一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法。
【背景技术】
[0002]扩散连接(亦称扩散焊接)是指相互接触的材料表面，在高温和压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面生成了新的扩散层，从而形成可靠连接的接头。
[0003]扩散连接过程可以大致分为物理接触、接触表面的激活、扩散及形成接头三个过程(亦称三个阶段)。第一阶段为物理接触阶段，高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，局部接触点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，最终使整个接合面达到可靠接触;第二阶段是接触表面的激活过程，不同材料的原子在高温下相互扩散，晶界发生迀移及微小孔洞消失，在界面形成牢固的结合层;第三阶段是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。
[0004]扩散连接接头质量和材料的物理化学性质有关，特别是异种材料连接时，两种材料的晶体结构、原子直径、元素的电负性等直接决定能否在界面产生元素扩散，从而决定能否进行连接。除了材料本身的性质外，要求连接温度、连接时间、压力、真空度、连接表面状态等工艺参数因素与材料物理化学性质之间形成良好的匹配，例如连接温度的提高可降低扩散激活能并减小变形抗力，有助于扩散连接，但是连接温度过高可能有损母材性能，并在异种材料连接时形成较厚的脆性金属间化合物层。此外，真空扩散连接还存在以下缺点:连接时间长，生产时间长，成本高;接合表面氧化膜难以去除。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决现有真空扩散连接方法对接合表面要求严格、表面氧化膜难以去除、连接时间长以及无法兼顾降低连接温度和减小变形抗力的问题，提供一种超声场辅助真空扩散连接装置及方法。
[0006]本发明一种超声场辅助真空扩散连接装置包括上压头、上压板、上试样、下试样、下压板、两个支撑装置、超声波工具头、真空室和加热体;其中真空室的左右两侧设有两个加热体，下压板通过两个支撑装置与真空室底部连接，下压板的下方设有超声波工具头，下压板上方放有下试样，下试样上方放有上试样，上试样的上方设有上压板，上压板上方设有上压头。
[0007]本发明一种超声场辅助真空扩散连接的方法按如下步骤进行:
[0008]一、将待焊接母材的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的待焊母材；
[0009]二、将清洗后的待焊接母材叠加装配，形成“上压板-上试样-下试样-下压板”的结构，然后送入真空室内，再通过上压头施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.2?IN，然后抽真空，加热至待焊母材连接温度，加热速度为5?30°C/min ；
[0010]三、超声波工具头接触下压板并达到预定压力，预定压力<0.8P;
[0011]四、通过超声波工具头施加超声波振动5?120s，振动方向为轴向，超声波频率为16?40kHz，振幅为5?20ym;
[0012]五、通过上压头增大压力，增至每平方毫米上的压力为0.5?10Ν;
[0013]六、在连接温度下保温10?120min，然后保持压力降温至室温，即完成。
[0014]本发明根据超声波在固态金属中传播时的声塑性效应，对于处于静态拉伸或压缩状态的金属，在其作用力方向上施加一定频率的超声波，当静态的应力一定时，可以提高金属的应变速度；当静态的应变一定时，可以降低金属的流变应力。静态压缩过程中施加超声波时，材料的变形抗力显著降低。特别是在起初待焊母材的物理接触阶段，超声波声塑性效会优先在该接触面产生影响，塑性母材金属的变形与脆性表面氧化膜变形发生失配，造成界面氧化膜破碎，与此同时，瞬间在该处积累了一定的变形能，加速原子扩散，有助于实现扩散连接。因此本发明将超声振动场弓I入真空扩散连接过程中。
[0015]本发明中所加载超声波的振动方向为轴向，借助于超声波在固体中的声塑性效应，降低母材的变形抗力，加快破除母材表面氧化膜，并加速扩散行为，降低了连接温度和连接压力，缩短连接时间，并弱化对待焊母材表面状态的要求，本方法在焊接前无需对待焊母材的表面进行特殊预处理，在焊接过程中依靠超声波直接破除表面氧化膜。普通超声波金属焊接主要适用于薄板材料的点焊，本方法结合相应的装夹，可适用于点、缝、面结构的焊接。此外本方法对材料的厚度无特殊规定。
【附图说明】
[0016]图1为本发明超声场辅助扩散连接装置示意图；
[0017]图2为实施例1中采用超声场辅助真空扩散连接方法焊接高硅铝和殷瓦合金的接头照片；
[0018]图3为实施例1中对照组焊接的高硅铝和殷瓦合金的接头照片。
【具体实施方式】
[0019]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0020]【具体实施方式】一:本实施方式一种超声场辅助真空扩散连接装置包括上压头1、上压板4、上试样5、下试样6、下压板7、两个支撑装置8、超声波工具头9、真空室2和加热体3;其中真空室2的左右两侧设有两个加热体3，下压板7通过两个支撑装置8与真空室2底部连接，下压板7的下方设有超声波工具头9，下压板7上方放有下试样6，下试样6上方放有上试样5，上试样5的上方设有上压板4，上压板4上方设有上压头I。
[0021 ]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:上试样5和下试样6中间可放置一层或多层中间层。其它与【具体实施方式】一相同。
[0022]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:超声波工具头9一端位于真空室2内部，另一端位于真空室2外部。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0023]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:上压头I一端位于真空室2内部，另一端位于真空室2外部。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0024]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:上压头I由独立的移动装置和加压装置控制。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0025]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:超声波工具头9由独立的移动装置和加压装置控制。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0026]【具体实施方式】七:本实施方式一种超声场辅助真空扩散连接的方法按如下步骤进行:
[0027]一、将待焊接母材的表面进行机械打磨，然后进行超声波清洗，得到清洗后的待焊母材；
[0028]二、将清洗后的待焊接母材叠加装配，形成“上压板4-上试样5-下试样6-下压板7”的结构，然后送入真空室2内，再通过上压头I施加轴向压力，每平方毫米上的压力为0.2?IN，然后抽真空，加热至待焊母材连接温度，加热速度为5?30°C/min ；
[0029]三、超声波工具头9接触下压板7并达到预定压力，预定压力<0.8P;
[0030]四、通过超声波工具头9施加超声波振动5?120s，振动方向为轴向，超声波频率为16?40kHz，振幅为5?20ym;
[0031]五、通过上压头I增大压力，增至每平方毫米上的压力为0.5?10Ν;
[0032]六、在连接温度下保温10?120min，然后保持压力降温至室温，即完成。
[0033]本实施方式根据超声波在固态金属中传播时的声塑性效应，对于处于静态拉伸或压缩状态的金属，在其作用力方向上施加一定频率的超声波，当静态的应力一定时，可以提高金属的应变速度；当静态的应变一定时，可以降低金属的流变应力。静态压缩过程中施加超声波时，材料的变形抗力显著降低。特别是在起初待焊母材的物理接触阶段，超声波声塑性效会优先在该接触面产生影响，塑性母材金属的变形与脆性表面氧化膜变形发生失配，造成界面氧化膜破碎，与此同时，瞬间在该处积累了一定的变形能，加速原子扩散，有助于实现扩散连接。因此本实施方式将超声振动场引入真空扩散连接过程中。
[0034]本实施方式中所加载超声波的振动方向为轴向，借助于超声波在固体中的声塑性效应，降低母材的变形抗力，加快破除母材表面氧化膜，并加速扩散行为，降低了连接温度和连接压力，缩短连接时间，并弱化对待焊母材表面状态的要求，本方法在焊接前无需预处理待焊母材的表面，在焊接过程中依靠超声波直接破除表面氧化膜。此外本方法对材料的厚度无特殊规定。普通超声波金属焊接主要适用于薄板材料的点焊，本方法结合相应的装夹，可适用于点、缝、面结构的焊接。
[0035]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】七不同的是:所述的待焊母材为待焊母材为镀有银膜或铜膜的材料、铝合金、镁合金、铜或银。其它与【具体实施方式】七相同。
[0036]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】七或八不同的是:步骤二所述的抽真空至真空度至不小于10—1Pa1