CN103934551B - 表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属tig熔-钎焊方法 - Google Patents

表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属tig熔-钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，包括焊接时采用超声波辅助实现TIG熔-钎焊的步骤B，其特征在于，还包括焊接前对低熔点母材进行表面机械研磨处理的步骤A。本发明具有操作简单，能够提高焊接质量，防止焊后接头组织粗大，避免形成脆硬性的金属间化合物，提高焊接性能等优点，尤其适用于两个母材中低熔点母材表面容易产生金属氧化物的异种金属连接。

Description

表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种异种金属焊接技术，尤其涉及一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法。
背景技术
TIG熔-钎焊是指两种不同熔点的母材采用钨极惰性气体焊接，焊接过程中使用钎料并对钎料加热达到熔点，同时使得高熔点的母材为钎焊结合，低熔点的母材为熔焊结合的焊接方式。
由于TIG熔-钎焊需要将两种不同熔点的母材焊接在一起，焊接难度较大，焊接效果很难保证，具体地说，常规的TIG熔-钎焊存在以下缺陷：
1、TIG熔-钎焊对待焊母材的要求很高，焊接接头的性能难以得到保证。2、液态低熔点母材和钎料的混合物与高熔点母材的润湿性差，铺展不开，接头微观结构不合理，力学性能差。3、接头凝固过程中，容易形成粗大的柱状晶、块状晶和连续晶粒，使得接头力学性能得到很大程度上的弱化。4、接头中由于温度较高，扩散剧烈发生，但是有些时候，金属之间的固溶度很小，容易形成脆硬性的金属间化合物相，而且形状和分布不合理。
我国专利号201010164018的专利曾公开了一种异种金属TIG电弧微熔钎焊随焊超声焊接方法，在TIG微熔钎焊过程中加入等时稳定的超声振动系统，能够在一定程度上解决上述部分缺陷，对异种金属TIG微熔钎焊的焊接接头具有一定的改善作用。但该方法仍然存在焊接质量较差，焊后接头组织粗大，容易形成脆硬性的金属间化合物，焊接性能低下的缺陷。同时，该方法中，超声波发生器和焊枪为同向同步移动式操作，超声波发生器不易控制且容易干涉焊接的进程，另外，超声波发生器和焊枪同向操作，超声波对焊接时焊池熔液表面的影响较大，对焊池深处焊缝结合部位的影响较小，故超声波的作用发挥有限，焊接质量改善有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，怎样提供一种操作简单，能够提高焊接质量，防止焊后接头组织粗大，避免形成脆硬性的金属间化合物，提高焊接性能的表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法。
为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：
一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，包括焊接时采用超声波辅助实现TIG熔-钎焊的步骤B，其特征在于，还包括焊接前对低熔点母材进行表面机械研磨处理的步骤A。
本发明中，表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊连接是进行焊接之前，对低熔点母材进行表面机械研磨处理，使得表面产生微量塑性变形，残留部分压应力，同时，加载稳定的中低频超声波，在机械振动的辅助下，分裂破碎和去除氧化膜，改善液体铺展和液/固界面的润湿性，通过表面机械研磨处理和机械振动来去除待焊母材的金属氧化物，脆硬性金属间化合物的形成得到有效的控制，其形态、成分和分布得到改善的良好的焊接接头；从而得到细化晶粒、均匀化组织，最终获得高性能的焊接接头。
作为优化，步骤A中对低熔点母材进行表面机械研磨处理时，采用喷丸的方式处理，以去除母材表面氧化物，同时使得低熔点母材表面积增加并产生一定的压应力。
具体地说，步骤A中喷丸处理具体包括以下步骤：a、取两块待焊接的低熔点母材金属板，再取同样尺寸的钢板，将钢板夹在两个低熔点母材金属板中间作为夹心；b、用夹具将三者夹紧，放到喷丸机中，进行喷丸作业，当低熔点母材金属板表面的塑性变形至产生肉眼可见的弯曲变形之前停止，c、当两侧的铝合金都完成了一面的喷丸以后，停止并拆卸掉夹具，两个低熔点母材金属板翻转一面后再次靠夹具夹紧装入喷丸机中，重复b步骤，完成两个低熔点母材金属板的表面处理。
采用喷丸处理母材表面处理有以下作用，1、破碎表面的金属氧化物，避免对焊接时的影响；2、细化表层晶粒，提高焊接时母材焊缝连接处质量；3、增大焊接时的受热面积，使得铝合金受热量更大，也就降低了铝合金与钎料熔融态的混合物的粘度，降低了表面张力，促进了铺展的进行；3、增大了受热面积还能增加铝合金与钎料熔融态的混合物中的能量起伏，促进形核结晶，从而达到细化晶粒的目的，提高了焊接质量。4、喷丸处理时采用钢板作为夹心，是为了缓冲在对一侧进行喷丸作业时对另一侧造成的影响，使得作业效率得以提高，而且由于钢板的缓冲作用，能使得铝合金的变形进行得更均匀。
本方案中，仅仅对低熔点的母材进行喷丸作业，这是由于低熔点的母材表面的硬度低，喷丸的难度更低，效果也更明显；同时如果对两个母材都进行喷丸处理，表面的粗糙度都很高，在焊接时母材搭接放置时会产生较大的空腔，其中残留着空气，会在焊接接头产生金属氧化物；另外高熔点的母材硬度较高，喷丸的效果很不明显，只会降低效率，浪费能量。
本方案中，采用了双面喷丸的原因是，双面喷丸，使得母材表面积更大，受热更均匀、充分，能有效降低母材与钎料熔融态的混合物的粘度，促进铺展，还能有效增加能量起伏，增加晶粒的数目。如果是单面喷丸，容易使得母材金属板弯曲变形，焊接过后容易残留较大的残余应力，而且单面喷丸，容易使得母材被喷部分厚度不不均匀，使得母材金属板与钎料熔融态的混合物的量随送丝方向变化，容易造成铺展不均匀和应力集中；双面喷丸则可以避免上述问题，达到更好的焊接效果。
作为优化，步骤B中，具体包括以下步骤：1）获取以下结构的焊接辅助装置，包括作为微型操作平台的底板，底板下部固定设置有超声波发生器，超声波发生器的输出端通过一个竖直向上的超声波传动杆连接到底板上，底板上表面分别设置有用于固定低熔点焊接母材和高熔点焊接母材的母材固定夹具；2）将高熔点焊接母材和表面处理后的低熔点焊接母材靠母材固定夹具固定在底板上表面，需要连接的焊缝位置相搭接，位于较高位置的焊接母材下表面和底板之间可以填充垫板使得焊缝位置搭接更紧密可靠，完成焊接母材的安装；3）将TIG焊机的接入口接入到焊缝一侧，打开超声波发生器，打开TIG焊机，沿着搭接接头焊缝的位置送焊丝，使得焊接在氩弧的保护下进行，焊接完毕后拆卸掉母材固定夹具即可。
这样优化后，采用了特殊结构的焊接辅助装置，可以更好地实现对焊接母材的固定装夹。超声波发生装置固定设置，焊接时开启即可，操作简单且不会因操作超声波装置对焊接过程产生干涉。同时，焊接时超声波发生器从底板下方从下向上的方向垂直传递超声波振动，振动可以更好地传递到熔池底部焊缝位置，能够更好地破碎该底部位置的初期枝晶，增加熔池凝固结晶过程中的结晶核数目，提高该底部位置生成的晶粒均匀度，提高熔池底部焊缝位置的结合性能，进而极大地提高了焊接效果。焊接在氩弧的保护下进行焊接，使得焊接接头不被空气氧化而导致恶劣的性能，最终实现高性能的焊接。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，在焊前对低熔点母材进行机械研磨处理，使其表面产生微量的塑性变形，有效地破碎了待焊母材表面的金属氧化物，减少了接头组织中的夹杂，优化了接头性能。
本发明利用本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，在操作平台上加载超声波，可以破碎凝固结晶过程中的枝晶，从而增多了结晶核，实现了晶粒的细化，同时也减少甚至消灭了粗大的柱状晶、块状晶和连续晶粒，优化了接头组织。
本发明利用本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，焊前对待焊低熔点母材进行表面机械研磨处理，焊接过程中，在操作平台上加载超声波，可以控制脆硬相金属间化合物的生成，同时通过机械振动，改善了金属间化合物的形态、成分和分布，很大程度上改善了接头的性能。
本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，在操作平台上加载超声波，可以降低金属母材与熔融的钎料的液态混合物的摩擦力，改善了固/液的润湿性，使得铺展进行得更充分，实现了低熔点和高熔点的金属母材的高质连接。
本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，选用具有较低熔点的金属材料作为焊丝，特别适合用于熔点差值为500~1000℃的异种金属间的连接。
本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，在焊前对低熔点母材进行机械研磨处理，使其表面产生微量的塑性变形，残留部分压应力，细化了低熔点母材表面的晶粒，从而细化接头组织的晶粒大小
本发明利用本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊，利于促进接头成分均匀化和提高连接强度，且工艺过程简单，成本不高，易于实现。
综上所述，本发明具有操作简单，能够提高焊接质量，防止焊后接头组织粗大，避免形成脆硬性的金属间化合物，提高焊接性能等优点，尤其适用于两个母材中低熔点母材表面容易产生金属氧化物的异种金属连接。
附图说明
图1为本发明焊接时的示意简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时，一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，包括焊接时采用超声波辅助实现TIG熔-钎焊的步骤B，其特征在于，还包括焊接前对低熔点母材进行表面机械研磨处理的步骤A。
其中步骤A中对低熔点母材进行表面机械研磨处理时，采用喷丸的方式处理，以去除母材表面氧化物，同时使得低熔点母材表面积增加并产生一定的压应力。喷丸处理具体包括以下步骤：a、取两块待焊接的低熔点母材金属板，再取同样尺寸的钢板，将钢板夹在两个低熔点母材金属板中间作为夹心；b、用夹具将三者夹紧，放到喷丸机中，进行喷丸作业，当低熔点母材金属板表面的塑性变形至产生肉眼可见的弯曲变形之前停止，c、当两侧的铝合金都完成了一面的喷丸以后，停止并拆卸掉夹具，两个低熔点母材金属板翻转一面后再次靠夹具夹紧装入喷丸机中，重复b步骤，完成两个低熔点母材金属板的表面处理。
步骤B中，具体包括以下步骤（参见图1）：1）获取以下结构的焊接辅助装置，包括作为微型操作平台的底板1，底板1下部固定设置有超声波发生器2，超声波发生器2的输出端通过一个竖直向上的超声波传动杆3连接到底板1上，底板1上表面分别设置有用于固定低熔点焊接母材4和高熔点焊接母材5的母材固定夹具（夹具图中未显示）；2）将高熔点焊接母材5和表面处理后的低熔点焊接母材4靠母材固定夹具固定在底板1上表面，需要连接的焊缝位置6相搭接，位于较高位置的焊接母材下表面和底板1之间可以填充垫板7使得焊缝位置搭接更紧密可靠，完成焊接母材的安装；3）将TIG焊机的接入口接入到焊缝一侧，打开超声波发生器，打开TIG焊机，沿着搭接接头焊缝的位置送焊丝9，使得焊接在氩弧的保护下进行，焊接完毕后拆卸掉母材固定夹具即可。图1中标号8为焊枪。
本发明的工艺中，首先对低熔点母材进行表面机械研磨处理，使其表面产生微量的塑性变形。并残留部分压应力，细化其表面组织中的晶粒，并采用具有低熔点的焊丝作为填充材料，将高熔点金属和经过表面机械研磨处理的低熔点金属固定在载有稳定的同步的中低频超声波的操作平台上，在氩气保护下，钨极放电，产生高温，融化焊丝和低熔点金属，液态的焊丝和金属的混合物在高熔点金属在搭接接头进行铺展，并凝固结晶，氩气将熔池与空气隔绝，降低了融融金属的氧化，减少了接头组织中氧化物夹杂的形成，钎料的加入，一方面促进了润湿和铺展，另一方面作为填充金属，使得接头进行有效填充而更加致密，加载的超声波则使得润使铺展更为容易，而且有细化晶粒、均匀化组织和控制金属间化合物的生成、形态、成分和数目，最终实现焊接母材的优质连接。
为保证连接工艺过程实施，在表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊工艺中可以施加大小为0.2~0.5MPa的恒定微弱载荷起到固定焊接母材并促进连接的作用，而且机械研磨处理的变形量不可以太大，太大会在接头形成很大的残余应力，使得焊件卷起来，载荷超声波频率也不宜太大，否则容易造成焊不上、焊后接头开裂。表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊工艺过程均在惰性气体保护气氛中进行。
本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊连接异种金属，首先对低熔点母材进行表面机械研磨处理，选用较低熔点的金属焊丝作为填充材料，在氩气保护、加载稳定的同步的超声波的条件下进行，在用于熔点差值为500~1000℃的异种金属间连接时，可以促进组织细化、均匀化，控制金属间化合物的形成、形态、成分和分布，改善连接性能。
本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊连接异种金属，促进接头成分均匀化和提高连接强度，且工艺过程简单，成本不高，易于实现。本发明利用表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊的连接方法，对物理、化学和冶金性能差异显著的异种金属材料间进行连接，可以有效提高其连接强度。

Claims (4)

1.一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，包括焊接时采用超声波辅助实现TIG熔-钎焊的步骤B，其特征在于，还包括焊接前对低熔点母材进行表面机械研磨处理的步骤A；具体为进行焊接之前，对低熔点母材进行表面机械研磨处理，使得表面产生微量塑性变形，残留部分压应力，同时，焊接过程中加载稳定的中低频超声波，在机械振动的辅助下，分裂破碎和去除氧化膜，改善液体铺展和液/固界面的润湿性。
2.如权利要求1所述的表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，其特征在于，步骤A中对低熔点母材进行表面机械研磨处理时，采用喷丸的方式处理。
3.如权利要求2所述的表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，其特征在于，步骤A中喷丸处理具体包括以下步骤：a、取两块待焊接的低熔点母材金属板，再取同样尺寸的钢板，将钢板夹在两个低熔点母材金属板中间作为夹心；b、用夹具将三者夹紧，放到喷丸机中，进行喷丸作业，当低熔点母材金属板表面的塑性变形至产生肉眼可见的弯曲变形之前停止，c、当两侧的低熔点母材金属板都完成了一面的喷丸以后，停止并拆卸掉夹具，两个低熔点母材金属板翻转一面后再次靠夹具夹紧装入喷丸机中，重复b步骤，完成两个低熔点母材金属板的表面处理。
4.如权利要求1所述的表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，其特征在于，步骤B中，具体包括以下步骤：1）获取以下结构的焊接辅助装置，包括作为微型操作平台的底板，底板下部固定设置有超声波发生器，超声波发生器的输出端通过一个竖直向上的超声波传动杆连接到底板上，底板上表面分别设置有用于固定低熔点焊接母材和高熔点焊接母材的母材固定夹具；2）将高熔点焊接母材和表面处理后的低熔点焊接母材靠母材固定夹具固定在底板上表面，需要连接的焊缝位置相搭接，位于较高位置的焊接母材下表面和底板之间填充垫板使得焊缝位置搭接更紧密可靠，完成焊接母材的安装；3）将TIG焊机的接入口接入到焊缝一侧，打开超声波发生器，打开TIG焊机，沿着搭接接头焊缝的位置送焊丝，使得焊接在氩弧的保护下进行，焊接完毕后拆卸掉母材固定夹具即可。
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