薄板熱自壓連接方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種薄板熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用待連接薄板接頭整體剛度在集中熱源非熔化加熱作用下，加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間形成溫差效應(yīng)，利用由此產(chǎn)生的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接；本發(fā)明能夠避免薄板熔化焊接時焊縫中產(chǎn)生鑄態(tài)組織以及氣孔、裂紋和夾雜等缺陷，同時在連接過程中不需要施加外力，工藝過程簡單、便于實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】薄板熱自壓連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于焊接領(lǐng)域中板材的連接方法，尤其涉及一種薄板熱自壓連接方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]薄板材料的連接主要有熔化焊和攪拌摩擦焊等連接方法。熔化焊是利用熱源加熱并熔化被焊材料和填加材料，被焊材料和填加材料經(jīng)熔化、凝固后形成永久性的連接接頭。根據(jù)使用熱源不同，現(xiàn)有的熔化焊接方法有:氬弧焊、激光焊、離子束焊和電子束焊等。攪拌摩擦焊是在壓力作用下，利用被焊工件接觸面的相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，使被焊接面金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，通過金屬間的擴(kuò)散和再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)連接的一種焊接方法。
[0003]薄板材料熔化焊連接時，因熱源在焊接區(qū)域的高溫?zé)嵫h(huán)作用，經(jīng)熔化/凝固，焊縫中產(chǎn)生鑄態(tài)組織，焊接完成后，焊縫中仍可能產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，導(dǎo)致接頭的斷裂與疲勞性能相比母材的斷裂和疲勞性能明顯降低，焊后需要進(jìn)行退火熱處理才能獲得與母材相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，增加了生產(chǎn)周期和成本。
[0004]攪拌摩擦焊等固態(tài)連接能避免熔化時焊縫中產(chǎn)生的鑄態(tài)組織和缺陷，并相對于熔焊接頭能獲得不同區(qū)域組織和力學(xué)性能較為均勻的連接接頭，但是，在連接過程中需要施加外力，工藝實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜。
[0005]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，提出一種薄板熱自壓連接方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種薄板熱自壓連接方法，該方法為固相連接，能夠避免薄板熔化焊接時焊縫中產(chǎn)生鑄態(tài)組織以及氣孔、裂紋和夾雜等缺陷，同時在連接過程中不需要施加外力，工藝過程簡單、便于實(shí)現(xiàn)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種薄板熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用待連接薄板接頭整體剛度在集中熱源非熔化加熱作用下，加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間形成溫差效應(yīng)，利用由此產(chǎn)生的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接。
[0008]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，該方法至少包括以下步驟:
[0009]( I)建立對接薄板整體剛度；
[0010]將待連接薄板對接面無縫對接，并通過輔助起焊端建立對接薄板之間的整體剛度；
[0011](2)進(jìn)行非熔化加熱；
[0012]使用集中熱源從輔助起焊端開始沿對接面移動，進(jìn)行非熔化加熱，在熱源作用下加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，并因?qū)颖“逭w剛度的拘束，從而在加熱區(qū)產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場對對接面處高溫區(qū)熱塑性狀態(tài)金屬進(jìn)行自擠壓，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和連接。[0013]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，在步驟(I)之前，精加工待連接薄板對接面，并將待連接薄板緊密對接裝配于焊接夾具上。
[0014]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述夾具包括有夾具底座，夾具底座上設(shè)有兩個上擋板橫梁，所述兩個上擋板橫梁沿著對接面平行設(shè)置，兩個上擋板橫梁分別設(shè)置在薄板對接面的兩側(cè)并與對接面保持一定距離；各上擋板橫梁上間隔設(shè)有多個螺紋孔，螺紋孔中設(shè)有限位螺栓。
[0015]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述精加工包括對接面精磨和清洗。
[0016]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，在步驟(I)中，所述輔助起焊端是焊接前零件下料、加工時與各待連接薄板一起機(jī)加工形成的；每個待連接薄板上均對應(yīng)設(shè)有一輔助起焊端；所述輔助起焊端的長度根據(jù)待連接薄板對接面的尺寸而確定；使用熔化焊接方式將輔助起焊端焊接合適的長度，由此建立對接薄板之間的整體剛度。
[0017]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，在步驟(I)中，所述輔助起焊端是單獨(dú)加工形成的一連接件，然后將該輔助起焊端與兩個待連接薄板分別點(diǎn)焊在一起，從而建立對接薄板的整體剛度；所述輔助起焊端的尺寸根據(jù)待連接薄板對接面的尺寸而確定。
[0018]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述集中熱源為電弧、電子束或激光。
[0019]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，在步驟(2 )之后，將輔助起焊端切除。
[0020]由上所述，本發(fā)明的薄板熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用待連接薄板接頭整體剛度在集中熱源非熔化加熱作用下，加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間形成溫差效應(yīng)，利用由此產(chǎn)生的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接；本發(fā)明能夠避免薄板熔化焊接時焊縫中產(chǎn)生鑄態(tài)組織以及氣孔、裂紋和夾雜等缺陷，同時在連接過程中不需要施加外力，工藝過程簡單、便于實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中:
[0022]圖1:為本發(fā)明中對接薄板整體剛度建立方式一示意圖；
[0023]圖2:為本發(fā)明中對接薄板整體剛度建立方式二示意圖；
[0024]圖3:為圖1中A-A處剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4:為本發(fā)明中非熔化加熱時熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場產(chǎn)生示意圖；
[0026]圖5:為本發(fā)明中一實(shí)施例的連接過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0028]本發(fā)明提出一種薄板熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用待連接薄板接頭整體剛度在集中熱源非熔化加熱作用下，加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間形成溫差效應(yīng)，利用由此產(chǎn)生的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接。
[0029]如圖1?圖4所示，該方法至少包括以下步驟:[0030](I)試樣加工與裝卡；
[0031]精加工待連接薄板I對接面(包括對接面精磨和清洗)，并將待連接薄板I緊密對接裝配于焊接夾具2上；在本實(shí)施方式中，所述夾具2包括有夾具底座21，夾具底座21上設(shè)有兩個上擋板橫梁22，所述兩個上擋板橫梁22沿著對接面平行設(shè)置，兩個上擋板橫梁22分別設(shè)置在薄板對接面的兩側(cè)并與對接面保持一定距離；各上擋板橫梁22上間隔設(shè)有多個螺紋孔，螺紋孔中設(shè)有限位螺栓221。
[0032]裝卡時，將兩塊待連接薄板I放置在夾具底座21上，薄板I下方設(shè)置下墊塊23，上方設(shè)置上壓塊24，對接面無縫對接后，通過限位螺栓221將薄板固定；在本實(shí)施方式中，夾具2的作用是防止后續(xù)預(yù)制整體剛度時對接薄板面外變形，同時防止熱自壓連接時連接處錯邊(沒有施加擠壓力)，因此，此處的限位螺栓221不必擰的太緊；在本實(shí)施方式中，上擋板橫梁22需選擇離對接面合適的位置；橫梁離對接面太遠(yuǎn)，焊接中可能導(dǎo)致錯邊，離得太近可能會影響溫度場，所以要根據(jù)具體情況而定。
[0033](2)建立對接薄板整體剛度；
[0034]將待連接薄板裝卡(對接面無縫對接)后，將建立對接薄板整體剛度。在本實(shí)施方式中，建立對接薄板整體剛度可以采用兩者方式:
[0035]方式一:如圖1所示，在所述待連接薄板I對接面一側(cè)端部對應(yīng)設(shè)有輔助起焊端11 (每個待連接薄板上均對應(yīng)設(shè)有一輔助起焊端11);所述輔助起焊端11是焊接前零件下料、加工時與零件一起機(jī)加工形成的(該輔助起焊端11在熱自壓連接后將被切除掉)；所述輔助起焊端11的長度根據(jù)待連接薄板對接面的尺寸而確定；使用熔化焊接方式將兩個對應(yīng)的輔助起焊端11焊接合適的長度(長度太小，對接板的整體剛度不足，可能導(dǎo)致不能焊接)；由此建立兩塊對接薄板之間的整體剛度。
[0036]方式二:如圖2所示，所述輔助起焊端是單獨(dú)加工形成的一連接件12，該輔助起焊端(連接件)12與待連接薄板I焊前是分離的，將該輔助起焊端12通過點(diǎn)焊方式分別與兩對接薄板的一側(cè)端部連接(所述多個焊點(diǎn)3如圖2所示)，從而建立對接薄板的整體剛度；所述輔助起焊端的尺寸根據(jù)待連接薄板對接面的尺寸而確定。
[0037](3)進(jìn)行非熔化加熱；
[0038]使用電弧、電子束或激光等集中熱源從輔助起焊端11開始沿對接面以合適的速度移動，進(jìn)行非熔化加熱，在熱源作用下加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，并因?qū)颖“逭w剛度的拘束，加熱區(qū)高溫金屬的膨脹受到周圍冷金屬的擠壓力F與平板面內(nèi)的彎矩M作用，在擠壓力F和彎矩M作用下產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場對對接面處高溫區(qū)熱塑性金屬進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和連接。如圖4所示，圖4中B為加熱高溫區(qū)，箭頭C為熱源移動方向。整個連接過程中不熔化待連接材料，不填加材料，且不施加外力。
[0039]在無外力作用下，利用對接薄板之間整體剛度和熱源非熔化加熱時加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬的溫差共同作用建立的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，實(shí)現(xiàn)對待連接接頭對接面高溫區(qū)熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接是本發(fā)明獨(dú)具的特點(diǎn)。對接板之間整體剛度和加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬的溫差是產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場實(shí)現(xiàn)薄板熱自壓連接的必要條件。
[0040]由上所述，本實(shí)施方式中的薄板熱自壓連接方法，在整個連接中未對待連接材料施加外力(擠壓力)，是靠待連接材料間整體剛度和局部非熔化加熱溫差產(chǎn)生的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接的。因此，本發(fā)明與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊和熱壓焊等固相焊接方法相比加熱方式和連接機(jī)理均不同。在加熱方式上，本發(fā)明選擇的是利用熔化焊熱源進(jìn)行非熔化局部加熱工件待連接接頭；在連接機(jī)理上，本發(fā)明是利用建立的待連接接頭自身整體剛度和熱源非熔化加熱接頭時高溫區(qū)金屬與周圍冷金屬之間溫差共同作用產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，由此實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的擠壓、擴(kuò)散和連接；因此，本發(fā)明并不需要像其它現(xiàn)有方法依靠連接過程中施加的外力作用或摩擦熱力作用等達(dá)到接頭連接的目的。
[0041]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益的效果:
[0042](I)與熔化焊相比:
[0043]①非熔化加熱，能避免熔化焊接時焊縫中產(chǎn)生的鑄態(tài)組織以及氣孔和裂紋等缺陷。
[0044](2)與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊相比:
[0045]①不需施加外力不需整體加熱；③不需長時間保溫工藝過程簡單、便于實(shí)現(xiàn)加工效率高。
[0046]下面以一具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0047]如圖5所示,對接薄板長度L=60mm,寬度B=50mm,板厚2mm,對接薄板材料為TC4鈦合金；采用真空電子束熱源進(jìn)行熱自壓連接，過程如下:
[0048](I)對接面精磨，清洗干凈后固定于焊接夾具上；
[0049](2)利用電子束熔焊預(yù)焊對接薄板的焊接起始端(輔助起焊端)，熔化焊接長度a=10mm,建立對接板整體剛度；
[0050](3)待熔焊后薄板溫度降低至室溫附近，利用電子束熱源從焊接起始端開始沿對接面非熔化加熱對接板，進(jìn)行熱自壓連接，相應(yīng)參數(shù)為:工作距離H=335mm，束流Ib=L 3mA,加速電壓Ub=150kV,聚焦電流If=2809mA,速度v=0.2mm/s。
[0051]TC4鈦合金薄板移動加熱熱自壓連接接頭金相檢測結(jié)果表明:熱自壓連接后，原對接面消失，界面處僅存在少數(shù)微米尺寸級別孔洞，本實(shí)施例薄板移動加熱熱自壓連接接頭的焊合率大于95%。拉伸力學(xué)性能檢測結(jié)果表明:接頭的抗拉強(qiáng)度為1019.99MPa。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實(shí)施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種薄板熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用待連接薄板接頭整體剛度在集中熱源非熔化加熱作用下，加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間形成溫差效應(yīng)，利用由此產(chǎn)生的熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，實(shí)現(xiàn)對接頭連接處熱塑性狀態(tài)金屬的自擠壓、擴(kuò)散和連接。
2.如權(quán)利要求1所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:該方法至少包括以下步驟: (1)建立對接薄板整體剛度； 將待連接薄板對接面無縫對接，并通過輔助起焊端建立對接薄板之間的整體剛度； (2)進(jìn)行非熔化加熱； 使用集中熱源從輔助起焊端開始沿對接面移動，進(jìn)行非熔化加熱，在熱源作用下加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，并因?qū)颖“逭w剛度的拘束，從而在加熱區(qū)產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場對對接面處高溫區(qū)熱塑性狀態(tài)金屬進(jìn)行自擠壓，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和連接。
3.如權(quán)利要求2所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:在步驟(I)之前，精加工待連接薄板對接面，并將待連接薄板緊密對接裝配于焊接夾具上。
4.如權(quán)利要求3所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:所述夾具包括有夾具底座，夾具底座上設(shè)有兩個上擋板橫梁，所述兩個上擋板橫梁沿著對接面平行設(shè)置，兩個上擋板橫梁分別設(shè)置在薄板對接面的兩側(cè)并與對接面保持一定距離；各上擋板橫梁上間隔設(shè)有多個螺紋孔，螺紋孔中設(shè)有限位螺栓。
5.如權(quán)利要求3所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:所述精加工包括對接面精磨和清洗。
6.如權(quán)利要求2所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:在步驟(I)中，所述輔助起焊端是焊接前零件下料、加工時與各待連接薄板一起機(jī)加工形成的；每個待連接薄板上均對應(yīng)設(shè)有一輔助起焊端；所述輔助起焊端的長度根據(jù)待連接薄板對接面的尺寸而確定；使用熔化焊接方式將輔助起焊端焊接合適的長度，由此建立對接薄板之間的整體剛度。
7.如權(quán)利要求2所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:在步驟(I)中，所述輔助起焊端是單獨(dú)加工形成的一連接件，然后將該輔助起焊端與兩個待連接薄板分別點(diǎn)焊在一起，從而建立對接薄板的整體剛度；所述輔助起焊端的尺寸根據(jù)待連接薄板對接面的尺寸而確定。
8.如權(quán)利要求2所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:所述集中熱源為電弧、電子束或激光。
9.如權(quán)利要求2所述的薄板熱自壓連接方法，其特征在于:在步驟(2)之后，將輔助起焊端切除。
【文檔編號】B23K101/18GK103464907SQ201310369651
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】鄧云華, 關(guān)橋, 吳冰, 王西昌, 陶軍, 付鵬飛 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所