CN110722260B - 一种界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，涉及一种铝合金扩散连接方法。目的是解决铝合金扩散连接时的合模压力高和模具温度高的问题。本发明方法将铝粉助剂涂覆在扩散界面之间，在压力的作用下，铝粉在两界面之间会产生相对滑动并伴有一定塑性变形，使铝粉颗粒嵌入到铝合金内部，铝粉助剂的加入一方面能够破坏扩散连接界面的氧化膜，增大扩散界面的接触面积，实现较低压力、较低温度下的扩散连接。本发明方法不影响扩散连接后构件的使用性能，扩散连接的合模压力低，模具温度低。本发明适用于铝合金扩散连接。

Description

一种界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金扩散连接方法。
背景技术
近年来新能源汽车快速发展，电动汽车逐渐占据汽车市场，传统燃油汽车的邮箱也被新能源汽车的电池箱所取代，电池组作为电动汽车的动力来源有着极其重要的作用，铝合金电池托盘水冷板作为汽车电池的承载构件有着较高的研究价值，它属于大型中空带水冷系统的铝合金复杂结构件，现有的技术是通过焊接的方法将上下板焊接在一起，这种连接方式的工艺复杂，而且因为焊接后应力的存在使连接的可靠性不高，现有铝合金超塑成型 /扩散连接组合工艺能够提高这种结构的可靠性且工艺简单，能够大大提高产品的生产效率。而且扩散连接技术不仅能够极大地减少零部件和工装数量，缩短了生产制造周期，降低了制造加工成本，而且进一步提高构件的承载能力，减轻了构件质量。
扩散连接技术在材料加工应用领域中一种先进且成熟的连接手段，能够广泛应用于汽车、航空、航天等领域，但是，铝合金的扩散连接难点在于，铝合金表面致密的氧化膜对于扩散连接起到强烈的阻碍作用。传统的铝合金扩散连接方法往往是通过增大合模压力以及提高模具的温度来进行铝合金的扩散连接，现有的铝合金扩散连接时合模压力达到250000～350000KN，模具的温度达到850～1000K，但这样会使构件产生严重的塑性变形，特别是对于一些形状复杂的非平板类构件的扩散连接，会使零件的尺寸精度大大降低。
发明内容
本发明为了解决现有铝合金扩散连接时的合模压力高和模具温度高的问题，提出一种界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法。
本发明界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法按照以下步骤进行：
一、铝合金零件去油和去氧化皮；
二、在铝合金零件的待扩散面喷涂可剥离胶2～4遍，然后在铝合金零件的待扩散面上固定剥离刻板，将剥离刻板上露出的阻焊区的可剥离胶清除，然后取下剥离刻板，在阻焊区上喷涂隔离剂溶液，最后清除剩余可剥离胶；其中，再次喷涂可剥离胶前保证前一遍可剥离胶完全固化；剥离刻板上的扩散连接区域和阻焊区根据实际铝合金扩散连接构件而定；铝合金零件的待扩散面中阻焊区以外区域为扩散连接区。
三、将环氧树脂胶涂覆在铝合金零件的扩散连接区表面；
四、在步骤三环氧树脂胶涂覆完成后的5～30分钟内向环氧树脂胶表面喷涂铝粉助剂；
步骤四所述铝粉助剂铝粉由铝粉和无水乙醇混合而成；
五、将步骤四处理得到的铝合金零件组装成装配件并固定在模具中，进行扩散连接；
步骤五所述扩散连接在热压炉中进行，扩散连接时首先将模具以5～50K/min的升温速率升温至650～750K，到温后施加20000～100000kN的机械压力同时施加1～5MPa的气压，保温保压20～60min。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明方法将铝粉助剂涂覆在扩散界面之间，在压力的作用下，铝粉颗粒在两界面之间会产生相对滑动并伴有一定塑性变形并嵌入到铝合金内部，扩散连接界面的氧化膜被破坏，同时增大扩散界面的有效接触面积，从而改善零件的扩散连接性能，实现较低压力、较低温度下的扩散连接；本发明仅施加了20000～200000kN的机械合模压力，连接温度仅为650～750K，机械合模压力和连接温度与现有的扩散连接相比显著降低，因此构件不存在塑性变形，扩散连接后零件的尺寸精度改善；本发明扩散连接的界面连接强度达到母材的98％以上。
2、本发明在连接界面涂覆的是与待焊件的基体材料相同的铝粉作为扩散助剂，连接后的接头未引入多余种类的元素，接头扩散处的微观组织的基本能与零件基体达到一致，不影响扩散连接后构件的使用性能，并且综合性能得到大幅提升。
附图说明
图1为实施例1中铝合金零件的待扩散面示意图，图中a为扩散连接区，b为待扩散面中的阻焊区；
图2为实施例1中得到的铝合金扩散连接构件扩散界面金相组织照片；
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、铝合金零件去油和去氧化皮；
二、在铝合金零件的待扩散面喷涂可剥离胶2～4遍，然后在铝合金零件的待扩散面上固定剥离刻板，将剥离刻板上露出的阻焊区的可剥离胶清除，然后取下剥离刻板，在阻焊区上喷涂隔离剂溶液，最后清除剩余可剥离胶；
三、将环氧树脂胶涂覆在铝合金零件的扩散连接区表面；
四、在步骤三环氧树脂胶涂覆完成后的5～30分钟内向环氧树脂胶表面喷涂铝粉助剂；
步骤四所述铝粉助剂铝粉由铝粉和无水乙醇混合而成；铝粉的粒径为40～60μm；铝粉和无水乙醇的质量比为(0.5～0.7):1；铝粉助剂中无水乙醇作为喷涂铝粉的载体，能够保证铝粉涂覆的均匀性，而且无水乙醇易挥发能够保证喷涂界面快速干燥。
五、将步骤四处理得到的铝合金零件组装成装配件并固定在模具中，进行扩散连接；
步骤五所述扩散连接在热压炉中进行，扩散连接时首先将模具以5～50K/min的升温速率升温至650～750K，到温后施加20000～100000kN的机械压力同时施加1～5MPa的气压，保温保压20～60min。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式方法将铝粉助剂涂覆在扩散界面之间，在压力的作用下，铝粉颗粒在两界面之间会产生相对滑动并伴有一定塑性变形并嵌入到铝合金内部，扩散连接界面的氧化膜被破坏，同时增大扩散界面的有效接触面积，从而改善零件的扩散连接性能，实现较低压力、较低温度下的扩散连接；本实施方式仅施加了20000～200000kN的机械合模压力，连接温度仅为650～750K，机械合模压力和连接温度与现有的扩散连接相比显著降低，因此构件不存在塑性变形，扩散连接后零件的尺寸精度改善；本实施方式扩散连接的界面连接强度达到母材的98％以上。
2、本实施方式在连接界面涂覆的是与待焊件的基体材料相同的铝粉作为扩散助剂，连接后的接头未引入多余种类的元素，接头扩散处的微观组织的基本能与零件基体达到一致，不影响扩散连接后构件的使用性能，并且综合性能得到大幅提升。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述铝合金零件的去油和去氧化皮是通过超声波酸洗完成；采用的酸洗液为氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，混合溶液中氢氟酸的质量分数为8％～10％，硝酸的质量分数为24％～30％，水为余量。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
与传统酸洗工艺相比，采用超声波酸洗去除表面氧化皮时，超声波的振动作用能更有效的去除铝合金表面致密的氧化膜。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述超声波酸洗时间为 2～3分钟。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二所述隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇混合而成；混合粉末为氮化硼、氧化锆、石墨粉末中的一种或几种任意比例的混合物；隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为25％～30％，水的质量分数为25％～30％，余量为无水乙醇；所述混合粉末的粒径为40～60μm。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。隔离剂中无水乙醇的作用一方面能够使粉末态隔离剂喷涂均匀，另一方面由于无水乙醇的挥发作用能够使喷涂界面快速干燥。本实施方式中隔离剂溶液中混合粉末、水和无水乙醇的配比恰当，能够保证粉末态隔离剂的喷涂均匀。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三所述环氧树脂胶涂覆厚度为0.2～0.5mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述环氧树脂胶由双酚A型环氧树脂和聚酰胺树脂固化剂混合而成；双酚A型环氧树脂和固化剂的质量比为(1～1.1)：1。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。环氧树脂胶的主要作用是粘附铝粉，合模后铝粉不再流动，环氧树脂胶的粘附性在-60～120℃之间，在模具升温后环氧树脂胶失效，并在更高温度下燃烧或气化，不影响后续的扩散连接。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四所述铝粉助剂涂覆厚度为0.1～0.3mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四所述铝粉助剂中铝粉的粒径为40～60μm。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四所述铝粉助剂中铝粉和无水乙醇的质量比为(0.5～0.7):1。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五所述扩散连接结束后将装配件从热压炉中取出，并放置在平整的台面上自然冷却，待模具冷却到 500～550K时将装配件从模具中取出。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法按照以下步骤进行：
一、铝合金零件去油和去氧化皮；
所述铝合金零件的去油和去氧化皮是通过超声波酸洗完成；采用的酸洗液为氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，混合溶液中氢氟酸的质量分数为10％，硝酸的质量分数为26％，水为余量；与传统酸洗工艺相比，采用超声波酸洗去除表面氧化皮时，超声波的振动作用能更有效的去除铝合金表面致密的氧化膜；
所述超声波酸洗时间为3分钟；
二、在铝合金零件的待扩散面喷涂可剥离胶3遍，然后在铝合金零件的待扩散面上固定剥离刻板，将剥离刻板上露出的阻焊区的可剥离胶清除，然后取下剥离刻板，在阻焊区上喷涂隔离剂溶液，最后清除剩余可剥离胶；其中，再次喷涂可剥离胶前保证前一遍可剥离胶完全固化；剥离刻板上的扩散连接区域和阻焊区根据实际铝合金扩散连接构件而定；铝合金零件的待扩散面中阻焊区以外区域为扩散连接区；
步骤二所述隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇混合而成；混合粉末为质量比为 1:1氮化硼和氧化锆的混合物；隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为25％，水的质量分数为25％，余量为无水乙醇(纯度≥99.7％)；所述混合粉末的粒径为40～50μm；隔离剂中无水乙醇的作用一方面能够使粉末态隔离剂喷涂均匀，另一方面由于无水乙醇的挥发作用能够使喷涂界面快速干燥；隔离剂溶液中混合粉末、水和无水乙醇的配比恰当，能够保证粉末态隔离剂的喷涂均匀；
三、将环氧树脂胶涂覆在铝合金零件的扩散连接区表面；
步骤三所述环氧树脂胶涂覆厚度为0.3mm；
步骤三所述环氧树脂胶由双酚A型环氧树脂和聚酰胺树脂固化剂混合而成；双酚A型环氧树脂和固化剂的质量比为1：1；环氧树脂胶的主要作用是粘附铝粉，合模后铝粉不再流动，环氧树脂胶的粘附性在-60～120℃之间，在模具升温后环氧树脂胶失效，并在更高温度下燃烧或气化，不影响后续的扩散连接；
四、在步骤三环氧树脂胶涂覆完成后的20分钟内向环氧树脂胶表面喷涂铝粉助剂；
步骤四所述铝粉助剂涂覆厚度为0.2mm；
步骤四所述铝粉助剂铝粉由铝粉和无水乙醇(纯度≥99.7％)混合而成；铝粉的粒径为40～50μm；铝粉和无水乙醇的质量比为0.5:1；
铝粉助剂中无水乙醇作为喷涂铝粉的载体，能够保证铝粉涂覆的均匀性，而且无水乙醇易挥发能够保证喷涂界面快速干燥；
五、将步骤四处理得到的铝合金零件组装成装配件并固定在模具中，进行扩散连接；
步骤五所述扩散连接在热压炉中进行，扩散连接时首先将模具以20K/min的升温速率升温至750K，到温后施加60000kN的机械压力同时施加3MPa的气压，保温保压60min；
步骤五所述扩散连接结束后将装配件从热压炉中取出，并放置在平整的台面上自然冷却，待模具冷却到270℃时将装配件从模具中取出。
图1为实施例1中铝合金零件的待扩散面示意图，图中a为扩散连接区，b为待扩散面中的阻焊区；图2为实施例1中得到的铝合金扩散连接构件中扩散界面金相组织照片；图2能够看出，铝合金扩散连接构件中扩散连接区的扩散连接界面无明显缝隙，扩散连接区中的晶粒状态与周围原始未扩散区一致。并且经力学性能测试，对试验1得到的铝合金扩散连接构件的界面连接强度达到母材的98.5％。
实施例2：
本实施例界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法按照以下步骤进行：
一、铝合金零件去油和去氧化皮；
所述铝合金零件的去油和去氧化皮是通过超声波酸洗完成；采用的酸洗液为氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，混合溶液中氢氟酸的质量分数为10％，硝酸的质量分数为26％，水为余量；所述超声波酸洗时间为3分钟；
二、在铝合金零件的待扩散面喷涂可剥离胶3遍，然后在铝合金零件的待扩散面上固定剥离刻板，将剥离刻板上露出的阻焊区的可剥离胶清除，然后取下剥离刻板，在阻焊区上喷涂隔离剂溶液，最后清除剩余可剥离胶；
步骤二所述隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇混合而成；混合粉末为质量比为 1:1氮化硼和氧化锆的混合物；隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为25％，水的质量分数为25％，余量为无水乙醇(纯度≥99.7％)；
所述混合粉末的粒径为40～50μm；
三、将环氧树脂胶涂覆在铝合金零件的扩散连接区表面；
步骤三所述环氧树脂胶涂覆厚度为0.3mm；
步骤三所述环氧树脂胶由双酚A型环氧树脂和聚酰胺树脂固化剂混合而成；双酚A型环氧树脂和固化剂的质量比为1：1；
四、在步骤三环氧树脂胶涂覆完成后的20分钟内向环氧树脂胶表面喷涂铝粉助剂；
步骤四所述铝粉助剂涂覆厚度为0.2mm；
步骤四所述铝粉助剂铝粉由铝粉和无水乙醇(纯度≥99.7％)混合而成；铝粉的粒径为40～50μm；铝粉和无水乙醇的质量比为0.5:1；
五、将步骤四处理得到的铝合金零件组装成装配件并固定在模具中，进行扩散连接；
步骤五所述扩散连接在热压炉中进行，扩散连接时首先将模具以20K/min的升温速率升温至750K，到温后施加80000kN的机械压力同时施加3MPa的气压，保温保压60min；
步骤五所述扩散连接结束后将装配件从热压炉中取出，并放置在平整的台面上自然冷却，待模具冷却到270℃时将装配件从模具中取出。
对实施例2得到的铝合金扩散连接构件进行扩散界面金相组织检验，检验结果显示，扩散连接区的扩散连接界面无明显缝隙，扩散连接区中的晶粒状态与周围原始未扩散区一致。并且经力学性能测试，对试验2得到的铝合金扩散连接构件的界面连接强度达到母材的99％。

Claims (10)

1.一种界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、铝合金零件去油和去氧化皮；
二、在铝合金零件的待扩散面喷涂可剥离胶2~4遍，然后在铝合金零件的待扩散面上固定剥离刻板，将剥离刻板上露出的阻焊区的可剥离胶清除，然后取下剥离刻板，在阻焊区上喷涂隔离剂溶液，最后清除剩余可剥离胶；
三、将环氧树脂胶涂覆在铝合金零件的扩散连接区表面；
四、在步骤三环氧树脂胶涂覆完成后的5~30分钟内向环氧树脂胶表面喷涂铝粉助剂；
所述铝粉助剂由铝粉和无水乙醇混合而成；
五、将步骤四处理得到的铝合金零件组装成装配件并固定在模具中，进行扩散连接；
步骤五所述扩散连接在热压炉中进行，扩散连接时首先将模具以5~50K/min的升温速率升温至650~750K，到温后施加20000~100000kN的机械压力同时施加1~5MPa的气压，保温保压20~60min。
2.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤一所述铝合金零件的去油和去氧化皮是通过超声波酸洗完成；采用的酸洗液为氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，混合溶液中氢氟酸的质量分数为8%~10%，硝酸的质量分数为24%~30%，水为余量。
3.根据权利要求2所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：所述超声波酸洗时间为2~3分钟。
4.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤二所述隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇混合而成；混合粉末为氮化硼、氧化锆、石墨粉末中的一种或几种任意比例的混合物；隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为25%~30%，水的质量分数为25%~30%，余量为无水乙醇；所述混合粉末的粒径为40~60μm。
5.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤三所述环氧树脂胶涂覆厚度为0.2~0.5mm。
6.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤三所述环氧树脂胶由双酚A型环氧树脂和聚酰胺树脂固化剂混合而成；双酚A型环氧树脂和聚酰胺树脂固化剂的质量比为（1~1.1）：1。
7.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤四所述铝粉助剂涂覆厚度为0.1~0.3mm。
8.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤四所述铝粉助剂中铝粉的粒径为40~60μm。
9.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤四所述铝粉助剂中铝粉和无水乙醇的质量比为（0.5~0.7）:1。
10.根据权利要求1所述的界面喷涂铝粉助剂的铝合金扩散连接方法，其特征在于：步骤五所述扩散连接结束后将装配件从热压炉中取出，并放置在平整的台面上自然冷却，待模具冷却到500~550K时将装配件从模具中取出。
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