被大大降低，严重影响接头的成形及最终性能。目前对于铝合金材料的钎焊采用钎剂，通过化学反应去除氧化膜，或者采用真空的焊接环境以避免厚且致密的氧化膜的生成来实现焊接，或者提高钎焊温度，基体部分软化甚至熔化在某种程度上可得到改善。然而，钎剂的使用一方面是增加了成本，另一方面钎剂一般都具有腐蚀性，如焊后清洗不完全，接头在服役过程中容易出现腐蚀破坏问题；真空环境的焊接限制了焊接的灵活性，结构稍复杂、尺寸稍大的构件的焊接变得困难，且该方法焊接周期长、成本高；钎焊温度过高易引起母材的过烧熔蚀，影响钎焊质量。

3、固相焊

利用摩擦焊焊接Mg/Al异种金属得到焊接接头的组织为2种材料的混合层，由于焊接过程同样存在大的塑性变形和固态流动，使得搅拌区内得到由动态再结晶得到的细晶组织，强度和韧性介于2种材料之间，从而成功地实现了镁合金与异种金属的连接。但搅拌摩擦焊设备较昂贵，成本高，导致搅拌摩擦焊在Mg/Al异种金属的焊接收到限制。

利用真空扩散焊需要通过严格控制加热温度、保温时间和焊接压力，才可以获得界面结合紧密的Mg/Al异种金属扩散焊接头，接头界面过渡区主要是由Mg，Al原子相互扩散形成的，并且界面过渡区呈现界限分明的相层。该方法需要在真空环境下，限制了焊接的灵活性，结构稍复杂、尺寸稍大的构件的焊接变得困难，且该方法焊接周期长、成本高。

4、铝基复合材料液相振动焊接方法

哈尔滨工业大学闫久春等人发明的“高效铝基复合材料液相振动焊接方法”(专利号：ZL.03111099.1),主要依靠振动条件下焊件表面微观突起相互剪切和液态钎料金属的适当溶解的机理,来实现氧化膜的破碎和焊缝的成型。氧化膜的破除与焊缝成型是同时完成的。正是由于氧化膜的破除与焊缝成型是同时进行的,致使整个过程的出现钎料易流失,焊缝成型较差的问题。

5、铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法

哈尔滨工业大学闫久春等人发明的“铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法”(公开号：1876302A)，棒料焊件要依靠振动单一焊件条件下，使得钎料中的固相颗粒去挤压机破碎基体氧化膜、钎料金属中液态部分的适当溶解的机理,来实现氧化膜的破碎和焊缝的成型。焊接过程中需要较高的对中精度与焊接间隙，对被连接件的形状有较高的要求，并且由于振动引起的周期性压缩－拉伸效应使焊缝极易产生气孔，极大地限制了焊缝强度的提高，使该种焊接方法应用范围受到了一定的限制。

6、无保护低温焊接铝基复合材料的方法

哈尔滨工业大学吕世雄等人发明的“一种无保护低温焊接铝基复合材料的方法”(公开号：CN1326836A)，该方法主要是依靠不锈钢钢丝刮磨涂有Zn-Al基钎料的工件表面，使铝基复合材料表面氧化层破坏，从而使熔化的钎料渗入母材中而实现连接。焊接过程中需要钢丝对工件表面进行刮磨，破除氧化层不彻底且不易实现自动化，同时刮磨的过程中容易卷入气体，使焊缝极易产生气孔。

综上所述，铝合金与镁合金的焊接性比较特殊，无论采用哪种焊接方法，Mg/Al异种金属焊接接头的结合区均存在高硬度的脆性Mg-Al系金属间化合物相，这对于提高Mg/Al异种金属接头的塑韧性及应用都是不利的。主要原因是由于脆性的铝镁金属间化合物使连接工艺难以控制。

发明内容

本发明旨在提供一种半固态振动辅助钎焊设备，实现铝合金、镁合金异质或质材料之间的焊接，克服这些材料在焊接时产生Mg-Al系金属间化合物连续化及需在真空环境下进行的问题，改善接头组织，同时机械振动提供的是大幅的振动，其产生的振动力场能够促进基体氧化膜的破碎及焊缝化学成分的均匀性；通过电磁搅拌与振动作用，改变熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变晶粒的结晶方向，细化一次组织，减小偏析，提高焊缝的力学性能，降低气孔、裂纹等焊接缺陷的敏感性。从而实现铝合金与镁合金的高效、高质量焊接，同时可以实现镁合金及铝合金同质的焊接。

本发明的目的是这样实现的：

一种半固态振动辅助钎焊设备，其包括焊接部分、机械振动部分、电磁振动和控制部分。

所述焊接部分包括焊接平台、热电偶和加热管；所述焊接平台上放置焊件，热电偶一端与焊件相连，另一端与控制部分的温度控制面板相连；所述焊接平台下设置有加热管。

所述机械振动部分包括有振动平台、限位弹簧、振动平台支柱和激振器；所述焊接平台通过焊接平台支柱固定振动平台上；振动平台支柱的连接部位设置限位弹簧，其功能在于避免振动平台因激振器产生的力过大而设置的，同时可以吸收一部分振动能量，保证振动平台各部分的振动一致性。

所述电磁振动部分包括电磁线圈、线圈支架和磁场电源，利用磁场电源实现交变电流产生的磁场，从而实现对焊接过程中固相与液相的磁场搅拌和振动。

所述控制部分包括电路控制线路、激振器控制面板、控制箱、温度控制面板和加速度传感器；所述控制箱内安装激振器控制面板和温度控制面板，激振器控制面板发送信号控制安装在振动平台上的激振器的转速，激振器控制面板上显示加速度传感器的数值；温度控制面板与加热管连接，控制加热管的加热功率并显示实时焊接温度；所述加速度传感器有三个，分别设置在能检测振动平台的X、Y、Z三个方向的振幅的位置上，与激振器控制面板相连，将XYZ三个方向的加速度反馈给激振器控制面板。

进一步，所述焊接平台上还安装有钎缝间隙调整机构，其包括调整螺钉、滑动锲块、固定锲块和调整螺钉安装座，所述调整螺钉安装座固定焊接平台上，固定锲块固定在调整螺钉安装座一侧并位于焊件下方，所述滑动锲块放置在固定锲块之上，两者锲面接触，调整螺钉水平安装在调整螺钉安装座上，其端部顶住活动锲块的一端。这样调整螺丝通过控制滑动锲块的高低来调整钎缝的间隙，间隙可在10~500μm内任意调整；弹簧和压紧螺母起保证在焊接过程中下焊接与上焊件的相对位置不发生改变的作用，同时调整弹簧和压紧螺母与上焊件的相对位置来实现压力的变化，并在焊前利用压力测试仪对其压力进行测量。

所述电磁振动部分的磁场电流为1~20A之间，磁场频率为1~100Hz，其中电磁线圈与振动平台未接触，通过线圈支架悬挂在焊接平台周围。

所述激振器的振幅为0.01~99.99mm之间，且具有三个方向的振幅。

在焊接平台上还设置有保护气体罩，罩住焊件，所述保护气体罩上接有通气管。

所述保护气体罩由两层材料组成，外层为隔热的保温材料，内层为发热元件；在内层的发热元件中安装有气体导热板，材料为导热系数较高的金属材料铜合金。

本设备可用于半固态振动钎焊，利用外加振动能量辅助下的铝合金/镁合金异质半固态钎焊平台对镁铝异种金属进行钎焊，通过被焊表面不接触的条件下钎料的液态金属的流变去膜以及焊缝的半固态振动流变成型，实现去膜与成型的分阶段控制，减少Mg-Al系金属间化合物相的产生；并且通过振动使得以生成的Mg-Al系金属间化合物相均匀分布，甚至达到Mg-Al系金属间化合物弥散化。从而，解决现有各种方法所存在的主要关键问题，实现异种金属及同种金属的高效、高质量焊接。

附图说明

图1为本振动钎焊设备的结构示意图。

其中： 1为下焊件、 2为热电偶、3为限位弹簧、4为压紧螺母、5为钎料、6为上焊件、7为固定锲块、8为滑动锲块、9为调整螺钉、10为调整螺钉安装座、11为气体导热板、12为通气管、13为焊接平台、14为加热管、15为振动平台、16为限位弹簧、17为振动平台支柱、18为激振器、19为连接线路、20为接线端、21为激振器控制面板、22为控制箱、23为温度控制面板、24为加速度传感器、25为焊接平台支柱、26为保护气体罩、27为电磁线圈，28为线圈支架，29为磁场电源。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的结构即工作方式：

参见图1，本钎焊设备包括焊接部分、机械振动部分、电磁振动部分和控制部分。其中：

焊接部分包括焊接平台13、保护气体罩26、热电偶2、加热管14和通气管12；所述焊接平台13上放置下焊件1与上焊件6，保护气体罩26罩在焊接平台13上，热电偶2设置在保护气体罩26内，一端与上焊件6或下焊件1相连，另一端与控制部分的温度控制面板23相连；所述保护气体罩26上接有通气管12。保护气体罩26由两层材料组成，外层为隔热的保温材料，内层为发热元件。在内层的发热元件中安装有气体导热板11，材料为导热系数较高的金属材料铜合金，主要的作用为将保护气体进行预热，使得保护气体罩26的内部具有较高的温度均匀性。所述焊接平台13下设置有加热管14。焊接平台13上还安装有钎缝间隙调整机构，其包括固定锲块7、滑动锲块8、调整螺钉9和调整螺钉安装座10，调整螺钉安装座10固定焊接平台13上，固定锲块7固定在调整螺钉安装座10一侧并位于上焊件6下方，所述滑动锲块8放置在固定锲块7之上，两者锲面接触，调整螺钉9水平安装在调整螺钉安装座10上，其端部顶住滑动锲块8的一端。

振动部分包括有振动平台15、限位弹簧16、振动平台支柱17和激振器18；所述焊接平台13通过焊接平台支柱25固定振动平台15上；振动平台支柱17的连接部位设置限位弹簧16。

电磁振动部分包括电磁线圈27、线圈支架28和磁场电源29，其中电磁线圈27与振动平台15及焊接平台13未接触，通过支架悬挂在焊接平台13周围。电磁振动部分的磁场电流为1~20A之间，磁场频率为1~100Hz，该部分利用磁场电源实现交变电流产生的磁场，从而实现对焊接过程中固相与液相的磁场搅拌和振动。

控制部分包括电路控制线路19、激振器控制面板21、控制箱22、温度控制面板23和加速度传感器24；所述控制箱22内安装激振器控制面板21和温度控制面板23，激振器控制面板21发送信号控制安装在振动平台15上的激振器18的转速，激振器控制面板21上显示加速度传感器24的数值；温度控制面板23与加热管14连接，控制加热管14的加热功率并显示实时焊接温度；所述加速度传感器24有三个，分别设置在能检测振动平台15的X、Y、Z三个方向的振幅的位置上，与激振器控制面板21相连，将XYZ三个方向的加速度反馈给激振器控制面板21。

本焊接平台的温度控制面板23可以控制焊接温度在50~650℃，控制精度为±1℃。其采用同时控制三个温度，分别为钎缝间隙调整机构温度，下焊件1和上焊件6温度，焊件周围气体氛围的温度，以保证温度的均匀性，其中利用控温面板内部的温度控制仪控制加热管14中的发热功率，从而实现对下焊件1、上焊件6及保护气体罩26的温度控制，利用控温面板内部温度控制仪控制保护气体罩26中的发热元件的功率，从而实现对焊件周围气体氛围的温度控制。

本设备的使用方式：

将材料下焊件1及上焊件6装卡在卡具上并在两待焊表面放置焊料5，焊料5可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面。加热下焊件1及上焊件6使中间层焊料5处于半固态，调整压力使之与所加振动的振幅相匹配，启动激振器18，振幅为0.01~2mm，其钎料5是随下焊件1及上焊件6一起振动，根据实际要求振动时间为0.5~3分钟，振动停止，空冷至室温，钎焊过程中始终施加一定压力为0.1~5Mpa，同时钎焊过程中施加电磁搅拌及振动，磁场电流为1~20A之间，磁场频率为1~100Hz，时间为3~20分钟。

Claims

1. 一种半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，其包括焊接部分、机械振动部分、电磁振动部分和控制部分；

所述焊接部分包括焊接平台（13）、焊接平台支柱(25)、热电偶（2）和加热管（14）；所述焊接平台（13）上放置上焊件（6）与下焊件（1），热电偶（2）一端与焊件相连，另一端与控制部分的温度控制面板相连；所述焊接平台（13）下设置有加热管（14）；

所述机械振动部分包括有振动平台（15）、振动平台支柱（17）和激振器（18）；所述焊接平台（13）通过焊接平台支柱（25）固定在振动平台（15）上；

所述电磁振动部分包括电磁线圈（27）、线圈支架（28）和磁场电源（29），所述电磁线圈（27）通过线圈支架（28）悬挂在焊接平台（13）周围；磁场电源（29）给电磁线圈（27）输出交变电流，电磁线圈（27）产生的磁场对焊接过程中固相与液相进行搅拌和振动；

所述控制部分包括电路控制线路（29）、激振器控制面板（21）、控制箱（22）、温度控制面板（23）和加速度传感器（24）；所述控制箱（22）内安装激振器控制面板（21）和温度控制面板（23），激振器控制面板（21）发送信号控制安装在振动平台（15）上的激振器（18）的转速，激振器控制面板（21）上显示加速度传感器（24）的数值；温度控制面板（23）与加热管（14）连接，控制加热管（14）的加热功率并显示实时焊接温度；所述加速度传感器（24）至少有三个，分别设置在能检测振动平台（15）的X、Y、Z三个方向的振幅的位置上，与激振器控制面板（21）相连，将XYZ三个方向的加速度反馈给激振器控制面板（21）。

2. 根据权利要求1所述的半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，所述焊接平台上还安装有钎缝间隙调整机构，其包括固定锲块（7）、滑动锲块（8）、调整螺钉（9）和调整螺钉安装座（10），所述调整螺钉安装座（10）固定焊接平台（13）上，固定锲块（7）固定在调整螺钉安装座（10）一侧并位于上焊件（6）下方，所述滑动锲块（8）放置在固定锲块（7）之上，两者锲面接触，调整螺钉（9）水平安装在调整螺钉安装座（10）上，其端部顶住滑动锲块（8）的一端。

3.根据权利要求1或2所述的半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，所述电磁振动部分的磁场电流为1~20A之间，磁场频率为1~100Hz，其中电磁线圈（27）与振动平台（15）及焊接平台（13）未接触。

4.根据权利要求1或2所述的半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，所述激振器（18）的振幅为0.01~99.99mm之间，且具有三个方向的振幅。

5.根据权利要求3所述的半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，在焊接平台（13）上还设置有保护气体罩（26），罩住下焊件（1）与上焊接（6），所述保护气体罩（26）上接有通气管（12）。

6.根据权利要求5所述的半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，所述保护气体罩（26）由两层材料组成，外层为隔热的保温材料，内层为发热元件；在内层的发热元件中安装有气体导热板（11），材料为导热系数较高的金属材料铜合金。

7.根据权利要求4所述的半固态振动辅助钎焊设备，其特征在于，所述振动平台（15）与振动平台支柱（17）的连接部位设置有限位弹簧（16）。