超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法。主要內容如下：將至少一層金屬箔通過超聲滾壓焊接堆疊到待連接材料表面形成堆疊層。堆疊層制備完畢以后，采用超聲滾壓焊接系統(tǒng)自帶銑刀，裁去其周圍箔片未連接部分，再對堆疊層進行銑加工，形成合適形狀尺寸的過渡帶。而后通過熔焊、釬焊或擴散焊方法將過渡帶與另一種待連接金屬直接焊接在一起，從而獲得一種宏觀結構為待連接材料-過渡帶-焊縫-另一種待連接材料的異種材料接頭。本發(fā)明技術方案利用超聲固相連接的優(yōu)勢通過在待連接材料表面堆疊金屬箔的方式最終建立過渡帶，間接地將異種難焊材料的焊接轉化為具有冶金可容性的兩類材料的焊接，制備出性能可靠的異種材料接頭。
【專利說明】超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于異種材料焊連接領域，主要涉及利用超聲滾壓焊接預制過渡帶制備異種材料接頭的工藝方法，尤其利用超聲滾壓焊接獲得的接頭強度好且材料種類依賴性較低的優(yōu)勢，在異種材料直接焊接前通過超聲固相結合方式在待連接材料表面預制過渡帶，將異種材料間的直接焊接轉化為冶金可容材料之間焊接的一種新型工藝方法。
【背景技術】
[0002]異種材料接頭由于能夠兼具兩種金屬的性能優(yōu)點，因此在工業(yè)領域的應用越來越廣，例如，鋁/鋼異種材料接頭、鋁/銅異種材料接頭等。目前異種材料的焊接采用的較多的是熔焊和固相焊方法，如電子束焊、MIG焊、TIG焊等在異種材料接頭的制作中都有所嘗試。但是在進行異種材料焊接時，由于有些材料組對的原子在液相或者固相接觸時，容易在焊縫中產生大量的脆性化合物，使得接頭的性能極大的惡化。
[0003]以熔焊為例，盡管熔焊焊接異種金屬是目前相對經濟與實用的方法，而且靈活性強，熔焊方法多樣，可以適用不同焊接情況。但是單純利用熔焊技術焊接異種材料接頭時，往往會在焊縫處產生硬而脆的金屬間化合物，例如采用MIG焊直接連接鋁和鋼時，接頭焊接區(qū)域會生成大量的脆性鐵鋁金屬間化合物，即使通過優(yōu)化焊接工藝保證了接頭的靜載力學性能，接頭在實際應用中的動載力學性能也會由于這些脆性化合物相的存在大大地降低。
[0004]在對異種材料焊接的研究和實踐中，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現，可以通過超聲滾壓焊接的方式在其中一種待連接材料的表面通過金屬箔層狀堆疊的方式預制過渡帶，然后再將過渡帶與另一種待連接材料直接通過熔焊或釬焊或擴散焊的方式焊接在一起，以過渡帶作為中間連接媒介，形成多區(qū)域過渡接頭，避免脆性金屬間化合物相的出現。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了解決目前異種材料接頭直接焊接制備時，由于兩種材料的直接冶金反應會在接頭區(qū)域形成大量的脆性金屬間化合物，使接頭性能降低的問題，針對現有技術的不足，提出了一種成本低、接頭性能好、對材料種類適用性廣的超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法。
[0006]本發(fā)明可以通過如下技術方案達到。
[0007]—種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于步驟如下: 步驟一、材料表面清理，采用砂紙或砂輪打磨的方式對需要在其上制備過渡帶的待連
接材料連接表面進行清理處理；
步驟二、金屬箔的裝卡，在上述打磨后的待連接材料表面放置至少一層金屬箔，并利用卡具將金屬箔與待連接材料的連接表面夾緊，使金屬箔與待連接材料連接表面緊密接觸；步驟三、制備堆疊層，利用超聲滾壓焊接系統(tǒng)對金屬箔施加壓力與振動，將金屬箔滾壓焊接在待連接材料的連接表面或與待連接材料連接表面已經連接的前一層金屬箔上，形成金屬箔堆疊層；
步驟四、制備過渡帶，采用超聲滾壓焊接系統(tǒng)自帶可三維移動的銑刀，將堆疊層的未連接區(qū)域裁除，并根據另一種待連接材料的待連接表面的尺寸銑除堆疊層多余部分，獲得形狀尺寸符合要求的過渡帶；
步驟五、最終焊接，將過渡帶與另一種待連接材料通過直接焊接方法焊接在一起。
[0008]本發(fā)明所述的金屬箔堆疊層可以由一層金屬箔制備而成，也可以由兩層以上金屬箔通過多次超聲滾壓焊接疊加而成，以滿足不同異種材料結構制作的技術要求。
[0009]本發(fā)明所述的金屬箔可以是在化學成分上與未在其上預制過渡帶的另一種待連接材料接近甚至相同的材料，亦可是與另一種待連接材料具有較好的冶金可容性即在后續(xù)焊接中不與其反應生成脆性金屬間化合物的材料。
[0010]本發(fā)明所述的堆疊層可以是單一金屬材料的金屬箔堆疊而成，也可以由兩種以上并具有較好固相連接性的金屬材料的金屬箔堆疊得到。
[0011]本發(fā)明所述的金屬箔的厚度一般不大于1mm，并具有至少3mm的可超聲滾壓焊接寬度，使?jié)L壓堆疊得到的堆疊層尺寸足夠大，從而可以滿足后續(xù)焊接要求。
[0012]本發(fā)明所述的直接焊接方法包括熔焊或釬焊或擴散焊。
[0013]本發(fā)明所述的超聲滾壓焊接系統(tǒng)的壓力、功率和頻率均可調，壓力最大可達1000N，功率在5000W以下，振動頻率為10kHz-75kHz。
[0014]本發(fā)明所述的超聲滾壓焊接系統(tǒng)，滾輪的壓力通過液壓控制的方式進行調節(jié)，并且壓力能夠實時顯示，從而易于實現金屬箔的堆疊過程。同時在滾輪的后方，帶有銑加工裝置，可實現對堆疊層的后續(xù)機械加工。
[0015]本發(fā)明所述的超聲滾壓焊接系統(tǒng)的壓頭為可更換的滾輪，滾輪的表面可以是光滑表面，也可以是不同的交叉網紋表面，應該根據堆疊材料的不同選擇滾輪的材料和表面花紋。
[0016]本發(fā)明由于在兩種待連接材料之間通過超聲滾壓焊接的方式預制了過渡帶，因此可以避免異種材料特別是冶金相容性差的異種材料直接進行焊接時所形成的大量的脆性化合物，異種材料接頭宏觀結構上呈現由待連接材料-金屬過渡帶-焊縫-另一種待連接材料組成的特點，減少甚至避免了異種材料接頭中脆性金屬間化合物的產生，確保異種材料接頭具有優(yōu)異的力學性能和使用性能，即使材料間物理性能相差懸殊，也能很好地焊接。
[0017]本發(fā)明中應用的超聲滾壓焊接，通常采用15kHz到75kHz的頻率。超聲滾壓焊接雖然只能應用于較薄的金屬材料，但其焊接速度快，可以實現連續(xù)焊，在本發(fā)明中利用超聲滾壓焊接的方式在材料表面制備由金屬箔堆疊而成的過渡帶尤為方便。同時，超聲滾壓焊接強度較高，穩(wěn)定性好，并且工件變形小，焊接過程中不需要對工件通電，當施加足夠的能量時，產生局部過熱，金屬發(fā)生摩擦粘接，堆疊的金屬箔與待連接材料之間不發(fā)生熔化反應，僅依靠原子擴散形成固相或者半固相連接，因此采用該方法在待連接材料的表面預制過渡帶可以避免脆硬的金屬間化合物的產生。而且，超聲滾壓焊接設備相對簡單，超聲波發(fā)生裝置易于控制，可以較好的控制并實現與計算機的配合，有利于自動化生產。
[0018]同時，本發(fā)明提供的超聲預制過渡帶方法簡單、預制參數可控還具有柔性多維加工的特點，可以根據所需的異種材料接頭形式進行任意的超聲滾壓預制。滾壓預制以后，通過對堆疊層的簡單機械加工便形成可進行后續(xù)焊接的過渡帶，隨后便可以采用多種焊接方法進行過渡帶與另一種待連接材料的有效焊接。因此，從異種材料接頭的制作成本上來講，本發(fā)明可以避免對異種材料直接焊連接時的工藝探索與相關工藝輔助手段，只需要合理選擇過渡帶的組成材料以及超聲滾壓參數，配以合適的卡具，便可以非常容易的實現過渡帶的預制過程，結合上述幾點可見，本發(fā)明提供的超聲預制過渡帶隨后焊接的異種材料接頭制備方法具有典型的成本低廉的特點，最終實現兩種材料尤其是難焊材料之間的優(yōu)質可靠焊連接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本方法采用的超聲滾壓焊接系統(tǒng)示意圖。
[0020]圖2為采用本方法制作的異種材料接頭示意圖。
[0021]圖3為本方法采用熔焊方式隨焊過程示意圖。
[0022]圖4為本方法采用擴散焊方式隨焊過程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明如圖1、圖2所示，超聲滾壓預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，包括以下步驟:首先用砂紙或砂輪打磨的方法清理待連接材料(I)的待連接表面，在待連接材料(I)的表面用超聲滾壓焊接系統(tǒng)的滾輪壓頭(7)將一層或者多層金屬箔(2)焊接在(I)的表面得到堆疊層(3);然后用系統(tǒng)自帶銑刀(8)通過機械加工的方式將堆疊層(3)的形狀尺寸進行加工，得到一定形狀尺寸的過渡帶(4)，以備后續(xù)焊接；最后采用熔焊或釬焊或擴散焊的焊接方法將過渡帶(4)與另一種待連接材料(6)進行直接焊接，形成焊縫
(5),最終得到材料(I)和材料(6)之間的異種材料接頭。
[0024]實施例1
采用本發(fā)明如圖3所示，使用0.2mm厚的鋁箔在Imm厚的銅板(9)上通過超聲滾壓的方式，將7層鋁箔依次堆疊焊接在銅板(9)的表面，形成寬度大約5mm寬的堆疊層，然后用系統(tǒng)自帶纟先刀將堆疊層三面進行機械加工，形成高度為1mm，寬度為4mm的由招箔組成的凸臺形狀過渡帶(10)，然后按照圖示將Imm厚的鋁板(12)與過渡帶(10)進行平對接裝配，最后采用熔化極氣體保護焊焊槍(13)進行填鋁絲焊接，形成焊縫(11)，實現銅板(9)與鋁板
(12)異種材料的連接。焊后進行拉伸試驗，接頭均斷裂在熔化焊接接縫處，強度遠遠大于采用熔化焊槍進行銅和鋁直接進行熔化焊獲得的接頭強度。
[0025]實施例2
采用本發(fā)明如圖4所示，使用0.2_厚的鋁箔在4_厚的鋼板(14)上通過超聲滾壓焊接的方式，將7層鋁箔依次堆疊焊接在鋼板(14)的表面，形成寬度大約5mm寬的堆疊層，然后用統(tǒng)刀將堆疊層三面進行機械加工，形成高度為Imm,寬度為4mm的由招箔堆疊互聯(lián)組成的凸臺形狀過渡帶(15)，然后按照圖示將4mm厚的鋁板(16)與過渡帶(15)進行垂直對接裝配，然后將其放入真空爐中，采用擴散焊的方式實現過渡帶(15)與鋁板(16)的焊接。焊后進行剪切試驗，由于采用擴散焊避免了鋁板(16)與鋼板(14)接觸所造成的過渡反應，從而減少了金屬間化合物的數量，接頭的強度大大提高。
【權利要求】
1.一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于步驟如下: 步驟一、材料表面清理，采用砂紙或砂輪打磨的方式對需要在其上制備過渡帶的待連接材料連接表面進行清理處理； 步驟二、金屬箔的裝卡，在上述打磨后的待連接材料表面放置一層或兩層以上金屬箔，并利用卡具將金屬箔與待連接材料的連接表面夾緊，使金屬箔與待連接材料連接表面緊密接觸； 步驟三、制備堆疊層，利用超聲滾壓焊接系統(tǒng)對金屬箔施加壓力與振動，將金屬箔滾壓焊接在待連接材料的連接表面或與待連接材料連接表面已經連接的前一層金屬箔上，形成金屬箔堆疊層； 步驟四、制備過渡帶，采用超聲滾壓焊接系統(tǒng)自帶可三維移動的銑刀，將堆疊層的未連接區(qū)域裁除，并根據另一種待連接材料的待連接表面的尺寸銑除堆疊層多余部分，獲得形狀尺寸符合要求的過渡帶； 步驟五、最終焊接，將過渡帶與另一種待連接材料通過直接焊接方法焊接在一起。
2.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于金屬箔在化學成分上與未在其上預制過渡帶的另一種待連接材料接近甚至相同的材料或與另一種待連接材料具有較好的冶金可容性，即在后續(xù)焊接中不與其反應生成脆性金屬間化合物的材料。
3.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于本發(fā)明所述的堆疊層是單一金屬材料的金屬箔堆疊而成或由兩種以上并具有較好固相連接性的金屬材料的金屬箔堆疊得到。
4.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于金屬箔的厚度不大于1mm，可超聲滾壓焊接寬度不小于3mm。
5.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于直接焊接方法包括熔焊或釬焊或擴散焊。
6.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于超聲滾壓焊接系統(tǒng)的壓力、功率和頻率均可調，壓力最大1000N，功率在5000W以下，振動頻率為10kHz-75kHz。
7.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于超聲滾壓焊接系統(tǒng)中的滾輪的壓力通過液壓控制的方式進行調節(jié)，壓力能夠實時顯不O
8.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于超聲滾壓焊接系統(tǒng)中帶有可實現對堆疊層進行后續(xù)機械加工的銑加工裝置。
9.根據權利要求1所述的一種超聲預制過渡帶隨后焊接制備異種材料接頭的方法，其特征在于超聲滾壓焊接系統(tǒng)中的壓頭為可更換的滾輪，滾輪的表面為光滑表面或為交叉網紋表面。
【文檔編號】B23K20/10GK103551721SQ201310527820
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月31日 優(yōu)先權日:2013年10月31日
【發(fā)明者】張洪濤, 馮吉才, 常青, 紀昂, 劉積厚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學（威海）