一种铝合金扩散连接方法
【专利摘要】本发明提供了一种铝合金扩散连接方法，包括：根据预设的表面平整度、清洁度和粗糙度要求对两块铝合金试样待连接的表面进行预处理；将两块铝合金试样预处理过的两表面相对叠合在一起，并在两块铝合金试样之间夹入一支撑框并形成一空间；进行抽真空处理，将空间处理为真空状态达到预设真空度要求；以预设的升温速度将抽真空处理后的铝合金试样加热至预设温度；利用磁脉冲电源对磁体放电向加热后的铝合金试样施加脉冲电磁力，实现铝合金试样的机械连接；对连接后的铝合金试样进行热处理，实现所述铝合金试样冶金结合。本发明利用脉冲强磁场所产生的巨大脉冲电磁力，使铝合金发生剧烈碰撞，有效破坏铝合金表面的氧化膜，在扩散连接中实现铝合金的冶金结合。
【专利说明】一种铝合金扩散连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铝合金连接技术，具体的讲是一种铝合金扩散连接方法。
【背景技术】
[0002]扩散连接技术是一种利用原子扩散实现连接的先进固相连接技术。这种技术一股是在一定的温度和压力下，经过保压一段时间后，使材料两对接面的原子相互扩散，最终实现接头的冶金结合。扩散连接技术具有接头质量好、焊接精度高、可实现内部及多点或大面积构件的连接、可连接其他焊接方法难以焊接的材料等优点，而且与超塑成形技术相结合，可以成形制造结构复杂的多层空心结构，因而在航空航天领域得到了广泛的研究与应用。
[0003]铝合金具有密度低、比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能较高等优点，成为飞机结构的理想材料。然而铝合金的扩散连接技术至今仍未得到很好的解决，原因是铝合金表面在室温下极易形成一层致密稳定的氧化膜，且在扩散连接过程中该氧化膜既不分解也不溶解于基体，严重阻碍铝原子的相互扩散。为此，铝合金扩散连接的研究已成为学术界研究热点之一，国内外很多学者和研究人员都对此进行了大量研究和探索。
[0004]目前，实现铝合金扩散连接的方法主要有:真空环境、惰性气体保护、添加中间层、大的形变量。
[0005]真空环境扩散连接是最常用的方法。真空环境在扩散连接过程中可以有效防止铝合金表面的氧化。但在前期的表面处理阶段，铝合金表面都不可避免的会接触空气，因此该方法并不能完全避免铝合金表面的氧化。为了提供真空环境，通常需要真空泵、扩散泵等辅助设备，而且对扩散连接设备的密封也提出了更高的要求，因此成本也会增加很多。
[0006]惰性气体保护也可以有效防止铝合金表面的氧化，可以达到和真空环境同样的效果。但同样在前期的表面处理过程中，铝合金都不可避免的会接触空气，因此该方法对防止铝合金表面氧化的作用也是有限的。
[0007]添加中间层也是扩散连接工艺常用的方法。常用作中间层的金属元素有铜、镍、锌、镁等。这些中间层材料的加入通常会在界面处形成新的相或者与母材发生反应生成脆性金属间化合物，大大降低了连接接头的剪切强度，因此这种方法也有很大局限性。
[0008]大的形变量也是解决铝合金扩散连接的有效方法，比如轧制，甚至不需要真空环境或气体保护，就能达到很高的焊合率和很好的焊接质量。但这种方法只适合整体扩散连接，不适合多层结构等需要的局部扩散连接，而且这种方法的变形量一股都很大，所以其应用范围也很有限。
【发明内容】
[0009]为解决现有技术中铝合金的扩散连接方法的局限性，使得铝合金扩散连接工业生产中得以推广应用，本发明实施例提供了 一种铝合金扩散连接方法，方法包括:
[0010]根据预设的表面平整度、清洁度和粗糙度要求对两块铝合金试样待连接的表面进行预处理；[0011 ] 将所述两块铝合金试样预处理过的两表面相对叠合在一起，并在所述两块铝合金试样之间夹入一支撑框并形成一空间；
[0012]对所述铝合金试样进行抽真空处理，将所述空间处理为真空状态并达到预设真空度要求；
[0013]以预设的升温速度将所述的抽真空处理后的铝合金试样加热至预设温度；
[0014]利用磁脉冲电源对磁体放电向所述加热后的铝合金试样施加脉冲电磁力，实现所述铝合金试样的机械连接；
[0015]对连接后的铝合金试样进行热处理，实现所述铝合金试样冶金结合。
[0016]本发明利用脉冲强磁场所产生的巨大脉冲电磁力，使铝合金发生剧烈碰撞，使铝合金试样发生初步机械连接，有效破坏铝合金表面的氧化膜，然后在后期加热处理中，通过原子的扩散，实现铝合金的冶金结合。
[0017]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本发明一种铝合金扩散连接方法的流程图；
[0020]图2为本发明实施例中试样封装示意图；
[0021]图3为封装试样的俯视图；
[0022]图4为本发明实施例中试样封装示意图；
[0023]图5为封装试样的俯视图；
[0024]图6为试样加热装置示意图；
[0025]图7为自阻加热装置示意图；
[0026]图8为试验结果图。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]本发明提供了一种铝合金扩散连接方法，如图1所示，该方法的步骤包括:
[0029]步骤S101，根据预设的表面平整度、清洁度和粗糙度要求对两块铝合金试样待连接的表面进行预处理；
[0030]步骤S102，将所述两块铝合金试样预处理过的两表面相对叠合在一起，并在所述两块铝合金试样之间夹入一支撑框并形成一空间；
[0031]步骤S103，对所述铝合金试样进行抽真空处理，将所述空间处理为真空状态并达到预设真空度要求；
[0032]步骤S104，以预设的升温速度将所述的抽真空处理后的试样加热至预设温度；
[0033]步骤S105，利用磁脉冲电源对磁体放电向所述加热后的铝合金试样施加脉冲电磁力，实现所述铝合金试样的机械连接；
[0034]步骤S106，对连接后的铝合金试样进行热处理，实现所述铝合金试样冶金结合。
[0035]本发明利用脉冲强磁场所产生的巨大脉冲电磁力，使铝合金发生剧烈碰撞，有效破坏铝合金表面的氧化膜，然后在后期的扩散连接中实现铝合金的冶金结合。
[0036]本发明利用脉冲强磁场所产生的巨大脉冲电磁力，使试样发生剧烈碰撞，有效破坏铝合金表面的氧化膜，然后在后期的扩散连接中实现铝合金的冶金结合。
[0037]本技术方案包括试样制备、加热升温、磁脉冲加载、后期热处理四个步骤。
[0038]1、试样制备:
[0039]上述的步骤SlOl?S103即为试样的制备步骤。
[0040]首先对铝合金试样待连接的表面通过钢刷打磨、机械打磨、喷砂或化学清洗等方法进行表面处理，保证试样表面一定的平整度、清洁度和表面粗糙度。
[0041]将两块经过表面处理的试样叠合在一起(表面处理过的一面相对)，中间夹入一块一定厚度的铝框，即上述的支撑框，在两铝合金试样之间形成一空间，保证两块待连接的试样之间的距离大于0mm，通常根据磁脉冲电源功率保持其距离小于5mm效果为佳，但并不以此为限，只要脉冲电源功率足够大的条件下，能够实现试样的连接即可，铝框可以是纯铝或招合金。
[0042]对铝合金试样进行抽真空处理，将两铝合金试样之间的空间处理为真空状态。如图2所示，将两块经过表面处理的试样201叠合在一起(表面处理过的一面相对)，中间夹入具有一定厚度的铝框202，用氩弧焊将试样四周封焊，将试样焊接抽真空管路和接头，连上真空泵抽真空，使得空间203为真空装置。如图3所示，为试样的俯视图。
[0043]或者如图4所示，将试样放入纯铝或铝合金包套301中，再用氩弧焊将包套四周封焊。然后将试样或者包套焊接抽真空管路和接头，连上真空泵抽真空。图5所示，为采用包套封装的试样的俯视图。
[0044]本发明中，抽真空处理中的真空度要求KT1?10_3数量级，然后在真空状态下密封抽真空管路。
[0045]2、加热升温
[0046]如图6所示，将抽真空并封口的试样606放在加热装置上进行加热，加热装置包括上平台601和下平台602，绝缘板603，磁体604，加热平台605，加热方式可以为自阻加热、电阻丝加热或感应加热等。升温速度1°C /min?200°C /min，温度为200°C?600°C。
[0047]3、磁脉冲加载
[0048]待试样温度升至所需温度时，通过磁脉冲电源对磁体进行放电。磁脉冲电源一股包括充电机、储能电容器、放电开关等几部分组成，磁体一股为经过固定的螺线管线圈或平板线圈。电源对磁体放电后将在磁体下方产生一个强大的脉冲磁场，该磁场会在放置在磁体下方的试样上感应出巨大的感应涡流，该感应涡流在磁场中将受到巨大的电磁力，该电磁力会使经过表面处理和真空封焊的两块试样发生剧烈碰撞，可有效破坏铝合金试样表面的氧化膜，并使两块待连接的试样紧密结合在一起。放电能量为0.5KJ?100KJ，放电次数为I次?20次，放电时间间隔为Os?30min。
[0049]4、热处理
[0050]经过磁脉冲加载后的试样只是初步机械结合，要达到冶金结合的效果还需要进行后期热处理。即将试样放在热处理炉中在一定温度下保温一定时间。后期热处理可在一定压力下进行，也可在无压力下进行。温度为50°C?600°C,时间为Imin?IOh,压力为O?IOMPa。
[0051 ] 本发明提供了 一种能有效解决铝合金扩散连接的新方法，推动了铝合金超塑成形/扩散连接技术的应用和发展。
[0052]下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明如下:
[0053]第一步:试样制备
[0054]试验材料为1420铝锂合金。首先采用40#砂带对试样表面进行打磨处理。保证试样表面一定的平整度、清洁度和表面粗糙度。
[0055]将两块经过表面处理的试样叠合在一起，中间夹入一块厚度为Imm的纯铝铝框，然后放入纯铝包套中。用氩弧焊将包套四周封焊，并焊接抽真空铝管和接头，然后连上真空泵抽真空，真空度要求10_3数量级，然后在真空状态下把管子封口。
[0056]第二步:加热升温
[0057]如图7所示，将制备好的试样5放在加热装置上进行加热，加热方式为自阻加热。图7中的加热装置除包括上平台1，下平台11，绝缘板2、10，支撑块3，磁体4以外，还包括水冷板6，转接块7，铜排8，隔热层9，水冷板内部通有冷却水，是为了防止电极温度过高，为其冷却降温的。转接块是为了安装连接电极和加热板，材料为紫铜。隔热层是为了阻止加热板的热量传入绝缘板。升温速度为80°C /min，升温到520°C后保温。
[0058]第三步:磁脉冲加载
[0059]温度升至520°C后，通过磁脉冲电源对磁体进行放电。磁脉冲电源包括充电机、储能电容器(容量32 μ F)、放电开关和控制系统等几部分，磁体为经过固定的螺线管线圈。放电电压12KV(即放电能量2304J)，放电次数5次，放电间隔2min。经有限元分析软件仿真计算，电压12KV时试样受力19MPa。
[0060]第四步:热处理
[0061]经过磁脉冲加载后的试样只是初步机械结合，要达到冶金结合的效果还需要进行后期热处理。热处理工艺参数为温度520°C，时间lh，压力5MPa，压力加载方式为机械压力。
[0062]不同试验参数下试验结果如图8所示。图8中各图的加热温度、放电能量及放电次数分另Ij 为:a、520 V -144J-10 次;b、520 V -576J-10 次;c、520 V -1296J-10 次；d、520°C -2304J-10 次;e、52(TC -1296J-1 次;f、52(TC -1296J-5 次;g、52(TC -1296J-15 次；h、480°C -1296J-5 次;1、50(TC -1296J-5 次；j、540°C -1296J-5 次。根据试验研究结果，试验温度、放电能量、放电次数是使铝合金表面氧化膜得到有效破坏的重要参数。要想有效破坏铝合金表面氧化膜，实现铝合金冶金结合，这三个参数必须满足一定的条件。对于1420铝锂合金材料，温度应大于520°C，放电能量应大于1296J，即电磁力应大于10.7MPa，放电次数应大于10次。后期热处理应满足温度大于500°C，时间大于lh，压力大于3MPa。
[0063]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一股技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1.一种铝合金扩散连接方法，其特征在于，所述的方法包括: 根据预设的表面平整度、清洁度和粗糙度要求对两块铝合金试样待连接的表面进行预处理； 将所述两块铝合金试样预处理过的两表面相对叠合在一起，并在所述两块铝合金试样之间夹入一支撑框并形成一空间； 对所述铝合金试样进行抽真空处理，将所述空间处理为真空状态并达到预设真空度要求； 以预设的升温速度将所述的抽真空处理后的铝合金试样加热至预设温度； 利用磁脉冲电源对磁体放电向所述加热后的铝合金试样施加脉冲电磁力，实现所述铝合金试样的机械连接； 对连接后的铝合金试样进行热处理，实现所述铝合金试样冶金结合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对两块铝合金试样待连接表面进行预处理包括:通过钢刷打磨、机械打磨、磨砂或化学清洗对待连接的表面进行预处理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对所述铝合金试样进行抽真空处理包括: 对所述的铝合金试样之间的支撑框四周进行封焊处理并焊接抽真空管路和接头； 通过所述真空管路和接头连接真空泵对所述铝合金试样进行抽真空处理。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对所述的空间进行抽真空处理包括: 将形成空间的铝合金试样放入铝合金或纯铝包套中，对所述铝合金包套四周进行封焊处理并焊接抽真空管路和接头； 通过所述真空管路和接头连接真空泵对所述铝合金试样进行抽真空处理。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的抽真空处理的真空度要求为IO—1~10_3数量级。
6.如权利要求1、3或4所述的方法，其特征在于，所述的支撑框的材质为纯铝或铝合金。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的两铝合金试样的表面在所述空间之间的距离大于0mm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的以预设的升温速度将所述的抽真空处理后的试样加热至预设温度中， 所述的预设的升温速度为1°C /min~200°C /min ； 所述的预设温度为200°C~600°C。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磁脉冲电源的放电能量为0.5KJ~100KJ，放电次数为I次~20次，放电时间间隔为Os~30min。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对连接后的铝合金试样进行热处理中，加热温度为50°C~600°C，时间为Imin~10h，压力为O~lOMPa。
【文档编号】B23K20/24GK104014923SQ201410259117
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】侯红亮, 王耀奇, 张艳苓, 牛涛 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所