CN112719569B - 一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷焊制备异种金属复合结构，更具体的说是一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，该方法包括以下步骤：步骤一：母材Ⅰ加工形成塑性表层Ⅰ；步骤二：母材Ⅱ加工形成塑性表层Ⅱ；步骤三：塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ进行冷焊；可以通过母材Ⅰ和母材Ⅱ表面材料在搅拌与剪切作用下会产生塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ；塑性变形致使金属内部形成远超过平衡浓度的过饱和空位，变形过程中产生的位错和空位为金属原子的快速扩散提供了通道；同时，形成的大量晶体缺陷，如位错和层错同样可以促进原子扩散，高密度的可动空位、应变势梯度和应力均促进扩散动力学过程。

Description

一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法
技术领域
本发明涉及冷焊制备异种金属复合结构，更具体的说是一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法。
背景技术
铝合金、镁合金及钛合金等轻质金属已经广泛的应用于航空航天领域，其中多金属之间的连接是难以避免的。异种金属的连接可以充分发挥两种金属的优势，以满足不同条件对材料的要求。采用轻质合金替代部分密度较大的合金可以实现轻量化结设计，在航空航天、交通运输以及船舶制造领域广泛应用，轻量化可以极大的减少能源消耗。此外，在保证结构此性能的前提下，可以采用成本较低的材料代替部分成本较高的金属，可以极大地降低生产成本。目前，异种金属复合结构制备通常采用机械连接或焊接的方式。
铆接及螺栓连接等机械连接方法需要预制孔，破坏结构的完整性，导致应力集中，会极大地降低接头的疲劳寿命。此外，螺栓和铆钉会增加接结构重量，不利于结构轻量化设计。
电弧焊、激光、电子束等焊接方法会产生较大的热输入，导致接头中产生较多的金属间化合物，严重恶化接头的力学性能。钎焊连接界面处也容易产生较多的金属间化合物，通常为接头中的薄弱环节，在服役中容易失效。虽然搅拌摩擦焊技术具有热输入较低的特点，但同样易产生较多的金属间化合物，同时还可能产生孔洞等缺陷，影响接头性能。此外，搅拌摩擦搭接接头中会出现钩状结构，对接头的结构会产生较大的影响。超声波焊接由于工艺的局限性，难以实大现面积及大厚度试件的连接。扩散焊接制备异种金属混合结构，由于界面处的金属原子扩散能力较差，需要较长的保温时间才能实现有效连接。此外，异种材料之间线膨胀系数相差较大，连接后会产生较大的应力集中甚至焊缝处会产生裂纹缺陷；综上现有技术中的缺点是不能有效地缩短连接时间，提升连接效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，可以有效地缩短连接时间，提升连接效率。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：母材Ⅰ的表面加工形成塑性表层Ⅰ；
步骤二：母材Ⅱ的表面加工形成塑性表层Ⅱ；
步骤三：塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ进行冷焊。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，母材Ⅰ加工形成塑性表层Ⅰ的步骤为：
步骤一：母材Ⅰ表面进行打磨，除去氧化层及油污；
步骤二：加工工具对母材Ⅰ进行搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅰ。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，母材Ⅱ加工形成塑性表层Ⅱ的步骤为：
步骤一：母材Ⅱ表面进行打磨，除去氧化层及油污；
步骤二：加工工具对母材Ⅱ进行搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅱ。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，所述加工工具为无针搅拌头、搅拌针长度较小的锥形针带螺纹搅拌头、三铣平面锥形针带螺纹搅拌头或者圆柱针搅拌头。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ的表面进行打磨采用砂纸手工打磨或采用磨床打磨。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ进行冷焊的步骤为：
步骤一：塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ进行机械加工，去除表面的氧化层、油污和水分吸附层，保证表面的平整及光滑；
步骤二：打开真空扩散焊炉，将待连接母材Ⅰ和母材Ⅱ装夹在工作台上，并将塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ表面相接触；
步骤三：关闭真空室，打开抽真空系统形成真空环境，启动加压系统；
步骤四：保压结束后，卸载压力，打开真空室，取出异种金属复合结构件。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，母材Ⅰ和母材Ⅱ冷焊过程中周围采用刚性夹具。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，所述母材Ⅰ加工形成塑性表层Ⅰ的加工方法为搅拌摩擦、碾压、喷丸以及磁脉冲高速冲击，母材Ⅱ加工形成塑性表层Ⅱ加工方法为搅拌摩擦、碾压、喷丸以及磁脉冲高速冲击。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ为铝、镁、钛、铜、铁、镍、钴或其合金。
本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法的有益效果为：
本发明一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，可以通过母材Ⅰ和母材Ⅱ表面材料在搅拌与剪切作用下会产生塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ；塑性变形致使金属内部形成远超过平衡浓度的过饱和空位，变形过程中产生的位错和空位为金属原子的快速扩散提供了通道；同时，形成的大量晶体缺陷，如位错和层错同样可以促进原子扩散，高密度的可动空位、应变势梯度和应力均促进扩散动力学过程。在亚微米晶粒尺度下，晶界数量的增多和体积分数的增加会在晶界处构成短程扩散通道，高能非平衡的变形态晶界有利于扩散的进行，晶界扩散成为主要扩散机制，极大的提高扩散效率，进而缩短连接时间。超大压力的辅助作用可以为连接提供足够的能量，排除塑性变形消耗的能量，可以有充足的能量满足金属原子的扩散。因此，塑性表层Ⅰ和塑性表层Ⅱ的存在不仅可以有效的增加界面原子扩散能力，还可以提高生产效率；此外，低温焊接可以有效的抑制甚至避免金属间化合物的形成，且冷焊接头中不会产生热影响区，均匀的组织有利于提升接头的力学性能；本发明方法制备的金属复合结构件尺寸不受限制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的母材Ⅰ结构示意图；
图2是本发明的母材Ⅱ结构示意图；
图3是本发明的母材Ⅰ搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅰ过程示意图；
图4是本发明的母材Ⅱ搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅱ结构示意图；
图5是本发明的冷焊工艺过程示意图。
图中：母材Ⅰ1；母材Ⅱ2；加工工具3；塑性表层Ⅰ4；塑性表层Ⅱ5；真空环境6；强压力载荷7；垫板8；刚性夹具9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1至5说明本实施方式，一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：母材Ⅰ1的表面加工形成塑性表层Ⅰ4；
步骤二：母材Ⅱ2的表面加工形成塑性表层Ⅱ5；
步骤三：塑性表层Ⅰ4和塑性表层Ⅱ5进行冷焊。
具体实施方式二：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，母材Ⅰ1加工形成塑性表层Ⅰ4的步骤为：
步骤一：母材Ⅰ1表面进行打磨，除去氧化层及油污；
步骤二：加工工具3对母材Ⅰ1进行搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅰ4；制备的塑性表层Ⅰ4具有较强的塑性以及较小的晶粒尺寸，在强压力用下有利于消除界面之间的间隙，进而促进原子扩散。此外，原子沿晶界的扩散能力强于穿晶扩散；搅拌摩擦中，加工工具3的速度为5～6000mm/min，旋转速度为50～5000rpm，主轴倾角α为0～3°，轴肩下压量为0～1mm，搅拌针长度为0～3mm。
具体实施方式三：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，母材Ⅱ2加工形成塑性表层Ⅱ5的步骤为：
步骤一：母材Ⅱ2表面进行打磨，除去氧化层及油污；
步骤二：加工工具3对母材Ⅱ2进行搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅱ5；制备的塑性表层Ⅱ5具有较强的塑性以及较小的晶粒尺寸，在强压力用下有利于消除界面之间的间隙，进而促进原子扩散。此外，原子沿晶界的扩散能力强于穿晶扩散；搅拌摩擦中，加工工具3的速度为5～6000mm/min，旋转速度为50～5000rpm，主轴倾角α为0～3°，轴肩下压量为0～1mm，搅拌针长度为0～3mm。
具体实施方式四：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述由于搅拌摩擦加工制备塑性层厚度较小，加工工具3可以选用为无针搅拌头、搅拌针长度较小的锥形针带螺纹搅拌头、三铣平面锥形针带螺纹搅拌头或者圆柱针搅拌头。
具体实施方式五：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2的表面进行打磨采用砂纸手工打磨或采用磨床打磨；防止塑性表层Ⅰ4和塑性表层Ⅱ5内部存在杂质。
具体实施方式六：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，塑性表层Ⅰ4和塑性表层Ⅱ5进行冷焊的步骤为：
步骤一：塑性表层Ⅰ4和塑性表层Ⅱ5进行机械加工，去除表面的氧化层、油污和水分吸附层，保证表面的平整及光滑；可以采用加工中心、激光切割、水刀切割或线切割等方式结合机械抛光处理，粗糙度达到3.2微米以上；
步骤二：打开真空扩散焊炉，将待连接母材Ⅰ1和母材Ⅱ2装夹在工作台上，并将塑性表层Ⅰ4和塑性表层Ⅱ5表面相接触；
步骤三：关闭真空室，打开抽真空系统形成真空环境6，启动加压系统7；加压系统7的压力设置为2～100MPa，保压时间为5～120min；连接中采用较大的压力，可以避免冷焊后界面不会产生孔隙，抽真空至压强为10-4～0.1Pa；连接中不需要启动加热系统；
步骤四：保压结束后，卸载压力，打开真空室，取出异种金属复合结构件。
具体实施方式七：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，母材Ⅰ1和母材Ⅱ2冷焊过程中周围采用刚性夹具9；如图5所示防止试件发生横向变形。
具体实施方式八：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述母材Ⅰ1加工形成塑性表层Ⅰ4的加工方法为搅拌摩擦、碾压、喷丸以及磁脉冲高速冲击，母材Ⅱ2加工形成塑性表层Ⅱ5加工方法为搅拌摩擦、碾压、喷丸以及磁脉冲高速冲击；由于搅拌摩擦制备的塑性表层Ⅰ4和塑性表层Ⅱ5较薄，可以采用其它方式。例如，碾压、喷丸以及磁脉冲高速冲击的方法进行。
具体实施方式九：
下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2为铝、镁、钛、铜、铁、镍、钴或其合金；制备多种材料金属复合结构，可以选用三种或三种以上材料作为母材Ⅱ2或者母材Ⅰ1。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： 步骤一：母材Ⅰ（1）的表面加工形成塑性表层Ⅰ（4）；
步骤二：母材Ⅱ（2）的表面加工形成塑性表层Ⅱ（5）；
步骤三：塑性表层Ⅰ（4）和塑性表层Ⅱ（5）进行冷焊；
母材Ⅰ（1）加工形成塑性表层Ⅰ（4）的步骤为：
步骤一：母材Ⅰ（1）表面进行打磨，除去氧化层及油污；
步骤二：加工工具（3）对母材Ⅰ（1）进行搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅰ（4）；
母材Ⅱ（2）加工形成塑性表层Ⅱ（5）的步骤为：
步骤一：母材Ⅱ（2）表面进行打磨，除去氧化层及油污；
步骤二：加工工具（3）对母材Ⅱ（2）进行搅拌摩擦加工形成塑性表层Ⅱ（5）；
塑性表层Ⅰ（4）和塑性表层Ⅱ（5）进行冷焊的步骤为：
步骤一：塑性表层Ⅰ（4）和塑性表层Ⅱ（5）进行机械加工，去除表面的氧化层、油污和水分吸附层，保证表面的平整及光滑；
步骤二：打开真空扩散焊炉，将待连接母材Ⅰ（1）和母材Ⅱ（2）装夹在工作台上，并将塑性表层Ⅰ（4）和塑性表层Ⅱ（5）表面相接触；
步骤三：关闭真空室，打开抽真空系统形成真空环境（6），启动加压系统（7）；
步骤四：保压结束后，卸载压力，打开真空室，取出异种金属复合结构件。
2.根据权利要求1所述的一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，其特征在于：所述加工工具（3）为无针搅拌头、搅拌针长度较小的锥形针带螺纹搅拌头、三铣平面锥形针带螺纹搅拌头或者圆柱针搅拌头。
3.根据权利要求1所述的一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，其特征在于：所述母材Ⅰ（1）和母材Ⅱ（2）的表面进行打磨采用砂纸手工打磨或采用磨床打磨。
4.根据权利要求1所述的一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，其特征在于：母材Ⅰ（1）和母材Ⅱ（2）冷焊过程中周围采用刚性夹具（9）。
5.根据权利要求1所述的一种强形变强压力辅助冷焊制备异种金属复合结构的方法，其特征在于：所述母材Ⅰ（1）和母材Ⅱ（2）为铝、镁、钛、铜、铁、镍或钴，母材Ⅰ（1）和母材Ⅱ（2）为异种金属。
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