一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法
【專利摘要】一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟如下：1）將兩種不同金屬材料的待焊表面去除污、清洗，烘干后預熱；2）在大氣環(huán)境、氮氣或氬氣氣氛下，使用外加熱源進行加熱以使結(jié)合處的母材或填充材料熔化為液態(tài)金屬，與此同時施加超聲波和磁場雙物理場，結(jié)合處液態(tài)金屬冷卻凝固之后得到復合焊縫；3）待焊縫處液態(tài)金屬凝固、冷卻至室溫后得到顆粒增強的焊縫。本發(fā)明的優(yōu)點是：該焊接方法通過施加超聲和磁場，有效控制界面反應(yīng)和強化液態(tài)金屬流動，得到金屬間化合物顆粒增強的復合焊縫，有利于焊接接頭完整結(jié)合，提高焊接接頭力學性能，細化焊縫晶粒，減小殘余應(yīng)力；減少釬劑對人員的毒副作用以及對鋁鋼結(jié)合界面的不良影響，有利于環(huán)保。
【專利說明】一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法。

【背景技術(shù)】
[0002]異種材料焊接和連接技術(shù)是將兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的金屬在界面上實現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合的材料成型方法。母材金屬仍然保持各自原有特性，比使用單一金屬優(yōu)越得多，因此，異種材料焊接與連接的方法一直以來受到普遍重視。鋁、鋼、鈦和銅等作為常見金屬，其相互之間的焊接與連接在發(fā)電設(shè)備、汽車、船舶、鋼道交通、核能、機械、航天、石油、化工等中有著廣泛應(yīng)用。
[0003]異種金屬的焊接與連接方法，主要包括釬焊、熔化焊和固相焊等。
[0004]釬焊的基本工藝是:按照要求準備母材和釬料，然后使用外加熱源，將釬料熔化，釬料凝固后實現(xiàn)界面結(jié)合。該方法需要使用釬劑或氣氛，破除母板表面的氧化膜。
[0005]熔化焊的基本工藝是:按照要求準備母材和釬料，然后使用外加熱源，將母材或母材和填充材料熔化，焊縫凝固后實現(xiàn)界面結(jié)合。
[0006]壓力焊的基本工藝是:按照要求準備母材和釬料，然后使用外加熱源，母材不熔化，通過施加壓力促使界面實現(xiàn)結(jié)合。
[0007]上述工藝中存在的主要問題是:焊接過程中，異種金屬反應(yīng)迅速、劇烈、難以避免，生成的脆性金屬間化合物難以承受應(yīng)力作用，容易造成開裂，降低了焊接接頭的力學性能。目前減少異種材料金屬間化合物影響的思路普遍是調(diào)整焊接參數(shù)、優(yōu)化工藝、降低熱輸入、進而減少金屬間化合物的生成，但是異種金屬反應(yīng)迅速，徹底避免較為困難。異種材料互溶性差，在熔化焊時，液相分離，冷卻結(jié)晶時造成焊縫成份不均，容易發(fā)生開裂；熱膨脹系數(shù)不同，焊縫易產(chǎn)生應(yīng)力，造成焊接變形，導致裂紋萌生；熱導率不同，結(jié)晶條件惡化，易造成晶粒粗化；金屬材料表面二次氧化膜生長迅速，可產(chǎn)生夾雜、裂紋，影響界面結(jié)合；焊前金屬表面清理工藝繁瑣，焊接過程中使用釬劑會對人員造成毒副作用，焊后釬劑清理困難，易對對結(jié)合界面的產(chǎn)生不良影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種異種金屬材料的焊接方法，該方法焊接過程中同時施加磁場和超聲波，進而利用異種金屬反應(yīng)生成的金屬間化合物形成顆粒增強焊縫，提高焊縫力學性能，有助于加速焊縫傳熱傳質(zhì)，促進焊縫成份的均勻化，細化晶粒，減小應(yīng)力，提高界面結(jié)合性能。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟如下:
1)將兩種不同金屬材料的待焊表面去除油脂、污潰，并用酸洗法進行清洗，初步去除氧化膜，烘干后在大氣環(huán)境、氮氣或氬氣氣氛條件下預熱，預熱溫度為100-400°C ；
2)在大氣環(huán)境、氮氣或氬氣氣氛條件下，使用外加熱源進行加熱以使結(jié)合處的母材或填充材料熔化為液態(tài)金屬，與此同時施加超聲波和磁場雙物理場，結(jié)合處液態(tài)金屬冷卻凝固之后得到復合焊縫；
3)待焊縫處液態(tài)金屬凝固、以冷卻速度為200-900°C /min冷卻至室溫后停止施加外加物理場，得到顆粒增強的焊縫。
[0010]所述外加熱源為火焰、電弧、激光或電子束，以及通過熱傳導和熱輻射熔化金屬的電阻加熱法。
[0011]所述填充材料為Zn-Al、Al-S1、Sn-Zn ;填充材料形態(tài)為粉狀、棒狀、帶狀或膏狀。
[0012]所述超聲波的振動頻率為2X 14-1 X 19Hz,工具頭輸出振幅為0.01_20Mm，超聲波電源的輸出功率為0.01-5kW，工作壓力0.01-5.0MPa，超聲波振動方向為橫向或縱向。
[0013]所述磁場為穩(wěn)恒磁場或交變磁場，磁場強度為0.001-15T,交變磁場頻率為
0.0l-lOOOHz。
[0014]所述氮氣或気氣氣氛的濃度為99-99.9999%ο
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點是:
該焊接方法通過施加超聲和磁場，有效控制界面反應(yīng)和強化液態(tài)金屬流動，得到金屬間化合物顆粒增強的復合焊縫，有利于焊接接頭完整結(jié)合，提高焊接接頭力學性能，細化焊縫晶粒，減小殘余應(yīng)力，破除氧化膜；降低或避免釬劑使用，減少對人員的毒副作用以及對鋁鋼結(jié)合界面的不良影響，有利于節(jié)約能源、減小物料的使用和降低環(huán)境污染。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是多物理場輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0017]圖2是采用不同形狀超聲施加裝置的多物理輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0018]圖3是采用填充材料的多物理輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0019]圖4是能量束有一定傾斜角度的多物理輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0020]圖5是氣氛保護下多物理輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0021]圖6是不使用加熱裝置，僅使用能量束的多物理輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0022]圖7是不使用能量束，僅使用加熱裝置的多物理輔助異種金屬材料焊接設(shè)備示意圖。
[0023]圖8是不使用能量束，僅使用加熱裝置的多物理輔助異種金屬材料上下放置的焊接設(shè)備示意圖。
[0024]圖9是不使用能量束，僅使用加熱裝置的多物理輔助異種金屬材料上下放置并設(shè)置填充材料的焊接設(shè)備示意圖。
[0025]圖10是顆粒增強復合結(jié)構(gòu)焊縫的微觀組織示意圖。
[0026]圖中:1.超聲波施加裝置 2.金屬母材 3.加熱裝置 4.磁場 5.能量束6.異種金屬母材 7.填充材料8.焊接氣氛。

【具體實施方式】
[0027]結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明進行說明。
[0028]實施例1: 一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟如下:
1)將純鋁板和純鐵板表面去除油脂、污潰，并用酸洗法進行清洗，初步去除氧化膜，烘干后在大氣環(huán)境下預熱，預熱溫度為300°c ；
2)在大氣環(huán)境、氮氣或氬氣氣氛條件下，使用電弧加熱以使并排放置的純鋁板和純鐵板結(jié)合處熔化為液態(tài)金屬，與此同時施加超聲波和磁場雙物理場，如圖1所不，其中超聲頻率為2X104Hz、工具頭輸出振幅為1MflK超聲波電源的輸出功率為2kW、工作壓力3.0Mpa,,磁場強度為3T、交變磁場頻率為10Hz，結(jié)合處液態(tài)金屬冷卻凝固之后得到復合焊縫；
3)待焊縫處液態(tài)金屬凝固、以冷卻速度為200-900°C/min冷卻至室溫后停止施加外加物理場，得到顆粒增強的焊縫，得到顆粒增強的焊縫結(jié)構(gòu)，如圖10所示。
[0029]實施例2:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:所使用的超聲波施加裝置的形狀為滾輪型，如圖2所示。
[0030]實施例3:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:在純鋁板和純鐵板之間使用填充材料，成份為Zn-Al合金，填充材料預先放置在兩種金屬之間，厚度為0.5mm,如圖3所示。
[0031]實施例4:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:采用電弧加熱，電弧方向與被焊母材之間一定傾斜角度，角度大小在45°，如圖4所示。
[0032]實施例5:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:軋制在氮氣氣氛條件下進行，氮氣的濃度為99.9%，如圖5所示。
[0033]實施例6:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:焊接過程中使用激光能量束加熱。
[0034]實施例7:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:焊接過程中使用火焰加熱裝置。
[0035]實施例8:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:焊接過程中使用電弧加熱，如圖6所示。
[0036]實施例9:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:焊接過程中使用火焰加熱，如圖7所示。
[0037]實施例10:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:焊接過程中兩種金屬板上下放置，如圖8和圖9所示。
[0038]實施例11:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:在純鋁板和純鐵板之間使用填充材料，成份為Sn-Zn合金，厚度為0.5mm，如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，其特征在于步驟如下: 1)將兩種不同金屬材料的待焊表面去除油脂、污潰，并用酸洗法進行清洗，初步去除氧化膜，烘干后在大氣環(huán)境、氮氣或氬氣氣氛條件下預熱，預熱溫度為100-40(TC ；； 2)在大氣環(huán)境、氮氣或氬氣氣氛條件下，使用外加熱源進行加熱以使結(jié)合處的母材或填充材料熔化為液態(tài)金屬，與此同時施加超聲波和磁場雙物理場，結(jié)合處液態(tài)金屬冷卻凝固之后得到復合焊縫； 3)待焊縫處液態(tài)金屬凝固、以冷卻速度為200-900°C/min冷卻至室溫后停止施加外加物理場，得到顆粒增強的焊縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，其特征在于:所述外加熱源為火焰、電弧、激光或電子束，以及通過熱傳導和熱輻射熔化金屬的電阻加熱法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，其特征在于:所述填充材料為Zn-Al、Al-Si或Sn-Zn，填充材料形態(tài)為粉狀、棒狀、帶狀或膏狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，其特征在于:所述超聲波的振動頻率為2 X 14-1 X 19Hz,工具頭輸出振幅為0.01-20Mm,超聲波電源的輸出功率為0.01-5kW，工作壓力0.01-5.0MPa，超聲波振動方向為橫向或縱向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，其特征在于:所述磁場為穩(wěn)恒磁場或交變磁場，磁場強度為0.001-15T，交變磁場頻率為0.01-1OOOHz0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，其特征在于:所述氮氣或氬氣氣氛的濃度為99-99.9999%。
【文檔編號】B23K28/02GK104400237SQ201410591154
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】王謙, 李云濤, 褚亮, 李杰祥 申請人:天津理工大學