CN104400237A - 一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法 - Google Patents

一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法 Download PDF

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王谦
李云涛
褚亮
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials

Abstract

一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤如下：1）将两种不同金属材料的待焊表面去除污、清洗，烘干后预热；2）在大气环境、氮气或氩气气氛下，使用外加热源进行加热以使结合处的母材或填充材料熔化为液态金属，与此同时施加超声波和磁场双物理场，结合处液态金属冷却凝固之后得到复合焊缝；3）待焊缝处液态金属凝固、冷却至室温后得到颗粒增强的焊缝。本发明的优点是：该焊接方法通过施加超声和磁场，有效控制界面反应和强化液态金属流动，得到金属间化合物颗粒增强的复合焊缝，有利于焊接接头完整结合，提高焊接接头力学性能，细化焊缝晶粒，减小残余应力；减少钎剂对人员的毒副作用以及对铝钢结合界面的不良影响，有利于环保。

Description

一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别是一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法。
背景技术
异种材料焊接和连接技术是将两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合的材料成型方法。母材金属仍然保持各自原有特性，比使用单一金属优越得多，因此，异种材料焊接与连接的方法一直以来受到普遍重视。铝、钢、钛和铜等作为常见金属，其相互之间的焊接与连接在发电设备、汽车、船舶、钢道交通、核能、机械、航天、石油、化工等中有着广泛应用。
异种金属的焊接与连接方法，主要包括钎焊、熔化焊和固相焊等。
钎焊的基本工艺是:按照要求准备母材和钎料，然后使用外加热源，将钎料熔化，钎料凝固后实现界面结合。该方法需要使用钎剂或气氛，破除母板表面的氧化膜。
熔化焊的基本工艺是:按照要求准备母材和钎料，然后使用外加热源，将母材或母材和填充材料熔化，焊缝凝固后实现界面结合。
压力焊的基本工艺是:按照要求准备母材和钎料，然后使用外加热源，母材不熔化，通过施加压力促使界面实现结合。
上述工艺中存在的主要问题是：焊接过程中，异种金属反应迅速、剧烈、难以避免，生成的脆性金属间化合物难以承受应力作用，容易造成开裂，降低了焊接接头的力学性能。目前减少异种材料金属间化合物影响的思路普遍是调整焊接参数、优化工艺、降低热输入、进而减少金属间化合物的生成，但是异种金属反应迅速，彻底避免较为困难。异种材料互溶性差，在熔化焊时，液相分离，冷却结晶时造成焊缝成份不均，容易发生开裂；热膨胀系数不同，焊缝易产生应力，造成焊接变形，导致裂纹萌生；热导率不同，结晶条件恶化，易造成晶粒粗化；金属材料表面二次氧化膜生长迅速，可产生夹杂、裂纹，影响界面结合；焊前金属表面清理工艺繁琐，焊接过程中使用钎剂会对人员造成毒副作用，焊后钎剂清理困难，易对对结合界面的产生不良影响。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种异种金属材料的焊接方法，该方法焊接过程中同时施加磁场和超声波，进而利用异种金属反应生成的金属间化合物形成颗粒增强焊缝，提高焊缝力学性能，有助于加速焊缝传热传质，促进焊缝成份的均匀化，细化晶粒，减小应力，提高界面结合性能。
本发明的技术方案：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤如下：
1）将两种不同金属材料的待焊表面去除油脂、污渍，并用酸洗法进行清洗，初步去除氧化膜，烘干后在大气环境、氮气或氩气气氛条件下预热，预热温度为100-400℃；
2）在大气环境、氮气或氩气气氛条件下，使用外加热源进行加热以使结合处的母材或填充材料熔化为液态金属，与此同时施加超声波和磁场双物理场，结合处液态金属冷却凝固之后得到复合焊缝；
3）待焊缝处液态金属凝固、以冷却速度为200-900℃/min冷却至室温后停止施加外加物理场，得到颗粒增强的焊缝。
所述外加热源为火焰、电弧、激光或电子束，以及通过热传导和热辐射熔化金属的电阻加热法。
所述填充材料为Zn-Al、Al-Si、Sn-Zn；填充材料形态为粉状、棒状、带状或膏状。
所述超声波的振动频率为2×104-1×109Hz，工具头输出振幅为0.01-20μm，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，工作压力0.01-5.0MPa，超声波振动方向为横向或纵向。
所述磁场为稳恒磁场或交变磁场，磁场强度为0.001-15T，交变磁场频率为0.01-1000Hz。
所述氮气或氩气气氛的浓度为99-99.9999%。
本发明的优点是：
该焊接方法通过施加超声和磁场，有效控制界面反应和强化液态金属流动，得到金属间化合物颗粒增强的复合焊缝，有利于焊接接头完整结合，提高焊接接头力学性能，细化焊缝晶粒，减小残余应力，破除氧化膜；降低或避免钎剂使用，减少对人员的毒副作用以及对铝钢结合界面的不良影响，有利于节约能源、减小物料的使用和降低环境污染。
附图说明
图1是多物理场辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图2是采用不同形状超声施加装置的多物理辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图3是采用填充材料的多物理辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图4是能量束有一定倾斜角度的多物理辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图5是气氛保护下多物理辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图6是不使用加热装置，仅使用能量束的多物理辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图7是不使用能量束，仅使用加热装置的多物理辅助异种金属材料焊接设备示意图。
图8是不使用能量束，仅使用加热装置的多物理辅助异种金属材料上下放置的焊接设备示意图。
图9是不使用能量束，仅使用加热装置的多物理辅助异种金属材料上下放置并设置填充材料的焊接设备示意图。
图10是颗粒增强复合结构焊缝的微观组织示意图。
图中：1.超声波施加装置    2.金属母材   3.加热装置   4.磁场   5.能量束6. 异种金属母材    7. 填充材料  8. 焊接气氛。
具体实施方式
结合附图通过实施例对本发明进行说明。
实施例1：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤如下：
1）将纯铝板和纯铁板表面去除油脂、污渍，并用酸洗法进行清洗，初步去除氧化膜，烘干后在大气环境下预热，预热温度为300℃；
2）在大气环境、氮气或氩气气氛条件下，使用电弧加热以使并排放置的纯铝板和纯铁板结合处熔化为液态金属，与此同时施加超声波和磁场双物理场，如图1所示，其中超声频率为2×104Hz、工具头输出振幅为10μm、超声波电源的输出功率为2kW、工作压力3.0Mpa，，磁场强度为3T、交变磁场频率为10Hz，结合处液态金属冷却凝固之后得到复合焊缝； 
3）待焊缝处液态金属凝固、以冷却速度为200-900℃/min冷却至室温后停止施加外加物理场，得到颗粒增强的焊缝，得到颗粒增强的焊缝结构，如图10所示。
实施例2：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：所使用的超声波施加装置的形状为滚轮型，如图2所示。
实施例3：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：在纯铝板和纯铁板之间使用填充材料，成份为Zn-Al合金，填充材料预先放置在两种金属之间，厚度为0.5mm，如图3所示。
实施例4：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：采用电弧加热，电弧方向与被焊母材之间一定倾斜角度，角度大小在45°，如图4所示。
实施例5：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：轧制在氮气气氛条件下进行，氮气的浓度为99.9%，如图5所示。
实施例6：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中使用激光能量束加热。
实施例7：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中使用火焰加热装置。
实施例8：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中使用电弧加热，如图6所示。
实施例9：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中使用火焰加热，如图7所示。
实施例10：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中两种金属板上下放置，如图8和图9所示。
实施例11：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：在纯铝板和纯铁板之间使用填充材料，成份为Sn-Zn合金，厚度为0.5mm，如图3所示。

Claims (6)

1.一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，其特征在于步骤如下：
1）将两种不同金属材料的待焊表面去除油脂、污渍，并用酸洗法进行清洗，初步去除氧化膜，烘干后在大气环境、氮气或氩气气氛条件下预热，预热温度为100-400℃；；
2）在大气环境、氮气或氩气气氛条件下，使用外加热源进行加热以使结合处的母材或填充材料熔化为液态金属，与此同时施加超声波和磁场双物理场，结合处液态金属冷却凝固之后得到复合焊缝；
3）待焊缝处液态金属凝固、以冷却速度为200-900℃/min冷却至室温后停止施加外加物理场，得到颗粒增强的焊缝。
2.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，其特征在于：所述外加热源为火焰、电弧、激光或电子束，以及通过热传导和热辐射熔化金属的电阻加热法。
3.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，其特征在于：所述填充材料为Zn-Al、Al-Si或Sn-Zn，填充材料形态为粉状、棒状、带状或膏状。
4.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，其特征在于：所述超声波的振动频率为2×104-1×109Hz，工具头输出振幅为0.01-20μm，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，工作压力0.01-5.0MPa，超声波振动方向为横向或纵向。
5.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，其特征在于：所述磁场为稳恒磁场或交变磁场，磁场强度为0.001-15T，交变磁场频率为0.01-1000Hz。
6.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，其特征在于：所述氮气或氩气气氛的浓度为99-99.9999%。
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