CN110026672A - 超声空化焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声空化焊方法，将上下待焊工件接触表面机械去除氧化物；采用有机溶剂擦洗上下待焊工件表面，去除杂物；超声波发生器产生超声波，通过换能器转变成机械振动能量，聚能器放大，通过上声极传递给上待焊工件，在工件界面上引起应力集中产生较高的接触应力，使上下待焊工件发生局部塑性变形；利用超声波高频振动使上下待焊工件接触表面产生摩擦作用，在超声空化驱动单元作用下使上下待焊工件接触界面间的局部区域熔化产生微区熔体，其在超声波的作用下诱导发生超声空化效应以产生微射流，实现上下待焊工件之间连接，得到所需形式的连接接头。本发明具有超声波焊、熔化焊和爆炸焊复合技术特征。

Description

超声空化焊方法
技术领域
本发明涉及焊接、超声波增材制造和复杂叠层零部件成形等领域，更具体的说，是涉及一种超声空化焊方法。
背景技术
基于节约能源和减少废气排放的需要，汽车轻量化已经得到世界各国的高度重视，成为世界汽车强国提高品牌竞争力的重要手段。材料轻量化的一个重要方向是使用铝、镁合金等低密度材料代替传统的钢铁材料。据Bakavos等人报道(D.Bakavos,P.B.Prangnell,Materials Science and Engineering A,527(2010)6320-6334.)，对于1mm厚的铝板，电阻点焊、搅拌摩擦点焊和超声波焊的每个焊点所消耗的能量/焊接时间分别为50-100kJ/0.15-0.3s、3-6kJ/1-5s、0.6-1.5kJ/0.25-0.6s。因此，在汽车轻量化的迫切需求下，推广超声波焊的工业应用不仅可节约能源，而且可提高生产效率，具有广泛的应用前景。但是，目前超声波焊主要集中在对超声能量要求不高、厚度小强度低的金属丝、箔、片等结构的焊接，无法满足汽车轻量化、新能源动力电池等高端制造领域中较厚、较硬的同质和异质金属的焊接的迫切需求。
超声波焊是在静压力作用下，利用超声波的高频振荡使焊件接触表面产生强烈的摩擦作用，以消除表面氧化物并加热而实现焊接的一种固相焊方法(李亚江，王娟,特种焊接技术及应用,化学工业出版社，(2014)286-297.)。从超声波焊定义来看，它是一种固相焊方法，说明超声波焊过程中不会发生熔化现象。
超声波增材制造具有固态成形、低温、低能耗及可实现异种金属材料连接等优点，适合于4D智能化结构制造、复杂叠层零部件成形,是一种新型的增材制造技术，是目前超声波焊领域的研究热点。
在纤维增强材料和智能4D智能化结构制造方面，Yang等人(Y.Yang,G.D.JanakiRam,B.Stucker,Journal of Engineering Materials and Technology,129(2007)538-549.)利用超声波增材制造成形技术在叠层Al/Al材料层间加入SiC纤维，纤维与基体界面没有扩散和化学反应，SiC纤维以机械结合方式嵌入基体中。Friel等人(R.J.Friel,R.A.Harris,Journal of Materials Design and Applications,224(1)(2010)31-40.)在制备叠层Al3003/Al3003材料间加入形状记忆合金NiTi纤维时结果表明纤维与基体间存在一定的孔洞,纤维与基体界面以机械结合为主。在叠层制造方面，Bakavos等人(D.Bakavos,P.B.Prangnell,Materials Science andEngineering A,527(2010)6320-6334.)研究了超声波增材制造试样界面的微观结构,发现金属箔材表面氧化层在增材制造过程中会成为碎片状氧化物而分散在界面。Schick等人(D.E.Schick,R.M.Hahnlen,R.Dehoff,P.Collins,S.S.Babu,M.J.Dapino,and J.C.Lippold,Welding Journal,89(5)(2010)105s-115s.)发现微孔是由于超声波压头表面纹路转移至金属箔材表面后,在后续增材制造过程中超声波能量不足以使箔材表面纹路压合而形成，微孔和氧化层的存在将严重影响界面结合强度。
目前，超声波焊和超声波增材制造技术仍然存在一些不足之处：(1)焊接过程中焊接界面虽然产生塑性变形，但是处于固相状态，导致焊接界面金属塑性流动应力大，焊接界面的氧化物清理不完全、甚至聚集，界面原子扩散慢，导致焊接接头的性能差；(2)由于超声波功率难于提高，目前主要集中在对超声能量要求不高、厚度小强度低的金属丝、箔、片等结构的焊接，无法满足汽车轻量化、新能源动力电池等高端制造领域中较厚、较硬的同质和异质金属的超声波焊的需求。(3)超声波电源的有效功率低。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种超声空化焊方法，将待焊工件之间安装超声空化驱动单元，通过在待焊工件接触界面之间产生超声空化效应，有力促进焊接界面原子的扩散、形成冶金结合并获得像爆炸焊的波形界面，从而优化了焊接界面结合过程，提高了焊接、超声波增材制造和复杂叠层零部件成形过程的稳定性和质量。该方法是一种具有超声波焊、熔化焊和爆炸焊复合技术特征的固液焊接方法，可满足汽车轻量化、新能源动力电池等高端制造领域中较厚、较硬的同质和异质金属的超声波焊的迫切需求，并应用于超声波增材制造和复杂叠层零部件成形。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的超声空化焊方法，包括以下步骤：
步骤一：将上待焊工件和下待焊工件的接触表面及接触表面周围10～40mm范围内通过刷子或砂纸，机械去除表面的氧化物；
步骤二：采用有机溶剂擦洗机械处理过后的上待焊工件和下待焊工件的表面，去除杂物；
步骤三：在上待焊工件和下待焊工件之间安装超声空化驱动单元，上待焊工件和下待焊工件安装于上声极和下声极之间；超声波发生器产生超声波，通过换能器转变成机械振动能量，并通过聚能器进行放大，然后通过上声极传递给上待焊工件，在上待焊工件和下待焊工件界面上引起应力集中产生较高的接触应力，使上待焊工件和下待焊工件发生局部塑性变形；
步骤四：利用超声波高频振动使上待焊工件和下待焊工件的接触表面产生摩擦作用，在超声空化驱动单元的联合作用下从而使上待焊工件和下待焊工件的接触界面之间的局部区域熔化产生微区熔体，其在超声波的作用下诱导发生超声空化效应以产生微射流，从而实现上待焊工件和下待焊工件之间的连接，得到所需形式的连接接头。
步骤二中所述的有机溶剂为丙酮或酒精。
步骤三中所述的超声空化驱动单元由粉末或金属箔材或纤维或丝网不同形态的材料堆积一层、两层或两层以上。
根据所述连接接头的形式的不同实现点焊、缝焊、环焊、线焊、叠焊和智能化增材制造。
步骤四中所述的超声空化驱动单元，在焊接完成后，与上待焊工件和下待焊工件连接成一体。
步骤四中所述的超声空化驱动单元为NiTi纤维，在焊接完成后，NiTi纤维嵌入上待焊工件和下待焊工件中。
步骤四中所述的超声空化驱动单元为光纤传感器，在焊接完成后，光纤传感器嵌入上待焊工件和下待焊工件中。
通过所述上待焊工件和下待焊工件的反复叠加，叠加后进行机加工，可以用来复杂叠层零件的成形。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明超声空化焊方法实质上是一种固液焊接方法，是在静压力的作用下，通过超声空化驱动单元在待焊工件界面上引起应力集中产生较高接触应力，使待焊工件发生显著的局部塑性变形，利用超声波高频振动使待焊工件的接触表面产生强烈的摩擦作用，从而使待焊工件接触界面之间的局部区域熔化产生微区熔体，其在超声波的作用下诱导发生超声空化效应以产生高温、高压、高速微射流，从而实现待焊工件之间连接，获得所需连接接头。通过在焊接界面上产生超声空化效应，优化了焊接界面结合过程，提高了焊接、超声波增材制造和复杂叠层零部件成形过程的稳定性和质量。
另外，本发明设计合理、结构简单、性能可靠、使用方便、制造成本低，工程应用范围广泛。
附图说明
图1为通过铝合金粉末超声空化驱动单元，采用超声空化焊方法将上、下待焊工件焊接在一起的过程示意图；
图2为通过铝合金粉末超声空化驱动单元，超声空化焊方法中产生超声空化的过程示意图；
图3为通过NiTi纤维超声空化驱动单元，采用超声空化焊方法将上、下待焊工件焊接在一起的过程示意图；
图4为通过NiTi纤维超声空化驱动单元，采用超声空化焊方法将纤维嵌入上、下待焊工件之间，获得智能化结构的过程示意图；
图5为通过光纤传感器超声空化驱动单元，采用超声空化焊方法将光纤传感器嵌入上、下待焊工件之间，获得智能化结构的过程示意图；
图6为超声空化焊制造的复杂的叠层零件的示意图；其中(a)图为粉末超声空化驱动单元嵌入叠层零件中，(b)图为纤维超声空化驱动单元嵌入叠层零件中；
图7为通过铝合金粉末超声空化驱动单元，超声空化焊方法中获得的铝/铝连接接头横断面的微观图。
附图标记：1、超声空化驱动单元；2、超声波发生器；3、换能器；4、聚能器；5、上声极；6、上待焊工件；7、下待焊工件；8、下声极；9、微区熔体。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
如图1和图2所示，本发明的超声空化焊方法，是通过以下步骤实现的：
步骤一：将上待焊工件6和下待焊工件7的接触表面及接触表面周围10～40mm范围内通过刷子或砂纸，机械去除表面的氧化物。
步骤二：采用有机溶剂擦洗机械处理过后的上待焊工件6和下待焊工件7的表面，去除油污和金属粉尘等杂物。其中，有机溶剂可为丙酮或酒精。
步骤三：本发明设有超声空化驱动单元1、超声波发生器2、换能器3、聚能器4、上声极5、上待焊工件6、下待焊工件7、下声极8。在上待焊工件6和下待焊工件7之间安装超声空化驱动单元1，上待焊工件6和下待焊工件7安装于上声极5和下声极8之间。超声波发生器2产生频率超过16kHz的超声波，通过换能器3转变成机械振动能量，并通过聚能器4进行放大，然后通过上声极5传递给上待焊工件6，在上待焊工件6和下待焊工件7界面上引起应力集中产生较高的接触应力，使上待焊工件6和下待焊工件7发生显著的局部塑性变形。
优选地，所述超声空化驱动单元1的形态可以为粉末，也可以为金属箔材或纤维或丝网等不同形态的材料堆积一层、两层或两层以上。
步骤四：利用超声波高频振动使上待焊工件6和下待焊工件7的接触表面产生强烈的摩擦作用，在超声空化驱动单元1的联合作用下从而使上待焊工件6和下待焊工件7的接触界面之间的局部区域熔化产生微区熔体9，其在超声波的作用下诱导发生超声空化效应以产生高温、高压、高速的微射流，从而实现上待焊工件6和下待焊工件7之间的连接，得到所需形式的连接接头。所述超声空化驱动单元1，在焊接完成后，与上待焊工件6和下待焊工件7连接成一体。根据所述连接接头的形式的不同实现点焊、缝焊、环焊、线焊、叠焊和智能化增材制造。
如图3和图4所示，所述的超声空化驱动单元1为NiTi纤维，在焊接完成后，NiTi纤维嵌入上待焊工件6和下待焊工件7中，既可以用来增强工件，又可以实现智能化结构的制造。
如图5所示，所述的超声空化驱动单元1为光纤传感器，在焊接完成后，光纤传感器嵌入上待焊工件6和下待焊工件7中，从而实现智能化结构的制造。
如图6所示，通过所述上待焊工件6和下待焊工件7的反复叠加，叠加后进行机加工，可以用来复杂叠层零件的成形，实现超声空化增材制造。
如图7所示，通过铝合金粉末超声空化驱动单元，采用本发明超声空化焊方法中获得的铝/铝连接接头横断面的微观图，工件与工件之间结合紧密，没有空洞、未连接等焊接缺陷。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种超声空化焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将上待焊工件(6)和下待焊工件(7)的接触表面及接触表面周围10～40mm范围内通过刷子或砂纸，机械去除表面的氧化物；
步骤二：采用有机溶剂擦洗机械处理过后的上待焊工件(6)和下待焊工件(7)的表面，去除杂物；
步骤三：在上待焊工件(6)和下待焊工件(7)之间安装超声空化驱动单元(1)，上待焊工件(6)和下待焊工件(7)安装于上声极(5)和下声极(8)之间；超声波发生器(2)产生超声波，通过换能器(3)转变成机械振动能量，并通过聚能器(4)进行放大，然后通过上声极(5)传递给上待焊工件(6)，在上待焊工件(6)和下待焊工件(7)界面上引起应力集中产生较高的接触应力，使上待焊工件(6)和下待焊工件(7)发生局部塑性变形；
步骤四：利用超声波高频振动使上待焊工件(6)和下待焊工件(7)的接触表面产生摩擦作用，在超声空化驱动单元(1)的联合作用下从而使上待焊工件(6)和下待焊工件(7)的接触界面之间的局部区域熔化产生微区熔体，其在超声波的作用下诱导发生超声空化效应以产生微射流，从而实现上待焊工件(6)和下待焊工件(7)之间的连接，得到所需形式的连接接头。
2.根据权利要求1所述的超声空化焊方法，其特征在于，步骤二中所述的有机溶剂为丙酮或酒精。
3.根据权利要求1所述的超声空化焊方法，其特征在于，步骤三中所述的超声空化驱动单元(1)由粉末或金属箔材或纤维或丝网不同形态的材料堆积一层、两层或两层以上。
4.根据权利要求1所述的超声空化焊方法，其特征在于，根据所述连接接头的形式的不同实现点焊、缝焊、环焊、线焊、叠焊和智能化增材制造。
5.根据权利要求1所述的超声空化焊方法，其特征在于，步骤四中所述的超声空化驱动单元(1)，在焊接完成后，与上待焊工件(6)和下待焊工件(7)连接成一体。
6.根据权利要求5所述的超声空化焊方法，其特征在于，步骤四中所述的超声空化驱动单元(1)为NiTi纤维，在焊接完成后，NiTi纤维嵌入上待焊工件(6)和下待焊工件(7)中。
7.根据权利要求5所述的超声空化焊方法，其特征在于，步骤四中所述的超声空化驱动单元(1)为光纤传感器，在焊接完成后，光纤传感器嵌入上待焊工件(6)和下待焊工件(7)中。
8.根据权利要求1所述的超声空化焊方法，其特征在于，通过所述上待焊工件(6)和下待焊工件(7)的反复叠加，叠加后进行机加工，可以用来复杂叠层零件的成形。
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