剛性拘束熱自壓連接方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種剛性拘束熱自壓連接方法，剛性拘束待連接對接材料，非熔化掃描加熱待連接材料的界面區(qū)域，使加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，在溫差和剛性拘束共同作用下產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，對界面處高溫?zé)崴苄誀顟B(tài)金屬產(chǎn)生自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。本發(fā)明剛性拘束熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用外加剛性拘束和對接面非熔化局部加熱實現(xiàn)了剛性拘束熱自壓連接，避免了擴散焊等固相連接過程中對外加壓力的依賴；且使用局部加熱避免了爐內(nèi)整體加熱，工藝過程簡單，也解決了現(xiàn)有擴散連接中對工件尺寸的限制。
【專利說明】剛性拘束熱自壓連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于焊接領(lǐng)域中對接材料固相連接方法，尤其涉及一種剛性拘束熱自壓連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]進入二十一世紀以來，以航空領(lǐng)域為代表的現(xiàn)代工程應(yīng)用中對焊接結(jié)構(gòu)的高性能要求越來越高。熔化焊接方法因不可避免的粗大柱狀晶組織和氣孔、裂紋等缺陷，接頭綜合力學(xué)性能與母材差距明顯，焊后一般不能直接應(yīng)用，通常需要焊后熱處理，以提高接頭的綜合性能，增加了生產(chǎn)周期和成本。因此，以擴散焊為代表的固相連接方法因具有良好的綜合力學(xué)性能，越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]擴散連接是一種在高溫和外加壓力的作用下持續(xù)相應(yīng)時間，緊密接觸的待連接表面相互貼合，局部產(chǎn)生塑性變形，原子間相互擴散，在界面生成新的擴散層，形成可靠連接接頭的固態(tài)連接方法。擴散連接溫度相對較低，因此，擴散焊接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同，在焊縫中不存在各種熔化焊的缺陷；同時，擴散連接還適用于熱物理性能差異較大的異種材料的連接。
[0004]雖然擴散焊與熔化焊相比雖具有明顯的優(yōu)勢，但是擴散焊自身也存在著一定的不足:(1)連接過程中需要施加外力，增加了工藝的復(fù)雜性；(2)需要在密閉的環(huán)境中對工件進行整體加熱，設(shè)備投入大，生產(chǎn)周期較長，同時也限制了焊接工件的尺寸。
[0005]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗與實踐，提出一種剛性拘束熱自壓連接方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種剛性拘束熱自壓連接方法，在不施加外力和僅進行局部非熔化加熱的情況下實現(xiàn)材料的固態(tài)連接，以解決當前擴散連接中需要施加外力的問題和對工件尺寸的限制。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種剛性拘束熱自壓連接方法，剛性拘束待連接對接材料，非熔化掃描加熱待連接材料的界面區(qū)域，使加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，在溫差和剛性拘束共同作用下產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，對界面處高溫?zé)崴苄誀顟B(tài)金屬產(chǎn)生自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。
[0008]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，該方法至少包括以下步驟:
[0009]( I)剛性拘束待連接材料；
[0010]將待連接材料對接面緊密對接，利用夾具剛性拘束待連接材料；
[0011](2)進行非熔化加熱；
[0012]使用集中熱源掃描加熱對接面，進行非熔化加熱，在熱源作用下加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，溫差和剛性拘束共同作用，從而在加熱區(qū)產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場對對接面處高溫區(qū)熱塑性狀態(tài)金屬進行自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。[0013]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，在步驟(I)之前，精加工待連接材料對接面，并將待連接材料緊密對接裝配于焊接夾具上。
[0014]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述夾具設(shè)有成對約束擋板，由約束擋板對待連接對接材料進行剛性拘束。
[0015]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，在夾具約束擋板外側(cè)設(shè)置固定支撐板，由螺釘螺旋穿過固定支撐板并抵頂在約束擋板上，由此對待連接對接材料進行剛性拘束。
[0016]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述集中熱源為電子束或激光。
[0017]由上所述，本發(fā)明剛性拘束熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用外加剛性拘束和對接面非熔化局部加熱實現(xiàn)了剛性拘束熱自壓連接；且使用局部加熱避免了爐內(nèi)整體加熱，工藝過程簡單，也解決了現(xiàn)有擴散連接中對工件尺寸的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中:
[0019]圖1A:為本發(fā)明中焊接夾具及剛性拘束的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖1B:為本發(fā)明圖1A中A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2:為本發(fā)明中剛性拘束熱自壓連接非熔化加熱及連接原理示意圖；
【具體實施方式】
[0022]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0023]本發(fā)明提出一種剛性拘束熱自壓連接方法，剛性拘束待連接對接材料，非熔化掃描加熱待連接材料的界面區(qū)域，使加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，在溫差和剛性拘束共同作用下產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，對界面處高溫?zé)崴苄誀顟B(tài)金屬產(chǎn)生自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。該連接方法適用于鈦合金、鋁合金、鋼等材料的連接；所述待連接材料為中厚板材。
[0024]由上所述，本發(fā)明剛性拘束熱自壓連接方法，在無外力作用的條件下，利用外加剛性拘束和對接面非熔化局部加熱實現(xiàn)了剛性拘束熱自壓連接，避免了擴散焊等固相連接過程中對外加壓力的依賴；且使用局部加熱避免了爐內(nèi)整體加熱，工藝過程簡單，也解決了現(xiàn)有擴散連接中對工件尺寸的限制。
[0025]上述連接方法包括以下步驟:
[0026]( I)試樣加工和剛性拘束待連接材料；
[0027]精加工待連接材料對接面，之后將待連接板材對接面緊密對接并裝配于焊接夾具上，如圖1A、圖1B所示，所述夾具包括有夾具底座6，夾具底座6上設(shè)有下墊塊5 ;將待連接材料4 (此實施方式中為板材)在下墊塊5上進行緊密對接，之后在其兩側(cè)由約束擋板3將對接后的待連接材料進行剛性拘束；
[0028](2)進行非熔化加熱；
[0029]使用集中熱源掃描加熱對接面，進行非熔化加熱，在熱源作用下加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，溫差和剛性拘束共同作用，從而在加熱區(qū)產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場對對接面處高溫區(qū)熱塑性狀態(tài)金屬進行自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。所述集中熱源為電弧、電子束。
[0030]上述非熔化掃描加熱作用有兩個方面；一方面，非熔化加熱對接面時，對接面處于高溫區(qū)7，與周圍冷金屬形成溫差，非熔化局部加熱溫差與外加剛性拘束共同作用產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，界面高溫金屬的膨脹受到擠壓力F作用(如圖2所示)。另一方面，非熔化加熱對接面時，對接面金屬溫度滿足擴散連接溫度條件，在熱擠壓力F作用下，界面兩側(cè)金屬擴散，實現(xiàn)連接。
[0031]在本實施方式中，如圖1A、圖1B所示，可以在夾具底座6上且位于約束擋板3外側(cè)固定設(shè)置支撐板2，由螺釘I螺旋穿過固定支撐板2并抵頂在約束擋板3上，由此對待連接材料進行剛性拘束。
[0032]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益的效果:
[0033](I)提出了一種新的材料固相連接方法，在無外力作用的條件下，利用外加剛性拘束和對接面非熔化局部加熱實現(xiàn)了剛性拘束熱自壓連接；
[0034](2)與熔化焊相比，能夠避免熔化焊接的鑄態(tài)組織、氣孔和裂紋等缺陷，獲得具備母材顯微組織結(jié)構(gòu)特征和綜合力學(xué)性能優(yōu)異的連接接頭；
[0035](3)與擴散焊等固相焊相比，連接過程中未施加外力，且使用局部加熱避免了爐內(nèi)整體加熱，工藝過程簡單。
[0036]下面以具體實 施例來進一步說明本發(fā)明。
[0037]實施例1:
[0038]5mm厚平板剛性拘束熱自壓連接。
[0039]材料:5mm厚TC4鈦合金板,對接面尺寸50mmX 5mm,平板長度59mm。米用真空電子束熱源進行加熱，過程如下:
[0040](I)精加工試樣對接面，并清洗干凈；
[0041](2)如圖1A、圖1B所示，剛性固定對接平板；
[0042](3)利用電子束熱源掃描加熱對接面。
[0043]剛性拘束熱自壓連接后，原對接界面消失，經(jīng)檢測，本實施TC4平板剛性約束熱自壓連接接頭的焊合率大于95%。熱自壓連接接頭力學(xué)性能如下表所示。
[0044]

I抗拉強度(Mpa) I屈服強度(MPa) |延伸率(%)
熱自壓連接接頭 1032.3963.0TT8
[0045]實施例2:
[0046]40mm厚平板剛性拘束熱自壓連接。
[0047]材料:40mm厚TC4-DT鈦合金板，對接面尺寸50mmX 40mm,平板長度100mm。采用真空電子束熱源進行加熱，過程如下:
[0048](I)精加工試樣對接面，并清洗干凈；
[0049](2)如圖1A、圖1B所示，剛性固定對接平板；
[0050](3)利用電子束熱源掃描加熱對接面。
[0051]剛性拘束熱自壓連接后，原對接界面消失，經(jīng)檢測，本實施TC4-DT平板剛性約束熱自壓連接接頭的焊合率大于95%。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種剛性拘束熱自壓連接方法，剛性拘束待連接對接材料，非熔化掃描加熱待連接材料的界面區(qū)域，使加熱區(qū)高溫金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，在溫差和剛性拘束共同作用下產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，對界面處高溫?zé)崴苄誀顟B(tài)金屬產(chǎn)生自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。
2.如權(quán)利要求1所述的剛性拘束熱自壓連接方法，其特征在于:該方法至少包括以下步驟: (1)剛性拘束待連接材料； 將待連接材料對接面緊密對接，利用夾具剛性拘束待連接材料； (2)進行非熔化加熱； 使用集中熱源掃描加熱對接面，進行非熔化加熱，在熱源作用下加熱區(qū)金屬與周圍冷金屬之間產(chǎn)生溫差，溫差和剛性拘束共同作用，從而在加熱區(qū)產(chǎn)生熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場對對接面處高溫區(qū)熱塑性狀態(tài)金屬進行自擠壓，實現(xiàn)擴散和連接。
3.如權(quán)利要求2所述的剛性拘束熱自壓連接方法，其特征在于:在步驟(I)之前，精加工待連接材料對接面，并將待連接材料緊密對接裝配于焊接夾具上。
4.如權(quán)利要求3所述的剛性拘束熱自壓連接方法，其特征在于:所述夾具設(shè)有成對約束擋板，由約束擋板對待連接對接材料進行剛性拘束。
5.如權(quán)利要求4所述的剛性拘束熱自壓連接方法，其特征在于:在夾具約束擋板外側(cè)設(shè)置固定支撐板，由螺釘螺旋穿過固定支撐板并抵頂在約束擋板上，由此對待連接對接材料進行剛性拘束。
6.如權(quán)利要求2所述的剛性拘束熱自壓連接方法，其特征在于:所述集中熱源為電子束或激光。
【文檔編號】B23K20/00GK103624393SQ201310594763
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】鄧云華, 關(guān)橋, 吳冰, 王西昌, 陶軍, 鞏水利, 毛智勇 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所