一种弥散铜固相焊接方法与流程

本发明属于陶瓷颗粒弥散强化型金属材料固相焊接技术领域，具体涉及一种弥散铜固相焊接方法。

背景技术：

弥散铜是一种高强高导铜基复合材料，其基体中弥散分布着纳米级氧化铝颗粒强化相，在保证铜基体高导电、高导热性能同时，显著提高了材料的软化温度、硬度和强度。由于弥散铜材料加工硬化速率高、变形加工难度大，采用轧制、锻造等工艺难以制备出大截面尺寸或者形状复杂的异形构件，因此弥散铜的焊接技术显得格外重要。

现有弥散铜焊接工艺主要有熔焊和钎焊，涉及到的材料主要有弥散铜与弥散铜，以及弥散铜与紫铜、铬锆铜、不锈钢、铝及铝合金等。由于氧化铝与铜金属的密度差异大、浸润性差，熔焊时弥散铜中的氧化铝会漂浮于熔池上方，造成熔焊层之间出现夹杂，影响接头力学性能；专利采用每道次酸洗除杂，虽然能改善熔焊效果，但增加了酸洗步骤，降低了生产效率。弥散铜钎焊也存在一定弊端，比如需要采用昂贵的银基钎料，钎焊工艺复杂且对设备能力要求高，接头质量不稳定，钎焊层晶界反应严重、易出现孔洞。最棘手的问题是，弥散铜熔焊、钎焊过程中引入了焊丝、钎料等异种材质，焊接接头成为弥散铜焊接件性能薄弱部位，导致弥散铜构件不能继承弥散铜材料的高强、高导、耐高温等性能，限制了弥散铜焊接件的应用范围。

有文献研究指出可以采用搅拌摩擦焊的方式实现弥散铜的焊接，但是对于大截面尺寸弥散铜构件来说，搅拌摩擦焊接时，很容易出现沿垂直于焊缝方向向两侧炸开或者向上翘曲变形，而且也会出现焊缝分层影响焊接质量的问题。所述的“大截面尺寸”是指棒料直径≥60mm或板坯边长≥100mm。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种弥散铜固相焊接方法，该方法借助所设计的焊接工装，对弥散铜的焊接采用搅拌摩擦焊的技术，可以解决大截面尺寸弥散铜焊接过程的质量问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种弥散铜固相焊接方法，包括如下步骤：

步骤一，将两块待焊试板的焊接接头位置加工成直角平板接头，然后对接头位置进行表面处理；

步骤二，将两块待焊试板以接头相对的形式组对并安装在焊接工装的两个边部定位挡条之间，并且使得两块待焊试板的前端抵在焊接工装的端部定位挡条上；

步骤三，通过焊接工装的侧面预紧压板对每块待焊试板上与焊缝平行的边部施加竖向的预紧力，并确保两块待焊试板之间的间隙小于0.2mm；

步骤四，采用搅拌摩擦焊对两块待焊试板进行正面焊接，搅拌摩擦焊的主轴倾角为2.5°，主轴转速100～480rpm，焊接速度100～200mm/min，轴肩下压量0.1～1mm；在进行焊接过程中，安装在主轴前进侧的压紧轮随主轴同步前进，对搅拌头前端的焊缝进行约束；

步骤五，完成试板正面焊接后，对焊缝进行打磨清理，然后将试板翻转，使得焊缝同向反置，再按照步骤二、三重新将试板安装在焊接工装上，并以步骤四的焊接参数进行试板背面的焊接，焊接完成后，将焊接后的试板从焊接工装上取下。

所述步骤一中的表面处理包括对试板焊接接头位置的打磨和清洗。

对试板焊接接头位置清洗时采用丙酮或酒精清洗。

所述搅拌头的长度为待焊试板厚度的1/2～3/4。

所述的焊接工装具有一块基板，所述的边部定位挡条和端部定位挡条均焊接在所述的基板上表面，且边部定位挡条的厚度小于待焊试板的最大厚度，以使得所述侧面预紧压板在压紧待焊试板的同时与边部定位挡条之间留有间隙。

所述侧面预紧压板一端压紧在待焊试板上，另一端伸出待焊试板，由螺栓固定在所述基板上，并通过螺栓的旋进程度控制侧面预紧压板的预紧力大小。

所述压紧轮通过支架安装在所述主轴上，压紧轮的轴向宽度大于所述焊缝的宽度。

所述两块待焊试板中，一块是弥散铜试板，另一块是弥散铜试板或异种金属试板。

本发明的有益效果是：弥散铜硬度高，且在800-950℃范围内不存在高温软化行为，因此，当采用搅拌摩擦焊时，搅拌头扎入两个弥散铜试板接头缝隙后，弥散铜试板极易沿垂直于焊缝方向向两侧炸开，以及发生向上的翘曲变形，导致弥散铜搅拌摩擦焊起始阶段焊接质量差，轻则引起焊缝分层，重则导致焊缝前进侧产生犁沟，并且随着焊接向前进行，这些缺陷可能会被引入到新的焊缝中。为此，本发明所述的焊接方法借助焊接工装，通过边部定位挡条和端部定位挡条组成的周向定位挡条可以对两块弥散铜试板进行定位约束，可以避免弥散铜试板初始焊接时炸裂，而且周向定位挡条可以与侧面预紧压板配合，保证两块弥散铜试板焊接接头的间隙小于0.2mm，从而提高焊接质量。

由于弥散铜热膨胀系数大，焊接过程中的热应力易导致焊核周围材料翘曲变形，特别是搅拌头前端的焊缝因拱起变形导致焊缝减薄量增大，因此需要增加对搅拌头前端焊缝的约束。本发明采用与搅拌主轴同步前进的压紧轮对搅拌头前端的焊缝进行约束，从而提高整条弥散铜焊缝厚度的均匀性。

针对弥散铜单面摩擦焊容易出现根部弱连接、导致接头力学性能不足的问题，本发明采用双面摩擦焊工艺，其中搅拌头长度为待焊材料板厚的1/2～3/4。在单面焊接完成后，对焊缝飞边毛刺等打磨干净，将焊缝同向反置，然后进行背面焊接。弥散铜双面摩擦焊可避免单面焊接时根部弱连接问题，显著提高了弥散铜接头的力学性能。

本发明不仅可以实现弥散铜与弥散铜的焊接，还可适用于弥散铜和异种金属之间的焊接，解决了大截面尺寸弥散铜成型难题，且加工工艺简单，便于自动控制。

采用本发明所述方法后，在摩擦热及搅拌力的双重作用下，弥散铜焊核区材料发生剧烈塑性变形。通过控制主轴转速及焊接速度，保证弥散铜材料充分流动且不超过熔点，可实现弥散铜之间高质量连接。测试结果显示，弥散铜搅拌摩擦焊接头组织致密、晶粒细小，接头的显微硬度达到母材的95%、抗拉强度达到母材的94%、导电率达到母材的98%；经900℃、2h热处理后，接头的显微硬度仍能保持热处理前的91%。

受加工设备能力限制，弥散铜锭坯直径或板材宽度难以突破200mm。采用本发明后，通过采用焊接工装的弥散铜搅拌摩擦焊焊接，可以实现大截面尺寸弥散铜焊接成型。弥散铜板坯尺寸不受限制，显著降低需求单位设计难度。

本发明的弥散铜搅拌摩擦焊焊接技术具有工序较少、操作简单的特点，还可通过设置焊接参数实现焊接过程自动控制，大幅降低了劳动强度，保证了焊接质量，提高了焊接效率。

附图说明

图1为本发明所用焊接工装的结构示意图；

图2为采用本发明的焊接方法焊接后的弥散铜焊缝示意图；

图中标记：1、基板，2、待焊试板a，3、待焊试板b，4、主轴，5、侧面预紧压板，6、压紧轮，7、边部定位挡条，8、端部定位挡条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

一种弥散铜固相焊接方法，该方法需要通过焊接工装的辅助，下面参照附图所示，对所述焊接工装的结构加以说明。

如图1所示，所述的焊接工装包括一个基板1作为底座，基板1上焊接有两个对称设置的边部定位挡条7和一个端部定位挡条8，端部定位挡条8和两个边部定位挡条7构成对两块待焊试板半包围的、以实现定位的周向定位挡条；还包括四个侧面预紧压板5，两个侧面预紧压板5与待焊试板a对应，另两个侧面预紧压板5与待焊试板b对应，所述侧面预紧压板5的一端通过螺栓连接在基板1上（螺栓未在图中示出），且螺栓位于所述边部定位挡条7的外侧，侧面预紧压板5的另一端压在待焊试板的上表面，通过调整螺栓的旋进量，可以对侧面预紧压板5的预紧力进行调整，由侧面预紧压板5和周向定位挡条配合对两块待焊试板进行定位和约束，使得在焊接过程中，试板焊接接头处的缝隙保持在0.2mm以内。

进一步的，边部定位挡条7的厚度小于待焊试板的厚度，以使得所述侧面预紧压板5可以充分的压紧待焊试板，不会被边部定位挡条7所阻挡。

进一步的，所述的焊接工装还包括一个压紧轮6，压紧轮6需要设置在搅拌摩擦焊的主轴4前侧，并可以随主轴4同步前进，压紧轮6的轴向宽度大于所述焊缝的宽度，在压紧轮6沿焊缝前进时，压紧轮6可以自由转动，并时刻压在焊缝上。图1中压紧轮6和主轴4之间的连接属于常规设计，因此没有示出具体的连接关系。

本发明所述的弥散铜固相焊接方法包括以下步骤：

步骤一，将待焊试板a和待焊试板b的焊接接头位置加工成直角平板接头，然后对接头位置进行表面处理，包括采用砂纸打磨和采用丙酮或酒精进行清洗；

步骤二，将待焊试板a和待焊试板b以接头相对的形式组对并安装在焊接工装的两个边部定位挡条之间，并且使得待焊试板a和待焊试板b的前端抵在焊接工装的端部定位挡条上；

步骤三，通过焊接工装的侧面预紧压板对每块待焊试板上与焊缝平行的边部施加竖向的预紧力，并确保两块待焊试板之间的间隙小于0.2mm；

步骤四，采用搅拌摩擦焊对待焊试板a和待焊试板b进行正面焊接，搅拌摩擦焊的主轴倾角为2.5°，主轴转速100～480rpm，焊接速度100～200mm/min，轴肩下压量0.1～1mm；在进行焊接过程中，安装在主轴前进侧的压紧轮随主轴同步前进，对搅拌头前端的焊缝进行约束；

步骤五，完成试板正面焊接后，对焊缝进行打磨清理，然后将试板翻转，使得焊缝同向反置，再按照步骤二、三重新将待焊试板安装在焊接工装上，并以步骤四的焊接参数进行试板背面的焊接，焊接完成后，将焊接后的板件从焊接工装上取下，焊接后的焊缝如图2所示。

进一步的，所述搅拌头的长度为待焊试板厚度的1/2～3/4。

实施例：采用氧化铝含量为0.505%、尺寸为300mm×100mm×5mm的一副弥散铜板进行搅拌摩擦焊接。

焊接时，主轴倾角为2.5°，搅拌头为圆锥形，搅拌头长度3.5mm，轴肩宽度为15mm。焊前，依次用砂纸打磨、酒精清洗处理待焊试板，用夹具固定1副焊接试板。主轴转速150rpm，焊接速度125mm/min，轴肩下压量0.3mm，双面焊接。

经测试，弥散铜搅拌摩擦焊接头的组织致密、晶粒细小；接头的显微硬度为135.3hv，为母材的95%；接头的抗拉强度为402mpa，达到母材的94%；接头的延伸率为10%，为母材的41.7%；接头的导电率为91%iacs，与母材相同；经900℃、2h热处理后，接头的显微硬度为123.8hv，为热处理前的91%。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。