CN116275444A - 一种铝锂合金扩散焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝锂合金扩散焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：将两块铝锂合金板材接合后依次进行抽真空、升温和加压，采用保温保压的方式进行扩散焊接处理，得到焊接预制件；将得到的焊接预制件依次进行卸压、随炉冷却及空冷处理得到焊接件。本发明的焊接方法操作简单，焊接参数易控，焊接质量稳定，得到的焊接件焊缝结合强度高，扩散均匀性强，不易产生缺陷，且焊件在室温条件和高温条件下均具有优异的接头剪切强度，可直接应用于飞机结构件。

Description

一种铝锂合金扩散焊接方法

技术领域

本发明涉及同种金属焊接领域，尤其涉及一种铝锂合金扩散焊接方法及其焊接件。

背景技术

铝锂合金以其低密度、高比强度、高模量和高比刚度等特点，是理想的航空航天结构材料，这使其在航空航天领域具有十分广阔的应用前景。1420铝锂合金作为应用最早的铝锂合金，因其具优异的力学性能及良好的耐腐蚀性能被广泛应用于商业生产的轻型飞机及部分战斗机上，如米格-29战斗机，其结构材料中超过40％均为1420铝锂合金构成。然而，这同种铝锂合金之间的焊接是需要克服的一大难题，焊接不当会导致结构件之间的焊缝在服役期间出现早期失效的问题，给飞行器长期安全稳定运行带来巨大隐患。

目前，铝锂合金金属间常用的焊接方法有电弧焊、激光焊和电子束焊。电弧焊由于焊接过程中熔化的焊缝金属量大和高温停留时间长等，容易产生气孔和裂纹等缺陷；激光焊对高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变，同时焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑；电子束焊的焊接设备相对比较复杂，而且焊接设备费用比较昂贵，并且电子束焊容易受杂散电磁场的影响，导致焊接质量下降。相比较而言扩散焊是获得无缺陷接头，焊接参数精确可控的重要途径。但是，扩散焊的焊接质量受焊接工艺参数影响显著，很容易造成焊缝出现裂缝、扩散不均匀、焊接质量低等缺陷。

因此，亟需提供一种焊缝扩散均匀、焊接质量高的铝锂合金焊接方法来提高焊接件的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝锂合金扩散焊接方法，本发明提供的焊接方法操作简单，焊接件的焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷，该焊接方法得到的焊接件可在飞机结构件中应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种铝锂合金扩散焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：

(1)将两块铝锂合金板材接合后依次进行抽真空、升温和加压，采用保温保压的方式进行扩散焊接处理，得到焊接预制件；

(2)将步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、随炉冷却及空冷处理得到焊接件。

优选的，所述焊接在Gleeble-3500热模拟机中进行。本发明对所述Gleeble-3500热模拟机的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明采用的扩散焊能够更加精准的控制工艺参数，从而获得所需的性能。

优选地，步骤(1)中所述的保温保压的温度为520℃～550℃，进一步优选为540℃～550℃；保温保压的压力为60～90kgf，进一步优选保温保压的压力为90kgf；保温保压的时间为90～110min，进一步优选为100～110min。本发明通过控制焊接过程中保温保压的参数，进一步提高扩散焊过程中的均匀性和稳定性，从而提高焊接质量。

本发明对步骤(2)所述的泄压的方式没有特殊的限定。通过操作Gleeble-3500热模拟机进行卸压即可。

优选地，步骤(2)所述的随炉冷却的时间为10～15min，优选为10min；随炉冷却结束的温度为400～420℃，优选为400℃。本发明通过控制特定的缓冷参数，能够进一步降低缓冷过程中产生的内应力，从而提高焊接质量。

优选地，步骤(2)所述的空冷处理的方式为开炉空冷至室温，属于自然空冷。本发明对所述空冷的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术熟知的空冷工艺即可。

优选地，步骤(1)中的两块铝锂合金板材均为固溶态1420铝锂合金。本发明采用上述型号的铝锂合金进行焊接，能够进一步提高焊接质量。所述铝锂合金独立地优选为：长度6～10mm，宽度10～15mm，厚度2～5mm；更优选为：长度8～10mm，宽度12～15mm，厚度2mm；所述两块铝锂合金板材的尺寸相同。当两块铝锂合金板材的尺寸不满足上述条件时，对所述铝锂合金的尺寸进行加工，加工的方式没有特殊的限定，能够使两块板材的尺寸满足要求即可。本发明通过控制焊接母材的尺寸，便于进行后续加工。

优选地，步骤(1)中对铝锂合金板材接合前进行预处理，所述预处理方式为：先用超声波清洗机分别对两块铝锂合金板材进行清洗，然后依次用200#、600#、800#、1000#和2000#的砂纸打磨接合面；其中，采用的超声波清洗剂为浓度为99％工业酒精。本发明通过对焊接母材进行预处理，可以去除焊接母材表面的吸附层、氧化层及油污，同时使焊接面光滑平整，从而提高接合面的接合效果，并避免杂质对焊缝性能的影响，进一步提高焊缝的表面质量和力学性能。

优选地，步骤(1)中接合的压力为6～8MPa，更优选为6MPa。在本发明中，所述接合的方式优选为：将两块铝锂合金板材分别放置在Gleeble-3500热模拟机的左压头和右压头之间，其中，不限制放置位置为固定端或主动模端，保持两块铝锂合金板材与压头之间轴向对中，通过移动主动模端，使两块铝锂合金板材接合。本发明通过在接合时施加一定的压力，可以使接合更加稳固。

优选地，步骤(1)中抽真空的真空度为1×10^-3～1×10^-4Pa。本发明通过抽真空后再进行扩散焊接，能够避免合金成分在高温下与空气中的氧气反应生产杂质。本发明对所述抽真空的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的抽真空工艺即可。

优选地，步骤(1)中升温的速率为60～70℃/min，更优选为60℃/min。本发明通过控制升温的速率，避免升温速率过快造成焊接母材内应力的增加。所述升温的方式没有特殊的限定，能够使温度参数符合要求即可。

上述铝锂合金扩散焊接方法，具体包括以下步骤：

(1)将两块铝锂合金板材接合后依次进行抽真空、升温和加压，采用保温保压的方式进行扩散焊接处理，得到焊接预制件；保温保压的温度为520℃～550℃，保温保压的压力为60～90kgf，保温保压的时间为90～110min；接合的压力为6～8MPa；抽真空的真空度为1×10^-3～1×10^-4Pa；升温的速率为60～70℃/min；

(2)将所述步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、随炉冷却及空冷处理，得到焊接件；所述随炉冷却的时间为10～15min，随炉冷却结束的温度为400～420℃；所述空冷处理的方式为开炉空冷至室温。

本发明焊接方法得到的焊接件的焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷，且具有优异的剪切强度，该焊接件可直接应用于飞机结构件

与现有技术比较本发明的有益效果：

本发明采用扩散焊的方式对固溶态1420铝锂合金进行焊接，并控制焊接过程中的焊接压力和温度，既能够保证焊接过程中扩散充分，焊缝稳定性高，同时避免了焊缝晶粒粗化所导致的焊缝力学性能下降的缺陷；采用特定的随炉和空冷的方式进行冷却，避免焊接件在冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹；采用自然空冷的方式进行最终冷却可以提高焊接件的表面质量，避免焊接件变形。

本发明的焊接方法操作简单，焊接参数易控，焊接质量稳定，得到的焊接件焊缝结合强度高，扩散均匀性强，不易产生缺陷，且焊件在室温条件和高温条件下均具有优异的接头剪切强度，可有效指导固溶态1420铝锂合金的扩散焊加工。采用本发明提供的焊接方法得到的焊接件，其焊缝的剪切强度为156.3～185.5MPa，可直接应用于飞机结构件。

附图说明

图1为按照实施例方法焊接得到的焊接件。图中，1为板材A，2为板材B，3为焊接面。

图2为本发明测试焊接件的剪切试样取样方式示意图。图中，图2-A为主视图，图2-B为侧视图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行进一步解释说明：

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)将固溶态1420铝锂合金板材A1、固溶态1420铝锂合金板材B 2放置在Gleeble-3500热模拟机的左压头和右压头之间，不限制板材A、B置于固定端或主动模端，保持固溶态1420铝锂合金板材A、B与压头之间轴向对中，通过移动主动模端，使固溶态1420铝锂合金板材A、B接合，接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后进行保温保压处理，得到焊接预制件；所述接合的压力为6MPa；所述抽真空的真空度为1×10^-4pa；所述升温的速率为60℃/min；所述保温保压的温度为520℃，保温保压的压力为60kgf，保温保压的时间为100min；

(2)将所述步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、随炉冷却和空冷处理，得到焊接件；在本实施例中，所述随炉冷却的时间为10min，随炉冷却结束的温度为400℃；所述空冷处理的方式为自然空冷；得到的焊接件如图1所示。

其中，固溶态1420铝锂合金板材A、B的处理方法为：先对固溶态1420铝锂合金进行加工，使固溶态1420铝锂合金坯料的尺寸为：直径8mm，长度12mm，固溶态1420铝锂合金的尺寸为：长度8mm，宽度12mm，厚度2mm，然后先用超声波清洗机分别对两块铝锂合金板材进行清洗，超声波清洗剂为99％工业酒精，然后依次用200#、600#、800#、1000#和2000#的砂纸分别打磨两块固溶态1420铝锂合金板材的接合面，分别得到两块板材备用。

实施例2

保温保压的时间为90min，其他条件和实施例1相同。

实施例3

保温保压的温度为550℃，其他条件和实施例1相同。

实施例4

保温保压的压力为90kgf，其他条件和实施例1相同。

对比例1

保温保压的温度为480℃，其他条件和实施例1相同。

对比例2

保温保压的时间为10min，其他条件和实施例1相同。

对比例3

保温保压的压力为30kgf，保温保压的时间为60min，其他条件和实施例1相同。

对实施例1～4和对比例1～3制备得到的焊接件的力学性能进行测试，剪切试样如图1所示，将焊接件进行机加工，得到剪切性能测试用样品，测试按照方法(1)进行，测试焊接件剪切性能，测试结果如表1所示。

方法(1)为一种扩散焊接头剪切强度测试方法，所述方法通过图1和图2所示试样实现。其本质是对一定区域的扩散连接接头，施加一个剪切力，接头沿扩散连接界面发生断裂过程，然后利用断裂时峰值剪切力和选取剪切面的面积来计算剪切强，剪切强度计算如下。

F_max为剪切过程中的峰值剪切力，单位：N；S为剪切面的面积，单位：mm²；τ_DB为剪切强度值，单位：MPa。

表1实施例1～4和对比例1～3制备得到的焊接件的力学性能

焊接件	平均剪切强度(MPa)
		实施例1	172.3
实施例2	180.2
		实施例3	156.3
实施例4	185.5
		对比例1	102.1
对比例2	-
		对比例3	-

由表1可以看出，本发明实施例1～4制备的焊接件的焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷，且在室温条件和高温条件下均具有优异的抗拉强度和延伸率；对比例1制备的焊接件的常温力学性能较差，且在高温下测试时容易发生焊缝断裂，无法满足服役性能要求，而对比例2和对比例3的方法在焊接时，两种金属板材无法焊接到一起。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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接方法，其特征在于该焊接方法包括以下步骤：

(1)将两块铝锂合金板材接合后依次进行抽真空、升温和加压，采用保温保压的方式进行扩散焊接处理，得到焊接预制件；

(2)将步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、随炉冷却及空冷处理得到焊接件。

2.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于步骤(1)中所述的保温保压的温度为520℃～550℃，保温保压的压力为60～90kgf，保温保压的时间为90～110min。

3.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于步骤(2)所述的随炉冷却的时间为10～15min，随炉冷却结束的温度为400～420℃。

4.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于步骤(2)所述的空冷处理的方式为开炉空冷至室温。

5.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于所述步骤(1)中的两块铝锂合金板材均为固溶态1420铝锂合金。

6.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于所述步骤(1)中对铝锂合金板材接合前进行预处理，所述预处理方式为：先用超声波清洗机分别对两块铝锂合金板材进行清洗，然后依次用200#、600#、800#、1000#和2000#的砂纸打磨接合面；其中，采用的超声波清洗剂为浓度为99％工业酒精。

7.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于所述步骤(1)中接合的压力为6～8MPa。

8.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于所述步骤(1)中抽真空的真空度为1×10^-3～1×10^-4Pa。

9.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于所述步骤(1)中升温的速率为60～70℃/min。

10.根据权利要求1所述的铝锂合金扩散焊接方法，其特征在于所述步骤(2)中随炉冷却的时间为10min，随炉冷却结束的温度为400℃。

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