CN114043063A - 一种铝锂合金扩散焊焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝锂合金扩散焊焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：步骤1，对待焊接的铝锂合金进行加工使其待扩散连接表面达到预定粗糙度，然后清洗去除污渍和氧化膜；清洗3A21铝合金中间层；步骤2，将3A21铝合金中间层置于两个待焊接的铝锂合金的待扩散连接表面之间，施加预设压力后抽真空至工作真空度；步骤3，采用阶段升温的方式进行加热直至温度升至工作温度，施加工作压力，维持工作压力和工作温度至扩散焊完成。用3A21铝合金作中间层1420铝锂合金真空扩散连接可以改善扩散条件，加速扩散过程，提高原子的扩散程度从而获得高质量高强度接头，剪切强度可达到131MPa，热处理后强度会更高。

Description

一种铝锂合金扩散焊焊接方法
技术领域
本发明涉及金属扩散焊技术领域，特别是涉及一种铝锂合金的扩散焊焊接方法，具体涉及一种3A21铝合金中间层的1420铝锂合金扩散焊焊接方法，属于扩散焊领域。
背景技术
铝锂合金是一种新型轻合金材料，以其较小的密度和较高的弹性模量而成为航天航空领域一种很有发展潜力的材料，可使结构重量大大降低。铝锂合金结构能够满足结构性能和轻量化设计的双重技术指标，但其涉及的焊接技术作为轻量化设计中关键问题仍未得到有效而定解决。
铝锂合金的焊接方法有激光焊、氩弧焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、钎焊等，但熔化焊时，易产生焊接热裂纹、锂的烧损、气孔等缺陷，使接头性能降低，钎焊容易造成组织过烧，影响接头强度，采用真空扩散焊接方法能减少或避免与熔化焊有关的缺陷。
扩散焊是指在一定的温度和压力下，被连接表面相互接触，通过使界面局部发生微观塑性变形，或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后界面原子间经过一定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程。当两种材料很难焊接时，可在被焊材料之间加入一层金属或合金(称为中间层)，这样可以焊接很多难焊的材料，这种焊接方法叫做中间层扩散焊。
铝锂合金表面的氧化膜极其稳定，具有旧膜难除、新膜易生的特点，必须采用特殊方法实现铝锂合金的扩散连接。经过铝锂合金扩散连接技术的不断发展，在严格的工艺条件下铝锂合金扩散连接接头的剪切强度几乎达到了母材强度。
对铝锂合金的真空扩散焊的研究主要集中在铝锂8090和2090系列，通过用真空扩散焊方法获得了抗剪强度不低于母材90％的接头，但数据波动性大，可重复性差，而有关1420铝锂合金的真空扩散焊接的研究还很少。英国剑桥大学Shirzadi等人提出了将液体金属镓(Ga)作中间层用于铝合金扩散连接的方法，并申请了发明专利。Ferchaud等人也对该方法进行了研究，获得了不错的扩散连接效果，并对镓(Ga)致铝合金表面活化的机理做了深入研究，牛涛等人采用涂擦方法开展了镓中间层1420铝锂合金扩散连接试验研究，获得了较好的连接质量，剪切强度为58.8MPa，陈文华等人采用不同的工艺分别选用铜(Cu)，镍(Ni)，锌(Zn)为作中间层真空扩散焊连接1420铝锂合金发现有铜(Cu)作为中间层的扩散焊试样接头均匀，有镍(Ni)中间层的扩散焊试样剪切强度最高为156MPa。
但是以上提到和目前现有的1420铝锂合金扩散焊焊接工艺都不太成熟，数据波动性大，可重复性差，很难得到比较好的连接质量，具有诸多不足：
(1)采用真空扩散焊无中间层焊接1420铝锂合金时，焊接效果较差，接头强度极低，几乎没有强度。
(2)用Cu作为中间层采用真空扩散焊焊接1420铝锂合金时，由于Cu的熔点高，1420铝锂合金熔点低，低温度焊接导致Cu元素扩散不充分，高温度焊接导致铝锂合金组织过烧接头，最终影响焊接效果，除此之外，焊后接头热剥离强度低，接头晶粒粗大。
(3用Ni作为中间层采用真空扩散焊焊接1420铝锂合金时，虽然提高了焊接强度，但是会污染炉体，影响其他产品的焊接。
(4)用Ga作为中间层采用扩散焊焊接方法一般是用液态Ga作抛光剂，将铝锂合金试样在加热到50℃的抛光盘上抛光10s，使Ga均匀的涂在试样表面，显然这种方法操作复杂，效率低，成本高。另外焊后剪强度58.8MPa，不满足许多产品的强度要求，同时还会污染炉体。
(5)用Zn作为中间层采用真空扩散焊焊接1420铝锂合金时，虽然提高了焊接强度，但热剥离强度和耐腐蚀性差，达不到理想焊接效果。
(6)用Ag作为中间层采用真空扩散焊铜焊接1420铝锂合金时，由于软界面及Ag和Al的化合物存在，接头强度低，同时还会污染炉体。
(7)用纯铝(Al)作为中间层采用真空扩散焊焊接1420铝锂合金时，接头强度低。
为解决以上不足，结合1420铝锂合金扩散焊连接接头在航空航天领域的迫切需求。围绕铝锂合金扩散焊焊接性差、成品率低、焊缝界面原子扩散程度低而严重影响接头承载性能等问题。本发明提出一种3A21铝合金中间层的1420铝锂合金扩散焊焊接方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中1420铝锂合金扩散焊焊接方法存在的技术缺陷，而提供一种3A21铝合金中间层的1420铝锂合金扩散焊焊接方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种铝锂合金扩散焊焊接方法，两个待焊接的铝锂合金均为1420铝锂合金，通过3A21铝合金作为中间层，通过真空扩散焊焊接方式连接。
在上述技术方案中，所述焊接方法包括以下步骤：
步骤1，对待焊接的铝锂合金进行加工使其待扩散连接表面达到预定粗糙度，然后清洗去除污渍和氧化膜；
清洗3A21铝合金中间层；
步骤2，将3A21铝合金中间层置于两个待焊接的铝锂合金的待扩散连接表面之间，施加预设压力后抽真空至工作真空度；
步骤3，采用阶段升温的方式进行加热直至温度升至工作温度，施加工作压力，维持工作压力和工作温度至扩散焊完成。
在上述技术方案中，所述步骤1中，采用数控加工的方式对所述待焊接的铝锂合金进行加工，加工后，所述预定粗糙度小于Ra1.6，平行度小于0.08mm。
在上述技术方案中，所述3A21铝合金中间层厚度为20～30μm，以避免厚度过大多会导致接头强度不高，所述铝锂合金为厚度0.5mm～100mm的板材。
在上述技术方案中，所述3A21铝合金中间层的长度大于所述铝锂合金的长度，所述3A21铝合金中间层的宽度大于所述铝锂合金的宽度。
在上述技术方案中，所述步骤1中，用酸碱溶液清洗铝锂合金去除污渍和氧化膜，用工业酒精清洗3A21铝合金。
在上述技术方案中，所述步骤2中，预设压力为0.2～1MPa，所述工作真空度小于等于5×10-3Pa。
在上述技术方案中，为了使工件温度均匀分布，避免工件温度分布不均匀对接头性能产生不利影响，所述步骤3中，阶段升温分为以下步骤：
步骤s1，在10～30分钟内升温至0.6～0.7倍的工作温度；
步骤s2，当温度升至0.6～0.7倍的工作温度后等待30～60分钟；
步骤s3，在10～30分钟内升温至工作温度。
在上述技术方案中，所述步骤3中，工作压力为3～15MPa，工作温度为480～550℃，以避免过高的温度导致铝锂合金组织过烧对接头性能产生不利影响。
在上述技术方案中，所述步骤3中，维持工作压力和工作温度的时间为60～150分钟。
在上述技术方案中，所述步骤2和步骤3在真空扩散焊设备中进行，利用真空扩散焊设备的加热系统进行加热，所述铝锂合金的侧面接触热电偶用于测量加热温度。
本发明的另一方面，所述方法在制备蛇形水道冷板中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.用3A21铝合金作中间层1420铝锂合金真空扩散连接可以改善扩散条件，加速扩散过程，提高原子的扩散程度从而获得高质量高强度接头，剪切强度可达到131MPa，热处理后强度会更高。
2.1420铝锂合金国标牌号为5A90，属于防锈新型铝合金，而3A21铝合金也属于防锈铝合金，因此选用3A21铝合金作中间层可以保持材料原有的防锈特性，焊后接头热剥离强度和耐腐蚀性高。
3.用3A21铝合金作中间层可以避免接头材料中引入其他金属杂质，焊接不会对炉体产生污染。
4.扩散焊焊接时不需要抛光，不存在复杂操作，成品率高，容易实现，相比其他中间层费用和总成本都低；焊接温度低，能耗低，不会出现过烧；焊后不用做热处理。
附图说明
图1为零件布置示意图；
图2为零件架构参数示意图；
图3为取样位置布局及取样参数示意图；
图4为剪切试样参数示意图；
图5为冷板零件布置示意图；
图6为冷板零件架构参数示意图；
图7为1420铝锂合金冷板取样位置布局及取样参数示意图；
图中：1-1420铝锂合金板料，2-3A21铝合金中间层，3-1420铝锂合金板料，4-剪切试样，5-金相试样，6-1420铝锂合金冷板盖板，7-3A21铝合金中间层，8-1420铝锂合金冷板基板。
a、b、t分别为1420铝锂合金板料的长度、宽度和厚度；
L、S、δ分别为3A21铝合金中间层的长度、宽度和厚度；
Ls、Ss分别为剪切试样的取样长度和取样宽度，金相试样长度Lf，金相试样宽度Sf，剪切试样长度Lt，剪切试样宽度St，剪切试样底面到焊缝的距离Ht，剪切试样顶面到焊缝的距离h，剪切试样断面到上台阶出的距离Lg，台阶宽度Sg；
GL、GS、Gt分别为1420铝锂合金冷板盖板的长度、宽度和厚度；
JL、JS、Jt分别为1420铝锂合金冷板基板的长度、宽度和厚度，水道槽深度CH，水道槽宽度CS。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例使用的1420铝合金板料尺寸分别为长度a＝100mm，宽度b＝100mm，厚度t＝10mm，数量为2块，作中间层的3A21铝合金尺寸分别为长度L＝110mm，宽度S＝110mm，厚度δ＝20μm。
一种铝锂合金扩散焊焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，通过直接数控加工方式对1420铝锂合金板料1、1420铝锂合金板料3进行加工，使得待扩散连接表面的粗糙度为Ra0.8，平面度为0.05mm。焊前用酸碱溶液进行清洗，去除表面污渍和氧化膜。作中间层的3A21铝合金用工业酒精超声波清洗。
步骤2，清洗完成后进行装配和入炉，将3A21铝合金中间层2直接放置于1420铝锂合金板料的两个待扩散连接表面之间，如图1所示，将两个待扩散连接表面贴合，上下用工装固定，并且施加预设压力，预设压力为0.2MPa，用以保证待扩散连接表面的紧密接触以及抽真空过程中防止试件晃动，之后对扩散焊设备焊接室进行抽真空，直至焊接室真空度达到工作真空度2×10-3Pa。
步骤3，对铝锂合金板料进行加热至工作温度(此过程一般根据设备升温速率进行分段分段式加热)，在30min内，以10℃/min，从常温加热到300℃，保温30min，此时压力为0.2MPa，之后20min内以10℃/min，从300℃加热到工作温度490℃，保温80min，此时压力为工作压力5MPa，之后关掉加热进行随炉冷却。
从焊后试件上不同位置提取金相试样5和剪切试样4，如图3、4所示，并对进行宏观金相和剪切强度测试，经检测结果得知，接头均匀，剪切强度可达131MPa，显然3A21铝合金中间层的1420铝锂合金扩散焊焊接方法比现有的焊接效果好，可以克服现有焊接所存在的上述缺点和不足。
当上下1420铝锂合金板料尺寸一样，3A21铝合金中间层的长宽尺寸比1420铝锂合金板料大时，原子间的扩散比较充分，焊接效果好。
实施例2
与实施例1采用相同尺寸的1420铝锂合金板料1和1420铝锂合金板料3，3A21铝合金中间层2的长度宽度与实施例1相同，厚度采用30μm；
一种铝锂合金扩散焊焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，通过直接数控加工方式对1420铝锂合金板料1、1420铝锂合金板料3进行加工，使得待扩散连接表面的粗糙度为Ra1.6，平面度为0.08mm。焊前用酸碱溶液进行清洗，去除表面污渍和氧化膜。作中间层的3A21铝合金用工业酒精超声波清洗。
步骤2，清洗完成后进行装配和入炉，将3A21铝合金中间层2直接放置于1420铝锂合金板料的两个待扩散连接表面之间，如图1所示，将两个待扩散连接表面贴合，上下用工装固定，并且施加预设压力，预设压力为0.4MPa，用以保证待扩散连接表面的紧密接触以及抽真空过程中防止试件晃动，之后对扩散焊设备焊接室进行抽真空，直至焊接室真空度达到工作真空度4×10-3Pa。
步骤3，对铝锂合金板料进行加热至工作温度(此过程一般根据设备升温速率进行分段分段式加热)，在30min内，以10℃/min，从常温加热到320℃，保温30min，此时压力为0.4MPa，之后20min内以10℃/min，从300℃加热到工作温度520℃，保温80min，此时压力为工作压力8MPa，之后关掉加热进行随炉冷却。
从焊后试件上不同位置提取金相试样5和剪切试样4，如图3、4所示，并对进行宏观金相和剪切强度测试，经检测结果得知，接头均匀，剪切强度可达126MPa。
实施例3
本实施例使用的1420铝合金板料设计蛇形水道冷板，其中1420铝锂合金冷板盖板6的尺寸分别为长度GL＝120mm，宽度GS＝100mm，厚度Gt＝7mm，1420铝锂合金冷板基板8的尺寸为长度JL＝120mm，宽度JS＝100mm，厚度Jt＝12mm，水道槽深度CH＝2.5mm，水道槽宽度CS＝10mm，进出水口直径为
Figure BDA0003403778400000061
3A21铝合金中间层7的尺寸分别为长度L＝130mm，宽度S＝110mm，厚度δ＝20μm。
一种铝锂合金扩散焊焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，通过数控加工方式得到1420铝锂合金冷板盖板6和1420铝锂合金冷板基板8，使得待扩散连接表面的粗糙度为Ra0.8，平面度为0.05mm，作为中间层的3A21铝合金中间层7通过激光切割方式加工外形，去除未焊接面(水道槽)位置的3A21铝合金。焊前用酸碱溶液进行清洗，去除表面污渍和氧化膜。作中间层的3A21铝合金用工业酒精超声波清洗。
步骤2，清洗完成后进行装配和入炉，将3A21铝合金中间层7直接放置于1420铝锂合金板盖板6和1420铝锂合金冷板基板8的两个待扩散连接表面之间，如图5所示，将两个待扩散连接表面贴合，上下用工装固定，并且施加预设压力，预设压力为0.2MPa，用以保证待扩散连接表面的紧密接触以及抽真空过程中防止试件晃动，之后对扩散焊设备焊接室进行抽真空，直至焊接室真空度达到工作真空度2×10-3Pa。
步骤3，对铝锂合金板料进行加热，(此过程一般根据设备升温速率进行分段分段式加热)，在30min内，以10℃/min，从常温加热到300℃，保温30min，此时压力为0.2MPa，之后20min内以10℃/min，从300℃加热到工作温度490℃，保温80min，此时压力为工作压力5MPa，之后关掉加热进行随炉冷却。
焊后1420铝锂合金冷板进行密封性测试，打气压1.8Mpa(约为0.7吨压力)，气体介质为氮气(N2)，保压24小时，经检测，1420铝锂合金焊缝无泄漏，无鼓包，气压表无降压情况，显然1420铝锂合金焊缝质量性满足一般冷板产品焊缝质量要求。
为了进一步确认焊后扩散焊接头强度，从1420铝锂合金冷板上不同位置提取剪切试样4，如图7、4所示，并对焊缝进行剪切强度测试，经检测结果得知，剪切强度达到了130MPa，由此得出3A21铝合金中间层的1420铝锂合金扩散焊接头强度比较稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，两个待焊接的铝锂合金均为1420铝锂合金，通过3A21铝合金作为中间层，通过真空扩散焊焊接方式连接。
2.如权利要求1所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对待焊接的铝锂合金进行加工使其待扩散连接表面达到预定粗糙度，然后清洗去除污渍和氧化膜；
清洗3A21铝合金中间层；
步骤2，将3A21铝合金中间层置于两个待焊接的铝锂合金的待扩散连接表面之间，施加预设压力后抽真空至工作真空度；
步骤3，采用阶段升温的方式进行加热直至温度升至工作温度，施加工作压力，维持工作压力和工作温度至扩散焊完成。
3.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述步骤1中，采用数控加工的方式对所述待焊接的铝锂合金进行加工，加工后，所述预定粗糙度小于Ra1.6，平行度小于0.08mm，用酸碱溶液清洗铝锂合金去除污渍和氧化膜，用工业酒精清洗3A21铝合金。
4.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述3A21铝合金中间层厚度为20～30μm，所述铝锂合金为厚度0.5mm～100mm的板材。
5.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述3A21铝合金中间层的长度大于所述铝锂合金的长度，所述3A21铝合金中间层的宽度大于所述铝锂合金的宽度。
6.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述步骤2中，预设压力为0.2～1MPa，所述工作真空度小于等于5×10-3Pa。
7.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述步骤3中，阶段升温分为以下步骤：
步骤s1，在10～30分钟内升温至0.6～0.7倍的工作温度；
步骤s2，当温度升至0.6～0.7倍的工作温度后等待30～60分钟；
步骤s3，在10～30分钟内升温至工作温度。
8.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述步骤3中，工作压力为3～15MPa，工作温度为480～550℃，维持工作压力和工作温度的时间为60～150分钟。
9.如权利要求2所述的铝锂合金扩散焊焊接方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3在真空扩散焊设备中进行，利用真空扩散焊设备的加热系统进行加热，所述铝锂合金的侧面接触热电偶用于测量加热温度。
10.如权利要求1-9中任一项所述的铝锂合金扩散焊焊接方法在制备蛇形水道冷板中的应用。
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