CN109732187B - 一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法 - Google Patents

Abstract

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，属于机械制造的金属焊接领域。该方法是将同种或异种金属绑在一起作为金属构件阴极，以熔盐作反应介质和焊接介质，石墨棒作阳极，在600‑1000℃温度下，在金属构件阴极和石墨阳极间施加电压，焊接反应完成后，将金属构件阴极提离熔盐并冷却，用去离子水洗涤金属构件阴极表面的熔盐，最后真空干燥保存，得到焊接后的金属。该方法可以去除金属表面氧化层，提升焊接质量，对环境友好且操作简单。

Description

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法

技术领域

本发明涉及机械制造的金属焊接领域，具体涉及一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法。

背景技术

焊接是一种将材料永久连接，使其具有给定功能结构的制造技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命，并且也影响生产的成本、效率和市场反应速度。常用的金属焊接方法有压焊、熔焊、钎焊、激光焊接、等离子弧焊接等。但每种方法都存在一定的问题，如咬边、未焊透、焊接裂纹、夹渣等。

尤其是异种金属焊接领域，高温下，焊接接头区的机械性能劣于母材，奥氏体焊缝和珠光体母材之间会产生一个马氏体过渡区，该马氏体过渡区韧性低，硬度高，容易使构件失效，且焊接后接头区还有残余应力分布，化学成分和金相组织不均匀，机械性能不连续等缺点。在制造行业日趋激烈的今天，原件的焊接质量直接影响了中国的产品在世界市场上的竞争力，所以提供一种焊接的新思路是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供了一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，该方法利用金属原子之间的扩散进行焊接。基于电化学的极化作用脱除金属表面的氧化层，而熔盐可以提供一种无水无氧的环境，使金属表面保持相对高的活性，促进同种/异种金属原子之间的扩散，从而使同种/异种金属连接在一起。本发明是将同种或异种金属绑在一起作为阴极(需焊接面相接触)，以熔盐作反应介质和焊接质，石墨棒作阳极，在600-1000℃温度下(具体温度根据熔盐组成而定)，在金属构件阴极和石墨阳极间施加电压，焊接反应完成后，将金属构件阴极提离熔盐并冷却，用去离子水洗涤金属构件阴极表面的熔盐，最后真空干燥保存，得到焊接后的金属。该方法可以去除金属表面氧化层，提升焊接质量，对环境友好且操作简单。

本发明的一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，包括以下步骤：

步骤1：准备

将待焊接的同种金属或异种金属的焊接面相对，用细钼丝捆绑固定，作为金属构件阴极，连接在第一钼棒上；

将石墨棒作为阳极，固定在第二钼棒上；

将纯盐或混合盐烘干，去除水分后，置于坩埚中，在将坩埚置于电解焊接反应器中，将金属构件阴极和石墨阳极悬吊纯盐或混合盐上方，封闭电解焊接反应器，向电解焊接反应器内，持续通入氩气，形成氩气气氛；

步骤2：金属焊接

将纯盐或混合盐加热至熔化温度，形成熔盐，加热过程中，产生的湿气被氩气带走；

将金属构件阴极和石墨阳极插入熔盐中，构成两电极体系，在金属构件阴极和石墨阳极之间施加恒定电压为1.5～3.0V，恒槽压电解焊接6～24h，得到焊接后的金属构件阴极，将焊接后的金属构件阴极提离熔盐，冷却，得到冷却后的金属构件阴极；

步骤3：后处理

将冷却后的金属构件阴极用去离子水洗除附着的熔盐，真空干燥，得到焊接后的金属。

所述的步骤1中，所述的同种/异种金属为各种母材的物理常数和金属组织各不相同的金属。

所述的步骤1中，所述的纯盐或混合盐，为不腐蚀金属构件阴极的盐，具体为纯盐为氯化钙、氯化钠、氯化锂、氟化钙、碳酸锂、碳酸镁中的一种；混合盐为NaCl-CaCl₂、Na₂CO₃-K₂CO₃、CaCl₂-MgCl₂、Li₂CO₃-K₂CO₃中的一种。

其中，NaCl-CaCl₂中，按摩尔比，NaCl：CaCl₂＝0.479:0.521；

Na₂CO₃-K₂CO₃中，按摩尔比，Na₂CO₃：K₂CO₃＝0.585:0.415；

CaCl₂-MgCl₂中，按摩尔比，CaCl₂：MgCl₂＝0.474:0.526；

Li₂CO₃-K₂CO₃中，按摩尔比，Li₂CO₃：K₂CO₃＝0.62:0.38。

所述的步骤1中，所述石墨棒为高纯石墨棒，直径为10±0.1mm～15±0.1mm，纯度≥99.999wt.％。

所述的步骤1中，所述的细钼丝的直径为0.1±0.01mm～0.5±0.01mm，第一钼棒和第二钼棒的直径均为1±0.1mm～2±0.1mm。

所述的步骤2中，金属构件阴极和石墨阳极间的水平距离为10～20mm。

所述的步骤2中，将焊接后的金属构件阴极提离熔盐后，将另一个金属构件阴极插入熔盐中，继续进行电解焊接。

所述的步骤2中，所述的熔化温度根据熔盐组分确定，优选为600±5℃-1000±5℃。

本发明中，除非特殊说明，采用的原料的质量纯度均为分析纯以上。

上述方法中，对焊接反应器的物料进行加热采用的加热设备为电阻丝炉。

本发明的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，相比于现有技术，其区别为：

1、本发明的原理是：在各类制造业中焊接的质量直接影响了产品的可靠性，而其所涉及的金属大多较为活泼，易形成金属氧化物而影响焊接的质量形成焊缝。在熔盐体系中，利用熔盐宽的电化学窗口和电化学脱氧原理，将金属颗粒表面的氧化物还原成金属，而新还原出来的金属在高温下极为活泼，这样可以促进原子间的相互扩散，形成新的原子键，使金属连接在一起，从而提高焊接的质量，提升产品的可靠性。

2、本发明的方法可以提升焊接质量，提高产品性能，对环境友好且操作简单。

附图说明

图1为本发明实施例6中同种金属的焊接处的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例中，采用的细钼丝为市购产品。

本发明实施例中，采用的氧化铝坩埚为市购产品。

本发明实施例中，采用的石墨棒为市购产品。

本发明实施例中，采用的纯盐为氯化钙，氯化钠，氯化锂，氟化钙，碳酸锂，碳酸镁中的一种，盐纯度为分析纯。

本发明实施例中，采用的石墨棒直径10±0.1mm-15±0.1mm，纯度≥99.999wt.％。

本发明实施例中，采用的第一钼棒和第二钼棒的直径均为1.5±0.1mm，纯度99.99wt.％。

本发明实施例中，采用纯氯化钙为熔盐，熔化温度控制在600±5℃-1000±5℃；

本发明实施例中，采用的两电极之间施加的低电压为1.5-3.0V。

本发明实施例中，采用的电源为直流稳压电源，型号为：NEWARE 5V-6A。

本发明实施例中，电解焊接反应器的出气口通过管道延伸至电解焊接反应器外部安全瓶液面的下方，当氩气持续流通时，有气泡冒出。

本发明实施例中，将氯化钙烘干去除水分是将氯化钙置于真空电阻炉中，在300℃条件下干燥12h，除去吸附水和部分结晶水。

本发明实施例中对电解焊接反应器内的物料进行加热，是将电解焊接反应器置于电阻丝炉中加热。

实施例1

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，包括以下步骤：

步骤1、准备

将直径8mm，高为10mm的Ti棒与尺寸为10mm×10mm×3mm的Ni板用直径0.5±0.01mm，纯度99.99wt.％的金属钼丝绑在一起后，制成金属构件阴极，与直径1±0.1mm，纯度99.99wt.％的第一钼棒集流体连接；

将直径10±0.1mm高纯石墨棒，作为阳极，与直径1±0.1mm，纯度99.99wt.％的第二钼棒集流体连接；

将除水后的分析纯氯化钙500g置于直径100±0.01mm氧化铝坩埚中，再将坩埚置于电解焊接反应器中；将金属构件阴极和石墨阳极悬吊在氯化钙上面，封闭电解焊接反应器，通过电解焊接反应器上的进气口和出气口向电解焊接反应器中持续通入氩气，在电解焊接反应器内形成氩气气氛；

步骤2、金属焊接

将氯化钙加热至850±5℃熔化，加热过程中产生的湿气被氩气带走；

将金属构件阴极和石墨阳极同时插入熔盐中，构成两电极体系，保持电极间距在15±5mm，在两电极间施加3.0V槽压，电解焊接12小时；将焊接后的金属构件阴极提离熔盐，在电解焊接反应器上方冷却；同时插入另一个金属构件阴极施加相同电压继续进行金属焊接实验；

步骤3、后处理

将冷却的金属构件阴极放到pH为7的去离子水中，洗去金属构件阴极上的熔盐，真空干燥，得到焊接后的金属。

实施例2

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2的两电极间施加2.7V；

其他方式相同。

实施例3

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2的两电极间施加2.5V；

其他方式相同。

实施例4

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2中电解焊接时间为6h；

其他方式相同。

实施例5

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2中电解焊接时间为20h；

其他方式相同。

实施例6

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤1中金属构件阴极中的金属替换为Ti棒(外径为：8mm；高为：10mm)和Ti板(10mm×10mm×3mm)；

其他方式相同。

其焊接后的金属，其焊接处的SEM图见图1，从图1中可以看出，焊接处，无明显分界，说明采用该电解方法进行金属焊接，促进了金属原子间的相互扩散，使金属良好的焊接在一起。

实施例7

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤1中金属构件阴极中的金属替换为Ti棒(直接为：8mm；高为：10mm)和Ti板(10mm×10mm×3mm)；

(2)步骤2中电解焊接时间为6h；

其他方式相同。

实施例8

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤1中金属构件阴极中的金属替换为Ti棒(外径为：8mm；高为：10mm)和Ti板(10mm×10mm×3mm)；

(2)步骤2中电解焊接时间为24h；

其他方式相同。

实施例9

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤1中金属构件阴极中的金属替换为Fe棒(外径为：8mm；高为：12mm)和Fe板(10mm×10mm×6mm)；

(2)步骤2中电解焊接时间为24h；

其他方式相同。

实施例10

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例9，不同点在于：

(1)步骤2中熔盐改为NaCl-CaCl₂(按摩尔比，Na:Ca＝0.479:0.521)；

(2)步骤2的电压为1.5V；

其他方式相同。

实施例11

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2中熔盐为Na₂CO₃-K₂CO₃(按摩尔比，Na:K＝0.585:0.415)；

(1)步骤2中熔化温度为750±5℃；

其他方式相同。

实施例12

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2中熔盐为Li₂CO₃-K₂CO₃(按摩尔比，Na:K＝0.62:0.38)；

(1)步骤2中熔化温度为600±5℃；

其他方式相同。

实施例13

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2中熔盐为Li₂CO₃-K₂CO₃(按摩尔比，Na:K＝0.62:0.38)；

(1)步骤2中熔化温度为600±5℃；

(1)步骤2中电解电压为2.5V；

其他方式相同。

实施例14

一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，同实施例1，不同点在于：

(1)步骤2中熔盐为CaCl₂-MgCl₂中，按摩尔比，CaCl₂：MgCl₂＝0.474:0.526；

(1)步骤2中熔化温度为600±5℃；

(1)步骤2中电解电压为3V，电解时间为15h；

其他方式相同。

Claims (7)

1.一种熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备

将待焊接的同种金属或异种金属的焊接面相对，用细钼丝捆绑固定，作为金属构件阴极，连接在第一钼棒上；其中，所述的待焊接的同种金属或异种金属为棒状和板状；所述的同种金属为Ti或Fe，异种金属为Ti和Ni；

将石墨棒作为阳极，固定在第二钼棒上；

将纯盐或混合盐烘干，去除水分后，置于坩埚中，再将坩埚置于电解焊接反应器中，将金属构件阴极和石墨阳极悬吊纯盐或混合盐上方，封闭电解焊接反应器，向电解焊接反应器内，持续通入氩气，形成氩气气氛；

所述的纯盐或混合盐，为不腐蚀金属构件阴极的盐，具体为：纯盐为氯化钠、氯化锂、氟化钙、碳酸锂、碳酸镁中的一种；混合盐为Na₂CO₃-K₂CO₃、CaCl₂-MgCl₂、Li₂CO₃-K₂CO₃中的一种；

步骤2：金属焊接

将纯盐或混合盐加热至熔化温度，形成熔盐，加热过程中，产生的湿气被氩气带走；

将金属构件阴极和石墨阳极插入熔盐中，构成两电极体系，在金属构件阴极和石墨阳极之间施加恒定电压为1.5~3.0V，恒槽压电解焊接6~24h，得到焊接后的金属构件阴极，将焊接后的金属构件阴极提离熔盐，冷却，得到冷却后的金属构件阴极；

步骤3：后处理

将冷却后的金属构件阴极用去离子水洗除附着的熔盐，真空干燥，得到焊接后的金属。

2.如权利要求1所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，混合盐中：当为Na₂CO₃-K₂CO₃混合盐，按摩尔比，Na₂CO₃：K₂CO₃=0.585:0.415；

当为CaCl₂- MgCl₂混合盐，按摩尔比，CaCl₂：MgCl₂=0.474:0.526；

当为Li₂CO₃-K₂CO₃混合盐，按摩尔比，Li₂CO₃：K₂CO₃=0.62:0.38。

3.如权利要求1所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，所述的步骤2中，金属构件阴极和石墨阳极间的水平距离为10~20mm。

4.如权利要求1所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，所述的步骤2中，将焊接后的金属构件阴极提离熔盐后，将另一个金属构件阴极插入熔盐中，继续进行电解焊接。

5.如权利要求1所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的熔化温度根据熔盐组分确定。

6.如权利要求1所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，熔化温度为600℃-1000℃。

7.如权利要求1所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法，其特征在于，所述的熔盐电化学辅助金属焊接的方法中，对焊接反应器的物料进行加热采用的加热设备为电阻丝炉。

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