CN105108272B - 一种异种金属焊接的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种异种金属焊接的方法和装置，包括以下步骤：（1）将两种被焊接金属清洗去油并烘干；（2）将烘干后的被焊接金属装夹焊接室内；（3）焊接室抽低真空，气氛达到1～9×10‑2Pa后，充入惰性气体；（4）对被焊接金属施加超声场和磁场，并开启加热至100℃～3000℃；（5）温度达到预定温度，保温5min～60min；（6）开启加压装置，对被焊接金属加压焊接；（7）温度下降至20～500℃，排除气氛后，开启焊接室，取出焊件。本发明主要优点是：能够进行异种金属焊接；结合界面反应可控；残余热应力较小；结合强度较高；接点平滑。

Description

一种异种金属焊接的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种异种金属焊接的方法和装置，属于异种金属加工制造领域。具有耐刮伤、耐撞击、耐腐蚀、接点平滑、强度高等特点。可广泛用于教学用具、教学模型、教学实验和实训装置等教学仪器设备领域，以及建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域的施工机械等多领域。
背景技术
异种金属焊接是利用焊接技术使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而形成可靠连接。尽管各金属仍然保持各自原有特性，但其性能比单一金属优越，因此，异种金属连接结合一直受到普遍重视。可在教学仪器设备、工程机械等多领域中推广应用。
异种金属常规的焊接与连接方法，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
本发明目的主要是针对异种金属焊接时，界面结合强度较低、接头残余热应力大、界面反应难以控制等问题，提出了一种气氛、超声场和磁场条件下，加压、加热焊接异种金属的方法。
本发明的技术方案是：一种异种金属焊接方法，按以下步骤进行：一、首先将异种金属表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，并烘干；二、将表面清理干净后的金属材料装夹，放入气氛、超声场和磁场辅助焊接设备；三、设备抽低真空，气氛达到1～9×10-2Pa后，充入惰性气体；四、施加超声场和磁场，并开启加热至100℃～3000℃；五、温度达到预定温度，保温5min～60min；六、在气氛、超声场和磁场条件下，开启加压装置，进行焊接；七、温度下降至20～500℃，排除气氛后，开启设备，取出焊件。
本发明中对密封的焊接设备先抽取低真空，真空度达到1～9×10-2Pa后，再充入惰性气体，形成气氛环境；
本发明中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；
本发明中超声波的振动频率为1×104～1×109Hz，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；
本发明中对金属板加热至100℃～700℃，温度达到预定温度，保温5min～60min；
本发明中焊接时，异种金属板进行清洗、烘干后，再放入加载室；
本发明中金属材料厚度为0.5～1000mm中的一种。
本发明中薄膜铝合金和钢板板的铝膜进行轧制，制备出薄膜异种金属焊接。
本发明还提供一种实施所述的异种金属焊接方法的装置，其特征在于，包括焊接室、超声波施加装置、加压装置、加热装置和外加磁场，密闭的焊接室能够升降地设在工作台上，在工作台的下面设有可以向上施加压力的加压装置，在焊接室的顶部设有超声波施加装置，还配备有抽真空装置用于对焊接室抽真空，焊接室还与惰性气体源连接；在焊接室内施加有上下方向的外加磁场；在工作台上设有加热装置。
所述的外加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，采用永磁体或电磁装置产生。
所述的加热装置的加热方法包括电磁感应加热、电阻加热、电弧加热或激光加热。
本发明主要优点是：能够进行异种金属焊接；结合界面反应可控；残余热
应力较小；结合强度较高；接点平滑。
附图说明
图1是本发明气氛、超声场和磁场辅助焊接设备示意图；
图2是使用本方法焊接不发生化学反应的结合界面的微观组织结构；
图3是使用本方法焊接发生化学反应的结合界面的微观组织结构。
图中：1.焊接室；2.超声波施加装置； 3.加压装置；4.加热装置；5.外加磁场；6.被焊接金属；7. 异种被焊接金属；8.惰性气体；9.不发生化学反应的结合界面；10.发生化学反应的结合界面。
具体实施方式
参见图1，本发明的焊接装置包括焊接室1、超声波施加装置2、加压装置3、加热装置4和外加磁场5，密闭的焊接室1能够升降地设在工作台上，在工作台的下面设有可以向上施加压力的加压装置3，在焊接室1的顶部设有超声波施加装置2 （超声波换能器），还配备有抽真空装置用于对焊接室1抽真空（未图示），焊接室1还与惰性气体源连接。在焊接室1内施加有上下方向的外加磁场5（采用永磁体或电磁铁产生磁场）。在工作台上设有加热装置4。所述的焊接室1、超声波施加装置2和加压装置3均为常规技术。
本发明异种金属焊接的方法的具体实施例如下：
一、实施例1：Q235钢板与纯铝板的焊接：
步骤一：首先将1.5mmQ235钢板、0.25mm纯铝板表面进行碱洗和酸洗，去除油脂、污渍和氧化膜，并烘干。
步骤二：将表面清理干净后的两种被焊接金属6和7装夹在工作台上，降下焊接室1密封，抽真空10-10-2Pa；
步骤三：设备充入氮气。
步骤四：施加超声场，超声场的振动频率为1×104～1×109Hz，由超声换能器输出的超声波的振幅为0.01-20µm，输出功率为0.01-5kW。
步骤五：施加磁场，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。
步骤六：在气氛、超声场和磁场条件下，开启加压设备，工作压力0.01～5.0MPa。
步骤七：开启加热，加热至100℃～1000℃。
步骤八：温度达到预定温度，保温5min～60min。
步骤九：温度下降至20～500℃，排出氮气气氛，关闭超声场和磁场，开设备，取出焊件。
二、实施例2：锡与钢、铁、铝、钛或铜之间的焊接：焊接过程与上一实施例相同，步骤七的加热温度为240℃～500℃，其他参数在本发明的基本技术方案的范围内进行适当调整，选择焊接效果最好的参数值。
三、实施例3：钨与钢、铁、铝、钛或铜之间的焊接：焊接过程与上一实施例相同，步骤七的加热温度为3500℃～3600℃。
四、具体实施方式4：一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，焊接步骤上述实施例相同，不同之处在于焊接在氦气气氛条件下进行，氦气的浓度为99.99%。其他工艺参数在本发明的基本技术方案的范围内进行适当调整，选择焊接效果最好的参数值。
五、具体实施方式5：本实施方式与具体实施方式一不同的是：超声频率为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。其它与具体实施方式一至三相同。
六、具体实施方式6：本实施方式与具体实施方式一不同的是：磁场强度为0.001-15T，交变磁场频率为0.01-1000Hz。其它与具体实施方式一至四相同。
七、具体实施方式7：本实施方式与具体实施方式一不同的是：压力大小为0.0001-1×109 MPa其它与具体实施方式一至五相同。
八、具体实施方式8：本实施方式与具体实施方式一不同的是：加热至50℃～3000℃（激光加热）。其它与具体实施方式一至六相同。
在不同磁场范围内，不同物质都能体现出一定磁性，加磁场是为了调节焊缝组织结构，有反应时，调控反应生成物的位置，没反应时，使焊缝组织结构更加均匀，而不是由于混合时间短密度不同，造成成分不均，造成焊接接头性能不均，整体性能差。
参见图2，采用本发明的焊接方法，两种被焊接金属6和7之间的不发生化学反应的界面9，在外加物理场的作用下，能均匀焊缝组织，减小残余热应力，提高焊接接头强度。
参见图3，采用本发明的焊接方法，两种被焊接金属6和7之间的发生化学反应的界面10，在外加物理场的作用下，能将本应有害的反应物破碎，分散在焊缝组织中，转弊为利，减小残余热应力，提高焊接接头强度。
本发明在实施时，其加热温度和加热方法还应注意以下问题：
1.如果是两种母材直接焊接。焊接温度根据母材熔点和沸点确定，锡熔点沸点低，与钢焊接时，只能在其熔点和沸点之间。
2. 如果是两种母材间接焊接。通过中间层。那么焊接温度根据中间层熔点和沸点确定。比如，用锌作中间层，焊接铝和钢，焊接温度在锌熔点和沸点之间。
3.实施方式里可以增加不同热源：焊接的热源可以很多，感应加热、电阻加热、电弧加热、激光加热能实现不同温度范围。

Claims (6)

1.一种异种金属焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将两种被焊接金属清洗去油并烘干；
（2）将烘干后的被焊接金属装夹焊接室内；
（3）焊接室抽低真空，气氛达到1～9×10-2Pa后，充入惰性气体；
（4）对被焊接金属施加超声场和磁场；
（5）在气氛、超声场和磁场条件下，开启加压设备；
（6）并开启加热至100℃～3000℃，对于钨与钢、铁、铝、钛或铜之间的焊接的加热温度为3500℃～3600℃；
（7）温度达到预定温度，保温5min～60min；
（8）温度下降至20～500℃，排出气氛，关闭超声场和磁场，开设备，取出焊件；
所述的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；
所述的超声场的振动频率为1×104～1×109Hz，由超声换能器输出的超声波的振幅为0.01-20µm，输出功率为0.01-5kW，工作压力0.01～5.0MPa。
2.根据权利要求1所述的异种金属焊接的方法，其特征在于，所述的步骤（6）中的加热温度为100℃～700℃。
3.根据权利要求1所述的异种金属焊接的方法，其特征在于，所述的被焊接金属的厚度为0.5～1000mm。
4.一种实施权利要求1所述的异种金属焊接方法的装置，其特征在于，包括焊接室(1)、超声波施加装置(2)、加压装置(3)、加热装置(4)和外加磁场(5)，密闭的焊接室(1)能够升降地设在工作台上，在工作台的下面设有可以向上施加压力的加压装置(3)，在焊接室(1)的顶部设有超声波施加装置(2)，还配备有抽真空装置用于对焊接室(1)抽真空，焊接室(1)还与惰性气体源连接；在焊接室(1)内施加有上下方向的外加磁场(5)；在工作台上设有加热装置(4)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，外加磁场(5)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，采用永磁体或电磁装置产生。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的加热装置的加热方法包括电磁感应加热、电阻加热、电弧加热或激光加热。
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