CN105689884A - 一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法 - Google Patents

一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法，本发明涉及一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法，本发明的目的是为了解决现有真空扩散连接方法对接合表面要求严格、表面氧化膜难以去除、连接时间长以及无法兼顾降低连接温度和减小变形抗力的问题，本发明装置包括上压头、上压板、上试样、下试样、下压板、支撑装置、超声波工具头、真空室和加热体。方法为：清洗待焊母材；装配待焊母材放入真空室，施加压力并升温至连接温度；施加超声波振动；增大压力，保温即完成。本发明中降低母材的变形抗力，加快破除母材表面氧化膜，并加速扩散行为，降低了连接温度和连接压力，缩短连接时间，并弱化对待焊母材表面状态的要求。本发明属于扩散连接技术领域。

Description

一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法。
背景技术
扩散连接(亦称扩散焊接)是指相互接触的材料表面，在高温和压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面生成了新的扩散层，从而形成可靠连接的接头。
扩散连接过程可以大致分为物理接触、接触表面的激活、扩散及形成接头三个过程(亦称三个阶段)。第一阶段为物理接触阶段，高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，局部接触点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，最终使整个接合面达到可靠接触；第二阶段是接触表面的激活过程，不同材料的原子在高温下相互扩散，晶界发生迁移及微小孔洞消失，在界面形成牢固的结合层；第三阶段是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。
扩散连接接头质量和材料的物理化学性质有关，特别是异种材料连接时，两种材料的晶体结构、原子直径、元素的电负性等直接决定能否在界面产生元素扩散，从而决定能否进行连接。除了材料本身的性质外，要求连接温度、连接时间、压力、真空度、连接表面状态等工艺参数因素与材料物理化学性质之间形成良好的匹配，例如连接温度的提高可降低扩散激活能并减小变形抗力，有助于扩散连接，但是连接温度过高可能有损母材性能，并在异种材料连接时形成较厚的脆性金属间化合物层。此外，真空扩散连接还存在以下缺点：连接时间长，生产时间长，成本高；接合表面氧化膜难以去除。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有真空扩散连接方法对接合表面要求严格、表面氧化膜难以去除、连接时间长以及无法兼顾降低连接温度和减小变形抗力的问题，提供一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法。
本发明一种超声场辅助真空扩散连接装置包括上压头、上压板、上试样、下试样、下压板、两个支撑装置、超声波工具头、真空室和加热体；其中真空室的左右两侧设有两个加热体，下压板通过两个支撑装置与真空室底部连接，下压板的下方设有超声波工具头，下压板上方放有下试样，下试样上方放有上试样，上试样的上方设有上压板，上压板上方设有上压头。
本发明一种超声场辅助真空扩散连接的方法按如下步骤进行：
一、将待焊接母材的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的待焊母材；
二、将清洗后的待焊接母材叠加装配，形成“上压板-上试样-下试样-下压板”的结构，然后送入真空室内，再通过上压头施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.2～1N，然后抽真空，加热至待焊母材连接温度，加热速度为5～30℃/min；
三、超声波工具头接触下压板并达到预定压力，预定压力≤0.8P；
四、通过超声波工具头施加超声波振动5～120s，振动方向为轴向，超声波频率为16～40kHz，振幅为5～20μm；
五、通过上压头增大压力，增至每平方毫米上的压力为0.5～10N；
六、在连接温度下保温10～120min，然后保持压力降温至室温，即完成。
本发明根据超声波在固态金属中传播时的声塑性效应，对于处于静态拉伸或压缩状态的金属，在其作用力方向上施加一定频率的超声波，当静态的应力一定时，可以提高金属的应变速度；当静态的应变一定时，可以降低金属的流变应力。静态压缩过程中施加超声波时，材料的变形抗力显著降低。特别是在起初待焊母材的物理接触阶段，超声波声塑性效会优先在该接触面产生影响，塑性母材金属的变形与脆性表面氧化膜变形发生失配，造成界面氧化膜破碎，与此同时，瞬间在该处积累了一定的变形能，加速原子扩散，有助于实现扩散连接。因此本发明将超声振动场引入真空扩散连接过程中。
本发明中所加载超声波的振动方向为轴向，借助于超声波在固体中的声塑性效应，降低母材的变形抗力，加快破除母材表面氧化膜，并加速扩散行为，降低了连接温度和连接压力，缩短连接时间，并弱化对待焊母材表面状态的要求，本方法在焊接前无需对待焊母材的表面进行特殊预处理，在焊接过程中依靠超声波直接破除表面氧化膜。普通超声波金属焊接主要适用于薄板材料的点焊，本方法结合相应的装夹，可适用于点、缝、面结构的焊接。此外本方法对材料的厚度无特殊规定。
附图说明
图1为本发明超声场辅助扩散连接装置示意图；
图2为实施例1中采用超声场辅助真空扩散连接方法焊接高硅铝和殷瓦合金的接头照片；
图3为实施例1中对照组焊接的高硅铝和殷瓦合金的接头照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种超声场辅助真空扩散连接装置包括上压头1、上压板4、上试样5、下试样6、下压板7、两个支撑装置8、超声波工具头9、真空室2和加热体3；其中真空室2的左右两侧设有两个加热体3，下压板7通过两个支撑装置8与真空室2底部连接，下压板7的下方设有超声波工具头9，下压板7上方放有下试样6，下试样6上方放有上试样5，上试样5的上方设有上压板4，上压板4上方设有上压头1。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：上试样5和下试样6中间可放置一层或多层中间层。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：超声波工具头9一端位于真空室2内部，另一端位于真空室2外部。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：上压头1一端位于真空室2内部，另一端位于真空室2外部。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：上压头1由独立的移动装置和加压装置控制。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：超声波工具头9由独立的移动装置和加压装置控制。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式一种超声场辅助真空扩散连接的方法按如下步骤进行：
一、将待焊接母材的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的待焊母材；
二、将清洗后的待焊接母材叠加装配，形成“上压板4-上试样5-下试样6-下压板7”的结构，然后送入真空室2内，再通过上压头1施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.2～1N，然后抽真空，加热至待焊母材连接温度，加热速度为5～30℃/min；
三、超声波工具头9接触下压板7并达到预定压力，预定压力≤0.8P；
四、通过超声波工具头9施加超声波振动5～120s，振动方向为轴向，超声波频率为16～40kHz，振幅为5～20μm；
五、通过上压头1增大压力，增至每平方毫米上的压力为0.5～10N；
六、在连接温度下保温10～120min，然后保持压力降温至室温，即完成。
本实施方式根据超声波在固态金属中传播时的声塑性效应，对于处于静态拉伸或压缩状态的金属，在其作用力方向上施加一定频率的超声波，当静态的应力一定时，可以提高金属的应变速度；当静态的应变一定时，可以降低金属的流变应力。静态压缩过程中施加超声波时，材料的变形抗力显著降低。特别是在起初待焊母材的物理接触阶段，超声波声塑性效会优先在该接触面产生影响，塑性母材金属的变形与脆性表面氧化膜变形发生失配，造成界面氧化膜破碎，与此同时，瞬间在该处积累了一定的变形能，加速原子扩散，有助于实现扩散连接。因此本实施方式将超声振动场引入真空扩散连接过程中。
本实施方式中所加载超声波的振动方向为轴向，借助于超声波在固体中的声塑性效应，降低母材的变形抗力，加快破除母材表面氧化膜，并加速扩散行为，降低了连接温度和连接压力，缩短连接时间，并弱化对待焊母材表面状态的要求，本方法在焊接前无需预处理待焊母材的表面，在焊接过程中依靠超声波直接破除表面氧化膜。此外本方法对材料的厚度无特殊规定。普通超声波金属焊接主要适用于薄板材料的点焊，本方法结合相应的装夹，可适用于点、缝、面结构的焊接。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述的待焊母材为待焊母材为镀有银膜或铜膜的材料、铝合金、镁合金、铜或银。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：步骤二所述的抽真空至真空度至不小于10-1Pa。其它与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：在步骤六所述的保温过程中施加间断超声振动或连续超声振动；在实施超声振动时，降低压力P至每平方毫米上的压力为0.2～1N，停止实施超声振动时，升高压力P至每平方毫米上的压力为0.5～10N，然后在压力为0.5～10N的条件下降温至室温。其它与具体实施方式七至九之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1、本实施例试验组超声场辅助真空扩散连接装置包括上压头1、上压板4、上试样5、下试样6、下压板7、支撑装置8、超声波工具头9、真空室2和加热体3；其中真空室2的左右两侧设有两个加热体3，下压板7通过支撑装置8与真空室2底部连接，下压板7的下方设有超声波工具头9，下压板7上方放有下试样6，下试样6上方放有上试样5，上试样5的上方设有上压板4，上压板4上方设有上压头1。
所述的超声波工具头9一端位于真空室2内部，另一端位于真空室2外部；上压头1一端位于真空室2内部，另一端位于真空室2外部。
其中上试样为高硅铝合金，下试样为4J36殷瓦合金。
超声场辅助真空扩散连接的方法按如下步骤进行：
一、将高硅铝合金和4J36殷瓦合金的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的高硅铝合金和4J36殷瓦合金；然后在清洗后的高硅铝合金表面化学镀厚度为3微米的Ni膜，再电镀厚度10微米的Ag膜；在清洗后的4J36殷瓦合金电镀厚度为3微米的Cu膜，再电镀厚度10微米的Ag膜；
二、将镀膜后的高硅铝合金和4J36殷瓦合金叠加装配，形成“上压板4-高硅铝合金5-4J36殷瓦合金6-下压板7”的结构，然后送入真空室2内，再通过上压头1施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.5N，然后抽真空，加热至550℃，加热速度为10℃/min；
三、超声波工具头9接触下压板7并达到预定压力，预定压力≤0.8P；
四、通过超声波工具头9施加超声波振动30s，振动方向为轴向，超声波频率为20kHz，振幅为5μm；
五、通过上压头1增大压力，增至每平方毫米上的压力为2N；
六、在连接温度下保温60min，然后保持压力降温至室温，即完成。
上压头1和超声波工具头9分别由两套独立的移动装置和加压装置控制。
本试验组是采用高硅铝合金表面厚度为3微米的Ni膜和厚度10微米的Ag膜，J36殷瓦合金表面厚度为3微米的Cu膜和厚度为10微米的Ag膜做为中间层。
对照组真空扩散连接的方法按如下步骤进行：
一、将高硅铝合金和4J36殷瓦合金的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的高硅铝合金和4J36殷瓦合金；然后在清洗后的高硅铝合金表面化学镀厚度为3微米的Ni膜，再电镀厚度10微米的Ag膜；在清洗后的4J36殷瓦合金电镀厚度为3微米的Cu膜，再电镀厚度10微米的Ag膜；
二、将镀膜后的高硅铝合金和4J36殷瓦合金叠加装配，形成“上压板4-高硅铝合金5-4J36殷瓦合金6-下压板7”的结构，然后送入真空室2内，再通过上压头1施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.5N，然后抽真空，加热至550℃，加热速度为10℃/min；
三、通过上压头1增大压力，增至每平方毫米上的压力为2N；
四、在550℃下保温120min，然后保持压力降温至室温，即完成。
上压头1由独立的移动装置和加压装置控制。
本对照组是采用高硅铝合金表面厚度为3微米的Ni膜和厚度10微米的Ag膜，J36殷瓦合金表面厚度为3微米的Cu膜和厚度为10微米的Ag膜做为中间层。
图2为试验组焊接高硅铝和殷瓦合金的接头照片，可以发现界面结合良好，不存在缝隙、氧化膜残留等缺陷。图为对照组焊接高硅铝和殷瓦合金的接头照片，除保温时间为2h外，其他工艺参数与上述试验相同。可以发现，在无超声波场时，即使延长保温时间，接头中仍存在大量的缝隙，未实现良好的连接。
从实施例可知，本发明中所加载超声波的振动方向为轴向，借助于超声波在固体中的声塑性效应，降低母材的变形抗力，加快破除母材表面氧化膜，并加速扩散行为，降低了连接温度和连接压力，缩短连接时间，并弱化对待焊母材表面状态的要求，本方法在焊接前无需预处理待焊母材的表面，在焊接过程中依靠超声波直接破除表面氧化膜。此外本方法对材料的厚度无特殊规定。普通超声波金属焊接主要适用于薄板材料的点焊，本方法结合相应的装夹，可适用于点、缝、面结构的焊接。

Claims (10)

1.一种超声场辅助真空扩散连接装置，其特征在于该装置包括上压头(1)、上压板(4)、上试样(5)、下试样(6)、下压板(7)、两个支撑装置(8)、超声波工具头(9)、真空室(2)和加热体(3)；其中真空室(2)的左右两侧设有两个加热体(3)，下压板(7)通过两个支撑装置(8)与真空室(2)底部连接，下压板(7)的下方设有超声波工具头(9)，下压板(7)上方放有下试样(6)，下试样(6)上方放有上试样(5)，上试样(5)的上方设有上压板(4)，上压板(4)上方设有上压头(1)。
2.根据权利要求1所述的一种超声场辅助真空扩散连接装置，其特征在于上试样(5)和下试样(6)中间可放置一层或多层中间层。
3.根据权利要求1所述的一种超声场辅助真空扩散连接装置，其特征在于超声波工具头(9)一端位于真空室(2)内部，另一端位于真空室(2)外部。
4.根据权利要求1所述的一种超声场辅助真空扩散连接装置，其特征在于上压头(1)一端位于真空室(2)内部，另一端位于真空室(2)外部。
5.根据权利要求1所述的一种超声场辅助真空扩散连接装置，其特征在于上压头(1)由独立的移动装置和加压装置控制。
6.根据权利要求1所述的一种超声场辅助真空扩散连接装置，其特征在于超声波工具头(9)由独立的移动装置和加压装置控制。
7.一种利用权利要求1所述的超声场辅助真空扩散连接装置进行超声场辅助真空扩散连接的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
一、将待焊接母材的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的待焊母材；
二、将清洗后的待焊接母材叠加装配，形成“上压板(4)-上试样(5)-下试样(6)-下压板(7)”的结构，然后送入真空室(2)内，再通过上压头(1)施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.2～1N，然后抽真空，加热至待焊母材连接温度，加热速度为5～30℃/min；
三、超声波工具头(9)接触下压板(7)并达到预定压力，预定压力≤0.8P；
四、通过超声波工具头(9)施加超声波振动5～120s，振动方向为轴向，超声波频率为16～40kHz，振幅为5～20μm；
五、通过上压头(1)增大压力，增至每平方毫米上的压力为0.5～10N；
六、在连接温度下保温10～120min，然后保持压力降温至室温，即完成。
8.根据权利要求7所述的一种超声场辅助真空扩散连接的方法，其特征在于所述的待焊母材为镀有银膜或铜膜的材料、铝合金、镁合金、铜或银。
9.根据权利要求7所述的一种超声场辅助真空扩散连接的方法，其特征在于步骤二所述的抽真空至真空度至不小于10-1Pa。
10.根据权利要求7所述的一种超声场辅助真空扩散连接的方法，其特征在于在步骤六所述的保温过程中施加间断超声振动、连续超声振动或不施加超声振动；在实施超声振动时，降低压力至每平方毫米上的压力为0.2～1N，停止实施超声振动时，升高压力至每平方毫米上的压力为0.5～10N，然后在压力为0.5～10N的条件下降温至室温。
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