CN103846541A - 金属液固态界面热挤压焊接方法 - Google Patents

金属液固态界面热挤压焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属的结合工艺领域，具体涉及金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：将至少一个所述金属焊件嵌装在一与其形状、大小相匹配且腔体深度小于该所述金属焊件高度的容置腔中；设置一压力源，所述压力源对两个所述金属焊件持续施加压力以将两个所述金属焊件的焊接面紧密贴合；采用具有导磁载压体的加热线圈对至少一个所述金属焊件进行加热，加热温度不低于其中一个较低熔点的所述金属焊件的熔点。本发明的优点是：能够适用于异种或同种金属件之间的焊接，并且具有焊接速度快、焊接强度高，适合各种尺寸结合面积的焊接，可对任意复杂形状的金属件进行焊接的优点。

Description

金属液固态界面热挤压焊接方法
技术领域
本发明涉及金属的结合工艺领域，具体涉及金属液固态界面热挤压焊接方法。
背景技术
异种金属结合结构件兼有异种材料综合的优良物理、力学、机械性能。在电力电子工业领域具有广泛的应用。异种金属的物理化学性能存在差异给焊接带来了困难。目前，可实现异种金属结合的工业化方法和工艺有焊接和铸锻两大类，焊接方法包括摩擦焊，钎焊，扩散焊，爆炸焊等。铸锻方法包括降伏状态冷锻法，热挤压法和压铸法等。上述焊接方法主要适用于大面积，大体积的异种金属焊件的焊接或结合。超声波焊接方法因功率的限制，主要用于线束，接线端子等电子器件的焊接。而钎焊方法在金属结合强度方面还无法达到某些产品的要求。
专利200510008353 “用于异种金属板的液相扩散结合方法和设备”介绍了利用压力辊施加压力，并采用两个环绕式高频感应加热线圈分别对异种金属加热的共晶液相扩散结合方法；该发明采用两套高频感应加热线圈分别对异种金属，即镀锌钢板和铝合金板，进行加热，过高的温度会导致基底材料的低强度和变形，因此结合部位的最高温度控制在550℃以下，并对异种金属板施加了数十兆帕的压力，以保证结合强度。由于加热线圈放置在金属板背部，该方法仅可适用于板状材料的焊接，无法对复杂形状，或较厚的金属焊件实现焊接。
专利201110448262公开了一种异种金属复合接头制备方法，该方法根据液相/固相扩散原理，采用低熔点液态金属向高熔点金属的渗透扩散连接技术。实现异种金属无缝隙冶金结合。由于该焊接方法是采用坩埚在真空加热炉中实现，工艺复杂，流程周期时间长，很难实现低成本的流水线焊接。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了金属液固态界面热挤压焊接方法，对两金属焊件的焊接面加热使其熔化而金属焊件的其他部位通过冷却装置冷却仍保持固体态；金属焊件表面熔化层的氧化物杂质在压力作用下，被挤出焊接面，实现了两个金属焊件之间的有效焊接。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种金属液固态界面热挤压焊接方法，用于将两个金属焊件焊接成一体，其特征在于，所述方法包括下列步骤：将至少一个所述金属焊件嵌装在一与其形状、大小相匹配且腔体深度小于该所述金属焊件高度的容置腔中；设置一压力源，所述压力源对两个所述金属焊件持续施加压力以将两个所述金属焊件的焊接面紧密贴合；采用具有导磁载压体的加热线圈对至少一个所述金属焊件进行加热，加热温度不低于其中一个较低熔点的所述金属焊件的熔点。
两个所述金属焊件是由异种金属制成，其中较低熔点的金属焊件被嵌装于所述容置腔中；所述加热温度高于所述较低熔点的金属焊件的熔点，同时低于较高熔点的所述金属焊件的熔点。
较高熔点的所述金属焊件位于所述加热线圈的加热区域内。
两个所述金属焊件分别为铜制金属焊件、铝制金属焊件，所述铝制金属焊件被嵌装于所述容置腔中；所述加热温度高于所述铝制金属焊件的熔点，同时低于所述铜制金属焊件的熔点。
两个所述金属焊件是由同种金属制成，两个所述金属焊件分别被嵌装于两个所述容置腔中，所述加热温度高于所述金属焊件的熔点。
所述容置腔的腔体外围设置有冷却水道。
在所述加热线圈与所述金属焊件之间设置有一隔热压块，通过调整所述隔热压块的厚度以选择所述加热线圈的加热区域。 
通过调整所述加热线圈的功率大小以选择所述加热线圈的加热区域。
所述导磁载压体可由若干薄硅钢片叠放并相互锁紧连接构成，也可以采用软磁铁氧体材料或软磁复合粉末材料烧结成型。
本发明的优点是： 
1. 快速加热避免了结合面上金属间化合物的过度生成，提高了焊接强度；
2. 适合各种尺寸结合面积的焊接，突破了闪光焊、电阻焊、摩擦焊、在焊接面积大小方面的局限性；
3. 采用了根据被焊接件形状设计的挤压模，可对任意复杂形状的金属件进行焊接；例如：可直接进行成型铝合金散热鳍片与铜板的对焊；
4. 异种金属焊接结合面始终处于承压贴合状态，避免了结合面接触空气中氧气和氢气产生的反应，无需真空气氛，无需惰性气体保护；
5. 焊接工艺简单，成本低，工艺过程中使用标准化设备，或改造的标准化设备，容易实现焊接过程自动化。
附图说明
图1是本发明的焊接装置结构示意图；
图2是本发明中具有导磁载压体的加热线圈结构示意图；
图3是本发明中导磁载压体的结构示意图；
图4是本发明中加热线圈的原理示意图Ⅰ；
图5是本发明中加热线圈的原理示意图Ⅱ；
图6是本发明中焊件压模的使用示意图；
图7是图6的爆炸视图；
图8是具有成型结构的复杂金属焊件与焊件压模的配合结构图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-8所示，图中标记1-18分别为：液压机1、液压机活塞推杆2、硅钢片3、导磁载压体4、隔热压块5、焊件压模6、冷却系统7、冷却水道入水口8、模座工作台9、甲金属焊件10、乙金属焊件11、紧固螺栓12、中、高频感应加热线圈13、玻璃纤维保护套管14、中、高频感应加热器15、冷却水道出水口16、容置腔17、成形结构18。 
实施例一：本实施例中的金属液固态界面热挤压焊接方法用于将两个金属焊件焊接成一体，且适用于两种由异种金属制成的金属焊件。本方法可藉由如图1所示的一种焊接装置实现，但也不仅仅限于该形式的装置。
如图1所示，本实施例的焊接方法用于将甲金属焊件10、乙金属焊件11两者焊接成一体，两金属焊件分别由异种金属制成，且甲金属焊件10的熔点小于乙金属焊件11的熔点，焊接方法具体包括：
将甲金属焊件10嵌装于一与其形状、大小相匹配且腔体深度小于甲金属焊件10高度的容置腔17中，此时甲金属焊件10的上表面（即焊接面）露出于容置腔17的上开口。将乙金属焊件11与甲金属焊件10的焊接面紧密贴合。为了达到承受压力，容置腔17开设于焊件压模6；为了能够散发热量、控制焊件压模6的温度，焊接压模6内开设有采用循环水冷为工作方式的冷却水道，冷却水道位于容置腔17的下方，其冷却水道出水口16、冷却水道入水口8分别贯通开设于焊件压模6的侧面并与冷却系统7构成连接。焊件压模6支承于模座工作台9之上。
设置一采用磁感应线加热原理的加热装置对乙金属焊件11进行加热。如图2、3所示，该加热装置由导磁载压体4以及中、高频感应加热线圈13配合安装构成，其中中、高频感应加热线圈13与中、高频感应加热器15相连接，导磁载压体4由若干呈E字形的硅钢片3通过紧固螺栓12相互连接锁紧构成，中、高频感应加热线圈13配合安装于硅钢片3的凹槽中；硅钢片3构成的导磁载压体4除了增强磁场强度，同时还起到传递压力的作用。如图4所示，中、高频感应加热线圈13位于乙金属焊件11的上表面其磁感应线穿过乙金属焊件11以对其进行加热。中、高频感应加热线圈13的加热温度在大于甲金属焊件10的同时小于乙金属焊件11，这样一来可以藉由乙金属焊件11可通过热传导仅仅使甲金属焊件10的焊接面这一局部熔化，而甲金属焊件10位于容置腔17的其余部分可通过开设于焊件压模6内的冷却水道得到冷却并保持固体态。导磁载压体4的下平面套装有一隔热压块5，隔热压块5可以阻止金属焊接件的热量传输到导磁载压体4上。
设置一压力源，该压力源由液压机1提供，液压机1的液压机活塞杆2位于导磁载压体4的上方并与其表面发生接触，通过导磁载压体4施力于乙金属焊件11与甲金属焊件10。当液压机1通过导磁载压体4施力于乙金属焊件11以及甲金属焊件10时，两金属焊件的焊接面始终保持紧密贴合使空气无法进入，从而避免焊接过程中金属焊接面与空气中的氧气和氢气产生不良反应。当甲金属焊件10的焊接面被中、高频感应加热线圈13加热熔化时，由于液压机1的压力，乙金属焊件11始终被压紧于甲金属焊件10的焊接面，所以两金属焊件完成焊接，并且甲金属焊件10的表面熔化层的氧化物杂质在压力作用下，被挤出结合面，所得到的焊接面强度得到保证。
实施例二：本实施例相较实施例一的不同之处在于，本实施例是针对由同种金属制成的两金属焊件之间的焊接需要。为了焊接由同种金属制成的两金属焊件，需要将两金属焊件分别嵌装于两个焊件压模6的容置腔17内，由导磁载压体4和中、高频感应加热线圈13构成的加热装置可设置于两金属焊件相贴合的焊接面一侧或其中一个容置腔17的背侧，从而对两金属焊件进行部分加热而使两者的焊接面熔化，此时金属焊件的其余部分均可通过各自的焊件压模6内开设的冷却水道冷却一直保持固体态。
本实施例在具体实施时：甲金属焊件10可以为铝制金属件，乙金属焊件11可以为铜制金属焊件，此时中、高频感应加热线圈13的加热温度应控制在高于铝的熔点同时又低于铜的熔点，即可保证铝制金属件的焊接面的局部熔化；一般来说，该温度在550℃到700℃之间，最佳温度在600℃-650℃。
以甲金属焊件10是铝制金属焊件，乙金属焊件11是铜制金属焊件这种焊接两种由异种金属制成的金属焊件为例，由中、高频感应加热线圈13的磁感应线进行的加热可分为以下两种方式：如图4所示，磁感应线只穿过铜制金属焊件，由于铜制金属焊件与铝制金属焊件始终保持紧密贴合的接触且加热温度在高于铝的熔点的同时又低于铜的熔点，所以通过铜制金属焊接的热传导可使铝制金属焊件的焊接面熔化；如图5所示，磁感应线在穿过铜制金属焊件的同时，还至少穿过铝制金属焊件的焊接面，这样一来，虽然同时加热两金属件，但由于加热温度低于铜的熔点，所以只有铝制金属焊件的焊接面被熔化。
而加热方式的不同可通过两种途径进行调整：如图4、5所示，图4中示中、高频感应加热器输出功率小于图5中的中、高频感应加热器的输出功率，所以上述由磁感应线的分布决定的在金属焊件上加热区域的空间位置，可通过调整中、高频感应加热器15的输出功率来控制磁感应线的分布并以此选择在金属焊件上的加热区域；此外由于磁感应线还需穿过隔热压块5，所以还可通过调整隔热压块5的厚度来选择在金属焊件上加热区域的空间位置。
如图6、7所示，甲金属焊件10为一板体，所以其嵌入的容置腔17为与其长度、宽度相匹配的矩形腔体；而如图8所示，当甲金属焊件10下部具有复杂的成形结构18时，需要将容置腔18的腔体结构设置为与其复杂的成形结构18相匹配的结构，从而使得成形结构18得到冷却水道的冷却，避免其受热变形甚至熔化，这样一来，具有复杂成形结构的金属焊件的焊接也得以实现。
上述实施例一所依附的焊接装置为立式，而在应用于实际流水线上时，可相应选择为卧式或其他一些形式的装置结构，但都不妨碍本方法的实施。
中、高频感应加热线圈13的截面除了可以是图1、2、4或5中的方形截面铜管，也可以是圆形截面的铜管。中、高频感应加热线圈13的匝数可以是一匝、两匝或两匝以上并排的线圈，外部套装玻璃纤维保护套管14。
导磁载压体4的上、下平面均经过精密加工，保证其表面精度和两平面的平行度，从而保证两金属焊件间结合面的平面度。导磁载压体4可采用实施例一、二中的由若干薄硅钢片3叠放并相互锁紧连接构成，也可以采用软磁铁氧体材料或软磁复合粉末材料烧结成型。
隔热压块5的材料采用低导热系数，绝缘，低导磁率的材料制成，可以选择为：三氧化二铝、氮化硅或石英材等。

Claims (9)

1.一种金属液固态界面热挤压焊接方法，用于将两个金属焊件焊接成一体，其特征在于，所述方法包括下列步骤：将至少一个所述金属焊件嵌装在一与其形状、大小相匹配且腔体深度小于该所述金属焊件高度的容置腔中；设置一压力源，所述压力源对两个所述金属焊件持续施加压力以将两个所述金属焊件的焊接面紧密贴合；采用具有导磁载压体的加热线圈对至少一个所述金属焊件进行加热，加热温度不低于其中一个较低熔点的所述金属焊件的熔点。
2.根据权利要求1所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：两个所述金属焊件是由异种金属制成，其中较低熔点的金属焊件被嵌装于所述容置腔中；所述加热温度高于所述较低熔点的金属焊件的熔点，同时低于较高熔点的所述金属焊件的熔点。
3.根据权利要求2所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：较高熔点的所述金属焊件位于所述加热线圈的加热区域内。
4.根据权利要求2所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：两个所述金属焊件分别为铜制金属焊件、铝制金属焊件，所述铝制金属焊件被嵌装于所述容置腔中；所述加热温度高于所述铝制金属焊件的熔点，同时低于所述铜制金属焊件的熔点。
5.根据权利要求1所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：两个所述金属焊件是由同种金属制成，两个所述金属焊件分别被嵌装于两个所述容置腔中，所述加热温度高于所述金属焊件的熔点。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：所述容置腔的腔体外围设置有冷却水道。
7.根据权利要求1所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：在所述加热线圈与所述金属焊件之间设置有一隔热压块，通过调整所述隔热压块的厚度以选择所述加热线圈的加热区域。
8.根据权利要求1所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：通过调整所述加热线圈的功率大小以选择所述加热线圈的加热区域。
9.根据权利要求1所述的一种金属液固态界面热挤压焊接方法，其特征在于：所述导磁载压体可由若干薄硅钢片叠放并相互锁紧连接构成，也可以采用软磁铁氧体材料或软磁复合粉末材料烧结成型。
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