CN110587110A - 高熔点泡沫金属板的焊接方法及金属板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体公开了一种高熔点泡沫金属板的焊接方法，泡沫金属板内具有连续、贯穿的孔洞，包括以下步骤：将两个待焊泡沫金属板对接放置后进行装夹固定，并预留对接间隙；将粉状焊接辅助材料填充于所述泡沫金属板对接端头处的孔洞内以及所述对接间隙内，且所述粉状焊接辅助材料溢出所述泡沫金属板对接端的表面；沿着所述对接间隙碾压所述粉状焊接辅助材料；沿着所述对接间隙进行搅拌摩擦焊接。本发明实施例克服了高熔点泡沫金属板焊接过程中易烧穿、接头力学性能低等问题，同时还提高了焊接成品的耐电化学腐蚀性能，简化了焊接工艺。

Description

高熔点泡沫金属板的焊接方法及金属板

技术领域

本发明实施例涉及焊接技术领域，特别涉及一种高熔点泡沫金属板的焊接方法及金属板。

背景技术

泡沫金属是一种新型的功能材料，由于其具有特殊的立体三维结构，使其具有许多区别于传统材料的优异性能，包括缓冲减震、电磁屏蔽、隔音降噪、保温隔热等特点，尤其是其通孔率可达到98％以上，几乎全通透结构，压降小、流量大、通透性能优，是理想的过滤材料。泡沫金属中细小的孔道对流体相中固体杂质起到捕集阻流作用，去除流体相中的杂质固体颗粒，进而达到分离和净化的作用。随着泡沫金属的发展，尤其是在分离过滤领域应用的深入，泡沫金属的连接问题成为泡沫金属发展的瓶颈问题之一。目前，尤其是针对高熔点泡沫金属，例如泡沫镍、泡沫铁镍、泡沫钛、泡沫不锈钢等高熔点泡沫金属，该类材料的焊接存在两方面难点，一个是开放的空洞，一个是高熔点。焊接过程中，内部的孔洞与空气接触，会发生剧烈的氧化，采用传统熔化焊接技术焊接泡沫金属时，特别容易烧穿，采用钎焊工艺却难以满足力学强度要求和高温工作的要求。另外高熔点材料，若采用带针的搅拌摩擦焊，针的磨损会非常严重，不能实现大规模工业化生产。

综上所述，目前亟需提供一种新型高熔点泡沫金属的焊接方法。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种高熔点泡沫金属板的焊接方法及金属板，克服了高熔点泡沫金属板焊接过程中易烧穿、接头力学性能低等问题，同时还提高了焊接成品的耐电化学腐蚀性能，简化了焊接工艺。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面实施例提供了一种高熔点泡沫金属板的焊接方法，所述泡沫金属板内具有连续、贯穿的孔洞，包括以下步骤：

将两个待焊泡沫金属板对接放置后进行装夹固定，并预留对接间隙；

将粉状焊接辅助材料填充至所述泡沫金属板对接端头处的孔洞内以及所述对接间隙内，且所述粉状焊接辅助材料溢出所述泡沫金属板对接端的表面；

沿着所述对接间隙碾压所述粉状焊接辅助材料及所述泡沫金属板对接端；

沿着所述对接间隙进行搅拌摩擦焊接。

本发明的第二方面实施例还提供了一种由上述焊接方法焊接得到的金属板。

另外，本发明的高熔点泡沫金属板的焊接方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述搅拌摩擦焊接的步骤包括：

将焊接工具与碾压后的所述粉状焊接辅助材料的表面紧密接触，控制所述焊接工具沿着所述对接间隙移动，直至焊接完成。

根据本发明的一个实施例，所述焊接工具的旋转速度为500rpm～5000rpm，所述焊接工具的移动速度为50mm/min～5000mm/min，所述焊接工具的顶锻作用力设置为50㎏～5000kg，所述焊接工具的轴线与对接间隙的偏移量小于5mm。

根据本发明的一个实施例，在焊接的起始阶段，高熔点泡沫金属板处于冷态，再加上高熔点泡沫金属的散热快，为避免焊接起始阶段因为热量输入不够产生焊接缺陷，需要焊接工具在焊接起始位置停留2秒～20秒。

根据本发明的一个实施例，碾压后所述泡沫金属板对接端的空隙率小于60％。

根据本发明的一个实施例，所述粉状焊接辅助材料选自颗粒度在50目～500目且纯度大于70％的铜粉、颗粒度在100目～600目的泡沫金属板母材粉体或颗粒度在200目～500 目的不锈钢粉中的任一种。需要说明的是，泡沫金属板母材粉体及不锈钢粉体，可以更好地与泡沫金属冶金结合，提高焊接接头的性能。

根据本发明的一个实施例，所述焊接工具为圆柱形，所述焊接工具与所述粉状焊接辅助材料接触的端面为平面结构、内凹结构或外凸结构中的任一种；其中，所述内凹结构的端面中心为内凹的最低点，内凹的最低点与水平面的距离为0.5mm～5mm；所述外凸结构的端面中心为外凸的最高点，外凸的最高点与水平面的距离为0.5mm～5mm。

根据本发明的一个实施例，所述焊接工具的直径小于碾压的宽度，两者的宽度之差为0.5mm～10mm。

根据本发明的一个实施例，所述对接间隙的宽度为0.5mm～3mm，碾压后的所述粉状焊接辅助材料的厚度为0.1mm～2mm，宽度为10mm～30mm。

本发明实施例相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1、本发明实施例沿着对接间隙处进行搅拌摩擦焊接，焊接工具与高熔点泡沫金属板间的摩擦热量将对接端处的泡沫金属板和粉状焊接辅助材料塑化混合，另外由于焊接工具端面与泡沫金属板间存在粘着摩擦，对接端处的塑化金属在焊接工具的驱动下会发生位置的转移，从而实现高熔点泡沫金属板与粉状焊接辅助材料的混合；

2、本发明实施例在焊接过程中避免了焊接母材金属的熔化，实现了焊接接头的固态冶金结合，提高了焊接产品的力学性能；

3、本发明实施例中的粉状焊接辅助材料能够填充泡沫金属板的对接间隙以及部分孔洞，在碾压的作用下，焊接区域孔隙率会大大降低，且实现了粉状焊接辅助材料与泡沫金属板的机械混合，一方面由于粉状焊接辅助材料与泡沫金属板之间的电位差低，使得焊接成品的电化学腐蚀性能大大提高；另一方面粉状焊接辅助材料的加入，降低了接头的装配间隙要求，有效降低了批量生产过程中的配合精度要求；

4、铜粉焊接辅助材料可以有效降低高熔点泡沫金属板对焊接工具的磨损，延长焊接工具的使用寿命，另外还可以实现较大厚度、高熔点泡沫金属板的连接，因为铜的熔点远低于高熔点泡沫金属，在远离塑化金属转移的区域，焊接热量会使铜达到塑化状态，塑化的铜会渗入泡沫金属的孔洞内，实现机械咬合，从而实现高熔点泡沫金属板的焊接；

5、本发明实施例克服了高熔点泡沫金属熔化焊接过程中，易烧穿、接头力学性能低等难题；

6、焊接工具没有外凸的针，因而焊接工具的寿命长，易于实现大规模生产；

7、本发明实施例对焊接温度和湿度不敏感，对于焊接工人的技术水平要求低，综合焊接成本低，有利于泡沫金属的批量焊接，对高熔点泡沫金属的进一步工程应用，提供了连接技术的基础支撑。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是为本发明实施例1中端面结构为平面的焊接工具与高熔点泡沫金属板的配合结构示意图；

图2是为本发明实施例2中端面结构为内凹的焊接工具与高熔点泡沫金属板的配合结构示意图；

图3是为端面结构为外凸的焊接工具与高熔点泡沫金属板的配合结构示意图；

图4是为本发明对比例1中带针搅拌头的焊接工具与高熔点泡沫金属板的配合结构示意图；

图5是为本发明对比例2中焊接工具与高熔点泡沫金属板的配合结构示意图；

图6是为本发明对比例3中焊接工具与高熔点泡沫金属板的配合结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

实施例1

本实施例涉及一种高熔点泡沫金属板的焊接方法，该泡沫金属板为泡沫镍板，该泡沫镍板内具有连续、贯穿的孔洞，其厚度为5mm，孔隙率为95％，具体焊接方法包括以下步骤：

将两个待焊泡沫金属板1对接放置后装夹固定在夹具基座上，并预留1mm的对接间隙；

将400目、纯度为95％的铜粉焊接辅助材料填充于泡沫金属板对接端头处的孔洞内以及对接间隙内，且粉状焊接辅助材料溢出泡沫金属板对接端的表面；具体地，可以将铜粉焊接辅助材料喷洒在泡沫金属板对接端的表面，由于泡沫金属板具有连续、贯穿的孔洞，铜粉焊接辅助材料会通过孔洞渗入到泡沫金属板1的内部，当铜粉焊接辅助材料填满泡沫金属板1 对接端头处的孔洞时，继续喷洒铜粉焊接辅助材料，此时铜粉焊接辅助材料则溢出泡沫金属板对接端的表面，此时泡沫金属板1对接端的表面以及对接间隙处均被铜粉焊接辅助材料覆盖。

使用一个宽度为20mm的压轮沿着对接间隙碾压泡沫金属板1对接端的表面以及对接间隙处覆盖的铜粉焊接辅助材料，这样泡沫金属板对接端处也被同时碾压而凹陷，对接端处的孔洞内被填满铜粉焊接辅助材料，泡沫金属板1对接端表面覆盖的铜粉焊接辅助材料在凹陷处被碾压形成凸块，泡沫金属板内填充的铜粉焊接辅助材料更密实，使得碾压后的泡沫金属板的空隙率为50％。泡沫金属板对接端的表面以及对接间隙处的粉状焊接辅助材料2被碾压后形成宽度为20mm，厚度为0.5mm的“T”字形结构，具体如图1所示。

沿着对接间隙进行搅拌摩擦焊接，具体地，将焊接工具3与碾压后的粉状焊接辅助材料 3的表面紧密接触，控制焊接工具3沿着对接间隙移动，直至焊接完成。需要注意的是，为了避免焊接到没有填充粉状焊接辅助材料的泡沫金属板，焊接工具3的直径小于碾压的宽度，两者的宽度之差可以为0.5mm～10mm。优选地，焊接工具3呈圆柱形，直径为Φ17mm，即两者的宽度之差为3mm，焊接工具3与粉状焊接辅助材料2接触的端面结构为平面结构，焊接工具旋转速度为2000rpm，焊接速度为800mm/min，焊接工具3在焊接起始位置停留的时间为5秒，焊接过程中的顶锻力为1000kg，焊接工具3的轴线与对接间隙的偏移量为0.6mm。最终实现泡沫镍板的焊接，

值得注意的是，焊接工具与高熔点泡沫金属板间的摩擦热量将对接端处的泡沫金属板和粉状焊接辅助材料塑化混合，另外由于焊接工具端面与泡沫金属板间存在粘着摩擦，对接端处的塑化金属在焊接工具的驱动下会发生位置的转移，从而实现高熔点泡沫金属板的连接。

经过观察，焊缝表面无缺陷呈现金属光泽，通过对焊接成品进行性能检测，焊缝的抗拉强度为母材的95％，焊缝弯曲试验过程中无裂纹。

实施例2

本实施例涉及一种高熔点泡沫金属板的焊接方法，该泡沫金属板为泡沫钛板，该泡沫钛板内具有连续、贯穿的孔洞，其厚度为4mm，孔隙率为98％，具体焊接方法包括以下步骤：

将两个待焊泡沫金属板对接放置后装夹固定在夹具基座上，并预留0.5mm的对接间隙；

将300目钛粉焊接辅助材料填充于泡沫金属板对接端头处的孔洞内以及对接间隙内，且粉状焊接辅助材料溢出泡沫金属板对接端的表面；具体地，可以将钛粉焊接辅助材料喷洒在泡沫金属板对接端的表面，由于泡沫金属板具有连续、贯穿的孔洞，钛粉焊接辅助材料会通过孔洞渗入到泡沫金属板的内部，当钛粉焊接辅助材料填满泡沫金属板对接端头处的孔洞时，继续喷洒钛粉焊接辅助材料，此时钛粉焊接辅助材料则溢出泡沫金属板对接端的表面，此时泡沫金属板对接端的表面以及对接间隙处均被钛粉焊接辅助材料覆盖。

使用一个宽度为15mm的压轮沿着对接间隙碾压泡沫金属板对接端的表面以及对接间隙处覆盖的钛粉焊接辅助材料，这样泡沫金属板对接端处也被同时碾压而凹陷，对接端处的孔洞内被填满钛粉焊接辅助材料，泡沫金属板对接端表面覆盖的钛粉焊接辅助材料在凹陷处被碾压形成凸块，泡沫金属板内填充的铜粉焊接辅助材料更密实，使得碾压后的泡沫金属板的空隙率为30％。泡沫金属板对接端的表面以及对接间隙处的粉状焊接辅助材料被碾压后形成宽度为15mm，厚度为0.3mm的“T”字形结构。

沿着对接间隙进行搅拌摩擦焊接，具体地，将焊接工具与碾压后的粉状焊接辅助材料的表面紧密接触，控制焊接工具沿着对接间隙移动，直至焊接完成。需要注意的是，为了避免焊接到没有填充粉状焊接辅助材料的泡沫金属板，焊接工具的直径小于碾压的宽度，两者的宽度之差可以为0.5mm～10mm。优选地，焊接工具呈圆柱形，直径为Φ12mm，即两者的宽度之差为3mm，如图2所示，焊接工具与粉状焊接辅助材料接触的端面结构为内凹结构，内凹结构的端面中心为内凹的最低点，内凹的最低点与水平面的距离为1mm，焊接工具旋转速度为2500rpm，焊接速度为1000mm/min，焊接工具在焊接起始位置停留的时间为3秒，焊接过程中的顶锻力为800kg，焊接工具的轴线与对接间隙的偏移量为0.3mm。最终实现泡沫钛板的焊接。

值得注意的是，焊接工具与高熔点泡沫金属板间的摩擦热量将对接端处的泡沫金属板和粉状焊接辅助材料塑化混合，另外由于焊接工具端面与泡沫金属板间存在粘着摩擦，对接端处的塑化金属在焊接工具的驱动下会发生位置的转移，从而实现高熔点泡沫金属板的连接。

经过观察，焊缝表面无缺陷呈现金属光泽，通过对焊接成品进行性能检测，焊缝的抗拉强度为母材的90％，焊缝弯曲试验过程中无裂纹。

需要说明的是，如图3所示，焊接工具与粉状焊接辅助材料接触的端面还可以为外凸结构，外凸结构的端面中心为外凸的最高点，外凸的最高点与水平面的距离为0.5mm～5mm。本发明对焊接工具与粉状焊接辅助材料接触的端面结构不做限定，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。

此外，本发明涉及到的高熔点泡沫金属板除了实施例1、2中的泡沫镍板、泡沫钛板之外，还可以是泡沫铁板、泡沫不锈钢板等其他高熔点泡沫金属。粉状焊接辅助材料除了实施例1、 2中的铜粉、钛粉之外，还可以是其他颗粒度在100目～600目的泡沫金属板母材粉体或颗粒度在200目～500目的不锈钢粉。

对比例1

如图4所示，本实施例采用带针搅拌头的焊接工具3a直接对高熔点泡沫金属板1进行焊接，焊接工具的旋转速度为500rpm～1200rpm，焊接工具对焊缝的顶锻作用力为150㎏～ 500kg，焊接工具沿着焊缝移动的速度为50mm/min～1500mm/min，其余步骤同实施例1～2。结果发现，由于高熔点泡沫金属板的不连续性，出现了焊接隧道效应，高熔点泡沫金属板未被连接。

对比例2

如图5所示，本实施例在高熔点泡沫金属板1对接间隙处放置0.5mm厚的铝箔4，经碾压后，采用无针搅拌头对高熔点泡沫金属板1进行焊接，焊接工具3的旋转速度为500rpm～ 1200rpm，焊接工具3对焊缝的顶锻作用力为150㎏～500kg，焊接工具3沿着焊缝移动的速度为50mm/min～1500mm/min，其余步骤同实施例1～2。结果发现，铝箔未发生熔化或者塑性变形，焊缝上出现裂纹，高熔点泡沫金属板未被连接。

对比例3

如图6所示，本实施例将两块高熔点泡沫金属板焊缝处相叠加，并在中间放置0.5mm厚的铝箔，经碾压后，采用无针搅拌头对高熔点泡沫金属板进行焊接，焊接工具的旋转速度为 500rpm～1200rpm，焊接工具对焊缝的顶锻作用力为150㎏～500kg，焊接工具沿着焊缝移动的速度为50mm/min～1500mm/min。结果发现，铝箔未发生熔化或者塑性变形，焊缝上出现裂纹，高熔点泡沫金属板未被连接。

综上可知，实施例1、2与对比例1～3的焊接结果对比表如下所示：

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高熔点泡沫金属板的焊接方法，所述泡沫金属板内具有连续、贯穿的孔洞，其特征在于，包括以下步骤：

将两个待焊泡沫金属板对接放置后进行装夹固定，并预留对接间隙；

将粉状焊接辅助材料填充至所述泡沫金属板对接端头处的孔洞内以及所述对接间隙内，且所述粉状焊接辅助材料溢出所述泡沫金属板对接端的表面；

沿着所述对接间隙碾压所述粉状焊接辅助材料及所述泡沫金属板对接端；

沿着所述对接间隙进行搅拌摩擦焊接。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊接的步骤包括：

将焊接工具与碾压后的所述粉状焊接辅助材料的表面紧密接触，控制所述焊接工具沿着所述对接间隙移动，直至焊接完成。

3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接工具的旋转速度为500rpm～5000rpm，所述焊接工具的移动速度为50mm/min～5000mm/min，所述焊接工具的顶锻作用力设置为50㎏～5000kg，所述焊接工具的轴线与对接间隙的偏移量小于5mm。

4.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接工具在焊接起始位置停留的时间为2～20s。

5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，碾压后所述泡沫金属板对接端的空隙率小于60％。

6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述粉状焊接辅助材料选自颗粒度在50目～500目且纯度大于70％的铜粉、颗粒度在100目～600目的泡沫金属板母材粉体或颗粒度在200目～500目的不锈钢粉中的任一种。

7.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接工具为圆柱形，所述焊接工具与所述粉状焊接辅助材料接触的端面为平面结构、内凹结构或外凸结构中的任一种；其中，所述内凹结构的端面中心为内凹的最低点，内凹的最低点与水平面的距离为0.5mm～5mm；所述外凸结构的端面中心为外凸的最高点，外凸的最高点与水平面的距离为0.5mm～5mm。

8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接工具的直径小于碾压的宽度，两者的宽度之差为0.5mm～10mm。

9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述对接间隙的宽度为0.5mm～3mm，碾压后的所述粉状焊接辅助材料的厚度为0.1mm～2mm，宽度为10mm～30mm。

10.一种由权利要求1～9任一项所述的焊接方法焊接得到的金属板。