CN111390422B - 一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构及连接方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于焊接技术领域，一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构及连接方法。第一金属结构和第二金属结构焊接时产生的熔池位于第一金属结构和第三金属结构围成的空间内，第三金属结构对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构的熔点大于第二金属结构的熔点，且第一金属结构和第二金属结构的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构的熔点大于第二金属结构的熔点。本发明通过在熔点差异大的金属结构复合成型的过程中使用具有高效率导热和散热的金属结构对产生的熔池散热，延长了金属达到挥发点的时间，避免复合后的异种金属出现表面凹陷。

Description

一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构及连接方法
技术领域
本申请属于焊接技术领域，具体涉及一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构及连接方法。
背景技术
现代化动力机械、化工、石油和航空航天领域对材料提出了极高的要求，单独使用任何一种先进材料都不可能同时满足其所有要求，而且会显著提高构件的成本，为此在现代化国民经济的各部门中，将不可避免的会遇到异种金属焊接构件。
异种金属焊接是解决构件同时满足多方面性能要求的有效途径，若要获得满意的异种金属焊接接头，在一定的焊接工艺条件下，主要取决于两种金属的物理化学性能和焊接冶金性能。异种材料的连接通常有钎焊、压力焊和熔化焊，其中钎焊和压力焊方法，在一些不允许整体加热、最后工序限制等精密、特殊结构连接应用中存在一定局限性。但是采用熔化焊接时，两种母材都需熔化，若两者熔化温度接近 (相差100℃以内)，通常的焊接方法和工艺都能顺利进行。但是如若两种材料的熔化温度相差很大时，就会因它们熔化不同步，低熔点金属过早熔化而发生强挥发和流淌，焊缝出现正面凹陷、下榻及飞溅等焊接缺陷，会破坏构件的几何型面；或者与高熔点金属产生未熔合；同时熔点高的金属凝固和收缩时，会使处于部分凝固和薄弱状态的低熔点金属产生应力，导致裂纹，(例如铝合金和钢、铝合金与钛合金、锡合金和钢等的焊接)。影响异种材料结构的力学性能、密封性能，进而影响到结构的使用质量。因此能够获得几净成形、冶金结合良好的电子束焊接方法对于熔点差异大的异材复合构件在上述领域中的应用具有极大的推动意义。
现有技术中也有针对异种金属连接的方法，如专利号： CN201710017274.5，申请日为20170111，名称为一种异种金属的扩散焊接方法的发明专利，该专利采用专门设计的外限位工装和内撑工装对装配好的异种金属待焊接件进行焊接过程中热膨胀约束，使得径向焊接面获得足够且均匀的焊接压力，为异种金属扩散焊接提供可靠的焊接保障，该发明提成了膨胀约束加压的理念进行异种金属界面径向加压，借助内外侧限位工装施加的轴向压力约束待焊件的轴向膨胀，使膨胀压力有效的施加到异种金属焊接界面上，获得接头性能和密封性优良的异种金属焊接件，且整个焊接界面的焊合情况良好，焊接界面存在明显的浓度梯度，符合扩散特征。但是上述专利应用于扩散连接技术中，通过热膨胀产生的压力实现异种金属之间的固相连接，仅能达到对焊接过程中产生的膨胀进行约束，并不能达到防止异种金属熔点差异大于100℃时焊接时产生的金属的挥发，也不能在金属熔化连接中实现对低熔点液态金属的约束成形。
发明内容
为了克服现有技术中的上述问题，现在提出一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构及连接方法。本发明通过在熔点差异大的金属结构复合成型的过程中使用具有高效率导热和散热的金属结构对产生的熔池散热，延长了金属达到挥发点的时间，避免复合后的异种金属出现表面凹陷。
为实现上述技术目的，提出如下技术方案：
一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，在第二金属结构的相对两侧分别设置第一金属结构和第三金属结构，第一金属结构和第二金属结构焊接时产生的熔池位于第一金属结构和第三金属结构围成的空间内，第三金属结构对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构的熔点大于第二金属结构的熔点，且第一金属结构和第二金属结构的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构的熔点大于第二金属结构的熔点。
所述第二金属结构装配在第一金属结构内，所述第三金属结构装配在第二金属结构内；第二金属结构的外径与第一金属结构的内径相适配，第二金属结构的内径与第三金属结构外径相适配。
所述第一金属结构设置有阶梯孔，所述阶梯孔包括第一阶梯孔和第二阶梯孔，第一阶梯孔的孔径大于第二阶梯孔的孔径；所述第二金属结构装配在第一阶梯孔内，所述第二金属结构截面为U形结构；所述第三金属结构装配在第二金属结构内，第三金属结构为环状结构。
装配第二金属结构时，使第二金属结构超出第一阶梯孔的高度 0.2-1mm。
所述第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构均为板状结构，所述第二金属结构设置在第一金属结构和第三金属结构之间。
所述第一金属结构设置有镀层。
一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，其特征在于：使用电子束对第一金属结构与第二金属结构进行焊接。
电子束在第一金属结构上方垂直入射。
电子束落在第一金属结构上的焦点到第一金属与第二金属接触面形成的焊缝的距离通过异种金属的熔点和导热能力进行调整。
一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，其特征在于：所述电子束(4)的参数控制为：加速电压(U)为60kV—100kV，聚焦电流(If)＝10mA～40mA，焊接线速度(V)为500mm/min～2000mm/min，电子束(4)流(Ib)根据金属熔点调整，电子束(4)扫描频率(f) 为50Hz～20000Hz，电子束(4)扫描幅值(Vx、Vy)为Vx＝Vy＝0.25mm～ 0.5mm。
所述电子束扫描图形包括圆形(○)、无穷形(∞)或直线形(－)。
焊接在真空环境进行，真空环境的参数控制为：1×10-4mbar～2 ×10-4mba。
采用本技术方案，带来的有益效果为：
1、本发明第三金属结构对熔池具有散热和约束作用，解决了熔点差异大的异种金属复合成型的焊接过程中，第二金属结构挥发和熔池流淌导致的凹陷、下榻等缺陷。
2、本发明充分利用电子束可达性良好，能量密度集中等优势，实现异种金属焊接件的小变形、高精度、密封连接。本发明具有方法简单、操作方便、焊接速度快等优点，适用于各种熔点差异较大的电子束可达结构，对异种金属的连接具有积极的意义，因此本发明有着广阔的工程应用前景和市场前景。
3、本发明能够适宜熔点差异巨大的异种金属结构的连接，通过具有第三金属结构的散热和控制低熔点金属熔池流动，避免了第二金属结构的熔池挥发和流动；同时还可以通过对电子束束斑的位置和形貌实现精确控制，来控制传到第二金属结构上的温度，达到避免第二金属结构熔池挥发。
4、本发明中在第一金属结构上设置的镀层，能够避免异种金属不相溶时，促进异种金属结合。
5、本发明焊接后的异种金属表面光亮，成形良好；并且具有方法简单、操作方便、电子束可达性良好、焊接变形小、焊件精度高、接头性能和密封性良好等优点；适用于熔点差异巨大的异种金属的焊接。
附图说明
图1为本发明实施例2装配设计示意图；
图2位本发明实施例2焊接示意图；
图3为本发明实施例3的装 配设计示意图；
图4为本发明实施例4的示意图；
附图中：1、第一金属结构，2、第二金属结构，3、第三金属结构，4、电子束。
具体实施方式
下面通过对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，在第二金属结构的相对两侧分别设置第一金属结构1和第三金属结构3，第一金属结构 1和第二金属结构2焊接时产生的熔池位于第一金属结构1和第三金属结构3围成的空间内，第三金属结构3对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构1的熔点大于第二金属结构2的熔点，且第一金属结构1和第二金属结构2的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构3由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构3 的熔点大于第二金属结构2的熔点。
其中具有强散热第三金属结构3在焊接过程中，对第二金属结构 2进行散热，避免第二金属结构2熔化后的熔池达到挥发温度，达到避免第二金属结构2挥发的目的，同时也对第二金属结构2的熔池进行约束，避免熔池流淌。
该第三金属结构3可采用铝合金、铜或铜合金等。
所述第一金属结构1设置有镀层。
实施例2
一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，在第二金属结构2 的相对两侧分别设置第一金属结构1和第三金属结构3，第一金属结构1和第二金属结构2焊接时产生的熔池位于第一金属结构1和第三金属结构3围成的空间内，第三金属结构3对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构1的熔点大于第二金属结构2的熔点，且第一金属结构1和第二金属结构2的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构3由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构 3的熔点大于第二金属结构2的熔点。
其中具有强散热第三金属结构3在焊接过程中，对第二金属结构 2进行和散热，避免第二金属结构2熔化后的熔池达到挥发温度，达到避免第二金属结构2挥发的目的，同时也对第二金属结构2的熔池进行约束，避免熔池流淌。
该第三金属结构3可采用铝合金、铜或铜合金等。
所述第二金属结构2装配在第一金属结构1内，所述第三金属结构3装配在第二金属结构2内；第二金属结构2的外径与第一金属结构1的内径相适配，第二金属结构2的内径与第三金属结构3外径相适配。
所述第一金属结构1设置有阶梯孔，所述阶梯孔包括第一阶梯孔和第二阶梯孔，第一阶梯孔的孔径大于第二阶梯孔的孔径；所述第二金属结构2装配在第一阶梯孔内，所述第二金属结构2截面为U形结构；所述第三金属结构3装配在第二金属结构2内，第三金属结构3为环状结构。
装配第二金属结构2时，使第二金属结构2超出第一阶梯孔的高度0.2-1mm。
所述第一金属结构1设置有镀层。
实施例3
一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，在第二金属结构2 的相对两侧分别设置第一金属结构1和第三金属结构3，第一金属结构1和第二金属结构2焊接时产生的熔池位于第一金属结构1和第三金属结构3围成的空间内，第三金属结构3对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构1的熔点大于第二金属结构2的熔点，且第一金属结构1和第二金属结构2的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构3由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构 3的熔点大于第二金属结构2的熔点。
其中具有强散热第三金属结构3在焊接过程中，对第二金属结构 2进行和散热，避免第二金属结构2熔化后的熔池达到挥发温度，达到避免第二金属结构2挥发的目的，同时也对第二金属结构2的熔池进行约束，避免熔池流淌。
该第三金属结构3可采用铝合金、铜或铜合金等。
所述第一金属结构1、第二金属结构2和第三金属结构3均为板状结构，所述第二金属结构2设置在第一金属结构1和第三金属结构 3之间。
实施例4
一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，在第二金属结构2 的相对两侧分别设置第一金属结构1和第三金属结构3，第一金属结构1和第二金属结构2焊接时产生的熔池位于第一金属结构1和第三金属结构3围成的空间内，第三金属结构3对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构1的熔点大于第二金属结构2的熔点，且第一金属结构1和第二金属结构2的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构3由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构 3的熔点大于第二金属结构2的熔点。
所述第二金属结构2装配在第一金属结构1内，所述第三金属结构3装配在第二金属结构2内；第二金属结构2的外径与第一金属结构1的内径相适配，第二金属结构2的内径与第三金属结构3外径相适配。
所述第一金属结构1设置有阶梯孔，所述阶梯孔包括第一阶梯孔和第二阶梯孔，第一阶梯孔的孔径大于第二阶梯孔的孔径；所述第二金属结构2装配在第一阶梯孔内，所述第二金属结构2截面为U形结构；所述第三金属结构3装配在第二金属结构2内，第三金属结构3为环状结构。
装配第二金属结构2时，使第二金属结构2超出第一阶梯孔的高度0.2-1mm。
所述第一金属结构1、第二金属结构2和第三金属结构3均为板状结构，所述第二金属结构2设置在第一金属结构1和第三金属结构 3之间。
所述第一金属结构1设置有镀层。
一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，使用电子束4对第一金属结构1与第二金属结构2进行焊接。
电子束4在第一金属结构1上方垂直入射。
电子束4落在第一金属结构1上的焦点到第一金属与第二金属接触面形成的焊缝的距离通过异种金属的熔点和导热能力进行调整。
所述电子束4的参数控制为：加速电压(U)为60kV—100kV，聚焦电流(If)＝10mA～40mA，焊接线速度(V)为500mm/min～ 2000mm/min，电子束流(Ib)根据金属熔点调整，电子束4扫描频率 (f)为50Hz～20000Hz，电子束4扫描幅值(Vx、Vy)为Vx＝Vy＝0.25mm～0.5mm。
其中加速电压可以为60kV、80kV和100kV，也可根据实际情况进行调整；相应的聚焦电流可以为If10mA、20mA、30mA和40mA，通过聚焦电流来实现散焦，焊接线速度(V)为500mm/min、1000mm/min、 1500mm/min和2000mm/min，电子束4扫描频率(f)为50Hz、10000Hz和20000Hz，电子束4扫描幅值(Vx、Vy)为Vx＝Vy＝0.25mm、 Vx＝Vy＝0.35mm和Vx＝Vy＝0.5mm，均可根据实际情况调整。
电子束4流(Ib)通过金属熔点调整。电子束4流(Ib)为3mA —10mA，金属熔点越高，焊接深度要求越大，电子束4流增加。
所述电子束4扫描图形包括圆形(○)、无穷形(∞)或直线形 (－)。
焊接在真空环境进行，真空环境的参数控制为：1×10-4mbar～2 ×10-4mba。
如图4所示：
L1表示未使用第三金属结构3焊接时，第二金属结构2达到挥发温度的时间，L2表示使用第三金属结构3焊接时，由于第三金属结构3具有导热和散热的性能，能够将第二金属结构2的热传导并散出，使第二金属结构2达到挥发温度的时间变长，减少挥发量，避免熔池凝固产生凹陷。
实施例5
如图1～图2所示，第一金属结构1的材料为钢，第二金属结构 2的材料为锡银铜合金，两者熔点差异大于1000℃，第三金属结构3 的材料为铝合金。
第一金属结构1和第二金属结构2装配间隙为0.02-0.05mm，第二金属结构2高度增加Δh＝1mm，第三金属结构3根据第二金属结构2的内表面配车，之后配装。
焊前对第一金属结构1和第二金属结构2表面进行彻底清洗，先使用百洁布去除表面氧化膜等污物，之后用用丙酮、乙醇等清洗表面去除油污。
将装配好的第一金属结构1和第二金属结构2置于清洁(最好是真空)的干燥柜中进行充分干燥，尽量彻底去除待焊表面吸附的水分，等待焊接。
清洗完毕后，应尽快将干燥后的待复合件第一金属结构1和第二金属结构2置于真空室内，待真空度达到1×10-4mbar时，即可进行点焊固定，点焊时采用小束流、低电压，电子束4斑点落在第一金属结构1一侧，对称点固。
正式焊接时加速电压(U)为80KV，焦点位于焊接件表面之上，通过增加聚焦电流If＝20mA来实现散焦；电子束4流垂直于待焊件表面，并向第一金属结构1一侧偏移(de＝0.2mm)，如图2所示；电子束4束斑应全部落在第一金属结构1一侧，通过热传导熔化第二金属结构2；焊接线速度(V)为700mm/min，电子束4流(Ib)为4mA，电子束4扫描图形可以为无穷形状(∞)，电子束4扫描频率(f)为 1000Hz，电子束4扫描幅值(Vx)为0.3、(Vy)为0.25，焊接完成后在真空室中冷却5min以上，打开真空室，取出焊接构件。
焊接结果表明，结合面成型良好，未见有气孔和裂纹，变形量小，焊缝正面无凹陷，接头气密性达到10-6Pa·m3/s。
本发明由于采用上述方法，解决了锡银铜合金与钢异种金属组合在电子束4熔化焊接时容易产生塌陷、飞溅、裂纹而无法实现密封连接的瓶颈问题，具有方法简单、操作方便、焊接变形小、接头密封性能好等优点。本发明适用于各种电子束4可达结构的熔点差异巨大的异种金属组合的连接。
本发明由于采用上述方法，解决了锡银铜合金与钢异种金属组合在电子束4熔化焊接时容易产生塌陷、飞溅、裂纹而无法实现密封连接的瓶颈问题，具有方法简单、操作方便、焊接变形小、接头密封性能好等优点。本发明适用于各种电子束4可达结构的熔点差异巨大的异种金属组合的。

Claims (9)

1.一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，其特征在于：在第二金属结构(2)的相对两侧分别设置第一金属结构(1)和第三金属结构(3)，第一金属结构(1)和第二金属结构(2)焊接时产生的熔池位于第一金属结构(1)和第三金属结构(3)围成的空间内，第三金属结构(3)对产生的熔池进行约束和散热；所述第一金属结构(1)的熔点大于第二金属结构(2)的熔点，且第一金属结构(1)和第二金属结构(2)的熔点差异大于100℃；所述第三金属结构(3)由具有高效率导热散热的金属材料制成，同时第三金属结构(3)的熔点大于第二金属结构(2)的熔点；所述第二金属结构(2)装配在第一金属结构(1)内，所述第三金属结构(3)装配在第二金属结构(2)内；第二金属结构(2)的外径与第一金属结构(1)的内径相适配，第二金属结构(2)的内径与第三金属结构(3)外径相适配。
2.如权利要求1所述的一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，其特征在于：所述第一金属结构(1)设置有阶梯孔，所述阶梯孔包括第一阶梯孔和第二阶梯孔，第一阶梯孔的孔径大于第二阶梯孔的孔径；所述第二金属结构(2)装配在第一阶梯孔内，所述第二金属结构(2)截面为U形结构；所述第三金属结构(3)装配在第二金属结构(2)内，第三金属结构(3)为环状结构。
3.如权利要求2所述的一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，其特征在于：装配第二金属结构(2)时，使第二金属结构(2)超出第一阶梯孔的高度0.2-1mm。
4.如权利要求1所述的一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，其特征在于：所述第一金属结构(1)、第二金属结构(2)和第三金属结构(3)均为板状结构，所述第二金属结构(2)设置在第一金属结构(1)和第三金属结构(3)之间。
5.根据权利要求1所述的一种熔点差异大的异种金属复合的装配结构，其特征在于：所述第一金属结构(1)设置有镀层。
6.基于权利要求1-5中任意一项装配结构的一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，其特征在于：使用电子束(4)对第一金属结构(1)与第二金属结构(2)进行焊接。
7.根据权利要求6所述的一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，其特征在于：电子束(4)在第一金属结构(1)上方垂直入射。
8.根据权利要求6所述的一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，其特征在于：电子束(4)落在第一金属结构(1)上的焦点到第一金属与第二金属接触面形成的焊缝的距离通过异种金属的熔点和导热能力进行调整。
9.根据权利要求6所述的一种熔点差异大的异种金属复合的连接方法，其特征在于：所述电子束(4)的参数控制为：加速电压(U)为60kV—100kV，聚焦电流(If)＝10mA～40mA，焊接线速度(V)为500mm/min～2000mm/min，电子束(4)流(Ib)根据金属熔点调整，电子束(4)扫描频率(f)为50Hz～20000Hz，电子束(4)扫描幅值(Vx、Vy)为Vx＝Vy＝0.25mm～0.5mm。
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