基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法及其应用技术

技术编号:19641757 阅读:26 留言:0更新日期:2018-12-05 18:12
本发明专利技术公开了一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法及其应用,对中间层和2个待焊的母材表面进行清洁,装夹中间层和母材,形成“母材/中间层/母材”的结构;在大气环境下,对结构进行加热,当温度升至预定温度时,超声波换能器对结构进行超声波作用并沿垂直于待焊面的方向施加压力;待母材与中间层发生偏晶反应并生成液相后,停止加热,超声波换能器继续对结构进行超声波作用并施加压力,待结构冷却至室温后,停止超声波作用和施加压力,完成焊接。本发明专利技术在大气环境下进行,在声场与热场的双重作用下,利用超声波引起的声塑性效应、摩擦、空化作用和声流搅拌作用等因素的综合作用,促进中间层与母材之间发生元素扩散,引发偏晶反应。

Acoustic transient liquid phase welding method based on monotectic reaction and its application

The invention discloses an acoustic instantaneous liquid phase welding method based on monotectic reaction and its application, which cleans the middle layer and two base metal surfaces to be welded, clamps the middle layer and base metal to form a structure of \base metal/middle layer/base metal\. Under atmospheric environment, the structure is heated, and when the temperature rises to a predetermined temperature, the structure exceeds the required temperature. The ultrasonic transducer acts on the structure and exerts pressure along the direction perpendicular to the welded surface; when the monotectic reaction between the base metal and the middle layer occurs and the liquid phase is formed, the heating stops, and the ultrasonic transducer continues to act on the structure and exert pressure. When the structure is cooled to room temperature, the ultrasonic action and application stops. Pressure, complete welding. The present invention is carried out in atmospheric environment. Under the dual action of sound field and heat field, it promotes the element diffusion between the intermediate layer and the base material, and initiates the monotectic reaction by utilizing the comprehensive action of the factors such as acoustic plastic effect, friction, cavitation and acoustic stirring caused by ultrasonic wave.

【技术实现步骤摘要】
基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法及其应用
本专利技术属于焊接
,具体来说涉及一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法及其应用。
技术介绍
偏晶反应是指具有确定成分的液相L1,在一定的温度下,结晶出固相S1和另一与L1不相溶的液相L2的过程,即L1→S1+L2,如图6所示。在液相线以下,存在互不相溶的液相L1和L2;当成分为m的偏晶合金冷却到偏晶点温度Tm以下时,偏晶反应Lm→α+L2发生。除此之外,偏晶反应发生的偏晶点温度都较高。偏晶合金具有良好导热导电性,某些偏晶合金还具有超导性能(胡汉起.金属凝固原理.北京:机械工业出版社,1991.)。而偏晶反应温度都较高,在Al-Pb偏晶反应体系中,偏晶反应温度仅低于Al熔点1.5℃,因此,在焊接过程中,很少应用偏晶反应产生液相来完成焊接。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的目的在于提供一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法及其应用。本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法,包括以下步骤:1)对中间层和2个待焊的母材表面进行清洁,装夹所述中间层和母材,以使2个所述母材分别位于所述中间层的上、下表面,形成“母材/中间层/母材”的结构,其中,所述母材为金属材料或非金属材料,所述中间层为能够与该母材发生偏晶反应的材料;在所述步骤1)中,所述中间层的厚度为0.01~1mm,优选为0.2~0.5mm。在所述步骤1)中,2个所述母材为相同材质或不同材质。在所述步骤1)中,所述母材为纯铝、铝合金、纯铜、铜合金或金属基复合材料。在所述步骤1)中,所述中间层为纯铟金属层、铟基金属层、纯铋金属层、铋基金属层、纯铅金属层或含铅金属层。在所述步骤1)中,清洁所述母材的方法为:去除所述母材表面的有机物(油杂物)和氧化膜,进行抛光,用丙酮或酒精擦洗所述母材表面后烘干。在所述步骤1)中,清洁所述中间层的方法为:用丙酮或酒精对所述中间层进行超声波清洗,烘干。2)在大气环境下,对步骤1)中所述结构进行加热,当温度升至预定温度时,超声波换能器(超声波振头)对所述结构进行超声波作用并沿垂直于待焊面的方向施加压力,其中,所述预定温度高于(母材和中间层的)共晶反应温度且低于(母材和中间层的)偏晶反应温度,以使所述母材与中间层发生偏晶反应;在所述步骤2)中,所述压力的压强为0.1~5.0MPa,优选0.15~2MPa。在所述步骤2)中,通过外加热源对步骤1)中所述结构进行加热。在所述步骤2)中,所述外加热源为电弧、激光、电子束、热传导或热辐射。在所述步骤2)中,超声波的振动频率为20~100kHz,优选70~100kHz。在所述步骤2)中,超声波换能器的输出振幅为1~20μm,优选15~20μm。在所述步骤2)中,超声波发生器(超声波电源)的输出功率为0.1~5kW。3)待所述母材与中间层发生偏晶反应并生成液相后,停止加热,超声波换能器继续对所述结构进行超声波作用并施加压力,待所述结构(自然)冷却至室温20~25℃后,停止超声波作用和施加压力,完成焊接。在上述技术方案中,所述超声波换能器对所述结构进行超声波作用的时间为0.1-100s。如上述基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法在减少焊接时间的应用,焊接时间小于100s。如上述基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法在焊接中的应用,当母材中含有增强相时,在超声波的作用下所述增强相进入焊缝。相比于现有技术,本专利技术的有益效果为:1、在大气环境下进行,在声场与热场的双重作用下,利用超声波引起的声塑性效应、摩擦、空化作用和声流搅拌作用等因素的综合作用,促进中间层与母材之间发生元素扩散,引发偏晶反应。2、本专利技术利用超声波影响中间层与母材之间的扩散,在预定温度低于偏晶反应温度且高于共晶反应温度下引发偏晶反应。3、一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法可以在极短的时间内完成,最短时间能够达到0.1s。4、在连接带有增强相的母材过程中,增强相在超声波的作用下进入焊缝,起到增强作用,除此之外增强相也可作为示踪相来研究焊缝的形成过程。5、本专利技术在大气环境下进行,形成的连接接头具有偏晶合金的优良性能。附图说明图1为本专利技术的声致瞬间液相焊接方法中“母材/中间层/母材”的结构示意图,其中,1为超声波换能器,2为母材,3为中间层,4为外加热源;图2为以纯In箔为中间层的声致瞬间液相连接高硅铝合金的微观组织图;图3为以纯In箔为中间层的声致瞬间液相连接纯铝的微观组织图;图4为以Sn-51In箔为中间层的声致瞬间液相连接高硅铝合金的微观组织图;图5为以Sn-51In箔为中间层的声致瞬间液相连接纯铝的微观组织图;图6为典型二元偏晶相图。具体实施方式本专利技术的声致瞬间液相焊接方法分别选取能够发生偏晶反应的中间层与母材,在大气环境下,将待焊试件加热至低于偏晶反应温度且高于共晶反应温度,加压,并施加超声波,在声场与热场的双重作用下,利用超声波引起的空化作用、声流搅拌作用和声塑性效应、摩擦等因素的综合作用,促进中间层与母材之间发生元素扩散,当扩散达到偏晶点浓度时,引发偏晶反应,获得液相,进而实现材料的连接。其可在极短的时间内完成焊接,提高焊接效率,在大气环境下进行,并且在连接有增强相的母材过程中,增强相在超声波与热场的作用下会进入焊缝起到增强作用,除此之外增强相也可作为示踪相来研究焊缝的形成过程。在本专利技术的具体实施方式中,微观组织图的测试仪器为扫描电子显微镜,其型号为ZEISSMERLINCompactandS-3400。选择超声波辅助焊接装置(美国专利:No.USP3875C,2009)实施本专利技术的声致瞬间液相焊接方法。在本专利技术的具体实施方式中,加热方式如图1所示,2个母材2分别位于中间层3的上、下表面,形成“母材/中间层/母材”的结构,超声波振头与位于上方母材的上表面相接触;将外加热源4放置在位于下方的母材下方,以实现对“母材/中间层/母材”结构的加热。下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。实施例12个母材均为Al-50Si(硅含量50wt%,余量:铝,天津百恩威新材料科技有限公司)。中间层为纯铟金属层,厚度为0.2mm,能够与该母材发生偏晶反应的材料。一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法,包括以下步骤:1)对中间层和2个待焊的母材表面进行清洁,清洁母材的方法为:去除母材表面的油杂物和氧化膜,进行抛光,用丙酮或酒精擦洗母材表面后烘干;清洁中间层的方法为:用酒精对中间层进行超声波清洗,烘干。装夹中间层和母材,以使2个母材分别位于中间层的上、下表面,形成“母材/中间层/母材(Al-50Si/In/Al-50Si)”的结构;2)在大气环境下,通过电弧对步骤1)中结构进行加热,当温度升至预定温度160±10℃时,超声波换能器(超声波振头)对结构进行超声波作用并沿垂直于待焊面的方向施加压强为0.1MPa的压力,其中,预定温度高于共晶反应温度且低于偏晶反应温度,以使母材与中间层能够发生偏晶反应;其中,超声波的振动频率为20kHz,超声波换能器的输出振幅为20μm,超声波发生器(超声波电源)的输出功率为200W。3)待母材与中间层发生偏晶反应并生成液相后,停止加热,超声波换能器继续对结构进行超声波作用并施加压力,待结构冷却至室温20~25℃后,停本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:1)对中间层(3)和2个待焊的母材(2)表面进行清洁,装夹所述中间层(3)和母材(2),以使2个所述母材(2)分别位于所述中间层(3)的上、下表面,形成“母材(2)/中间层(3)/母材(2)”的结构,其中,所述母材(2)为金属材料或非金属材料,所述中间层(3)为能够与该母材(2)发生偏晶反应的材料;2)在大气环境下,对步骤1)中所述结构进行加热,当温度升至预定温度时,超声波换能器(1)对所述结构进行超声波作用并沿垂直于待焊面的方向施加压力,其中,所述预定温度高于共晶反应温度且低于偏晶反应温度,以使所述母材(2)与中间层(3)发生偏晶反应;3)待所述母材(2)与中间层(3)发生偏晶反应并生成液相后,停止加热,超声波换能器(1)继续对所述结构进行超声波作用并施加压力,待所述结构冷却至室温后,停止超声波作用和施加压力,完成焊接。

【技术特征摘要】
1.一种基于偏晶反应的声致瞬间液相焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:1)对中间层(3)和2个待焊的母材(2)表面进行清洁,装夹所述中间层(3)和母材(2),以使2个所述母材(2)分别位于所述中间层(3)的上、下表面,形成“母材(2)/中间层(3)/母材(2)”的结构,其中,所述母材(2)为金属材料或非金属材料,所述中间层(3)为能够与该母材(2)发生偏晶反应的材料;2)在大气环境下,对步骤1)中所述结构进行加热,当温度升至预定温度时,超声波换能器(1)对所述结构进行超声波作用并沿垂直于待焊面的方向施加压力,其中,所述预定温度高于共晶反应温度且低于偏晶反应温度,以使所述母材(2)与中间层(3)发生偏晶反应;3)待所述母材(2)与中间层(3)发生偏晶反应并生成液相后,停止加热,超声波换能器(1)继续对所述结构进行超声波作用并施加压力,待所述结构冷却至室温后,停止超声波作用和施加压力,完成焊接。2.根据权利要求1所述的声致瞬间液相焊接方法,其特征在于,在所述步骤1)中,所述中间层(3)的厚度为0.01~1mm,优选为0.2~0.5mm。3.根据权利要求2所述的声致瞬间液相焊接方法,其特征在于,在所述步骤1)中,2个所述母材(2)为相同材质或不同材质,所述母材(2)为纯铝、铝合金、纯铜、铜合金或金属基复合材料,所述中间层(3)为纯铟金属层、铟基金属层、纯铋金属层、铋基金属层、纯铅金属层或含铅金属层。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员:王谦张兆芃朱琳宋浦丰周小玉唐新宇胡娅郎强付阳胡广帅张雪松潘春婷刘新悦许普凯范晓宇李要光
申请(专利权)人:天津理工大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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