CN108453362A - 一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法 - Google Patents

一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法 Download PDF

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牛超楠
卞红
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Abstract

本发明涉及铝合金表面活化技术领域，具体地说是一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法结合离子轰击技术和扩散焊技术，有效去除铝合金表面氧化膜并实现表面改性以活化表面，消除了氧化膜对铝合金扩散焊的不利影响，同时利用表面活化促进扩散焊过程中的原子扩散，在较低的焊接温度下获得组织、性能良好的焊接接头，利用离子轰击平整铝合金表面，减小表面粗糙度，促进接触面之间的贴合以利于铝合金扩散焊连接，具有方法简单、有效彻底的清除铝合金表面氧化膜并实现铝合金表面活化，达到高质量的铝合金连接等优点。

Description

一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法
技术领域
本发明涉及铝合金表面活化技术领域，具体地说是一种方法简单、有效彻底的清除铝合金表面氧化膜并实现铝合金表面活化，达到高质量的铝合金连接的铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法。
背景技术
众所周知，航空航天等领域的轻量化发展需求逐渐增加，为满足轻量化要求，采用轻质材料代替其他金属及合金作为结构件具有重要意义，铝合金因其具有高比强度，轻质，良好的导电导热性及耐腐蚀性而广泛应用于航空航天、车辆及船舶等领域，因此，实现铝合金的有效连接对铝合金的应用具有重要的意义，而铝合金的连接技术则作为关键环节起到举足轻重的作用，但铝作为一种活泼的金属，其与空气接触则会在铝表面反应生成一层致密而稳定的氧化膜，在铝合金的钎焊及扩散焊过程中，铝合金表面氧化膜不仅对熔融钎料在铝合金表面的润湿及铺展产生不利影响，而且阻碍焊接材料之间的接触，影响焊接过程中的原子扩散，此外，氧化膜残留在焊接接头中导致裂纹、孔洞等缺陷，使得接头性能恶化。
目前，通常采用焊前机械清理、化学清洗等方法以去除铝合金表面的氧化膜，但机械清理和化学清洗后所裸露出来的新鲜的铝合金表面又不可避免地与空气发生接触，进而迅速在表面反应生成新的氧化膜；此外在钎焊过程中多数添加钎剂，利用钎剂与氧化膜之间的反应以去除氧化膜，但钎剂与氧化膜的反应可能产生气泡等缺陷，降低接头的性能，而且铝合金钎剂本身及其残渣具有很强的腐蚀性，若焊后未及时清洗，会对接头造成腐蚀性损伤，另外钎剂残留在接头产生裂纹、孔洞等缺陷，使接头性能恶化。
在铝合金的扩散焊过程中，通过施加一定的工作压力促进焊接材料之间的接触，利用较高的压力在微观接触表面产生塑性变形以破碎氧化膜，达到一定的去膜作用，但残余氧化膜的存在又会导致接头性能恶化，而且焊接材料通常在扩散焊之前只进行机械打磨抛光处理，表面粗糙度较大且不能使得接触面完全贴合，导致接头存在未焊合、孔洞等缺陷。
离子轰击处理作为一种有效的表面处理手段，通过气体的辉光放电而电离产生相应的离子及等离子体，在电场的作用下，离子加速飞向待处理基体的表面进行轰击。离子轰击一方面可有效地破碎并去除基体表面氧化膜，而且携带能量的离子撞击在基体表面会使得基体表面微观结构发生改变，进而达到表面改性以活化。另一方面离子轰击对基体表面产生压应力，且离子轰击对基体表面具有整平作用。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种方法简单、有效彻底的清除铝合金表面氧化膜并实现铝合金表面活化，达到高质量的铝合金连接的铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于方法步骤如下：
(1).首先将铝合金置于丙酮中进行15min~30min的超声波清洗，去除表面油污等杂质；
(2).将清洗后的铝合金试样置入离子轰击设备中并抽真空至5.0×10-3Pa~5.0×10- 5Pa，随后通入惰性气体进行电离产生惰性气体离子，在电场作用下对铝合金基体表面进行离子轰击；
(3).在真空环境下将铝合金试样装配并施加一定的工作压力，随后在真空状态下以5℃~20℃/min的升温速率加热到连接温度并保温一定时间，随炉冷却，得到连接后的铝合金试样。
本发明所述的步骤(2)中惰性气体为氦气(He)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)。
本发明所述的步骤(2)中离子轰击功率范围为50W~500W。
本发明所述的步骤(2)中离子轰击时间范围为0.5min~30min。
本发明所述的步骤(3)中工作压力范围为1MPa~10MPa。
本发明所述的步骤(3)中连接温度范围为25℃~500℃。
本发明所述的步骤(3)中保温时间范围为30min~180min。
本发明所述的步骤(3)中真空状态的真空度范围为5.0×10-3Pa~5.0×10-6Pa。
本发明由于采用上述方法，具有方法简单、有效彻底的清除铝合金表面氧化膜并实现铝合金表面活化，达到高质量的铝合金连接等优点。
附图说明
图1是本发明铝合金表面活化辅助直接扩散焊流程示意图。
图2是本发明表面活化处理前的铝合金表面状态图。
图3是本发明表面活化处理后的铝合金表面状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图所示，一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于方法步骤如下：(1).首先将铝合金置于丙酮中进行15min~30min的超声波清洗，去除表面油污等杂质；(2).将清洗后的铝合金试样置入离子轰击设备中并抽真空至5.0×10-3Pa~5.0×10-5Pa，随后通入惰性气体进行电离产生惰性气体离子，在电场作用下对铝合金基体表面进行离子轰击；(3).在真空环境下将铝合金试样装配并施加一定的工作压力，随后在真空状态下以5℃~20℃/min的升温速率加热到连接温度并保温一定时间，随炉冷却，得到连接后的铝合金试样，所述的步骤(2)中惰性气体为氦气(He)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)，所述的步骤(2)中离子轰击功率范围为50W~500W，所述的步骤(2)中离子轰击时间范围为0.5min~30min，所述的步骤(3)中工作压力范围为1MPa~10MPa，所述的步骤(3)中连接温度范围为25℃~500℃，所述的步骤(3)中保温时间范围为30min~180min，所述的步骤(3)中真空状态的真空度范围为5.0×10-3Pa~5.0×10-6Pa，图1中是本发明中铝合金表面活化辅助直接扩散焊流程示意图，采用离子轰击可以有效去除铝合金表面的氧化膜，然后通过扩散焊接实现铝合金的高质量连接，图2和图3分别是本发明表面活化处理前和后的铝合金表面状态图，从对比可以看出铝合金表面活化后，其晶粒形貌由原来的柱状晶变成等轴晶，有利于扩散焊接过程中原子扩散。
本发明的优点在于：
(1) 本发明所提供的铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法结合离子轰击技术和扩散焊技术，有效去除铝合金表面氧化膜并实现表面改性以活化表面，消除了氧化膜对铝合金扩散焊的不利影响，同时利用表面活化促进扩散焊过程中的原子扩散，在较低的焊接温度下获得组织、性能良好的焊接接头；
(2) 本发明利用离子轰击平整铝合金表面，减小表面粗糙度，促进接触面之间的贴合以利于铝合金扩散焊连接。
实施例1
一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法步骤如下：
(1) 将两块6063铝合金置于丙酮中超声波清洗15min~30min以去除表面油污及杂质并吹干；
(2) 将6063铝合金试样放入离子轰击设备，抽取真空度至5×10-5 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，辉光放电产生Ar离子并对铝合金试样表面进行离子轰击，离子轰击功率200W，轰击时间10min。试样表面的XPS检测结果表明，试样表面负二价态的氧离子(O2-)的光电子强度由离子轰击前的0.9473显著降低至离子轰击后的0.1039。试样表面EBSD检测结果表明试样表面晶粒发生再结晶，由原始的轧制态晶粒转变为块状等轴晶，试样表面晶界密度显著提高，且试样表面的小角度晶界所占据的比例由原始态7.4%的提高到离子轰击后的29.3%。
(3) 将离子轰击后的铝合金试样在真空状态(真空度5×10-5 Pa)下装配，并施加3MPa的工作压力，以20℃/min的速率升温至400℃并保温120min，随炉冷却，获得铝合金扩散焊接头。接头平均拉剪强度为158MPa。而未表面活化处理的6063铝合金在相同焊接工艺下获得的焊接接头的平均拉剪强度为122MPa。
实施例2
一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法步骤如下：
(1) 将两块1060铝合金置于丙酮中超声波清洗15min~30min以去除表面油污及杂质并吹干；
(2) 将1060铝合金试样放入离子轰击设备，抽取真空度至5×10-6 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，辉光放电产生Ar离子并对铝合金试样表面进行离子轰击，离子轰击功率100W，轰击时间20min。试样表面的XPS检测结果表明，试样表面负二价态的氧离子(O2-)的光电子强度由离子轰击前的0.9634显著降低至离子轰击后的0.1235。试样表面EBSD检测结果表明试样表面晶粒发生再结晶，由原始的轧制态晶粒转变为块状等轴晶，试样表面晶界密度显著提高，且试样表面的小角度晶界所占据的比例由原始态5.8%的提高到离子轰击后的24.7%
(3) 将离子轰击后的铝合金试样在真空状态(真空度5×10-5 Pa)下装配，并施加5MPa的工作压力，在200℃下保持180min，获得铝合金扩散焊接头。接头平均拉剪强度为70MPa,而未表面活化处理的1060铝合金在相同焊接工艺下获得的焊接接头的平均拉剪强度为53MPa。
实施例3
(1) 将两块7075铝合金置于丙酮中超声波清洗15min~30min以去除表面油污及杂质并吹干；
(2) 将7075铝合金试样放入离子轰击设备，抽取真空度至5×10-5 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，辉光放电产生Ar离子并对铝合金试样表面进行离子轰击，离子轰击功率200W，轰击时间5min。试样表面的XPS检测结果表明，试样表面负二价态的氧离子(O2-)的光电子强度由离子轰击前的0.9267显著降低至离子轰击后的0.1547。试样表面EBSD检测结果表明试样表面晶粒发生再结晶，由原始的轧制态晶粒转变为块状等轴晶，试样表面晶界密度显著提高，且试样表面的小角度晶界所占据的比例由原始态11.5%的提高到离子轰击后的26.6%。
(3) 将离子轰击后的铝合金试样在真空状态(真空度5×10-5 Pa)下装配，并施加3MPa的工作压力，连接温度为400℃并保温120min，随炉冷却，获得铝合金扩散焊接头，接头平均拉剪强度为151MPa。而未表面活化处理的7075铝合金在相同焊接工艺下获得的焊接接头的平均拉剪强度为120MPa。
实施例4
(1) 将两块6061铝合金置于丙酮中超声波清洗15min~30min以去除表面油污及杂质并吹干；
(2) 将6061铝合金试样放入离子轰击设备，抽取真空度至5×10-5 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，辉光放电产生Ar离子并对铝合金试样表面进行离子轰击，离子轰击功率200W，轰击时间20min。试样表面的XPS检测结果表明，试样表面负二价态的氧离子(O2-)的光电子强度由离子轰击前的0.9014显著降低至离子轰击后的0.0531。试样表面晶界密度提高，试样表面的小角度晶界所占据的比例由原始态9.5%的提高到离子轰击后的31.7%。
(3) 将离子轰击后的铝合金试样在真空状态(真空度5×10-5 Pa)下装配，并施加3MPa的工作压力，连接温度为450℃并保温90min，随炉冷却，获得铝合金扩散焊接头，接头平均拉伸强度为170MPa。而未表面活化处理的6061铝合金在相同焊接工艺下获得的焊接接头的平均拉伸强度为138MPa。
实施例5
(1) 将两块2024铝合金置于丙酮中超声波清洗15min~30min以去除表面油污及杂质并吹干；
(2) 将2024铝合金试样放入离子轰击设备，抽取真空度至5×10-5 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，辉光放电产生Ar离子并对铝合金试样表面进行离子轰击，离子轰击功率100W，轰击时间10min。试样表面的XPS检测结果表明，试样表面负二价态的氧离子(O2-)的光电子强度由离子轰击前的0.9539显著降低至离子轰击后的0.1627。试样表面晶界密度提高，试样表面的小角度晶界所占据的比例由原始态8.3%的提高到离子轰击后的20.4%。
(3) 将离子轰击后的铝合金试样在真空状态(真空度5×10-5 Pa)下装配，并施加2MPa的工作压力，连接温度为500℃并保温90min，随炉冷却，获得铝合金扩散焊接头，接头平均拉剪强度为147MPa。而未表面活化处理的2024铝合金在相同焊接工艺下获得的焊接接头的平均拉剪强度为124MPa。

Claims (8)

1.一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）.首先将铝合金置于丙酮中进行15min~30min的超声波清洗，去除表面油污等杂质；
（2）.将清洗后的铝合金试样置入离子轰击设备中并抽真空至5.0×10-3Pa~5.0×10- 5Pa，随后通入惰性气体进行电离产生惰性气体离子，在电场作用下对铝合金基体表面进行离子轰击；
（3）.在真空环境下将铝合金试样装配并施加一定的工作压力，随后在真空状态下以5℃~20℃/min的升温速率加热到连接温度并保温一定时间，随炉冷却，得到连接后的铝合金试样。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（2)中惰性气体为氦气(He)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（2)中离子轰击功率范围为50W~500W。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（2)中离子轰击时间范围为0.5min~30min。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（3)中工作压力范围为1MPa~10MPa。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（3)中连接温度范围为25℃~500℃。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（3)中保温时间范围为30min~180min。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金表面活化辅助直接扩散焊方法，其特征在于所述的步骤（3)中真空状态的真空度范围为5.0×10-3Pa~5.0×10-6Pa。
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