一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法技术

一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，本发明专利技术涉及材料焊接技术领域。本发明专利技术要解决现有钎焊连接方法由于焊接周期长和焊接温度高引起的焊缝金属晶粒粗大、组织不均匀，及由此造成的钎焊焊缝强度低的问题。方法：一、将钎料和母材组装成待焊件，调控母材搭接间隙；二、初步钎焊；三、薄层熔体超声波细晶化处理。采用本发明专利技术的方法钎焊后焊缝晶粒尺寸明显细化，钎缝的强韧性大幅度提高，本发明专利技术中的方法工艺简单，操作成本低，可实现铝合金、铜合金、镁合金、铝基复合材料、陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊焊缝的细晶强化，可用于复杂结构件工程应用领域。

A method for improving the strength of brazed weld based on ultrasonic thin crystallization treatment of thin layer melt in narrow gap

The invention relates to a method for improving the strength of a welding seam based on the ultrasonic fine crystallization treatment of a thin layer melt in a narrow gap, and relates to the field of material welding technology. The present invention solves the problem that the existing brazing joint method has the advantages of long welding period and high welding temperature, resulting in the coarse and uneven structure of the weld metal and the low strength of the welding seam caused thereby. Methods: 1. The solder and base metal were assembled into the weldment to adjust the lap gap of the base metal; two, the initial brazing; three, the thin layer melt ultrasonic wave crystallization treatment. The method of the invention after brazing weld grain size is refined and the strength and toughness of the brazing seam is greatly improved, the method in the invention has the advantages of simple operation, low cost, fine grain can be Aluminum Alloy, copper alloy, magnesium alloy, aluminum matrix composites, ceramics and ceramic matrix composite brazing seam strengthening. Can be used for complex structure engineering applications.

【技术实现步骤摘要】
一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法
本专利技术涉及材料焊接

技术介绍
铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、铝基复合材料、陶瓷及陶瓷基复合材料，在国防、航空航天、机械、化工和电子等领域都得到了广泛的应用，其连接技术一直是众多研究者关注的热点。钎焊是目前普遍应用的一种材料连接方法。钎焊连接时，为了促进钎焊界面附近母材与液态钎料之间的扩散、溶解和化学反应，一般来说焊接周期长且焊接温度高，这就会引起钎焊焊缝金属晶粒粗化，组织不均匀，造成的钎焊焊缝强度低的问题。为了细化钎缝金属提高钎焊焊缝强度，中国专利02125594.6“纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料及制备方法”提出了一种纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料，采用该钎料钎焊金属基复合材料可在钎焊过程中保持锡铅钎料熔化温度低、润湿性好，细化钎缝组织提高钎焊接头的抗拉强度；中国专利201210267735.1“一种提高钎缝强度的钎焊方法及其钎焊炉”，提出了采用含铁磁性金属粉的锡基钎料，并在钎焊铜时在铜母材一侧施加强磁场，熔融钎料中的铁磁性金属粉在磁场作用下向铜母材侧界面偏聚，形成高强度连接，钎料中添加的镍、铁、钴粉末颗粒成为异质形核点，细化钎料晶粒，提高钎焊接头的强度。采用含微米或纳米颗粒增强的复合钎料进行钎焊，颗粒相的加入可一定程度细化焊缝组织提高，但制备复合钎料一般需要球磨等处理，这就增加了工艺的复杂程度，而且针对复杂合金体系的钎料合金，制备复合钎料相对困难，因此该方法适用范围较窄；采用物理场如电、磁场来细化组织投资相对较大，不易操作，且这种方法同样适用范围较窄。功率超声在冶金铸造领域得到了一定的应用，中国专利201310225968.8“一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法”，提出在冶炼钢的过程中将超声波直接引入高温钢液，可以达到提高钢水洁净度同时细化铸坯晶粒和均匀组织的目的。中国专利201310525122.8“一种用于铝合金超声净化除气的动态施振方法”提出了间隔不同时间循环超声处理熔体，可达到净化除气的目的，从而提高铝合金力学性能；中国专利201510762213.2“一种铅锡合金铸造组织的晶粒细化方法”提出在制备铅锡合金熔体中施加超声波处理、或在铅锡合金浇注过程中施加超声波处理、或在制备铅锡合金熔体和铅锡合金熔体浇注过程中均施加超声波处理的方式来实现铅锡合金铸造组织的晶粒细化；文献“超声场对7B50铝合金凝固组织的影响，李晓谦，刘诗月，蒋日鹏，上海有色金属，2008，29(2)”报道了在铝合金的铸造过程中，将超声变幅杆浸入铝熔体中施加超声波振动，铝合金晶粒可细化至约80μm；从上面可以看出，在冶金
，常利用功率超声处理金属及合金熔体，达到除气和晶粒的细化的目的，但是也存在一些问题：(1)在超声铸造领域，超声处理的时间往往需要几十分钟甚至数个小时，长时间的超声作用会产生热效应，导致金属熔体温度上升，一定程度会使得凝固组织粗化；(2)超声变幅杆直接置入合金熔体中，一方面长期使用会造成变幅杆的溶解腐蚀和破坏，另一方面变幅杆长时间处于高温熔体中时，其共振频率会产生显著的漂移，进而导致阻抗与频率不匹配，超声处理效果变差；(3)当超声作用于熔体凝固过程时，由于实际浇注过程熔体凝固较快，熔体存在的时间相对短暂，而随着熔体凝固的进行其粘度逐渐增加，超声处理过程产生的空化泡变大和溃灭将变得极为缓慢，因此空化作用的细化效果将大为降低。综上，目前采用复合钎料或磁场辅助细化钎焊焊缝晶粒的方法操作不便、成本较高、适用性差且细化效果并不显著。虽然利用功率超声直接超声处理熔体可一定程度细化合金铸态组织，但是这种方法是多数是采用直接处理熔体的方式，且超声处理时间长达几十分钟甚至数小时才能产生显著效果，而钎焊过程直接超声处理钎料熔体相对困难，同时钎焊过程是要求钎焊周期越短越好，这种较长的超声处理周期会造成金属母材的过渡溶解和界面反应加剧，从而恶化钎焊接头的力学性能，因此金属材料冶金铸造领域的这种超声细化晶粒的方法并不能直接适用于钎焊
关于超声细晶强化提高钎焊焊缝强度的方法未见任何专利或文献披露，因此寻找一种合适的钎焊方法并结合功率超声，且能够普遍适用于绝大部分钎焊体系，同时能使得钎焊焊缝的整体晶粒细化效果达到最佳尤为重要。
技术实现思路
本专利技术要解决现有常规钎焊连接方法因钎焊周期长和钎焊温度高引起焊缝金属晶粒粗化、组织不均匀，导致钎焊焊缝金属强度低，钎缝金属成为整个钎焊接头薄弱环节，导致接头强度低的问题，而提供一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法。一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，具体是通过以下步骤实现：一、将母材和钎料组装成待焊件，调整母材搭接间隙为0.05～2mm；二、控制超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、钎焊温度为220～720℃，对待焊件钎焊部分进行超声钎焊1～60s，完成初步钎焊；三、将钎焊温度调整为180～550℃，保持5～20min，然后控制超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm，对钎焊部分施加超声波振动，超声振动时间为1s～10min，然后随炉冷却或空冷至室温，即完成所述的基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法。本专利技术方法利用窄间隙内薄层熔体超声处理的方式，达到了细晶强化从而提高钎焊焊缝强度的目的，本专利技术利用窄间隙内薄层熔体内特殊的超声增益效应，使超声空化作用加强，空化泡溃缩过程加剧，实现了短时超声处理细晶强化钎焊焊缝。利用超声波作用于钎料合金半固态温度区间，此时的钎料合金处于固液共存的状态。一方面，在半固态相中的液态熔体中，超声波产生的空化泡增大和内部液体的蒸发会降低空化泡的温度，这就导致空化泡表面的金属溶液温度降低，因此在空化泡的附近就可能形成晶核，大量晶核的产生使凝固后的晶粒细化。另一方面，当熔体内的声压超过一定的阈值，空化泡发生崩溃并产生冲击波，将结晶形成的初晶打碎，进一步使得晶粒得到细化。本专利技术利用窄间隙内熔体薄层超声声空化效应增强的特点，提出了利用窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法。使用本专利技术方法，通过优化钎焊工艺，可达到优化焊接接头组织和提高钎焊接头力学性能的目的。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用窄间隙内薄层熔体特殊的超声声场增益效应，增强了熔体内的超声声空化效应，同时也解决了超声声波能量分布存在不够均匀的问题；2、采用本专利技术的钎焊方法，焊缝金属细化明显，焊缝金属强韧性大幅度提高；3、与采用微米或纳米颗粒增强的复合钎料细晶强化钎缝金属的方法比较，本专利技术的方法在完全不改变原始母材/钎料合金体系的情况下，通过短时超声波处理达到钎焊焊缝细晶强化的目的；4、与采用物理场如磁、电场辅助细化钎缝金属的方法比较，本方法操作更为简单可靠，且细化晶粒的效果更为显著；5、本方法超声变幅杆只接触固态母材，不需要超声变幅杆接触熔体，与超声在冶金铸造领域应用直接超声处理熔体的方式相比，避免了变幅杆长期受热造成的溶解和腐蚀；6、本方法超声处理温度区间位于钎料合金的固液共存态，与常规超声在冶金铸造领域应用时超声作用于熔体快速凝固的浇注过程不同，本方法能最大程度的发挥超声在熔体半固态状态下的细化晶粒作用，因此本专利技术的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，其特征在于该方法具体是通过以下步骤实现：一、将母材和钎料组装成待焊件，调整母材搭接间隙为0.05～2mm；二、控制超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、钎焊温度为220～720℃，对待焊件钎焊部分进行超声钎焊1～60s，完成初步钎焊；三、将钎焊温度调整为180～550℃，保持5～20min，然后控制超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm，对钎焊部分施加超声波振动，超声振动时间为1s～10min，然后随炉冷却或空冷至室温，即完成所述的基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，其特征在于该方法具体是通过以下步骤实现：一、将母材和钎料组装成待焊件，调整母材搭接间隙为0.05～2mm；二、控制超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、钎焊温度为220～720℃，对待焊件钎焊部分进行超声钎焊1～60s，完成初步钎焊；三、将钎焊温度调整为180～550℃，保持5～20min，然后控制超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm，对钎焊部分施加超声波振动，超声振动时间为1s～10min，然后随炉冷却或空冷至室温，即完成所述的基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法。2.根据权利要求1所述的一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，其特征在于步骤一中钎料为铝基合金、锌基合金或锡基合金。3.根据权利要求1所述的一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，其特征在于步骤一中母材搭接间隙为0.1mm。4.根据权利要求1所述的一种基于窄间隙内薄层熔体超声细晶化处理提高钎焊焊缝强度的方法，其特征在于步骤一中母材搭接间隙为1mm。5.根据权利要求1所述的一种基于窄间隙内薄层熔体超声细...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫久春，吴炳智，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23