薄板热自压连接方法

薄板热自压连接方法
【专利摘要】本发明为一种薄板热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用待连接薄板接头整体刚度在集中热源非熔化加热作用下，加热区高温金属与周围冷金属之间形成温差效应，利用由此产生的热弹塑性应力应变场，实现对接头连接处热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接；本发明能够避免薄板熔化焊接时焊缝中产生铸态组织以及气孔、裂纹和夹杂等缺陷，同时在连接过程中不需要施加外力，工艺过程简单、便于实现。
【专利说明】薄板热自压连接方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于焊接领域中板材的连接方法，尤其涉及一种薄板热自压连接方法。【背景技术】
[0002]薄板材料的连接主要有熔化焊和搅拌摩擦焊等连接方法。熔化焊是利用热源加热并熔化被焊材料和填加材料，被焊材料和填加材料经熔化、凝固后形成永久性的连接接头。根据使用热源不同，现有的熔化焊接方法有:氩弧焊、激光焊、离子束焊和电子束焊等。搅拌摩擦焊是在压力作用下，利用被焊工件接触面的相互摩擦产生的摩擦热，使被焊接面金属达到热塑性状态，通过金属间的扩散和再结晶实现连接的一种焊接方法。
[0003]薄板材料熔化焊连接时，因热源在焊接区域的高温热循环作用，经熔化/凝固，焊缝中产生铸态组织，焊接完成后，焊缝中仍可能产生气孔、裂纹等缺陷，导致接头的断裂与疲劳性能相比母材的断裂和疲劳性能明显降低，焊后需要进行退火热处理才能获得与母材相当的力学性能，增加了生产周期和成本。
[0004]搅拌摩擦焊等固态连接能避免熔化时焊缝中产生的铸态组织和缺陷，并相对于熔焊接头能获得不同区域组织和力学性能较为均匀的连接接头，但是，在连接过程中需要施加外力，工艺实现过程较为复杂。
[0005]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种薄板热自压连接方法，以克服现有技术的缺陷。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于提供一种薄板热自压连接方法，该方法为固相连接，能够避免薄板熔化焊接时焊缝中产生铸态组织以及气孔、裂纹和夹杂等缺陷，同时在连接过程中不需要施加外力，工艺过程简单、便于实现。
[0007]本发明的目的是这样实现的，一种薄板热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用待连接薄板接头整体刚度在集中热源非熔化加热作用下，加热区高温金属与周围冷金属之间形成温差效应，利用由此产生的热弹塑性应力应变场，实现对接头连接处热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接。
[0008]在本发明的一较佳实施方式中，该方法至少包括以下步骤:
[0009]( I)建立对接薄板整体刚度；
[0010]将待连接薄板对接面无缝对接，并通过辅助起焊端建立对接薄板之间的整体刚度；
[0011](2)进行非熔化加热；
[0012]使用集中热源从辅助起焊端开始沿对接面移动，进行非熔化加热，在热源作用下加热区金属与周围冷金属之间产生温差，并因对接薄板整体刚度的拘束，从而在加热区产生热弹塑性应力应变场，热弹塑性应力应变场对对接面处高温区热塑性状态金属进行自挤压，实现扩散和连接。[0013]在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(I)之前，精加工待连接薄板对接面，并将待连接薄板紧密对接装配于焊接夹具上。
[0014]在本发明的一较佳实施方式中，所述夹具包括有夹具底座，夹具底座上设有两个上挡板横梁，所述两个上挡板横梁沿着对接面平行设置，两个上挡板横梁分别设置在薄板对接面的两侧并与对接面保持一定距离；各上挡板横梁上间隔设有多个螺纹孔，螺纹孔中设有限位螺栓。
[0015]在本发明的一较佳实施方式中，所述精加工包括对接面精磨和清洗。
[0016]在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(I)中，所述辅助起焊端是焊接前零件下料、加工时与各待连接薄板一起机加工形成的；每个待连接薄板上均对应设有一辅助起焊端；所述辅助起焊端的长度根据待连接薄板对接面的尺寸而确定；使用熔化焊接方式将辅助起焊端焊接合适的长度，由此建立对接薄板之间的整体刚度。
[0017]在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(I)中，所述辅助起焊端是单独加工形成的一连接件，然后将该辅助起焊端与两个待连接薄板分别点焊在一起，从而建立对接薄板的整体刚度；所述辅助起焊端的尺寸根据待连接薄板对接面的尺寸而确定。
[0018]在本发明的一较佳实施方式中，所述集中热源为电弧、电子束或激光。
[0019]在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(2 )之后，将辅助起焊端切除。
[0020]由上所述，本发明的薄板热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用待连接薄板接头整体刚度在集中热源非熔化加热作用下，加热区高温金属与周围冷金属之间形成温差效应，利用由此产生的热弹塑性应力应变场，实现对接头连接处热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接；本发明能够避免薄板熔化焊接时焊缝中产生铸态组织以及气孔、裂纹和夹杂等缺陷，同时在连接过程中不需要施加外力，工艺过程简单、便于实现。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中:
[0022]图1:为本发明中对接薄板整体刚度建立方式一示意图；
[0023]图2:为本发明中对接薄板整体刚度建立方式二示意图；
[0024]图3:为图1中A-A处剖视结构示意图；
[0025]图4:为本发明中非熔化加热时热弹塑性应力应变场产生示意图；
[0026]图5:为本发明中一实施例的连接过程示意图。
【具体实施方式】
[0027]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】

【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0028]本发明提出一种薄板热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用待连接薄板接头整体刚度在集中热源非熔化加热作用下，加热区高温金属与周围冷金属之间形成温差效应，利用由此产生的热弹塑性应力应变场，实现对接头连接处热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接。
[0029]如图1?图4所示，该方法至少包括以下步骤:[0030](I)试样加工与装卡；
[0031]精加工待连接薄板I对接面(包括对接面精磨和清洗)，并将待连接薄板I紧密对接装配于焊接夹具2上；在本实施方式中，所述夹具2包括有夹具底座21，夹具底座21上设有两个上挡板横梁22，所述两个上挡板横梁22沿着对接面平行设置，两个上挡板横梁22分别设置在薄板对接面的两侧并与对接面保持一定距离；各上挡板横梁22上间隔设有多个螺纹孔，螺纹孔中设有限位螺栓221。
[0032]装卡时，将两块待连接薄板I放置在夹具底座21上，薄板I下方设置下垫块23，上方设置上压块24，对接面无缝对接后，通过限位螺栓221将薄板固定；在本实施方式中，夹具2的作用是防止后续预制整体刚度时对接薄板面外变形，同时防止热自压连接时连接处错边(没有施加挤压力)，因此，此处的限位螺栓221不必拧的太紧；在本实施方式中，上挡板横梁22需选择离对接面合适的位置；横梁离对接面太远，焊接中可能导致错边，离得太近可能会影响温度场，所以要根据具体情况而定。
[0033](2)建立对接薄板整体刚度；
[0034]将待连接薄板装卡(对接面无缝对接)后，将建立对接薄板整体刚度。在本实施方式中，建立对接薄板整体刚度可以采用两者方式:
[0035]方式一:如图1所示，在所述待连接薄板I对接面一侧端部对应设有辅助起焊端11 (每个待连接薄板上均对应设有一辅助起焊端11);所述辅助起焊端11是焊接前零件下料、加工时与零件一起机加工形成的(该辅助起焊端11在热自压连接后将被切除掉)；所述辅助起焊端11的长度根据待连接薄板对接面的尺寸而确定；使用熔化焊接方式将两个对应的辅助起焊端11焊接合适的长度(长度太小，对接板的整体刚度不足，可能导致不能焊接)；由此建立两块对接薄板之间的整体刚度。
[0036]方式二:如图2所示，所述辅助起焊端是单独加工形成的一连接件12，该辅助起焊端(连接件)12与待连接薄板I焊前是分离的，将该辅助起焊端12通过点焊方式分别与两对接薄板的一侧端部连接(所述多个焊点3如图2所示)，从而建立对接薄板的整体刚度；所述辅助起焊端的尺寸根据待连接薄板对接面的尺寸而确定。
[0037](3)进行非熔化加热；
[0038]使用电弧、电子束或激光等集中热源从辅助起焊端11开始沿对接面以合适的速度移动，进行非熔化加热，在热源作用下加热区金属与周围冷金属之间产生温差，并因对接薄板整体刚度的拘束，加热区高温金属的膨胀受到周围冷金属的挤压力F与平板面内的弯矩M作用，在挤压力F和弯矩M作用下产生热弹塑性应力应变场，热弹塑性应力应变场对对接面处高温区热塑性金属进行挤压，实现扩散和连接。如图4所示，图4中B为加热高温区，箭头C为热源移动方向。整个连接过程中不熔化待连接材料，不填加材料，且不施加外力。
[0039]在无外力作用下，利用对接薄板之间整体刚度和热源非熔化加热时加热区高温金属与周围冷金属的温差共同作用建立的热弹塑性应力应变场，实现对待连接接头对接面高温区热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接是本发明独具的特点。对接板之间整体刚度和加热区金属与周围冷金属的温差是产生热弹塑性应力应变场实现薄板热自压连接的必要条件。
[0040]由上所述，本实施方式中的薄板热自压连接方法，在整个连接中未对待连接材料施加外力(挤压力)，是靠待连接材料间整体刚度和局部非熔化加热温差产生的热弹塑性应力应变场实现对接头连接处热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接的。因此，本发明与传统扩散焊、搅拌摩擦焊和热压焊等固相焊接方法相比加热方式和连接机理均不同。在加热方式上，本发明选择的是利用熔化焊热源进行非熔化局部加热工件待连接接头；在连接机理上，本发明是利用建立的待连接接头自身整体刚度和热源非熔化加热接头时高温区金属与周围冷金属之间温差共同作用产生热弹塑性应力应变场，由此实现对接头连接处热塑性状态金属的挤压、扩散和连接；因此，本发明并不需要像其它现有方法依靠连接过程中施加的外力作用或摩擦热力作用等达到接头连接的目的。
[0041]本发明与现有技术相比具有以下有益的效果:
[0042](I)与熔化焊相比:
[0043]①非熔化加热，能避免熔化焊接时焊缝中产生的铸态组织以及气孔和裂纹等缺陷。
[0044](2)与传统扩散焊相比:
[0045]①不需施加外力不需整体加热；③不需长时间保温工艺过程简单、便于实现加工效率高。
[0046]下面以一具体实施例来进一步说明本发明。
[0047]如图5所示,对接薄板长度L=60mm,宽度B=50mm,板厚2mm,对接薄板材料为TC4钛合金；采用真空电子束热源进行热自压连接，过程如下:
[0048](I)对接面精磨，清洗干净后固定于焊接夹具上；
[0049](2)利用电子束熔焊预焊对接薄板的焊接起始端(辅助起焊端)，熔化焊接长度a=10mm,建立对接板整体刚度；
[0050](3)待熔焊后薄板温度降低至室温附近，利用电子束热源从焊接起始端开始沿对接面非熔化加热对接板，进行热自压连接，相应参数为:工作距离H=335mm，束流Ib=L 3mA,加速电压Ub=150kV,聚焦电流If=2809mA,速度v=0.2mm/s。
[0051]TC4钛合金薄板移动加热热自压连接接头金相检测结果表明:热自压连接后，原对接面消失，界面处仅存在少数微米尺寸级别孔洞，本实施例薄板移动加热热自压连接接头的焊合率大于95%。拉伸力学性能检测结果表明:接头的抗拉强度为1019.99MPa。
[0052]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种薄板热自压连接方法，在无外力作用的条件下，利用待连接薄板接头整体刚度在集中热源非熔化加热作用下，加热区高温金属与周围冷金属之间形成温差效应，利用由此产生的热弹塑性应力应变场，实现对接头连接处热塑性状态金属的自挤压、扩散和连接。
2.如权利要求1所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:该方法至少包括以下步骤: (1)建立对接薄板整体刚度； 将待连接薄板对接面无缝对接，并通过辅助起焊端建立对接薄板之间的整体刚度； (2)进行非熔化加热； 使用集中热源从辅助起焊端开始沿对接面移动，进行非熔化加热，在热源作用下加热区金属与周围冷金属之间产生温差，并因对接薄板整体刚度的拘束，从而在加热区产生热弹塑性应力应变场，热弹塑性应力应变场对对接面处高温区热塑性状态金属进行自挤压，实现扩散和连接。
3.如权利要求2所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:在步骤(I)之前，精加工待连接薄板对接面，并将待连接薄板紧密对接装配于焊接夹具上。
4.如权利要求3所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:所述夹具包括有夹具底座，夹具底座上设有两个上挡板横梁，所述两个上挡板横梁沿着对接面平行设置，两个上挡板横梁分别设置在薄板对接面的两侧并与对接面保持一定距离；各上挡板横梁上间隔设有多个螺纹孔，螺纹孔中设有限位螺栓。
5.如权利要求3所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:所述精加工包括对接面精磨和清洗。
6.如权利要求2所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:在步骤(I)中，所述辅助起焊端是焊接前零件下料、加工时与各待连接薄板一起机加工形成的；每个待连接薄板上均对应设有一辅助起焊端；所述辅助起焊端的长度根据待连接薄板对接面的尺寸而确定；使用熔化焊接方式将辅助起焊端焊接合适的长度，由此建立对接薄板之间的整体刚度。
7.如权利要求2所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:在步骤(I)中，所述辅助起焊端是单独加工形成的一连接件，然后将该辅助起焊端与两个待连接薄板分别点焊在一起，从而建立对接薄板的整体刚度；所述辅助起焊端的尺寸根据待连接薄板对接面的尺寸而确定。
8.如权利要求2所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:所述集中热源为电弧、电子束或激光。
9.如权利要求2所述的薄板热自压连接方法，其特征在于:在步骤(2)之后，将辅助起焊端切除。
【文档编号】B23K101/18GK103464907SQ201310369651
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】邓云华, 关桥, 吴冰, 王西昌, 陶军, 付鹏飞 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所