CN108941828B - 一种半固态无钎剂辅助的异种金属钎焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半固态无钎剂辅助的异种金属钎焊装置，包括模架、加热装置、电磁感应装置、夹具和钎料箔片，所述电磁感应装置和夹具均分别与模架固定相连，加热装置位于电磁感应装置的上方；金属管件A的上端固定在夹具上，金属管件A的下端插入与金属管件B的扩口端内，金属管件A下端外壁与金属管件B扩口端内壁之间的间隙内填充钎料箔片，金属管件B的另一端固定在夹具上。本发明还提供了一种半固态无钎剂辅助的异种金属钎焊方法。本发明的有益效果为：本发明所述钎焊方法利用半固态钎料的高速挤压剪切作用迅速去除基体表面氧化膜，此时无需钎剂便可以达到钎料箔片与母材的良好结合，解决了气孔缺陷和环境污染问题。

Description

一种半固态无钎剂辅助的异种金属钎焊装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种半固态无钎剂辅助的异种金属钎焊装置及方法。

背景技术

现代化制造业中，全球各国对环境保护的要求越发严格。如何提高工业产品使用性能的同时降低材料的消耗，进一步达到节能减排是生产制造的发展趋势。随着汽车、电子以及航天航空产业不断向轻量化方向发展，对于先进加工技术的需求也日益增加；此外，机械、化工电子等领域的各种不同工况对材料的使用性能要求不断提高，一些金属复合材料的出现弥补了单一材料在轻量化以及性能方面的不足，能够获得更加优异的综合材料性能。

铝合金属于轻金属材料，其密度低、强度高、塑性好，易进行机械加工，是优良的导电导热材料。铜是稀缺金属，属于重要战略资源，其具有较好的导电性、导热性以及良好的焊接性，是优良的热交换器、管道制作材料。由于铜铝异质金属接头具有良好的力学性能及导电性能，而且采用铝替代铜可以减轻工件重量并降低工件的成本，故铜铝异质金属连接技术在国民经济及国防军工的发展中具有广阔的应用前景。

对于铜铝异质金属接头，采用机械连接的结构在制冷管道冷热交替应力作用且长期服役条件下，极易发生松弛泄漏，气密性与抗疲劳性缺点明显，难以保证其结构与性能的稳定性；另外，铝表面的氧化膜硬度高，电阻性大，采用机械连接铜铝接头，质量并不可靠。因此，在实际生产中多采用焊接方法来实现铜铝连接，以提高铜铝异质金属接头的综合性能。

铜铝钎焊的主要方法有：(1)、Cu-Al直接钎焊：铝铜直接钎焊工艺不易实现，焊缝中生成的脆性化合物会影响接头性能，还需使用钎剂来去除铝氧化膜，钎剂一般具有一定腐蚀性，对焊后接头有腐蚀弊端，接头寿命难以保证；(2)、Cu-Al超声波辅助钎焊：铝铜超声波辅助钎焊利用超声波振动击碎基体表层的氧化膜，同时通过加压使铝铜基体结合，可以达到无钎剂焊接，提高了接头的抗腐蚀能力及寿命；但超声波辅助钎焊中，需要一定的间隙来填充钎料，钎料不易填满钎缝；另外超声波设备成本高且较为复杂，还需要定期的维护保养；(3)、 Cu-Al扩散钎焊：扩散钎焊需要真空或保护气氛环境，这是为了防止加热及保温过程中的基体金属氧化；然而抽真空和钎焊均耗时较长、费用成本高，生产效率低；(4)、Cu-Al电阻钎焊：电阻钎焊利用电流产生的电阻热来熔化钎料实现焊接，还需加压维持到接头完全凝固；由于这些钎焊方法不能同时得到高气密性、高强度、高抗腐蚀性的铜铝异质金属接头，又达到低成本和加工工艺简单易行等要求，故现有铜铝钎焊工艺尚需进一步完善。

在焊接过程中，由于铜铝之间的扩散反应会形成CuAl、Cu2Al、Cu3Al2、Al2Cu等多种金属间化合物，这些脆硬相的金属间化合物，易导致热裂纹开启和扩展，对接头力学性能的影响很大，另外其电阻率较大，会损害接头导电性能。金属间化合物是钎焊过程中金属向钎料中溶解，从而在界面区生成的含母材金属少的一种化合物，焊缝冷凝结晶后也可能生成几种化合物，母材与钎料的化学反应也是形成金属间化合物的原因之一。另外，高温下难熔的致密氧化膜对钎料及母材的相互扩散带来困难，焊接前需要对氧化膜进行去除。因此，解决铜铝钎焊问题的关键在于去除氧化膜和控制金属间化合物层厚度。如何高效率、低成本地实现铜铝异种金属的有效连接是满足当前轻、重工业领域轻量化、节能减排等迫切需求亟需解决的热点和难点问题之一。

考虑到Zn-Al系钎料在其过共晶温度会形成半固态固溶体，其中α-Al成球状，当高速冲击此时的半固态钎料，球状α-Al能击碎母材表面的氧化膜化合物，并形成一定的流体冲刷效应，当母材表面氧化膜化合物结构被破坏，Zn会迅速固溶进母材并将氧化膜组织浮起，在半固态钎料固溶体的高速挤压剪切作用下，能够迅速去除基体表面氧化膜，此时无需钎剂便可以达到钎料与母材的良好结合；同时，可以将电磁成形与钎焊连接方法相结合，采用带集磁器结构的螺旋线圈对感应加热的铜铝接头(接头预置有Zn-Al系钎料)进行放电成形，利用高速成形与半固态钎料优势，迅速去除管件表面氧化膜，同时能够控制钎焊间隙，从而减小金属间化合物层厚度，实现无钎剂铜铝异种金属的有效连接。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊装置及方法，解决了传统异种金属管件钎焊中因加钎剂而降低接头抗腐蚀性以及可能带来的气孔缺陷和环境污染问题。

本发明采用的技术方案为：一种半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊装置，其特征在于，包括模架、加热装置、电磁感应装置、夹具和钎料箔片，所述电磁感应装置和夹具均分别与模架固定相连，加热装置位于电磁感应装置的上方；金属管件A的上端固定在夹具上，金属管件A的下端插入于金属管件B的扩口端内，金属管件A下端外壁与金属管件B扩口端内壁之间的间隙内填充钎料箔片，金属管件B的另一端固定在夹具上；金属管件A穿过加热装置的加热区，且金属管件A与金属管件B的连接段位于电磁感应装置的感应区内。

按上述方案，所述加热装置为感应加热机，所述金属管件A穿过感应加热机的加热线圈中心。

按上述方案，所述电磁感应装置包括电磁成形线圈和通过导线与电磁成形线圈相连的电磁成形机，金属管件A与金属管件B的连接段穿过电磁成形线圈的中心。

按上述方案，在电磁成形线圈的内部设有集磁器，金属管件A与金属管件B的连接段穿过集磁器的中心。

按上述方案，在电磁形成线圈的外部设有保护套，保护套由聚四氟乙烯材料制作。

本发明还提供了一种半固态无钎剂磁脉冲辅助的异质金属钎焊方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属管件B的待连接端适量扩口并作为外管；

步骤二、将金属管件A作为内管，在其待连接端的外壁缠绕钎料箔片，钎料箔片的厚度为0.2mm～1mm；

步骤三、将缠绕有钎料箔片的金属管件A与扩口的金属管件B进行套接装配，两者的连接段轴向定位于电磁成形线圈的内部中心：

步骤四、将感应加热线圈套设于金属管件A上并加热，使钎料箔片加热至半固态状态，钎料箔片在氧化膜约束下维持其初始半固态形态；

步骤五、将金属管件A和金属管件B对中组合装配于电磁成形线圈的预设位置，固定金属管件A、金属管件B及电磁成形线圈，接通放电开关对金属管件B进行放电成形；金属管件B的扩口端发生缩管变形，待金属管件A、钎料箔片和金属管件B均匀紧密结合于一体后，断开开关并复位，关闭电磁成形机；

步骤六、磁脉冲成形装置断电并移开电磁成形线圈，感应加热线圈再次通电，使钎料箔片达到完全熔化状态后保温，钎料箔片与母材相互充分扩散熔合，冷凝后形成焊接接头。

按上述方案，在步骤二中，所述钎料箔片的厚度为0.2mm～1mm；钎料箔片经球化处理，在半固态时内部的固相颗粒呈球状。

按上述方案，步骤四中，所述电磁感应加热线圈与金属管件A外壁之间的间隙为2～6mm，钎料箔片达到半固态时的温度为300～500℃。

按上述方案，在步骤五中、电磁成形机放电成形次数为1次，放电电压为2000～15000V，放电电容为110～880μF。

按上述方案，在步骤六中，钎料箔片完全熔化的温度为400～550℃，保温时间为2～6s。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述钎焊方法利用半固态钎料箔片固溶体的高速挤压剪切作用迅速去除基体表面氧化膜，此时无需钎剂便可以达到钎料箔片与母材的良好结合，解决了传统异种金属管件钎焊中因加钎剂而降低接头抗腐蚀性以及可能带来的气孔缺陷和环境污染问题，接头可靠性强，便于实现自动化生产，提高生产效率，清洁环保，具有广阔应用前景；

2、本发明所述钎焊方法获得的钎焊接头可靠性强，便于实现自动化生产，提高生产效率，清洁环保，具有广阔应用前景；

3、本发明所述钎焊方法满足了材料轻量化、降低成本、节约资源的全球性节能减排环保发展需求，在航空航天、汽车、制冷等领域中的管道连接、导热导冷和一些特殊的流体传递方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中金属管件A和金属管件B的安装剖视图。

图3为图2的平面剖视图。

图4是本发明实施例子中磁脉冲成形前的异种金属管件套接接头。

图5为半固态钎料箔片组织微观金相图。

图6为半固态钎料箔片冲击剪切破碎母材表面氧化膜的原理示意图。

图7为实施例一中放电电压与内管外壁所受最大冲击压力的关系曲线图。

图8为实施例一中放电电压与内管外壁所受最大剪切应力的关系曲线图。

图9为实施例二中径向间隙与内管外壁所受最大冲击压力的关系曲线图。

图10为实施例二中径向间隙与内管外壁所受最大剪切应力的关系曲线图。

图11为实施例三中钎料箔片厚度与内管外壁所受最大冲击压力的关系曲线图。

图12为实施例三中钎料箔片厚度与内管外壁所受最大剪切应力的关系曲线图。

图13为实施例四中钎料箔片固相率与内管外壁所受最大剪切应力的关系曲线图。

其中，1-金属管件A，2-加热线圈，3-电磁成形线圈，4-集磁器，5-钎料箔片，6-金属管 B，7-保护套，8-夹具，9-模架，10-球状α-Al。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1～3所示的一种半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊装置，包括模架9、加热装置、电磁感应装置、夹具8和钎料箔片5，所述电磁感应装置和夹具8固定在模架9上，加热装置位于电磁感应装置的上方；金属管件A1的上端固定在夹具8上，金属管件A1的下端插入于金属管件B6的扩口端内，金属管件A1下端外壁与金属管件B6扩口端内壁之间的间隙内填充钎料箔片5，金属管件B6的另一端固定在夹具8上；金属管件A1穿过加热装置的加热区，且金属管件A1与金属管件B6的连接段位于电磁感应装置的感应区内。

优选地，所述加热装置为感应加热机，所述金属管件A1穿过感应加热机的加热线圈2中心。本发明中，感应加热机的工作原理为：金属管件A1放到感应加热机的加热线圈2内，加热线圈2为空心铜管结构，输入中频或高频交流电后能产生交变磁场，在金属管件A1中产生出同频率的感应电流，利用涡流使金属管件A1的表面迅速加热，在几秒钟内温度快速上升。

优选地，所述电磁感应装置包括电磁成形线圈3和通过导线与电磁成形线圈3相连的电磁成形机，金属管件A1与金属管件B6的连接段穿过电磁成形线圈3的中心。优选地，在电磁成形线圈3的内部设有集磁器4，金属管件A1与金属管件B6的连接段穿过集磁器4的中心；在电磁形成线圈3的外部设有保护套7，保护套7由聚四氟乙烯材料制作。本发明中，电磁成形机为电磁成形线圈3提供强脉冲电流，电磁成形线圈3形成磁场，并与金属管件B6 扩口端产生的感应磁场相互叠加，使金属管件B6扩口端在磁场力的作用下生形变。

优选地，所述模架9包括底板、中板和顶板，底板与中板之间通过下立柱两相连，中板与顶板之间通过上立柱相连，在底板和顶板各设一个夹具8，所述中板上安设电磁成形线圈3。

本发明还提供了一种半固态无钎剂磁脉冲辅助的异质金属钎焊方法，该方法包括以下步骤：

1)将金属管件B6的待连接端适量扩口并作为外管，以便后续钎料箔片5布置及内管的套装；

2)将金属管件A1作为内管，在其待连接端的外壁缠绕合适厚度及组分的钎料箔片5，钎料箔片5的厚度为0.2mm～1mm；需选择适合金属管件A1和金属管件B6钎焊的钎料箔片5，钎料箔片5组织需经球化处理，以使其在半固态时内部的固相颗粒呈球状，便于提高流动性；

3)将缠绕有钎料箔片5的金属管件A1与扩口的金属管件B6进行套接装配(金属管件 A1与金属管件B6连接端对中固定)，装配后将金属管件A1与金属管件B6的连接段轴向定位于电磁成形线圈3的内部中心：金属管件A1与金属管件B6套接装配时，金属管件B6扩口端的内壁与金属管件A1的外壁之间的间隙为0.5～1.5mm，两者连接长度以10～30mm为宜；

4)将感应加热线圈2套设于金属管件A1上并加热至使钎料箔片5达到半固态状态，钎料箔片5在氧化膜约束下维持其初始半固态形态；所述电磁感应加热线圈与金属管件A外壁之间的间隙为2～6mm，加热电流、保温时间可控；钎料箔片5达到半固态的温度为300～500℃；

5)根据金属管件A1和金属管件B6的管径尺寸选择电磁脉冲成形线圈3的大小，将金属管件A1和金属管件B6对中组合装配于电磁成形线圈3的预设位置，固定金属管件A1、金属管件B6 及电磁成形线圈3，将电磁成形线圈3连接到电磁成形机；接通磁脉冲成形设备的高压放电开关对金属管件B6进行放电成形(电磁成形机放电成形次数为1次，放电电压为2000～15000V，放电电容为110～880μF)；在电磁力的作用下使得金属管件B6的扩口端发生缩管变形，金属管件A1、钎料箔片5和金属管件B6均匀紧密结合于一体，然后断开开关并复位，关闭电磁成形机；

6)磁脉冲成形装置断电并移开电磁成形线圈3，感应加热线圈2再次通电，让钎料箔片 5升温并完全熔化状态后保温，钎料箔片5与母材相互充分扩散熔合，冷凝后形成焊接接头；钎料箔片5达到完全熔化状态的温度为400～550℃，保温时间为2～6s。

以金属管件A1为铝合金管，金属管件B6为紫铜管为例，对本发明去除母材氧化膜的原理进行说明：Zn-2Al属于亚共晶合金，钎料箔片5中含有锌基固溶体块状初生相和由锌基、铝基固溶体混合而成的共晶组织。当钎料箔片5中铝质量分数达到15％时，钎料箔片5属于过共晶合金，铝基固溶体初生相会发生偏析反应，从而生成偏析组织，而当钎料箔片5中铝含量质量分数增加到22％(Zn-22Al)时，达到偏析点，此时钎料箔片5为偏析组织。Zn-Al系钎料箔片 5在其过共晶温度会形成半固态固溶体，α-Al呈球状(球状α-Al 10如图5所示)，在电磁力的作用下(步骤5中)，金属管件B的扩口端高速冲击半固态钎料箔片，球状α-Al能击碎母材(金属管件A1)表面的氧化膜化合物，并形成一定的流体冲刷效应；当母材表面氧化膜化合物结构被破坏，液态Zn会迅速固溶进母材并将氧化膜组织浮起，在半固态钎料箔片5固溶体的高速挤压剪切作用下，能够迅速去除基体表面氧化膜，此时无需钎剂便可以达到钎料箔片5与母材的良好结合。

实施例一：金属管件A1为铝合金管，其外径为17mm，内径为13mm，壁厚为2mm，厚径比为0.24；金属管件B6为紫铜管，其扩口端外径为21mm，内径为19mm，壁厚为1mm，厚径比为0.095。以厚度为0.4mm的Zn-22wt％Al箔片(熔化温度为400℃～500℃)为钎料箔片5，具体钎焊过程包括以下步骤：

(1)将钎料箔片5缠绕于紫铜管的待焊部位，再用夹具固定住紫铜管和铝合金管，保证两管搭接部位对中装配于电磁成形线圈3内，电磁成形线圈3连接电磁成形机；电磁感应加热线圈2置于铝合金管的待焊部位附近，实际操作如图1所示；

(2)控制加热装置的电流开关，渐进加热钎料箔片5至半固态并保温，半固态钎料箔片组织如图5所示；

(3)分别设置电磁成形机充电电压为3KV﹑3.5KV和4KV，电容为550μF，进行充放电；磁脉冲辅助成形后，再次启动加热装置，使钎料箔片5熔化，保温3s，待钎缝层完全凝固后取出钎焊接头，即完成钎焊过程。对磁脉冲成形过程进行多物理场仿真，如图7和图8 所示，随着放电电压增大，铝合金管的外壁所受的冲击压力和剪切应力逐渐增加，局部瞬时冲击压力和剪切应力最高分别可达435MPa和36MPa，此时会造成铝合金管失稳，故电压不宜过大；而3.5KV电压下所产生的冲击压力足以破碎并去除铝合金管表面氧化膜，且不会使铝合金管变形。

实施例二：金属管件A1为铝合金管，厚径比为0.25；金属管件B6为紫铜管，其扩口端外径为21mm，内径为19mm，壁厚为1mm，厚径比为0.095。以厚度为0.4mm的Zn-22wt％ Al箔片(熔化温度为400℃～500℃)为钎料箔片5,具体钎焊过程与实施例相同，除以下设置：放电电压为3.5KV，电容为550μF；铝合金管与紫铜管的径向间隙分别为1.5mm，1.25mm， 1mm，0.75mm和0.5mm。如图9和图10所示，随着铝合金管与紫铜管的径向间隙增大，铝合金管的外壁所受的冲击压力和剪切应力呈先增大后减小的趋势，有一最优值，其量值亦能保证破碎并去除氧化膜。

实施例三：金属管件A1为铝合金管，厚径比为0.25；金属管件B6为紫铜管，其扩口端外径为21mm，内径为19mm，壁厚为1mm，厚径比为0.095；放电电压为3500V，电容为550μF，分别以厚度为0.5mm、0.7mm、1mm的Zn-22wt％Al箔片为钎料箔片5，具体钎焊过程如实施例一相同。如图11和图12所示，随着钎料箔片5厚度增大，铝合金管的外壁所受的冲击压力和剪切应力都有所减小，表明钎料箔片5厚度不宜过大。

实施例四：金属管件A1为铝合金管，其外径为16mm，内径为12mm，壁厚为2mm，厚径比为0.25；金属管件B6为紫铜管，其扩口端外径为21mm，内径为19mm，壁厚为1mm，厚径比为0.095；放电电压为3500V，电容为550μF，以厚度为0.8mm的Zn-22wt％Al箔片(熔化温度为400℃～500℃)为钎料箔片5；钎料箔片5的半固态温度分别为390℃，400℃，410℃， 420℃和426℃，则其固相率分别为80％，70％，60％，50％和40％。具体钎焊过程与实施例一所示。如图13所示，随着钎料箔片5的半固态温度降低，由于钎料箔片5的固相率增加，黏度上升，铝合金管的剪切应力亦随之增大，但钎料箔片5流动性降低。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属管件B的待连接端适量扩口并作为外管；

步骤二、将金属管件A作为内管，在其待连接端的外壁缠绕钎料箔片，钎料箔片的厚度为0.2mm～1mm；

步骤三、将缠绕有钎料箔片的金属管件A与扩口的金属管件B进行套接装配，两者的连接端轴向定位于电磁成形线圈的内部中心：

步骤四、将感应加热线圈套设于金属管件A上并加热，使钎料箔片加热至半固态状态，钎料箔片在氧化膜约束下维持其初始半固态形态，钎料箔片达到半固态时的温度为300～500℃；

步骤五、将金属管件A和金属管件B对中组合装配于电磁成形线圈的预设位置，固定金属管件A、金属管件B及电磁成形线圈，接通放电开关对金属管件B进行放电成形；金属管件B的扩口端发生缩管变形，待金属管件A、钎料箔片和金属管件B均匀紧密结合于一体后，断开开关并复位，关闭电磁成形机；

步骤六、磁脉冲成形装置断电并移开电磁成形线圈，感应加热线圈再次通电，使钎料箔片达到完全熔化状态后保温，钎料箔片与母材相互充分扩散熔合，冷凝后形成焊接接头。

2.如权利要求1所述的半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊方法，其特征在于，在步骤二中，钎料箔片经球化处理，在半固态时内部的固相颗粒呈球状。

3.如权利要求1所述的半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊方法，其特征在于，步骤四中，所述感应加热线圈与金属管件A外壁之间的间隙为2～6mm。

4.如权利要求1所述的半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊方法，其特征在于，在步骤五中，电磁成形机放电成形次数为1次，放电电压为2000～15000V，放电电容为110～880μF。

5.如权利要求1所述的半固态无钎剂磁脉冲辅助的异种金属钎焊方法，其特征在于，在步骤六中，钎料箔片完全熔化的温度为400～550℃，保温时间为2～6s。