CN114193014B - 厚壁铝锂合金管件的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置及焊接方法，本发明为了解决现有铝锂合金管件焊接在焊缝处容易产生缺陷，焊接强度较低的问题。焊接方法：一、对厚壁铝锂合金管件的待焊面进行清洗；二、在待焊面上磁控溅射沉积Cu膜；三、两个铝锂合金管件之间夹有钎料，在交变磁场的作用下进行钎焊；四、控制扩散连接温度为430～450℃，磁感应强度为2～5T，施加压力3～8Mpa，进行扩散连接。本发明用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置包括压力机、箱体、底座和电磁成形线圈。本发明通过钎焊+扩散焊，并在待焊面上溅射Cu膜解决气孔和热裂纹缺陷，扩散焊过程通过交变磁场强化扩散，提高了焊接接头的抗拉强度，使抗拉强度达到母材的80％左右。

Description

厚壁铝锂合金管件的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种铝锂合金管件的焊接装置及焊接方法。
背景技术
铝锂合金是一种低密度、高性能的新型结构材料，它比常规铝合金的密度低10％，而弹性模量却提高了10％.其比强度和比刚度高，低温性能好，还具有良好的耐腐蚀性能和非常好的超塑性。铝锂合金由于具有低温性能好、高弹性模量、高比强度和高比刚度等特点，在航空航天飞行器、轨道交通和核工业等领域中有着广泛的应用。而铝锂合金在工业生产中常作为焊接结构使用，为此，开发先进高效的焊接技术成为铝锂合金扩大应用的关键。
现有铝锂合金结构件的焊接方法主要有TIG氩弧焊、电子束焊、激光焊和钎焊等方法，但由于铝锂合金中Li元素的添加，以及各种焊接工艺因素的影响，使得铝锂合金在焊接时易产生焊缝气孔、焊缝区Li，Mg等合金元素烧损、热裂纹及接头软化等技术问题。因此，研究铝锂合金结构件的焊接工艺，以提高连接接头的强度，从而减轻结构重量，提高结构刚度，使得铝锂合金得到进一步广泛应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有铝锂合金管件焊接在焊缝处容易产生缺陷，焊接强度较低的问题，而提供一种用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置及焊接方法。
本发明厚壁铝锂合金管件的焊接方法按照以下步骤实现：
一、将厚壁铝锂合金管件的待焊面依次通过丙酮、NaOH溶液、去离子水和酸液清洗，得到去除氧化膜的铝锂合金管件；
二、在去除氧化膜的铝锂合金管件的待焊面上磁控溅射沉积Cu膜，得到带有Cu膜的铝锂合金管件；
三、在两个带有Cu膜的铝锂合金管件之间夹有Ag-Al-Cu-Zn钎料，然后置于交变磁场焊接装置中，保护气条件下控制钎焊温度为525℃～535℃，磁感应强度为0.1～0.6T的条件下进行钎焊，得到钎焊连接的厚壁管件；
四、在真空或者保护气条件下，控制扩散连接温度为430～450℃，磁感应强度为2～5T，施加压力3～8Mpa，进行扩散连接，从而完成厚壁铝锂合金管件的焊接。
本发明用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置包括压力机、箱体、底座和电磁成形线圈，底座设置在箱体的底部，压力机的压力杆上安装有卡盘，一个厚壁铝锂合金管件设置在底座上，另一个厚壁铝锂合金管件安装在卡盘上，压力杆伸入箱体内，两个厚壁铝锂合金管件对接并位于电磁成形线圈内。
本发明在铝锂合金管件的待焊面上沉积致密的Cu膜，通过钎焊在连接界面形成富Cu 相，提高接头的塑性和屈服强度，同时Cu膜对待焊面具有一定的保护作用，使焊接热影响区变窄。采用Ag-Al-Cu-Zn钎料，对铝锂合金管件进行钎焊连接，在钎焊过程中施加交变磁场，此时交变磁场的强度较低，主要是通过交变磁场促进熔融钎料流动，改善接头内部组织的凝固行为，消除或者减少气孔和焊接热裂纹，交变磁场还能够细化焊缝区晶粒，使晶粒均匀分布，改善焊缝组织。然后施加焊接压力，增加磁感应强度进行交变磁场强化扩散焊接，在交变强磁场以及压力的作用下，促进Cu原子在连接界面的双向扩散，从而完成厚壁铝锂合金管件的焊接。
本发明通过钎焊+扩散焊，溅射Cu膜使焊接热影响区变窄，钎焊过程通过交变磁场细化晶粒，解决气孔和热裂纹缺陷，扩散焊过程通过交变磁场强化扩散，提高了焊接接头的抗拉强度，使抗拉强度达到母材的80％左右。
附图说明
图1为本发明用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置的结构示意图；
图2为实施例中得到的焊缝电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式厚壁铝锂合金管件的焊接方法按照以下步骤实施：
一、将厚壁铝锂合金管件的待焊面依次通过丙酮、NaOH溶液、去离子水和酸液清洗，得到去除氧化膜的铝锂合金管件；
二、在去除氧化膜的铝锂合金管件的待焊面上磁控溅射沉积Cu膜，得到带有Cu膜的铝锂合金管件；
三、在两个带有Cu膜的铝锂合金管件之间夹有Ag-Al-Cu-Zn钎料，然后置于交变磁场焊接装置中，保护气条件下控制钎焊温度为525℃～535℃，磁感应强度为0.1～0.6T的条件下进行钎焊，得到钎焊连接的厚壁管件；
四、在真空或者保护气条件下，控制扩散连接温度为430～450℃，磁感应强度为2～5T，施加压力3～8Mpa，进行扩散连接，从而完成厚壁铝锂合金管件的焊接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的铝锂合金为8090铝锂合金、2090铝锂合金、2195铝锂合金或者2091铝锂合金。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是铝锂合金管件的管壁厚度为2mm～20mm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中沉积Cu 膜厚度为2～5μm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中控制钎焊温度为530℃，磁感应强度为0.2～0.4T的条件下进行钎焊3min～10min。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三和步骤四中控制交变磁场频率为0.5～2Hz。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤四中控制扩散连接温度为450℃，磁感应强度为3～5T，施加压力4～6Mpa。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤四中扩散连接时间为 2～6h。
具体实施方式九：本实施方式用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置包括压力机1、箱体2、底座3和电磁成形线圈4，底座3设置在箱体2的底部，压力机1的压力杆上安装有卡盘5，一个厚壁铝锂合金管件设置在底座3上，另一个厚壁铝锂合金管件安装在卡盘5上，压力杆伸入箱体2内，两个厚壁铝锂合金管件对接并位于电磁成形线圈4内。
具体实施方式十：本实施方式箱体2密封形成真空环境或者保护气环境。
实施例一：本实施例厚壁铝锂合金管件的焊接方法按照以下步骤实现：
一、厚壁铝锂合金管件采用8090铝锂合金，管件壁厚为6mm，管外壁为32mm，将厚壁铝锂合金管件的待焊面依次通过丙酮、NaOH溶液、去离子水和酸液清洗，得到去除氧化膜的铝锂合金管件；
二、在去除氧化膜的铝锂合金管件的待焊面上磁控溅射沉积厚度为3μm的Cu膜，得到带有Cu膜的铝锂合金管件；
三、在两个带有Cu膜的铝锂合金管件之间夹有Ag-Al-Cu-Zn钎料，然后置于交变磁场焊接装置中，氮气条件下控制钎焊温度为530℃，磁感应强度为0.2T，交变磁场频率为1Hz，进行钎焊5min，得到钎焊连接的厚壁管件；
四、在真空条件下，控制扩散连接温度为450℃，磁感应强度为2.5T，施加压力4Mpa，交变磁场频率为2Hz，进行扩散连接2h，从而完成厚壁铝锂合金管件的焊接。
本实施例步骤一中厚壁铝锂合金管件的待焊面在温度为50℃，质量浓度为15％的NaOH溶液中处理2分钟，酸液为1:3的稀硝酸，酸处理50s。
本实施例步骤三中Ag-Al-Cu-Zn钎料由质量分数为24％的Ag、40％的Zn、12.2％Cu和余量的Al。
本实施例采用具体实施方式九所述的用于厚壁铝锂合金管件的焊接装置包括压力机1、箱体2、底座3和电磁成形线圈4，底座3设置在箱体2的底部，底座3是在圆盘上设置有圆柱件，压力机1的压力杆上安装有卡盘5，一个厚壁铝锂合金管件套设在底座3的圆柱件上，另一个厚壁铝锂合金管件安装在卡盘5上，压力杆伸入箱体2内，两个厚壁铝锂合金管件对接并位于电磁成形线圈4内。
本实施例两个厚壁铝锂合金管件为对接焊接，通过钎焊+扩散焊并结合交变磁场的连接方式，得到焊缝晶粒细小均匀、无明显气孔和裂纹缺陷，避免母材产生过烧和软化。
本实施例两个厚壁铝锂合金管件对接形成的接头抗拉强度为175Mpa，而母材的抗拉强度为235Mpa，体现出优异的连接强度。
实施例二：本实施例厚壁铝锂合金管件的焊接方法按照以下步骤实现：
一、厚壁铝锂合金管件采用8090铝锂合金，管件壁厚为6mm，管外壁为32mm，将厚壁铝锂合金管件的待焊面依次通过丙酮、NaOH溶液、去离子水和酸液清洗，得到去除氧化膜的铝锂合金管件；
二、在去除氧化膜的铝锂合金管件的待焊面上磁控溅射沉积厚度为4μm的Cu膜，得到带有Cu膜的铝锂合金管件；
三、在两个带有Cu膜的铝锂合金管件之间夹有Ag-Al-Cu-Zn钎料，然后置于交变磁场焊接装置中，氮气条件下控制钎焊温度为530℃，磁感应强度为0.2T，交变磁场频率为1.5Hz，进行钎焊6min，得到钎焊连接的厚壁管件；
四、在真空条件下，控制扩散连接温度为450℃，磁感应强度为3.5T，施加压力5Mpa，交变磁场频率为2Hz，进行扩散连接2.5h，从而完成厚壁铝锂合金管件的焊接。
本实施例两个厚壁铝锂合金管件对接形成的接头抗拉强度为188.3Mpa。

Claims (7)

1.厚壁铝锂合金管件的焊接方法，采用的焊接装置包括压力机(1)、箱体(2)、底座(3)和电磁成形线圈(4)，底座(3)设置在箱体(2)的底部，压力机(1)的压力杆上安装有卡盘(5)，一个厚壁铝锂合金管件设置在底座(3)上，另一个厚壁铝锂合金管件安装在卡盘(5)上，压力杆伸入箱体(2)内；其特征在于该焊接方法按照以下步骤实现：
一、将厚壁铝锂合金管件的待焊面依次通过丙酮、NaOH溶液、去离子水和酸液清洗，得到去除氧化膜的铝锂合金管件；
二、在去除氧化膜的铝锂合金管件的待焊面上磁控溅射沉积Cu膜，得到带有Cu膜的铝锂合金管件；
三、在两个带有Cu膜的铝锂合金管件之间夹有Ag-Al-Cu-Zn钎料，然后置于交变磁场焊接装置中，保护气条件下控制钎焊温度为530℃，磁感应强度为0.2～0.4T的条件下进行钎焊3min～10min，得到钎焊连接的厚壁管件；
四、在真空或者保护气条件下，控制扩散连接温度为430～450℃，磁感应强度为2～5T，施加压力3～8Mpa，进行扩散连接，从而完成厚壁铝锂合金管件的焊接。
2.根据权利要求1所述的厚壁铝锂合金管件的焊接方法，其特征在于所述的铝锂合金为8090铝锂合金、2090铝锂合金、2195铝锂合金或者2091铝锂合金。
3.根据权利要求1所述的厚壁铝锂合金管件的焊接方法，其特征在于铝锂合金管件的管壁厚度为2mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的厚壁铝锂合金管件的焊接方法，其特征在于步骤二中沉积Cu膜厚度为2～5μm。
5.根据权利要求1所述的厚壁铝锂合金管件的焊接方法，其特征在于步骤三和步骤四中控制交变磁场频率为0.5～2Hz。
6.根据权利要求1所述的厚壁铝锂合金管件的焊接方法，其特征在于步骤四中控制扩散连接温度为450℃，磁感应强度为3～5T，施加压力4～6Mpa。
7.根据权利要求1所述的厚壁铝锂合金管件的焊接方法，其特征在于步骤四中扩散连接时间为2～6h。
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