本發(fā)明屬于材料焊接與連接技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法。

背景技術(shù)：

瞬間液相擴(kuò)散焊(簡(jiǎn)稱TLP焊接)是屬于擴(kuò)散焊的一種焊接方法，傳統(tǒng)TLP焊接適用于焊接性較差材料的焊接，特別適用于耐熱合金、異種材料等材料的焊接。

傳統(tǒng)的TLP焊接是利用熔點(diǎn)比母材低的材料作為中間層，通過加熱使中間層熔化或利用中間層與母材之間發(fā)生共晶反應(yīng)產(chǎn)生液相，液相浸潤(rùn)母材表面填充毛細(xì)間隙。固液相之間發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，形成致密的界面連接，在隨后的保溫過程中，降熔元素向母材中擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)等溫凝固和均勻化過程形成焊接接頭。

然而，傳統(tǒng)TLP焊接工藝存在明顯的弊端，具體如下：需在真空環(huán)境下進(jìn)行，中間層與母材之間元素的互擴(kuò)散進(jìn)行緩慢，導(dǎo)致等溫凝固和均勻化需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，這就使傳統(tǒng)TLP焊接的焊接時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)甚至幾百小時(shí)。傳統(tǒng)TLP焊接由于在真空環(huán)境下完成，對(duì)構(gòu)件尺寸、形狀要求較高，不利于連續(xù)生產(chǎn)，且成本高，效率低。在利用TLP焊接對(duì)異種材料進(jìn)行連接時(shí)，由于異種焊接母材熔點(diǎn)存在差異，對(duì)中間層的以及焊接溫度的選擇都存在一定的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，該聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法不需真空環(huán)境，在大氣環(huán)境下即可完成。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。

一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，對(duì)中間層和2個(gè)待焊的母材表面進(jìn)行清潔，裝夾所述中間層和母材，以使2個(gè)所述母材分別位于所述中間層的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，其中，所述母材為金屬材料或非金屬材料，所述中間層為能夠與該母材發(fā)生共晶反應(yīng)的材料；

在所述步驟1中，所述中間層的厚度為0.01～1mm。

在所述步驟1中，2個(gè)所述母材為相同材質(zhì)或不同材質(zhì)。

在所述步驟1中，所述母材為純鋁、鋁合金、可伐合金、鐵基合金、金屬基復(fù)合材料、鈷基合金、鎳基合金、鈦合金、不銹鋼或陶瓷。

在所述步驟1中，清潔所述母材的方法為：去除所述母材表面的油雜物和氧化膜，進(jìn)行拋光，用丙酮或酒精擦洗所述母材表面后烘干。

在所述步驟1中，清潔所述中間層的方法為：用丙酮或酒精對(duì)所述中間層進(jìn)行超聲波清洗，烘干。

步驟2，在大氣環(huán)境下，對(duì)步驟1中所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至預(yù)定溫度時(shí)，超聲波換能器(超聲波振頭)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并沿垂直于待焊面的方向施加壓力，其中，所述預(yù)定溫度低于所述中間層的熔點(diǎn)并能使所述母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)；

在所述步驟2中，所述壓力的壓強(qiáng)為0.1～5.0MPa，優(yōu)選0.15～2MPa。

在所述步驟2中，通過外加熱源對(duì)步驟1中所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱。

在所述步驟2中，所述外加熱源為電弧、激光、電子束、熱傳導(dǎo)或熱輻射。

在所述步驟2中，超聲波的振動(dòng)頻率為20～100kHz，優(yōu)選70～100kHz。

在所述步驟2中，超聲波換能器的輸出振幅為1～20μm，優(yōu)選15～20μm。

在所述步驟2中，超聲波發(fā)生器(超聲波電源)的輸出功率為0.1～5kW。

在所述步驟2中，所述預(yù)定溫度高于共晶溫度5～80℃。

步驟3，待所述母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)并生成液相后，停止加熱，超聲波換能器繼續(xù)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并施加壓力，待所述結(jié)構(gòu)冷卻至室溫20～25℃后，停止超聲波作用和施加壓力，完成焊接。

在所述步驟3中，所述共晶反應(yīng)包括二元共晶反應(yīng)和三元共晶反應(yīng)。

如上述聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法在瞬間液相擴(kuò)散焊中減少焊接時(shí)間的應(yīng)用，焊接時(shí)間小于120分鐘。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法的有益效果為：

1.本發(fā)明在大氣環(huán)境下進(jìn)行，利用超聲波的聲塑性效應(yīng)、摩擦等因素，在固相條件下，氧化膜發(fā)生破裂，新鮮金屬發(fā)生接觸，有助于中間層與母材之間的發(fā)生元素?cái)U(kuò)散；

2.本發(fā)明利用超聲波影響中間層與母材之間的擴(kuò)散，使其在低于中間層熔點(diǎn)下產(chǎn)生液相；

3.超聲波能夠加速等溫凝固和均勻化過程，縮短焊接時(shí)間；

4.在大氣環(huán)境下進(jìn)行焊接，對(duì)構(gòu)件尺寸形狀要求低，可連續(xù)、批量生產(chǎn)，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法中“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為超聲波振頭，2為母材，3為中間層，4為外加熱源；

圖2為基于二元共晶以Zn箔為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接高硅鋁合金Al-50Si的微觀組織圖；

圖3為基于二元共晶以Zn箔為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接1060鋁/不銹鋼的微觀組織圖；

圖4為基于二元共晶以Zn箔為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接高硅鋁合金Al-50Si/可伐的微觀組織圖；

圖5為基于三元共晶以黃銅為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接1060鋁合金的微觀組織圖；

圖6為基于三元共晶以Ag-Cu為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接1060鋁合金的微觀組織圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)方案選取的中間層能與母材發(fā)生共晶反應(yīng)，在超聲波的作用下，母材與中間層在預(yù)定溫度下接觸相互擴(kuò)散達(dá)到一定成分時(shí)，在母材與中間層界面上引發(fā)共晶反應(yīng)，進(jìn)而獲得液相,并利用超聲波的聲塑性效應(yīng)、摩擦等因素，在固相條件下，氧化膜發(fā)生破裂，新鮮金屬發(fā)生接觸，中間層與母材之間的發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，當(dāng)元素濃度擴(kuò)散至共晶點(diǎn)濃度時(shí)，液相生成，繼續(xù)施加超聲波振動(dòng)，利用超聲波在液相中產(chǎn)生的聲空化、聲流等各種效應(yīng)，加速等溫凝固和均勻化的過程，較傳統(tǒng)瞬間液相連接，焊接時(shí)間大大縮短，實(shí)現(xiàn)同種或異種材料的焊接，結(jié)合較好，焊接時(shí)間短。

在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，微觀組織圖的測(cè)試儀器為掃描電子顯微鏡，其型號(hào)為ZEISS MERLIN Compact andS-3400。選擇超聲波輔助焊接裝置(美國(guó)專利：No.USP3875C,2009)實(shí)施本發(fā)明的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法。在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，外加熱源采用熱傳導(dǎo)，加熱方式如圖1所示，2個(gè)母材2分別位于中間層3的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，超聲波振頭與位于上方母材的上表面相接觸；將外加熱源4放置在位于下方的母材下方，以實(shí)現(xiàn)對(duì)“母材/中間層/母材”結(jié)構(gòu)的加熱。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例1——基于二元共晶以Zn箔為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接高硅鋁合金(Al-50Si)

一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，對(duì)中間層和2個(gè)待焊的母材表面進(jìn)行清潔：用砂紙去除母材表面的油雜物和氧化膜，進(jìn)行拋光，用丙酮或酒精擦洗母材表面后用吹風(fēng)機(jī)烘干；用丙酮或酒精對(duì)中間層進(jìn)行超聲波清洗，用吹風(fēng)機(jī)烘干。裝夾中間層和母材，以使2個(gè)母材分別位于中間層的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，其中，2個(gè)母材均為Al-50Si(硅含量50wt％，余量：鋁，天津百恩威新材料科技有限公司)，中間層為厚度為0.05mm的(純)Zn箔，能夠與該母材發(fā)生共晶反應(yīng)；

步驟2，將步驟1中的“母材/中間層/母材”(“Al-50Si/Zn/Al-50Si”)的結(jié)構(gòu)放入超聲波輔助焊接裝置，在大氣環(huán)境下，通過外加熱源對(duì)步驟1中結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至390±10℃時(shí)(±10為誤差)，超聲波換能器(超聲波振頭)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并沿垂直于待焊面(母材與中間層之間的接觸面)的方向施加壓力，其中，所述壓力的壓強(qiáng)為0.15M pa，超聲波的振動(dòng)頻率為100kHz，超聲波換能器的輸出振幅為20μm，超聲波發(fā)生器(超聲波電源)的輸出功率為0.2kW。

步驟3，待母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)并生成液相后，停止加熱，超聲波振頭不收起，超聲波換能器繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用和施加壓力，待所述結(jié)構(gòu)的焊縫冷卻至室溫20～25℃后，停止超聲波作用和施加壓力，完成焊接，開啟超聲波輔助焊接裝置，取出所述結(jié)構(gòu)。

由實(shí)驗(yàn)證明，通過100s的超聲波完成實(shí)施例1中所述焊接，由圖2可知，母材表面氧化膜完全被破除，高硅鋁合金Al-50Si中的Si顆粒進(jìn)入焊縫之中，有條紋狀的Zn-Al共晶存在，不存在氣孔、焊接裂紋等焊接缺陷。

實(shí)施例2——基于二元共晶以Zn箔為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接1060鋁/不銹鋼

一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，對(duì)中間層和2個(gè)待焊的母材表面進(jìn)行清潔：用砂紙去除母材表面的油雜物和氧化膜，進(jìn)行拋光，用丙酮或酒精擦洗母材表面后用吹風(fēng)機(jī)烘干；用丙酮或酒精對(duì)中間層進(jìn)行超聲波清洗，用吹風(fēng)機(jī)烘干。裝夾中間層和母材，以使2個(gè)母材分別位于中間層的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，其中，2個(gè)母材中的一個(gè)為1060鋁(鋁：99.6以上，陜西恒鎳特鋼有限公司)，另一個(gè)為不銹鋼(牌號(hào)：304，陜西恒鎳特鋼有限公司)，中間層為厚度為0.05mm的(純)Zn箔，能夠與2個(gè)母材發(fā)生共晶反應(yīng)；

步驟2，將步驟1中的“母材/中間層/母材(1060鋁/Zn/不銹鋼)”的結(jié)構(gòu)放入超聲波輔助焊接裝置，在大氣環(huán)境下，通過外加熱源對(duì)步驟1中結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至390±10℃時(shí)，超聲波換能器(超聲波振頭)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并沿垂直于待焊面的方向施加壓力，其中，所述壓力的壓強(qiáng)為0.15M pa，超聲波的振動(dòng)頻率為100kHz，超聲波換能器的輸出振幅為20μm，超聲波發(fā)生器(超聲波電源)的輸出功率為0.2kW。

步驟3，待母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)并生成液相后，停止加熱，超聲波振頭不收起，超聲波換能器繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用和施加壓力，待所述結(jié)構(gòu)的焊縫冷卻至室溫20～25℃后，停止超聲波作用和施加壓力，完成焊接，開啟超聲波輔助焊接裝置，取出所述結(jié)構(gòu)。

由實(shí)驗(yàn)證明，通過100s的超聲波完成實(shí)施例2中所述焊接，由圖3可知，1060鋁一側(cè)母材表面氧化膜完全被破除，有條紋狀的Zn-Al共晶存在，不存在氣孔、焊接裂紋等焊接缺陷。

實(shí)施例3——基于二元共晶以Zn箔為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接高硅鋁合金高硅鋁合金Al-50Si/可伐

一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，對(duì)中間層和2個(gè)待焊的母材表面進(jìn)行清潔：用砂紙去除母材表面的油雜物和氧化膜，進(jìn)行拋光，用丙酮或酒精擦洗母材表面后用吹風(fēng)機(jī)烘干；用丙酮或酒精對(duì)中間層進(jìn)行超聲波清洗，用吹風(fēng)機(jī)烘干。裝夾中間層和母材，以使2個(gè)母材分別位于中間層的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，其中，2個(gè)母材中的一個(gè)為高硅鋁合金——Al-50Si(硅含量50wt％，余量：鋁天津百恩威新材料科技有限公司)，另一個(gè)為可伐(牌號(hào)：4J29陜西恒鎳特鋼有限公司)，中間層為厚度為0.05mm的純Zn箔，能夠與該2個(gè)母材發(fā)生共晶反應(yīng)；

步驟2，將步驟1中的“母材/中間層/母材”(“高硅鋁合金/Zn/可伐”)的結(jié)構(gòu)放入超聲波輔助焊接裝置，在大氣環(huán)境下，通過外加熱源對(duì)步驟1中結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至390±10℃時(shí)，超聲波換能器(超聲波振頭)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并沿垂直于待焊面的方向施加壓力，其中，所述壓力的壓強(qiáng)為0.15M pa，超聲波的振動(dòng)頻率為100kHz，超聲波換能器的輸出振幅為20μm，超聲波發(fā)生器(超聲波電源)的輸出功率為0.1～5kW。

步驟3，待母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)并生成液相后，停止加熱，超聲波振頭不收起，超聲波換能器繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用和施加壓力，待所述結(jié)構(gòu)的焊縫冷卻至室溫20～25℃后，停止超聲波作用和施加壓力，完成焊接，開啟超聲波輔助焊接裝置，取出所述結(jié)構(gòu)。

由實(shí)驗(yàn)證明，通過100s的超聲波完成實(shí)施例3中所述焊接，由圖4可知，Al-50Si一側(cè)母材表面氧化膜完全被破除，Al-50Si中的Si顆粒進(jìn)入焊縫之中，有條紋狀的Zn-Al共晶存在，不存在氣孔、焊接裂紋等焊接缺陷。

實(shí)施例4——基于三元共晶以黃銅箔(Cu-Zn合金)為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接1060鋁

一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，對(duì)中間層和2個(gè)待焊的母材表面進(jìn)行清潔：用砂紙去除母材表面的油雜物和氧化膜，進(jìn)行拋光，用丙酮或酒精擦洗母材表面后用吹風(fēng)機(jī)烘干；用丙酮或酒精對(duì)中間層進(jìn)行超聲波清洗，用吹風(fēng)機(jī)烘干。裝夾中間層和母材，以使2個(gè)母材分別位于中間層的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，其中，2個(gè)母材均為1060鋁(鋁：99.6以上，陜西恒鎳特鋼有限公司)，中間層為厚度為0.03mm的黃銅箔(Cu-Zn合金，原子百分比：Cu：61.62Zn：38.38)，能夠與該母材發(fā)生共晶反應(yīng)；

步驟2，將步驟1中的“母材/中間層/母材(1060鋁合金/黃銅箔/1060鋁合金)”的結(jié)構(gòu)放入超聲波輔助焊接裝置，在大氣環(huán)境下，通過外加熱源對(duì)步驟1中結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至580±10°時(shí)，超聲波換能器(超聲波振頭)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并沿垂直于待焊面的方向施加壓力，其中，所述壓力的壓強(qiáng)為0.15M pa，超聲波的振動(dòng)頻率為100kHz，超聲波換能器的輸出振幅為20μm，超聲波發(fā)生器(超聲波電源)的輸出功率為0.2kW。

步驟3，待母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)并生成液相后，停止加熱，超聲波振頭不收起，超聲波換能器繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用和施加壓力，待所述結(jié)構(gòu)的焊縫冷卻至室溫20～25℃后，停止超聲波作用和施加壓力，完成焊接，開啟超聲波輔助焊接裝置，取出所述結(jié)構(gòu)。

由實(shí)驗(yàn)證明，通過50s的超聲波完成實(shí)施例4中所述焊接，由圖5可知，基于三元共晶，1060鋁被黃銅箔焊接，母材表面氧化膜完全被破除，有共晶相存在。

實(shí)施例5——基于三元共晶以Ag-Cu為中間層的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接1060鋁合金

一種基于共晶反應(yīng)的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，對(duì)中間層和2個(gè)待焊的母材表面進(jìn)行清潔：用砂紙去除母材表面的油雜物和氧化膜，進(jìn)行拋光，用丙酮或酒精擦洗母材表面后用吹風(fēng)機(jī)烘干；用丙酮或酒精對(duì)中間層進(jìn)行超聲波清洗，用吹風(fēng)機(jī)烘干。裝夾中間層和母材，以使2個(gè)母材分別位于中間層的上、下表面，形成“母材/中間層/母材”的結(jié)構(gòu)，其中，2個(gè)母材均為1060鋁合金，中間層為厚度為0.2mm的Ag-Cu(原子百分比：Ag:50.04Cu:34.28)，能夠與該母材發(fā)生共晶反應(yīng)；

步驟2，將步驟1中的“母材/中間層/母材(1060鋁合金/Ag-Cu/1060鋁合金)”的結(jié)構(gòu)放入超聲波輔助焊接裝置，在大氣環(huán)境下，通過外加熱源對(duì)步驟1中結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至580±10℃時(shí)，超聲波換能器(超聲波振頭)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用并沿垂直于待焊面的方向施加壓力，其中，所述壓力的壓強(qiáng)為0.15M pa，超聲波的振動(dòng)頻率為100kHz，超聲波換能器的輸出振幅為20μm，超聲波發(fā)生器(超聲波電源)的輸出功率為0.2kW。

步驟3，待母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)并生成液相后，停止加熱，超聲波振頭不收起，超聲波換能器繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波作用和施加壓力，待所述結(jié)構(gòu)的焊縫冷卻至室溫20～25℃后，停止超聲波作用和施加壓力，完成焊接，開啟超聲波輔助焊接裝置，取出所述結(jié)構(gòu)。

由實(shí)驗(yàn)證明，通過50s的超聲波完成實(shí)施例5中所述焊接，由圖6可知，基于三元共晶，1060鋁被Ag-Cu箔焊接，母材表面氧化膜完全被破除，有共晶相存在。

在上述實(shí)施例中，將外加熱源放置在所述結(jié)構(gòu)的其他位置均能達(dá)到相同的性質(zhì)。

本發(fā)明的聲致瞬間液相擴(kuò)散焊焊接方法具備傳統(tǒng)瞬間液相焊優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，在大氣環(huán)境下，不需要較長(zhǎng)的焊接時(shí)間，其焊接時(shí)間縮短至幾百秒，而對(duì)于傳統(tǒng)的瞬間液相擴(kuò)散焊來說，為達(dá)到完全地等溫凝固和均勻化的目的，最多需要幾百個(gè)小時(shí)。

在本發(fā)明技術(shù)方案中，通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)、外加熱源以及母材和中間層的選取，均能實(shí)現(xiàn)與上述實(shí)施例相同的性質(zhì)。

以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。