CN102699520A - 脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法，该装置包括石墨体加热电源、石墨体、电极、界面加热脉冲电源和试样；该方法是以石墨体辐射热为主，以焊接界面接触电阻热和放电热为辅，通过脉冲电流在待连接界面产生的电阻热和放电热形成原始液相，并借助较小的外加挤压力实现扩散焊接。本发明可以减小残余应力，显著缩短焊接时间，且所需外加压力小，可避免工件在加压方向上产生严重变形；有利于材料表面氧化膜破碎，同时可以降低材料表面加工精度要求；本发明工艺简单、设计巧妙、使用方便，可广泛应用于各种非金属与金属的扩散焊接。

Description

脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种材料连接装置及其连接方法，具体涉及一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法。

背景技术

目前，扩散焊接方法适用于大部分材料的焊接，尤其适用于其它焊接方法难以焊接的材料，如Ni基超合金、高温合金、金属间化合物、金属基复合材料以及陶瓷等材料。扩散焊接方法具有如下显著优点：适用于难溶材料间连接，接头高温性能优良；但传统扩散焊接方法也有如下缺点：对连接面加工质量要求高，焊接变形大，焊接热循环时间长（连接材料和被连接材料都必须经历完全相同的焊接热循环过程，这就不可避免引发较高的焊接残余应力），从而限制了扩散焊接的应用范畴。尽管提出了一些改进措施，如孟胶东等人采用传统手段方法实现铝铜双金属片的低温低压扩散焊（中国专利申请号02159026.5），但工艺过程较为复杂，焊接接头力学性能难以保障。

为了解决以上问题，目前主要采用的手段是脉冲大电流热加工扩散焊接，即将脉冲大电流热加工技术与扩散焊接方法相结合。在国外，如日本的S.Sugiyama，Y.Sugawara，M.Kimura等人采用脉冲大电流焊接方法研究了钨铬钴合金的固化及与不锈钢的焊接，工艺参数为升温速率为50K/min，温度为1340K，保温10min，加压50MPa；大阪市立工业研究所的水内洁等人采用通电加压焊接方法制备了金属/金属间化合物叠层材料，原料是原子百分含量为99.5%的Ti箔和99.98％的Al箔，Ti箔和Al箔以一定厚度相互叠层，采取100K/min的速度升温，制备温度为l173K，保温时间10min，压力2.7KP-32MPa；日本的古烟肇和大桥修也进行了SUS304与不锈钢的脉冲大电流热焊接研究。在国内，彭勇等人也采用脉冲大电流扩散焊接AL-Li合金1420(参见文献彭勇，傅正义，王为民，王皓.脉冲大电流扩散焊接AL-Li合金1420.焊接学报，2008,29(1):57-60.)，但上述研究均出现了以下问题：采用脉冲大电流热加工扩散焊接可以在较短的时间内在界面处形成连接点，但由于采用大电流焊接，容易在材料内部造成较大的残余应力，从而影响接头性能的提高，同时保温时间较长又影响了焊接速度。

由上述介绍可知，为了进一步推进扩散焊接技术的发展和应用，必须提出有效的降低接头残余应力的新方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种脉冲电流加热为辅、辐射加热为主的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法，该装置和方法具有连接温度低、外加压力小、连接时间短的优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置，包括石墨体加热电源、石墨体、电极、界面加热脉冲电源和试样，所述的试样包括非金属试样和金属试样，所述的非金属试样和金属试样之间为中间层，所述的电极分为第一电极和第二电极，第一电极连接非金属试样和界面加热脉冲电源的一端，第二电极连接金属试样和界面加热脉冲电源另一端，所述的金属试样、非金属试样和中间层位于一对石墨体内，石墨体加热电源通过两根导线分别与一对石墨体连接。

作为优选，所述的中间层为软质金属或合金，厚度100~500μm。

作为优选，所述的界面加热脉冲电源的脉冲频率为1~50Hz，脉冲电流峰值为500A，基值电流45~55%，该界面加热脉冲电源选配HPMCA数控单脉冲电源。

本发明还公开了一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置的焊接方法，该方法以脉冲电流加热为辅、辐射加热为主，通过对试样施加脉冲电流，从而在较低的扩散焊接温度和较小的预制压力条件下，快速实现焊接过程；首先利用石墨体的辐射热，为试样提供一个合适的焊接温度环境；然后采用可控脉冲电流通过试样，产生一定量的电阻热和放电热；在外加压力和电阻热及放电热的共同作用下，使接触面之间基本达到原子间的接触；最后停止脉冲电流输出，石墨体继续提供辐射热以维持较低的环境温度，借助于接触面上晶格畸变、位错、空位等各种缺陷导致界面区能量显著增加的有利条件，继续保温一段时间，通过原子的短程扩散即可完成焊接过程。

上述方法包括以下具体步骤：

（1）焊前准备，使用砂纸打磨待连接的试样及中间层表面，使试样和中间层的接触面产生较多的接触点；

（2）将打磨清洗后的试样组装件放入石墨发热体内，使电极与试样相接触并固定，在试样的接触面处固定放置一个热电偶，保证在整个焊接过程中热电偶始终测定的是连接界面及其附近的温度；

（3）抽取扩散炉内空气至真空状态，通过电极在连接件之间施加预制压力，接通石墨体加热电源，加热试样至低温扩散焊接温度；

（4）通过界面加热脉冲电源对试样施加电流脉冲，连接界面温度升至峰值温度，界面发生溶解，形成的液相通过毛细管力和外加挤压力作用，实现填缝和铺展，电阻热和放电热使界面微区局部溶解，形成界面液相后，接触面之间已基本达到原子间的接触；

（5）当界面液相层形成后，点接触消失，电流密度迅速下降，界面电阻热和放电热显著减小，界面温度很快降至石墨发热体内的环境温度，试样在该温度下进行扩散焊接，直至形成焊接接头后，随炉冷却至室温，并撤除预制压力，完成整个扩散焊接过程。

在本发明中，焊接试样放置于真空炉腔中的石墨发热体内，焊接试样与石墨发热体没有接触；使用一对压杆夹持试样，压杆同时作为施加脉冲电流的电极；抽取扩散炉内空气至真空状态，通过加压杆在连接件之间施加预制压力，接通石墨发热体电源，加热试样至低温扩散焊温度；对试样施加电脉冲，由于中间层与被连接材料之间为局部点接触，具有较大的接触电阻，当施加电脉冲后，接触点处电流密度很大，在电阻热和放电热作用下中间层一侧与基体材料接触的微区首先溶解（熔点较低），形成的液相通过毛细管力和外加挤压力作用，实现填缝和铺展。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法，有以下优点，

（1）为增加界面接触电阻，需增加界面的接触点，同时通过电脉冲产生的电阻热和放电热形成界面初始液相，借助外加挤压力，有利于材料表面氧化膜破碎和增加界面物理接触点，因此可以降低材料表面加工精度要求；

（2）扩散焊接温度与常规扩散焊方法相比降低30%左右，且最高温度区域集中于连接材料的界面处，避免了传统焊接方法要求连接材料和被连接材料都必须经历完全相同焊接热循环的弊端，因此可以有效降低接头焊接残余应力；

（3）显著缩短焊接时间，且所需外加压力小，可以避免焊接工件在部分方向上的严重挤压变形；

（4）本发明工艺简单、设计巧妙、使用方便，可广泛应用于物理和力学性能相差悬殊的异种材料的连接，如各种非金属与金属材料连接等。

附图说明

图1为脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置；

图2为脉冲电流辅助加热的扩散焊接接头形成过程示意图；

图3为焊接方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明的一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置，包括石墨体加热电源1、石墨体2、电极、界面加热脉冲电源5和试样，试样包括非金属试样10、金属试样7，非金属试样10和金属试样7之间为中间层9，电极分为第一电极3和第二电极6，第一电极3连接非金属试样10和界面加热脉冲电源5的一端，第二电极6连接金属试样和界面加热脉冲电源5另一端，金属试样7、非金属试样10和中间层9位于一对石墨体2内，石墨体加热电源1通过两根导线8分别与一对石墨体2连接。

本发明的一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接原理：首先利用石墨体加热电源1通过导线8对石墨体2通电，使之产生辐射热，为试样提供一个合适的焊接温度环境；然后采用界面加热脉冲电源5通过导线4、第一电极3、第二电极6对金属试样7、中间层9、非金属试样10施加可控的脉冲电流，由于焊接初期金属试样7、中间层9、非金属试样10之间的接触面具有较高的接触电阻，因此可以产生一定量的电阻热；此外第一电极3、第二电极6同时对金属试样7、中间层9、非金属试样10施加压力，在外加压力、电阻热、辐射热的共同作用下，界面微区局部溶解并形成界面液相，接触面之间已基本达到原子间的接触，接触面电阻迅速下降，此时停止脉冲电流输出；石墨体加热电源1继续为石墨体2供电，使之持续提供辐射热以维持较低的环境温度，由于接触面之间已基本达到原子间的接触，接触面上晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆积，界面区能量显著增加，原子处于高度激活状态，因此只需保温一段时间后，通过原子的短程扩散即可完成焊接过程。

在上述本发明所述的脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接方法中，选用石墨体2作为环境辐射热源，石墨体材料为公开技术；中间层9的材料为软质金属或合金，厚度100~500μm，界面加热脉冲电源5的脉冲频率为1~50Hz，脉冲电流峰值为500A，基值电流45~55%，界面加热脉冲电源5选用的HPMCA数控单脉冲电源；焊接环境温度为600~800℃，外加压力2~10MPa，保温时间30~120min。

在具体焊接过程中，首先使用砂纸打磨待连接的试样及中间层9表面，使试样和中间层9的接触面产生较多的接触点；将打磨清洗后的试样组装件放入石墨体2内，使电极与试样相接触并固定，在试样的接触面处固定放置一个热电偶，保证在整个焊接过程中热电偶始终测定的是连接界面及其附近的温度；抽取扩散炉内空气至真空状态，通过电极在连接件之间施加预制压力，接通石墨体加热电源1，加热试样至低温扩散焊接温度；通过界面加热脉冲电源5对试样施加电流脉冲，连接界面温度升至峰值温度，界面发生溶解，形成的液相通过毛细管力和外加挤压力作用，实现填缝和铺展，电阻热和放电热使界面微区局部溶解，形成界面液相后，接触面之间已基本达到原子间的接触；当界面液相层形成后，着点接触消失，电流密度迅速下降，界面电阻热和放电热显著减小，界面温度很快降至石墨发热体内的环境温度，试样在该温度下进行扩散焊接，直至形成焊接接头后，随炉冷却至室温，并撤除预制压力，完成整个扩散焊接过程。

如图2所示，为了进一步说明本发明提出的脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接方法，以Ti(C,N)金属陶瓷与40Cr钢低温辅助脉冲扩散焊接为例，对本发明所述焊接接头形成过程做如下详细说明：

第一步如图2(a)所示，将Ti(C,N)金属陶瓷/中间层9/40Cr钢组装件放入石墨体2内，通过第一电极3和第二电极6在连接件之间预制压力，接通石墨体加热电源1，加热试样至低温扩散焊温度(中间层9材料选用Ag-Cu合金，一是其熔点较低，有利于在电阻热和放电热作用下瞬间熔化；二是形成的焊缝塑性良好，有利于释放焊接接头残余应力；三是与Ti(C,N)金属陶瓷、40Cr钢具有较好的化学相溶性，有利于提高界面强度)。

第二步如图2(b)所示，施加电脉冲。由于中间层9与Ti(C,N)金属陶瓷、40Cr钢的物理接触面为局部点接触，具有较大的接触电阻，当施加电流脉冲后，接触点处电流密度很大，在电阻热和放电热作用下中间层9一侧与基体材料接触的微区首先溶解（熔点较低），形成的液相通过毛细管力和外加挤压力作用，实现填缝和铺展。

第三步如图2(c)、图2(d)所示，低温扩散保温阶段。一旦界面液相层形成，意味着点接触消失，电流密度迅速下降，界面电阻热显著减小，温度很快降至石墨发热体内的环境温度，试样得以维持在低温下进行扩散连接。由图2(c)可以看出，当中间层9较厚时，其一侧界面部分溶解形成焊缝（当然基体材料局部也可能发生少量溶解）；由图2(d)可以看出，中间层9较薄，其完全溶解形成焊缝。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置，其特征在于：包括石墨体加热电源（1）、石墨体（2）、电极、界面加热脉冲电源（5）和试样，所述的试样包括非金属试样（10）和金属试样（7），非金属试样（10）和金属试样（7）之间为中间层（9）所述的电极分为第一电极（3）和第二电极（6），第一电极（3）连接非金属试样（10）和界面加热脉冲电源（5）的一端，第二电极（6）连接金属试样（7）和界面加热脉冲电源（5）另一端，所述的金属试样（7）、非金属试样（10）和中间层（9）位于一对石墨体（2）内，石墨体加热电源（1）通过导线（8）与一对石墨体（2）连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置，其特征在于：所述的中间层（9）为软质金属，中间层（9）的厚度为100~500μm。

3.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置，其特征在于：所述的界面加热脉冲电源（5）的脉冲频率为1~50Hz，脉冲电流峰值为500A。

4.一种基于权利要求1所述的脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置的焊接方法，其特征在于：该方法以脉冲电流加热为辅、辐射加热为主，通过对试样施加脉冲电流，快速实现焊接过程；首先利用石墨体（2）的辐射热，为试样提供焊接温度环境；然后采用可控脉冲电流通过试样，产生电阻热和放电热；在外加压力和电阻热及放电热的共同作用下，使接触面之间达到原子间的接触；最后停止脉冲电流输出，石墨体（2）继续提供辐射热以维持较低的环境温度，借助于接触面上晶格畸变、位错、空位的缺陷导致界面区能量显著增加的条件，继续保温一段时间，通过原子的短程扩散即可完成焊接过程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：该方法包括以下具体步骤：

（1）焊前准备，使用砂纸打磨待连接的试样及中间层（9）表面，使试样和中间层（9）的接触面产生较多的接触点；

（2）将打磨清洗后的试样组装件放入石墨体（2）内，使电极与试样相接触并固定，在试样的接触面处固定放置一个热电偶，保证在整个焊接过程中热电偶始终测定的是连接界面及其附近的温度；

（3）抽取扩散炉内空气至真空状态，通过电极在连接件之间施加预制压力，接通石墨体加热电源（1），加热试样至低温扩散焊接温度；

（4）通过界面加热脉冲电源（5）对试样施加电流脉冲，连接界面温度升至峰值温度，界面发生溶解，形成的液相通过毛细管力和外加挤压力作用，实现填缝和铺展，电阻热和放电热使界面微区局部溶解，形成界面液相后，接触面之间已基本达到原子间的接触；

（5）当界面液相层形成后，点接触消失，电流密度迅速下降，界面电阻热和放电热显著减小，界面温度很快降至石墨发热体内的环境温度，试样在该温度下进行扩散焊接，直至形成焊接接头后，随炉冷却至室温，并撤除预制压力，完成整个扩散焊接过程。

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