CN112222595B - 一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法及焊件固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，公开了一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法及焊件固定装置，方法包括S1、清洁待焊件的焊接面；S2、调整待焊件的尺寸；S3、夹持固定待焊件；S4、设置工艺参数；S5、启动焊接设备。装置包括基座、第一夹持单元和第二夹持单元；第一夹持单元包括夹板、锁紧螺钉和调节螺钉，可调节夹板横向及竖向移动；第二夹持单元的结构与第一夹持单元相同，且与第一夹持单元对称设置。本发明提出的非晶合金与异种金属超声波焊接方法及装置，使用可调节水平夹件距离及竖直夹件距离的焊件固定装置固定待焊件，避免因振动导致能量损失及焊件错位等问题，并综合优化了多个工艺参数，能够保证有效且稳定地提高焊接质量。

Description

一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法及焊件固定装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法及焊件固定装置。

背景技术

非晶合金具有高强度、高硬度、耐腐蚀等优点，在消费电子、医疗器械、汽车制造等领域具有可观的应用价值。但是，由于非晶合金的制备需要急速冷却，目前生产所得的非晶合金尺寸都比较小，一般在毫米或厘米级。此外，由于非晶合金具有脆性，难以通过机加工的方式实现大尺寸的非晶合金。上述问题严重限制了非晶合金在工程领域内的广泛应用。

对此，焊接作为一种高效的连接技术，能够在避免非晶合金脆断的基础上实现非晶合金与同质合金、甚至是异种金属之间的连接，有利于解决非晶合金尺寸较小的问题，对于非晶合金的推广应用具有重要意义。非晶合金的传统焊接方法主要为熔化焊，包括爆炸焊、电子束焊和激光焊等。由于非晶合金内部原子处于亚稳态，其可焊性很差，为防止焊接接头尤其是热影响区发生晶化现象，焊接时需要提供足够快的加热和冷却速率，而传统焊接技术不能满足条件，在焊接过程中容易发生晶化，从而削弱了非晶合金的优异性能，制约了非晶合金在工程应用中的发展。

超声波焊接是一种固态连接技术，具有焊接速度快、加工温度低、无污染等特点，是实现非晶合金的无晶化连接的一种有效手段。

但现有的非晶合金与异种金属超声波焊接工艺中，待焊件在焊接过程中因受到过大的超声波作用容易发生强烈晃动，使焊接结构发生错位或能量大幅损失，导致焊接失败。并且在设置工艺参数时，仅单一地根据TTT图来选择焊接参数，忽略了其他因素的影响，因此无法保证每次都能够获得高强度的焊接接头，导致焊接质量参差不齐。

因此，现有的非晶合金与异种金属超声波焊接工艺需要改进。

发明内容

本发明的目的是：本发明提供了一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法及焊件固定装置，以解决现有技术的非晶合金与异种金属超声波焊接工艺焊接失败率高及焊接质量参差不齐的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法，包括以下步骤：

S1、清洁待焊件的焊接面：分别清洁非晶合金待焊件及异种金属待焊件的焊接面并使焊接面保持干燥；

S2、调整待焊件的尺寸：使所述异种金属待焊件的长度小于所述非晶合金待焊件的长度；

S3、夹持固定待焊件：以所述异种金属待焊件在上、所述非晶合金待焊件在下的方式将两个待焊件夹持固定于焊件固定装置上，并使所述焊件固定装置与焊接设备的位置配合；

S4、设置工艺参数：将所述焊接设备的振动频率设为20－25kHz，下压量设为0.7－1.0mm，超声波振幅设为80－100％，焊接时间设为4－6s，焊接压力设为3－5bar，保压时间设为2－4s，能量设为大于1500ws；

S5、启动焊接设备：启动所述焊接设备完成所述非晶合金待焊件与所述异种金属待焊件的焊接。

本申请一些实施例中，所述步骤S2中，所述非晶合金待焊件的厚度设为0.5－3mm，所述异种金属待焊件的厚度设为0.3－1mm，且所述异种金属待焊件的长度与所述非晶合金待焊件的长度之比介于0.4－0.6。

本申请一些实施例中，所述步骤S1中，清洁待焊件的焊接面的步骤包括：使用砂纸打磨所述非晶合金待焊件及所述异种金属待焊件的焊接面，且使用无水乙醇浸泡所述非晶合金待焊件及所述异种金属待焊件并进行超声清洗，最后使所述非晶合金待焊件及所述异种金属待焊件的焊接面干燥。

本申请一些实施例中，所述非晶合金待焊件的材料为锆基合金、镁基合金、铁基合金、镍基合金或铜基合金中的一种。

本申请一些实施例中，所述异种金属待焊件的材料为铜、铝、金或铂中的一种。

为了解决上述技术问题，本申请还提供一种焊件固定装置，包括基座、第一夹持单元和第二夹持单元；

所述基座上设有焊座通孔，所述基座的表面上以所述焊座通孔为对称轴对称地设有两个安装螺孔；

所述第一夹持单元包括夹板、锁紧螺钉和调节螺钉；

所述夹板上设有条形通孔，所述条形通孔与所述安装螺孔对应，且所述条形通孔沿所述安装螺孔的连线方向设置；所述锁紧螺钉的根部穿过所述条形通孔与所述安装螺孔配合锁紧；所述夹板上还设有调节通孔，所述调节螺钉穿过所述调节通孔且其底部抵接于所述基座的表面上；

所述第二夹持单元的结构与所述第一夹持单元相同，且与所述第一夹持单元以所述焊座通孔为对称轴对称地设于所述基座上。

本申请一些实施例中，所述夹板包括调节部和夹持部；所述条形通孔及所述调节通孔均设于所述调节部上，所述夹持部朝向所述焊座通孔，且所述夹持部的高度低于所述调节部，且所述夹持部的宽度小于所述调节部。

本申请一些实施例中，所述调节通孔与所述条形通孔位于同一直线上，且所述调节通孔设于所述条形通孔远离所述焊座通孔的一侧。

本申请一些实施例中，所述夹持部包括弧面部和斜面部；所述弧面部的一端与所述调节部连接，且端部处的高度与所述调节部相同，所述弧面部的另一端与所述斜面部的一端连接，且端部处的高度为二分之一所述调节部的高度；所述斜面部的另一端的高度与所述调节部的高度之比介于0.1－0.4，且端面为垂直于所述基座表面的平面。

本申请一些实施例中，所述基座及所述夹板采用的材料均为导热系数大于200w/(m·k)的高导热金属。

本发明实施例一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法及焊件固定装置与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提出了一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法，在焊接中使用焊件固定装置固定预定尺寸及预定摆放位置的非晶合金待焊件及异种金属待焊件，避免因振动导致能量损失及焊件错位等问题，从而实现非晶合金与异种金属的高效焊接。并且，本发明综合考虑并优化了超声波焊接工艺中如振动频率、下压量、超声波振幅、焊接时间、焊接压力、保压时间以及能量等参数，使得到的焊接界面，即非晶合金与异种金属之间无空隙，两者结合紧密，能够保证有效且稳定地提高焊接质量。

本发明提出的焊件固定装置，与焊座配合的基座上设有对称且可调节水平夹件距离及竖直夹件距离的两个夹持单元配合固定不同厚度及长度尺寸的非晶合金待焊件及异种金属待焊件，固定效果好，灵活性高，有效避免待焊件在焊接过程中发生错位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施例的一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法的流程示意图；

图2是本发明优选实施例的一种焊件固定装置的正视结构示意图；

图3是本发明优选实施例的一种焊件固定装置的俯视结构示意图；

图4是本发明优选实施例的一种焊件固定装置的侧视结构示意图；

图5是待焊件固定于焊件固定装置上的结构示意图；

图6是基座的俯视结构示意图；

图7是夹板的俯视结构示意图；

图8是夹板的正视结构示意图；

图9是本发明优选实施例的一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法得到的接头界面SEM表征结果图；

图10是现有技术超声波焊接工艺得到的接头界面SEM表征结果图；

图中，1、基座；11、焊座通孔；12、安装螺孔；2、第一夹持单元；21、夹板；211、调节部；212、夹持部；2121、弧面段；2122、斜面段；22、锁紧螺钉；23、调节螺钉；24、条形通孔；25、调节通孔；3、第二夹持单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明优选实施例的一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法，主要包括以下步骤S1－S5：

S1、清洁待焊件的焊接面：分别清洁非晶合金待焊件及异种金属待焊件的焊接面并使焊接面保持干燥；

S2、调整待焊件的尺寸：使异种金属待焊件的长度小于非晶合金待焊件的长度；

S3、夹持固定待焊件：以异种金属待焊件在上、所述非晶合金待焊件在下的方式将两个待焊件夹持固定于焊件固定装置上，并使焊件固定装置与焊接设备的位置配合；

S4、设置工艺参数：将所述焊接设备的振动频率设为20－25kHz，下压量设为0.7－1.0mm，超声波振幅设为80－100％，焊接时间设为4－6s，焊接压力设为3－5bar，保压时间设为2－4s，能量设为大于1500ws；

S5、启动焊接设备：通电启动焊接设备完成非晶合金待焊件与异种金属待焊件的焊接。焊接设备包括焊座及超声波焊头，焊座位于待焊件的底部，实际使用时，启动设备使超声波焊头下降并对待焊件施加压力及超声振动，从而完成非晶合金待焊件及异种金属待焊件的焊接。

本发明提出了一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法，在焊接中使用焊件固定装置固定预定尺寸及预定摆放位置的非晶合金待焊件及异种金属待焊件，避免因振动导致能量损失及焊件错位等问题，从而实现非晶合金与异种金属的高效焊接。并且，本发明综合考虑并优化了超声波焊接工艺中如振动频率、下压量、超声波振幅、焊接时间、焊接压力、保压时间以及能量等参数，使得到的焊接界面，即非晶合金与异种金属之间无空隙，如图9所示，图9为使用本发明一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法焊接得到的接头界面SEM表征结果图。图9中，位于上方的是异种金属待焊件，位于下方的是非晶合金待焊件。从图9中可以看出，本发明方法得到的异种金属待焊件与非晶合金待焊件的焊接界面之间结合紧密无空隙，说明焊接质量好。参见图10，图10是现有技术超声波焊接工艺得到的接头界面SEM表征结果图，可以看到异种金属待焊件与非晶合金待焊件的焊接界面存在明显的空隙，说明焊件之间连接效果差或失败。

本申请一些实施例中，步骤B中，非晶合金待焊件的厚度设为0.5－3mm，异种金属待焊件的厚度设为0.3－1mm，且异种金属待焊件的长度与非晶合金待焊件的长度之比介于0.4－0.6。设置合适尺寸的待焊件与工艺参数配合，能够使焊接效果更好。

本申请一些实施例中，步骤A中，清洁待焊件的焊接面的步骤包括：使用砂纸打磨非晶合金待焊件及异种金属待焊件的焊接面，且使用无水乙醇浸泡非晶合金待焊件及异种金属待焊件并进行超声清洗，最后使非晶合金待焊件及异种金属待焊件的焊接面干燥。上述清洗方法能够更好地去除待焊材料焊接面的氧化物、有机物等污染物，提高焊接面的洁净程度有助于提升焊接质量。

本申请一些实施例中，非晶合金待焊件的材料为锆基合金、镁基合金、铁基合金、镍基合金或铜基合金中的一种。

本申请一些实施例中，异种金属待焊件的材料为铜、铝、金或铂中的一种。

本发明还提供一种焊件固定装置，能够用于夹持固定不同尺寸的待焊件。

参见图2－4，分别是本发明优选实施例的焊件固定装置的正视结构图、俯视及侧视结构示意图，其包括基座1、第一夹持单元2和第二夹持单元3。参见图5，图5是待焊件固定于焊件固定装置上的结构示意图，图5中01为非晶合金待焊件，02为异种金属待焊件，03为焊座，04为超声波焊头。

参见图6，基座1上设有焊座通孔11用于供焊座03穿过，优选的，焊座通孔11设于基座1的中部处。基座1的表面上以焊座通孔11为对称轴对称地设有两个安装螺孔12。

参见图3及图7，第一夹持单元2包括夹板21、锁紧螺钉22和调节螺钉23。夹板21上设有条形通孔24，条形通孔24与安装螺孔12对应，且条形通孔24沿安装螺孔12的连线方向设置。锁紧螺钉22的根部穿过条形通孔24与安装螺孔12配合锁紧。夹板21上还设有调节通孔25，调节螺钉23穿过调节通孔25且其底部抵接于基座1的表面上。第二夹持单元3的结构与第一夹持单元2相同，且与第一夹持单元2以焊座通孔11为对称轴对称地设于基座1上。

参见图5，本发明提出的焊件固定装置使用方法如下：

第一步、将非晶合金待焊件01放置于基座1上焊座通孔11对应的位置处，然后两个夹持单元的夹板21分别压住非晶合金待焊件01的两边，通过调节螺钉23与调节通孔25的配合可调节夹板21的底部到基座1的距离以适应不同厚度的非晶合金待焊件01。

第二步、将异种金属待焊件02置于两个夹持单元的夹板21之间，通过锁紧螺钉22与条形通孔24的配合可调节两个夹板21之间的距离以适应不同长度的异种金属待焊件02。调节时，松开锁紧螺钉22，然后沿着条形通孔24移动夹板21到合适位置，再拧动锁紧螺钉22至其根部底端与安装螺孔12配合，即完成调节。

第三步、将基座1整体安装到焊接设备上，焊座03穿过焊座通孔11，超声波焊头04悬于异种金属待焊件02上。

本发明提出的焊件固定装置，与焊座03配合的基座1上设有对称且可调节水平夹件距离及竖直夹件距离的两个夹持单元配合固定不同厚度及长度尺寸的非晶合金待焊件01及异种金属待焊件02，固定效果好，灵活性高，有效避免待焊件在焊接过程中发生错位。

本申请一些实施例中，参见图7，夹板21包括调节部211和夹持部212，条形通孔24及调节通孔25均设于调节部211上，夹持部212朝向焊座通孔11，且夹持部212的高度低于调节部211。

本申请一些实施例中，参见图7，调节通孔25与条形通孔24位于同一直线上，且调节通孔25设于条形通孔24远离焊座通孔11的一侧。

本申请一些实施例中，参见图8，夹持部212包括弧面部2121和斜面部2122。弧面部2121的一端与调节部211连接，且端部处的高度H2与调节部211的高度相同，弧面部2121的另一端与斜面部2122的一端连接，且端部处的高度H1为二分之一调节部211的高度。斜面部2122的另一端的高度H3与调节部211的高度之比介于0.1－0.4，且端面为垂直于基座1表面的平面。并且，参见图7，夹持部212的宽度W1小于调节部211的宽度W2。

上述对于夹持部212具体的形状设置，能够保证夹持稳固以及调节灵活的同时，减少夹持单元对超声波焊头04工作时移动的影响。

本申请一些实施例中，基座1及夹板21采用的材料均为高导热金属，其中高导热金属为导热系数大于200w/(m·k)的金属。优选为黄铜、黄金等高导热金属材料。上述设置有利于加强焊件散热，减小非晶合金构件的晶化程度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非晶合金与异种金属超声波焊接焊件固定装置，其特征在于，包括基座和两个夹持单元；

所述基座上设有焊座通孔，所述基座的表面上以所述焊座通孔为对称轴对称地设有两个安装螺孔；非晶合金待焊件置于所述基座上与所述焊座通孔对应的位置处，异种金属待焊件叠置于所述非晶合金待焊件上，且所述异种金属待焊件的长度小于所述非晶合金待焊件的长度；

两个所述夹持单元以所述焊座通孔为对称轴对称地设于所述基座上；所述夹持单元包括夹板、锁紧螺钉和调节螺钉；

所述夹板包括调节部和夹持部；

所述夹持部包括弧面部和斜面部；所述弧面部的一端与所述调节部朝向所述焊座通孔的一端连接且其端部处的高度与所述调节部相同，所述弧面部的另一端与所述斜面部的一端连接且其端部处的高度为二分之一所述调节部的高度；所述斜面部的另一端的高度与所述调节部的高度之比介于0.1－0.4且其端面为垂直于所述基座表面的平面；

所述调节部上设有条形通孔和调节通孔，所述条形通孔与所述安装螺孔对应，且所述条形通孔沿所述安装螺孔的连线方向设置，所述锁紧螺钉的根部穿过所述条形通孔与所述安装螺孔配合锁紧，使所述异种金属待焊件被两个所述夹持单元的所述夹持部夹紧；所述调节螺钉穿过所述调节通孔且其底部抵接于所述基座的表面上，使两个所述夹持单元的所述夹持部分别压住所述非晶合金待焊件的两边。

2.根据权利要求1所述的非晶合金与异种金属超声波焊接焊件固定装置，其特征在于，所述调节通孔与所述条形通孔位于同一直线上，且所述调节通孔设于所述条形通孔远离所述焊座通孔的一侧。

3.根据权利要求1所述的非晶合金与异种金属超声波焊接焊件固定装置，其特征在于，所述基座及所述夹板采用的材料均为导热系数大于200w/(m·k)的高导热金属。

4.一种非晶合金与异种金属超声波焊接方法，应用于如权利要求1－3任一项所述的非晶合金与异种金属超声波焊接焊件固定装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、清洁待焊件的焊接面：分别清洁非晶合金待焊件及异种金属待焊件的焊接面并使焊接面保持干燥；

S2、调整待焊件的尺寸：使所述异种金属待焊件的长度小于所述非晶合金待焊件的长度；

S3、夹持固定待焊件：将所述非晶合金待焊件放置于基座上焊座通孔对应的位置处，两个夹持单元的夹板分别压住所述非晶合金待焊件的两边，并将所述异种金属待焊件置于两个夹持单元的夹板之间夹紧，以所述异种金属待焊件在上、所述非晶合金待焊件在下的方式将两个待焊件夹持固定于焊件固定装置上；焊接设备包括焊座及超声波焊头，使所述焊件固定装置与焊接设备的位置配合，所述焊座穿过焊座通孔，所述超声波焊头悬于所述异种金属待焊件上；

S4、设置工艺参数：将所述焊接设备的振动频率设为20－25kHz，下压量设为0.7－1.0mm，超声波振幅设为80－100％，焊接时间设为4－6s，焊接压力设为3－5bar，保压时间设为2－4s，能量设为大于1500ws；

S5、启动焊接设备：启动所述焊接设备完成所述非晶合金待焊件与所述异种金属待焊件的焊接。

5.根据权利要求4所述的非晶合金与异种金属超声波焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述非晶合金待焊件的厚度设为0.5－3mm，所述异种金属待焊件的厚度设为0.3－1mm，且所述异种金属待焊件的长度与所述非晶合金待焊件的长度之比介于0.4－0.6。

6.根据权利要求4所述的非晶合金与异种金属超声波焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中，清洁待焊件的焊接面的步骤包括：使用砂纸打磨所述非晶合金待焊件及所述异种金属待焊件的焊接面，且使用无水乙醇浸泡所述非晶合金待焊件及所述异种金属待焊件并进行超声清洗，最后使所述非晶合金待焊件及所述异种金属待焊件的焊接面干燥。

7.根据权利要求4所述的非晶合金与异种金属超声波焊接方法，其特征在于，所述非晶合金待焊件的材料为锆基合金、镁基合金、铁基合金、镍基合金或铜基合金中的一种。

8.根据权利要求4所述的非晶合金与异种金属超声波焊接方法，其特征在于，所述异种金属待焊件的材料为铜、铝、金或铂中的一种。

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