CN111468815B - 一种无中间层的铝合金扩散连接方法 - Google Patents

一种无中间层的铝合金扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无中间层的铝合金扩散连接方法，在铝合金待焊表面涂覆一层活化保护剂并结合梯度加压方法进行扩散连接。涂覆的含镁活化保护剂在焊接过程中完全挥发，焊接面无残留。采用梯度加压方式，在高温区间利用镁蒸气和较低预应力实现氧化膜破碎，再降低焊接温度提高焊接压力，利用低温区间变形控制优势实现铝合金高强高精度直接扩散连接。本发明解决了铝合金直接扩散连接焊缝强度低、焊接变形严重等问题，较镀覆中间层扩散焊方式更简单高效，强度优于普通钎焊，尤其适用于带微小尺寸流道和对耐蚀性要求较高的冷板类产品。

Description

一种无中间层的铝合金扩散连接方法
技术领域
本发明涉及一种直接扩散连接铝合金材料的方法，属于焊接技术领域。
背景技术
随着航天航空工业的发展，结构对轻量化和功能性提出了更高的要求。用传统的钎焊方式获得的铝合金构件存在钎料易堵塞、溶蚀等问题，而用瞬时液相扩散焊方法获得的铝合金接头也存在连接强度低，界面金属间化合物脆性倾向大等问题。采用不加过渡层的铝合金直接扩散连接，不仅可以降低中间层带来的脆性化合物问题，耐蚀性也能得到显著提高，在航天航空、机械、化工、电力、核工业等行业都有广泛应用。
目前铝合金扩散连接多采用中间层的方法，利用中间层与铝合金之间形成的液相在高温高压下扩散凝固，其中中间层与铝合金一般发生共晶反应，形成低熔点共晶液相反应层，实现界面结合。但这种瞬时液相扩散连接目前存在的主要问题是接头结合强度较低。由于采用异种材料作为中间层，极易造成接头界面处形成金属间化合物，增大了脆性倾向，对接头性能有很大影响。由于铝合金表面形成的致密氧化膜非常稳定，真空焊接过程中非常难去除，没有中间层的前提下，即使通过加压变形也难以完全去除，阻碍了界面原子间相互扩散，形成的接头强度非常低。虽然可以通过提高焊接压力的方式增大焊缝强度，但也导致了构件焊接精度变差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种无中间层的铝合金扩散连接方法，在铝合金待焊表面涂覆一层活化保护剂并结合梯度加压方法进行扩散连接，实现铝合金高强高精度直接扩散连接。
本发明解决技术的方案是：
一种无中间层的铝合金扩散连接方法，该方法的步骤包括：
S1、在铝合金两个待焊表面处理清洗后立即均匀涂覆一层活化保护剂，所述活化保护剂由纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备；
S2、将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配对齐并放入上下模具中，进行型面定位和预夹紧，再整体放入真空炉内；
S3、对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以10～15℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至570～580℃时保温10～20min，通过炉体上压头对待焊表面施加0.1～0.5MPa的预压力，保温10～30min后降温，待温度降至500～540℃时继续保温，将压力升高至1～3MPa，保压1～5h进行等温扩散焊，使待焊面发生扩散连接；
S4、扩散焊保压时间结束后，随炉冷却至300～400℃时抬起上压头卸载压力，温度降至室温后取出工件。
优选的，S1中，铝合金两个待焊表面处理清洗方法为：经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra0.8～3.2的表面，再用喷砂方式处理表面，形成均匀细小的微米级凹坑，经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。
优选的，S1中，活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分比为2～5％，其余为二乙二醇二甲醚，按比例混合均匀制备活化保护剂，混合过程在氮气氛围操作箱中进行。
优选的，活化保护剂中纯镁粉颗粒度为30～80μm。经酸洗、水洗和真空干燥，氧含量低于100mg/kg后用于制备活化保护剂。
优选的，纯镁粉经酸洗、水洗和真空干燥，氧含量低于100mg/kg后用于制备活化保护剂。
优选的，制备的活化保护剂应于24h内使用防止氧化失效。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明活化保护剂起到保护清洗后的待焊面不被进一步氧化、去除有害气体和活化待焊表面的作用；采用梯度加压方式，在570～580℃高温区间采用0.1～0.5MPa较低焊接压力即可实现破碎氧化膜作用，提高界面结合质量，再降低焊接温度至500～540℃，提高焊接压力至1～3MPa，利用低温区间变形控制优势实现铝合金高强高精度直接扩散连接；利用喷砂处理在表面形成均匀细小的微米级凹坑，有利于保护剂的留存，并且增加了氧化膜的变形破碎程度，有益于新界面的形成和焊合率的提高；
(2)本发明使用的活化保护剂由二乙二醇二甲醚和镁粉组成，其中二乙二醇二甲醚可防止从装配前到升温后的过程中铝合金表面进一步氧化；镁粉在加热过程中起到支撑待焊面的作用，有利于有害气体的排出；当加热到570℃左右时镁开始挥发，在待焊面之间形成高浓度镁蒸气，去除有害水汽；镁活性大于铝，置换出氧化铝膜层中的铝，在膜层下方形成金属液膜，在该条件下辅助施加较小压力(0.1～0.5MPa)就能起到破除氧化膜，露出新界面的作用；活化保护剂中两种成分在焊接过程中都能完全挥发，焊接面无任何残留；由于采用了镁蒸气局部挥发方式，较外置镁块减少了镁蒸气的过度挥发对炉体的损害；
(3)本发明避免了铝合金使用中间层扩散连接导致的焊缝腐蚀和效率偏低问题，同时又避免了铝合金直接扩散连接焊合率偏低、焊缝强度不高，为提高焊合率和焊缝强度增大焊接压力又会导致焊接精度下降等问题，满足了无中间层条件下铝合金直接扩散连接高焊合率、高焊缝强度和高焊接精度的性能要求；焊合率和焊缝强度的提高有助于扩展焊缝使用条件，改善焊缝服役可靠性；焊接精度的提高满足了高精密构件型腔的尺寸精度控制要求，极大扩展了该技术的应用领域；
(4)本发明解决了铝合金直接扩散连接焊缝强度低、焊接变形严重等问题，较镀覆中间层扩散焊方式更简单高效，焊缝致密，强度优于普通钎焊，尤其适用于带微小尺寸槽道和对耐蚀性要求较高的波导和冷板类产品。
附图说明
图1为本发明一种无中间层的铝合金扩散连接方法示意图，其中1为铝合金，2为二乙二醇二甲醚，3为镁粉，4为模具；
图2为本发明实施例的扩散连接方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种无中间层的铝合金扩散连接方法，如图1和2所示，所述铝合金扩散连接方法包括步骤：
步骤101：制备活化保护剂；
步骤102：待焊表面处理，涂覆保护剂；
步骤103：装配后置于模具4中入炉升温，采用梯度加压完成扩散连接。
具体可以是：在铝合金1两个待焊表面处理清洗后立即均匀涂覆一层活化保护剂，所述活化保护剂由纯镁粉3和二乙二醇二甲醚2混合制备；将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配对齐并放入上下模具4中，起到型面定位和预夹紧作用，再整体放入真空炉内；对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以10～15℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至570～580℃时保温10～20min，通过炉体上压头对待焊表面施加0.1～0.5MPa的预压力，保温10～30min后降温，待温度降至500～540℃时继续保温，将压力升高至1～3MPa，保压1～5h进行等温扩散焊；扩散焊保压时间结束后，随炉冷却至300～400℃时抬起上压头卸载压力，温度降至室温后取出工件。
根据本发明的一个实施例，所述铝合金两个待焊表面处理清洗方法为：经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra0.8～3.2的表面，再用喷砂方式处理表面，形成均匀细小的微米级凹坑，经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。
根据本发明的一个实施例，所述活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分百为2～5％，其余为二乙二醇二甲醚，按比例混合均匀制备所述活化保护剂，混合过程在氮气氛围操作箱中进行。
根据本发明的一个实施例，所述活化保护剂中纯镁粉颗粒度为30～80μm，经酸洗、水洗和真空干燥，氧含量低于100mg/kg后用于制备活化保护剂，制备的活化保护剂应于24h内使用防止氧化失效。
实施例1
在铝合金待焊表面经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra0.8的表面，用喷砂方式在表面形成均匀细小的微米级凹坑，再经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。处理清洗后立即涂覆一层活化保护剂。活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分百为2％，其余为二乙二醇二甲醚，活化保护剂中纯镁粉颗粒度为30μm，按比例混合均匀制备所述活化保护剂。将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配好并放入上下模具中，整体放入真空炉内。对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以10℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至570℃时保温10min，对待焊表面施加0.1MPa的预压力，保温10min后降温，待温度降至500℃时继续保温，将压力升高至1MPa，保压1h进行扩散连接。扩散焊结束后，随炉冷却至300℃时卸载压力，温度降至室温后取出工件。
实施例2
在铝合金待焊表面经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra0.8的表面，用喷砂方式在表面形成均匀细小的微米级凹坑，再经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。处理清洗后立即涂覆一层活化保护剂。活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分百为3％，其余为二乙二醇二甲醚，活化保护剂中纯镁粉颗粒度为40μm，按比例混合均匀制备所述活化保护剂。将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配好并放入上下模具中，整体放入真空炉内。对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以10℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至570℃时保温12min，对待焊表面施加0.2MPa的预压力，保温15min后降温，待温度降至510℃时继续保温，将压力升高至1.5MPa，保压2h进行扩散连接。扩散焊结束后，随炉冷却至325℃时卸载压力，温度降至室温后取出工件。
实施例3
在铝合金待焊表面经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra1.6的表面，用喷砂方式在表面形成均匀细小的微米级凹坑，再经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。处理清洗后立即涂覆一层活化保护剂。活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分百为4％，其余为二乙二醇二甲醚，活化保护剂中纯镁粉颗粒度为50μm，按比例混合均匀制备所述活化保护剂。将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配好并放入上下模具中，整体放入真空炉内。对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以12℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至575℃时保温15min，对待焊表面施加0.3MPa的预压力，保温20min后降温，待温度降至520℃时继续保温，将压力升高至2MPa，保压3h进行扩散连接。扩散焊结束后，随炉冷却至350℃时卸载压力，温度降至室温后取出工件。
实施例4
在铝合金待焊表面经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra1.6的表面，用喷砂方式在表面形成均匀细小的微米级凹坑，再经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。处理清洗后立即涂覆一层活化保护剂。活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分百为5％，其余为二乙二醇二甲醚，活化保护剂中纯镁粉颗粒度为60μm，按比例混合均匀制备所述活化保护剂。将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配好并放入上下模具中，整体放入真空炉内。对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以12℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至575℃时保温18min，对待焊表面施加0.4MPa的预压力，保温25min后降温，待温度降至530℃时继续保温，将压力升高至2.5MPa，保压4h进行扩散连接。扩散焊结束后，随炉冷却至375℃时卸载压力，温度降至室温后取出工件。
实施例5
在铝合金待焊表面经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra3.2的表面，用喷砂方式在表面形成均匀细小的微米级凹坑，再经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质。处理清洗后立即涂覆一层活化保护剂。活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分百为5％，其余为二乙二醇二甲醚，活化保护剂中纯镁粉颗粒度为80μm，按比例混合均匀制备所述活化保护剂。将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配好并放入上下模具中，整体放入真空炉内。对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以15℃/min的加热速率对炉内进行升温，当温度升至580℃时保温20min，对待焊表面施加0.5MPa的预压力，保温30min后降温，待温度降至540℃时继续保温，将压力升高至3MPa，保压5h进行扩散连接。扩散焊结束后，随炉冷却至400℃时卸载压力，温度降至室温后取出工件。
本发明活化保护剂起到保护清洗后的待焊面不被进一步氧化、去除有害气体和活化待焊表面的作用；采用梯度加压方式，在570～580℃高温区间采用0.1～0.5MPa较低焊接压力即可实现破碎氧化膜作用，提高界面结合质量，再降低焊接温度至500～540℃，提高焊接压力至1～3MPa，利用低温区间变形控制优势实现铝合金高强高精度直接扩散连接；利用喷砂处理在表面形成均匀细小的微米级凹坑，有利于保护剂的留存，并且增加了氧化膜的变形破碎程度，有益于新界面的形成和焊合率的提高；
本发明使用的活化保护剂由二乙二醇二甲醚和镁粉组成，其中二乙二醇二甲醚可防止从装配前到升温后的过程中铝合金表面进一步氧化；镁粉在加热过程中起到支撑待焊面的作用，有利于有害气体的排出；当加热到570℃左右时镁开始挥发，在待焊面之间形成高浓度镁蒸气，去除有害水汽；镁活性大于铝，置换出氧化铝膜层中的铝，在膜层下方形成金属液膜，在该条件下辅助施加较小压力(0.1～0.5MPa)就能起到破除氧化膜，露出新界面的作用；活化保护剂中两种成分在焊接过程中都能完全挥发，焊接面无任何残留；由于采用了镁蒸气局部挥发方式，较外置镁块减少了镁蒸气的过度挥发对炉体的损害；
本发明避免了铝合金使用中间层扩散连接导致的焊缝腐蚀和效率偏低问题，同时又避免了铝合金直接扩散连接焊合率偏低、焊缝强度不高，为提高焊合率和焊缝强度增大焊接压力又会导致焊接精度下降等问题，满足了无中间层条件下铝合金直接扩散连接高焊合率、高焊缝强度和高焊接精度的性能要求；焊合率和焊缝强度的提高有助于扩展焊缝使用条件，改善焊缝服役可靠性；焊接精度的提高满足了高精密构件型腔的尺寸精度控制要求，极大扩展了该技术的应用领域；
本发明解决了铝合金直接扩散连接焊缝强度低、焊接变形严重等问题，较镀覆中间层扩散焊方式更简单高效，焊缝致密，强度优于普通钎焊，尤其适用于带微小尺寸槽道和对耐蚀性要求较高的波导和冷板类产品。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种无中间层的铝合金扩散连接方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
S1、在铝合金两个待焊表面处理清洗后立即均匀涂覆一层活化保护剂；
铝合金两个待焊表面处理清洗方法为：经清洗去油后用砂纸打磨待焊面去除氧化膜，并形成粗糙度Ra0.8~3.2的表面，再用喷砂方式处理表面，形成均匀细小的微米级凹坑，经过酒精超声波清洗进一步去除表面杂质；
活化保护剂采用纯镁粉和二乙二醇二甲醚混合制备，其中纯镁粉质量百分比为2~5%，其余为二乙二醇二甲醚，按比例混合均匀制备活化保护剂，混合过程在氮气氛围操作箱中进行；
利用喷砂处理在表面形成均匀细小的微米级凹坑，利于保护剂的留存，并且增加了氧化膜的变形破碎程度，益于新界面的形成和焊合率的提高；
S2、将涂覆活化保护剂的两个待焊面装配对齐并放入上下模具中，进行型面定位和预夹紧，再整体放入真空炉内；
S3、对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，以10~15℃/min的加热速率对炉内进行升温，采用梯度加压方式，在570~580℃高温区间采用0.1~0.5MPa较低焊接压力实现破碎氧化膜作用，提高界面结合质量，再降低焊接温度至500~540℃，提高焊接压力至1~3MPa，利用低温区间变形控制优势实现铝合金高强高精度直接扩散连接；
S4、扩散焊保压时间结束后，随炉冷却至300~400℃时抬起上压头卸载压力，温度降至室温后取出工件；
其中，二乙二醇二甲醚可防止从装配前到升温后的过程中铝合金表面进一步氧化；镁粉在加热过程中起到支撑待焊面的作用，有利于有害气体的排出；当加热到570℃左右时镁开始挥发，在待焊面之间形成高浓度镁蒸气，去除有害水汽；镁活性大于铝，置换出氧化铝膜层中的铝，在膜层下方形成金属液膜，在该条件下辅助施加较小压力0.1~0.5MPa，起到破除氧化膜，露出新界面；活化保护剂中两种成分在焊接过程中都能完全挥发，焊接面无任何残留。
2.根据权利要求1所述的一种无中间层的铝合金扩散连接方法，其特征在于：活化保护剂中纯镁粉颗粒度为30~80μm，经酸洗、水洗和真空干燥，氧含量低于100mg/kg后用于制备活化保护剂。
3.根据权利要求1所述的一种无中间层的铝合金扩散连接方法，其特征在于：制备的活化保护剂应于24h内使用防止氧化失效。
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