CN110340557B - 一种扩散连接模具及扩散连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩散连接模具及扩散连接方法，属于精密钣金加工技术领域，解决了目前多层板大面积扩散连接高温下垂变形、焊合率低以及效率低的问题。扩散连接模具包括上模和与上模匹配的下模，上模设有第一密封梗、气腔以及用于向气腔充入高压柔性气体的通气道；下模为平板结构，下模设有第二密封梗和真空气道。扩散连接方法如下：制作多层板大面积扩散连接坯料；对多层板大面积扩散连接坯料进行表面处理；制作多层板大面积扩散连接坯料隔离剂图样；多层板大面积扩散连接坯料组装、周边熔焊和真空管焊接得到多层板密封件；扩散连接多层板密封件。本发明可用于多层板大面积扩散连接。

Description

一种扩散连接模具及扩散连接方法

技术领域

本发明涉及精密钣金加工技术领域，尤其涉及一种扩散连接模具及扩散连接方法。

背景技术

零件的超塑成形/扩散连接工艺一种先进的轻量化成形方法，可加工制造空心多层结构，其生产的构件已广泛应用于航空航天、武器装备等领域。通常情况下在进行零件的超塑成形之前要完成多层板的扩散连接，因此对各层板间扩散连接接头的强度要求较高。较小尺寸的板坯在进行扩散连接时比较容易保证扩散焊合率；而当板坯尺寸较大且扩散连接区域较大时扩散连接焊合率难以保证，还会存在高温下垂等变形问题。这会降低各层板间扩散连接接头的强度，不仅使超塑成形过程难以进行，而且影响产品质量。

针对大尺寸零件大面积扩散连接的问题，现有技术主要采用两种方法：一是刚性扩散连接，即在高温下两个平板模具将需扩散连接的多层板坯压在中间并提供合模力实现零件的扩散连接。二是气压扩散连接，即将需扩散连接的多层板坯放于上模和下模具之间并压紧，往上模和下模的模腔内通入高压气体实现零件的扩散连接。对于大尺寸零件大面积扩散连接过程，现有的两种主要技术方法均有不足之处：一是刚性扩散连接方法对上模和下模具的耦合面平面度要求很高，因此模具加工难度大，成本高；此外，由于模具加工精度或模具变形等问题难以实现高的扩散焊合率。二是气压扩散连接虽可保证扩散焊合率，但板材在高温下由于自身重力易下垂变形，影响最终零件的质量和合格率。

发明内容

鉴于上述分析，本发明的目的在于，提供一种扩散连接模具及扩散连接方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)焊合率低；(2)模具的加工难度大、成本高；(3)高温下垂变形；(4)合格率低。为了达到上述目的，本发明主要通过以下技术方案实现：

一方面，本发明提供了一种扩散连接模具，所述扩散连接模具包括上模和与所述上模匹配的下模，上模设有第一密封梗、气腔以及用于向气腔充入高压柔性气体的通气道；下模为平板结构，下模设有第二密封梗和真空气道。

进一步，所述扩散连接模具的材料为不锈钢。

进一步，所述扩散连接模具的硬度为35-45HRC。

另一方面，本发明还提供了一种扩散连接方法，所述扩散连接方法包括如下步骤：

S1、制作多层板大面积扩散连接坯料；

S2、对多层板大面积扩散连接坯料进行表面处理；

S3、制作多层板大面积扩散连接坯料隔离剂图样；

S4、多层板大面积扩散连接坯料组装、周边熔焊和真空管焊接得到多层板密封件；

S5、扩散连接多层板密封件；

S5中多层板密封件的数量为1个或多个。

进一步，所述S1中，多层板的每层板的尺寸均相同，为：

L₁＝L₂+2W₃；W₁＝W₂+2W₃；

式中，L₁为每层板坯料的长度，L₂为下模的密封梗的长度，W₃为熔焊宽度，W₁为每层板坯料的宽度，W₂为下模的密封梗的宽度。

进一步，所述S1中，制作多层板大面积扩散连接坯料的方法为水切割、激光切割或数控冲裁。

进一步，所述S2中，表面处理方法为化学酸洗或打磨抛光。

进一步，所述S3中，制作隔离剂图样的步骤包括：根据多层板零件模型画出坯料扩散连接区域与非扩散连接区域的分界线，在坯料非扩散连接区域的表面喷涂隔离剂。

进一步，所述S5中，扩散连接多层板密封件包括如下步骤：

S51、将S4中的多层板密封件放于上模和下模之间，将上模的通气道、下模的真空气道、多层板密封件的真空管分别连接好；

S52、在上模和下模合模前对多层板密封件的真空管进行抽真空处理，然后将上模和下模合模并持续对多层板密封件的真空管抽真空；

S53、将模具进行升温到板的扩散连接温度后保温，对模具施加合模力，对下模与多层板密封件间进行持续抽真空；向上模气腔内通入氩气待气压达到2.5-3.5MPa后保压2-3h，完成多层板大面积扩散连接。

进一步，所述S53中通入氩气的速率为0.04-0.07MPa/min。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的扩散连接模具的下模采用平板结构，可降低对模具平面的加工要求，易于实现模具密封，同时平板结构的下模与大面积扩散连接件直接接触，对多层板大面积扩散连接件起到支撑作用，能够有效避免多层板大面积扩散连接件在高温下由于自身重力造成的下垂变形问题，保证产品质量，提高产品合格率。

b)本发明提供的扩散连接模具采用平板下模，并通过通气道向上模通入高压柔性气体实现扩散连接。这样在保证得到高扩散焊合率的前提下，能够减小扩散连接模具的加工难度和成本。

c)本发明提供的模具采用下模与多层板抽真空的形式和双密封梗结构可有效实现零件密封，提高零件的合格率。

d)本发明提供的扩散连接方法操作过程简便易行，同时可以实现一模多件同时扩散连接，大大缩短生产周期，提高生产效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的扩散连接模具的剖面示意图；

图2为本发明提供的三层板扩散连接区域示意图；

图3为A处的放大示意图；

图4为本发明的对比例中的模具示意图。

附图标记：

1-上模；2-下模；3-第一密封梗；4-气腔；5-通气道；6-第二密封梗；7-真空气道；8-扩散连接区域；9-非扩散连接区域。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种扩散连接模具。扩散连接模具包括上模1和与上模匹配的下模2，上模1设有第一密封梗3、气腔4以及用于向气腔充入高压柔性气体的通气道5；下模2为平板结构，下模2设有第二密封梗6和真空气道7。

上模具有密封梗、气腔和通气道；下模为平板结构，具有密封梗和真空气道。上模的通气道用于向气腔充入高压柔性气体，下模的真空气道用于下模与多层板空隙间的抽真空。与现有技术相比，本发明提供的模具下模采用平板结构，防止了大尺寸板材的高温下垂等变形问题；同时下模设置真空气道，可有效将下模与多层板间的空气抽出，保证零件的平面度；上模采用气腔气压加载扩散连接，可降低对模具平面度的要求，既能实现高的扩散焊合率，又降低了模具加工成本和难度；此外，本发明采用上模和下模具有双密封梗形式，能够保证零件的密封性。

具体的，为了保证上模气腔内气体的均匀性，通气道5与气腔4连接的位置位于气腔4的中部，这样从通气道5充入的气体能够迅速均匀地分散到气腔内部，保证气腔内气体的均匀性。

具体的，扩散连接模具用于进行多层板的大面积扩散连接。优选的，多层板的层数N≥2，大面积是指面积S≥0.4m²。

具体的，扩散连接模具的材料为不锈钢，优选1Cr18Ni9Ti，采用此种材质的模具高温抗氧化性好、热强性高、热稳定性好；具有良好的抗高温生长性能，可保障多层板的质量和尺寸精度等，且具有较长的使用寿命。

具体的，扩散连接模具的抗拉强度为500-600MPa，硬度为35-45HRC。

实施例2

本实施例提供了一种扩散连接方法，采用例如实施例1的扩散连接模具，扩散连接方法包括如下步骤：

S1、扩散连接模具制作；

S2、多层板大面积扩散连接坯料设计及制作；

S3、对多层板大面积扩散连接坯料进行表面处理；

S4、多层板大面积扩散连接坯料隔离剂图样制作；

S5、多层板大面积扩散连接坯料组装、周边熔焊和真空管焊接得到多层板密封件；

S6、多层板密封件扩散连接，包括如下步骤：

S61、将S5中的多层板密封件放于上模和下模间，将上模的通气道与成形设备的充气管相连，连接方式为卡套式管接头；将下模的真空气道与成形设备的抽真空管相连，连接方式为卡套式管接头；多层板密封件的真空管与成形设备的抽真空管相连，连接方式为卡套式管接头。

S62、在上模和下模合模前对多层板密封件的真空管进行抽真空处理，具体是抽三次，每次1～2min；然后将上模和下模合模并持续对多层板密封件的真空管抽真空，以保证扩散连接过程多层板密封件内部的真空度为100-200Pa，真空度过高对抽真空设备要求高，能耗高，成本大；真空度过低氧含量较大，影响扩散连接进行。

S63、将模具放于成形设备中进行升温到多层板的扩散连接温度后保温1-2小时，成形设备对模具施加适当的合模力(合模力应保证扩散连接区域所受压力为15MPa)，对下模与多层板密封件间进行持续的抽真空，之后向上模气腔内通入高压氩气，待气压达到2.5-3.5MPa后保压一定时间，完成多层板大面积扩散连接。

考虑到模具材料和零件材料不同，S1中模具和零件的高温线膨胀系数不同，若不对模具进行适当的缩放，加工完成的零件会有较大的尺寸误差；因此模具的大面积扩散连接区域的尺寸按照零件的尺寸进行适当的缩放处理。

具体的，S2中多层板扩散连接坯料尺寸的设计原则为应保证上模和下模闭合后多层板的四边均压在密封梗以外的区域，多层板制作时每层板的尺寸均相同，考虑到多层板要经过封边熔焊，所以每层板坯料的尺寸为：

L₁＝L₂+2W₃；W₁＝W₂+2W₃；

式中，L₁为坯料的长度，L₂为下模的密封梗的长度，W₃为熔焊宽度，W₁为坯料的宽度，W₂为下模的密封梗的宽度。

具体的，S2中多层板扩散连接坯料的制作方法可以采用水切割、激光切割或数控冲裁的方法。

具体的，S3中多层板扩散连接坯料的表面处理方法可以为化学酸洗或打磨抛光，表面处理的目的是去除表面的氧化层，防止氧化层影响扩散连接质量。优选的，化学酸洗可以采用氢氟酸和硝酸的混合液清洗。

具体的，S4中隔离剂图样制作的步骤包括：根据多层板零件模型画出多层板扩散连接坯料扩散连接区域8与非扩散连接区域9的分界线，如图2-3所示；在多层板扩散连接坯料的非扩散连接区域9的表面喷涂隔离剂，隔离剂的主要成分为BN。

具体的，S5中按照顺序将多层板进行组装，然后对组装好的多层板进行周边熔焊和真空管焊接，周边熔焊和真空管焊接的目的为了使多层板的内部构成密闭空间，只留一个真空管与外部相通，在进行扩散连接时通过真空管进行抽真空处理，确保多层板内部没有空气残余或处于真空状态，真空度越高，越能提高多层板内部的扩散连接质量和扩散焊合率。

具体的，S61中多层板密封件的数量可以为1个或多个。

具体的，S6中，多层板密封件与模具同时升温，而不采用先将模具升温，再将多层板密封件放入的方法，这是因为多层板密封件抽完真空再用密封梗压住可最大限度保证内部的真空度，提高扩散连接质量；如果先将模具升温后再放入密封件，首先高温操作困难，其次高温下零件内部更容易被氧化。

具体的，S63中，考虑到通入高压氩气的速率过大对充气管要求较高，密封性不好；速率过小高温下停留时间长，组织晶粒长大明显，影响材料性能，因此将通入高压氩气的速率控制为0.04-0.07MPa/min。

具体的，S63中，保压时间为2-3小时。保压时间短扩散连接不充分，焊合率低；保压时间长高温下停留时间长，组织晶粒长大明显，影响材料性能。

实施例3

本实施例提供了一种5A90铝锂合金三层板零件(长1200mm，宽400mm)的大面积扩散连接方法，本实施例采用例如实施例1的模具，该方法包括如下步骤：

S1、根据5A90铝锂合金三层板零件三维模型尺寸设计制作扩散连接模具，大面积扩散连接区域尺寸按照零件尺寸进行放大3.5‰；

S2、进行5A90铝锂合金三层板坯料设计，三张板的下料尺寸均为1220mm×420mm，下料方法采用水切割；

S3、采用氢氟酸和硝酸的混合液对5A90铝锂合金三张板进行酸洗表面处理，去除表面氧化皮；并根据三层板零件模型画出坯料扩散连接区域与非扩散连接区域的分界线，并在三张板的非扩散连接区域表面均匀喷涂BN隔离剂，如图2所示；

S4、将喷涂BN隔离剂的5A90铝锂合金三张板进行组装，组装时喷涂BN隔离剂图样的一面朝内，组装完毕后用卡兰夹紧多层板防止错动，采用手工氩弧焊的方式进行5A90铝锂合金三层板的周边熔焊和真空管焊接得到三层板密封件；

S5、将三层板密封件放入模具；将上模的通气道，下模的真空气道，三层板密封件的真空管分别与设备的管子连接好，在上模和下模合模前对三层板密封件的真空管进行抽真空处理，具体是抽三次，每次1-2min；抽完真空后将上模和下模合模并持续对三层板密封件的真空管抽真空，以保证扩散连接过程三层板密封件内部的真空度；将模具放于成形设备中并以2℃/min的速率进行升温，当达到535-545℃后保温1小时；成形设备对模具施加适当的合模力，对下模与三层板密封件间进行持续的抽真空；之后向上模气腔内以0.04MPa/min的速率通入高压氩气，待气压达到3.0MPa后保压2.5小时，完成5A90铝锂合金三层板的大面积扩散连接。

具体的，S5中三层板密封件的数量为6个，即本实施例一次同时进行6个零件制备(编号为1-6)，保压时间、下垂变形量、扩散焊合率及合格与否的结果如下表1所示。

对比例1

对比例1采用现有的上下均有模腔的模具(如图4所示)制备5A90铝锂合金三层板零件，每次制备1个零件，共制备6个(编号D1-D6)；制备时间、下垂变形量、扩散焊合率和合格与否的结果如下表1所示。

由表1可以看出，本申请实施例3制备的6个零件下垂变形量不超过0.3mm，低于对比例的下垂变形量(0.4-0.8mm)；本申请实施例的零件合格率为100％，高于对比例的合格率67％，本申请6个零件同时进行，保压时间2.5h，对比文件6个零件保压时间15h，本申请实施例效率明显提升。

表1实施例1和对比例1的结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扩散连接模具，其特征在于，所述扩散连接模具包括上模(1)和与所述上模匹配的下模(2)，所述上模(1)设有第一密封梗(3)、气腔(4)以及用于向气腔充入高压柔性气体的通气道(5)；所述下模(2)为平板结构，所述下模(2)设有第二密封梗(6)和真空气道(7)；下模设置真空气道，可有效将下模与多层板间的空气抽出，保证零件的平面度；通气道(5)与气腔(4)连接的位置位于气腔(4)的中部。

2.根据权利要求1所述的扩散连接模具，其特征在于，所述扩散连接模具的材料为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的扩散连接模具，其特征在于，所述扩散连接模具的硬度为35-45HRC。

4.一种扩散连接方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的扩散连接模具，所述扩散连接方法包括如下步骤：

S1、制作多层板大面积扩散连接坯料；

S2、对多层板大面积扩散连接坯料进行表面处理；

S3、制作多层板大面积扩散连接坯料隔离剂图样；

S4、多层板大面积扩散连接坯料组装、周边熔焊和真空管焊接得到多层板密封件；

S5、扩散连接多层板密封件；

所述S5中，多层板密封件的数量为1个或多个。

5.根据权利要求4所述的扩散连接方法，其特征在于，所述S1中，多层板坯料的每层板坯料的尺寸均相同，每层板坯料的尺寸为：

L₁＝L₂+2W₃；W₁＝W₂+2W₃；

式中，L₁为每层板坯料的长度，L₂为下模的密封梗的长度，W₃为熔焊宽度，W₁为每层板坯料的宽度，W₂为下模的密封梗的宽度。

6.根据权利要求4所述的扩散连接方法，其特征在于，所述S1中，制作多层板大面积扩散连接坯料的方法为水切割、激光切割或数控冲裁。

7.根据权利要求4所述的扩散连接方法，其特征在于，所述S2中，表面处理方法为化学酸洗或打磨抛光。

8.根据权利要求4所述的扩散连接方法，其特征在于，所述S3中，制作隔离剂图样的步骤包括：根据多层板零件模型画出坯料扩散连接区域与非扩散连接区域的分界线，在坯料非扩散连接区域的表面喷涂隔离剂。

9.根据权利要求4所述的扩散连接方法，其特征在于，所述S5中，扩散连接多层板密封件包括如下步骤：

S51、将S4中的多层板密封件放于上模和下模之间，将上模的通气道、下模的真空气道、多层板密封件的真空管分别连接好；

S52、在上模和下模合模前对多层板密封件的真空管进行抽真空处理，然后将上模和下模合模并持续对多层板密封件的真空管抽真空；

S53、将模具进行升温到多层板的扩散连接温度后保温，对模具施加合模力，对下模与多层板密封件间进行持续抽真空；向上模气腔内通入氩气待气压达到2.5-3.5MPa后保压2-3h，完成多层板大面积扩散连接。

10.根据权利要求9所述的扩散连接方法，其特征在于，所述S53中通入氩气的速率为0.04-0.07MPa/min。

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