CN114749750A - 一种用于3d打印产品的钎焊接头的成形控制方法 - Google Patents

一种用于3d打印产品的钎焊接头的成形控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接方法的技术领域，公开了一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，其特征在于：在3D打印产品的待焊接处设置有一个呈三维沟槽结构的焊接连接面，将两个所述焊接连接面对接在一起，并在其连接处铺上带状钎料，然后采用钎焊方法将两个焊接连接面焊接在一起。通过在3D打印产品的待焊接处设计三维沟槽结构面，利用真空钎焊技术制备3D结构钎焊接头，三维结构接头不但能提高钎焊接头冶金结合面积，还能抑制接头残余应力，可以大幅度提高接头力学性能，为SLM技术在实现多功能、多个结构复杂构件的一体化设计制备提供一种有效的新技术途径。

Description

一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法
技术领域
本发明属于焊接方法的技术领域，涉及一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法。
背景技术
激光选区熔化(SLM)技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用，然而随着工业发展，对于结构件的设计变得越来越多功能化，越来越整体化，这必然导致结构的复杂，体积增大，材料的多元化。SLM技术虽然可以制备结构复杂构件，但是针对多个复杂构件一次性打印，目前还难以完成；其次，受大型设备价格昂贵限制，针对大体积构件还无法制备；另外对于多材料复合构件的制备，仍然无法完成，针对以上问题，急需一种可以针对3D打印产品的焊接方法完成。
发明内容
本发明提供了一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，通过在3D打印产品的待焊接处设计三维沟槽结构面，利用真空钎焊技术制备3D结构钎焊接头，三维结构接头不但能提高钎焊接头冶金结合面积，还能抑制接头残余应力，可以大幅度提高接头力学性能，为SLM技术在实现多功能、多个结构复杂构件的一体化设计制备提供一种有效的新技术途径。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，在3D打印产品的待焊接处设置有一个呈三维沟槽结构的焊接连接面，将两个所述焊接连接面对接在一起，并在其连接处铺上带状钎料，然后采用钎焊方法将两个焊接连接面焊接在一起。
进一步，所述焊接连接面的横截面呈锯齿状、正弦状、矩形状或者梯形状曲线，其材料设置为钛基合金TC4、镍基合金In718或者不锈钢316L。
进一步，所述锯齿状、正弦状、矩形状或者梯形状曲线的波形槽峰值设置为0.4mm～1mm，波峰间距设置为0.5～2mm。
进一步，包括以下步骤：
步骤一、利用激光选区熔化SLM技术，打印三维沟槽结构的焊接连接面以及3D产品，然后用线切割机将打印出来的构件从基板上切下来，并去除构件表面的杂质，再清洗、烘干；
步骤二、将两个焊接连接面对接到一起，再在其连接处铺上片状钎料，采用夹具夹紧，放入高温真空钎焊炉中进行钎焊，其工艺参数为：200℃之前，升温速率20℃/min，在200℃保温40min，之后升温速率为10℃/min，在低于钎料熔点50℃处，保温20min，然后升温到钎焊温度，开展钎焊工艺实验，最后然后随炉冷却。
进一步，所述片状钎料的成分设置为钛Ti、锆Zr、铜Cu、镍Ni。
本发明有益的技术效果在于：
(1)采用激光选区熔化技术设计制备不同波形、不同尺寸的焊接连接面，进而采用钎焊方法制备出高可靠、高力学性能的三维结构钎焊接头，其钎焊接头力学性能明显提升，与平面钎焊接头相比，沿平行波形方向剪切，强度提高20％-50％左右，沿垂直方向剪切，强度提高30％-70％左右，其抗拉强度也提高了20％-40％左右。
(2)采用激光选区熔化技术制备三维结构钎焊连接面，相比与机加工得到三维结构钎焊面，可以节省机加工工序，同时可以节省加工成本、时间成本和材料成本。
(3)采用激光选区熔化技术与真空钎焊相结合办法，制备高可靠、高力学性能接头，这种方法可以让工件在设计中不必考虑机械加工可行性，可以大大释放设计空间，进一步促进激光选区熔化技术的应用范围，为实现“材料-结构-功能”一体化设计制造提供了新技术途径。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明的各种焊接连接面的结构示意图；
图3为本发明的焊接连接面打印成型后的实物图及3D结构面形貌示意图；
图4为本发明的钎焊后的正弦波接头结构示意图；
图5为传统的平面钎焊接头和本发明的波形接头剪切断口的对比示意图；
图6为传统的平面钎焊接头和本发明的波形槽峰值为1mm的剪切强度对比示意图；
图7为传统的平面钎焊接头和本发明的波形槽峰值为1mm的拉伸强度对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
真空钎焊作为一种低成本、高质量、低变形、操作简单的连接方式，适合复杂结构及异种材料之间连接，但是，传统的钎焊接头强度相对较低，且钎料中存在低熔点元素，极易产生脆性的金属间化合物，且钎缝中存在一定残余应力，特别是涉及异种金属材料构件的连接，导致钎焊后接头强度仅能达到母材的50％-70％左右，这样严重限制构件的整体性能。因此，本发明提供了一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，如图1所示，采用SLM技术与真空钎焊技术相结合的方法，在3D打印产品的待焊接处设置有一个呈三维沟槽结构的焊接连接面，将两个所述焊接连接面对接在一起，并在其连接处铺上带状钎料，然后采用钎焊方法将两个焊接连接面焊接在一起。这样，利用SLM技术制造灵活性、高精密性，在打印构件连接处制备出三维结构钎焊连接面，结合真空钎焊技术，制备出一种三维结构的钎焊接头，该三维结构的钎焊接头不但能够通过两构件母材间交叉分布，使母材间形成一个天然的机械咬合，能有效地控制接头残余应力，同时增加钎焊接头冶金结合面，可获得高可靠、高力学性能接头。这种工艺制备方法将对SLM技术在构件的设计，制造的一体化设计制造提供可能，为更大、更复杂、多材料、多功能零部件的制造提供了新技术手段。具体如下：
1)设计三维结构的焊接连接面：利用三维软件在两个3D打印产品的待焊接处设计出相互匹配的多种波形结构的焊接连接面，如图2、3所示，其横截面可呈锯齿状、正弦状、矩形状或者梯形状曲线等等，其波形槽峰值可以设置为0.4mm-1mm，波峰间距可设置为0.5mm-2mm，考虑到钎焊的温度需求，其材料可设置为钛基合金TC4、镍基合金In718或者不锈钢316L。
2)3D打印：将模型导入Materialise Magics软件后进行切片，切片厚度根据不同材料属性进行选择，一般在25～50μm之间设置，再将Materialise Magics上设计好的用于钎焊的波形结构导入Concept Laser M2仪器中打印，通入惰性气体氩气，根据需求将基板预热到170℃，设置工艺参数如扫描速度、激光功率、光斑直径、扫描间距、扫描路径等，进行构件打印如不锈钢316L和钛基合金TC4材料制成的构件。
3)切割：将打印成型的构件从基板上切下来。
4)预处理：去掉表面多余支撑，对构件表面进行喷砂处理，去除表面多余粘结粉末，可选用200目沙粒喷砂，在0.4MPa-0.6MPa气压下，将沙粒喷到构件表面，去除表面未完全熔化的粉末；然后放入4％硝酸酒精溶液中用超声波清洗15分钟，去除构件表面油渍及氧化物。
5)真空钎焊：将清洗后打印构件相互匹配的焊接连接面对接到一起，在其连接处铺上片状钎料，采用适当的夹具夹紧，放入高温真空钎焊炉中进行钎焊。加热钎焊温度，并保温一段时间，随炉冷却，真空度≤8*10-3。
根据不同材料，采用钛Ti、锆Zr、铜Cu、镍Ni等材料组成的带状钎料置于两个焊接连接面的连接处，采用夹具加紧，放入真空钎焊炉中进行钎焊。钎焊工艺为：200℃之前，升温速率20℃/min，在200℃保温40min，之后升温速率为10℃/min，在低于钎料熔点50℃处，保温20min，然后升温到钎焊温度，开展钎焊工艺实验，最后然后随炉冷却。
6)所述的真空钎焊，将带状钎料放置到相匹配的波形结构之间固定加紧，开展真空实验，其加热过程为在室温到200℃，升温速率20℃/min，并在200℃保温20min；200℃-600℃升温速率为10℃/min，并在600℃保温20min；从600℃至钎焊温度以下100℃，升温为速率为5℃/min，并在钎焊温度以下100℃保温30min；升至钎焊温度开展不同保温时间工艺焊接，然后随炉冷却。
为了凸显3D波形结构对钎焊接头力学性能影响，设置同等条件下的传统的平面钎焊接头，分别对结构开展剪切和拉伸对比实验，如图4-7所示，得到该结构下，最佳工艺参数，并通过组织分析，全面阐述不同结构、尺寸3D波形结构对接头力学性能的影响。
综上所述，根据实验结构可知，波形结构能够有效的提高钎焊接头的强度，与平面钎焊接头相比，沿平行波形方向剪切，强度提高20％-50％左右，沿垂直方向剪切，强度提高30％-70％左右，其抗拉强度也提高了20％-40％左右。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (5)

1.一种用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，其特征在于：在3D打印产品的待焊接处设置有一个呈三维沟槽结构的焊接连接面，将两个所述焊接连接面对接在一起，并在其连接处铺上带状钎料，然后采用钎焊方法将两个焊接连接面焊接在一起。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，其特征在于：所述焊接连接面的横截面呈锯齿状、正弦状、矩形状或者梯形状曲线，其材料设置为钛基合金TC4、镍基合金In718或者不锈钢316L。
3.根据权利要求2所述的用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，其特征在于：所述锯齿状、正弦状、矩形状或者梯形状曲线的波形槽峰值设置为0.4mm～1mm，波峰间距设置为0.5～2mm。
4.根据权利要求2所述的用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、利用激光选区熔化SLM技术，打印三维沟槽结构的焊接连接面以及3D产品，然后用线切割机将打印出来的构件从基板上切下来，并去除构件表面的杂质，再清洗、烘干；
步骤二、将两个焊接连接面对接到一起，再在其连接处铺上片状钎料，采用夹具夹紧，放入高温真空钎焊炉中进行钎焊，其工艺参数为：200℃之前，升温速率20℃/min，在200℃保温40min，之后升温速率为10℃/min，在低于钎料熔点50℃处，保温20min，然后升温到钎焊温度，开展钎焊工艺实验，最后然后随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的用于3D打印产品的钎焊接头的成形控制方法，其特征在于：所述片状钎料的成分设置为钛Ti、锆Zr、铜Cu、镍Ni。
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