CN111730187A - 一种铝锂合金板材局部扩散连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝锂合金板材局部扩散连接方法，属于精密钣金加工技术领域，解决了现有技术中铝锂合金板材表面氧化膜影响铝锂合金表面连接的问题。本发明提供一种铝锂合金板材局部扩散连接方法，包括步骤1：将上、下铝锂合金板进行表面预处理；步骤2：将上、下铝锂合金板焊接形成一个口袋并留一开口；步骤3：将口袋置于上、下模具之间，抽成真空状态并加热；步骤4：通过开口向口袋内充入气体至口袋与上、下模具的型腔贴合形成鼓包部位；步骤5：将步骤4状态下的口袋抽成真空状态，再通过上模具进气口和下模具进气口分别向上模具和下模具中充入气体，将鼓包部位的上下铝锂合金板压平并贴紧。本发明实现了铝锂合金版局部扩散连接。

Description

一种铝锂合金板材局部扩散连接方法

技术领域

本发明涉及精密钣金加工技术领域，尤其涉及一种铝锂合金板材局部扩散连接方法。

背景技术

扩散连接技术是在一定的温度和压力下，经过保压一段时间后，使材料两对接面的原子相互扩散，最终实现接头的冶金结合的固相连接技术。扩散连接具有接头质量好、变形量小、可实现局部或大面积构件的连接等优点。

铝锂合金具有密度低、比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能较高等优点，广泛应用于航空航天以及民用领域。但是，铝锂合金表面在室温下极易形成一层致密稳定的氧化膜，且在扩散连接过程中该氧化膜既不分解也不溶解于基体，严重阻碍铝原子的相互扩散。

目前，实现铝锂合金扩散连接的方法主要有：真空环境、惰性气体保护、添加中间层以及大的形变量。真空环境在扩散连接过程中可以有效防止铝锂合金表面的氧化，但使工艺难度增加，并不能完全避免铝锂合金表面的氧化。惰性气体保护也可以有效防止铝锂合金表面的氧化，可以达到和真空环境同样的效果，但实际工艺中铝锂合金都不可避免的会接触空气，对防止铝锂合金表面氧化的作用也是有限的。添加中间层通常会在界面处形成新的相或者与母材发生反应生成脆性金属间化合物，大大降低了连接接头的剪切强度，有很大局限性。现有的大的形变量方法只适合整体扩散连接，不适合多层结构等需要的局部扩散连接，其应用范围也很有限。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于铝锂合金板材的局部扩散连接方法，用以解决现有技术中铝锂合金表面氧化膜影响铝锂合金表面连接的问题。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种铝锂合金板材局部扩散连接方法，包括如下步骤：

步骤1：将上铝锂合金板和下铝锂合金板进行表面预处理；

步骤2：将上铝锂合金板和下铝锂合金板的四周焊接形成一个口袋并留一开口；

步骤3：将口袋置于上模具和下模具之间，通过开口将口袋抽成真空状态，并将口袋、上模具和下模具一起加热；

步骤4：通过开口向口袋内充入气体至口袋的上铝锂合金板和下铝锂合金板分别与上模具和下模具的型腔贴合形成鼓包部位；

步骤5：首先将步骤4状态下的口袋内抽成真空状态，再通过上模具进气口和下模具进气口分别向上模具和下模具中充入气体，将鼓包部位的上铝锂合金板和下铝锂合金板压平并贴紧，实现上铝锂合金板和下铝锂合金板的局部扩散连接。

进一步地，步骤1中，表面预处理过程先采用化学方法去除上铝锂合金板和下铝锂合金板表面污物及氧化层，再采用物理方法进一步去除氧化层。

进一步地，步骤2中，所述焊接的方式为氩弧焊接。

进一步地，步骤3中，将口袋、上模具和下模具一起加热至500℃～550℃。

进一步地，步骤3中，所述真空状态的真空度为10^-2～10^-1Pa。

进一步地，步骤4中，通过开口向口袋内充入氩气，至口袋内氩气压力为0.5～2MPa。

进一步地，步骤5中，真空状态的真空度为10^-2～10^-1Pa；上模具进气口和下模具进气口分别向上模具和下模具中充入氩气气体至氩气压力为2～4MPa。

进一步地，步骤3中，一起加热到目标温度C，所述步骤5中,上铝锂合金板和下铝锂合金板压平并贴紧，并保持一定时间T,其中，保持时间T与目标温度C存在如下关系：

T＝β/C；

T单位是min，C单位是℃，β单位是min·℃。

进一步地，β＝31500～94500。

进一步地，上模具和下模具的型腔高均为h、型腔宽均为b、上铝锂合金板和下铝锂合金板厚度均为t，h、b和t存在如下关系：

5×t≦b≦10×t，2×t≦h≦2.5×t。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明与其他铝锂合金扩散连接方法相比，工艺方法简单，工艺流程短，简便易行。采用本发明中提供的铝锂合金板材局部扩散连接方法，铝锂合金结构焊合率可以达到90％以上，比现有技术成本节约30％，效率提高20％，结构强度提高10％。

2、本发明中通过上铝锂合金板和下铝锂合金板反复塑性变形，将铝锂合金表面氧化层破碎，实现铝锂合金板材局部扩散连接，铝锂合金板材局部扩散连接焊合率高。

3、本发明对铝锂合金板材表面处理的并不严格，通过塑性变形代替现有技术中严格的表面处理来破碎氧化层，降低了对铝锂合金表面的操作要求，因此，对真空设备及操作流程控制较为容易，所需原料均为常见材料，进而使整个工艺成本较低。

4、本发明特别适合用于铝锂合金多层结构成形前的局部扩散连接，能够制备较为复杂的铝锂合金局部扩散连接形式。本发明中铝锂合金版局部扩散连接方法与铝锂合金多层结构成形工艺过程类似，铝锂合金多层结构成形通过塑性变形得到所需形状，而本发明通过塑性变形实现扩散连接，不增加额外设备。

5、带中间层的铝锂合金扩散界面生成中间层与本体的化合物，该化合物属于脆性相，抗剪切能力较低。本发明铝锂合金板材局部扩散连接为无中间层铝锂合金本体材料的冶金结合，扩散连接区域抗剪切能力较高。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例1铝锂合金板材局部扩散连接前示意图；

图2为实施例1铝锂合金板材局部扩散连接塑性变形示意图；

图3为实施例1铝锂合金板材局部扩散连接后示意图。

附图标记：

1-上模具；2-上铝锂合金板；3-开口；4-下铝锂合金板；5-下模具；6-下模具进气口；7-口袋；8-上模具进气口；9-焊接处。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供一种用于铝锂合金板材的局部扩散连接方法，包括如下步骤：

步骤1：将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4进行表面预处理；

对上铝锂合金板2和下铝锂合金板4进行表面预处理过程为先采用化学方法去除上铝锂合金板和下铝锂合金板表面污物及氧化层，再采用钢丝刷、砂纸打磨等物理方法进一步去除氧化层。

现有技术中对铝锂合金版进行表面预处理是在严格的真空环境下进行，并且对于真空度和真空设备要求非常高。与现有技术不同的是，本发明对铝锂合金板材表面处理的并不严格，采用化学方法预处理上下铝锂合金版的表面氧化层，表面预处理的方法简便容易操作实施。

由于铝锂合金中铝极易被氧化，在合金表面形成一层致密的氧化铝，氧化铝薄膜的存在影响铝锂合金的之间的连接。先进行化学方法去除表面的污物与部分的氧化层，示例性地，使用浓度为0.5～1.5mol/l的NaOH溶液清洗铝锂合金表面，再采用钢丝刷、砂纸打磨等物理方法进一步去除铝锂合金表面的氧化层。

步骤2：将上铝锂合金板和下铝锂合金板通过焊接形成一个口袋并留一开口；

具体的，将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4之间的的四周区域全部进行焊接，形成焊接处9，焊接后的上铝锂合金板2和下铝锂合金板4的焊接区域内形成一个口袋7，口袋的深度与上模具与下模具之间空隙深度相同，在口袋7四周的任一侧的中间位置留一开口3，开口的大小为5mm*1mm。

示例性地，上铝锂合金板2和下铝锂合金板4均为方形板，形成的口袋7为方形口袋，采用氩弧焊焊接，一边中间位置留一个口。如图1中所示，其中黑色部分9为为上铝锂合金板2和下铝锂合金板4的焊接处，即口袋的边沿。

利用真空泵通过开口3可对上铝锂合金板2和下铝锂合金板4形成的口袋7内抽真空或充气。将上铝锂合金板和下铝锂合金板焊接的焊接方式为氩弧焊接，氩弧焊是低成本高效焊接方法，滚焊、电子束、激光焊接等焊接方式均可。

步骤3：将上铝锂合金板2和下铝锂合金材4焊接形成的口袋7置于上模具1和下模具5之间，通过口袋7上的开口3将口袋7内抽成真空状态，并将口袋7、上模具1和下模具5一起加热至目标温度C。目标温度过高，铝锂合金会熔化，目标温度过低，铝锂合金不能产生足够的形变，以破碎铝锂合金表面的氧化层。因此，目标温度在铝锂合金熔点以下，上下铝锂合金板在抽真空的状态下能够完全贴合，并且在充气的状态下，上下铝锂合金板能够完全与上下模具之间的型腔完全的贴合，产生足够的形变，目标温度C可设置为500℃～550℃。

为了防止铝锂合金板在后续的变形中，氧化层破碎后，口袋中残存的空气会导致界面发生而二次氧化，将口袋抽真空，真空度为10^-2～10^-1Pa。

特别的，上模具1和下模具5的型腔高均h、型腔宽均为b与上铝锂合金板2和下铝锂合金板4厚度均为t，存在关系：5×t≦b≦10×t，2×t≦h≦2.5×t。型腔高h、型腔宽b与上铝锂合金板2和下铝锂合金板4厚度t满足上述关系式时，铝锂合金版表面氧化层的破碎程度最好。

步骤4：在目标温度C下，通过开口3向口袋7内不断充入气体至口袋的上铝锂合金板和下铝锂合金板分别与上模具和下模具的型腔贴合，即与上模具与下模具贴合的部位，形成鼓包，如在口袋的中部形成鼓包部位。

具体的，通过口袋7上的开口3向口袋7内充气，使口袋7中部发生第一次塑性变形，上铝锂合金板和下铝锂合金板分别与上模具1和下模具5贴合；通过开口向口袋内充入气体，气体为氩气，充入氩气压力为0.5～2MPa。氩气的压力为0.5～2MPa时，即可保证铝锂合金板能够与上模具与下模具的型腔贴合。

步骤5：在目标温度C下，首先将步骤4状态下的口袋抽成真空状态，再通过上模具进气口和下模具进气口6分别向上模具和下模具中充入气体，将口袋中部鼓包逐渐压平贴紧，并保持一定时间T，实现上铝锂合金板和下铝锂合金板的局部扩散连接。

具体的，先通过口袋7上的开口3将口袋7抽成真空状态，真空度为10^-2～10^-1Pa，再通过上模具进气口8和下模具进气口6，分别向上模具1和下模具5中充气，将口袋7中部鼓包在充入的气体压力下，逐渐压平贴紧，口袋的上铝锂合金板和下铝锂合金板发生第二次塑性变形，并保持一定时间T，实现上铝锂合金板2和下铝锂合金板4的局部扩散连接。

此外，通过上模具进气口8和下模具进气口6分别向上模具和下模具中充入气体为氩气，氩气压力为2～4MPa。上模具进气口与下模具进气口的气体压力高于口袋内充入氩气压力，其原因为扩散连接比塑性成形需要的压力更高。

需要说明的是，口袋7中部鼓包逐渐压平贴紧需要保持一定的时间T。时间T与目标温度C存在关系是，T＝β/C，即温度与时间成反比关系。T单位是min，C单位是℃，β单位是min·℃。

需要进行说明的是，T＝β/C，温度与时间成反比关系，是通过大量实际的生产试验和实践中得出的，保证铝锂合金板扩散连接质量，温度与时间成反比关系，温度高，时间可以短一些，温度低，时间可以长一些，优选地，β＝31500～94500。

本发明提供的一种铝锂合金板材局部扩散连接方法，如图1由上铝锂合金板2和下铝锂合金板4组成，将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4通过焊接形成一个口袋，口袋一侧留一开口，通过开口对上铝锂合金板2和下铝锂合金板4形成的口袋进行抽真空和通氩气，将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4形成的口袋加热至目标温度。通过口袋上的开口向口袋内充气，使口袋中部发生变形，并与上模具和下模具贴合。先通过口袋上的开口将口袋抽成真空状态，再通过上模具进气口8和下模具进气口6分别向上模具和下模具中充气，将口袋中部鼓包逐渐压平贴紧，并保持一定时间，得到铝锂合金板材局部扩散连接结构。

与现有技术不同的是，本发明铝锂合金扩散连接方法工艺方法简单，工艺流程短，简便易行；通过上铝锂合金板2和下铝锂合金板4反复塑性变形，将铝锂合金表面氧化层破碎，实现铝锂合金板材局部扩散连接，铝锂合金板材局部扩散连接焊合率高；对铝锂合金板材表面处理的并不严格，因此，对真空设备及操作流程控制较为容易，所需原料均为常见材料，进而使整个工艺成本较低；特别适合用于铝锂合金多层结构成形前的局部扩散连接，能够制备较为复杂的铝锂合金局部扩散连接形式；铝锂合金板材局部扩散连接为无中间层铝锂合金本体材料的冶金结合，扩散连接区域抗剪切能力较高。

实施例1

实施例1选用5A90铝锂合金板材进行局部扩散连接，铝锂合金板进行局部扩散连接的结构如图1所示。其中，上铝锂合金板和下铝锂合金板厚度t均为1mm。

本发明实施例1提供一种用于铝锂合金板材的局部扩散连接方法，包括如下步骤：

步骤1：对上铝锂合金板2和下铝锂合金板4进行表面处理，先采用碱液与碱液洗去除表面污物及氧化层，再采用钢丝刷、砂纸打磨进一步去除氧化层。

步骤2：将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4通过氩弧焊接形成一个口袋7，口袋7一侧留一开口3，通过开口3对上铝锂合金板2和下铝锂合金板4形成的口袋7进行抽真空或充气。

步骤3：将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4形成的口袋7置于上模具1和下模具5之间。上模具1和下模具5的型腔高h＝2mm、型腔宽b＝10mm，符合上模具1和下模具5的型腔高h、型腔宽b与上铝锂合金板2和下铝锂合金板4厚度t存在关系：5×t＝5≦b≦10×t＝10，2×t＝2≦h≦2.5×t＝2.5。通过口袋7上的开口3将口袋7抽成真空状态，真空度为10^-1Pa，并将口袋7、上模具1和下模具5一起加热至目标温度C，目标温度C为525℃；

步骤4：通过口袋7上的开口3向口袋7内充气，气体为氩气，氩气压力为1MPa，使口袋7中部发生塑性变形，如图2所示，并与上模具1和下模具5贴合；

步骤5：先通过口袋7上的开口3将口袋7抽成真空状态，真空度为10^-1Pa，再通过上模具进气口8和下模具进气口6分别向上模具1和下模具5中充气，气体为氩气，氩气压力为2MPa。将口袋7中部鼓包逐渐压平贴紧，如图3所示，并保持一定时间T，实现上铝锂合金板2和下铝锂合金板4的局部扩散连接。保持一定时间T与第三步所述的将上铝板4和下铝板1形成的口袋加热至目标温度C存在关系是，T＝β/C，取β＝31500min·℃，C＝525℃，T＝β/C＝31500/525＝60min。

本发明提供的铝锂合金板材局部扩散连接方法，铝锂合金结构焊合率可以达到90％以上，比现有技术成本节约30％，效率提高20％，结构强度提高10％，特别适合用于铝锂合金多层结构成形前的局部扩散连接，能够制备较为复杂的铝锂合金局部扩散连接形式。表1中的现有技术是指将两块铝锂合金板直接进行压力拼接。

表1现有技术与本发明的铝锂合金板焊接效果

参数	焊合率	成本	周期	结构强度
					现有技术	60％	3000元	6h	320MPa
本发明	90％	2000元	5h	350MPa

实施例2

实施例2采用实施例1中的技术方案，与实施例1不同的是：

步骤3：将上铝锂合金板2和下铝锂合金板4形成的口袋7置于上模具1和下模具5之间。上模具1和下模具5的型腔高h＝2.5mm、型腔宽b＝5mm，符合上模具1和下模具5的型腔高h、型腔宽b与上铝锂合金板2和下铝锂合金板4厚度t存在关系：5×t＝5≦b≦10×t＝10，2×t＝2≦h≦2.5×t＝2.5。通过口袋7上的开口3将口袋7抽成真空状态，真空度为10-1Pa，并将口袋7、上模具1和下模具5一起加热至目标温度C，目标温度C为525℃，可提高铝锂合金板材局部扩散连接焊合率。

实施例3

实施例3采用实施例1中的技术方案，与实施例1不同的是：

步骤5：先通过口袋7上的开口3将口袋7抽成真空状态，再通过上模具进气口8和下模具进气口6分别向上模具1和下模具5中充气，气体为氩气，氩气压力为4MPa。将口袋7中部鼓包逐渐压平贴紧，并保持一定时间T，保持一定时间T与第三步所述的将上铝板4和下铝板1形成的口袋加热至目标温度C存在关系是，T＝β/C，取β＝94500，C＝525℃，T＝β/C＝94500/525＝180min，实现上铝锂合金板2和下铝锂合金板4的局部扩散连接，可提高铝锂合金板材局部扩散连接焊合率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将上铝锂合金板和下铝锂合金板进行表面预处理；

步骤2：将上铝锂合金板和下铝锂合金板的四周焊接形成一个口袋并留一开口；

步骤3：将口袋置于上模具和下模具之间，通过开口将口袋抽成真空状态，并将口袋、上模具和下模具一起加热；

步骤4：通过开口向口袋内充入气体至口袋的上铝锂合金板和下铝锂合金板分别与上模具和下模具的型腔贴合形成鼓包部位；

步骤5：首先将步骤4状态下的口袋内抽成真空状态，再通过上模具进气口和下模具进气口分别向上模具和下模具中充入气体，将鼓包部位的上铝锂合金板和下铝锂合金板压平并贴紧，实现上铝锂合金板和下铝锂合金板的局部扩散连接。

2.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤1中，表面预处理过程先采用化学方法去除上铝锂合金板和下铝锂合金板表面污物及氧化层，再采用物理方法进一步去除氧化层。

3.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤2中，所述焊接的方式为氩弧焊接。

4.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤3中，将口袋、上模具和下模具一起加热至500℃～550℃。

5.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤3中，所述真空状态的真空度为10^-2～10^-1Pa。

6.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤4中，通过开口向口袋内充入氩气，至口袋内氩气压力为0.5～2MPa。

7.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤5中，真空状态的真空度为10^-2～10^-1Pa；上模具进气口和下模具进气口分别向上模具和下模具中充入氩气气体至氩气压力为2～4MPa。

8.根据权利要求1所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述步骤3中，一起加热到目标温度C，所述步骤5中，上铝锂合金板和下铝锂合金板压平并贴紧，并保持一定时间T,其中，保持时间T与目标温度C存在如下关系：

T＝β/C；

T单位是min，C单位是℃，β单位是min·℃。

9.根据权利要求8所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，β＝31500～94500。

10.根据权利要求1～9所述的铝锂合金板材局部扩散连接方法，其特征在于，所述上模具和下模具的型腔高均为h、型腔宽均为b、上铝锂合金板和下铝锂合金板厚度均为t，h、b和t存在如下关系：

5×t≦b≦10×t，2×t≦h≦2.5×t。

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