CN112045294A - 局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置，该方法包括：处理与清理待连接材料的界面区域；刚性拘束所述待连接材料；局部感应加热所述待连接材料；焊后热处理连接接头；处理所述连接接头的表面。该装置包括感应电源、感应线圈、刚性拘束热自压扩散连接工装、红外测温装置、控温装置和冷却***。该局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置的目的是解决电子束热源局部非熔化加热刚性拘束热自压扩散连接时温度梯度较大、加热形式及区域有限的问题。

Description

局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置

技术领域

本发明涉及扩散焊接技术领域，具体涉及一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置。

背景技术

扩散焊需要在一定的温度和压力下，被连接材料表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形或被连接表面产生微观液相，从而扩大被连接表面接触，然后经较长时间的原子相互扩散，实现整体可靠连接的过程。和熔化焊接方法相比，扩散连接时加热温度低于待焊熔点或相变点，焊接热过程对待连接材料的显微组织和力学性能影响较小，同时能够避免高温热循环时待连接材料经熔化凝固过程产生的气孔、裂纹、夹渣等焊接缺陷，接头的综合力学性能较好，并可实现难焊材料和异种材料的高质量连接，在航空制造工程中广泛使用。

在金属不熔化的情况下，要形成焊接接头就必须使两待焊表面紧密接触，使之距离达到(1～5)×10^-8cm以内，金属原子间的引力才开始起作用，才可能形成金属键，获得一定强度的接头。实际金属表面无论采取何种精密加工，在微观上总还是起伏不平的。在零压力下接触时，其实际接触点只占全部表面积的百万分之一，在施加一般压力时，实际紧密接触面积仅占全部表面积的1％左右，其余表面之间距离均大于原子引力起作用的范围。因此为了实现待连接材料的连接，通常需要将被连接材料加热到合适的温度，并施加适当的压力，促进界面微观塑性变形和两侧原子扩散，从而实现固相扩散连接。

传统炉内加热机械加压扩散连接方法大部分需要采用外部机械加压和对炉内待连接材料进行整体加热，一定程度上限制了其实用性。针对传统炉内整体加热和外加压力扩散连接的不足，提出了一种刚性拘束热自压扩散连接方法，利用电子束作热源对刚性拘束的待连接材料界面区进行非熔化扫描局部加热，界面区高温金属受热膨胀，在周围冷金属材料和刚性拘束的作用下，形成热拘束应力应变场，对界面处热塑性状态金属进行挤压，促进界面两侧原子扩散，实现固相连接。刚性拘束热自压扩散连接过程中，无需外加压力装置对界面金属进行挤压，而是借助于非熔化加热温差效应产生的热拘束应力应变场对待连接界面的内部自挤压效应，从而实现在无外力作用条件下的固相连接。

利用电子束热源局部非熔化加热刚性拘束热自压扩散连接时存在以下几个方面的不足：

①板状对接接头，电子束热源仅能单面加热，沿厚度方向存在一定的温度梯度，板厚较厚时，下部材料达到所需要的原子扩散连接温度较为困难；

②对接接头为曲面形貌时，不同位置，电子束热源距加热表面工作距离不同，热流密度分布不均匀，加热不均匀，易出现局部熔化；

③电子束热源加热时，为确保沿板宽方向加热均匀性，需要利用电子枪磁偏转线圈控制束流进行沿板宽方向的扫描加热，当板宽尺寸较大时，因电子束热源扫描尺寸有限，板宽两侧难以扫描加热；

④电子束热源加热时，必须使用真空室，设备成本高。

因此，发明人提供了一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法及装置，通过利用放置于待连接材料对接界面附近的感应线圈对刚性拘束的待连接材料界面区进行非熔化局部感应加热，界面区高温金属受热膨胀，在周围冷金属材料和刚性拘束的作用下，形成热拘束应力应变场，对界面处热塑性状态金属进行挤压，促进界面两侧原子扩散，实现固相连接，解决了电子束热源局部非熔化加热刚性拘束热自压扩散连接时温度梯度较大、加热形式及区域有限的技术问题。

(2)技术方案

本发明的实施例的第一方面提供了一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，包括以下步骤：

处理与清理待连接材料的界面区域；

刚性拘束所述待连接材料；

局部感应加热所述待连接材料；

焊后热处理连接接头；

处理所述连接接头的表面。

进一步地，所述处理与清理待连接材料的界面区域，具体如下步骤：

磨削加工所述待连接材料的界面区域，使所述待连接材料的界面区域的粗糙度Ra≤1.6μm；

对磨削加工后的所述待连接材料的界面区域进行酸洗处理。

进一步地，酸洗处理采用HF、HNO₃和H₂O的混合溶液。

进一步地，所述刚性拘束所述待连接材料，具体为：

将经表面处理的钛合金板用工装夹具刚性拘束在感应线圈之间。

进一步地，所述局部感应加热所述待连接材料，具体包括如下步骤：

感应加热所述待连接材料；

当加热温度达到第一设定温度时，以第一设定时间进行保温。

进一步地，所述焊后热处理连接接头，具体为：

将所述连接接头放置于真空加热炉中，当加热温度达到第二设定温度时，以第二设定时间进行保温。

进一步地，所述处理所述连接接头的表面，具体为：

机械加工去除所述连接接头的表面塑性变形区和氧化区。

本发明的实施例的第二方面提供了一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置，包括感应电源、感应线圈、刚性拘束热自压扩散连接工装、红外测温装置、控温装置和冷却***；

所述感应线圈与所述感应电源电连接，待连接材料放置于所述刚性拘束热自压扩散连接工装上且所述待连接材料的界面区域置于所述感应线圈内，所述红外测温装置与所述控温装置的输入端连接且用于测量所述感应线圈加热时待连接材料的加热温度，所述控温装置的输出端与所述感应电源连接，所述冷却***用于冷却所述感应线圈。

进一步地，所述刚性拘束热自压扩散连接工装的夹具设有成对的约束挡板，所述约束挡板用于对所述待连接材料进行刚性拘束。

进一步地，所述冷却***包括水泵和管路，所述管路围设于所述感应线圈，所述水泵用于驱动所述冷却水在所述管路内循环流动。

(3)有益效果

综上，本发明通过利用放置于待连接材料对接界面附近的感应线圈对刚性拘束的待连接材料界面区进行非熔化局部感应加热，界面区高温金属受热膨胀，在周围冷金属材料和刚性拘束的作用下，形成热拘束应力应变场，对界面处热塑性状态金属进行挤压，促进界面两侧原子扩散，实现固相连接，实现了在非真空、无外加压力情况下钛合金材料的扩散连接，改善了电子束热源非熔化加热刚性拘束热自压扩散时温度梯度较大、加热形式和区域有效、依赖真空环境和成本高等不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置进行局部感应加热的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置中待连接材料放置于感应线圈内的示意图。

图中：

1-感应电源；2-感应线圈；3-刚性拘束热自压扩散连接工装；301-约束挡板；4-红外测温装置；5-控温装置；6-冷却***；7-待连接材料；701-界面区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法的流程示意图，如图1所示，根据本发明实施例的第一方面提供了一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，包括以下步骤：

S1、处理与清理待连接材料的界面区域。

本步骤中，采用磨床对待连接界面进行磨削加工，使其粗糙度Ra≤1.6μm。磨削加工后采用HF、HNO₃和H₂O混合溶液进行表面酸洗处理。

S2、刚性拘束待连接材料。

本步骤中，将经过表面处理的TC4钛合金板用工装夹具刚性拘束在电磁感应线圈之间。

S3、局部感应加热待连接材料。

本步骤中，在温控***界面设置加热温度为950℃，然后启动感应加热设备，待加热温度至950℃后，保温7.5min。

S4、焊后热处理连接接头。

本步骤中，刚性拘束热自压扩散连接后，将连接接头放置于真空加热炉中，选择加热温度650℃，保温时间3小时，进行焊后热处理。

S5、处理连接接头的表面。

本步骤中，机械加工去除连接接头表面塑性变形区和氧化区。

作为一种优选实施方式，处理与清理待连接材料的界面区域，具体如下步骤：

磨削加工待连接材料的界面区域，使待连接材料的界面区域的粗糙度Ra≤1.6μm；

对磨削加工后的待连接材料的界面区域进行酸洗处理。

在该实施方式中，针对电子束热源刚性拘束热自压扩散连接的不足，为了进一步改善刚性拘束热自压扩散连接方法的适用性，利用放置于待连接材料对接界面附近的感应线圈对刚性拘束的待连接材料界面区进行局部非熔化加热，在局部非熔化感应加热作用下，对接界面区金属升温膨胀，界面区高温金属沿板长度方向的膨胀受到限制，进而受到挤压力的作用，在挤压力和温度作用下，对接界面两侧热塑性状态金属发生扩散，实现固相连接。

作为一种优选实施方式，酸洗处理采用HF、HNO₃和H₂O的混合溶液。

作为一种优选实施方式，刚性拘束待连接材料，具体为：

将经表面处理的钛合金板用工装夹具刚性拘束在感应线圈之间。

作为一种优选实施方式，局部感应加热待连接材料，具体包括如下步骤：

感应加热待连接材料；

当加热温度达到第一设定温度时，以第一设定时间进行保温。其中，第一设定温度为950℃，第一设定时间为7.5min，以保证局部感应加热的效果。

具体地，感应线圈通以高频交变电流，交变电流将在焊接件中产生一个交变磁场，交变磁场由于电磁感应效应会在工件中产生与感应线圈中电流相反的涡流，由于涡流热效应焊接件产生焦耳热从而达到加热工件的目的。在局部非熔化感应加热作用下，对接界面区金属升温膨胀，界面区高温金属沿板长度方向的膨胀受到限制，进而受到挤压力的作用，在挤压力和温度作用下，对接界面两侧热塑性状态金属发生扩散，实现固相连接。

作为一种优选实施方式，焊后热处理连接接头，具体为：

将连接接头放置于真空加热炉中，当加热温度达到第二设定温度时，以第二设定时间进行保温。具体地，局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接后，采用真空热处理方法，对连接接头进行去应力热处理，改善连接接头力学性能；其中，第二设定温度为650℃，第一设定时间为3h，以保证焊后热处理的效果。

作为一种优选实施方式，处理连接接头的表面，具体为：

机械加工去除连接接头的表面塑性变形区和氧化区。

图2是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置的结构示意图，图4是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置中待连接材料放置于感应线圈内的示意图，如图2、4所示，根据本发明实施例的第二方面提供了一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置，包括感应电源1、感应线圈2、刚性拘束热自压扩散连接工装3、红外测温装置4、控温装置5和冷却***6；感应线圈2与感应电源1电连接，待连接材料7放置于刚性拘束热自压扩散连接工装3上且待连接材料7的界面区域701置于感应线圈2内，红外测温装置4与控温装置5的输入端连接且用于测量感应线圈2加热时待连接材料7的加热温度，控温装置5的输出端与感应电源1连接，冷却***6用于冷却感应线圈。

在该实施方式中，搭建了由感应电源1、感应线圈2、刚性拘束热自压扩散连接工装3、红外测温装置4、控温装置5和冷却***6等部分组成的局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接平台，实现了在非真空、无外加压力情况下钛合金材料的扩散连接，改善了电子束热源非熔化加热刚性拘束热自压扩散时温度梯度较大、加热形式和区域有效、依赖真空环境和成本高等不足。

作为一种优选实施方式，图3是本发明实施例提供的一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置进行局部感应加热的示意图，如图3所示，刚性拘束热自压扩散连接工装3的夹具设有成对的约束挡板301，约束挡板301用于对待连接材料7进行刚性拘束。

作为一种优选实施方式，冷却***6包括水泵和管路，管路围设于感应线圈2，水泵用于驱动冷却水在管路内循环流动。具体地，冷却水通过水泵抽取，从水箱流入管路内，管路设于感应线圈2的***，通过循环的冷却水吸收感应线圈2产生的过多热量，防止感应线圈2过热，保护线圈装置。

下面以具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

5mm厚平板刚性拘束热自压扩散连接。

材料：5.0mm厚TC4钛合金平板，对接界面尺寸50mm×5mm，综合考虑热效率和线圈与工件短路问题，通常感应线圈与工件的距离为3-6mm，感应线圈的砸距为1.5-2.2mm，因此实施例中选择矩形线圈，内腔截面尺寸60mm×13mm，铜管直径2.5mm，线圈匝数2-3砸，砸距2±0.5mm。

采用感应线圈进行加热，实施过程如下：

(1)待连接界面处理与清理

采用磨床对待连接界面进行磨削加工，使其粗糙度Ra≤1.6μm，磨削加工后采用HF、HNO₃和H₂O混合溶液进行表面酸洗处理；

(2)待连接材料刚性拘束

将经过表面处理的TC4钛合金板用工装夹具刚性拘束在电磁感应线圈之间；

(3)局部感应加热

在温控***界面设置加热温度为950℃，然后启动感应加热设备，待加热温度至950℃后，保温7.5min；

(4)连接接头焊合热处理

刚性拘束热自压扩散连接后，将连接接头放置于真空加热炉中，选择加热温度650℃，保温时间3小时，进行焊后热处理；

(5)连接接头表面处理

机械加工去除连接接头表面塑性变形区和氧化区。

刚性拘束热自压扩散连接后，原对接界面消失，经检测，本实施TC4母材、焊态接头和热处理后的接头力学性能如下表所示：

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

处理与清理待连接材料的界面区域；

刚性拘束所述待连接材料；

局部感应加热所述待连接材料；

焊后热处理连接接头；

处理所述连接接头的表面。

2.根据权利要求1所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，所述处理与清理待连接材料的界面区域，具体如下步骤：

磨削加工所述待连接材料的界面区域，使所述待连接材料的界面区域的粗糙度Ra≤1.6μm；

对磨削加工后的所述待连接材料的界面区域进行酸洗处理。

3.根据权利要求2所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，酸洗处理采用HF、HNO₃和H₂O的混合溶液。

4.根据权利要求1所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，所述刚性拘束所述待连接材料，具体为：

将经表面处理的钛合金板用工装夹具刚性拘束在感应线圈之间。

5.根据权利要求1所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，所述局部感应加热所述待连接材料，具体包括如下步骤：

感应加热所述待连接材料；

当加热温度达到第一设定温度时，以第一设定时间进行保温。

6.根据权利要求1所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，所述焊后热处理连接接头，具体为：

将所述连接接头放置于真空加热炉中，当加热温度达到第二设定温度时，以第二设定时间进行保温。

7.根据权利要求1所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接方法，其特征在于，所述处理所述连接接头的表面，具体为：

机械加工去除所述连接接头的表面塑性变形区和氧化区。

8.一种局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置，其特征在于，包括感应电源(1)、感应线圈(2)、刚性拘束热自压扩散连接工装(3)、红外测温装置(4)、控温装置(5)和冷却***(6)；

所述感应线圈(2)与所述感应电源(1)电连接，待连接材料(7)放置于所述刚性拘束热自压扩散连接工装(3)上且所述待连接材料(7)的界面区域(701)置于所述感应线圈(2)内，所述红外测温装置(4)与所述控温装置(5)的输入端连接且用于测量所述感应线圈(2)加热时待连接材料(7)的加热温度，所述控温装置(5)的输出端与所述感应电源(1)连接，所述冷却***(6)用于冷却所述感应线圈(2)。

9.根据权利要求8所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置，其特征在于，所述刚性拘束热自压扩散连接工装(3)的夹具设有成对的约束挡板(301)，所述约束挡板(301)用于对所述待连接材料进行刚性拘束。

10.根据权利要求8所述的局部感应加热的刚性拘束热自压扩散连接装置，其特征在于，所述冷却***(6)包括水泵和管路，所述管路围设于所述感应线圈(2)，所述水泵用于驱动所述冷却水在所述管路内循环流动。

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