專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鋁鋰合金的快速、低溫、溫差焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁鋰合金的溫差快速焊接方法。
背景技術(shù)：
鋁鋰合金具有較小的原子間隙和高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐熱、耐蝕性，在航空、航天領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。它可用于輕質(zhì)燃料的儲(chǔ)備箱和空間飛行器的結(jié)構(gòu)部件等。但是由于鋁鋰是一種低熔點(diǎn)的合金，焊接時(shí)存在著很大的困難。當(dāng)前對(duì)鋁鋰合金焊接技術(shù)主要集中在釬焊和擴(kuò)散焊接方面，從相關(guān)的研究結(jié)果看，鋁鋰合金的焊接溫度一般在450℃以下，基體溫度應(yīng)控制在200℃以下，但采用上述傳統(tǒng)焊接方法很難達(dá)到上述要求。
擴(kuò)散焊[如專(zhuān)利1517169]，擴(kuò)散焊利用輻射、熱傳導(dǎo)傳熱，焊接時(shí)間長(zhǎng)；同時(shí)在一體化的均勻加熱源作用下，焊接界面與基體都處于基本一致的溫度場(chǎng)中，基體性能劣化明顯。
電阻焊接方法[如專(zhuān)利1517169]，電阻焊利用一個(gè)大的沖擊電流，將工件夾持定位，將兩電極與工件壓緊，放電實(shí)現(xiàn)焊接；在沖擊電流作用下，利用瞬間的界面熔化來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。由于在界面處溫度變化大，工件會(huì)出現(xiàn)較大變形。
因此降低材料的焊接溫度，或控制基體變形和整體材料性能劣化成為鋁鋰合金焊接的一個(gè)主要問(wèn)題。
快速低溫、差溫焊接方法主要利用焊接界面的電阻效應(yīng)、脈沖電流對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的促進(jìn)作用，通過(guò)控制脈沖電流的波形、大小，達(dá)到在低溫下形成一個(gè)焊接面溫度較高而基體溫度較低的溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金的快速焊接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述焊接過(guò)程中的熔化，焊接變形及基體性能劣化等問(wèn)題，得到焊接性能優(yōu)良而基體性能變化不大的鋁鋰合金結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出利用控制脈沖電流熱加工工藝來(lái)快速焊接鋁鋰合金材料。脈沖電流熱加工工藝，利用電流本身的焦耳熱效應(yīng)加熱和界面上的放電活化效應(yīng)促進(jìn)焊接。由于界面電阻比基體電阻大很多，在大電流的驅(qū)動(dòng)下會(huì)在界面處很快形成一個(gè)高溫活化區(qū)，而基體的溫度仍處于較低的水平；同時(shí)由于在焊接界面的接觸間隙處，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生部分放電現(xiàn)象，焊接材料的界面原子被激活和凈化，這使得焊接過(guò)程中界面上的原子在較低的溫度下也能快速擴(kuò)散形成焊合。
本發(fā)明的工藝流程具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程詳述如下①原料準(zhǔn)備。
將加工好的不同尺寸鋁鋰合金樣件或材料進(jìn)行表面處理，對(duì)接觸面采用不同級(jí)別水砂紙打磨；采用無(wú)水乙醇浸泡3～6h，除去表面有機(jī)物，置于0.5～1M鹽酸中浸泡1h，去除表面氧化物層，清水洗凈，真空快速干燥，涂上保護(hù)劑(如煤油)并加壓3～5Mpa，并保持30分鐘；②焊接準(zhǔn)備。
將試樣放入脈沖大電流加熱裝置中，將裝置腔體抽真空小于5Pa，然后將腔體中通入純Ar進(jìn)行保護(hù)；③保護(hù)劑除去。
以20～100℃/min的速度快速升溫，加熱界面溫度至100～200℃，保溫3～5分鐘，去除樣件表面保護(hù)劑；④焊接溫度控制。
控制電流大小(50～1500A)和波形(波寬0.5～60sec)，脈沖比為1～50∶10～500；將試樣界面加熱到設(shè)定的溫度，焊接過(guò)程中施加3～30Mpa，焊接時(shí)間為5～15分鐘。由于鋁鋰合金熔點(diǎn)一般在560℃左右，因此在焊接過(guò)程中界面處溫度控制在300～450℃。
⑤成品。
自然降溫至80℃以下，停止Ar通入，得到成品。
本發(fā)明的特點(diǎn)是1、發(fā)明利用電流焦耳熱進(jìn)行體加熱，升溫速度快，同時(shí)具有沿界面溫度高，而離開(kāi)界面溫度減小等特性。
2、本發(fā)明中，電流是一種波形、大小可控的周期性電流，因而在焊接過(guò)程中溫度及其分布是可以調(diào)節(jié)的。
3、利用界面電阻效應(yīng)和脈沖電流促進(jìn)擴(kuò)散的作用，使工件在不熔化的有利條件下實(shí)現(xiàn)焊接，并最大限度減小了界面應(yīng)力。
與已有制備方法相比，本發(fā)明焊接溫度低，溫區(qū)可控，焊接時(shí)間短，是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且效率高的焊接鋁鋰合金的方法，在航空、航天和能源工業(yè)等方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。


圖1焊接工藝流程圖。
圖2可控脈沖電流溫差、低溫快速焊接裝置示意圖。
圖3焊接過(guò)程中的試樣溫度分布控制原理圖。
圖4焊接過(guò)程中的試樣溫度沿縱向分布示意圖。
具體實(shí)施方案實(shí)施例1將直徑為φ50mm鋁鋰合金1420(Al92％ Li2.0％ Mg5.1％ 0.08％ Zr，熔點(diǎn)560℃)樣件焊接面采用粗砂紙水磨、金相砂紙打磨；然后用無(wú)水乙醇浸泡3h除去表面有機(jī)物，置于1M鹽酸中浸泡1h，去除表面氧化物層，清水清洗干凈，真空快速干燥，涂上保護(hù)劑煤油并加壓10MPa并保持30分鐘；將脈沖比為5∶25、波寬10sec的500A電流導(dǎo)入樣品中，高純Ar氣保護(hù)，在界面溫度為150℃時(shí)循環(huán)5分鐘，去除表面保護(hù)劑，界面升溫至400℃，加壓10MPa，循環(huán)10分鐘，Ar氣保護(hù)降溫。得到材料焊縫處強(qiáng)度為基體材料強(qiáng)度90％。
實(shí)施例2將直徑為φ100mm鋁鋰合金1420(熔點(diǎn)560℃)的棒材表面采用粗砂紙水磨、金相砂紙打磨；然后用無(wú)水乙醇浸泡6h除去表面有機(jī)物，置于1M鹽酸中浸泡1h，去除表面氧化物層，清水清洗干凈，真空快速干燥，涂上保護(hù)劑并加壓5MPa并保持30分鐘；將脈沖比為10∶150、波寬30sec的1000A電流導(dǎo)入樣品中，高純Ar氣保護(hù)，在界面溫度為200℃時(shí)循環(huán)5分鐘，去除表面保護(hù)劑煤油，界面升溫至350℃，加壓30MPa，循環(huán)15分鐘，Ar氣保護(hù)降溫。得到材料焊縫處強(qiáng)度為基體材料強(qiáng)度90％。
實(shí)施例3將直徑為φ10mm鋁鋰合金1420(熔點(diǎn)560℃)的棒材表面采用粗砂紙水磨、金相砂紙打磨；然后用無(wú)水乙醇浸泡3h除去表面有機(jī)物，置于1M鹽酸中浸泡1h，去除表面氧化物層，清水清洗干凈，真空快速干燥，涂上保護(hù)劑并加壓5MPa并保持30分鐘；將脈沖比為10∶200、波寬10sec的100A電流導(dǎo)入樣品中，高純Ar氣保護(hù)，在界面溫度為200℃時(shí)循環(huán)3分鐘，去除表面保護(hù)劑煤油，界面升溫至450℃，加壓5MPa，循環(huán)5分鐘，Ar氣保護(hù)降溫。得到材料焊縫處強(qiáng)度為基體材料強(qiáng)度92％。
實(shí)施例4將直徑為φ50mm鋁鋰合金2091(熔點(diǎn)530℃)樣件焊接面采用粗砂紙水磨、金相砂紙打磨；然后用無(wú)水乙醇浸泡3h除去表面有機(jī)物，置于1M鹽酸中浸泡1h，去除表面氧化物層，清水清洗干凈，真空快速干燥，涂上保護(hù)劑并加壓10MPa并保持30分鐘；將脈沖比為5∶25、波寬10sec的400A電流導(dǎo)入樣品中，高純Ar氣保護(hù)，在界面溫度為150℃時(shí)循環(huán)5分鐘，去除表面保護(hù)劑煤油，界面升溫至400℃，加壓10MPa，循環(huán)5分鐘，Ar氣保護(hù)降溫。得到材料焊縫處強(qiáng)度為基體材料強(qiáng)度93％。
實(shí)施例5將直徑為φ50mm鋁鋰合金2195(熔點(diǎn)500℃)的棒材表面采用粗砂紙水磨、金相砂紙打磨；然后用無(wú)水乙醇浸泡6h除去表面有機(jī)物，置于1M鹽酸中浸泡1h，去除表面氧化物層，清水清洗干凈，真空快速干燥，涂上保護(hù)劑煤油并加壓5MPa并保持30分鐘；將脈沖比為10∶250、波寬10sec的600A電流導(dǎo)入樣品中，高純Ar氣保護(hù)，在界面溫度為200℃時(shí)循環(huán)5分鐘，去除表面保護(hù)劑，界面升溫至380℃，加壓30MPa，循環(huán)15分鐘，Ar氣保護(hù)降溫。得到材料焊縫處強(qiáng)度為基體材料強(qiáng)度92％。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋁鋰合金材料脈沖大電流加熱的快速、溫差焊接方法，包括合金表面處理、可控脈沖大電流加熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)非均勻溫度場(chǎng)控制及加壓焊接等步驟，其特征為將首先經(jīng)過(guò)表面處理后的樣品置入焊接裝置中，將裝置腔體抽真空小于5Pa，將脈沖大電流導(dǎo)入樣品中，充入高純Ar氣保護(hù)，在100～200℃下保溫3～5分鐘，以去除表面保護(hù)劑；然后，采用特定電流脈沖方式界面升溫至300～450℃，加一定壓力，多個(gè)脈沖循環(huán)，焊接時(shí)間為5～15分鐘，自然降溫至室溫，全過(guò)程Ar氣保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在本方法中主要是利用調(diào)節(jié)電流大小通電時(shí)間間隔及對(duì)樣品中的電阻分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖大電流加熱升溫過(guò)程的非均勻溫度場(chǎng)控制。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種利用控制波形脈沖電流熱加工工藝升溫過(guò)程中的非均勻溫度場(chǎng)的方法來(lái)快速焊接鋁鋰合金材料。這種方法不僅能在較低溫度、較短保溫時(shí)間內(nèi)完成鋰鋁合金材料的焊接，同時(shí)通過(guò)對(duì)電流脈沖和熱擴(kuò)散環(huán)境的控制，在焊接材料中形成一個(gè)焊面相對(duì)高溫而基體處于一個(gè)整體低溫的溫度場(chǎng)，有效地避免了通常整體高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程對(duì)基體材料性能的破壞。與已有的制備方法相比，該方法焊接溫度低、溫區(qū)可控，焊接時(shí)間短，是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且效率高的制造層狀金屬?gòu)?fù)合材料的方法，在航空、航天和能源工業(yè)等方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B23K11/34GK1727106SQ20051001882
公開(kāi)日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者傅正義, 張金詠, 彭勇, 王玉成, 王為民, 王皓, 張清杰 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)