一种异种金属的扩散焊接方法与流程

本发明涉及一种异种金属的扩散焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术：

扩散焊(Diffusion Welding)是一种先进的固相连接技术，可以进行内部多点、大面积构件的连接，以及电弧可达性不好，或用熔焊方法不易或根本不能实现的连接。由于焊件不熔化，扩散焊接技术在异种金属的连接方面具有较强的优势，可获得综合性能优于常规熔焊的焊接接头。焊接温度、压力和保温时间是扩散焊接工艺的主要参数，压力一般为轴向加压。

为了提高运载火箭可靠性及满足阀门减重要求，运载火箭加注阀采用了铝合金壳体与不锈钢阀座的连接结构形式，最初采用的螺接和热压配合的方式进行两者连接，如图1所示为铝合金壳体1与不锈钢阀座2之间螺接和热压结构形式，由于未形成真正连接，在长期服役过程中铝合金壳体与不锈钢阀座间容易形成泄露通道造成产品失效的问题。

铝合金与不锈钢是异种金属构件中最难连接的材料组合之一，尤其是大面积连接，且压力为柱面径向加压图1b所示，难度就更为突出。能实现铝合金与不锈钢大面积连接的技术有钎焊、爆炸焊、扩散焊等，铝钢钎焊接头不耐空气腐蚀，接头可靠性能相对较低；爆炸焊的工艺过程相对复杂；《沟槽式柱面连接件真空扩散焊接工艺》201310301515.0专利中提出了采用柱面加压的方式实现沟槽式铜喷嘴的真空扩散焊接，该专利仅局限与小尺寸、同种铜材料的连接，铜的焊接比异种材料连接容易，且铜的塑韧性好，通过专利中提出的小角度装配较容易实现待焊面的紧密贴合，而异种材料的连接要复杂的多，两种材料巨大的物理化学性能差异，使其采用焊接方法连接比较困难；201310301515.0专利中加压仅进行了铜外套的膨胀约束即可实现两者的连接，而对于异种材料，例如铝合金与不锈钢钢异种材料，仅靠外侧膨胀约束是根本无法实现两者的连接。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种异种金属的扩散焊接方法，该方法通过采用特殊设计的焊接工装和焊接工艺方法，获得接头性能和密封性优良的异种金属焊接件，且整个焊接界面的焊合情况良好，焊接界面存在明显的浓度梯度，符合扩散特征。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种异种金属的扩散焊接方法，包括如下步骤：

步骤(1)、将第一待焊接金属结构件装入第二待焊接金属结构件中，并保证第一待焊接金属结构件的外表面与第二待焊接金属结构件的内表面紧密贴合，得到组合焊接件，所述第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件为异种金属，且第一待焊接金属结构件的膨胀系数小于第二待焊接金属结构件的膨胀系数；

步骤(2)、对组合焊接件分别安装内撑限位工装和外侧限位工装，即将内撑限位工装装入第一待焊接金属结构件内部，将外侧限位工装(4)安装在第二待焊接金属结构件的外侧，且内撑限位工装的外表面与第一待焊接金属结构件的内表面紧密贴合，外侧限位工装的内表面与第二待焊接金属结构件的外表面紧密贴合；所述内撑限位工装和外侧限位工装所用材料的膨胀系数均小于第一待焊接金属结构件的膨胀系数，熔点均高于第一待焊接金属结构件的熔点，内撑限位工装和外侧限位工装用于约束焊接过程中组合焊接件的径向膨胀；

步骤(3)、对组合焊接件进行真空扩散焊接，焊接过程中对组合焊接件施加轴向压力，约束组合焊接件的轴向膨胀；

步骤(4)、焊接完成后，拆除内撑限位工装和外侧限位工装，得到异种金属焊接件。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述步骤(1)中通过装配工装将第一待焊接金属结构件装入第二待焊接金属结构件中，所述装配工装为台阶柱形结构，其中一级台阶柱形结构的外径与第一待焊接金属结构件的内径相匹配，二级台阶柱形结构的外径与第二待焊接金属结构件的内径相匹配。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，装配过程中，首先将装配工装装入第二待焊接金属结构件内部，将第一待焊接金属结构件套装在一级台阶柱形结构的外表面，第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件之间为过盈配合；通过施压将第一待焊接金属结构件压入第二待焊接金属结构件中，所述装配工装与第一待焊接金属结构件和第二待焊接金属结构件之间均为间隙配合；所述装配工装为非金属材料。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件之间过盈配合的过盈量为0.1-0.3mm；所述第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件沿轴向的接触高度为2-10mm；所述装配工装与第一待焊接金属结构件和第二待焊接金属结构件之间间隙配合的配合间隙为0.05-0.1mm。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述第一待焊接金属结构件的外表面开设环形凹槽，所述环形凹槽为单槽、双槽或多槽。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述环形凹槽的深度为0.5-1mm，沿轴向的长度为第一待焊接金属结构件总长度的1/4-1/2。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述步骤(2)中内撑限位工装为台阶柱形结构，其中一级台阶柱形结构的外径与第一待焊接金属结构件的内径相匹配，外侧限位工装为两端开口的圆筒结构，内径与第二待焊接金属结构件的外径相匹配。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述内撑限位工装与外侧限位工装的材料均为非金属，具体为钼、陶瓷或石墨。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述一级台阶柱形结构的外径与第一待焊接金属结构件的内径相匹配，配合间隙为0.05-0.1mm，所述外侧限位工装内径与第二待焊接金属结构件的外径相匹配，配合间隙为0.05-0.1mm。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述外侧限位工装的壁厚大于20mm。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述步骤(3)中对组合焊接件进行真空扩散焊接的工艺条件为：焊接温度为520℃-560℃，保温时间为90-120min，轴向约束压力P为10-15MPa。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件的材料包括如下三种组合：第一待焊接金属结构件为不锈钢，第二待焊接金属结构件为铝；第一待焊接金属结构件为不锈钢，第二待焊接金属结构件为铜；第一待焊接金属结构件为不锈钢，第二待焊接金属结构件为钛合金。

在上述异种金属的扩散焊接方法中，所述第一待焊接金属结构件表面镀活性层，活性层材料为镍或银，活性层厚度为5-15微米。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用专门设计的装配工装进行异种金属待焊接件的装配，有效的保证了焊前装配的同轴度，保证了焊接接头的焊接质量与焊合率。

(2)、本发明采用专门设计的外侧限位工装和内撑工装对装配好的异种金属待焊接件进行焊接过程中的膨胀约束，使得径向焊接面获得足够且均匀的焊接压力，为异种金属扩散焊接提供可靠的焊接保障。

(3)、本发明将膨胀系数较小的待焊接件装配于膨胀系数较大的待焊接件内部，使得在冷却和常温状态下不存在应力释放的问题，保障了焊接件的焊接质量。

(4)、本发明提出了膨胀约束加压的理念进行异种金属界面径向加压，借助内外侧限位工装约束待焊件的径向膨胀，施加的轴向压力约束待焊件的轴向膨胀，使膨胀压力有效的施加到异种金属焊接界面上，获得满足要求的焊接件。

(5)采用本发明焊接方法，焊后金相观察整个焊接界面的焊合情况良好，焊接界面存在明显的浓度梯度，符合扩散特征。

(6)、本发明通过对膨胀系数较小的待焊接件进行开槽结构设计，并对开槽的形式及尺寸进行优化设计，配合装配工装的使用，降低了装配压力，减小了焊件变形，更加有效的保证了焊接质量。

附图说明

图1为现有技术中铝合金壳体与不锈钢阀座之间螺接和热压结构形式图，其中图1a为螺接结构形式图，图1b为热压结构形式图。

图2为本发明装配工装与第一待焊接金属结构件、第二待焊接金属结构件组装示意图；

图3为本发明内撑限位工装、外侧限位工装、第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件组装示意图。

图4为本发明第一待焊接金属结构件结构示意图，其中图4a为开单槽结构示意图，图4b为开双槽结构示意图。

图5为本发明第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件圆周均匀加压示意图；

图6为本发明实施例中LD10铝合金与不锈钢扩散焊接头微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明异种金属的扩散焊接方法具体包括如下步骤：

(一)、通过装配工装5将第一待焊接金属结构件1装入第二待焊接金属结构件2中，并保证第一待焊接金属结构件1的外表面与第二待焊接金属结构件2的内表面紧密贴合，得到组合焊接件，其中第一待焊接金属结构件1与第二待焊接金属结构件2为异种金属，且第一待焊接金属结构件1的膨胀系数小于第二待焊接金属结构件2的膨胀系数，本实施例中第一待焊接金属结构件1为不锈钢，第二待焊接金属结构件2为铝。

如图2所示为本发明装配工装与第一待焊接金属结构件、第二待焊接金属结构件组装示意图，本发明通过装配工装5将第一待焊接金属结构件1装入第二待焊接金属结构件2中，装配工装5为台阶柱形结构，其中一级台阶柱形结构5-1的外径与第一待焊接金属结构件1的内径相匹配，二级台阶柱形结构5-2的外径与第二待焊接金属结构件2的内径相匹配。

装配过程中，首先将装配工装5装入第二待焊接金属结构件2内部，将第一待焊接金属结构件1套装在一级台阶柱形结构5-1的外表面，第一待焊接金属结构件1与第二待焊接金属结构件2之间为过盈配合，过盈量为0.1-0.3mm。通过施压将第一待焊接金属结构件1压入第二待焊接金属结构件2中，装配工装5与第一待焊接金属结构件1和第二待焊接金属结构件2之间均为间隙配合，间隙尽可能小，配合间隙为0.05-0.1mm。

第一待焊接金属结构件1与第二待焊接金属结构件2沿轴向的接触高度为2-10mm。装配工装5起导入作用，确保装配不偏斜，之后拆除装配工装5，将第一待焊接金属结构件1向下施加压力，与第二待焊接金属结构件2配合。装配工装5为非金属材料，本实施例中为聚酰亚胺。

如图4所示为本发明第一待焊接金属结构件结构示意图，其中图4a为开单槽结构示意图，图4b为开双槽结构示意图。第一待焊接金属结构件1的外表面开设环形凹槽1-1，所述环形凹槽为单槽、双槽或多槽。环形凹槽1-1的深度为0.5-1mm，沿轴向的长度为第一待焊接金属结构件1总长度的1/4-1/2。此外，如图4a所示，第一待焊接金属结构件1的的端面采用倒角设计，剪除铝合金表面的氧化膜的同时不会造成金属夹杂等多余物，倒角1-3的角度范围为30-45°。

(二)、对组合焊接件分别安装内撑限位工装3和外侧限位工装(4)，即将内撑限位工装3装入第一待焊接金属结构件1内部，将外侧限位工装4安装在第二待焊接金属结构件2的外侧，且内撑限位工装3的外表面与第一待焊接金属结构件1的内表面紧密贴合，外侧限位工装4的内表面与第二待焊接金属结构件2的外表面紧密贴合。内撑限位工装3和外侧限位工装4所用材料的膨胀系数均小于第一待焊接金属结构件1的膨胀系数，熔点均高于第一待焊接金属结构件1的熔点，内撑限位工装3和外侧限位工装4用于约束焊接过程中组合焊接件的径向膨胀。

如图3所示为本发明内撑限位工装、外侧限位工装、第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件组装示意图。由图可知内撑限位工装3为台阶柱形结构，其中一级台阶柱形结构3-1的外径与第一待焊接金属结构件1的内径相匹配，配合间隙为0.05-0.1mm。外侧限位工装4为两端开口的圆筒结构，内径与第二待焊接金属结构件2的外径相匹配，配合间隙为0.05-0.1mm。内撑限位工装3与外侧限位工装4的材料均为非金属，例如可以为钼、陶瓷或石墨。且侧限位工装4的壁厚大于20mm。

(三)、对组合焊接件进行真空扩散焊接，焊接过程中对组合焊接件施加轴向压力，约束组合焊接件的轴向膨胀。如图5所示为本发明第一待焊接金属结构件与第二待焊接金属结构件圆周均匀加压示意图，对组合焊接件进行真空扩散焊接的工艺条件为：焊接温度为520℃-560℃，保温时间为90-120min，轴向约束压力P为10-15MPa。

第一待焊接金属结构件1与第二待焊接金属结构件2的材料包括如下三种组合：第一待焊接金属结构件1为不锈钢，第二待焊接金属结构件2为铝；第一待焊接金属结构件1为不锈钢，第二待焊接金属结构件2为铜；第一待焊接金属结构件1为不锈钢，第二待焊接金属结构件2为钛合金。

第一待焊接金属结构件1表面镀活性层，活性层材料为镍或银，活性层厚度为5-15微米。

(四)、焊接完成后，拆除内撑限位工装3和外侧限位工装4，得到异种金属焊接件。

实施例1

下面以异种金属铝合金和不锈钢的扩散焊接为例进行说明。铝和钢是典型的异种金属焊接接头，也是异种金属中最难焊的材料组合之一，本实施例中采用0Cr18Ni9不锈钢和LD10铝合金管。

(一)、焊接接头设计：

(1)、铝包钢的接头形式：由于铝的热膨胀系数远大于不锈钢，接头在常温或较低温度下，铝收缩量大于不锈钢钢使铝钢接头更加牢固；

(2)、圆柱面过盈配合的方式：焊前将铝合金管内壁、不锈钢管外壁加工为过盈配合圆柱面，设计思路：①通过过盈剪切的方式去除铝合金表面的氧化膜，减少氧化膜对扩散焊接工艺的不利影响；②使铝合金与不锈钢实现紧密贴合，利于焊接过程中Fe、Al等原子的扩散行为产生。

(二)、焊接工装设计：

结合铝钢扩散焊特点，本发明设计了外侧限位工装和内撑限位工装两种，其中内撑限位工装只用于柱面配合结构。

(1)、外侧限位工装：外侧限位工装起到抑制铝合金外壁膨胀的作用，通过不锈钢的膨胀使铝/钢紧密贴合实现扩散的目的。工装结构：适应焊件的外形面尺寸，焊件能够完全装入工装中，配合间隙控制在0.05mm-0.1mm。工装选用原则：a.工装材料熔点应高于被焊产品材料熔点，b.工装材料不易与待焊产品发生物化反应；c.工装材料热膨胀系数远低于铝合金热膨胀系数，如钼、陶瓷、石墨等；d.工装材料加工性能好。

(2)、内撑限位工装：内撑限位工装起到两个作用：

a.定位作用：该工装材质采用非金属材料制成，工装纵截面呈“L型”，外径尺寸分别与不锈钢内径、铝合金内径过渡配合，保证待焊工件装配的同轴度，防止轴向施加压力不平衡引起的铝钢扩散界面接触不良情况的发生。利用工装外径阶差值可获得不同长度的不锈钢与铝合金扩散焊接头。

b.约束不锈钢内侧膨胀的作用：升温焊接过程中，约束不锈钢内侧膨胀，促使铝钢扩散焊接界面产生足够的膨胀压力实现铝钢焊接。采用工装材质同外侧限位工装材质相同。

(三)、铝钢扩散焊接工艺控制技术

(1)、焊前接头的表面质量控制；

对扩散焊而言，材料表面加工状态直接影响接头质量，因此接头表面粗糙度要尽可能低。接头存在过多的界面杂质和油污会使焊缝中包藏空气和氧化物，从而影响焊接参数的稳定性及污染扩散焊真空炉。因此对待焊试件焊接面进行机械加工后，焊前需用酒精或丙酮进行擦拭去除油污与表面杂质，以增加焊接过程的稳定性。

此外，铝合金内表面、不锈钢外表面需严格控制垂直度，因为过大的不垂直表面将会产生影响焊接装配过程铝/钢配合面的贴合度，因此实际焊接时，要求焊接界面的加工垂直度控制在0.05mm以内。

(2)、焊接过程中工艺参数的控制

工艺参数优化控制是实现铝钢连接的必要条件，焊接过程控制也是产品最终质量的有效保障，控制扩散焊接温度、保温时间、焊接压力、过盈量、中间层金属等对铝钢扩散焊接接头产生的影响，进行参数优化，实现铝钢接头高质量连接。

由于特殊的产品结构形式，铝合金1与不锈钢2的连接方式为柱面径向连接，如图5所示。采用常规的机械轴向加压方式不易实现铝钢连接界面的径向均匀加压。本专利提出采用膨胀约束加压的理念进行铝钢界面径向加压：扩散焊接升温过程中，铝合金与不锈钢两者存在膨胀压差，会在铝钢焊接界面产生一定的压力，但无外周约束的情况下，该压力较小，因此同时约束铝合金和不锈钢的外周膨胀(轴向、径向)，可促使膨胀压力有效的施加到铝钢焊接界面上。约束铝合金与不锈钢轴向膨胀通过施加轴向机械压力，该约束直接通过设备即可实现；约束铝合金径向外周膨胀需借助外侧3和内撑工装4实现。

(3)、铝钢接头真空扩散焊质量评定技术

铝钢物化性能的差异使其焊接接头易产生脆性金属间化合物，同时工艺规范不合理的情况下，焊缝内部容易出现未焊合、孔洞等缺陷，为保证铝钢扩散焊缝接头质量，实现焊缝的可靠性和一致性连接，需要进行试件的破坏性检测如金相剖切检查，力学性能检测等进行评定。同时根据设计指标要求，铝钢扩散焊接接头还需通过液压强度、氦质谱检测和高低温验证等旁证方法进行检测。

(四)、铝钢异种金属真空扩散焊接

为了保证焊接质量，试件焊接面进行机械加工后，焊前仍需采用酒精或丙酮进行擦拭，去除焊件表面油污及杂质，根据需要，不锈钢表面可镀镍5-10μm。焊件清洗干净后，采用压入装配的方式将0Cr18Ni9不锈钢均匀压入LD10铝合金管内，并装入石墨工装中，放入真空扩散炉内，调整焊接参数，开始焊接。焊接工艺参数具体为：温度520℃-560℃，保温时间90-120min，轴向约束压力P为10-15MPa。

(五)、焊后加工

焊后按照图纸尺寸要求进行加工。由于铝合金与不锈钢异种材料热物理性能的差异，其形成的接头在较大的热输入量或较大的机械冲击力作用下，可能会对接头产生不利影响，因此采用小进刀量来保证铝钢接头承受较小的加工应力。

(六)、焊后接头的性能检测

铝钢扩散焊接接头的性能检测可通过以下检测手段：

(1)、无损测试：由于扩散焊接为固相焊接，即原材料不熔化的方式，因此与常规熔焊产生的焊接缺陷有所不同，除少数体积性缺陷，如夹杂，金属间化合物等，大多焊接缺陷为面积型缺陷，如未焊和，裂纹等，因此采用C扫描超声检测与X射线检测结合的方式进行扩散焊接头缺陷的检测。

(2)、铝钢扩散焊接接头还可采取液压、气密、爆破、振动等与实际工况相同的指标进行测试。

(3)、破坏性测试：金相分析及力学性能试验测试。焊后对LD10/0Cr18Ni9扩散焊接头进行金相及剪切试验，金相观察整个焊接界面的焊合情况良好。

如图6所示为本发明实施例中LD10铝合金与不锈钢扩散焊接头微观组织图。焊接界面存在明显的浓度梯度，符合扩散特征。接头剪切强度达到110MPa。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。