CN113172322B

CN113172322B - 一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法

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Publication number: CN113172322B
Application number: CN202110529252.3A
Authority: CN
Inventors: 杨志婷; 李细锋; 陈军; 王斌; 梁滨; 李升�
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2041-05-14
Also published as: CN113172322A

Abstract

本发明涉及一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法，包括以下步骤：将液态镓直接涂覆于具有氧化层的铝锂合金板料的两个待扩散连接表面；将两个待扩散连接表面贴合固定，并且施加预设压力；通过脉冲电流对铝锂合金板料进行加热，并且在第一设定时间内升温至工作温度；当温度升至工作温度后等待第二设定时间，然后将施加的预设压力降压至工作压力；维持工作温度和工作压力，等待第三设定时间后断开脉冲电流完成扩散连接。与现有技术相比，本发明无需在扩散连接前去除铝锂合金表面的氧化层；无需在严格的真空环境下进行扩散连接，有效简化工艺流程，提高生产效率。

Description

一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法

技术领域

本发明涉及材料焊接技术领域，尤其是涉及一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法。

背景技术

扩散连接是一种固相连接技术，它是指在一定的温度和压力下使待连接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过在待连接表面上产生的微量液相而扩大待连接表面的物理接触，而后经过较长时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法。扩散连接接头的组织性能与母材接近或相同，能焊接其它方法难以焊接的材料，焊后焊件不变形，且不存在气孔、宏观裂纹等熔化焊常见缺陷，不存在具有过热组织的热影响区。

铝锂合金因其具有超强超韧、低密度、低各向异性以及良好的焊接性能与热稳定性等优点，已经成为航空航天、国防军事领域常用的材料。但是由于铝合金表面存在有一层致密且稳定的氧化层，阻碍原子在扩散连接界面处的相互扩散，且氧化层非常稳定，具有“旧膜难去、新膜易生”的特点，所以铝锂合金扩散连接的主要难点是如何处理表面的氧化层。

现有的铝锂合金扩散连接通常需要复杂的氧化层去除过程，并且在扩散连接时采用极高的温度从而使新产生的氧化层进行部分溶解。因此，仍然存在以下问题：(1)扩散连接件从去除到扩散连接的过程中仍然会产生新的氧化层，无法完全去除的表面氧化层导致原子无法充分扩散，降低扩散连接的强度。(2)工艺要求高，扩散连接过程中，扩散焊炉需要有高标准的真空度进行防氧化保护，高温的加热和冷却都会导致生产时间极大增加。(3)长时间过高的温度导致扩散连接件的性能劣化，晶粒的长大粗化导致其组织力学性能劣化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法，克服铝锂合金表面存在氧化层的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法，包括以下步骤：

S1、将液态镓直接涂覆于具有氧化层的铝锂合金板料的两个待扩散连接表面；

S2、将两个待扩散连接表面贴合固定，并且施加预设压力，预设压力必须大于扩散连接压力，用以保证待扩散连接表面的紧密接触。

S3、通过脉冲电流对铝锂合金板料进行加热，并且在第一设定时间内升温至工作温度，所述第一设定时间为5～8分钟；

S4、当温度升至工作温度后等待第二设定时间，然后将施加的预设压力降压至工作压力，所述第二设定时间为5～8分钟；

S5、维持工作温度和工作压力，等待第三设定时间后断开脉冲电流完成扩散连接。

进一步地，所述液态镓的涂覆量为0.5～0.8mg/cm²，以避免镓元素过多会导致接头强度不高。

进一步地，所述第三设定时间为30～120分钟。

进一步地，所述工作温度为520～550℃，以避免过高的温度导致镓元素深入基体深度过深对接头性能产生不利影响。

进一步地，所述铝锂合金板料的侧面点焊热电偶用于测量加热温度。

进一步地，通过对脉冲电流的电流大小和频率的调节进行铝锂合金板料温度的调节。

进一步地，所述的预设压力为12～15MPa。

进一步地，所述的工作压力为3～10MPa。

进一步地，所述待扩散连接表面在涂敷液态镓之前依次通过砂纸打磨、12％的NaOH溶液碱洗和35％的硝酸溶液酸洗，进行表面清洁。

本发明将镓元素作为铝锂合金扩散连接的中间层，使得氧化层的存在不再影响铝锂合金扩散连接：一方面镓原子能够穿过铝锂合金表面的氧化层，为连接界面处的原子扩散提供通道，从而减小了氧化层对界面处原子扩散的阻碍；另一方面氧化层的存在使镓原子不至于渗入基体过深，发挥了其作为中间层的作用，使铝锂合金无须在真空条件下进行扩散连接，简化了工艺要求、提高了生产效率。

同时，本发明通过脉冲电流实进行加热处理，同扩散焊炉加热方式相比，通过脉冲电流将极高能量在极短时间输入材料，此过程具有能量高、时间短、工艺便捷高效的特点；此外将脉冲电流引入材料后，可产生短时非平衡效应，对材料的组织造成影响，促使其组织性能发生改变，对金属材料的疲劳恢复、金属内部的晶粒细化及材料微裂纹愈合等方面有益。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)简化工艺流程和要求：无需扩散连接前对氧化层进行特殊处理，以及采用真空焊炉防氧化保护。镓元素能够穿过铝锂合金表面的氧化层为原子扩散提供通道，氧化层的存在一定程度上还能够避免镓元素过度渗入合金基体内破坏基体组织性能。

2)板料升温与冷却速率快：脉冲电流加热能在极短的时间内实现板料的升温，保证了镓不会过度渗入到合金基体中，发挥镓作中间层的有效作用，且避免了合金长时间处于高温状态造成的组织性能恶化。

3)脉冲电流的通用性强且易于调节：其加热使用不受连接件形状的限制，能应用于各类形状复杂的连接件，适应性强。

附图说明

图1为本实施例的装置结构示意图。

图2为本实施例的流程示意图。

附图标记：1-脉冲电源，2-下模座，3-导柱，4-垫块，5-脉冲电源正极夹头，6-螺栓，7-导套，8-上模座，9-压机上压头，10-上模，11-绝缘耐温板，12-铝锂合金板料，13-脉冲电源负极夹头，14-下模。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法。其采用的装置如图1所示，包括上模座8、下模座2、导柱3、导套7、压机上压头9、上模10、下模14、垫块4、绝缘耐温板11、螺栓6、脉冲电源正极5、脉冲电源负极13和脉冲电源1。所有结构可以划分为上模模块、下模模块、扩散连接模块以及测温模块四个模块。其中上模座8和下模座2通过导柱3相连，导柱3上滑动设置有导套7。

上模模块包括：上模座8和设置于上模座8下方的压机上压头9。

下模模块包括：下模座2和设置于下模座2上方的垫块4。

扩散连接模块包括：上模10、下模14、螺栓6、绝缘耐温板11、铝锂合金板料12以及连在其两端的脉冲电源正极5及脉冲电源负极13。脉冲电源正极5及脉冲电源负极13分别从脉冲电源1对应两极引出，铝锂合金板料12置于通过绝缘耐温板11与上模10和下模14隔开，绝缘耐温板11的宽度要大于铝锂合金板料12的宽度且长度等于上模10的直径。

测温模块包括：点焊在扩散连接铝锂合金板料12侧面的热电偶(图中未示出)。利用其可对铝锂合金板料12扩散连接区域进行温度监控，实时调节脉冲电流的输入参数。

如图2所示，电辅助扩散连接方法具体包括以下步骤：

步骤S1、将液态镓直接涂覆于具有氧化层的铝锂合金板料12的两个待扩散连接表面。将装有99.99％纯度镓的塑料容器浸于沸水中5分钟，得到部分熔化的液态镓。利用吹风机加热铝锂合金板料12后，将洁净的软布蘸取熔化得到的液态镓，均匀涂抹于所述铝锂合金板料12待扩散连接表面，镓元素的涂抹量一般为0.5～0.8mg/cm²，本实施例中优选0.6mg/cm²。

步骤S2、将两个待扩散连接表面贴合固定，并且通过装置施加预设压力。将两块铝锂合金板料12的待扩散连接表面贴合后，利用螺栓6进行固定；同时铝锂合金板料12利用螺栓6同脉冲电源1两极引出的正极夹头5和负极夹头13固定。然后将固定后的铝锂合金板料12置于绝缘耐温板11之间，通过绝缘耐温板11与上模10、下模14隔开，随后压机上压头9下行施加预设压力，保证所有接触表面之间紧密贴合。预设压力一般为12～15MPa，本实施例中优选15MPa。该预设压力必须大于扩散连接时候的工作压力，用以保证板料扩散连接表面的紧密接触。

步骤S3、通过脉冲电流对铝锂合金板料12进行加热。打开所述脉冲电源1，由于焦耳热效应，铝锂合金板料12快速升温至扩散连接指定的工作温度，利用点焊在铝锂合金板料12侧面的热电偶监控扩散连接区域的温度并实时调节电流参数，维持温度。快速升温的时间一般为5～8分钟，本实施例中优选5分钟。工作温度一般为520～550℃，以避免镓元素深入基体深度过深对接头性能产生不利影响，本实施例中由优选520℃。

步骤S4、当温度升至工作温度后等待第二设定时间，然后将装置施加的预设压力降压至工作压力。第二设定时间一般为5～8分钟，本实施例优选5分钟。工作压力一般为3～10Mpa，本实施例中优选10Mpa。也就是说，保温5分钟后，压机上压头9适当上行直到压力减小至指定扩散连接的工作压力10MPa。

步骤S5、维持工作温度和工作压力，等待第三设定时间后关闭脉冲电源1，压机上压头9上行卸去压力完成扩散连接过程，冷铝锂合金板料12却至室温后取出。第三设定时间为30～120分钟，本实施例中优选30分钟。

本实施例集成了电流辅助加热、镓作中间层扩散连接、实时测温控温等过程与功能，可根据测量扩散连接区域温度的变化实时调节脉冲电流大小与脉冲频率大小，保证扩散连接过程中的温度合适，扩散连接效果稳定。镓作中间层使得连接无需在高真空环境下进行，并且无需在扩散连接前特意去除表面氧化层，简化了工艺流程；电辅助扩散连接的手段不仅降低了生产成本，而且缩短了工艺周期，节约了能源，提高了铝锂合金扩散连接界面质量。经过剪切强度测试，此方法所得铝合金扩散连接的接头强度可达80MPa。

在另一实施例中，待扩散连接表面在涂敷液态镓之前还可进行一步表面清洁处理，使扩散连接的强度更好，效果更佳。具体为：将铝锂合金板料分别利用280目、600目、800目、1000目、1200目、1500目砂纸打磨，其次用12％的NaOH溶液浸泡3min，丙酮清洗试样表面，然后用35％的稀硝酸溶液浸泡5min，而后将试样浸泡于酒精溶液，利用超声清洗15分钟后，吹风机吹干试样得到洁净的待扩散连接表面。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、将两个待扩散连接表面贴合固定，并且施加预设压力；

S5、维持工作温度和工作压力，等待第三设定时间后断开脉冲电流完成扩散连接；

所述液态镓的涂覆量为0.5～0.8mg/cm²；

所述第三设定时间为30～120分钟；

所述工作温度为520～550℃；

所述铝锂合金板料的侧面点焊热电偶用于测量加热温度；

所述的预设压力为12～15MPa；

所述待扩散连接表面在涂敷液态镓之前依次通过砂纸打磨、12％的NaOH溶液碱洗和35％的硝酸溶液酸洗，进行表面清洁。

2.根据权利要求1所述的一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法，其特征在于，通过对脉冲电流的电流大小和频率的调节进行铝锂合金板料温度的调节。

3.根据权利要求1所述的一种铝锂合金镓作中间层的电辅助扩散连接方法，其特征在于，所述的工作压力为3～10MPa。