一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法技术

本发明专利技术公开了一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法，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或铝基复合材料，中间反应材料层选用纯锌箔；将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；然后按照上层和下层均为待焊接母材，中间反应材料层放置于两个待焊接母材之间；将超声工具头向待焊组件施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa，然后中间反应材料层的温度升温至450‑480℃，焊接超声波振动80‑90秒，进行等温凝固；完成等温凝固后，冷却至室温。整个焊接过程能够在大气条件下完成，缩短等温凝固的时间，获得全固溶体接头，接头剪切力度强。

A Low Temperature Ultrasound-Assisted Aluminum Alloy Welding Method for Achieving Full Solid Solution Joints

The invention discloses a low temperature ultrasonic-assisted aluminum alloy welding method for obtaining full solid solution joint, which includes the following steps: the welding method comprises the base metal to be welded and the intermediate reaction material layer, the base metal to be welded adopts aluminum alloy or aluminum matrix composite material, and the intermediate reaction material layer adopts pure zinc foil; the welding surface of the base metal to be welded is mechanically polished and ultrasonic cleaned; The upper and lower layers are the base metal to be welded, and the intermediate reaction material layer is placed between the two base metal to be welded; the ultrasonic tool head is applied to the component to be welded, and the pressure value is 0.1 0.2 MPa. Then the temperature of the intermediate reaction material layer rises to 450 480 C, and the welding ultrasonic vibration is 80 90 seconds, and isothermal solidification is carried out; after isothermal solidification, it is cooled to room temperature. The whole welding process can be completed under atmospheric conditions, shorten the time of isothermal solidification, obtain all-solid solution joint, and the joint has strong shear force.

【技术实现步骤摘要】
一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法
本专利技术涉及铝合金及铝基复合材料的超声焊接
，尤其是涉及一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法。
技术介绍
铝合金为典型的轻质材料，具有密度低、比强度和比刚度高等特性，其加工和应用可以在保证机械性能的基础上，降低机械结构的质量，从而实现结构件的轻量化。因而广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、电子等领域，实现零部件减重的目的。轻质材料结构件的高性能制造离不开成熟的焊接技术作支撑。而目前的轻质合金焊接技术如各种熔化焊、钎焊和真空过渡液相扩散焊接(transientliquidphasebonding，TLP焊接)等，存在焊接温度偏高、母材易软化、氧化膜难以去除、接头力学性能普遍较低等各自的不足。因此，进一步探索新型的绿色、高效、高性能焊接新方法、新工艺迫在眉睫。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法，在低于母材熔点的温度下进行焊接，而且在较短时间内获得高性能无脆化倾向的全固溶体接头组织。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法，包括待焊接母材和中间反应材料层，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，选用中间反应材料层为纯Zn箔；表面处理步骤，待焊接母材仅限于铝合金或铝基复合材料，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，选用膜状或片状的纯Zn箔作为中间反应材料层，将中间反应材料层夹持在两个待焊接母材之间的待焊接面，中间反应材料层与待焊接母材的待焊接面接触形成接触面，待焊组件组装完成；上机固定步骤，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；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，对待焊接组件进行加载超声及感应加热，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，同时通过感应加热设备升温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度控制在385-400℃，超声工具头对待焊组件施加焊接超声波，待焊接母材氧化膜的破除包括固固界面和固液界面，初始状态为固固界面，在固固界面的局部氧化膜破除后形成氧化膜缺口，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层为固态，在氧化膜缺口处待焊接母材与中间反应材料层接触并元素之间相互扩散，当元素扩散至达到共晶成分后，待焊接组件从固固界面转化为固液界面，在氧化膜缺口处待焊接母材与中间反应材料层的接触面分别产生Zn-Al共晶液，Zn-Al共晶液的物理状态为液态，在待焊接母材与纯Zn箔的待焊接面形成有α-Al固溶体，α-Al固溶体的物理状态为固态，从而使待焊接母材与中间反应材料层的待焊接面实现冶金接合，待焊接母材的物理状态为固态，纯Zn箔的物理状态为固态；α-Al固溶体析出步骤，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，同时通过感应加热设备升温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度为450-480℃，纯Zn箔的物理状态为液态，纯Zn箔形成Zn液相层，Zn液相层的物理状态为液态，待焊接母材与Zn液相层之间的元素发生相互扩散，待焊接件母材与Zn液相层发生冶金反应，待焊接母材表面的Al原子溶解到Zn液相层中产生Zn-Al共晶组织，Zn-Al共晶组织的物理状态为液态，待焊接母材的待焊接面处凝固析出α-Al固溶体，α-Al固溶体的物理状态为固态，Zn液相层中的Zn原子向待焊接母材中的Al晶界内部扩散形成α-Al固溶体，α-Al固溶体的物理状态为固态，Zn-Al共晶组织与α-Al固溶体之间的界面呈弯曲状，在两个待焊接母材的待焊接面分别从外往内依次形成界面凝固区、Zn-Al共晶区和Zn扩散区；α-Al固溶体生长步骤，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，同时通过感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度为450-480℃，纯Zn箔的物理状态为液态，纯Zn箔形成的Zn液相层逐渐消失，α-Al固溶体不断增加，随着α-Al固溶体不断增加，Zn液相层中的α-Al固溶体和两侧的待焊接面析出的α-Al固溶体相互接触，α-Al固溶体的物理状态为固态，Zn-Al共晶组织逐渐减少，Zn-Al共晶组织呈不连续状，Zn-Al共晶组织的物理状态为液态，α-Al固溶体生长步骤施加焊接超声波的时间控制在80-110秒；全α-Al固溶体接头完成步骤，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，同时通过感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度保持在450-480℃，Zn-Al共晶组织的物理状态为液态，Zn-Al共晶组织消失，Zn液相层全部转化为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；其中，α-Al固溶体析出步骤、α-Al固溶体生长步骤和全α-Al固溶体接头完成步骤中，施加焊接超声波的总时间为90-120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。进一步的技术方案中，所述α-Al固溶体生长步骤与所述全α-Al固溶体接头完成步骤之间包括有α-Al固溶体接头形成步骤，所述超声工具头对所述待焊组件继续施加所述焊接超声波，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，同时通过所述感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度为450-480℃，所述Zn-Al共晶组织消失，所述α-Al固溶体继续增加，在α-Al固溶体中残留有η-Zn相；所述完成焊接组件步骤，保持所述超声工具头向所述待焊组件施加压力。进一步的技术方案中，在所述α-Al固溶体析出步骤中，在所述待焊接母材中的Al原子大量溶解到所述Zn液相层中，从而产生所述Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法，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熔点的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，选用中间反应材料层为纯Zn箔；表面处理步骤，待焊接母材仅限于铝合金或铝基复合材料，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，选用膜状或片状的纯Zn箔作为中间反应材料层，将中间反应材料层夹持在两个待焊接母材之间的待焊接面，中间反应材料层与待焊接母材的待焊接面接触形成接触面，待焊组件组装完成；上机固定步骤，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；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，对待焊接组件进行加载超声及感应加热，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，同时通过感应加热设备升温待焊组件，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz，中间反应材料层的反应温度为385‑400℃，超声工具头对待焊组件施加焊接超声波，待焊接母材氧化膜的破除包括固固界面和固液界面，初始状态为固固界面，在固固界面的局部氧化膜破除后形成氧化膜缺口，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层为固态，在氧化膜缺口处待焊接母材与中间反应材料层接触并元素之间相互扩散，当元素扩散至达到共晶成分后，待焊接组件从固固界面转化为固液界面，在氧化膜缺口处待焊接母材与中间反应材料层的接触面分别产生Zn‑Al共晶液，Zn‑Al共晶液的物理状态为液态，在待焊接母材与纯Zn箔的待焊接面形成有α‑Al固溶体，α‑Al固溶体的物理状态为固态，从而使待焊接母材与中间反应材料层的待焊接面实现冶金接合，待焊接母材的物理状态为固态，纯Zn箔的物理状态为固态；α‑Al固溶体析出步骤，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，同时通过感应加热设备升温待焊组件，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度为450‑480℃，纯Zn箔的物理状态为液态，纯Zn箔形成Zn液相层，Zn液相层的物理状态为液态，待焊接母材与Zn液相层之间的元素发生相互扩散，待焊接件母材与Zn液相层发生冶金反应，待焊接母材表面的Al原子溶解到Zn液相层中产生Zn‑Al共晶组织，Zn‑Al共晶组织的物理状态为液态，待焊接母材的待焊接面处凝固析出α‑Al固溶体，α‑Al固溶体的物理状态为固态，Zn液相层中的Zn原子向待焊接母材中的Al晶界内部扩散形成α‑Al固溶体，α‑Al固溶体的物理状态为固态，Zn‑Al共晶组织与α‑Al固溶体之间的界面呈弯曲状，在两个待焊接母材的待焊接面分别从外往内依次形成界面凝固区、Zn‑Al共晶区和Zn扩散区；α‑Al固溶体生长步骤，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，同时通过感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度为450‑480℃，纯Zn箔的物理状态为液态，纯Zn箔形成的Zn液相层逐渐消失，α‑Al固溶体不断增加，随着α‑Al固溶体不断增加，Zn液相层中的α‑Al固溶体和两侧的待焊接面析出的α‑Al固溶体相互接触，α‑Al固溶体的物理状态为固态，Zn‑Al共晶组织逐渐减少，Zn‑Al共晶组织呈不连续状，Zn‑Al共晶组织的物理状态为液态，α‑Al固溶体生长步骤施加焊接超声波的时间控制在80‑110秒；全α‑Al固溶体接头完成步骤，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，同时通过感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz，中间反应材料层的反应温度保持在450‑480℃，Zn‑Al共晶组织的物理状态为液态...

【技术特征摘要】
1.一种获全固溶体接头的低温超声辅助铝合金焊接的方法，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熔点的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，选用中间反应材料层为纯Zn箔；表面处理步骤，待焊接母材仅限于铝合金或铝基复合材料，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，选用膜状或片状的纯Zn箔作为中间反应材料层，将中间反应材料层夹持在两个待焊接母材之间的待焊接面，中间反应材料层与待焊接母材的待焊接面接触形成接触面，待焊组件组装完成；上机固定步骤，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；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，对待焊接组件进行加载超声及感应加热，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，同时通过感应加热设备升温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度为385-400℃，超声工具头对待焊组件施加焊接超声波，待焊接母材氧化膜的破除包括固固界面和固液界面，初始状态为固固界面，在固固界面的局部氧化膜破除后形成氧化膜缺口，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层为固态，在氧化膜缺口处待焊接母材与中间反应材料层接触并元素之间相互扩散，当元素扩散至达到共晶成分后，待焊接组件从固固界面转化为固液界面，在氧化膜缺口处待焊接母材与中间反应材料层的接触面分别产生Zn-Al共晶液，Zn-Al共晶液的物理状态为液态，在待焊接母材与纯Zn箔的待焊接面形成有α-Al固溶体，α-Al固溶体的物理状态为固态，从而使待焊接母材与中间反应材料层的待焊接面实现冶金接合，待焊接母材的物理状态为固态，纯Zn箔的物理状态为固态；α-Al固溶体析出步骤，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，同时通过感应加热设备升温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度为450-480℃，纯Zn箔的物理状态为液态，纯Zn箔形成Zn液相层，Zn液相层的物理状态为液态，待焊接母材与Zn液相层之间的元素发生相互扩散，待焊接件母材与Zn液相层发生冶金反应，待焊接母材表面的Al原子溶解到Zn液相层中产生Zn-Al共晶组织，Zn-Al共晶组织的物理状态为液态，待焊接母材的待焊接面处凝固析出α-Al固溶体，α-Al固溶体的物理状态为固态，Zn液相层中的Zn原子向待焊接母材中的Al晶界内部扩散形成α-Al固溶体，α-Al固溶体的物理状态为固态，Zn-Al共晶组织与α-Al固溶体之间的界面呈弯曲状，在两个待焊接母材的待焊接面分别从外往内依次形成界面凝固区、Zn-Al共晶区和Zn扩散区；α-Al固溶体生长步骤，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，同时通过感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的反应温度为450-480℃，纯Zn箔的物理状态为液态，纯Zn箔形成的Zn液相层逐渐消失，α-Al固溶体不断增加，随着α-Al固溶体不断增加，Zn液相层中的α-Al固溶体和两侧的待焊接面析出的α-Al固溶体相互接触，α-Al固溶体的物理状态为固态，Zn-Al共晶组织逐渐减少，Zn-Al共晶组织呈不连续状，Zn-Al共晶组织的物理状态为液态，α-Al固溶体生长步骤施加焊接超声波的时间控制在80-110秒；全α-Al固溶体接头完成步骤，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，同时通过感应加热设备保温待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度保持在450-480℃，Zn-Al共晶组织的物理状态为液态，Zn-Al共晶组织消失，Zn液相层全部转化为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；其中，α-Al固溶体析出步骤、α-Al固溶体生长步骤和...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖志伟，
申请(专利权)人：东莞市新玛博创超声波科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44