一种正混合焓异质金属材料的焊接方法与流程

本发明属于材料焊接技术及成形制造领域，涉及一种正混合焓异质金属材料的焊接方法。

背景技术：

焊接是一种将材料永久连接，成为具有给定功能的结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨的巨轮到不足1克的微电子元件，在生产中都不同程度地依赖焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命，以及生产的成本、效率和市场反应速度。随着现代科学技术的飞速发展，新材料、新结构不断出现，不同材料之间的焊接组合不断增多，对焊接结构件的要求也不断提高。异种金属焊接能够充分利用各种材料的优异性能，如强度、比强度、耐腐蚀性、导电性等，因而在工程机械、交通运输、航空航天等行业中得到广泛应用。

对于具有正混合焓的异种金属，例如Fe-Cu、Fe-Mg、Fe-Zn、Cu-Zn、Mg-Ti等异质金属，由于其在室温下互相固溶度低，不能形成金属间化合物，利用传统的熔化焊接方法很难得到高质量的焊接接头，如紫铜-钢熔焊时温度不均、产生应力集中，导致焊后接头有裂纹及严重的泛铁现象，最终产生焊接接头力学性能降低等缺陷。尽管国内外学者围绕Cu-Fe连接问题研究出很多不同的焊接方法如：熔化焊接、钎焊以及爆炸焊接等等。但均不可避免地存在加工成本高、焊前试件准备工作复杂、焊接条件苛刻或安全性低等诸多问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种正混合焓异质金属材料的焊接方法及产品，其通过电磁焊接技术，对具有正混合焓的异质金属实现冶金焊接，可制备/成形得到焊接性能良好、接头无明显结构缺陷的焊接制品。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种正混合焓异质金属材料的焊接方法，其包括如下步骤：

(1)焊接材料预处理

首先，分别将两种正混合焓异质金属材料进行退火处理，消除加工残余应力；

其次，将金属材料机械研磨，然后用金刚石抛光膏完成机械抛光；

之后，对抛光后的金属材料进行溶液腐蚀，以便完成在光学显微镜上表征或晶粒形貌检测；

(2)磁脉冲焊接

将待焊接的两种正混合焓异质金属材料置于电磁成形系统中，通电后电磁成形系统中的线圈将通过高幅值的瞬时电流并产生脉冲强磁场，在脉冲强磁场作用下电磁成形系统中的集磁器外表面同时产生感应电流；

所述感应电流从外表面传导进入内表面后，使得靠近集磁器外表面的第一异质金属材料外表面产生感应电流，集磁器内表面感应磁场和铜管外表面感应磁场之间的洛伦兹力的相互排斥作用使得所述第一异质金属材料瞬间获得冲击动能，高速撞击第二异质金属材料，从而实现两种异质金属材料的焊接。

作为本发明的进一步优选，两种异质金属材料焊接时之间的间隙不大于2mm，优选1.0-1.5mm，最优选是1.4mm.

作为本发明的进一步优选，所述两种异质金属材料的组合可以为Fe-Cu、Fe-Mg、Fe-Zn、Cu-Zn或Mg-Ti。

作为本发明的进一步优选，所述两种异质金属材料优选为铜管和钢管。

作为本发明的进一步优选，所述铜管和钢管的焊接端同轴套接，其中所述铜管为外管。

作为本发明的进一步优选，磁脉冲焊接实验放电电压为15kV。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)正混合焓体系异种材料在不加入中间层材料情况下，可以通过脉冲电磁成形技术可以实现焊接。

(2)脉冲电磁焊接方法高能率、周期短、无接触等优异特点可以获得结构完整，性能良好的焊接件。

附图说明

图1为按照本发明实施例的焊接方法对应的金属管材磁脉冲焊接装置示意图；

图2为按照本发明实施例的焊接方法中的透射电镜(TEM)制样过程图；

图3为按照本发明实施例的焊接方法中的焊接试样扫描电镜(SEM)示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

按照本发明实施例的正混合焓异质金属材料焊接方法，应用磁脉冲方法实现正混合焓体系铁铜焊接。本实施例中，优选异质金属材料为铜管和铁管，但本发明的异质金属材料并不限于此，实际上只要是正混合焓异质金属材料均可适用本方法，例如可以是Fe-Cu、Fe-Mg、Fe-Zn、Cu-Zn或Mg-Ti等。

本实施例的焊接方法用于实现铜管和铁管的焊接，具体地该方法步骤如下：

(1)焊接材料准备：

焊接实验优选纯铜和低碳钢20#钢管材。优选铜管外径Ф20mm，壁厚1mm，钢管外径Ф16mm，壁厚4mm。该实施例中的尺寸仅是一种优选，但本发明中对于金属材料种类以及尺寸并不限于此。

焊接材料20#钢和纯铜分别进行退火处理消除加工残余应力。并进行金相观察，利用线切割方法从合金管材上切取试样，机械研磨至例如2000#SiC砂纸，然后再用金刚石抛光膏完成机械抛光。抛光后的20#钢试样在5vol.％的硝酸酒精溶液中腐蚀约30s后即可在光学显微镜上完成表征。纯铜用10％的过硫酸铵溶液腐蚀30-60s以便完成晶粒形貌检测。20#钢晶粒组织由等轴状的铁素体(亮区)和珠光体(暗区)组成，平均尺寸约20μm，热处理后的纯铜内有大量退火孪晶产生，晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约80μm。

(2)磁脉冲焊接实验

如图1所示是本实施例的焊接方法优选的一种电磁成形系统，如图1，该电磁成型系统包括电源装置、脉冲电容组、圆柱形集磁器和螺旋线圈。其中，电源装置与脉冲电容组以及螺旋线圈依次电连接，电源装置用于给脉冲电容组供电，当电容器组C充电结束后，闭合大电流开关K，线圈将通过高幅值的瞬时电流并产生脉冲强磁场。如图1所示，本实施例中的电磁成形系统最大放电电压25kV，电容80μF，电感200μH。集磁器呈中空的环形体结构，线圈套在集磁器环形体外表面，在脉冲强磁场作用下集磁器外表面同时产生感应电流，并从外表面传导进入内表面。待焊接的异质金属即铜管和钢管的焊接端同轴套装在该环形体内部中空空间，内表面的感应电流会使得铜管外表面产生感应电流，集磁器内表面感应磁场和铜管外表面感应磁场之间的相互排斥作用(洛伦兹力)使得铜管瞬间获得冲击动能，高速撞击20#钢管材实现焊接。

本实施例中，优选铜管和铁管的焊接区长度10mm，内外管间隙1.4mm，磁脉冲焊接实验放电电压为15kV。

将高压脉冲电容器贮存的电能通过放电回路转化为磁场能，金属材料受脉冲磁场作用产生感应电流，感应电流在脉冲强磁场作用下产生幅值巨大的磁场力，后者驱动金属连接件与被连接件产生高速碰撞、实现冶金结合。

在一个实施例中，在焊接过程中，优选导电性能较好的铜管材作为外管，钢管作内管。

在一个实施例中，为保证良好的焊接性能，焊接实验前在钢管上通过机械加工预制4°的搭接角。

在一个实施例中，管件焊接区经砂纸打磨处理去除氧化层后用酒精清洗避免杂质在焊接过程中卷入焊接界面。

在一个实施例中，采用放电电压为15kV下实现焊接，焊接接头性能良好无缝隙等缺陷。

进一步地，以对焊接试样SEM分析。本实施例中，如图3所示，磁脉冲焊接界面的微观组织观察在FEI Quanta200扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)上完成的。SEM试样制备的流程：在焊接区用线切割方法沿管材轴向切取试样，然后将试样用环氧树脂进行冷镶固定，冷镶好的试样分别用SiC砂纸和金刚石抛光膏进行机械研磨和抛光即得到符合SEM观察的试样。

在微区分析试样制备，由于中间层厚度均在微米量级，常规的TEM试样制备方法制样难度较大。在一个实施例中，用FEI Quanta 3D FEG高性能聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)系统完成透射电镜试样的制备。

在一个实施例中，如图2所示，对焊接试样进行TEM分析，焊接界面中间过渡层的表征在加速电压300kV的FEI Tecnai G2F30场发射扫描透射电子显微镜(Scanning Transmission Electron Micoscope,STEM)上进行。STEM-EDS进行成分分布分析，确定焊接中间层位置。焊接界面与母材连接区TEM明场像和母材衍射图，左侧衬度较暗的区域为20#钢(bcc)母材，右边衬度较暗的区域为纯铜(fcc)母材，中间层位于两种母材之间。与焊接前的原始组织相比，铜侧焊接界面区发生回复再结晶使的晶粒得到细化，而20#钢焊接界面区内则产生高位错密度缠结结构。中间层选区电子衍射确定结构fcc结构，高分辨像和傅里叶变换和EDS点成分确定中间层物质铜在铁中的过饱和固溶体Fe(Cu)和纳米晶颗粒。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。