CN103624393B - 刚性拘束热自压连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种刚性拘束热自压连接方法，刚性拘束待连接对接材料，非熔化扫描加热待连接材料的界面区域，使加热区高温金属与周围冷金属之间产生温差，在温差和刚性拘束共同作用下产生热弹塑性应力应变场，对界面处高温热塑性状态金属产生自挤压，实现扩散和连接。本发明刚性拘束热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用外加刚性拘束和对接面非熔化局部加热实现了刚性拘束热自压连接，避免了扩散焊等固相连接过程中对外加压力的依赖；且使用局部加热避免了炉内整体加热，工艺过程简单，也解决了现有扩散连接中对工件尺寸的限制。

Description

刚性拘束热自压连接方法
技术领域
本发明是关于焊接领域中对接材料固相连接方法，尤其涉及一种刚性拘束热自压连接方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，以航空领域为代表的现代工程应用中对焊接结构的高性能要求越来越高。熔化焊接方法因不可避免的粗大柱状晶组织和气孔、裂纹等缺陷，接头综合力学性能与母材差距明显，焊后一般不能直接应用，通常需要焊后热处理，以提高接头的综合性能，增加了生产周期和成本。因此，以扩散焊为代表的固相连接方法因具有良好的综合力学性能，越来越广泛的应用。
扩散连接是一种在高温和外加压力的作用下持续相应时间，紧密接触的待连接表面相互贴合，局部产生塑性变形，原子间相互扩散，在界面生成新的扩散层，形成可靠连接接头的固态连接方法。扩散连接温度相对较低，因此，扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在各种熔化焊的缺陷；同时，扩散连接还适用于热物理性能差异较大的异种材料的连接。
虽然扩散焊与熔化焊相比虽具有明显的优势，但是扩散焊自身也存在着一定的不足：(1)连接过程中需要施加外力，增加了工艺的复杂性；(2)需要在密闭的环境中对工件进行整体加热，设备投入大，生产周期较长，同时也限制了焊接工件的尺寸。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种刚性拘束热自压连接方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刚性拘束热自压连接方法，在不施加外力和仅进行局部非熔化加热的情况下实现材料的固态连接，以解决当前扩散连接中需要施加外力的问题和对工件尺寸的限制。
本发明的目的是这样实现的，一种刚性拘束热自压连接方法，刚性拘束待连接对接材料，非熔化扫描加热待连接材料的界面区域，使加热区高温金属与周围冷金属之间产生温差，在温差和刚性拘束共同作用下产生热弹塑性应力应变场，对界面处高温热塑性状态金属产生自挤压，实现扩散和连接。
在本发明的一较佳实施方式中，该方法至少包括以下步骤：
（1）刚性拘束待连接材料；
将待连接材料对接面紧密对接，利用夹具刚性拘束待连接材料；
（2）进行非熔化加热；
使用集中热源扫描加热对接面，进行非熔化加热，在热源作用下加热区金属与周围冷金属之间产生温差，温差和刚性拘束共同作用，从而在加热区产生热弹塑性应力应变场，热弹塑性应力应变场对对接面处高温区热塑性状态金属进行自挤压，实现扩散和连接。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤（1）之前，精加工待连接材料对接面，并将待连接材料紧密对接装配于焊接夹具上。
在本发明的一较佳实施方式中，所述夹具设有成对约束挡板，由约束挡板对待连接对接材料进行刚性拘束。
在本发明的一较佳实施方式中，在夹具约束挡板外侧设置固定支撑板，由螺钉螺旋穿过固定支撑板并抵顶在约束挡板上，由此对待连接对接材料进行刚性拘束。
在本发明的一较佳实施方式中，所述集中热源为电子束或激光。
由上所述，本发明刚性拘束热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用外加刚性拘束和对接面非熔化局部加热实现了刚性拘束热自压连接；且使用局部加热避免了炉内整体加热，工艺过程简单，也解决了现有扩散连接中对工件尺寸的限制。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1A：为本发明中焊接夹具及刚性拘束的结构示意图；
图1B：为本发明图1A中A-A剖面结构示意图；
图2：为本发明中刚性拘束热自压连接非熔化加热及连接原理示意图；
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提出一种刚性拘束热自压连接方法，刚性拘束待连接对接材料，非熔化扫描加热待连接材料的界面区域，使加热区高温金属与周围冷金属之间产生温差，在温差和刚性拘束共同作用下产生热弹塑性应力应变场，对界面处高温热塑性状态金属产生自挤压，实现扩散和连接。该连接方法适用于钛合金、铝合金、钢等材料的连接；所述待连接材料为中厚板材。
由上所述，本发明刚性拘束热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用外加刚性拘束和对接面非熔化局部加热实现了刚性拘束热自压连接，避免了扩散焊等固相连接过程中对外加压力的依赖；且使用局部加热避免了炉内整体加热，工艺过程简单，也解决了现有扩散连接中对工件尺寸的限制。
上述连接方法包括以下步骤：
（1）试样加工和刚性拘束待连接材料；
精加工待连接材料对接面，之后将待连接板材对接面紧密对接并装配于焊接夹具上，如图1A、图1B所示，所述夹具包括有夹具底座6，夹具底座6上设有下垫块5；将待连接材料4（此实施方式中为板材）在下垫块5上进行紧密对接，之后在其两侧由约束挡板3将对接后的待连接材料进行刚性拘束；
（2）进行非熔化加热；
使用集中热源扫描加热对接面，进行非熔化加热，在热源作用下加热区金属与周围冷金属之间产生温差，温差和刚性拘束共同作用，从而在加热区产生热弹塑性应力应变场，热弹塑性应力应变场对对接面处高温区热塑性状态金属进行自挤压，实现扩散和连接。所述集中热源为电弧、电子束。
上述非熔化扫描加热作用有两个方面；一方面，非熔化加热对接面时，对接面处于高温区7，与周围冷金属形成温差，非熔化局部加热温差与外加刚性拘束共同作用产生热弹塑性应力应变场，界面高温金属的膨胀受到挤压力F作用（如图2所示）。另一方面，非熔化加热对接面时，对接面金属温度满足扩散连接温度条件，在热挤压力F作用下，界面两侧金属扩散，实现连接。
在本实施方式中，如图1A、图1B所示，可以在夹具底座6上且位于约束挡板3外侧固定设置支撑板2，由螺钉1螺旋穿过固定支撑板2并抵顶在约束挡板3上，由此对待连接材料进行刚性拘束。
本发明与现有技术相比具有以下有益的效果：
(1)提出了一种新的材料固相连接方法，在无外力作用的条件下，利用外加刚性拘束和对接面非熔化局部加热实现了刚性拘束热自压连接；
(2)与熔化焊相比，能够避免熔化焊接的铸态组织、气孔和裂纹等缺陷，获得具备母材显微组织结构特征和综合力学性能优异的连接接头；
(3)与扩散焊等固相焊相比，连接过程中未施加外力，且使用局部加热避免了炉内整体加热，工艺过程简单。
下面以具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1：
5mm厚平板刚性拘束热自压连接。
材料：5mm厚TC4钛合金板，对接面尺寸50mm×5mm，平板长度59mm。采用真空电子束热源进行加热，过程如下：
(1)精加工试样对接面，并清洗干净；
(2)如图1A、图1B所示，刚性固定对接平板；
(3)利用电子束热源扫描加热对接面。
刚性拘束热自压连接后，原对接界面消失，经检测，本实施TC4平板刚性约束热自压连接接头的焊合率大于95%。热自压连接接头力学性能如下表所示。
抗拉强度(Mpa) 屈服强度(MPa) 延伸率(%)
热自压连接接头 1032.3 963.0 17.8
实施例2：
40mm厚平板刚性拘束热自压连接。
材料：40mm厚TC4-DT钛合金板，对接面尺寸50mm×40mm，平板长度100mm。采用真空电子束热源进行加热，过程如下：
(1)精加工试样对接面，并清洗干净；
(2)如图1A、图1B所示，刚性固定对接平板；
(3)利用电子束热源扫描加热对接面。
刚性拘束热自压连接后，原对接界面消失，经检测，本实施TC4-DT平板刚性约束热自压连接接头的焊合率大于95%。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种刚性拘束热自压连接方法，刚性拘束待连接对接材料，非熔化扫描加热待连接材料的界面区域，使加热区高温金属与周围冷金属之间产生温差，在温差和刚性拘束共同作用下产生热弹塑性应力应变场，对界面处高温热塑性状态金属产生自挤压，实现扩散和连接，
该方法至少包括以下步骤：
(1)刚性拘束待连接材料；
将待连接材料对接面紧密对接，利用夹具刚性拘束待连接材料；
(2)进行非熔化加热；
使用集中热源扫描加热对接面，进行非熔化加热，在热源作用下加热区金属与周围冷金属之间产生温差，温差和刚性拘束共同作用，从而在加热区产生热弹塑性应力应变场，热弹塑性应力应变场对对接面处高温区热塑性状态金属进行自挤压，实现扩散和连接。
2.如权利要求1所述的刚性拘束热自压连接方法，其特征在于：在步骤(1)之前，精加工待连接材料对接面，并将待连接材料紧密对接装配于焊接夹具上。
3.如权利要求2所述的刚性拘束热自压连接方法，其特征在于：所述夹具设有成对约束挡板，由约束挡板对待连接对接材料进行刚性拘束。
4.如权利要求3所述的刚性拘束热自压连接方法，其特征在于：在夹具约束挡板外侧设置固定支撑板，由螺钉螺旋穿过固定支撑板并抵顶在约束挡板上，由此对待连接对接材料进行刚性拘束。
5.如权利要求1所述的刚性拘束热自压连接方法，其特征在于：所述集中热源为电子束或激光。
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