CN105522246B - 一种超声辅助半固态焊接方法 - Google Patents
一种超声辅助半固态焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超声辅助半固态焊接方法,它分为采用超声波清洗母材;进行焊料熔化冷却;在冷却过程中对焊料施加半固态搅拌;将焊料冷却至600‑630℃时,将其浇入恒温注料器进行保温;对焊接母材加热和施加超声辅助振动;打开恒温注料器的出料口开始注入焊料;待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加比压力于焊缝初始位置,并使滚动压头保持与原位感应加热器、恒温注料器同样的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力不变,最后得到焊接构件几个步骤。本发明可以焊接出力学性能高、使用性能更好的构件,具有应用材料范围广、生产效率高和焊接条件好等优点,具有极大的发展前景和应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接方法,尤其涉及一种超声辅助半固态焊接方法。
背景技术
半固态连接是在半固态加工技术的基础上发展而来的,它是将金属或合金在固相线与液相线温度区间进行连接的一种方法。半固态扩散钎焊技术是指母材在再结晶温度以上,填充钎料在半固态温度区间范围内,通过母材与钎料界面的相互扩散,形成低熔点的共晶成分并继续扩散,以及随后的均匀化再结晶过程,最终形成与母材成分组织均匀一致的焊缝接头。半固态扩散钎焊技术相对于普通钎焊技术,其接头具有耐高温性好、力学性能高和自清净能力强等诸多优点,目前多用于先进材料的连接,但对某些焊接结构性能要求较高的领域,存在中间层和和端面质量满足不了要求的情况。
近年来,多学科工艺交叉和多种成形焊接方法结合已成为新的潮流,其可以同时发挥多种工艺的优势,从而提高制件的力学性能和使用性能。已有研究表明在钎焊过程中施加一定的超声振动,可以改变连接界面行为,从而提高接头性能的工艺。此外,滚压加工是通过一定形式的滚压工具向工件表面施加一定压力。在常温或高温下利用金属的塑性变形,从而提高工件的表面强度和韧性,以同时实现工件的光整加工及表面强化。
因此,若能将半固态连接技术、超声辅助技术以及滚压加工技术结合,开发出新型的金属连接技术,以进一步提高焊接结构的性能,并改善焊接条件,将具有极大的发展前景和应用空间。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处,本发明提供了一种超声辅助半固态焊接方法。
为了解决以上技术问题,本发明采用的技术方案是:一种超声辅助半固态焊接方法,它分为以下步骤:
步骤1:采用超声波清洗母材的待焊区表面,超声波的超声功率为15-20w,清洗时间为10-20min,然后将待焊的两块母材拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将焊料熔化,熔炼温度为700-720℃,待焊料熔化后进行冷却;
步骤3:在焊料冷却过程中对焊料施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待焊料冷却至600-630℃时,将其浇入恒温注料器,并在600-630℃下进行保温,使焊料的液相率为50—60%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000-2000W;
步骤6:打开恒温注料器下部的出料口开始注入焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使两者按照相同速度沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加20-40MPa比压力于焊缝初始位置,并使滚动压头保持与原位感应加热器、恒温注料器同样的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力不变,最后得到焊接构件。
上述母材为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任一种,焊料的材质与母材的材质相一致,或者焊料均采用铝合金。
上述母材为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任两种组合,焊料的材质为两种母材其中的任一种,或者焊料均采用铝合金。
本发明原位感应加热器、恒温注料器、滚动压头的移动速度均为2-3mm/s。
采用本发明提供的超声辅助半固态焊接方法可以焊接出力学性能高、使用性能更好的构件,能提高工件的表面强度和韧性,同时实现工件的光整加工及表面强化;此外,本发明还具有应用材料范围广、生产效率高和焊接条件好等优点,具有极大的发展前景和应用空间。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明方法的操作示意图。
图2为图1的俯视图。
图中:1、母材;2、超声波振动头;3、原位感应加热器;4、焊料;5、恒温注料器;6、滚动压头。
具体实施方式
如图1~图2本发明一种超声辅助半固态焊接方法,它分为以下步骤:
步骤1:采用超声波清洗母材1的待焊区表面,超声波的超声功率为15-20w,清洗时间为10-20min,然后将待焊的两块母材1拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将焊料4熔化,熔炼温度为700-720℃,待焊料4熔化后进行冷却;
步骤3:在焊料4冷却过程中对焊料4施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待焊料4冷却至600-630℃时,将其浇入恒温注料器,并在600-630℃下进行保温,使焊料4的液相率为50—60%;
步骤5:打开原位感应加热器3,将待焊区初始位置的母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头2与焊接母材1接触,对焊接母材1施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000-2000W;
步骤6:打开恒温注料器5下部的出料口开始注入焊料4,等待3s,启动原位感应加热器3和恒温注料器5的移动装置,并使两者按照相同速度沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器3和恒温注料器5移动20mm后,使滚动压头6施加20-40MPa比压力于焊缝初始位置,并使滚动压头6保持与原位感应加热器3、恒温注料器5同样的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力不变,最后得到焊接构件。
本发明可适用于相同材质母材的焊接或不同材质母材的焊接。当母材1为相同材质时,可选用的母材1为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任一种,且焊料4的材质与母材1的材质相一致;当母材为不同材质时,选用的母材1为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任两种组合,则焊料4的材质为两种母材其中的任一种。这样可以保证焊料和母材之间具有良好的润湿性,从而提高焊缝的力学性能,保证焊接结构的可靠性。当然,在实际使用中,出于生产成本的考虑,本发明不同材质的母材选择的焊料4可以都采用铝合金进行焊接,这样可以在保证基本良好焊接结构的基础上节约成本,更利于推广使用。
本发明在实施步骤中主要注意以下几点:
采用恒温注料器5将焊料4的温度保持在半固态温度区间,使其液相率为50%-60%;采用原位感应加热器3使焊接初始处的母材快速升温至再结晶温度以上,同时使超声波振动头2与焊接母材1接触,对焊接母材1施加超声辅助振动,随后打开恒温注料器5的出料口开始注料,并保持原位感应加热器3和恒温注料器5以相同速度V沿焊缝向未焊接区域移动,移动速度V既要保证原位感应加热器3可以将后续的未焊接母材能加热到再结晶温度以上,还要保证恒温注料器5可以给焊接处提供适量的半固态焊料;待原位感应加热器3和恒温注料器5移动一定距离后,使滚动压头6施加一定压力于焊缝初始处,并以相同速度V沿焊缝向未焊接区域移动,使焊缝区金属产生一定的塑性变形。本发明原位感应加热器3、恒温注料器5、滚动压头6的移动速度均为2-3mm/s,能够满足上述要求。
下面结合具体实施例说明本发明的力学性能更优异。
实施例一:母材和焊料均选择铝合金
步骤1:采用超声波清洗铝合金母材待焊区表面,超声波的超声功率20w,清洗时间为为10min,然后将待焊的两块铝合金板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将铝合金焊料熔化,熔炼温度为700℃;
步骤3:在铝合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待铝合金焊料冷却至620℃时,将其浇入恒温注料器,并在620℃保温,使焊料的液相率为50%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的铝合金母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注铝合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为2mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加20MPa比压力于焊缝初始位置,并以2mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为20MPa不变,最后得到铝合金焊接构件,焊缝处抗拉强度为400MPa。
实施例二:母材和焊料均选择镁合金
步骤1:采用超声波清洗镁合金母材待焊区表面,超声波的超声功率15w,清洗时间为15min,然后将待焊的两块镁合金板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将镁合金焊料熔化,熔炼温度为710℃;
步骤3:在镁合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待镁合金焊料冷却至600℃时,将其浇入恒温注料器,并在600℃保温,使焊料的液相率为60%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的镁合金母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注镁合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为2mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加20MPa比压力于焊缝初始位置,并以2mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为20MPa不变,最后得到镁合金焊接构件,焊缝处抗拉强度为280MPa。
实施例三:母材和焊料均选择SiCp/Al复合材料
步骤1:采用超声波清洗SiCp/Al母材待焊区表面,超声波的超声功率20w,清洗时间为10min,然后将待焊的两块SiCp/Al板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将SiCp/Al焊料熔化,熔炼温度为720℃;
步骤3:在SiCp/Al焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待SiCp/Al焊料冷却至630℃时,将其浇入恒温注料器,并在630℃保温,使焊料的液相率为60%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的SiCp/Al母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注SiCp/Al焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为2mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加20MPa比压力于焊缝初始位置,并以2mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为20MPa不变,最后得到SiCp/Al焊接构件,焊缝处抗拉强度为405MPa。
实施例四:母材选择镁合金,焊料选择铝合金
步骤1:采用超声波清洗镁合金母材待焊区表面,超声波的超声功率20w,清洗时间为10min,然后将待焊的两块镁合金板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将铝合金焊料熔化,熔炼温度为700℃;
步骤3:在铝合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待铝合金焊料冷却至625℃时,将其浇入恒温注料器,并在625℃保温,使焊料的液相率为55%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的镁合金母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注铝合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为2.5mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加20MPa比压力于焊缝初始位置,并以2.5mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为20MPa不变,最后得到镁合金焊接构件,焊缝处抗拉强度为410MPa。
实施例五:母材选择SiCp/Al复合材料,焊料选择铝合金
步骤1:采用超声波清洗SiCp/Al复合材料母材待焊区表面,超声波的超声功率20w,清洗时间为20min,将待焊的两块SiCp/Al复合材料板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将铝合金焊料熔化,熔炼温度为710℃;
步骤3:在铝合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待铝合金焊料冷却至630℃时,将其浇入恒温注料器,并在630℃保温,使焊料的液相率为60%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的SiCp/Al复合材料母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1500W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注铝合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为3mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加30MPa比压力于焊缝初始处,并以3mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为30MPa不变,最后得到SiCp/Al复合材料焊接构件,焊缝处抗拉强度为380MPa。
实施例六:母材选择铝合金和SiCp/Al复合材料,焊料选择铝合金
步骤1:采用超声波清洗铝合金及SiCp/Al复合材料母材待焊区表面,超声波的超声功率16w,清洗时间为14min,将一块铝合金板料和一块SiCp/Al复合材料板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将铝合金焊料熔化,熔炼温度为700℃;
步骤3:在铝合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待铝合金焊料冷却至630℃时,将其浇入恒温注料器,并在630℃保温,使焊料的液相率为60%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的铝合金和SiCp/Al复合材料母材均加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为2000W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注铝合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为3mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加40MPa比压力于焊缝初始处,并以3mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为40MPa不变,最后得到铝合金—SiCp/Al复合材料异种材料焊接构件,焊缝处抗拉强度为420MPa。
实施例七:母材选择镁合金和SiCp/Al复合材料,焊料选择铝合金
步骤1:采用超声波清洗镁合金及SiCp/Al复合材料母材待焊区表面,超声波的超声功率15w,清洗时间为12min,将一块镁合金板料和一块SiCp/Al复合材料板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将铝合金焊料熔化,熔炼温度为710℃;
步骤3:在铝合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待铝合金焊料冷却至630℃时,将其浇入恒温注料器,并在630℃保温,使焊料的液相率为55%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的镁合金和SiCp/Al复合材料母材均加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1800W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注铝合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为3mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加35MPa比压力于焊缝初始处,并以3mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为35MPa不变,最后得到镁合金—SiCp/Al复合材料异种材料焊接构件,焊缝处抗拉强度为350MPa。
实施例八:母材选择铝合金和镁合金,焊料选择镁合金
步骤1:采用超声波清洗铝合金及镁合金母材待焊区表面,超声波的超声功率18w,清洗时间为15min,将一块铝合金板料和一块镁合金板料拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将镁合金焊料熔化,熔炼温度为715℃;
步骤3:在镁合金焊料冷却过程中施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待镁合金焊料冷却至610℃时,将其浇入恒温注料器,并在610℃保温,使焊料的液相率为58%;
步骤5:打开原位感应加热器,将待焊区初始位置的铝合金和镁合金母材均加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头与焊接母材接触,对焊接母材施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1300W;
步骤6:打开注料器下部的出料口开始注镁合金焊料,等待3s,启动原位感应加热器和恒温注料器的移动装置,并使其移动速度均为2.8mm/s沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器和恒温注料器移动20mm后,使滚动压头施加30MPa比压力于焊缝初始位置,并以2.8mm/s的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力为30MPa不变,最后得到铝合金—镁合金异种材料焊接构件,焊缝处抗拉强度为380MPa。
上述实施方式并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种超声辅助半固态焊接方法,其特征在于,它分为以下步骤:
步骤1:采用超声波清洗母材(1)的待焊区表面,超声波的超声功率为15-20w,清洗时间为10-20min,然后将待焊的两块母材(1)拼放在一起;
步骤2:采用金属熔化炉将焊料(4)熔化,熔炼温度为700-720℃,待焊料(4)熔化后进行冷却;
步骤3:在焊料(4)冷却过程中对焊料(4)施加半固态搅拌,使其具有球状晶粒和液相的两相组织;
步骤4:待焊料(4)冷却至600-630℃时,将其浇入恒温注料器(5),并在600-630℃下进行保温,使焊料(4)的液相率为50-60%;
步骤5:打开原位感应加热器(3),将待焊区初始位置的母材加热至450℃,并保持5s,随后将超声波振动头(2)与焊接母材接触,对焊接母材(1)施加超声辅助振动,设置超声波的振动频率为20kHz,功率为1000-2000W;
步骤6:打开恒温注料器(5)下部的出料口开始注入焊料,等待3s,启动原位感应加热器(3)和恒温注料器(5)的移动装置,并使两者按照相同速度沿焊缝向未焊接区域移动;
步骤7:待原位感应加热器(3)和恒温注料器(5)移动20mm后,使滚动压头(6)施加20-40MPa比压力于焊缝初始位置,并使滚动压头(6)保持与原位感应加热器、恒温注料器(5)同样的速度沿焊缝向未焊接区域移动,在移动过程中保持比压力不变,最后得到焊接构件。
2.根据权利要求1所述的超声辅助半固态焊接方法,其特征在于:所述母材(1)为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任一种;所述焊料(4)的材质与母材(1)的材质相一致。
3.根据权利要求1所述的超声辅助半固态焊接方法,其特征在于:所述母材(1)为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任一种;所述焊料(4)的材质为铝合金。
4.根据权利要求1所述的超声辅助半固态焊接方法,其特征在于:所述母材(1)为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任两种组合;所述焊料(4)的材质为两种母材(1)其中的任一种。
5.根据权利要求1所述的超声辅助半固态焊接方法,其特征在于:所述母材(1)为铝合金、镁合金、SiCp/Al复合材料中的任两种组合;所述焊料(4)的材质为铝合金。
6.根据权利要求1所述的超声辅助半固态焊接方法,其特征在于:所述原位感应加热器(3)、恒温注料器(5)、滚动压头(6)的移动速度均为2-3mm/s。
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