[发明专利]一种短时间内获全固溶体接头的超声辅助铝合金焊接方法

摘要

本发明公开了一种短时间内获全固溶体接头的超声辅助铝合金焊接方法，包括以下步骤：本焊接方法包括待焊接母材及中间反应材料层，待焊接母材选用铝合金，中间反应材料层选用85Zn‑15Al合金；将待焊接母材的焊接界面进行机械打磨和超声清洗；然后预涂合金中间反应材料层，再将预涂钎料后的待焊接母材与未预涂钎料的待焊接母材进行组装，形成待焊组件，将超声工具头向待焊组件施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa，然后温度升温至450‑480℃，焊接超声波振动60秒，空冷至室温。本发明的焊接方法在秒级的短时间内完成焊接，得到无脆性组织的高力学强度的全固溶体接头。

主权项

1.一种短时间内获全固溶体接头的超声辅助铝合金焊接方法，包括待焊接母材和中间反应材料层，其特征在于，包括以下步骤：中间反应材料层筛选步骤，条件一，中间反应材料层的熔化温度低于待焊接母材的熔点195‑205℃，或中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的共晶温度低于待焊接母材熔点150‑300℃，条件二，中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的固溶度最大值至少达到10％，条件三，中间反应材料层主要元素与待焊接母材中的原子半径差最大不超过50pm，条件四，中间反应材料层主要元素与待焊接母材之间的电极电位差至多在‑0.8V以内，中间反应材料层至少满足以上四个条件中的三个条件，根据以上条件，待焊接母材为铝合金，中间反应材料层选用85Zn‑15Al合金；表面处理步骤，将待焊接母材的焊接界面和中间反应材料层进行机械打磨和超声清洗；中间反应材料层预涂步骤，待焊接母材包括第一待焊接母材和第二待焊接母材，将85Zn‑15Al合金与第一待焊接母材通过预涂超声设备的加热及超声作用，破除第一待焊接母材表面的氧化膜，形成初步焊接组织，完成中间反应材料层预涂；中间反应材料层预涂步骤具有以下子步骤，材料准备子步骤，将一个经过表面处理步骤中打磨后的第一待焊接母材放置在预涂超声设备的卡具上，称取做成100‑120μm厚度相对应重量的85Zn‑15Al合金，将85Zn‑15Al合金放置于第一待焊接母材的焊接界面，第一待焊接母材破除氧化膜子步骤，通过预涂超声设备的超声工具头将超声波传导至第一待焊接母材及中间反应材料层，对第一待焊接母材及中间反应材料层进行加载超声及加热，将超声波的功率控制在200‑500W，超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过预涂超声设备将第一待焊接母材及中间反应材料层进行加热，预涂超声设备的加热功率控制在4‑6kW，预涂超声设备的加热频率控制在200‑250kHz，预涂超声设备将85Zn‑15Al合金的温度升高至460‑480℃，85Zn‑15Al合金的物理形态为液态，待焊接母材的物理状态为固态，预涂超声设备的超声变幅杆的超声作用于卡具，以完全破除第一待焊接母材表面的氧化膜，使第一待焊接母材与85Zn‑15Al合金发生冶金反应，85Zn‑15Al合金形成85Zn‑15Al合金钎料层，85Zn‑15Al合金钎料层与第一待焊接母材焊接形成钎料待焊接母材，空冷凝固打磨子步骤，将钎料待焊接母材在大气中冷却凝固，钎料待焊接母材冷却凝固完成后，形成初步焊接组织，85Zn‑15Al合金钎料层的物理形态为固态，将钎料待焊接母材的表面打磨至平整，使85Zn‑15Al合金钎料层的厚度控制在95‑105μm；待焊组件组装步骤，将第二待焊接母材的焊接界面与钎料待焊接母材中的85Zn‑15Al合金钎料层贴合，使85Zn‑15Al合金钎料层位于第一待焊接母材与第二待焊接母材之间，形成第一待焊接母材/85Zn‑15Al合金钎料层/第二待焊接母材的待焊组件，待焊组件组装完成；上机超声焊接步骤，将待焊组件放置在超声焊接设备的加工平台，并使超声工具头压紧在待焊组件的上部；将超声工具头向待焊组件纵向方向施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa；第二待焊接母材破除氧化膜步骤，通过超声工具头将焊接超声波传导至待焊组件，对待焊组件进行加载超声及加热，焊接超声波的功率控制在200‑500W，焊接超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备升温待焊组件，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，85Zn‑15Al合金钎料层的反应温度控制在385‑400℃，85Zn‑15Al合金钎料层从固态变为85Zn‑15Al合金液相层，超声工具头对待焊组件施加焊接超声波，在焊接超声波的作用下破除第二待焊接母材的氧化膜，第二待焊接母材与85Zn‑15Al合金液相层的焊接界面实现冶金接合；α‑Al晶粒析出步骤，超声工具头对待焊组件继续施加焊接超声波，焊接超声波的功率控制在200‑500W，焊接超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备升温待焊组件，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，待焊接母材3的物理状态为固态，85Zn‑15Al合金液相层的反应温度控制在430‑480℃，85Zn‑15Al合金液相层的物理状态为液态，待焊接母材与85Zn‑15Al合金液相层之间的元素发生相互扩散，待焊接件母材与85Zn‑15Al合金液相层发生冶金反应，在冶金反应中分别产生α‑Al晶粒、Zn‑Al共晶组织和η‑Zn晶粒，待焊接母材的中的Al原子向85Zn‑15Al合金液相层扩散凝固析出α‑Al晶粒，形成凝固块，α‑Al晶粒的物理状态为固态，85Zn‑15Al合金液相层中的Zn原子向待焊接母材方向扩散形核析出α‑Al晶粒，形成Zn扩散区，α‑Al晶粒的物理状态为固态，α‑Al晶粒的内部包裹有η‑Zn晶粒，η‑Zn晶粒的物理状态为固态，Zn‑Al共晶组织以网状结构分布，Zn‑Al共晶组织的物理状态为液态，α‑Al晶粒包围Zn‑Al共晶组织；α‑Al晶粒生长步骤，超声工具头对待焊组件继续施加焊接超声波，焊接超声波的功率控制在200‑500W，焊接超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备保温待焊组件，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，待焊接母材3的物理状态为固态，85Zn‑15Al合金液相层的反应温度控制在430‑480℃，85Zn‑15Al合金液相层的物理状态为液态，85Zn‑15Al合金液相层逐渐消失，85Zn‑15Al合金液相层中的Zn原子向α‑Al晶粒扩散，Zn扩散区的宽度增加，α‑Al晶粒和η‑Zn晶粒的面积扩大，85Zn‑15Al合金液相层中的形核析出α‑Al晶粒和凝固块的α‑Al晶粒相互接触，α‑Al晶粒的物理状态为固态，Zn‑Al共晶组织面积减少，Zn‑Al共晶组织的物理状态为液态，全α‑Al固溶体接头形成步骤，超声工具头对待焊组件继续施加焊接超声波，焊接超声波的功率控制在200‑500W，焊接超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备对待焊组件进行保温，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，85Zn‑15Al合金液相层的反应温度保持在430‑480℃，Zn‑Al共晶组织和η‑Zn晶粒消失，α‑Al晶粒全部转化为α‑Al固溶体，α‑Al固溶体的物理状态为固态，从而形成全α‑Al固溶体接头，全α‑Al固溶体接头中Zn元素分布不均匀，待焊组件等温凝固完成；全α‑Al固溶体接头成分均匀步骤，超声工具头对待焊组件继续施加焊接超声波，焊接超声波的功率控制在200‑500W，焊接超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备保温待焊组件，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，85Zn‑15Al合金液相层的反应温度保持在430‑480℃，在形成全α‑Al固溶体接头后，焊接超声波继续作用于待焊接母材30‑40秒；其中，α‑Al晶粒析出步骤、α‑Al晶粒生长步骤、全α‑Al固溶体接头形成步骤和全α‑Al固溶体接头成分均匀步骤中，施加焊接超声波的总时间为55‑65秒；完成焊接组件步骤，对中间反应材料层取消保温和对待焊接组件取消焊接超声波，在大气环境中冷却至室温，得到焊接成品。