專利名稱：脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置及其焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種材料連接裝置及其連接方法，具體涉及ー種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置及其焊接方法。
背景技術(shù)：
目前，擴(kuò)散焊接方法適用于大部分材料的焊接，尤其適用于其它焊接方法難以焊接的材料，如Ni基超合金、高溫合金、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料以及陶瓷等材料。擴(kuò)散焊接方法具有如下顯著優(yōu)點適用于難溶材料間連接，接頭高溫性能優(yōu)良；但傳統(tǒng)擴(kuò)散焊接方法也有如下缺點對連接面加工質(zhì)量要求高，焊接變形大，焊接熱循環(huán)時間長(連接材料和被連接材料都必須經(jīng)歷完全相同的焊接熱循環(huán)過程，這就不可避免引發(fā)較高的焊接殘余應(yīng)力)，從而限制了擴(kuò)散焊接的應(yīng)用范疇。盡管提出了一些改進(jìn)措施，如孟膠東等人采用傳統(tǒng)手段方法實現(xiàn)鋁銅雙金屬片的低溫低壓擴(kuò)散焊(中國專利申請?zhí)?2159026. 5)，但エ 藝過程較為復(fù)雜，焊接接頭力學(xué)性能難以保障。為了解決以上問題，目前主要采用的手段是脈沖大電流熱加工擴(kuò)散焊接，即將脈沖大電流熱加工技術(shù)與擴(kuò)散焊接方法相結(jié)合。在國外，如日本的s. Sugiyama, Y. Sugawara,EKimura等人采用脈沖大電流焊接方法研究了鎢鉻鈷合金的固化及與不銹鋼的焊接，エ藝參數(shù)為升溫速率為50K/min，溫度為1340K，保溫lOmin，加壓50MPa ;大阪市立エ業(yè)研究所的水內(nèi)潔等人采用通電加壓焊接方法制備了金屬/金屬間化合物疊層材料，原料是原子百分含量為99. 5%的Ti箔和99. 98%的Al箔，Ti箔和Al箔以一定厚度相互疊層，采取IOOK/min的速度升溫，制備溫度為1173K，保溫時間lOmin，壓カ2. 7KP_32MPa ;日本的古煙肇和大橋修也進(jìn)行了 SUS304與不銹鋼的脈沖大電流熱焊接研究。在國內(nèi)，彭勇等人也采用脈沖大電流擴(kuò)散焊接AL-Li合金1420(參見文獻(xiàn)彭勇，傅正義，王為民，王皓.脈沖大電流擴(kuò)散焊接AL-Li合金1420.焊接學(xué)報，2008，29 (I) : 57-60.)，但上述研究均出現(xiàn)了以下問題采用脈沖大電流熱加工擴(kuò)散焊接可以在較短的時間內(nèi)在界面處形成連接點，但由于采用大電流焊接，容易在材料內(nèi)部造成較大的殘余應(yīng)力，從而影響接頭性能的提高，同時保溫時間較長又影響了焊接速度。由上述介紹可知，為了進(jìn)一步推進(jìn)擴(kuò)散焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，必須提出有效的降低接頭殘余應(yīng)カ的新方法
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供ー種脈沖電流加熱為輔、輻射加熱為主的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置及其焊接方法，該裝置和方法具有連接溫度低、夕卜加壓カ小、連接時間短的優(yōu)點。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置，包括石墨體加熱電源、石墨體、電極、界面加熱脈沖電源和試樣，所述的試樣包括非金屬試樣和金屬試樣，所述的非金屬試樣和金屬試樣之間為中間層，所述的電極分為第一電極和第二電極，第一電極連接非金屬試樣和界面加熱脈沖電源的一端，第二電極連接金屬試樣和界面加熱脈沖電源另一端，所述的金屬試樣、非金屬試樣和中間層位于ー對石墨體內(nèi)，石墨體加熱電源通過兩根導(dǎo)線分別與ー對石墨體連接。作為優(yōu)選,所述的中間層為軟質(zhì)金屬或合金,厚度10(Γ500μηι。作為優(yōu)選，所述的界面加熱脈沖電源的脈沖頻率為Γ50Ηζ，脈沖電流峰值為500Α，基值電流45飛5%，該界面加熱脈沖電源選配HPMCA數(shù)控單脈沖電源。本發(fā)明還公開了ー種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置的焊接方法，該方法以脈沖電流加熱為輔、輻射加熱為主，通過對試樣施加脈沖電流，從而在較低的擴(kuò)散焊接溫度和較小的預(yù)制壓力條件下，快速實現(xiàn)焊接過程；首先利用石墨體的輻射熱，為試樣提供一個合適的焊接溫度環(huán)境；然后采用可控脈沖電流通過試樣，產(chǎn)生一定量的電阻熱和放電熱；在外加壓カ和電阻熱及放電熱的共同作用下，使接觸面之間基本達(dá)到原子間的接觸；最后停止脈沖電流輸出，石墨體繼續(xù)提供輻射熱以維持較低的環(huán)境溫度，借助于接觸面 上晶格畸變、位錯、空位等各種缺陷導(dǎo)致界面區(qū)能量顯著增加的有利條件，繼續(xù)保溫一段時間，通過原子的短程擴(kuò)散即可完成焊接過程。上述方法包括以下具體步驟(I)焊前準(zhǔn)備，使用砂紙打磨待連接的試樣及中間層表面，使試樣和中間層的接觸面產(chǎn)生較多的接觸點；(2)將打磨清洗后的試樣組裝件放入石墨發(fā)熱體內(nèi)，使電極與試樣相接觸并固定，在試樣的接觸面處固定放置一個熱電偶，保證在整個焊接過程中熱電偶始終測定的是連接界面及其附近的溫度；(3)抽取擴(kuò)散爐內(nèi)空氣至真空狀態(tài)，通過電極在連接件之間施加預(yù)制壓力，接通石墨體加熱電源，加熱試樣至低溫擴(kuò)散焊接溫度；(4)通過界面加熱脈沖電源對試樣施加電流脈沖，連接界面溫度升至峰值溫度，界面發(fā)生溶解，形成的液相通過毛細(xì)管力和外加擠壓力作用，實現(xiàn)填縫和鋪展，電阻熱和放電熱使界面微區(qū)局部溶解，形成界面液相后，接觸面之間已基本達(dá)到原子間的接觸；(5)當(dāng)界面液相層形成后，點接觸消失，電流密度迅速下降，界面電阻熱和放電熱顯著減小，界面溫度很快降至石墨發(fā)熱體內(nèi)的環(huán)境溫度，試樣在該溫度下進(jìn)行擴(kuò)散焊接，直至形成焊接接頭后，隨爐冷卻至室溫，并撤除預(yù)制壓力，完成整個擴(kuò)散焊接過程。在本發(fā)明中，焊接試樣放置于真空爐腔中的石墨發(fā)熱體內(nèi)，焊接試樣與石墨發(fā)熱體沒有接觸；使用ー對壓桿夾持試樣，壓桿同時作為施加脈沖電流的電極；抽取擴(kuò)散爐內(nèi)空氣至真空狀態(tài)，通過加壓桿在連接件之間施加預(yù)制壓力，接通石墨發(fā)熱體電源，加熱試樣至低溫擴(kuò)散焊溫度；對試樣施加電脈沖，由于中間層與被連接材料之間為局部點接觸，具有較大的接觸電阻，當(dāng)施加電脈沖后，接觸點處電流密度很大，在電阻熱和放電熱作用下中間層ー側(cè)與基體材料接觸的微區(qū)首先溶解(熔點較低)，形成的液相通過毛細(xì)管力和外加擠壓力作用，實現(xiàn)填縫和鋪展。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置及其焊接方法，有以下優(yōu)點，(I)為增加界面接觸電阻，需增加界面的接觸點，同時通過電脈沖產(chǎn)生的電阻熱和放電熱形成界面初始液相，借助外加擠壓力，有利于材料表面氧化膜破碎和增加界面物理接觸點，因此可以降低材料表面加工精度要求；(2)擴(kuò)散焊接溫度與常規(guī)擴(kuò)散焊方法相比降低30%左右，且最高溫度區(qū)域集中于連接材料的界面處，避免了傳統(tǒng)焊接方法要求連接材料和被連接材料都必須經(jīng)歷完全相同焊接熱循環(huán)的弊端，因此可以有效降低接頭焊接殘余應(yīng)カ；( 3)顯著縮短焊接時間，且所需外加壓カ小，可以避免焊接エ件在部分方向上的嚴(yán)重擠壓變形；(4)本發(fā)明エ藝簡單、設(shè)計巧妙、使用方便，可廣泛應(yīng)用于物理和力學(xué)性能相差懸殊的異種材料的連接，如各種非金屬與金屬材料連接等。


圖I為脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置；圖2為脈沖電流輔助加熱的擴(kuò)散焊接接頭形成過程示意圖；圖3為焊接方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)ー步的說明。如圖I至圖3所示，本發(fā)明的一種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置，包括石墨體加熱電源I、石墨體2、電極、界面加熱脈沖電源5和試樣,試樣包括非金屬試樣10、金屬試樣7，非金屬試樣10和金屬試樣7之間為中間層9,電極分為第一電極3和第二電極 6,第一電極3連接非金屬試樣10和界面加熱脈沖電源5的一端,第二電極6連接金屬試樣和界面加熱脈沖電源5另一端，金屬試樣7、非金屬試樣10和中間層9位于ー對石墨體2內(nèi)，石墨體加熱電源I通過兩根導(dǎo)線8分別與ー對石墨體2連接。本發(fā)明的一種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接原理首先利用石墨體加熱電源I通過導(dǎo)線8對石墨體2通電，使之產(chǎn)生輻射熱，為試樣提供一個合適的焊接溫度環(huán)境；然后采用界面加熱脈沖電源5通過導(dǎo)線4、第一電極3、第二電極6對金屬試樣7、中間層9、非金屬試樣10施加可控的脈沖電流，由于焊接初期金屬試樣7、中間層9、非金屬試樣10之間的接觸面具有較高的接觸電阻，因此可以產(chǎn)生一定量的電阻熱；此外第一電極3、第二電極6同時對金屬試樣7、中間層9、非金屬試樣10施加壓力,在外加壓力、電阻熱、福射熱的共同作用下，界面微區(qū)局部溶解并形成界面液相，接觸面之間已基本達(dá)到原子間的接觸，接觸面電阻迅速下降，此時停止脈沖電流輸出；石墨體加熱電源I繼續(xù)為石墨體2供電，使之持續(xù)提供輻射熱以維持較低的環(huán)境溫度，由于接觸面之間已基本達(dá)到原子間的接觸，接觸面上晶格畸變、位錯、空位等各種缺陷大量堆積，界面區(qū)能量顯著增加，原子處于高度激活狀態(tài)，因此只需保溫一段時間后，通過原子的短程擴(kuò)散即可完成焊接過程。在上述本發(fā)明所述的脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接方法中，選用石墨體2作為環(huán)境輻射熱源，石墨體材料為公開技術(shù)；中間層9的材料為軟質(zhì)金屬或合金，厚度10(Γ500μπι，界面加熱脈沖電源5的脈沖頻率為I飛0Hz，脈沖電流峰值為500Α，基值電流45^55%,界面加熱脈沖電源5選用的HPMCA數(shù)控單脈沖電源；焊接環(huán)境溫度為60(T80(TC，外加壓カ2 lOMPa，保溫時間3(Tl20min。在具體焊接過程中，首先使用砂紙打磨待連接的試樣及中間層9表面，使試樣和中間層9的接觸面產(chǎn)生較多的接觸點；將打磨清洗后的試樣組裝件放入石墨體2內(nèi)，使電極與試樣相接觸并固定，在試樣的接觸面處固定放置一個熱電偶，保證在整個焊接過程中熱電偶始終測定的是連接界面及其附近的溫度；抽取擴(kuò)散爐內(nèi)空氣至真空狀態(tài)，通過電極在連接件之間施加預(yù)制壓力，接通石墨體加熱電源I，加熱試樣至低溫擴(kuò)散焊接溫度；通過界面加熱脈沖電源5對試樣施加電流脈沖，連接界面溫度升至峰值溫度，界面發(fā)生溶解，形成的液相通過毛細(xì)管力和外加擠壓力作用，實現(xiàn)填縫和鋪展，電阻熱和放電熱使界面微區(qū)局部溶解，形成界面液相后，接觸面之間已基本達(dá)到原子間的接觸；當(dāng)界面液相層形成后，著點接觸消失，電流密度迅速下降，界面電阻熱和放電熱顯著減小，界面溫度很快降至石墨發(fā)熱體內(nèi)的環(huán)境溫度，試樣在該溫度下進(jìn)行擴(kuò)散焊接，直至形成焊接接頭后，隨爐冷卻至室溫，并撤除預(yù)制壓力，完成整個擴(kuò)散焊接過程。如圖2所示，為了進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接方法，以Ti (C，N)金屬陶瓷與40Cr鋼低溫輔助脈沖擴(kuò)散焊接為例，對本發(fā)明所述焊接接 頭形成過程做如下詳細(xì)說明第一步如圖2(a)所示，將Ti(C，N)金屬陶瓷/中間層9/40Cr鋼組裝件放入石墨體2內(nèi)，通過第一電極3和第二電極6在連接件之間預(yù)制壓力，接通石墨體加熱電源1，加熱試樣至低溫擴(kuò)散焊溫度(中間層9材料選用Ag-Cu合金,ー是其熔點較低,有利于在電阻熱和放電熱作用下瞬間熔化；ニ是形成的焊縫塑性良好，有利于釋放焊接接頭殘余應(yīng)カ；三是與Ti (C，N)金屬陶瓷、40Cr鋼具有較好的化學(xué)相溶性，有利于提高界面強(qiáng)度)。第二步如圖2(b)所示，施加電脈沖。由于中間層9與Ti (C，N)金屬陶瓷、40Cr鋼的物理接觸面為局部點接觸，具有較大的接觸電阻，當(dāng)施加電流脈沖后，接觸點處電流密度很大，在電阻熱和放電熱作用下中間層9一側(cè)與基體材料接觸的微區(qū)首先溶解(熔點較低)，形成的液相通過毛細(xì)管力和外加擠壓力作用，實現(xiàn)填縫和鋪展。第三步如圖2(c)、圖2(d)所示，低溫擴(kuò)散保溫階段。一旦界面液相層形成，意味著點接觸消失，電流密度迅速下降，界面電阻熱顯著減小，溫度很快降至石墨發(fā)熱體內(nèi)的環(huán)境溫度，試樣得以維持在低溫下進(jìn)行擴(kuò)散連接。由圖2(c)可以看出，當(dāng)中間層9較厚時，其一側(cè)界面部分溶解形成焊縫(當(dāng)然基體材料局部也可能發(fā)生少量溶解)；由圖2(d)可以看出，中間層9較薄，其完全溶解形成焊縫。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置，其特征在于包括石墨體加熱電源(I)、石墨體(2)、電極、界面加熱脈沖電源(5)和試樣，所述的試樣包括非金屬試樣(10)和金屬試樣(7),非金屬試樣(10)和金屬試樣(7)之間為中間層(9)所述的電極分為第一電極(3)和第二電極(6)，第一電極(3)連接非金屬試樣(10)和界面加熱脈沖電源(5)的一端，第二電極(6)連接金屬試樣(7)和界面加熱脈沖電源(5)另一端，所述的金屬試樣(7)、非金屬試樣(10)和中間層(9)位于一對石墨體(2)內(nèi)，石墨體加熱電源(I)通過導(dǎo)線(8)與一對石墨體(2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置，其特征在于所述的中間層(9)為軟質(zhì)金屬，中間層(9)的厚度為10(T500iim。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置，其特征在于所述的界面加熱脈沖電源(5)的脈沖頻率為f 50Hz，脈沖電流峰值為500A。
4.一種基于權(quán)利要求I所述的脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置的焊接方法，其特征在于該方法以脈沖電流加熱為輔、輻射加熱為主，通過對試樣施加脈沖電流，快速實現(xiàn)焊接過程；首先利用石墨體(2)的輻射熱，為試樣提供焊接溫度環(huán)境；然后采用可控脈沖電流通過試樣，產(chǎn)生電阻熱和放電熱；在外加壓力和電阻熱及放電熱的共同作用下，使接觸面之間達(dá)到原子間的接觸；最后停止脈沖電流輸出，石墨體(2)繼續(xù)提供輻射熱以維持較低的環(huán)境溫度，借助于接觸面上晶格畸變、位錯、空位的缺陷導(dǎo)致界面區(qū)能量顯著增加的條件，繼續(xù)保溫一段時間，通過原子的短程擴(kuò)散即可完成焊接過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟 (1)焊前準(zhǔn)備，使用砂紙打磨待連接的試樣及中間層(9)表面，使試樣和中間層(9)的接觸面產(chǎn)生較多的接觸點； (2)將打磨清洗后的試樣組裝件放入石墨體(2)內(nèi)，使電極與試樣相接觸并固定，在試樣的接觸面處固定放置一個熱電偶，保證在整個焊接過程中熱電偶始終測定的是連接界面及其附近的溫度； (3)抽取擴(kuò)散爐內(nèi)空氣至真空狀態(tài)，通過電極在連接件之間施加預(yù)制壓力，接通石墨體加熱電源(I)，加熱試樣至低溫擴(kuò)散焊接溫度； (4)通過界面加熱脈沖電源(5)對試樣施加電流脈沖，連接界面溫度升至峰值溫度，界面發(fā)生溶解，形成的液相通過毛細(xì)管力和外加擠壓力作用，實現(xiàn)填縫和鋪展，電阻熱和放電熱使界面微區(qū)局部溶解，形成界面液相后，接觸面之間已基本達(dá)到原子間的接觸； (5)當(dāng)界面液相層形成后，點接觸消失，電流密度迅速下降，界面電阻熱和放電熱顯著減小，界面溫度很快降至石墨發(fā)熱體內(nèi)的環(huán)境溫度，試樣在該溫度下進(jìn)行擴(kuò)散焊接，直至形成焊接接頭后，隨爐冷卻至室溫，并撤除預(yù)制壓力，完成整個擴(kuò)散焊接過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置及其焊接方法，該裝置包括石墨體加熱電源、石墨體、電極、界面加熱脈沖電源和試樣；該方法是以石墨體輻射熱為主，以焊接界面接觸電阻熱和放電熱為輔，通過脈沖電流在待連接界面產(chǎn)生的電阻熱和放電熱形成原始液相，并借助較小的外加擠壓力實現(xiàn)擴(kuò)散焊接。本發(fā)明可以減小殘余應(yīng)力，顯著縮短焊接時間，且所需外加壓力小，可避免工件在加壓方向上產(chǎn)生嚴(yán)重變形；有利于材料表面氧化膜破碎，同時可以降低材料表面加工精度要求；本發(fā)明工藝簡單、設(shè)計巧妙、使用方便，可廣泛應(yīng)用于各種非金屬與金屬的擴(kuò)散焊接。
文檔編號B23K20/14GK102699520SQ20121021008
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者吳銘方, 趙品飛, 陳書錦 申請人:江蘇科技大學(xué)